论文总字数：25483字

摘 要

采用一种新型低压充芯技术制备铜包铝复合材料，根据低压充芯原理并结合现有前期实验，在分析了该工艺方法制作铜包铝棒材的可行性和优越性，并了解现有装置缺点和不足的基础上，设计了一套适合实验室试验研究的小型铜包铝棒材制备装置，努力实现利用此方法的理论优点，克服实际操作中可能出现的缺点，为研究提供可靠的基本实验条件。

低压充芯技术具有生产率高，生产产品缺陷少，节约成本，操作方便等优点，但实验室前期的实验装置在操作中存在制备样品尺寸小，温度压力速度等参数不易控制，压力容器密封效果差等缺点，

进一步的研究需要改进和制造新装置。新设计的装置由实验坩埚电阻炉系统、真空电阻炉、密封法兰结构系统和液压传动装置等部分组成，其中的工艺参数为气体压力：0.1——0.8MPa；保温温度：700——850℃；预热温度：200——450℃；充型速度：0——0.2m/s；保压时间：0.5——1min；样品尺寸：直径10mm高30mm——直径40mm高1000mm；真空度：1kPa。

本设计在已有实验装置的基础上，改进了装置的密闭性不强，保温不准确，热损失较大，成品产生较大裂缝缩松孔洞等等缺陷，同时设计出能够生产规格体积更大的试验产品的装置，充分的体现低压充芯工艺的优越性。

关键词：低压充芯工艺；铜包铝棒材；实验装置；真空电阻炉

A DESIEN of the DEVICE for PREPARATION of CCA RODS BY LOW PRESSURE CORE CHARGE

Abstract

We use a new technology of low pressure filling core to produce copper clad aluminum rods and based on the combination of theoretical principles and experiments we study the feasibility and advantages of filling core production to get copper clad aluminum rod, disadvantages of present experiment device then design a better device for for PREPARATION of CCA RODS in laboratory and make efforts to achieve the theoretical advantages of this method of making a copper clad aluminum rod ,overcome the shortcomings of the technology during the actual operation, provide reliable basic experimental conditions.

The advantages of technology of low pressure filling core are High productivity, produce fewer product defects, cost savings, ease of operation, etc. But present device in laboratory have some shortcomings such as small sample preparation, temperature，pressure speed and other parameters uneasy to control , poor pressure vessel sealing effect.

Further research needs to be improved and the manufacturing of new devices. The new design device is composed by crucible resistance furnace system, vacuum resistance furnace, sealing flange structural system and hydraulic actuator. the part of the experiment crucible resistance furnace systems, vacuum resistance furnace. Wherein the process parameters are: gas pressure: 0.1--0.8MPa; holding temperature: 700--850 ℃; preheating temperature: 200--450 ℃; filling rate: 0--0.2m / s; dwell time: 0.5 --1min; sample size: 10mm diameter 40mm diameter high 30mm-- height 1000mm; vacuum degree: 1kPa.

This design on the basis of existing experimental devices, will change the present situation，such as airtight device is not strong, the insulation is not accurate, heat loss is large, production have great shrinkage、cracks、holes, etc and design a equipment which could produce larger specification test products，fully embodies the advantages of low-voltage filling of the core technology.

KEY WORDS: low pressure core charge preparation device；CCA rod；experimental device; vacuum resistance furnace.

铜包铝棒材低压充芯制备装置设计

绪论

1.1 设计背景

1.1.1 铜包铝复合导电材料的应用

基于铜优异的导电性，铜被广泛的应用在导电材料中。但是，由于全球资源短缺以及铜价的大幅波动，上世纪50年代，铜作为稀缺战略资源，而铝由于具有相对丰富的资源，价格比铜更低同时也具有良好的导电性，因此铝被采纳作为导电材料的代替材料。当时我国工业与民用电气应用方面的国策就是“以铝代铜”， 但是，铝的缺点是强度低、易蠕变、耐蚀性能差、表面极易形成坚固的氧化膜， 从而致使接头部分产生较大的接触电阻，难以牢固连接， 从而限制了“以铝代铜”的进一步推广。

近些年，铜的价格上升的越来越快，相比铝合金导体在价格上的优势就体现出来，同时，新的发现表明铝制导体具有密度较低，柔韧度高，耐腐蚀性强等优异的特性，这些性能极大的优于铜质导体，人们又逐渐开始关注铝质导体的应用。

