（材料加工工程专业论文）铜铝轧制复合板导电特性及复合技术的研究.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 本文是针对纯铜导电母线排成本高、铜资源短缺而开展了用铜铝复合板替代的研究 工作。利用冷轧复合技术系统地研究了铜铝复合冷轧工艺、复合轧制前后处理工艺、复 合轧制和热处理工艺参数对复合板力学和电性能的影响；利用a n s y s 软件对铜铝复合 板的涡流特性进行了模拟分析，最后针对铜铝复合板冷轧复合设备进行了设计。 实验结果表明，铜铝轧制复合的压下率、铜和铝的轧之前处理队及铜铝复合板的轧 后热处理对铜铝复合板的复合效果有着很明显的影响，轧制前的刷拭可改善铜铝表面的 状况，轧后的热处理可增强界面铜铝的相互扩散，形成良好的截面过渡层，提高铜铝复 合的效果。轧制前的刷拭和轧制后的热处理可使铜铝复合板的剥切强度相对于未刷拭和 未进行热处理的提高约1 0 0 2 0 0 。铜和铝的酸洗及碱洗对铜铝复合板的复合效果 影响很小，在一定情况下可以省略此工序。 铜铝复合板在加载电流时，表层的电流密度高于内部，而且电流频率越高这种现象 越明显，为用复合板替代纯铜母线排提供了理论基础。实际的性能测试显示了铜铝复合 板相对铝母线排有着更好的电学性能，铜铝复合板的表层电导率5 3m s m ，表层电阻率 0 ，0 1 8 8 6 8uq m ；整体电导率3 3 7 m s m ，整体电阻率o 0 2 9 6 6 4 “q m 。考虑表面的 “趋肤效应”，铜铝复合板的导电性能高于铝母线排，而接近于纯铜母线排。 针对冷轧制复合板生产问题，对冷轧复合专用设备进行了设计，采用对铜带施加张 力和初步压实的方法控制铜带跑偏；采用成型轧辊控制板形；实验证明这些设计思想是 正确的，铜铝轧制复合的板形及复合强度相对未改进前明显提高。 关键词：铜铝复合轧制性能母线排 沈阳工业大学硕士学位论文 t h es t u d yo nt h ee l e c t r i c a lp r o p e r t i e sa n dt h ec o l dr o l l i n g t e c h n i q u eo fc o p p e ra n da l u m i n u mc o m p o s i t el a m i n a t e s a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h ep r o b l e m so f p u r ec o p p e r 、v i t l l1 1 i g hc o s ta sb u s b a r si nt h ee l e c t r i c i t ya n d t h es h o r t a g eo ft h ec o p p e rr e s o u r c e ，t h ec l a dr o l l i n gt e c h n i q u eo fc o p p e ra n da l u m i n u m c o m p o s i t el a m i n a t e sh a sb e e ns t u d i e df o rs u b s t i t u t i n gt h ep u r ec o p p e rb u s b a r s t h ec u a ic o l d r o l l i n gc o m p o s i t et e c h n i q u e ，t h et r e a t m e n tb e f o r ea n da f t e rt h ec o l dr o l l i n gc o m p o s i t ea n dt h e i n f l u e n c ep a r a m e t e r so f c o l dr o l l i n ga n db e a t - t r e a t m e n tt ot h ee l e c t r i ca n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s o fc l a dp l a t eh a v e b e e ns t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y w i t ht h eh e l po fs o f t w a r ea n s y s ，t h e c h a r a c t e r i s t i c so f e l e c t r i c i t yc u r li nt h ec l a dp l a t eh a sb e e na n a l y z e da sw e l l t h el a s t , d e s i g n i n g t ot h ec u a 1c l a d d i n gr o l l i n gm a c h i n eh a sb e e nm a d ei nt h i sp a p e r t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep