一种高性能铜包铝复合材料特种成形加工方法
【专利摘要】本发明属于金属层状复合材料制备与成形加工领域，涉及一种高性能铜包铝复合材料特种成形加工方法，该方法采用连铸直接复合成形工艺制备的矩形断面铜包铝复合棒材为坯料，坯料的生产过程界面无污染、结合强度高。采用非均匀快速感应加热，可以使坯料包覆层金属的温度稍高于芯部金属的温度，从而使包覆层金属和芯部金属的变形抗力更加接近，有利于提高两种金属的变形协调性。用对坯料进行加热温轧成形，可以提高铜和铝的变形能力，有利于进行连续大变形，提高大断面扁排生产的效率。采用特种孔型轧制，加大对铜包铝复合坯料侧边的加工，有利于提高变形协调性，提高产品成材率和产品的界面结合性能。本发明所提供的生产方法无环境负担、节能环保。
【专利说明】
一种高性能铜包铝复合材料特种成形加工方法
技术领域
[0001]本发明属于金属层状复合材料制备与成形加工领域，尤其是涉及一种高性能大断面铜包铝复合扁排的特种乳制成形加工方法。
【背景技术】
[0002]高性能双金属层状复合材料在电气、石油、航空航天等领域有着广泛应用。例如，矩形大断面的铜包铝复合扁排由于综合了纯铜良好的导电性能、连接性能以及纯铝的低密度、低成本等优点，可在大电流传输领域如母线干线系统、输配电系统、低压成套开关设备、控制设备等行业代替纯铜导电排。
[0003]已经公开报道的铜包铝复合扁排的制备加工方法主要有以下几种:
第一种方法采用铝棒以及与铝棒外径尺寸相配合铜管，经拉拔或乳制复合，最后拉拔成所需外形尺寸的单根铜包铝排(见:吴运忠.铜包铝排生产方法.中国发明专利，200710011265.1)。本方法存在着问题在于:其一，由于铝棒和铜管必须采用间隙配合才能装配在一起，而间隙在之后的加工中难以完全消除，所以很难避免在使用过程中产生间隙放电腐蚀，产品性能难以保证;其二，由于对铜管与铝管的平直度难以保证，要生产较长的铜包铝母排比较困难;其三，由于对铜管内表面和铝芯表面在复合之前需进行复杂的清洗工序，且很难实现连续生产，所以生产效率低，生产成本高(见:胡捷，铜包铝复合线材静液挤压加工工艺研究，新技术新工艺，2001，9:27-28)。
[0004]第二种方法是静液挤压法。静液挤压法可用于生产方形、矩形、管形以及截面形状更为复杂的铜包铝复合材料(见:谢建新等，材料加工新技术与新工艺，冶金工业出版社，2004，263-268;胡捷，铜包铝复合线材静液挤压加工工艺研究，新技术新工艺，2001,9: 27-28)。静液挤压法的优点在于:挤压筒内的粘性介质显著降低了坯料和挤压筒与模具之间的摩擦力，大大改善了金属流动的均匀性。静液挤压法的主要缺点在于:(I)成形非圆形截面的双金属包复材料时需将包覆层金属和芯材金属预加工为尺寸与模具精确配合的管材和棒材，并要对两者进行一系列表面处理，以保证复合前的“清洁”界面，工艺流程较长(见:胡捷.铜包铝复合线材静液挤压加工工艺研究，新技术新工艺，2001，9:27-28) ; (2)静液挤压工艺的设备复杂、设备投资大;(3)静液挤压法的非生产性间隙时间长，生产效率低。
[0005]第三种方法先采用水平连铸直接复合成形法(见: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.中国专利:ZL200610112817.3.)等工艺制备出圆形断面的铜包铝复合材料，然后再通过乳制、拉拔等工艺制备矩形断面的铜包铝复合母排(见:谢建新等.一种高性能铜包铝矩形横断面复合导电母排及其制备工艺.中国专利:ZL200810057668.4)。这种方法采用水平连铸直接复合成形法制备圆形断面铜包铝坯料，可避免坯料预成形以及表面处理的问题，提高了生产效率，缩短了工艺流程，而且连铸复合属于固-液复合，铜和铝两种金属可在界面处形成冶金结合的界面，界面结合强度高(见吴永福等，连铸直接成形矩形断面铜包铝复合材料界面及在乳制过程中的变化，中国有色金属学报，2013，23(1): 191-200)，为高性能铜包铝复合扁排的生产提供了崭新的途径。