复合材料制备与加工论文

1铜包铝线的制备与加工陈强（材料科学与工程学院 材硕 1302 班 陈强 学号 s20130360）摘 要:介绍了铜包铝线材的起源与发展，国内外生产铜包铝线的加工工艺方法，探讨了铝线镀铜法、轧制压接法、静液挤压法、填芯连铸复合法、包覆焊接法、复合坯料常规挤压法和连续挤压法等的可行性与优缺点，以及浅谈了对其感兴趣理由和感想。关键词:铜包铝线；铝线镀铜法；轧制压接法；静液挤压法；填芯连铸复合法；复合坯料常规挤压法；包覆焊接法；连续挤压法。引言由于铜的资源非常匮乏和高频信号传输的趋肤效应，综合铜的优良导电性和铝的重量轻等优点，研究将铜层包覆在铝芯线周围，开发了具有导电性好、密度小、质地软、耐蚀好、易钎焊、价低廉的铜包铝复合金属线。铜包铝线的起源与发展外层为纯铜或者紫铜、芯部为铝的复合线材称为铜包铝复合线材，铜包铝线最早由德国于 20 世纪 30 年代推出，随后英国、美国、法国、前苏联等国也相继采用不同方法进行生产，其铜铝厚度比一般为 15。有线电视信号和移动通信信号的频率很高，一般在 50800 MHz 左右，由于“集肤效应”，高频传输电流主要集中在导体的表面层，而且铝也具有较好的导电性能，因而采用铜包铝复合线代替纯铜或紫铜可以保证这类电缆的传输效率。铜包铝线电缆具有密度小、价格低、稳定性和可靠性较高等优点。我国是 CATV 用户最多的国家，随着信息产业的迅速发展，有线电视网络将不断兴建或更新，并将发展有线电视、电话和计算机三网合一的网络，因此采用优质的铜包铝线来代替纯铜线制造同轴电缆将具有广阔的应用前2景。目前生产铜包铝复合线的工艺方法主要有轧制法、包覆焊接法、静液挤压法等。这些方法基本上都属于固相结合法，即通过塑性变形使结合面接近到原子间距离，形成大量的结合点，再通过扩散热处理最终形成界面的牢固结合。这些方法存在的共同问题是对坯料的清洁度要求很高，而且在加工过程中容易产生界面局部开裂、包覆层或芯材断裂等现象，造成成品率和电导率降低。为了提高生产效率、降低生产成本，近年来有研究者采用现代连续铸造技术加工铜包铝复合线，其中比较成功的方法是 CFC 法和双结晶器法。铜包铝线的制备与加工铜包铝线的制备工艺必须确保两金属结合面接近到原子距离，而后经扩散热处理，最终形成界面的牢固结合。目前采用的工艺方法主要有：铝线镀铜法、轧制压接法、静液挤压法、填芯连铸复合法、包覆焊接法和反向凝固连铸造法等。1. 铝线镀铜法较早应用于工业生产的方法是铝线镀铜法。它是在铝芯线表面电镀铜层以获得铜包铝线的方法。这种方法较为简便便但镀层的成分不纯、脆性大，并且镀铜层与铝芯线往往不同心，难以满足同轴电缆的使用要求，目前此方法已经淘汰。2. 轧制压接法轧制压接法就是将经过清洗并加热的 2 根铜带分别从上下 2 个方向包覆铝芯线，利用轧辊施加的压力将铜带与铝芯线压接在一起，然后将铜带接缝的 2个凸耳切除形成线坯。将制成的线坯进行拉拔获得所需直径的线材，再通过热处理赋予线材所需性能。这种方法具有产品质量好、生产效率高及环保好等优点，但工艺复杂，工序较多，轧压设备投资大，因而生产成本较高。3. 静液挤压法静液挤压法，它是一种特殊的润滑挤压工艺，制备铜包铝线材的基本原理3是将大直径紫铜管坯和纯铝棒坯制成的复合坯料经静液挤压获得线坯，利用高静水压力和大加工变形率作用实现铜、铝之间的冶金结合阵。静液挤压的工艺特点为：在挤压过程中，坯料周围充满粘性介质，压力通过介质作用到坯料上，坯料受到均匀的等静水压力，在挤压过程中没有镦粗变形，与挤压筒、挤压轴没有接触，变形区与挤压模之间的摩擦控制在最小范围内，因此从表层到芯部都能保持较均匀变形。由于静液挤压过程中可以实现坯料变形内外一致性，挤压过程中坯料不与模具接触产生摩擦抗力，以及静液挤压特有的大加工率，能够保证铜铝复合界面具有良好的结合强度。其制各工艺流程为：铜管定尺下料端头旋锥退火内外表面清洗铝棒定尺下料车锥表面碱洗净化处理铜管与铝棒压装成组合坯料坯料尾部密封坯料表面涂层处理静挤压成线坯采用静液挤压法有利于解决沿制品长度方向包覆层厚度不均匀的问题。由于包覆层与芯部的复合是在高压塑性变形条件下进行的，可以获得高质量的复合界面。静液挤压与其他挤压方法比较，静液挤压可以在室温或较低温度下实现大变形挤压，因此适合在高温下容易形成金属间化合物的复合材料的成形。静液挤压成形法的主要缺点是，生产效率低，成本较高，不适合于复杂断面形状材料的包覆等缺点。4. 包覆焊接法包覆焊接法首先对铜带和铝芯线进行彻底清洗，放入包覆焊接箱中，铜带在多对垂直成形轮和水平成形轮的作用下，使铜带沿纵向逐步形成圆管状同时4包覆的铝芯线周围。采用氩弧焊将铜管的纵缝焊接起来形成线坯。