用于铜包铝复合扁排性能调控的高频感应退火装置及工艺的制作方法
【专利摘要】本发明用于铜包铝复合扁排性能调控的高频感应退火装置及工艺，该装置主要由导向辊、驱动装置、陶瓷管、测温装置、感应加热装置和吹风冷却装置组成。其特点在于：感应加热电源采用高频感应加热以提高加热的速率，缩短加热时间，控制界面层厚度；将感应加热线圈设计为与铜包铝扁排横截面形状相似的扁平形状，不仅使感应加热时铜包铝扁排不同部位的温度分布均匀，有利于缩短加热时间，控制界面层厚度；通过设置一定长度的陶瓷管，使加热时温度均匀，保证铜包覆层和铝芯同时完成再结晶；通过强制风冷段使退火后的扁排温度快速降低到150℃以下，防止铜铝界面增厚现象，有利于将铜铝界面层厚度控制在2～3μm。
【专利说明】用于铜包铝复合扁排性能调控的高频感应退火装置及工艺
[0001]
【技术领域】
[0002]本发明属于金属层状复合材料领域，涉及一种铜包铝复合扁排界面层厚度与性能可调控的高频感应退火装置及工艺。
[0003]
【背景技术】
[0004]铜包铝扁排是一种双金属层状复合材料，具有低密度、低成本、易连接等优点，可广泛应用于配电母线槽、中高频加热设备、各种控制柜和冶金化工领域的汇流排等。铜包铝导线或扁排一般是通过一定的复合技术(见:戴雅康，等.电线电缆，1997，(5):25-28;谢建新，等.一种包复材料水平连铸直接复合成形设备与工艺.中国发明专利:ZL200610112817.3.)先制备出铜包铝复合坯料，再经轧制、挤压或拉拔等后续成形加工工艺，生产出一定断面形状和尺寸的产品。经轧制或拉拔成形后，铜包铝复合材料的抗拉强度和硬度升高，拉伸断后伸长率明显下降，电导率下降。在使用前需要进行去应力退火、以调控铜包铝扁排的力学和导电性能。在大多数应用场合，希望获得尽可能高的导电率，且对于需要弯曲加工等情形，对铜包铝复合扁排的断后伸长率要求较高，因而一般需要通过等温退火热处理提高铜包铝复合材料的电导率和伸长率。退火温度范围在200~500°C(见:王秋娜，等.材料工程，2008，(7):30~35.)。但另一方面，铜包铝复合材料与单一金属材料存在显著不同之处，即，由于铜和铝通过界面相互扩散，铜包铝复合材料在退火热处理过程中当退火温度较高、保温时间较长时，容易导致界面层厚度明显增大，界面中生成硬而脆的金属间化合物层，对铜包铝复合材料的界面结合性能、宏观力学性能和导电性能等产生不利影响。一般退火热处理温度越高，界面层厚度越大。研究表明:当铜/铝界面金属间化合物层厚度大于2 μ m后，界面的 断裂将从延性断裂转变为脆性断裂，界面结合强度显著降低(见:Abbasi M, et al.Journal of Alloys and Compounds, 2001, 319(1-2): 233-241 ；Chen C Y, et al.Materials Transactions, 2006, 47(4): 1232-1239.)。对连铸-轧制生产的铜包铝扁排电炉等温退火研究结果也表明，在250°C以下退火，界面结合强度随温度的升高而升高；300°C退火后界面处生成金属间化合物，界面结合强度有所降低，但此时组织仍未发生再结晶，伸长率较低，难以满足弯曲性能要求；当400°C退火I小时后，组织发生完全再结晶，伸长率明显增大，但界面层厚度达到4μπι以上，界面结合强度显著降低[见:吴永福.矩形大断面铜包铝水平连铸直接复合成形及加工工艺基础[D].北京:北京科技大学，2012.]。
[0005]另一方面，感应连续退火广泛应用于各种有色金属管材、棒材和线材(为单一金属产品)的中间退火或成品退火[见:张金利，等.铜合金管材在线去应力处理方法及专用装置.中国发明专利，ZL02132633.9 ;南莉，等.稀有金属快报，2008，(2): 28-30.]。由于目前单一金属的退火产品断面为圆形(圆管、圆棒、圆线)或接近于圆形(如断面为方形、五边形、六边形棒材)，因此感应加热线圈的形状为圆形，横断面温度场均匀性控制容易。感应连续退火具有产品质量均匀性和一致性好、退火速度快、生产效率高等有点。由于中频感应电源设备容易实现大功率，有利于在退火时采用较高的走料速度，所以目前感应连续退火多采用中频加热方式，但中频加热速度较慢，对单一金属影响较小，但由于铜包铝扁排为双金属层状复合材料，加热时间较长容易形成较厚的界面层。此外，由于铜和铝两种金属熔点和再结晶温度相差较大，且产品为扁宽板型断面，横断面温度场均匀性控制难度大，传统感应连续退火设备和工艺，难以应用于该类产品的连续退火。
[0006]