但由于铜和铝的加工变形能力差异较大，在圆形断面坯料加工成扁平断面扁平的过程中易由于变形的不协调而产生边部开裂、界面开裂等缺陷，降低了产品的成材率;尤其是当铜包铝扁排的断面尺寸变大时带来三个主要问题，一是由于扁排断面尺寸变大，需要采用的铜包铝坯料的尺寸也变大，从铜包铝坯料加工成扁排时的加工变形量更大，现有的完全采用冷乳加工的方法，难以满足变形量大幅增加的要求;二是由于铜、铝两种金属在室温下塑性变形能力不同而导致的铜包铝复合材料在乳制成形过程中存在的变形不协调问题(两种金属流动的速度差距较大的问题)更加突出，从而使铜包铝复合棒坯加工过程中的边部开裂等问题更加严重;三是现有的仅采用平辊乳制的工艺，乳制变形过程中侧边处于自由变形状态，也容易导致变形不协调，形成较高的侧边附加拉应力，引起边部裂纹等缺陷，难以进行大变形量乳制加工。因此，如何提高大断面铜包铝棒坯乳制成形中铜、铝的变形能力和变形协调性，解决大断面铜包铝坯料加工成形难题，成为提高高性能铜包铝扁排产品生产的成材率，降低产品综合成本的关键。
【发明内容】
[0006]本发明针对现有铜包铝复合扁排生产技术的不足和难题，提供一种采用连铸直接复合成形工艺制备的高质量矩形断面铜包铝复合棒材为乳制坯料，采用非均匀快速感应加热方式对坯料进行预热，然后采用多道次特种孔型乳制加工，最后通过拉拔定形来生产大断面高性能铜包铝扁排的方法，本发明通过采用矩形断面铜包铝连铸坯料，与采用圆形断面坯料相比，在加工成为扁排产品时更符合形状相似原则，有利于变形的协调性;通过对坯料进行预热后温乳加工，与冷乳相比，可以提高铜和铝的塑性变形能力，有利于进行大变形量加工；利用高频感应加热的集肤效应(即接近坯料表面的部分被加热的温度较芯部的高)，对铜包铝坯料进行快速高频感应加热，可以使坯料的包覆铜层的温度稍高于芯部铝的温度，从而使包覆层金属的变形抗力与芯部金属的更加接近，有利于提高铜包铝坯料内外层金属的变形协调性;采用孔型乳制取代平辊，并通过特别的孔型设计，加大对乳制成形时铜包铝坯料侧边部的加工，有利于提高乳制变形时坯料不同部位的变形协调性，消除侧边附加拉应力，解决边裂问题。通过上述措施，使铜包铝复合材料的变形能力和变形协调性显著增加、产品成材率显著提高，生产成本降低。
[0007]为了达到以上目的，本发明的技术方案为:一种高性能铜包铝复合材料特种成形加工方法，具体包括以下步骤:
步骤1:选择连铸直接复合成形制备的铜包铝复合棒材为坯料，所述铜包铝复合棒材的断面形状为矩形，包覆比为20%?35%;
步骤2:将经步骤I选取好的矩形断面铜包铝复合棒材置于一个绕制成矩形断面的感应加热线圈入口一端，在感应线圈的出口一端设置快速响应红外测温仪，以测量棒坯的表面温度，所述线圈的内壁与复合棒坯的表面的间距为10?40mm;启动感应加热装置，在一定的加热频率下，驱动铜包铝复合棒坯以一定的速度穿过感应加热线圈将所述坯料加热至一定温度，备用；
步骤3:将被加热到后的铜包铝复合棒坯快速送入带有特别孔型乳辊的乳机中进行多道次乳制成形，即得到铜包铝复合扁排;为了加大对铜包铝复合棒坯侧边的加工，提高变形协调性，所述孔型的侧边斜度取常规孔型的上限值或比上限值大1°?2° ; 步骤4:对经过步骤3乳后铜包铝复合扁排进行退火，退火温度在300?380 V，退火时间在0.5?2.0h;
步骤5:对经步骤4退火后的铜包铝复合扁排进行拉拔定形，以控制产品的最终断面尺寸和表面质量(宽度允许偏差1.2mm，厚度允许偏差0.2mm，表面粗糙度值< 1.6μm)，即得到铜包铝复合扁排成品，所述铜包铝复合扁排为硬态。
[0008]进一步，该方法还包括步骤6:将经步骤5制备得到的铜包铝复合扁排成品，退火温度为200?400°C，退火时间为0.5?2.0h，即得到软态的铜包铝复合扁排成品。
[0009]进一步，所述步骤2中所述感应加热装置的频率为10000?20000Hz;所述铜包铝复合棒还的运动速度为100?500mm/min;所述铜包招复合棒还被加热后的表面温度为150?400。。。
[0010]进一步，所述步骤3中所述乳制过程的每道次压下率控制在15%?40%之间，总压下率控制在60%?90%之间，乳制线速度控制在5?30m/min之间。