铜包铝复合材料是利用复合技术使铜层和铝层在界面上实现牢固冶金结合的一种新型材料，不仅具有铜的电导率和热导率高、接触电阻低和外表美观等优点，还具有铝的密度低、价格低廉等优点。铜包铝复合材料主要包括铜包铝线、铜包铝扁排、铜包铝薄带，可代替纯铜用于高频电力传输、电磁屏蔽等场合。铜包铝扁线或母线可应用于电力与电气工业，比如汇流排；还可以应用在音频、高频、视频用线，例如CATV导线与屏蔽线；各种电动机、整流器绕组线、变压器绕组线；工程用电线电缆导线；各种电气装备线缆所用导体线，例如家用电器线，电力电缆用导体等等，铜包铝符合导线已被广泛的用于电工电气，信号运输，功率传输，专用电磁线等领域。

从导电原理上来讲，由于有线电视信号和移动通讯信号的频率较高，一般在500～800MHz的范围内，由于“趋肤效应”使高频电流汇集在导体的表面传输层，当使用纯铜来进行信息传输时，中心部位的铜导体并没有起到传输信号的主要作用。采用全铝管虽然价格最低，但是铝管强度低，当电缆弯折时铝导线容易弯折或者被压扁，从而影响信号的传输^[1]。因此采用铜包铝双金属包覆导线进行信息传输的话，则既不容易压扁，又可以很好的满足信息传输要求。同时，由于现代铝制线缆导体是合金成分，回收同时要提纯，成本和技术要求都很高，在回收市场的行情非常不好，所以在一定程度上能够防止偷盗事故的发生。

从20世纪60年代起，铜包铝（CCA）双金属复合材料层由于其出色的综合性能，科学工作者们对其投入广泛研究，已有多种方法被用来生产有化合物结构的棒材，随着越来越多的科研成果的展示，铜包铝棒材逐渐成为了代替铜或纯铝的理想替代材料。

1.1.2铜包铝复合导电材料的研究现状

现阶段铜包铝（排）线的生产技术工艺主要包括固相结合法和液相结合法，其中，固相结合法是指利用塑性变形将两种金属结合至金属结合面面接近原子距离，从而形成大量的结合点，然后经过扩散热处理，从而使两金属达到冶金结合的一种复合材料制备方法。如铝线镀铜法、轧制压接法、包覆焊接法、静液挤压法等，这类工艺需要坯料的预制成形，并且配套的工艺设备也比较复杂。液相结合法是指通过两种金属的凝固结晶，使两种金属复合在一起，再通过对两种金属进行拉拔、热处理，最终形成金属界面的牢固结合。如充芯连铸法，这类工艺控制复杂，每个参数都必须十分精确。综上所述，为了提高试验产品的产量和其质量以及设备本身的生产效率，简化工艺流程，降低生产成本等方面考虑，需要研究开发新的制备工艺技术。

现阶段生产铜包铝复合材料的工艺方法都有不同程度的缺点，比如轧制压接法、连续挤压包覆法对设备的要求偏高，因而生产的成本高；静液挤压法的工艺过程比较复杂，设备操作和维修都有一定困难；铝线镀铜法和包覆焊接法生产效率较低。这些方法的共同缺点有两个方面：一是工艺复杂、生产效率低^[2]；二是界面质量控制难度大，产品的品质无法保证，原因是由于铝的性质比较活泼，铝表面易形成一层氧化铝，如何消除氧化铝对铜包铝复合界面的影响是制备铜包铝复合材料的技术关键之一。

1.1.3低压充芯工艺技术

低压充芯是受低压铸造技术的启发而提出的一种新型固液复合工艺技术，其工艺技术是在密封的装有金属液的坩埚中，通入氮气或其他惰性气体，对坩埚内金属液表面加压，使金属液沿着升液管自下而上的挤压到铜管内，等到金属液充满铜管后（金属型铸造）增大气压，同时使液面压力保持至铸件完全凝固后，解除坩埚内的压力（排气），使升液管和铜管内未凝固的金属液回落到坩埚内，即完成了一个低压充芯制备的过程。

在铜包铝复合材料的研究中，目前还未见有采用该种技术的报道，低压充芯工艺为铜包铝棒材的制备提供了新的方向。低压充芯工艺具有以下的特点：

1. 能准确控制铝液充芯温度和铜管预热温度，保证产量质量稳定和一致性
2. 能通过抽真空和充惰性气体，省去在钢管内壁涂镀防氧化层，防止铝液和铜管和空气接触产生氧化
3. 底注式充芯能精确控制重新速度和压力，有利于排气，防止气孔产生
4. 升液管插入铝液下部，防止氧化层进入铜管
5. 铝液在压力下凝固，能充分补缩及时防止缩孔和缩松
6. 可省去普通充芯法所需要的补缩管口和浇注系统，减少铝液损耗
7. 可通过调节铝液充芯温度，铜管预热温度，充芯速度等参数来控制铜铝界面状态
8. 易实现界面自动化控制，操作方便