r e s sr a t i oo fc ua n da ip l a t e s , t h es u r f a c et r e a t m e n tt ot h ec u a n da 1b e f o r ec l a d d i n gr o l l i n ga n dt h eh e a t - t r e a t m e n ta f t e rc l a d d i n gr o l l i n gh a v eo b v i o u s l y e f f e c to nt h ec u a ic o m p o s i t e t h es c r u b b i n gb e f o r ec l a d d i n gr o l l i n gc a ni m p r o v et h es u r f a c e o ft h ec ua n da 1 ；t h eh e a t - t r e a t m e n ta f t e rc l a d d i n gr o l l i n gc a ne n h a n c et h ed i f f u s i o nb e t w e e n t h ei n t e r f a c e s ，f o r m i n gap e r f e c tt r a n s i t i o nl a y e r ，w h i c hc a ni n t e n s i f yt h ee f f e c to fc l a d d i n g c o m p a r e dw i t ht h ec ua n da 1w i t h o u ts c r u b b i n ga n dl a t e rh e a t t r e a t m e n t t h eo n e s 、航血 s c r u b b i n ga n dt h eh e a t - t r e a t m e n ta f t e rc l a d d i n gr o l l i n gc a ni n c r e a s et h es u i p p i n gs t r e n g t h10 0 t o2 0 0 t h ee t c hw a s h i n gt oc ua n da l k a l i n ec l e a n i n gt oa lh a v el i t t l ei m p a c to nt h ec l a d d i n g r o l l i n g , s oi ns o m ec a s et h i sp r o c e d u r ec a nb ec a n c e l e d w h e nl o a d e d 、i 血c u r r e n t ，t h ec u a 1c l a dp l a t eh a dap h e n o m e n o nt h a tt h ed e n s i t yo f c u r r e n ti nt h es u r f a c ei sh i g h e rt h a nt h a ti n t e r i o r , m o r e o v e rt h eh i g h e rf r e q u e n tt h ec u r r e n ti st h e s t r o n g e rt r e n db e c o m e t h a tp m v i d e s at h e o r yi n s t r u c t i o nf o rt h es u b s t i t u t et h ep u r ec o p p e rb u s b a r 州t l lc u a ic l a dp l a t e t h et e s to fc u a 1 c l a dp l a t eh a sa9 0 0 de l e c t r i cp r o p e r t i e s t h e s u r f a c ec o n d u c t i v i t yi s5 3m s m ；t h es u r f a c ee l e c t r i c a lr e s i s t i v i t yi so 0 18 8 6 8uq m ：t h e t o t a lc o n d u c f i v i t yi s3 3 7 m s m ；t h et o t a le l e c t r i c a lr e s i s t i v i t yi s0 0 2 9 6 6 4pq m a l l o w i n g 2 沈阳工业大学硕士学位论文 f o rt h e c o n d u c t o rs k i ne f f e c t ”t h ee l e c t r i c a lp r o p e r t i e so fc u a lc l a dp l a t ew i l lb eb e t t e rt h a n t h ea ib u s - b a ra n dc l o s et ot