[0011 ] 进一步，所述步骤5中所述拉拔时的宽面压下量在0.1?0.2mm，窄面压下量在0.5?I.0mm0
[0012]本发明提供的铜包铝复合扁排生产技术具有以下优点:
(1)采用连铸直接复合成形工艺制备的矩形断面铜包铝复合棒材为坯料，坯料的生产过程界面无污染、结合强度高，可保证最终生产的铜包铝复合扁排具有优良的界面结合性能和导电性能。
[0013](2)采用非均匀快速感应加热，可以使坯料包覆层金属的温度稍高于芯部金属的温度，从而使包覆层金属和芯部金属的变形抗力更加接近，有利于提高两种金属的变形协调性。
[0014](3)采用对坯料进行加热温乳成形，可以提高铜和铝的变形能力，有利于进行连续大变形，提高大断面扁排生产的效率。
[0015](4)采用特种孔型乳制，可以加大对铜包铝复合坯料侧边的加工，有利于提高变形协调性，提尚广品成材率和广品的界面结合性能。
[0016](5)本发明所提供的生产方法无环境负担、节能环保。
[0017]具体实施方法
下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
[0018]实施例1:横断面宽度为80mm、厚度为10mm、全圆边、硬态铜包铝复合扁排特种乳制成形及拉拔加工方法。
[0019](I)选择连铸直接复合成形工艺制备的断面尺寸为80mm X 80mm、包覆比为35%的矩形断面铜包铝复合棒材为乳制坯料；
(2)将矩形断面铜包铝复合棒材置于一个绕制成矩形断面的感应加热线圈入口一端，所述线圈的内壁和相邻的复合棒还的表面的间距为1mm，线圈长度150mm;启动感应加热装置，感应加热的频率为10000Hz;驱动铜包铝复合棒坯以300mm/min的速度穿过感应加热线圈，在感应线圈的出口一端设置快速响应红外测温仪，测量棒坯的表面温度;铜包铝复合棒还被加热后的表面温度为150°C ；
(3)将被加热到150°C的铜包铝复合棒坯快速送入带有特别孔型乳辊的乳机中进行多道次乳制成形;孔型的侧边斜度取比常规孔型的上限值大1°;乳制过程的道次压下率控制在25%，总压下率控制在80%，乳制线速度控制在10m/min;
(4)对乳后铜包铝复合扁排进行退火，退火温度在3000C，退火时间在0.5h;
(5)对退火后的铜包铝复合扁排进行拉拔定形，以控制产品的最终断面尺寸和表面质量。拉拔时的宽面压下量在0.1mm，窄面压下量在0.5mm。
[0020]实施例2:横断面宽度为120mm、厚度为10mm、圆角、退火态铜包铝复合扁排特种乳制成形及拉拔加工方法。
[OO21 ] (I)选择连铸直接复合成形工艺制备的断面尺寸为120mm X 80mm、包覆比为20%的矩形断面铜包铝复合棒材为乳制坯料；
(2)将矩形断面铜包铝复合棒材置于一个绕制成矩形断面的感应加热线圈入口一端，所述线圈的内壁和相邻的复合棒坯的表面的间距为40mm，线圈长度300mm ；启动感应加热装置，感应加热的频率为20000Hz;驱动铜包铝复合棒坯以200mm/min的速度穿过感应加热线圈，在感应线圈的出口一端设置快速响应红外测温仪，测量棒坯的表面温度;铜包铝复合棒坯被加热后的表面温度为400°C ；
(3)将被加热到400°C的铜包铝复合棒坯快速送入带有特别孔型乳辊的乳机中进行多道次乳制成形;孔型的侧边斜度取比常规孔型的上限值大2°;乳制过程的道次压下率控制在30%左右，总压下率控制在85%，乳制线速度控制在5m/min;
(4)对乳后铜包铝复合扁排进行退火，退火温度在3800C，退火时间在2h;
(5)对退火后的铜包铝复合扁排进行拉拔定形，以控制产品的最终断面尺寸和表面质量。拉拔时的宽面压下量在0.2mm，窄面压下量在1.0mm；
(6)对拉拔后铜包铝复合扁排进行成品退火处理。退火温度为400°C，退火时间为0.5h。
[0022]实施例3:横断面宽度为120mm、厚度为10mm、圆角、退火态铜包铝复合扁排特种乳制成形及拉拔加工方法。
[0023](I)选择连铸直接复合成形工艺制备的断面尺寸为120mm X 80mm、包覆比为20%的矩形断面铜包铝复合棒材为乳制坯料；
