CN116479272A - 一种轻型铜包铝合金材料及其制备方法和在航空航天高载流线缆组件中的运用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轻型铜包铝合金材料及其制备方法和在航空航天高载流线缆组件中的运用，属于电线电缆技术领域。制备方法包括以下步骤：S1，配料：配料铜合金和铝合金；S2，分步熔炼；S3，管坯铸造；S4，管坯填充铸造：待铜合金管坯温度降至550~560℃时，将熔炼好的铝合金在引锭杆的牵引下填充至铜合金管坯，此时铝合金温度为500~520℃，获得铜包铝材料；S5，连拉连退：将铜包铝材料进行连拉连退处理，连拉连退的温度为480~490℃，压力为60~70MPa，获得铜包铝线材。本发明获得的轻型铜包铝合金材料具有高导电、高载流特性、高质量的铜‑铝异种金属冶金结合特性、高强度特性和轻量化特性。
Description
技术领域
本发明涉及一种轻型铜包铝合金材料及其制备方法和在航空航天高载流线缆组件中的运用，属于电线电缆技术领域。
背景技术
随着全球经济一体化进程的深入，带来信息电子行业、线缆行业及电力行业的飞速发展和市场旺盛需求。铜资源的日益枯竭和铜价的持续攀高且波动剧烈，迫使国内外各生产厂家和用户都在积极寻找既能保证产品使用性能，又能降低生产成本的新型导体材料来代替纯铜，降低成本。在此背景下，新型复合线材逐渐成为研究热点。铜包铝线是指以铝芯线为主体，外面镀一定比例的铜层的电线，可以用作同轴电缆用导体及电气装备中电线电缆导体，最早由德国在上个世纪30年代推出，随后在英国、美国、法国等国得以推广，广泛应用于各个领域。美国的CATV电缆早在1968年就开始试用铜包铝线，消耗数量达3万吨/年。铜包铝线内导体采用包覆焊接制造技术，将高品质铜带同心地包覆在铝杆芯线的外表面，并使铜层和芯线之间形成牢固结合，使两种不同的金属材料结合成为不可分割的整体，可以像加工单一金属丝那样作拉拔和退火处理，拉拔过程中铜和铝同比例地变径，铜层体积比则保持相对恒定不变。然而在实际生产过程中，铜包铝线采用焊接或挤压等方式连接会产生较多界面缺陷和较厚金属化合物层，一方面使铜与铝之间的结合出现问题，在后继加工过程中铜层与铝层分离；另一方面，如图1所示，较厚的金属化合物层会在拉拔过程中发生开裂，造成铜包铝线强度较低。
综上所述，本领域技术人员亟需研究一种轻型铜包铝合金材料及其制备方法和在航空航天高载流线缆组件中的运用，用以解决上述问题。
发明内容
本发明旨在提供一种轻型铜包铝合金材料的制备方法，该法获得的轻型铜包铝合金材料具有高导电、高载流特性、高质量的铜-铝异种金属冶金结合特性、高强度特性和轻量化特性。
同时，本发明提供一种轻型铜包铝合金材料。
同时，本发明提供一种轻型铜包铝合金材料在航空航天高载流线缆组件中的运用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种轻型铜包铝合金材料的制备方法，包括以下步骤：
S1，配料：配料铜合金和铝合金，分别清洗、烘干后置于熔炼炉中；
S2，分步熔炼：先采用中频感应加热设备熔炼铜合金，待铜合金熔炼至完全化清后，保温待用；随后采用电阻炉加热设备熔炼铝合金，待铝合金熔炼至完全化清后，保温待用；
S3，管坯铸造：先将熔炼好的铜合金在引锭杆的牵引下流入环状结晶器中，在结晶器中形成铜合金管坯；
S4，管坯填充铸造：待铜合金管坯温度降至550～560℃时，将熔炼好的铝合金在引锭杆的牵引下填充至铜合金管坯，此时铝合金温度为500～520℃，获得铜包铝材料；
S5，连拉连退：将铜包铝材料进行连拉连退处理，连拉连退的温度为480～490℃，压力为60～70MPa，获得铜包铝线材。
铜合金和铝合金配料的质量百分比为15：85。
铜合金按质量百分比包括以下成分：Ag：1.46～3.77％；Si：1.17～3.45％；CuCe中间合金：2.8～4.7％；Cu：余量。
铝合金按质量百分比包括以下成分：Mg：0.15～0.19％；Ag：0.17～0.36％；TiAl中间合金：2.8～4.7％；Al：余量。
铜合金的熔炼条件为：熔炼温度1180～1190℃，熔炼时间为：45～85min。
