CN112122377A - 一种铜包铝复合材料半固态成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种铜包铝复合材料半固态成形方法，属于半固态加工领域。本发明以铜材包裹铝材，实现外层为铜，内层为铝的材料复合工艺。先将铜材内壁和铝材外壁相接触的地方进行去氧化皮，添加螺纹或滑道，铜铝复合后先施加冷挤压，然后通过铜导热导电的优势在铜材外部加热至铝材半固态温度区间，通过快速热挤压实现铜铝材料复合，最后水淬冷却。铜铝复合材料与纯铜材料相比保持了原来的导电导热性能还降低了重量；本发明与传统复合法相比不需要复杂的模具，操作简便，生产效率高，生产安全性更好。
Description
技术领域
本发明涉及一种铜包铝复合材料半固态成形方法，属于半固态加工领域。
背景技术
金属半固态成形技术它最早在20世纪70年代由美国麻省理工学院的M.C.Flemings教授提出。金属半固态浆料流动性和充型能力较好，金属半固态成形技术将铸、锻的优点结合在一起，适用于各类精密零件的成形，也大大拓展了可成形的合金范围，在航空航天、军事、汽车领域得到了广泛的应用。
近年来铜铝复合材料的发展很快，主要产品种类有铜包铝复合线材、铜铝复合接头材料、铜铝复合板带材等。
铜铝复合材料的加工方法很多，大体可分为固-固相复合法和液-固相复合法两大类。固-固相复合法包括：轧制复合、爆炸复合、挤压拉拔复合等，液-固相复合法包括：充芯连铸、双结晶器连铸等。铜铝复合材料具有广泛用途，研究和开发这类材料具有十分重要的经济意义。目前工业化生产铜铝复合材料的主要方法是轧制复合和挤压-拉拔复合等。其中爆炸复合法缺点是机械化程度低、劳动条件差、有一定的危险性；轧制压接法、连续挤压包覆法对设备的要求高，因而成本也高；静液挤压法的工艺过程复杂，操作及维修困难；铝线镀铜法和包覆焊接法生产效率较低；充芯连铸法需要复杂的模具，还必须要有精准的控制才能顺利和稳定地制备铜包铝双金属复合材料，操作要求极高，操作复杂，不适合大批量生产；双结晶器连铸法也需要精准的控制，操作复杂，如果开始下拉时温度过高，金属液在结晶器中不能形成一定厚度的坯壳，容易在结晶器出口处出现拉漏现象，如果温度太低，则容易产生冷隔、拉断等问题。拉坯速度的快慢影响结晶器内金属液固界面的相对位置以及液穴的长度变化，如果拉速过快，结晶器出口处凝固坯壳太薄，容易产生拉漏事故。以上方法在制备材料的过程中不可避免地存在金属间化合物的生成，影响其使用性能。
对于公开号为“CN104733133A”、名为“铜包铝复合母线排制备工艺”先用小变形量拉拔目的是与铜铝紧密接触，这种复合方法与传统挤压拉拔复合类似，没有螺纹滑道复合紧密，在后续加工中容易使铜铝脱离。其次采用高温加热，使铝棒外层微薄一层为半熔体复合，这种方法首先加热温度过高为600-900℃，应用具有局限性，只适用于熔点较高的紫铜或者固相线较高的铜合金，对于一些锡青铜并不适用。由于铜材良好的导热性，铝材具有良好的散热性，所以加热温度过高很难保证外表面成半熔态而芯部还为固态，需要精准的操作，加大了工艺的复杂性。从专业角度来看，采用这种表层半熔体复合工艺，并未使铝材达到半固态球化晶粒效果，并且由芯部到外表面，相邻组织差异较大，相比完全半固态工艺制品的铝材性能较差。此外该发明工艺过程在热挤压后还需要多次轧制，工艺流程长，工艺复杂，加大了控制工艺流程的难度，因此需要一种全新的固-半固态复合法，既满足高质量铜包铝复合工艺，又可以使铝材以半固态制品成形，从而提升整体复合材料的各项性能。
发明内容
本发明的目在于提供一种铜包铝复合材料半固态成形方法，解决传统铜铝复合方法操作复杂、操作精度要求极高、生产本高、危险性大、成品性能差等缺点。
本发明的技术方案是；首先是确定复合铝材的半固态温度区间，首先通过螺纹或者滑道进行简单复合内铝外铜，然后施加冷挤压加工使铝材储备变形能，随后加热外层铜壳到铝材的半固态温度区间实现固-半固态法复合，同时也使铝材成为半固态制品，最后再通过快速热挤压加固了铜铝复合面的结合，具体步骤如下：