【发明内容】
[0007]本发明的目的是针对现有常规的等温退火方法存在的上述问题，提供一种铜包铝扁排快速感应退火方法，采用高频感应加热对铜包铝扁排进行快速连续感应退火，通过快速短时加热，显著缩短铜包铝扁排在高温下的保温时间，有效地抑制铜包铝扁排界面层厚度明显增大现象，从而使退火后的铜包铝扁排同时获得均匀细小的铜铝再结晶组织、较大伸长率、较小的界面厚度和高的界面结合强度，有效解决退火后扁排软化和界面结合强度降低、电导性能下降的难题。
[0008]为了达到以上目的，本发明的技术方案为:
一种铜包铝扁排的高频感应快速退火装置，该装置包括该装置主要由导向辊、驱动装置、陶瓷管、测温装置、感应加热装置和吹风冷却装置组成。其特点在于:感应加热电源采用高频感应加热以提高加热的速率，缩短加热时间，控制界面层厚度；通过将感应加热线圈设计为与铜包铝扁排横截面形状相似的扁平形状，不仅使感应加热时铜包铝扁排不同部位的温度分布均匀，而且提高了加热效率，有利于缩短加热时间，控制界面层厚度；通过设置一定长度的陶瓷管，使加热时温度均匀，保证铜包覆层和铝芯同时完成再结晶；通过设置强制风冷段，使得退火后的扁排温度快速降低到150°C以下，防止铜铝界面在冷却过程中再发生明显的扩散增厚现象，从而有利于将铜铝界面层厚度控制在2~3 μ m。
[0009]其中，所述导向辊的主要作用是限制铜包铝扁排在连续退火过程中沿宽度方向不发生偏移，其特征为辊间距可根据铜包铝扁排的宽度调节；所述驱动装置的作用主要是驱动铜包铝扁排以一定的速度连续通过加热线圈，其特征为由驱动辊和驱动电机组成，驱动装置可以根据需要设定铜包铝扁排的走料速度；所述陶瓷管的作用主要是对穿过其中的被加热的铜包铝扁排进行保温，防止扁排表面散热过快，提高铜包铝扁排表面和内部温度的均匀性；其特征为陶瓷管可采用导热率较低的耐火材料制作；陶瓷管设置在感应加热线圈和铜包铝扁排之间，断面形状随线圈和扁排的形状而定，一般为矩形管，陶瓷管内壁与铜包铝扁排的外表面应有3~10_的间隙，以方便扁排穿过其中，陶瓷管外壁与感应加热线圈内孔配合，以方便装配为准；陶瓷管长度根据连续退火速度和线圈长度确定，一般取线圈长度的2~4倍，一般加热线圈出口一端陶瓷管的伸出长度比线圈入口一端长一些；所述测温装置的作用是对铜包铝扁排通过加热线圈时的表面温度进行测量，其特征在于可采用非接触式红外测量装置，其测温范围应在100~550°C之间，测温位置设置在感应加热线圈中部，测温探头通过线圈间隙和陶瓷管上专门开设的小孔伸入到接近铜包铝表面的位置；所述感应加热装置由高频电源和感应加热线圈组成，作用是将穿过线圈的铜包铝扁排通过电磁感应加热到需要的温度并在保持一定的时间，实现对组织与性能的调控；其特征在于加热线圈的横截面形状为与被加热铜包铝扁排横截面形状相似的矩形，加热线圈的内孔尺寸根据被加热铜包铝扁排的横截面形状确定，一般保证内孔的四边与铜包铝扁排的间隙均匀，间隙大小为8~20_ ;加热线圈的匝数和长度根据铜包铝扁排需要的退火时间和运动速度来确定，同时要考虑与高频电源的电气参数相匹配，根据目前铜包铝扁排的常用规格范围，感应加热线圈横截面60mmX 20mm~300mmX 100mm,线圈阻数3~50 BL高频电源的频率为10~60kHz。
[0010]本发明的另一目的是提供一种运用上述铜包铝扁排高频感应快速退火装置的退火方法，具体包括以下步骤:
步骤1:将一定长度和断面尺寸的铜包铝扁排依次穿过入口端的导向辊2和驱动辊3、高频感应加热线圈8中的陶瓷管、出口端驱动辊6和导向辊7，并通过调整线圈的位置使铜包铝扁排的轴线尽量与感应加热线圈的轴线重合，以保证感应加热的均匀性；
步骤2:启动测温装置5和驱动装置3和6，设定走料速度和退火温度；同时启动高频加热电源9，检查水电等状态，确保工作正常；
步骤3:调节高频加热电源的加热功率，对铜包铝扁排进行快速感应加热，当扁排的表面温度达到测温装置5的设定退火温度时，驱动装置驱动铜包铝扁排以设定的走料速度通过感应加热线圈，实现连续感应退火。加热后的铜包铝扁排通过强制风冷使其温度快速降低到150°C以下，然后空冷即可。
[0011]其中，所述铜包铝扁排的退火温度为300~530°C ;所述铜包铝扁排退火时的走料速度为50~5000mm/min ;所述铜包招扁排的断面尺寸为20mmX4mm~250mmX 12mm。其特点在于:与目前管线材的退火工艺相比，采用较高的退火温度，较短的退火时间，以使铜包覆层和铝芯能同时快速完成再结晶；采用保温后快速冷却措施，防止了复合界面层在冷却过程中继续扩散增厚现象。`