(2)将矩形断面铜包铝复合棒材置于一个绕制成矩形断面的感应加热线圈入口一端，所述线圈的内壁和相邻的复合棒还的表面的间距为25mm，线圈长度300mm ；启动感应加热装置，感应加热的频率为15000Hz;驱动铜包铝复合棒坯以500mm/min的速度穿过感应加热线圈，在感应线圈的出口一端设置快速响应红外测温仪，测量棒坯的表面温度;铜包铝复合棒坯被加热后的表面温度为300°C ；
(3)将被加热到300°C的铜包铝复合棒坯快速送入带有特别孔型乳辊的乳机中进行多道次乳制成形;孔型的侧边斜度取比常规孔型的上限值大1.5°;乳制过程的道次压下率控制在40%，总压下率控制在90%，乳制线速度控制在30m/min;
(4)对乳后铜包铝复合扁排进行退火，退火温度在3200C，退火时间在1.5h;
(5)对退火后的铜包铝复合扁排进行拉拔定形，以控制产品的最终断面尺寸和表面质量。拉拔时的宽面压下量在0.15mm，窄面压下量在0.75mm;
(6)对拉拔后铜包铝复合扁排进行成品退火处理。退火温度为300°C，退火时间为1.5h。
【主权项】
1.一种高性能铜包铝复合材料特种成形加工方法，其特征在于，具体包括以下步骤: 步骤1:选择连铸直接复合成形制备的铜包铝复合棒材为坯料，所述铜包铝复合棒材的断面形状为矩形，包覆比为20%?35%; 步骤2:将经步骤I选取好的矩形断面铜包铝复合棒材置于一个绕制成矩形断面的感应加热线圈入口 一端，在感应线圈的出口一端设置快速响应红外测温仪，以测量棒坯的表面温度，所述线圈的内壁与复合棒坯的表面的间距为10?40mm;启动感应加热装置，在一定的加热频率下，驱动铜包铝复合棒坯以一定的速度穿过感应加热线圈将所述坯料加热至一定温度，备用； 步骤3:将被加热到后的铜包铝复合棒坯快速送入带有孔型乳辊的乳机中进行多道次乳制成形，即得到铜包铝复合扁排;为了加大对铜包铝复合棒坯侧边的加工，提高变形协调性，所述孔型的侧边斜度取常规孔型的上限值或比上限值大1°?2° ; 步骤4:对经过步骤3乳后铜包铝复合扁排进行退火，退火温度在300?380 V，退火时间在0.5?2.0h; 步骤5:对经步骤4退火后的铜包铝复合扁排进行拉拔定形，以控制产品的最终断面尺寸和表面质量，宽度偏差彡土 1.2mm，厚度偏差彡±0.2mm，表面粗糙度值彡1.6μπι，即得到铜包铝复合扁排成品，所述铜包铝复合扁排为硬态。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括步骤6:将经步骤5制备得到的铜包铝复合扁排成品，退火温度为200?400°C，退火时间为0.5?2.0h，即得到软态的铜包铝复合扁排成品。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤2中所述感应加热装置的频率为10000?20000Hz ;所述铜包铝复合棒坯的运动速度为100?500mm/min;所述铜包铝复合棒坯被加热后的表面温度为150?400°C。4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤3中所述乳制过程的每道次压下率控制在15%?40%之间，总压下率控制在60%?90%之间，乳制线速度控制在5?30m/min之间。5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤5中所述拉拔时的宽面压下量在0.I?0.2mm，窄面压下量在0.5?1.0mm。
【文档编号】B21C37/04GK106067332SQ201610484177
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2016年6月28日 公开号201610484177.2, CN 106067332 A, CN 106067332A, CN 201610484177, CN-A-106067332, CN106067332 A, CN106067332A, CN201610484177, CN201610484177.2
【发明人】刘新华, 谢建新, 付华栋
【申请人】北京科技大学