铝合金的熔炼条件为：熔炼温度680～720℃，熔炼时间为：23～46min。
管坯铸造温度为1080～1120℃。
连拉连退工艺包括：
SS1，将铜包铝材料经过15～30道次拉丝模进行拉伸，每次拉丝直径缩小量为5～10％；
SS2，铜包铝材料退火电流为36～40A，退火转速为765～780转/min；拉速为2.3～2.6m/s。
一种轻型铜包铝合金材料，从外到内依次为铜合金层、扩散层和铝合金层；扩散层厚度为1.33～2.22μm；轻型铜包铝合金材料的密度为4.08～4.17g/cm3；强度为351～362MPa；电导率为74～79％IACS；最大直流电阻率为20℃时0.01998～0.02358Ω.mm2/m。
一种轻型铜包铝合金材料在航空航天高载流线缆组件中的运用，高载流为＞100A。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.高导电、高载流特性：本发明的一种轻型铜包铝合金材料中会形成CeAlSi2相，具有高导电、高载流特性。形成原理为：1)铜包铝复合棒充芯连铸过程中，液相铝在正温度梯度(外层铜管温度为550～560℃，内层液态铝合金温度为500～520℃，形成由内向外温度越来越高的正温度梯度)下，铝向铜内定扩散形成较厚的扩散层；与此同时，铜合金中会发生共析反应及元素扩散，形成硅单质以及铈扩散层，最终形成铝、硅、铈充分接触条件。2)铜包铝复合棒连拉连退过程中固相高温(480～490℃)压力(60～70MPa)下的扩散的铝、硅、铈发生冶金反应在高温和高压下反应形成三元相(CeAlSi2，CeAlSi2相为高温稳定相，在常压下于600℃左右会发生分解，但在本发明工艺的高压条件下，使其稳定形成不发生分解)。CeAlSi2相具有高导电特性，能够显著提高本发明铜包铝合金材料的载流特性。
2.高质量的铜-铝异种金属冶金结合：本发明的一种轻型铜包铝合金材料制备具有高质量的铜-铝异种金属冶金结合，高质量冶金结合的形成的原理为：1)铜包铝复合棒充芯连铸过程中液相铝在正温度梯度(外层铜管温度为550～560℃，内层液态铝合金温度为500～520℃，形成由内向外温度越来越高的正温度梯度)下铝向铜内定扩散；2)铜包铝复合棒连拉连退过程中固相高温(480～490℃)压力(60～70MPa)下的铜-铝冶金互扩散。在液相正温度梯度促扩散和固相高温高压应力互扩散的双重作用下，获得较厚冶金扩散层，形成高质量的铜-铝异种金属冶金结合。
3.高强度的铜包铝复合材料：本发明的一种轻型铜包铝合金材料中，其中铜中含有1.17～3.45％的硅元素，在550～560℃，液相铝在正温度梯度下铝向铜内定扩散过程中，铜合金中会发生共析反应，形成硅单质，并与扩散进来的铝形成高强韧铝硅中间合金AlSi20，与此同时，抑制了铜与铝形成的脆性铜铝中间相，显著提高铜包铝合金线的强度。
4.轻量化：本发明的一种轻型铜包铝合金材料为同心圆线材，其中铜合金占比15wt％，铝合金占85wt％，线材整体密度低，性能好，具备轻量化特性，满足航空航天高载流线缆组件的性能要求。
附图说明
图1是现有技术的铜包铝导体在连拉连退过程中发生开裂的图片；
图2是本发明的轻型铜包铝合金材料在连拉连退过程中未发生开裂的图片；
图3是本发明的轻型铜包铝合金材料的微观组织图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明。以下实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例1
一种轻型铜包铝合金材料的制备方法，包括以下步骤：
S1.配料：按质量百分比(铜合金占比15％，铝合金占比85％)配料铜合金和铝合金，清洗、烘干后置于熔炼炉中；
S2.分步熔炼：先采用中频感应加热设备熔炼铜合金，熔炼温度1180℃，熔炼时间为：45min，待熔炼至完全化清后，保温待用；随后采用电阻炉加热设备熔炼铝合金，熔炼温度680℃，熔炼时间为：23min，待熔炼至完全化清后，保温待用；
S3.管坯铸造：先将熔炼好的铜合金在引锭杆的牵引下流入环状结晶器中，在结晶器中形成铜合金管坯，管坯铸造温度为1080℃；