[0012]本发明提供的铜包铝扁排的高频退火方法的优点如下:
(O采用感应加热升温速度快，温度均匀；保温时间短，且保温后强制风冷，冷却速度快。因此，可以获得细小均匀的铜层和铝芯再结晶组织、较高的断后伸长率和导电性能，同时可以有效控制界面层厚度，界面结合强度较高，退火后的铜包铝扁排具有优良的综合性倉泛;
(2)与传统炉式退火相比，加热区温度稳定性容易控制，退火后铜包铝扁排的组织与性能均匀性和一致性好；
(3)采用高频感应加热，操作简单，容易控制；
(4)本发明所采用的方法不需要油、气燃料，对环境友好。
[0013](5)与目前管线材的退火工艺相比，采用较高的退火温度，较短的退火时间，以使铜包覆层和铝芯能同时快速完成再结晶；采用保温后快速冷却措施，防止了复合界面层在冷却过程中继续扩散增厚现象。
[0014]
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1、图2为本发明一种用于铜包铝复合扁排性能调控的高频感应退火装置和方法原理示意图。
[0016]图中:
【权利要求】
1.一种用于铜包铝复合扁排性能调控的高频感应退火装置，该装置包括该装置主要由导向辊、驱动装置、陶瓷管、测温装置、感应加热装置和吹风冷却装置组成； 所述导向辊包括进料导向辊和出料导向辊，分别设置在感应加热装置的两侧，每侧一对辊，保证铜包铝扁排在连续走料过程中沿宽度方向不发生偏移，辊缝可根据铜包铝扁排的宽度调节，调节范围为O~300mm ； 所述驱动装置包括进料驱动装置和出料驱动装置，所述进料驱动装置设置在所述进料导向辊的前端，所述出料驱动装置设置在所述出料导向辊的后端，所述进料驱动装置和出料驱动装置均有由驱动辊和驱动电机组成，所述驱动辊由直径大小相同的上下一对辊组成，上下辊的辊缝为O~IOOmm可调，通过调节驱动电机的转速设定铜包铝扁排的走料速度； 所述感应加热装置由高频电源和感应加热线圈，用于对铜包铝扁进行感应加热； 所述测温装置由光纤红外温度传感器和测温仪表组成，所述测温装置用于对铜包铝扁排通过加热线圈时的表面温度进行测量； 所述吹风冷却装置设置在设备的末端，该装置由若干对称设置的风扇组成，所述感应加热装置用于对铜包铝扁排进行感应冷却； 所述感应加热线圈缠绕在所述陶瓷管的外侧壁上，所述感应加热线圈的横截面为矩形，所述感应加热线圈的匝数3~50匝，所述感应加热线圈与设置所述加热段炉罩外的高频电源连接，所述光纤红外温度传感器与所述测温仪表连接，所述光纤红外温度传感器置于所述陶瓷管的中心位置的测温孔内；所述测温仪表与所述驱动装置的驱动电机连接；使用时，光纤红外温度传感器测量的铜包铝表面温度通过测温仪表显示，当测量的温度值达到退火温度时，测温仪表通过输出端将温度信号传给进料驱动装置和出料驱动装置，进料驱动装置和出料驱动装置启动，使铜包铝扁排按照设定的走料速度运动。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述感应加热线圈横截面尺寸为60mmX 20mm ~300mmX 100mm。`
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述高频电源的频率为10~60kHz。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述陶瓷管所述陶瓷管采用硅酸铝纤维棉或石棉的耐火材料制作，所述陶瓷管内壁与铜包铝扁排的外表面应有3~IOmm的间隙所述陶瓷管长度为感应加热线圈长度的2~4倍。
5.一种运用如权利要求1所述的铜包铝扁排高频感应快速退火装置的退火方法，其特征在于，具体包括以下步骤: 步骤1:将铜包铝扁排置于过入口端的导向装置和驱动装置上； 步骤2:启动测温装置和驱动装置，设定走料速度和退火温度；同时检查高频加热电源水电等状态，确保工作正常； 步骤3:启动高频加热电源，控制频率为10~60kHz，当测温装置检测到感应加热线圈的陶瓷管内温度达到300~550°C时，启动驱动装置以走料速度为50~5000mm/min驱动铜包铝扁排依次经过陶瓷管进行退火，通过风扇强制风冷使其温度快速降低到150°C以下，然后空冷即可。
【文档编号】C22F1/00GK103695609SQ201310753315
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年12月31日 优先权日:2013年12月31日
【发明者】谢建新, 刘新华, 张宏杰 申请人:北京科技大学