h ep u r ec o p p e rb u s b a r a tt h es a m et i m e ，t ot h ep r o b l e m so ft h ep r o d u c i n gc u a 1c o l dr o i l i n gc l a d d i n gp l a t e ，a s p e c i a ld e v i c eh a sb e e nd e s i g n e d m e a s u r e sb ya p p l y i n gf o r c eo nt h ec us t r i pc o o p e r a t e dw i t h t h ec o m p r e s s i o nr o l la r et a k e nt oc o n t r o lt h e o f ft r a c k i n g ；u s i n gt h es h a p i n gm i l lr o l lt oc o n t r o l t h es h a p eo ft h ec uc l a dp l a t e ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h et h o u g h t sa r er i g h ta n dt h es h a p ea n d c o m p o u n ds t r e n g t hh a v eag r e a ti m p r o v e m e n t k e yw o r d s ：c u a ic o m p o s i t e ；c o l dr o l l i n g ；p r o p e r t i e s ；b u s b a r s ，3 一 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：穆遥日期：5 ， j 5 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：逝 导师签名：日期：帕弓j 5 、沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 电，作为自然界中存在的一种物质，对人类文明的进步起着重要的作用，尤其是二 十世纪至今，电力的发展及应用为人类科技进步做出了巨大的贡献。作为电力设备中必 不可少部分的电力材料，它亦伴随着电力事业的发展而不断地发展。到现在，电力材料 依据材质和用途的不同，可有成千上万种。 然而，随着电力电气技术的发展以及高电压、大电流设备的研制开发，对应用设备 和电力输入之间的联接材料( 母线排) 需求量越来越大。目前，母线排常用材料是铜排和 铝排。虽然铜排的导电性能非常好，但是造价太高；铝排虽然成本低，但导电性不够理 想，特别是连接部位性能更差。如何结合铜导电性高和铝排成本低的优势，已成为电力 材料领域关注的热点。根据电流在线排断面上的分布特点，在铝捧的表面复合一层铜， 可以大幅度提高铝排的导电性，又可以解决铝排连接部位电阻大、易熔化的缺点，还可 以替代纯铜母线排，降低使用铜母线排的成本。这对降低电器成本、减轻重量是十分有 益的。利用轧制复合技术制备的铜铝复合材料是母线排材料制备的重要发展方向之一。 为此，本项目对铜铝双金属冷轧复合技术及相应设备进行了研究，目的是形成铜铝复合 冷轧成套技术，利用铜铝复合母线排代替纯铜母线排。 1 1 金属复合板材料的发展现状 金属复合材料是由两种或两种以上的金属经复合而形成的一种新型材料。由于其工 艺的先进性和材料本身的技术特性，使其具有单种金属材料不可比拟的优点“1 1 。 ( 1 )复合板的结构中，基、复材的比例比较大，节约了贵重金属，显示了价格上 的优越l 生。如：钛钢、镍钢复合板的价格仅相当于纯钛和纯镍板的l 5 l 1 0 。 ( 2 ) 良好的综合性能。如不锈钢碳钢复合材料在弱腐蚀行业的应用既解决了材料 的耐蚀性，又解决了其设计强度闽题。 ( 3 )解决了难焊材料的可焊性问题。 3 沈阳工业大学硕士学位论文 由于其优越的技术特性以及其优越的性价比，使复合材料的应用前景非常广阔。如 不锈钢复合板可广泛应用于石油化工、机械、医药卫生、环境保护等行业。钛复合板在 航空工业、宇航、冶金等行业的应用将会有很大的发展空间。 复合板具有良好的综合性能及优越的性价比，国内外都非常重视它的研究与开发。 在品种方面，根据不同的材料服役条件，开发了钛系列、不锈钢系列、铝系列、铜系列 复合板等，在成形工艺方面则研究了如轧制复合法、爆炸复合法、扩散焊接法等。新技 术新工艺的不断研究与开发将对复合板生产实现高质量、低成本、高效率有很大的促进 作用。 1 1 i 轧制复合 轧制复合是让两种表面洁净的金属相互接触，在轧机的压力作用下，通过加热和塑 性变形时原子间高度扩散作用实现冶金结合的复合方法。其结合强度通常比原组元金属 高。3 。轧制复合又分为热轧复合和冷轧复合。热轧复合是将覆盖材料和基体迭放，周边 进行焊合，然后热轧使之复合。冷轧复合是通过轧机的压力使金属复合，对轧机的要求 高，适合于a 1 、c u 这样强度较低的情况。 