一种铝‑铜双金属材料导电头的制备方法与流程

本发明涉及双金属复合材料制备技术领域，尤其涉及一种铝-铜双金属材料导电头的制备方法。

背景技术：

al/cu复合导电头作为湿法炼锌阴极板的核心部件，用量巨大(1吨锌消耗0.3个导电头，2015年我国锌年产量达640万吨，消耗导电头数量约为192万个)。目前，正在使用的导电头主要采用“浇铸”或“爆炸焊”方法复合制造而成。由于服役环境的特殊性(酸雾气氛并需要频繁通、断电)，上述导电头在使用过程中存在连接界面易腐蚀、导电性差、易发热等现象，从而给生产过程带来了系列问题：电解极板损坏速度加剧，使用寿命降低；结合界面电阻发热严重，使大量的电流效率浪费在电阻发热上；导电头al/cu接触界面恶化，最终导致连接失效。可在al与cu的界面处生成固溶体组织代替金属间化合物，因此，要改变al与cu在高温下的液固扩散能力并提高金属间化合物生成焓。

技术实现要素：

本发明要解决的问题是现有的制备方法制成的al/cu复合导电头，双金属连接界面易腐蚀、界面电阻高、易发热、界面强度低。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：提供一种铝-铜双金属材料导电头的制备方法。所述铝-铜双金属材料导电头的制备方法，包括以下步骤：

(1)预处理：将铜材和铝材分别加工成铜板和铝板，所述铜板和铝板的尺寸相同；

(2)热压成型：

(a)将黄铜网至于铝板和铜板之间，之后一并放置于真空热压烧结炉中；所述黄铜网中zn的元素的质量分数为25～35％；

(b)将真空热压炉抽真空，待真空度达到3×10^-3～8×10^-2pa后开始加热，温度达到600-650℃后保温，保温过程中给铝板和铜板双金属加压2～5mpa；保温20～80min；

(c)之后降温，降温时保持铝板和铜板双金属加压1～3mpa，保持40～100min；铝板和铜板随炉体冷却后，得到微区扩散成型的型材；

(3)线切割：将步骤(2)得到的型材经线切割后得到所需的导电头。

进一步地，步骤(2)中将真空热压炉抽真空，待真空度达到5.5×10^-3～5.5×10^-2pa后开始加热。

优选地，步骤(2)中，保温20～50min后降温。

优选地，步骤(2)中，降温时保持铝板和铜板双金属加压1～3mpa，保持50～80min。

进一步地，所述黄铜网的目数为30～200目。

进一步地，所述黄铜网中zn元素的质量分数为30％。

优选地，所述步骤(1)中，预处理时，将黄铜网浸泡在酸溶液中进行酸洗2～5min。

优选地，酸洗后的黄铜网超声清洗20～40min。

进一步地，所述步骤(1)中，铝材加工成铝板后，将铝板浸泡在浓度为碱溶液中进行碱洗30-60s。

优选地，所述步骤(1)中，将铜板和碱洗后的铝板分别超声清洗20～40min。

本发明具有的优点和积极效果是：本发明提供的铝-铜双金属材料导电头的制备方法，使用黄铜网置于铝板和铜板中，黄铜网中的zn元素有利于al-cu的连接。此外，热压成型时，黄铜网降低了铜与铝在界面处的液固扩散能力，抑制cual2、cu4al9金属间化合物的产生，改善al-cu双金属导电头界面组织，改善了导电头的性能。

本发明提供的铝-铜双金属材料导电头的制备方法，利用铝与铜在熔点上的差别，保证高温条件下表面熔化的纯铝通过黄铜纤维微区扩散与固态铜合金形成微米级界面结合组织，实现铝和铜两者冶金结合，形成的双金属材料导电头除了具有铝和铜各自优越性能外，同时还具有较高的界面强度，其界面剪切强度可达90mpa以上。

