铜包铝棒材低压充芯制备工艺研究

论文总字数：24713字

摘 要

目前我国乃至世界的铜的资源十分匮乏，进而导致铜的价格较为昂贵且存在价格逐年走高的趋势,这促使电工行业积极寻求代用材料。铜包铝是“以铝代铜”概念的实践之一，截至目前铜包铝材料的制备手段各种各样，每一种都有其特点和局限性。

本文提出了铜包铝棒材的低压充芯工艺技术，以自制的低压充芯设备制备样品，通过宏观观察、显微分析以及界面结合强度、电阻率等性能测试，研究了铝液充芯温度、铜管预热温度、充芯压力、铜管防氧化膜材料以及防氧化膜沉积时间等工艺参数对棒材复合质量、界面过渡层组织、界面结合强度、电阻率等性能的影响，获得了各工艺参数的最佳值，讨论了铜包铝棒材相界面的组织形貌及成分变化与棒材主要性能之间的联系。

在合理的工艺参数范围内，将铝液充入紫铜管中凝固，获得尺寸为Φ12×200mm的圆柱形样品。通过对制备过程和样品质量的宏观观察，发现制备过程中容易产生气孔等缺陷。确定了最佳充芯压力为0.3MPa，选定了K₂ZrF₆作为铜管防氧化膜的制备材料，防氧化膜最佳沉积时间为6min。

对铜铝界面的显微分析结果表明，铜管内壁与铝芯之间存在中间过渡层，形成了良好的冶金结合；充芯温度在720℃—780℃范围内，随着充芯温度的升高，铜铝界面的过渡层厚度逐渐增大；铜包铝棒材的铜铝复合界面处产生CuAl₂和Cu₉Al₄两种金属间化合物，其中前者的含量更高。

性能测试结果表明，铝液充芯温度、铜管预热温度与铜包铝棒材的界面结合强度及电阻率均无线性关系；考虑金属间化合物的影响，740℃是较合适的铝液充芯温度。

关键词：铜包铝；低压充芯；工艺参数；界面相组成；电阻率

Study on the low pressure core filling technology for preparation of copper cladding aluminum rods

Abstract

At present，the copper resources are scarce, resulting in copper prices are more expensive and tend to be price higher year by year, which prompting electrical industry actively seeks alternative materials. Copper clad aluminum composite is a practice of the concept of “Aluminum for copper”. Copper clad aluminum materials so far have many kinds of preparation method, and each has its characteristics and limitations.

Enough samples were made by a homemade low pressure core filling equipment. Technological parameters such as temperature of filling cores, preheating temperature, filling pressure, antioxidant and the deposition time of antioxidant were studied through macroscopic observation, microscopic analysis, and tests of interface bonding strength and resistivity performance. The influence of technological parameters was figured out. And the optimal values of the technological parameters were gotten, while the connections between the main performance and morphologies or compositional variation of phase interface were discussed.

By macroscopic observation, determined the best core filling pressure is 0.3 MPa, selected K₂ZrF₆ as antioxidant, and determined the deposition time of antioxidant is 6 min.

Microscopic analysis showed that the interface formed a good metallurgical combination, and copper has middle transition layer contacting well with aluminum. As the core temperature rises, thickness of interface transition layer is gradually increasing, and the thickness of copper/aluminum diffusion layer increases. The new phases are CuAl₂ and Cu₉Al₄ two kinds of intermetallic compounds; between them the content of the former is higher.

By results of performance test, the temperature of filling core, the preheating temperature and interface bonding strength and resistivity are no linear relationship. Only consider the effect of intermetallic compound, 740℃ is the more appropriate temperature of filling core.

Key words: copper clad aluminum rods; low pressure filling core; technological parameter; interface phase composition; electrical resistivity