S4.管坯填充铸造：待铜合金管坯温度降至550℃时，将熔炼好的铝合金在引锭杆的牵引下填充铜合金管坯；此时铝合金温度为500℃，获得铜包铝材料；
S5.连拉连退：将铸造好的铜包铝材料进行连拉连退处理，连拉连退的温度为480℃，压力为60MPa，获得铜包铝线材。
铜合金成分按质量百分比：Ag：1.46％；Si：1.17％；CuCe中间合金：2.8％；Cu：余量。
铝合金成分为按质量百分比：Mg：0.15％；Ag：0.17％；TiAl中间合金：2.8％；Al：余量。
S5连拉连退工艺包括：
SS1.将铸好的铜包铝线经过15道次拉丝模进行拉伸，每次拉丝直径缩小量为5％；
SS2.铜包铝线退火电流为36A，退火转速为765转/min；拉速为2.3m/s。
本实施例获得的一种轻型铜包铝合金材料，从外到内依次为铜合金层、扩散层和铝合金层；铜包铝合金整体密度低，性能好，具备轻量化特性，可以应用于航空航天高载流线缆组件，高载流为100A。
如图2所示，本实施例获得的轻型铜包铝合金材料在后继加工过程中铜层与铝层不分离；在拉拔过程中(15道次拉丝模进行拉伸，每次拉丝直径缩小量为5％)未发生开裂。
如图3所示，本实施例获得的轻型铜包铝合金材料为高质量的铜-铝异种金属冶金结合，扩散层紧密连接铜合金层和铝合金层，扩散层中均匀分布CeAlSi2相和高强韧铝硅中间合金AlSi20。
实施例2
一种轻型铜包铝合金材料的制备方法，包括以下步骤：
S1.配料：按质量百分比(铜合金占比15％，铝合金占比85％)配料铜合金和铝合金，清洗、烘干后置于熔炼炉中；
S2.分步熔炼：先采用中频感应加热设备熔炼铜合金，熔炼温度1190℃，熔炼时间为：85min，待熔炼至完全化清后，保温待用；随后采用电阻炉加热设备熔炼铝合金，熔炼温度720℃，熔炼时间为：46min，待熔炼至完全化清后，保温待用；
S3.管坯铸造：先将熔炼好的铜合金在引锭杆的牵引下流入环状结晶器中，在结晶器中形成铜合金管坯，管坯铸造温度为1120℃；
S4.管坯填充铸造：待铜合金管坯温度降至560℃时，将熔炼好的铝合金在引锭杆的牵引下填充铜合金管坯；此时铝合金温度为520℃，获得铜包铝材料；
S5.连拉连退：将铸造好的铜包铝材料进行连拉连退处理，连拉连退的温度为490℃，压力为70MPa，获得铜包铝线材。
铜合金成分按质量百分比：Ag：3.77％；Si：3.45％；CuCe中间合金：4.7％；Cu：余量。
铝合金成分为按质量百分比：Mg：0.19％；Ag：0.36％；TiAl中间合金：4.7％；Al：余量。
S5连拉连退工艺包括：
SS1.将铸好的铜包铝线经过30道次拉丝模进行拉伸，每次拉丝直径缩小量为10％；
SS2.铜包铝线退火电流为40A，退火转速为780转/min；拉速为2.6m/s。
本实施例获得的一种轻型铜包铝合金材料，从外到内依次为铜合金层、扩散层和铝合金层；铜包铝合金整体密度低，性能好，具备轻量化特性，可以应用于航空航天高载流线缆组件，高载流为140A。
本实施例获得的轻型铜包铝合金材料在后继加工过程中铜层与铝层不分离；在拉拔过程中(30道次拉丝模进行拉伸，每次拉丝直径缩小量为10％)未发生开裂。
实施例3
一种轻型铜包铝合金材料的制备方法，包括以下步骤：
S1.配料：按质量百分比(铜合金占比15％，铝合金占比85％)配料铜合金和铝合金，清洗、烘干后置于熔炼炉中；
S2.分步熔炼：先采用中频感应加热设备熔炼铜合金，熔炼温度1185℃，熔炼时间为：60min，待熔炼至完全化清后，保温待用；随后采用电阻炉加热设备熔炼铝合金，熔炼温度700℃，熔炼时间为：35min，待熔炼至完全化清后，保温待用；
S3.管坯铸造：先将熔炼好的铜合金在引锭杆的牵引下流入环状结晶器中，在结晶器中形成铜合金管坯，管坯铸造温度为1100℃；
S4.管坯填充铸造：待铜合金管坯温度降至555℃时，将熔炼好的铝合金在引锭杆的牵引下填充铜合金管坯；此时铝合金温度为510℃，获得铜包铝材料；
S5.连拉连退：将铸造好的铜包铝材料进行连拉连退处理，连拉连退的温度为485℃，压力为65MPa，获得铜包铝线材。
铜合金成分按质量百分比：Ag：2.5％；Si：2.8％；CuCe中间合金：3.5％；Cu：余量。