(1)对空芯铜材内壁和铝材外表面去氧化皮处理，然后添加螺纹(管材类)或者滑道(板材类)；对铜铝材料进行复合，内铝外铜；
(2)对铜包铝复合材料进行冷挤压；
(3)对铜包铝复合材料进行加热至铝材半固态温度区间；
(4)对铜包铝复合材料进行快速热挤压然后水淬冷却。
所述步骤(1)中空芯铜材采用薄壁件，壁厚为2-4mm，所述对铜铝材料进行复合包覆的具体过程为：当所述铜包铝复合材料为管材时，空芯铜材添加内螺纹，内芯铝材添加外螺纹，内外螺纹的螺距要相等螺距为1-5mm，外螺纹的大径要小于内螺纹的大径，内螺纹的小径要大于外螺纹的的小径，采用右旋螺纹，内外螺纹采用间隙配合；当所述铜包铝复合材料为板材时，铜材内部设有内滑道，铝金属表面设有外滑道，滑道宽度为2-5mm，滑道高度为1-2mm，内外滑道采用间隙配合。复合过程中由于螺纹和滑道作用加大了铜铝金属复合面积，同时使铜包铝复合材料在后续加工不会产生偏移。
所述步骤(2)中冷挤压变形量为20％-40％。
所诉步骤(3)中如果铝材为纯铝，加热温度为660℃，加热时间为5-10min；如果铝材为铝合金，则加热温度为固相线以上10-50℃，加热时间为10-25min。
所诉步骤(4)中热挤压模具预热温度为0.4-0.6TS，TS为纯铝熔点或铝合金的固相线温度，热挤压速率为50-90mm/s。
本发明利用了金属半固态充型能力强，流动性好优势，进行固-半固态复合，既减少了固-固相复合所需要的轧制困难或者爆炸式复合所用焊接工艺带来的危险性，导致复合效果差；也避免了液-固相复合的操作困难，模具复杂，难以控制等缺点，以及由于液态铝及铝合金温度过高使铜铝复合面产生新的金属间化合物影响复合材料使用性能。
本发明的有益效果：
(1)本发明通过固-半固态法，使铜包铝复合效果好，生产成本低，生产效率高，成品性能好，生产操作简单，不需要高难度复杂操作；所制备得到的铜铝复合材料相比纯铜材料保持了材料的导电导热性、抗腐蚀性能的同时降低了材料的重量，同时还显著提升了力学性能，提高了使用寿命，还加强了铜铝界面复合，加大了产品的质量。
(2)本发明利用金属半固态浆料流动性和充型能力好，进行固-半固态法复合；在复合前对接触面进行打磨，防止由于氧化物的影响给复合材料带来缺陷，使复合材料的性能降低；随后增加螺纹或滑道进行铜铝复合，目的是增大摩擦力防止铜铝金属复合后滑动，加大复合效果。
(3)本发明施加冷挤压使铝及铝合金储备变形能，使后续加热至铝及铝合金半固态温度时，使铝材半固态球化效果显著，提升材料力学性能。
(4)本发明采用固-半固态复合法，避免了了固-固相复合法机械化程度低、劳动条件差、有一定的危险性、成本也高、生产效率低等问题；避免了液-固相复合法操作难度大，生产设备复杂，不适合批量化生产，以及部分液-固相法生产带来的冷隔、拉断、拉漏事故等问题，使产品质量下降。
(5)本发明所述方法使铝芯完全成为半固态制品，再通过快速挤压成形，然后水淬冷却，得到产品；相比局部熔化法所制出的产品，组织呈球状晶粒，整体组织更均匀，相邻晶粒差异较小(如图4)，且简化工艺流程。
附图说明
图1是本发明成形工艺流程图；
图2是本发明铜铝复合管线棒材生产示意图；
图3是本发明铜铝复合板带材生产示意图；
图4是本发明获得A356铝合金微观组织图。
具体实施方式
以下结合实例和附图对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
本发明所述半固态复合工艺在制备紫铜板材和A356铝合金板材中应用(见图1、图2、图4)：
(1)对紫铜板材内壁和A356铝合金板材外表面进行去氧化皮加滑道处理，滑道宽度2mm，高度1mm，内外间隙配合，紫铜壁厚为2mm。
(2)将紫铜和A356铝合金板材进行复合，内铝外铜，对铜铝复合板采用35％冷挤压。
