[发明专利]一种高性能铜包铝复合材料特种成形加工方法

说明书

技术领域

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轧制成形加工方法。

背景技术

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。

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，经拉拔或轧制复合，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）。

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：（1）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。

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，然后再通过轧制、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轧制过程中的变化，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，现有的完全采用冷轧加工的方法，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轧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轧制的工艺，轧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，难以进行大变形量轧制加工。因此，如何提高大断面铜包铝棒坯轧制成形中铜、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