t # l i n 复合应该是轧制及材料复合技术的合成。轧制是让金属坯料通过转动轧辊的缝 隙，而使金属在压力作用下产生塑性变形的过程。根据轧制过程中轧辊转动的方向和轧 件在变形区中运动特点，轧制可分为纵轧、横轧和斜轧5 3 。同时，根据轧制过程中被轧 件的温度又可分为热轧和冷轧。根据轧机上下轧辊在轧缝的线速度的异同，可分为同步 轧制和异步轧制“”。利用轧制进行金属层状复合，成本低，产量高，工艺技术及装备较 为成熟。因此，作为一种金属层状复合的工艺方法在本世纪3 0 年代就引起了一些研究 者的关注。3 。轧制复合工艺不仅用于实现复合坯料的进一步加工，而且也可作为一种有 效的复合制备技术。而且作为一种材料复合技术，它易于实现大规模工业化生产，同时 不存在像电镀等物理化学方法覆层所带来的环境污染问题，将会是一种具有非常好的发 展潜力的金属层状复合材料制备技术。 目前，在轧制成形的产品中，板带材占了总量的一半以上。它作为众多制造工业的 基本原料，市场容量很大。尤其是高质量的冷轧板带材更是供不应求，而且这类产品很 4 沈阳工业大学硕士学位论文 大一部分是以表面覆层或镀层的状态交货脚，因此，高质量板带材轧制复合生产技术的 开发具有良好的社会效益及直接的经济利益。 虽然轧制复合技术已有好几十年的发展历史，并且成功地应用于工业生产实践中， 但是它还远没达到该技术本身所具有的能力范围。实现复合的大变形要求超出了传统轧 制技术的范畴，制约了该技术的推广，尽管研究人员进行了大量的有益的探索，但是用 于指导技术实施的系统化工艺理论还不完善，这方面的研究将是今后轧制复合技术发展 的一个重要方向。 现代的轧制复合技术主要包括热轧复合、等辊径等辊速冷轧复合、异步轧制复合几 种。 ( 1 ) 热轧复合 热轧复合方法是将被复合的金属坯料在高温高压下进行轧制变形，受热和力的同时 作用而使不同金属进行焊合的一种工艺方法。这种方法从3 0 年代一直沿用至今，仍是 一种重要的复合方法。它的基本工艺特点是单块组装热轧复合，可以用现有设备，简单 易行，可以进行大型板材复合“。 热轧复合变形过程极其类似于单种金属热轧，高温金属塑性成形时变形性质十分类 似于粘滞流体“。由此推知，两种金属间接触表面在剪切变形力的作用下应该更趋向于 流体特性。一旦新生金属表面出现，它们便产生粘着摩擦行为，利于接触表面间金属的 固着，以固着点为基础( 或核心) 在高温热激活条件下形成较为稳定的热扩散，从而实 现金属问的焊接结合。轧后的余热将使两种金属间的原子扩散更加充分，从而形成良好 的复合，有关研究已证明这种扩散的有效性“2 “1 。不过，如果两种金属趋向于形成脆性 化合物时，对于复合过程的实施将是致命的。 热轧复合方法已经成功地用于了工业生产中“。它与普通的金属热轧工艺除了工 艺实施方案上有较大的差异外，其基本轧制过程没有实质性的变化。事实上，某些有色 金属板带的轧制成形性不好而采用软金属进行包覆轧制，实质上是一种热轧复合。由此 看出，除焊接扩散过程外，热轧复合在很多方面与一般的热轧工艺没有大的差异，现有 的轧制理论在一定程度上仍然适用相关工艺的分析。 ( 2 ) 等辊径等辊速冷轧复合 5 沈阳工业大学硕士学位论文 鉴于热轧复合在工艺实施上存在着一些困难，对某些金属间脆性化合物的形成难以 控制，冷轧复合方法便应运而生。在5 0 年代，美国首先提出了表面清理，大变形复 合，复合界面热扩散处理的工艺路线“。这种工艺方法先后在工业生产中得到逐步实 施，并部分替代了热轧方法生产的产品。 随着等辊径等辊速冷轧技术的开发，其工艺理论的研究也逐步深入，其主要的工作 集中在复合变形率、复合过程的接触变形、轧制力和轧制力矩、复合界面的热扩散处理 及复合效果的研究“”“。虽然在等辊径等辊速冷轧复合方法的研究上已经取得了很大的 进展，但是在研究深度及广度上还没有达到工艺理论系统化的程度。大的复合变形对轧 机提出了更高的要求，使得工艺的应用范围受到了极大的限制。此外，g l n 成材率及板 带材的板型等等问题也难得到有效地解决，致使该工艺技术无法得到较大的发展。 ( 3 ) 异步轧制复合 等辊径等辊速冷轧复合方法虽然在技术上可行，但其一次高达6 0 8 0 的变形 量是一般轧机根本不能承受的。然而，这种轧制复合的特点使之有着诱人的前景，令研 究者难以割含，于是异步轧制复合作为近年来的一个切入点开始提出。 异步轧制工艺作为一种6 0 年代才开始兴起的新兴的板带材g l a d 生产技术，自从它 问世以来就引起了人们的极大兴趣。研究者在轧制过程中的变形关系、复合的机制、 复合强度及轧制力和力矩等反面做了大量的研究。3 “3 ，取得了一系列的研究结果，在一 定程度上解决了轧机在等辊径、等辊速冷轧复合完成大变形方面能力不足的问题，但是 并未从根本上解决大变形的基本要求，其离实际生产还有一定的距离。目前，这种车l 制 复合的方法及其基本理论的研究主要集中在# l n 过程中的变形关系、轧制复合过程的发 生、轧制复合的强度及轧制力和力矩等几个方面。如果一些关键性的技术问题能够得到 较好的解决，这一技术将得到较好的推广。 目前，轧制复合主要是热轧复合或者热轧与冷轧复合相结合的工艺。轧制复合法的 缺点是制造过程工序多，因此，不宜生产小批量的复合板。 