(3)对铜铝复合材料进行加热，即热温度为595℃，加热时间为15min。
(4)对加热后的铜铝复合材料，进行热挤压，模具预热温度为288℃，挤压速率为80mm/s。
(5)将挤压后的铜铝复合材料进行水淬冷却得到铜铝复合板材。
图4为本实施例所得铜铝复合材料的A356铝合金显微组织图，由图可以看出由半固态法制备的铝合金晶粒组织呈球状组织，且晶粒细小，组织均匀。
实施例2
本发明的半固态复合工艺在紫铜管材和纯铝棒材种应用(参见图1、图3)：
(1)对铜管内壁和纯铝棒材外表面进行去氧化皮处理，铜管选用2mm薄壁空芯管。
(2)将铜管内添加螺纹，铝棒材外表面添加外螺纹，要求内外螺纹为右旋，间隙配合，螺纹牙距为1.5mm。
(3)对添加螺纹后的紫铜和纯铝进行穿管复合，内铝外铜。
(4)对铜铝复合管采用30％冷挤压。
(5)铜铝复合管进行加热，加热温度为660℃加热时间为8min。
(6)将加热后的铜铝复合管进行快速挤压，模具预热温度为300℃，热挤压速率为60mm/s，将挤压后的铜铝复合材料进行水淬冷却得到铜铝复合棒材。
实施例3
本发明的半固态复合工艺，应用在锡青铜和7075铝合金中(参见图1)
(1)对锡青铜内壁和7075铝合金外表面进行去氧化皮加螺纹处理，锡青铜壁厚采用3mm薄壁外壳。
(2)将锡青铜和7075进行复合，内铝外铜，对铜铝复合管采用25％冷挤压。
(3)对铜铝复合材料进行加热，即热温度为580℃，加热时间为15min。
(4)对加热后的铜铝复合材料，进行热挤压，模具预热温度为270℃，热挤压速率为70mm/s。
(5)将挤压后的铜铝复合材料进行水淬冷却得到铜铝复合材料。
本发明实施例所得复合材料复合效果好，主要是由于采用固-半固态法使铝材金属液渗入空芯铜材内壁中，使复合界面结合能力更强，利用金属半固态复合法可以显著提升铝合金强度，使铜铝复合板的整体强度有显著提升。
结果表明本发明具有操作简单、控制方便、铜铝结合强度高、提升材料的力学性能，用该方法制备出的铜铝复合线材、棒材、板带材具有良好的导热性、导电性，符合实际生产要求。
Claims (6)
1.一种铜包铝复合材料半固态成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对空芯铜材内壁和铝材外表面去氧化皮处理，然后添加螺纹或者滑道，对铜铝材料进行复合包覆，内铝外铜；
(2)对铜包铝复合材料进行冷挤压；
(3)对铜包铝复合材料进行加热至铝材半固态温度区间；
(4)对铜包铝复合材料进行快速热挤压然后水淬冷却。
2.根据权利要求1所述的一种铜包铝复合材料半固态复合方法，其特征在于：对铜铝材料进行复合包覆的具体过程为：当所述铜包铝复合材料为管材时，空芯铜材添加内螺纹，内芯铝材添加外螺纹，内外螺纹的螺距要相等螺距为1-5mm，内外螺纹采用间隙配合；当所述铜包铝复合材料为板材时，铜材内部设有内滑道，铝金属表面设有外滑道，滑道宽度为2-5mm，滑道高度为1-2mm，内外滑道采用间隙配合。
3.根据权利要求1所述铜包铝复合材料半固态成形方法，其特征在于：所述步骤(1)中空芯铜材采用薄壁件，壁厚为2-4mm。
4.根据权利要求1所述铜包铝复合材料半固态成形方法，其特征在于：所述步骤(2)中冷挤压变形量为20％-40％。
5.根据权利要求1所述铜包铝复合材料半固态成形方法，其特征在于：所述步骤(3)中如果铝材为纯铝，则铜铝复合材料加热温度为660℃，加热时间为5-10min；如果铝材为铝合金，则铜铝复合材料加热温度为铝合金固相线以上10-50℃，加热时间为10-25min。
6.根据权利要求1所述铜包铝复合材料半固态成形方法，其特征在于：所述步骤(4)中，热挤压模具预热温度为0.4-0.6TS，TS为纯铝熔点或铝合金的固相线温度，热挤压速率为50-90mm/s。
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