本发明提供的铝-铜双金属材料导电头的制备方法，工艺明确、易执行，通过板材与工艺的设计，获得al-cu双金属导电头的效率大大提高，适于工业化生产使用。

附图说明

图1是实施例1中的铝-铜双金属材料导电头的制备方法中热压成型步骤的示意图。

图2(a)、(b)是实施例1中的的铝-铜双金属材料导电头的制备方法中线切割的加工图。

图3是实施例3中热压成型后得到的型材的界面结合区组织的sem图；

图4是实施例1～5中不同目数的黄铜网形成的铝-铜双金属材料导电头剪切强度曲线。

图5是实施例1～5中形成的铝-铜双金属材料导电头两侧铜和铝的导电率图。

图中：1-真空热压烧结炉，2-压头，3-隔层，4-铝板，5-铜板，6-黄铜网，7-铝块，8-铜块，9-搅拌摩擦焊接面，10-爆炸焊接面。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面结合具体实施例和附图对本发明进行进一步的描述。

实施例1

一种铝-铜双金属材料导电头的制备方法，包括以下步骤：

(1)预处理：将铜材与铝材分别加工成尺寸为200mm×200mm×20mm的铜板和铝板；

将铝板浸泡在浓度为4％氢氧化钠溶液中进行碱洗30s，黄铜网浸泡在4％的硝酸溶液中进行酸洗2min，之后将铜板、酸洗后的铝板以及碱洗后的黄铜网分别放入超声波清洗仪内超声清洗20min(也可使用其他浓度其他类型的酸溶液或碱溶液，本实施例中的举例并不限制本申请的保护范围)；

(3)热压成型：

(a)将30目黄铜网(zn元素含量30％wt)置于铝板和铜板之间，一并放置于真空热压烧结炉中，相应工艺如图1所示；

(b)对真空热压烧结炉抽真空，当烧结炉内真空度达到5.5×10^-3pa后开始加热烧结30min，加热温度到600℃后保温，保温过程中给al-cu双金属加压4mpa，保温20min，

(c)之后降温，降温时保持铝板和铜板双金属加压1mpa，保持60min；铝板和铜板随炉体冷却后，得到微区扩散成型的型材；

(3)线切割：将步骤(2)得到的型材经线切割后得到所需的导电头。如图2所示，是一种线切割的加工图，在其他实施例中，也可采用其他加工要求，与最后使用需求相配合。

本实施例中得到的导电头的界面剪切强度可达96mpa。

实施例2

一种铝-铜双金属材料导电头的制备方法，包括以下步骤：

(1)预处理：将铜材与铝材分别加工成尺寸为200mm×100mm×10mm的铜板和铝板(在其他实施例中，也可处理成其他尺寸，与使用的机械设备相适应，保持铝材和铜材加工后的尺寸规格一致)；

将铝板浸泡在浓度为3％氢氧化钾溶液中进行碱洗40s，黄铜网浸泡在2％的硫酸溶液中进行酸洗3min，之后将铜板、酸洗后的铝板以及碱洗后的黄铜网分别放入超声波清洗仪内超声清洗30min(也可使用其他浓度其他类型的酸溶液或碱溶液，本实施例中的举例并不限制本申请的保护范围)；

(3)热压成型：

(a)将60目黄铜网(zn元素含量30％wt)置于铝板和铜板之间，一并放置于真空热压烧结炉中；

(b)对真空热压烧结炉抽真空，当烧结炉内真空度达到6.0×10^-3pa后开始加热烧结30min，加热温度到610℃后保温，保温过程中给al-cu双金属加压5mpa，保温30min，

(c)之后降温，降温时保持铝板和铜板双金属加压2mpa，保持60min；铝板和铜板随炉体冷却后，得到微区扩散成型的型材；

(3)线切割：将步骤(2)得到的型材经线切割后得到所需的导电头。

本实施例中得到的导电头的界面剪切强度可达87mpa。

实施例3

一种铝-铜双金属材料导电头的制备方法，包括以下步骤：

(1)预处理：将铜材与铝材分别加工成尺寸为100mm×100mm×15mm的铜板和铝板(在其他实施例中，也可处理成其他尺寸，与使用的机械设备相适应，保持铝材和铜材加工后的尺寸规格一致)；

将铝板浸泡在浓度为2％氢氧化钠溶液中进行碱洗50s，黄铜网浸泡在10％的盐酸溶液中进行酸洗5min，之后将铜板、酸洗后的铝板以及碱洗后的黄铜网分别放入超声波清洗仪内超声清洗25min(也可使用其他浓度其他类型的酸溶液或碱溶液，本实施例中的举例并不限制本申请的保护范围)；