它与目前普遍应用的金属性铸造，压力铸造，熔模精密铸造等铸造工艺相比，更加新颖。20世纪初国外开始研究并应用低压铸造工艺。同期，英国E.H.Lake于1910年提出并申请专利，他的研究主要应用于铸造巴士合金，其目的是为了解决重力铸造过程中浇注系统充型和补缩之间的矛盾^[3]。而低压铸造则桥面地利用坩埚内气压,造成密封容器内与铸型型腔的压力差，使合金液在较低的充型压力作用下，沿升液管自下而上的经输液通道等充入铸型，待合金液充满型腔后，增大气压，使型腔里的合金液在压力作用下结晶凝固，然后卸除密封容器内的压力，使开液管中未凝固的金属液流坩埚，完成低压铸造过程。

在本课题中的低压充芯工艺的原理采用了低压铸造工艺的基本原理，同时又根据实验条件和实际情况，设计了相应的工艺装置，但是由于低压充芯工艺形成时间短，影响范围较小，目前缺乏一些较为深刻的理论研究，因此依据低压充芯工艺的原理设计的装置就有很多缺点：

( 1) 设备设计与铸造工艺严重脱节，制作工艺复杂。

( 2) 低压铸造件模具设计,目前国内水平一般凭经验设计,对于合金液在铸型中流动情况、散热和凝固大多是凭经验。

( 3) 低压铸造机零部件可靠性差.

( 4) 一般国产低压机上无模具快速定位和自动装夹系统,造成装夹和更换模具比较麻烦。

( 5) 模具表面涂料耐用性差。补喷涂料或更换模具既影响生产率又造成工艺不稳定性

( 6) 整机自动化程度低，制作成本高。^[4]

随着现代生活对于铜包铝复合导电材料需求的逐步增加，同时普通的铜包铝导电材料制造技术已经不适用于当下的工业需求，由于目前常用的几种铜包铝棒材的制备方法均具有不同程度的缺陷，使得大家不得不把目光转向通过采用新型的低压充芯工艺来制造铜包铝棒材。但由于目前低压充芯工艺研究较为少见，缺乏一定的经验，同时前期实验的要求和投入较高，限制了低压充芯工艺的快速发展，若能够克服众多的技术难关重，将极大地提高铜包铝棒材的生产效率，降低生产成本。

低压充芯工艺应用的前期实验装置如图1.1所示：

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图1.1 前期实验装置示意图

1-螺母；2-多孔塞；3-压环；4-支座；5-浇口；6-升液管；7-坩埚；8-保温材料；

9-保温炉体；10-压杆；11-螺杆；12-螺钉；13-炉盖；14-螺栓

本实验室前期的装置主要问题是坩埚和制备的样品尺寸小，温度、压力、速度等参数的测量控制不准确，压力容器密封效果差，操作不方便等等，导致了生产出的铜包铝棒材容易产生裂纹，孔洞和缩松等缺陷，不能够很好的达到低压充芯工艺制造铜包铝棒材的目的。

1.2 工艺目的和预期目标

设计目的：根据理论原理和实验相结合，研究充芯制作铜包铝棒材的可行性，并且努力实现利用此方法制作铜包铝棒材的理论优点，克服低压充芯工艺现有的缺点，改进现有装置。

采用低压充芯的方法直接将铝液压入预热的铜管，不但可以简化生产工艺，提高生产效率，还可以通过维持压力环境来补缩，避免缩松、缩孔等缺陷的出现，从而提高铜包铝线的性能。低压充芯工艺是一种新的铜铝复合材料制备工艺，工艺过程和工艺参数对材料质量的影响需要通过实验进行验证、探索和优化，本课题将设计出低压充芯工艺实验装置，为对该工艺的研究提供基本的实验条件。

预期目标：

1.设计出一个铜包铝棒材低压充芯实验装置，能够制备出最大尺寸为直径40mm，长1000mm的复合棒材；

2.实验装置能够准确测量和控制工艺参数，满足实验研究中对工艺参数的调节要求；

3. 实验装置能够体现低压充芯工艺的优点，制作出无气孔、缩孔、裂纹等缺陷的界面冶金结合的复合棒材。

装置整体设计方案

2.1工艺参数：

气体压力：0.1——0.8MPa

保温温度：700——850℃

预热温度：200——450℃

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