CN1270428A - 铝铜铸造导电接头 - Google Patents

Abstract

一种用铝铜铸造导电接头的方法及其产品,是将铜部基体经表面处理后与熔化的铝合金熔液浇铸连接。本发明导电热头的铜部基体与铝部基体的连接面,完全包覆在铝部基体中,不受环境气氛氧化腐蚀的影响,具有良好的可靠性能和稳定性能。

Description

铝铜铸造导电接头

本发明涉及一种异种金属的铸造连接技术，尤其是一种铝--铜铸造导电接头的技术。

铝、铜由于具有优异的导电性能，而在电气、冶金领域被大量采用。一般的导线、母线都是用这种金属制作的，在现代生产的很多场合，常常需要将这两种金属连接起来以满足大电流、低电压、高效能用电设备设计的需要。

现有技术中，用铝、铜连接在一起用作导电接头，其连接方式主要有用螺栓机械连接的导电接头，和用轧制压焊连接的导电接头。螺栓机械连接最为简单，使用较为普遍，它是依靠两种金属间接触面的机械接触，实现电流传输的，其缺点是在使用中两金属的接触面易发生氧化和电化学腐蚀，电阻增大，从而使可靠性、稳定性变差。同时用螺栓连接系手工操作，难以实现机械化。轧制和压焊制作导电接头，导电性和可靠性均优于机械连接，但这种连接需要专门的设备，而且只限于两种金属等面积的平面连接。

对于用铸造方法将铝、铜连接制作导电接头，日本特许：昭合37-28060公开了一种“使铝合金和异种金属熔敷的方法”提到在异种金属特别是铸铁的表面先镀铝后再熔铸。中国专利94231612和9624759分别公开了“大型铜铝过渡接头”和“铜铝铸造过渡设备端子”的实用新型，但对其如何铸造的方法未见描述。

本发明的目的在于公开一种连接强度高、导电性能好的铝铜铸造导电接头的成形方法及其产品。

众所周知，异种金属制作导电接头，其中两个核心问题是异种金属之间的连接强度和导电性能。铸造导电接头机械强度的保证，除了要进行合理的形状设计外，还需要在制造过程中保证铝部基体和铜部基体组织的致密和铝铜基体之间的结合牢固。良好的导电性能的取得也是如此，铝铜中的各种杂质元素均能使其导电性能有不同程度的下降，这就对铝料和铜料的选择及铝料的熔化工艺严格要求。

这里将导电接头的电阻值分解为三部分，即铝部基体电阻R₁，铜部基体电阻R₂，铝铜结合部电阻R₃，其电阻总值R＝R₁+R₂+R₃。我们知道，对于R₁和R₂可以通过原料的选择和熔化工艺较容易的地将原料杂质加以控制，使得R₁和R₂降到最低。因此导电接头总电阻的降低和机械强度的获得，主要取决于铸造过程中铝铜连接部电阻R₃的减低和铝铜结合面强度的提高，这也是本发明所致力解决的问题。

据资料介绍，高温铝液与固体铜在短时间内接触时，铜向铝中扩散，铝也向铜中扩散，但因为向液体中扩散比向固体中扩散的速度快，故可以认为主要是铜向铝中扩散，这样铝铜之间便会生成室温下稳定的金属间化合物Al₂Cu，Al₂Cu是脆性物质，熔点548℃，电阻率约为纯铝的六倍多，6_b约为5Mpa，完全不能满足导电接头的技术指标要求。

本发明在铸造铝铜导电接头时，将固体状态的铜件经过预热(试验中将铜件加热至300℃--400℃保温1--2小时)后，再行浇铸。值得注意的是，预热时铜的表面易产生氧化膜。该氧化膜Cu₂O熔点高(1222℃--1235℃)，浇铸过程中铝液的温度一般在740℃--780℃，不可能将氧化膜完全熔化穿透。故而该氧化膜会影响铜铝之间的结合强度和导电性能。