6 沈阳工业大挚硕士学位论文 1 1 2 焊接复合技术 焊接复合是复合技术中很重要的一种加工工艺。根据焊接方式的不同，该类加工工 艺包括：爆炸焊接、钎焊法、扩散焊接等。在焊接成形以后，一般都需要进行压力加工 过程，大多采用热轧法，最终获得大幅面的复合板带。 爆炸焊接法是当前研究较多的复合技术，其基本原理是利用炸药爆炸产生的巨大能 量驱动两块金属板高速倾斜碰撞，依靠冲击及摩擦材料表面氧化膜破碎并消除，同时依 靠冲击及摩擦产生的热量，在接触面上实现原子之间的冶金结合。”。它特别适合于一 种金属和另一种金属的大面积复合以及用其它方法难于生产或不可能生产的( 如熔点相 差悬殊、热膨胀系数以及硬度差别大) 的金属焊合，现今已利用爆炸焊接法研究了锆钢 复合板、铜铝复合板等多种材料的复合“。它可以使清洁表面紧密结合，结合强度较 高，而且速度快：缺点是产量、生产率及成材率都比较低，产品质量稳定性差，同时存 在炸药存放与爆破地点的选择、噪音处理、安全保障及污染严重等一系列问题。 扩散焊接是把要复合的材料加热到一定温度以后再加压，靠原子扩散使其结合的方 法。其优点在于焊接接合处的显微组织与母材非常接近，不存在过热组织的热影响区， 焊接质量均匀。缺点是生产率低，而且对生产设备与厂房条件有较高要求。 钎焊法是在两层材料间加入钎料，利用液态钎料湿润母材，填充间隙并与母材发生 相互扩散而实现连接。 1 1 3 其他复合技术 材料复合技术除了固相和固相复合的直接轧制复合和焊接复合方法外还有液相和固 相以及液相和液相的复合方法。如直接浇铸复合法、浸入法、喷射成形( o s p r e y ) 等。 直接浇铸复合法将两块钢板叠合，内层涂上剥离剂，四周焊合后放在盛有金属液的 铸模中，待液态金属凝固后进行初轧，最后将焊合的边部切掉，即得到两块复合板1 。 在适当温度及压力下可实现较高的复合强度。此方法工艺简单，成本低，可用于批量生 产。但由于复层金属与基体金属的熔点不同，结合部位容易产生熔损，因此。难以得到 质量优良的复合钢板。 7 沈阳工业大学硕士学位论文 浸入法的工艺特点为：将温度较低的母带浸入到熔化的覆层材料中，覆层材料在母 带表面形成一凝固层。它适合于带钢类复合金属材料的生产。其主要工艺方法为反向凝 固工艺和热浸镀法。“。 喷射成形法( o s p r e y ) 是一种用专用设备把某种固体材料融化并加速喷射到基件表面 上，形成特制薄层，经热处理后达到复合目的，是提高基件耐蚀、耐磨、耐高温等性能 的新兴材料技术。2 。喷射成形技术可以达到理想的复合效果，其特点是取材范围广， 可用于多种基体。被喷涂物件大小一般不受限制，涂层厚度较易控制，但其对设备的要 求比较高。德国曼内斯曼曾进行了多层材料板材的工艺试验”1 ，其原理如图1 1 所示。 1 2 3 图1 1 喷射成形复合板工艺 1 坩埚2 喷嘴3 雾化室4 传动装置5 复合板6 废气 1 2 铜铝轧制复舒开究的现状 金属铜和铝具有良好的导电、导热性能，被广泛的应用于电力、电器、电子、传 热、信息、汽车、家电等行业中。在世界资源储藏中，铝资源比较丰富，而铜资源相对 短缺，因此，以铝代铜不失为节约铜资源的一大策略。然而，铝的焊接、灭弧、耐磨等 性能较差，在很多场合，如开关、散热片、过渡扳等以铝直接代铜是很困难的。而铜铝 复合材料则完全可承担此重任。有鉴于此，近4 0 年来，国i 勾# i - 学者对铜铝复合材料的 生产工艺进行了较多的研究。而最早的铜铝复合线材应追溯到上个世纪3 0 年代，德国 8 沈p i ：i g 业大学硕士学位论文 推出铜包铝复合线材，随后英国、美国、法国、前苏联等国也相继采用各种不同方法研 究铜包铝线材：1 9 6 6 年英国学者研究出将带有惰性气体的液态铝或其合金喷射到铜金 属表面，然后将金属铝与上述覆有铝的铜金属在热状态下复合，从而得到铜铝复合材料 的复合工艺；7 0 年代，国外开始生产铜包铝线，现已形成大规模生产，并逐步代替相 同尺寸的铜线作为c a v t 电缆的内导体；1 9 8 1 年日本学者研究出通过冷轧将镍箔覆盖在 铝材上，然后，将上述铝材退火，再与经退火的铜材通过冷轧退火后得到中间夹层为镍 的铜铝复合材料的复合工艺；1 9 8 9 年我国学者研究出将铜带与铝箔一起加热至2 0 0 。c ， 并轧制而得到覆有铝箔的铜带，再将此带与铝带热轧，得到铜铝复合材料的复合工艺 1 。近些年，中南工业大学、东北大学、上海交通大学、江西冶金学院、昆明理工大学 等很多高校及研究院对铜铝的复合进行了大量的研究探索，得出了大量的成果。随着对 铜铝复合研究的深入，采用不同工艺方法制备的不同用途和结构的铜铝复合材料也越来 越多。可以说，铜铝复合材料将会和铜、铝一样成为导电的并列材料，甚至在某些方面 要比单纯的铜和铝还要好。 目前铜铝轧制复合工艺种类较多，主要可分为直接轧制复合和间接轧制复合畸+ 。 直接轧制复合。由于铜铝材料比较软，延伸性能比较好，利用冷轧机进行直接轧制 复合效果是很好的。其工艺原理是，将经过清洗处理的铜带和铝线或板包覆好，利用轧 辊施加压力将铜带和铝线或板压接在起，然后根据产品的要求，对轧制复合的铜铝复 合材料进行进一步的处理，或直接矫形、热处理后入库；或再进一步加工，然后矫形、 热处理入库。