将线坯送入拉丝机中，进行多道次拉丝模拉拔和热处理，实现了铜、铝界面良好的固相冶金结合，获得规格直径和力学性能的导线。其工艺流程：原材料的预处理包覆焊接线坯拉拔热处理检测成品。包覆焊接技术的优点：工艺简单；设备不太复杂；生产速度快；铜和铝结合良好，产品质量优良。此方法现为国内生产铜包铝线的主要方法。5. 填芯连铸复合法由于铜包铝复合线需求量越来越多，所以要求复合线材的工艺应该更加简单化，生产更加连续自动化。因此，研究人员利用了发展成熟的连铸工艺来对双金属进行复合。这种方法打破了复合线材的固相结合，而是利用了液相金属直接连续复合，它保证了坯料表面无氧化，从而提高线材的质量；减少了生产工序，缩短生产周期，从而降低了生产成本。填芯连铸复合法是将连铸外层金属材料铜的管状坯壳，在坯壳温度降低到一定程度时充填芯部金属液，通过两种元素间的相互扩散或中间反应将两种金属材料结合为一体，实现复合过程。对于采用填芯连铸复合法制备铜包铝复合线坯的试验研究结果表明，包覆金属层与芯部金属的熔化温度、连铸拉坯速度的正确控制与合理搭配，是实现复合坯顺利成形的关键。该工艺避免了空气对坯料的氧化，解决了其它包覆成形制造工艺中芯材或包覆层预处理过程复杂，保证铜铝之间的复合层质量的优良。56. 复合坯料常规挤压法(芯材变形)铜和铝同时产生塑性变形的复合坯料，它的成形原理如图 8-24 所示。与双金属管复合坯料挤压成形时的情形一样，这种方法的最大优点是生产工艺比较简单，且因为变形量大，加之热挤压时变形区内高温高压的作用，铜和铝的界面比较容易实现冶金接合。但由于挤压流动不均匀性的特点，挤压制品沿长度方向包覆比(也称包覆率，定义为包覆层的厚度与制品直径之比，或包覆层的断面积与制品横断面积之比)不均匀严重。当内外层材料的变形抗力或理性流动性能相差较大时，还容易产生波浪、竹节、芯材破断、包覆层破断、内外层之间鼓泡、表面皱纹等缺陷。因为铜包铝属于外硬内软组合，而且变形抗力相差很大，易出现下图缺陷。67. 连续挤压法(Conform：Continuous extrusion forming)连续挤压包覆成形的基本原理如图 8-29 所示，适合于铝芯材无变形的连续包覆成形。该法依靠槽轮的摩擦将原料铜杆连续咬入，可以实现连续和较高速度的包覆。为了实现薄层包覆 (即低包覆率)，需要在出口侧对包覆线材施加张力。虽然连续挤压复合时包覆材料的送入方式与常规的挤压方法不同，但在实现包覆成形过程中，金属的流动特点与侧向挤压包覆法基本相同，模具配置与设计应考虑的主要问题也相问。感兴趣的理由和感想与纯铜相比，铜包铝线具有如下优点：(1)节约了铜，降低了生产成本。铜7与铝的质量比约3：3：1，铜包铝线的密度仅为纯铜线密度的37.740.8。在直径相同的条件下，1t铜包铝线的长度足相同重量纯铜线长度的1.72.45倍。(2)提高了同轴电缆使用的稳定性和可靠性。同轴电缆常用铝管作外导体的屏蔽层，因铜包铝线的膨胀系数相对纯铜线而言与铝材更为接近，从而减小了因温度变化使电缆内、外导体膨胀不匹配而产生的连接故障。(3)铜包铝线电缆重量轻，便于运输，可减小网络施工中的劳动强度。高频信号在导体上传输时，大部分电流都集中在导体的表面，而内部很步甚至没有电流经过，这就是高频电流的“趋肤效应”。铜包铝线材很好的利用了此功能，不仅节约了成本，提高了其稳定性和可靠性，同时还降低了工作强度。在新材料时代，材料是人类文明的三大支柱之一，材料技术是高新技术革命的标志。每种材料都有其优缺点，我们可以通过采用物理或化学的方法，使两种以上的材料在相变与性能相互独立的形式下共存与一体之中，以达到提高材料的某些性能，或获得新的性能（或功能）的目的。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。这样不仅可以提高材料的综合性能，还可能降低成本。复合材料的性能是由材料的成分结构、材料的性质及材料的制备加工工艺决定的。采用不同的加工工艺对复合材料的性能有很大的影响，因此开发与选择合适的加工复合工艺对复合材料来说是至关重要的。参考文献：1. 张国光.铜包铝线内导体 CATV 同轴电缆的特性J.家庭电子,2005,(24).2. 孙德勤,吴春京,谢建新.铜包铝复合线材制造技术的发展现状与前景J.电线电缆,2003(3):26.3. 戴雅康.以铜包铝线为内导体的 CATV 同轴电缆的特性J.广播与电视技术,2000,(3):140142.4. 胡捷.铜包铝复合线材静液挤压加工工艺研究J.新技术新工艺,2001,(09).5. 谢建新等.材料加工新技术与新工艺M.北京:冶金工业出版社,2004.6. 吴云忠,马永庆,刘世永,张洋.包复焊接铜包铝线加工工艺与固相结合机理研究J