为了获得结合强度高，电阻率低的导电接头，本发明还采用了以下特殊的措施。将铜件机械加工后，首先在铜件表面电镀一层与铝铜互溶性好，同时其与铝铜互溶后形成的合金具有良好导电性能的金属，如：银、镉、镍、钛等贵重金属，作为过渡层，然后再在还原性的气氛下将铜件预热，将预热后的铜件定位在铸模中，最后浇铸铝合金溶液，完成铝铜导电接头的铸造。采取该方法可使铜表面不易氧化，同时在浇铸时，铜表面的金属镀层使铝液易于在铜件表面湿润，与铝铜互溶性良好的镀层金属，同时向铝液中扩散，最终在铝铜基体的连接部位形成平整的铝-镀层-镀层-铜的连接界面。该连接界面既满足了高强度的机械性能，同时又满足了良好的导电性能。

用上述铸造方法制作的导电接头，铜和铝两种金属的结合面是一种合金状态的金属过渡层(铜-镀层-镀层-铝)，同时该结合面是在铝金属的完全包覆之下，不会直接受环境气氛氧化腐蚀的影响，接头的可靠性能和稳定性能得到保证。另外，由于这种接头是由液态铝浇入铸型包覆铜件而制成的，因而铝铜接触面的形状几乎不受限制，可以是任何形状，从而为实现导电接头的最优化设计创造了条件。这种导电接头完全能够满足严格的技术指标要求。

以下结合实施例附图对本发明的铝铜铸造导电接头及其方法做进一步说明。

图1是本发明的一种铝铜导电接头的外形

图2是浇铸前的铜件

图3是铝铜结合部的电镜结构

原材料的选择：铜材选用纯度为99.7％的二号紫铜板。铝材选用纯度为99.7％的高纯度的工业铝锭。

将铝在石墨坩埚炉中进行熔化，保温在740℃-780℃待用。

铜件根据需要加工成如图2所示形状，为了提高接头的机械强度，铜件上分散加工了三个圆孔3，也可加工成一些槽。将机械加工后的铜件进行镀镍处理。电镀后的铜件经碱煮清洗，再在还原性的气氛下将其预热至250℃-380℃度范围内保温待用。

浇铸采用金属铸型，铸型预热温度200℃-400℃，铸型内预留出放置铜板的位置。

最后是合模，将预热的铜件放入铸型内的预定位置，再将高温铝液向铸模中浇注，凝固后即可出模，再在300℃-400℃的保温炉中保温3-4小时后取出进行表面加工，切除浇铸口，完成整个铝铜导电接头的铸造过程。

图1所示的导电接头，就是本发明提供的方法所铸造的一种铝铜导电接头示意图，铜件1的大部分基体都包覆在铸铝基体2中，铜件1的上端外露用做导电端子。铜件基体的表面镀有金属过渡层3。

图3是该导电接头铝铜结合部位的电镜结构图。从中可以清晰的看出铜件1和铸铝2的中间是金属镍过渡层3，该金属过渡层3的两边分别有铜与镀层镍互溶扩散的合金层4和铝与镀层镍互溶扩散的合金层5。金属过渡层3和其两边的合金层4、5共同组成了铝铜的连接界面，该连接界面不仅具有足够的机械强度，同时具有良好的导电性能。

本方法铸造的导电接头用于锌电解阴极板时，可实现阴极板与汇流排之间的搭接，即依靠阴极板的自重，铜件外露端直接与汇流排接触，而达到电流的传输。这种连接方法是实现阴极板安装机械化和采锌机械化必不可少的先决条件。

Claims (6)

1、铝铜铸造导电接头的成形方法，是将铜件预热后与熔化状态的铝液在金属铸模中浇铸，其特征在于铜件的表面镀有一层与铝、铜的互溶性好，且与铝、铜互溶后形成的合金具有良好电性能的金属，铜件的预热是在一种还原性气氛下进行。

2、如权利要求1所述的铝铜铸造导电接头的方法，其特征在于铜件的表面镀镍。

3、如权利要求1所述的铝铜铸造导电接头的方法所铸造的导电接头，其特征在于铜件和铸铝之间有一层与铝、铜的互溶性好，且与铝、铜互溶产生的合金具有良好电性能的金属层。

4、如权利要求3所述的导电接头，其特征在于铜与铝的连接面被铝包覆，铜与铝之间有铝-镀层-镀层-铜组成的连接界面。

5、如权利要求3、4所述的导电接头，其特征在于铝铜之间有铝-镍-镍-铜组成的连接界面

6、如权利要求5所述的导电接头，其特征在于被铝浇铸包覆的铜件加工有用于增强铝铜连接强度的孔或槽。

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