轧制复合制备铜铝复合板线材工艺比较复杂，涉及的工序比较多，轧制设 备投资较大，因而生产成本较高。但是这种工艺的产品质量好，生产效率高且环保问题 少。所以国外大多采用这种轧制复合方法生产线材。 目前使用较多的是间接轧制复合，其工艺原理基本上是将清洗处理后的铜带和铝 线板利用钎焊、扩散焊等焊接工艺初步焊接到起。然后将初步焊接好的铜铝复合板线 材进行热轧，得到相应性能的复合材料。这种工艺的优点是工艺模式相对简单，设备不 太复杂，产品质量较好，是国内生产铜铝复合材料的主要方法。但是这种工艺对生产设 备与厂房条件有较高的要求。 9 沈阳工业大学硕士学位论文 总体而言，现在的铜铝轧制复合生产线材的工艺方法虽然很多，但基本上属于固相 结合法，即通过大的塑性变形使得两金属结合面接近到原子间距离，形成界面的牢固结 合。这类工艺需要表面处理等工序，而且所需设备也比较复杂，所以，如何改进工艺或 者开发一种新的工艺，以降低成本提高效率是铜铝轧制复合技术发展的一个关键。 1 3 铜铝轧制复合的界面结合机理研究现状 轧制复合的界面结合机理因复合材料的不同而不同。一般认为轧制复合有两种机 制。对于钢铝，其复合是由于金属表面硬化层破裂，新鲜金属通过裂口挤出而形成粘 结点；而铜肟冈则是由于表面氧化层和污染层在 l n 过程中延伸、变薄而被擦破，从而 形成金属粘结点“3 。 铜铝轧制复合和铜钢轧制复合以及钢铝轧制复合既相似之处又有差别。铜钢轧制复 合和钢铝轧制复合都是一种软金属和一种硬金属进行复合，而铜铝轧制复合是两种软金 属进行的复合。铜钢轧制复合和钢铝轧制复合的结合有所差异是由铜和铝这两种材料的 抗氧化能力不同造成的。由于铜铝的延伸能力相对于钢很强，所以，如果铜铝的表面没 有硬化或氧化层的话，就不能形成钢和铜、铝的相互进入对方的界面的可能。当铜和铝 的表面被清理处理后，在表面会形成一层氧化层，轧制复合时铜铝被挤压延伸，表面的 氧化层被撕裂，新鲜的铜铝就可以从裂缝种挤出。进入对方的裂缝中去，形成初步的机 械结合。 铜铝轧制复合的界面结合机理主要存在着薄膜学说、能量学说啪3 、扩散理论“6 1 和 再结晶理论。”等几种。铜铝轧制复合过程主要存在三个阶段：即铜铝表面的物理接触阶 段，接触表面的激活阶段，扩散阶段组成“。 在物理接触阶段，经机械或化学清理后的表面在大气中将很快地被氧化膜和吸附膜 所覆盖。那么只有从接触表面上除掉这层表面层，才能形成实际的物理接触。当然除非 采用高温真空、激光照射等方法，否则要彻底地清除掉这层表面层是很困难的“”。目 前，普遍采用的各种表面处理方法，多是人为地形成硬而脆的表面层，依靠薄膜破裂机 制，达到金属的实际物理接触。 一1 0 沈阳工业大学硕士学位论文 在接触表面的激活阶段，形成实际物理接触界面时，所产生的结合力较弱，不足以 产生表面原子间的牢固连接，复合界面原子间要达到牢固结合，必须使处在金属界面接 触处的原子或离子具有最低能量级，当原子或离子达到这个能量级时，原予键的方向性 就会减弱，界面处的原子就会形成金属键，相互接触的两金属表面就实现完全结合“。 在轧制过程中应降低轧制速度，可增加轧制复合作用时问，使更多的激活中心出现，形 成更多的结合点“；同时，还可以减小弹性回复的破坏作用，增加复合板的界面结合强 度1 。 铜铝的轧制复合终止于第二阶段，但此时界面是呈点结合转变为面结合的过程，并 通过扩散或再结晶过程延伸到整个接触面两侧，具有一定的结合深度，一般地说，冷轧 复合后轧件虽然已经实现了较好的复合，但是复合界面的过渡结构在很大程度上并未完 全实现3 。要保证材料的使用效果，轧制后界面的热扩散处理是必不可少的。加热的作 用是提供结合面原子互扩散的动能，使缺陷消失，导致内应力松弛和塑性恢复，但铝铜 在接触区的相互作用取决于铜铝状态及各中间相的动力学特性。”。 可以概括铜铝复合的机理为：铜铝的表面层破裂，新鲜铝质点挤入铜裂口中而相互 接触：在一定的条件下，表面原子被激活，形成激活中心而使新鲜质点间产生原子键 ( 金属键) 结合；在随后的热处理过程中，通过扩散或再结晶行为，使点结合转变为面 结合，并具有一定扩散深度。 1 4 铜铝轧制复合板作导电用母线排的优点 铜、铝材料本身就具有电阻小、热阻小等优点，s l 带 j 复合后的铜铝复合板继承了 铜、铝材料的大部分优点，还具有自己新的特点。铜铝轧制复合板表层是铜，内部是 铝，所以其整体密度小几乎和铝相近。在通入电流时，由于电磁场的作用使得电流密 度，与导体的表面到中心的距离成反比，即导体表面的电流密度大，而导体中心的电流 密度小。电流的频率越高，这种现象越明显。这就是电磁学上的趋肤效应脚1 。 由于趋肤效应的作用使得铜铝轧制复合板在通入电流时，会有较大的电流由铜铝轧 制复合板表层的铜通过，这使得铜铝轧制复合板的整体导电性能提高，尤其是当电流的 频率很高的时候，电流基本上是由表面通过，这时铜铝轧制复合板的导电性几乎和纯铜 沈阳工业大学硕士学位论文 的导电性相差无几。铜铝轧制复合板的低成本加上在导电方面的这些优点使得铜铝轧制 复合板在导电线材市场上将会有很大的发展前景曲“。 1 5 铜铝轧制复合材料的应用及其前景 铜铝轧制复合材料不仅具有铜的导电、导热率高，易钎焊，接触电阻低和外表美观 等优点，也具有铝的质轻耐蚀、经济的特点。