铝合金成分为按质量百分比：Mg：0.17％；Ag：0.25％；TiAl中间合金：3.2％；Al：余量。
S5连拉连退工艺包括：
SS1.将铸好的铜包铝线经过25道次拉丝模进行拉伸，每次拉丝直径缩小量为8％；
SS2.铜包铝线退火电流为38A，退火转速为770转/min；拉速为2.5m/s。
本实施例获得的一种轻型铜包铝合金材料，从外到内依次为铜合金层、扩散层和铝合金层；铜包铝合金整体密度低，性能好，具备轻量化特性，可以应用于航空航天高载流线缆组件，高载流为120A。
本实施例获得的轻型铜包铝合金材料在后继加工过程中铜层与铝层不分离；在拉拔过程中(25道次拉丝模进行拉伸，每次拉丝直径缩小量为8％)未发生开裂。
对比例
商用铜包铝导体，牌号为CCA-15％。
实施例1～实施例3和对比例最终获得的铜包铝线材的性能见下表1，下表中的性能数据均依据国标GB/T 29197-2012测量。
表1性能检测结果
应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多特征。更确切地说，如权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种轻型铜包铝合金材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，配料：配料铜合金和铝合金，分别清洗、烘干后置于熔炼炉中；
S2，分步熔炼：先采用中频感应加热设备熔炼铜合金，待铜合金熔炼至完全化清后，保温待用；随后采用电阻炉加热设备熔炼铝合金，待铝合金熔炼至完全化清后，保温待用；
S3，管坯铸造：先将熔炼好的铜合金在引锭杆的牵引下流入环状结晶器中，在结晶器中形成铜合金管坯；
S4，管坯填充铸造：待铜合金管坯温度降至550~560℃时，将熔炼好的铝合金在引锭杆的牵引下填充至铜合金管坯，此时铝合金温度为500~520℃，获得铜包铝材料；
S5，连拉连退：将铜包铝材料进行连拉连退处理，连拉连退的温度为480~490℃，压力为60~70MPa，获得铜包铝线材。
2.根据权利要求1所述的一种轻型铜包铝合金材料的制备方法，其特征在于，铜合金和铝合金配料的质量百分比为15：85。
3.根据权利要求1所述的一种轻型铜包铝合金材料的制备方法，其特征在于，铜合金按质量百分比包括以下成分：Ag：1.46~3.77%；Si：1.17~3.45%；CuCe中间合金：2.8~4.7%；Cu：余量。
4.根据权利要求1所述的一种轻型铜包铝合金材料的制备方法，其特征在于，铝合金按质量百分比包括以下成分：Mg：0.15~0.19%；Ag：0.17~0.36%；TiAl中间合金：2.8~4.7%；Al：余量。
5.根据权利要求1所述的一种轻型铜包铝合金材料的制备方法，其特征在于，铜合金的熔炼条件为：熔炼温度1180~1190℃，熔炼时间为：45~85min。
6.根据权利要求1所述的一种轻型铜包铝合金材料的制备方法，其特征在于，铝合金的熔炼条件为：熔炼温度680~720℃，熔炼时间为：23~46min。
7.根据权利要求1所述的一种轻型铜包铝合金材料的制备方法，其特征在于，管坯铸造温度为1080~1120℃。
8.根据权利要求1所述的一种轻型铜包铝合金材料的制备方法，其特征在于，连拉连退工艺包括：
SS1，将铜包铝材料经过15~30道次拉丝模进行拉伸，每次拉丝直径缩小量为5~10%；
SS2，铜包铝材料退火电流为36~40A，退火转速为765~780转/min；拉速为2.3~2.6m/s。
9.根据权利要求1~8任意一项所述的一种轻型铜包铝合金材料的制备方法获得的轻型铜包铝合金材料，其特征在于，轻型铜包铝合金材料从外到内依次为铜合金层、扩散层和铝合金层；扩散层厚度为1.33~2.22µm；轻型铜包铝合金材料的密度为4.08~4.17g/cm3；强度为351~362MPa；电导率为74~79%IACS；最大直流电阻率为20℃时0.01998~0.02358Ω.mm2/m。
10.据权利要求9所述的轻型铜包铝合金材料在航空航天高载流线缆组件中的运用，其特征在于，高载流为＞100A。
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