目录

1. 绪论………………………………………………………………………………………1

1.1铜包铝材料概述…………………………………………………………………………1

1.2铜包铝材料的研究现状…………………………………………………………………2

1.2.1发展进程…………………………………………………………………………2

1．2．2液-液相复合法…………………………………………………………………2

1.2.2.1充芯连铸法………………………………………………………………3

1.2.3固-固相复合法…………………………………………………………………3

1.2.3.1爆炸焊接法………………………………………………………………3

1.2.3.2包覆焊接法………………………………………………………………4

1.2.3.3静液挤压法………………………………………………………………4

1.2.4液-固相复合法…………………………………………………………………4

1.2.4.1铸造复合法………………………………………………………………5

1.2.4.2电镀法……………………………………………………………………5

1.2.5铜铝界面复合机理………………………………………………………………5

1.2.6铜铝复合界面的影响因素………………………………………………………6

1.3研究意义与目的…………………………………………………………………………7

1.4研究内容…………………………………………………………………………………8

1.5研究技术路线……………………………………………………………………………8

第二章 研究方法…………………………………………………………………………………10

2.1试验材料………………………………………………………………………………10

2.2试验仪器与设备………………………………………………………………………10

2.2.1常规仪器与设备………………………………………………………………10

2.2.2自制低压充芯装置……………………………………………………………10

2.3样品制备方法…………………………………………………………………………11

2.3.1铜防氧化膜的制备……………………………………………………………11

2.3.2铝液熔炼及铜管预热处理……………………………………………………12

2.3.3低压充芯复合工艺参数的确定………………………………………………12

2.4组织与性能测试………………………………………………………………………13

2.4.1棒材质量的宏观观察…………………………………………………………13

2.3.4低压充芯复合过程……………………………………………………………13

2.4.2金相分析………………………………………………………………………13

2.4.3元素分布及相组成分析………………………………………………………13

2.4.4界面结合强度测试……………………………………………………………14

2.4.5电阻率测试……………………………………………………………………14

第三章工艺参数对复合棒材组织与性能的影响………………………………………………16

3.1工艺参数对棒材成形性的影响………………………………………………………16

3.2工艺参数对界面组织的影响…………………………………………………………18

3.2.1金相分析………………………………………………………………………18

3.2.2.1 SEM分析………………………………………………………………20

3.2.2.2 EDS分析………………………………………………………………21

3.2.2.3 EXDA分析………………………………………………………………22

3.2.3 XRD观察分析……………………………………………………………………23

3.3工艺参数对样品性能的影响…………………………………………………………27

3.3.1界面结合强度…………………………………………………………………27

3.3.2电阻率…………………………………………………………………………28

第四章 结论………………………………………………………………………………………29

参考文献…………………………………………………………………………………………30

致谢………………………………………………………………………………………………31

第一章 绪论

1.1铜包铝复合材料概述

通过特定工艺，将两种或更多不同材料进行加工而成的材料被称为复合材料。复合材料综合了各组元的特点，扬长避短，弥补了各自的不足，最大化了各组元的优势，单一金属或者合金的性能往往与其无法比拟。因此，世界各国都很重视开发和研究复合材料的工艺与技术，复合材料成为了高科技产业发展的关键之一。本文所研究的即为复合材料铜包铝棒材的制备工艺。双金属铜包铝线是在铝芯线外同心地包覆铜层，使两种金属在界面形成原子间结合而成为一个整体金属线材，在保证使用性能的前提下，同时具有两种金属的优点^[1]。

目前我国乃至世界的铜的资源十分匮乏，进而导致铜的价格较为昂贵且存在价格逐年走高的趋势。而作为导电材料，铜又是人类发展必不可缺的一种金属材料，这促使电工行业积极寻求代用材料。相比之下，铝资源丰富、价格低廉、密度小且电导率较高，也是一种较好的导电材料，所以从20世纪60年代起就有学者提出了“以铝代铜”的概念。“以铝代铜”，不仅可以达到节约铜资源的目的，同时铝制品在密度上比铜制品显著降低，可以达到减小产品重量的目的，对节能减排有着十分重大的意义。如今，信息产业的发展日新月异，移动通讯、有线电视和电力改造等，均对射频同轴电缆有着日益增加的需求量，这为其带来了非常广阔的发展空间。而铜在电缆行业始终备受青睐，制作射频同轴电缆内导体时，业内将其视作首选材料。但射频同轴电缆的内导体全部使用铜会带来巨额的成本，并且造成了资源的严重浪费。铝本身良好的导电、导热性能，以及高频信号在传播过程中会产生趋肤效应的现象，为“以铝代铜”提供了理论依据，制作铜包铝复合线材，从而实现铜、铝的复合，可以极大程度的减少铜的用量。在作为射频同轴电缆的内导体时，与纯铜相比，铜包铝线还具有密度小、质量轻、便于运输和安装等特点。

交变电流通过导线时，电流在导线横截面上的分布是不均匀的，导体表面的电流密度大于中心的密度，且交变电流的频率越高，这种趋势越明显，该现象称为趋肤效应。在“GB/T2900.1-2008 电工术语 基本术语”中趋肤效应的定义为：靠近导体表面处的电流密度由于导体中交流电流的作用而大于导体内部电流密度的现象。随着电流频率的提高，趋肤效应使导体的电阻增大，电感减小，在更一般的情况下，任何随时间变化的电流都产生趋肤效应。

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