所以其在电力、电子、信息、电气、传热 等行业中有着广泛的应用”1 。 铜铝复合以后再经轧制可制备采暖工程中的散热翅片。铜铝复合翅片管是铜、铝管 经复合后再轧制出翅片，具有结合紧密，热阻小，传热性能好、强度高、流动损失小、 防腐蚀性能强，在长期冷热工况下不易变形、工作寿命长等特点。整体轧制翅片光滑无 毛刺，无皱折易于清洗，在采暖空调工程中进行湿式冷却时易排除翅片外表面凝结 水，在烘燥加热及其它热交换场合不易结尘、结垢。图1 2 是无锡雪隆换热器制造有限 公司生产的铜铝复合散热翅片。表1 1 列出的是铜铝复合翅片管的规格和性能表。 图1 i2 铜铝复合散热翅片旧1 电力工业已用铜铝复合板制作过渡接头，以解决电工产品中以铝代铜后突出的接头 连接问题。采用轧制复合技术生产的铜铝复合板，不仅具有结合面过渡电阻和热阻抗 低，还具有耐蚀、延展性和成形性好等综合性能嘲。 1 2 沈阳工业大学硕士学位论文 表1 1 铜铝复合翅片管规格性能表” 2 650 3 1 5l2 0 4 9 61 3 1 6 0 8 1 2 3 070 42 5l20 4 6 21 2 2 50 9 9 5 3 6 80 ，42 5l20 6 3 41 2 6 11 4 9 0 1 5 0 1 5 铜铝轧制复合板可作母线排，使用在大电流设备上，如大型的熔炼设备、加热设 备、变压器及其的控制柜、整流柜等设备上。大型的熔炼设备中的大直流石墨化炉的主 要特点之一就是直流电流大，一般都在8 0 k a 以上，个别情况可能达到1 5 0 k a 。其导电 母线排总长度往往超过1 2 0 米，一般均采用铝排，原因是铜排投资大而重。变压器、整 流柜出线，由于结构复杂，线路短而采用铜排；炉头处由于温度高，线路短，宜采用铜 排。在整个通电回路中必然有四处为铜排与铝排相联点。不论是固定还是活动联接，虽 为平面相联，但并不是面接触，而是点接触，或者是多点接触。铝的活泼性较大，长期 使用，产生电腐蚀或氧化，使接触点电阻( r ) 不断增大，通过一定的电流时，发热量 ( q ) 随r 的增加而增加，其量由q = f r t ( 焦) 决定。当接触点温度达到铝的熔化温度 ( 6 6 0 。c ) 时，该点的铝必然局部熔化并从缝隙中流出，使该处己形成的电流通道突然 断开而打弧，扩大了故障点，特别是正主母排和炉头母排，当电流较大时就像生了一个 火炉。这时有的接触点的铝开始熔化流出，并进而引起打弧产生更多的熔融铝喷溅而 出，除增加了损耗，影响正常生产外，对安全也带来很大威胁，是影响石墨化炉生产的 老大难问题瞄“。如果将所有的材料换作铜铝复合板，就会减少材料接头，即使接头 处也可制作为铜铜连接，那就可尽量减少此类问题。 发电厂和变电所的电力设各中，由于发电机、变压器等电气设备内部电流通路多为 铜制材料制成，外部电网用电流传输线一般为铝质材料。在二者连接处常常用到一种铜 1 3 甜凹!卯粥托记 ；2 2 2 2 2们n勰叭酡引 5 5 3 2 5 6 8 9i，册嬲俩弼粥鲫捞 0 o o 0 0 l 1 2 2 2 2 3 3 3 3 3 2 m m ” 5 5 5 5 田d d m 2 2 3 3 3 3 2 2 4 4 4 4 4 3 3 3 o o o 0 0 o o o 5 0 0 0 1 2 4 5 9 2 5 5 8 o 5 o 沈阳工业大学硕士学位论文 板与铝板直接对焊形成的铜铝过渡板，接触面为矩形。由于铜铝过渡板是采用闪光对焊 工艺制成，所以这种材料存在很大的缺陷：制造工艺复杂，废品率高：使用性能 差，由于铜与铝的闪光对焊或多或少会在接头中产生一些脆性化合物，7 使接头弯曲性能 下降，使用时常常发生铜铝结合处断裂，造成事故；铜材消耗量大，我国铜材资源本 来就比较贫乏，而在传统电力金具中浪费铜材的现象却相当普遍踟。 由上所述，可以看出开发出一种新的可完全代替纯铜的导电材料和生产工艺是很有 意义的。铜铝复合板的生产工艺有很多种，如爆炸焊、挤压、焊接+ 热轧等等，但其各 自的弊端使得其进行大规模生产存在着很大的难度。而冷轧复合制作铜铝复合板便以其 众多的优势脱颖而出。 电力材料，尤其是低成本、高性能的金属复合材料是国家重点支持和资助的发展项 目。我国经济的快速发展所带来的电力的传输及变电所的配套建设，企业对导电线材的 需求以及铁路的改造及维护等前提也为铜铝冷轧复合提供了巨大的市场容量。 1 6 本课题的主要研究内容 尽管铜铝冷轧复合制作导电用母线排具有很多优点，诸如生产效率高，产品质量好 等。但将该技术投入到真正的实际生产仍存在诸多问题。如轧制复合的工艺参数的系统 研究，界面对复合板强度及电学性能的影响，轧制复合设备的设计改进，复合板的电流 密度的计算机模拟等。 依据上述情况，本项目初步确定研究内容如下： ( 1 ) 模拟研究复合板导电的涡流特性： ( 2 ) 系统研究铜铝复合冷轧工艺： ( 3 ) 研究轧制参数对铜铝复合效果的影响； ( 4 ) 研究车l s t j 前后处理工艺对复合强度及电学性能的影响； ( 5 )分析铜铝冷轧复台的界面结合机理； ( 6 ) 系统测试铜铝轧制复合板的电学、力学性能； 1 4 沈阳工业大学硕士学位论文 2 试验材料与方法 2 1 实验材料 本实验的铜带和铝板是经过热处理的工业纯铜和电工铝。