(3)热压成型：

(a)将100目黄铜网(zn元素含量30％wt)置于铝板和铜板之间，一并放置于真空热压烧结炉中；

(b)对真空热压烧结炉抽真空，当烧结炉内真空度达到1.0×10^-2pa后开始加热烧结30min，加热温度到620℃后保温，保温过程中给al-cu双金属加压5mpa，保温20min，

(c)之后降温，降温时保持铝板和铜板双金属加压1mpa，保持60min；铝板和铜板随炉体冷却后，得到微区扩散成型的型材；

(3)线切割：将步骤(2)得到的型材经线切割后得到所需的导电头。

本实施例中得到的导电头的界面剪切强度可达68mpa。

图3是实施例3中热压成型后得到的型材的界面结合区组织的sem图图中左侧为纯铜(cu)，右侧为纯铝(al)，中间网状结构为界面过渡层与两侧的纯铝和纯铜紧密结合，并且还有黄铜纤维存在，起到强化界面的作用。

实施例4

一种铝-铜双金属材料导电头的制备方法，包括以下步骤：

(1)预处理：将铜材与铝材分别加工成尺寸为100mm×100mm×10mm的铜板和铝板(在其他实施例中，也可处理成其他尺寸，与使用的机械设备相适应，保持铝材和铜材加工后的尺寸规格一致)；

将铝板浸泡在氢氧化钠和碳酸钠的混合溶液(含量分别为2％和3％)中进行碱洗30s，黄铜网浸泡在2％的硝酸溶液中进行酸洗3min，之后将铜板、酸洗后的铝板以及碱洗后的黄铜网分别放入超声波清洗仪内超声清洗35min(也可使用其他浓度其他类型的酸溶液或碱溶液，本实施例中的举例并不限制本申请的保护范围)；

(3)热压成型：

(a)将150目黄铜网(zn元素含量30％wt)置于铝板和铜板之间，一并放置于真空热压烧结炉中；

(b)对真空热压烧结炉抽真空，当烧结炉内真空度达到7.7×10^-3pa后开始加热烧结30min，加热温度到600℃后保温，保温过程中给al-cu双金属加压5mpa，保温40min，

(c)之后降温，降温时保持铝板和铜板双金属加压1.5mpa，保持60min；铝板和铜板随炉体冷却后，得到微区扩散成型的型材；

(3)线切割：将步骤(2)得到的型材经线切割后得到所需的导电头。

本实施例中得到的导电头的界面剪切强度可达60mpa。

实施例5

一种铝-铜双金属材料导电头的制备方法，包括以下步骤：

(1)预处理：将铜材与铝材分别加工成尺寸为200mm×200mm×15mm的铜板和铝板(在其他实施例中，也可处理成其他尺寸，与使用的机械设备相适应，保持铝材和铜材加工后的尺寸规格一致)；

将铝板浸泡在浓度为氢氧化钠和磷酸钠混合溶液(含量分别为3％、2％)中进行碱洗45s，黄铜网浸泡在4％的硝酸溶液中进行酸洗4min，之后将铜板、酸洗后的铝板以及碱洗后的黄铜网分别放入超声波清洗仪内超声清洗40min(也可使用其他浓度其他类型的酸溶液或碱溶液，本实施例中的举例并不限制本申请的保护范围)；

(3)热压成型：

(a)将200目黄铜网(zn元素含量30％wt)置于铝板和铜板之间，一并放置于真空热压烧结炉中；

(b)对真空热压烧结炉抽真空，当烧结炉内真空度达到3×10^-2pa后开始加热烧结30min，加热温度到650℃后保温，保温过程中给al-cu双金属加压5mpa，保温30min，

(c)之后降温，降温时保持铝板和铜板双金属加压1mpa，保持70min；铝板和铜板随炉体冷却后，得到微区扩散成型的型材；

(3)线切割：将步骤(2)得到的型材经线切割后得到所需的导电头。

本实施例中得到的导电头的界面剪切强度可达55mpa。

实施例1-5黄铜网目数和导电头的界面剪切强度的曲线如图4所示，从图中可知黄铜网的目数大小影响导电头的界面剪切强度，采用爆炸焊的界面剪切强度一般小于50mpa，黄铜网目数在30～200时，得到的导电头的界面强度大于等于55mpa，适于使用。

实施例1-5得到的导电头的两侧铜和铝的导电率如图5所示，从图中可知黄铜网的目数大小对导电率影响不大，得到的导电头的导电率适于使用。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。