轧制复合用的铜、铝材料 牌号为t u l 和1 0 5 0 。t 0 1 的化学成分见表2 1 。 表2 1 纯铜1 1 1 1 的化学成分( 质量分数) 2 2 冷轧复合实验设备 图2 i 是铜铝轧制复合所用的轧机。该设备的轧辊力为7 0 吨，轧辊直径为 4 0 0 m m ，转速为7 0 m m s 。 图2 i 铜铝冷轧复合所用冷轧机 1 5 沈阳工业大学硕士学位论文 2 3 铜、铝复合板的表面处理和热处理 在轧制前，铜带和铝板首先要进行热处理，消除其内部的应力，降低硬度；热处理 后分别进行酸洗和碱洗处理，去除表面的油脂、氧化物；其后刷拭金属的表面，进一步 去除表面的杂质；轧制复合后的铜、铝复合板要随后进行热处理，以降低内应力，同时 促使铜、铝原子在界面处发生扩散，提高铜、铝复合板的结合效果。表2 2 和表2 3 分 别是铜带及铝板及复合板热处理工艺。 表2 2 铜带及铝板的轧前热处理工艺 铜、铝复合板厚度( r a m )保温温度( )保温时间( m i n ) 热处理采用的是s x 一8 1 0 型箱式电阻炉。表2 3 和表2 4 是铜、铝酸碱洗处理液 的配比。 表2 4 酸洗液的配比 1 6 沈阳工业大学硕士学位论文 2 4 复合界面分析 选取铜、铝复合板上不同位置的试样，采用o l y m p u sb x 6 0 型金相显微镜、j e m - i o o c x 型扫描电镜，观察铜、铝车l s e j 复合扳各种状态的组织状况以及复合板界面的铜、 铝扩散情况。 普通金相试样制备：线切割取样后，用标准金相制备方法磨制和抛光。将试样分腐 蚀和未腐蚀两种，前者在腐蚀1 0 1 5 秒后用酒精冲洗吹干。 扫描电镜试样制备：与普通试样的制备相同。 2 5 力学性能测试 硬度测试在h b 一1 8 7 5 布氏硬度仪上进行，为尽量减少误差，在每个试样表面打5 个硬度值，去掉最大值和最小值后取其平均值。 弯折试验有两种，一种是将铜、铝复合板切成规则扳条状，往复折弯9 0 4 ，弯折 半径2 0 m m ，观察铜、铝复合层不发生剥离的折弯情况并记录发生剥离时的次数；另一 种是弯折半径5 i i i l ，折弯9 0 。，观察复合层开裂、剥离情况。 图2 2 铜、铝复合教的剥切力酒试示意图 铜、铝复合层剥切力试验见图2 2 。具体方法为：将宽度为2 0 m m 的铜、铝复合板 固定，铜从复合板上部分剥离，然后将剥离部分的铜带固定于一个三角形的铜板上，在 1 7 - 沈阳工业大学硕士学位论文 三角形的定点上施加力f ，并不断增大所施加的力。当铜复合层与基体铝之间发生移动 时，施加于铜、铝复合板的力便近似等于复合板的剥离力。 2 6 电学性能测试 选取一定轧制复合参数的铜、铝复合板，制备标准的电学测试试样。测试铜、铝复 合板的静态电阻、动态电阻、表面的电导率以及其温升的情况。 静态电阻的测试仪器是直流双臂电桥；动态电阻测试涉及到回路电阻测试仪器、涡 流电导仪等仪器：温升试验的仪器有调压器、电流表载流变压器、检流计、热电偶等组 成。图2 2 是测试铜、铝复合板温升的电路的示意图。 图2 参铜、铝复合板温升畏i 试电路示意图 1 8 沈阳工业大学硕士学位论文 3 实验结果及分析 3 1 铜铝冷轧复合板的导电性分析 电学性能是铜铝冷轧复合板的主要性能，这个性能指标的好与坏是决定铜铝冷轧复 合板能否代替现有铜、铝母线排的主要因素。当导体通入电流时由于电场和磁场的作 用，在导体中存在着电流密度分布。电流密度由导体的外沿向中心逐渐减小，电磁学上 称这种现象称为“趋肤效应”。随着电流频率的增加，“趋肤效应”会变得越来越明 显。由此看来，在普通情况下，铜铝复合板的导电性能要比铝母线排的要好；在一定情 况下，铜铝复合板的导电性能甚至和铜母线排的相差无几。针对于此，利用模拟分析软 件a n s y s 对铜铝复合板的电流密度分布进行模拟，观察在不同电流情况下，铜铝复合板 的电流密度分布情况。 设定铜铝冷轧复合板的纵向为无限长，选截面外一点作为原点，选取铜铝冷轧复合 板的截面作为复合板电流面密度的分析截面；选取截面的纵向及横向的中心作为电流线 密度的分析位置。铜、铝及铜铝复合板的电阻率、电导率、铜铝冷轧复合板的外形尺 寸、铜铝玲轧复合板的通电情况以及计算机模拟的位置选取如表3 1 至表3 3 及图3 2 所示。 ( a ) 计算机模拟铜铝冷轧复合板电流密度所选取的位置 选取铜铝复合板的截面为电流密度计算机模拟截面，以截面的x 中线、y 中线作为 图3 1 电流密度模拟所选位置示意图 1 9 沈阳工业大学硕士学位论文 电流密度计算机模拟的选取线。 ( b ) 铜、铝的电阻率和电导率 表3 1 铜和铝的电阻率和电导率 铝材电阻率00278uq m 铜材电导率5 7 垮 铝材电导率3 6 惦m ( c ) 计算机模拟所选铜铝复合板的尺寸 图3 2 铜铝复合扳的外形尺寸示意图 表3 2 计算机模拟所选的铜铝复合板的外形尺寸珈= 5 0 ) ( d ) 计算机模拟过程中通入铜铝复合板的电流情况 表3 3 计算机模拟中铜铝复合板所加载电流的电压及频率 电流频率( h z ) 5 05 01 0 0 0