矩形斷面銅包鋁復合材料的水平連鑄直接復合成形

吳永福，劉新華，謝建新，王連忠，董曉文

(1. 北京科技大學 材料先進制備技術教育部重點實驗室，北京 100083；2. 煙臺孚信達雙金屬股份有限公司，煙臺 264118)

矩形斷面銅包鋁復合材料的水平連鑄直接復合成形

吳永福1，劉新華1，謝建新1，王連忠2，董曉文2

(1. 北京科技大學 材料先進制備技術教育部重點實驗室，北京 100083；2. 煙臺孚信達雙金屬股份有限公司，煙臺 264118)

制備斷面尺寸為50 mm×30 mm、銅包覆層厚度為3 mm的矩形斷面銅包鋁復合材料，研究結晶器長度、拉坯速度、芯管長度和一次冷卻水流量對矩形斷面銅包鋁復合材料水平連鑄直接復合成形過程的影響。結果表明：當連鑄結晶器長度為150 mm、芯管長度為125 mm時，較為合理的拉坯速度范圍為75～90 mm/min；當拉坯速度過慢時，鋁液的填充不連續，導致芯部鋁的收縮或冷隔等缺陷；當拉坯速度過快時，銅鋁界面反應嚴重；當拉坯速度為75 mm/min 時，合理的一次冷卻水流量為700 L/h，一次冷卻水流量大于1 000 L/h導致鋁液填充不連續，一次冷卻水流量小于400 L/h則導致銅鋁界面反應加劇。通過檢測芯管出口位置處的石墨內襯溫度變化可有效監控鋁液的填充行為以及連鑄過程的穩定性。

銅包鋁；復合材料；矩形斷面；水平連鑄

銅包鋁復合材料(CCA)以純鋁為芯體，外層包覆純銅，兼具銅和鋁的優點，并具有低密度、低成本和易釬焊等特點[1?2]。導體在傳輸交變電流時的“趨膚效應”[3]，使得銅包鋁復合材料在高頻信號傳輸和大電流輸送方面的應用前景廣闊。銅包鋁圓線已在通信電纜等領域獲得了較廣泛應用，而矩形斷面的銅包鋁電力扁排由于可替代現有純銅扁排應用于母線槽、控制柜、高低壓開關柜等行業，實現大規模以鋁節銅，因此，日益受到人們的重視[4?6]。

銅包鋁復合材料制備技術的研究和開發較為活躍，迄今已發展了多種銅包鋁圓線制備工藝，包括包覆焊接法[7?8]、軋制壓接法[9?10]和靜液擠壓法[11?12]等，但這些工藝存在流程較長和成材率較低等問題，且難以制備電力扁排類具有較大斷面尺寸的產品。

水平連鑄直接復合成形(HCFC)是謝建新等[13]開發的制備銅包鋁復合材料的新工藝，具有流程短、效率高及復合界面可達到冶金結合等優點，為制備銅包鋁電力扁排等異形斷面復合導體提供了新的途徑。在前期研究工作中，采用該新工藝已制備了性能良好的d30 mm銅包鋁圓形棒坯[14]，并結合軋制、拉拔等加工方法制備了高性能銅包鋁復合電力扁排[15?16]。由于圓坯具有復合模具結構簡單、溫度場易于控制等特點，采用HCFC工藝最適合于制備圓形斷面復合棒坯，但從后續扁排類產品的加工成形考慮，與圓形斷面坯料相比，矩形斷面坯料具有后續加工過程更簡便、變形應力狀態更均勻、加工后平直度更易調控等特點。然而，非圓形斷面坯料由于斷面不具備中心對稱性的特點，在水平連鑄直接復合成形時的傳熱過程更為復雜，對制備工藝控制的要求更高。

為此，本文作者研究矩形斷面銅包鋁復合材料的水平連鑄成形過程，以截面寬度為50 mm、厚度為30 mm、銅包覆層厚度為3 mm的矩形斷面銅包鋁復合材料為對象，分析結晶器長度(L)、拉坯速度(v)、一次冷卻水流量(Q1)和芯管長度(L2)等工藝參數對矩形斷面銅包鋁水平連鑄成形過程的影響。

1 實驗

矩形斷面銅包鋁復合材料的水平連鑄直接復合成形工藝原理如圖1所示。其工藝過程如下：復合連鑄開始時，銅液在位于結晶器內的矩形芯棒和矩形鑄模之間先凝固形成矩形銅管，并通過牽引機構連續引出。矩形芯棒帶有導流孔(以下簡稱芯管)，在連鑄銅管的同時，將鋁液通過芯管充入銅管中，通過結晶器的一次冷卻和噴水二次冷卻作用，控制鋁的凝固過程以及銅鋁之間的界面反應，從而連續拉鑄銅包鋁復合矩形坯。連鑄過程中銅液、鋁液和復合模具的溫度由控溫裝置進行控制。

純銅(T2)和純鋁(L2)分別采用感應電爐和電阻爐進行熔化，復合模具采用感應加熱。實驗時復合模具保溫溫度(tc)、銅液溫度(tCu)和鋁液溫度(tAl)保持恒定，分別改變結晶器長度(L)、芯管長度(L2)、拉坯速度(v)和一次冷卻水流量(Q1)等參數，研究各參數對矩形斷面銅包鋁復合材料水平連鑄直接復合成形過程的影響。所制備的矩形斷面銅包鋁復合材料的規格為50mm×30 mm×3 mm。采用線切割將復合鑄坯沿連鑄方向(縱向)和垂直于連鑄方向(橫向)剖切，觀察其內部宏觀形貌。

圖1 矩形斷面銅包鋁水平連鑄直接復合成形工藝原理圖Fig. 1 Schematic diagram of HCFC processing principle for fabricating CCA composite materials with rectangle section: 1—Molten aluminum holding furnace; 2—Liquid aluminum; 3—Thermal couple; 4—Stopper; 5—Liquid copper; 6—Molten copper holding furnace; 7—Runner; 8—Crystallizer; 9—Solidification front of liquid aluminum; 10—Secondary cooler; 11—Pinch rolls; 12—Composite casting rod; 13—Mandrel tube; 14—Solidification front of liquid copper; 15—Composite mold; 16—Runner;L—Length of crystallizer;L1—Distance between second cooling water and outlet of crystallizer;L2—Length of mandrel tube

2 結果與討論

2.1 結晶器長度的影響

結晶器使銅液先凝固成包覆層銅管，并對充填進入銅管的鋁液進行一次冷卻，與二次冷卻水配合，控制鋁芯的凝固，實現復合鑄坯的成形。由于結晶器既對銅層的凝固有直接影響，也對芯部鋁的凝固有影響，因此，結晶器長度(圖1中的L)是一個重要參數。在圓斷面銅包鋁復合材料連鑄成形研究結果[14]和前期實驗研究的基礎上，確定了較為合理的金屬液溫度和復合模具保溫溫度等基本工藝參數：銅液溫度(tCu) 1 240℃、鋁液溫度(tAl)750 ℃、復合腔保溫溫度(tc) 1 150℃、二次冷卻水流量(Q2)100 L/h、二次冷卻水距離(L1)30 mm。固定這些工藝參數不變，在60和90 mm/min兩種拉坯速度下研究兩種不同結晶器長度(100和150 mm)對水平連鑄過程的影響，以確定可實現穩定連鑄成形的基本條件。不同工藝條件下的實驗結果如表1所列，兩種可實現穩定連鑄條件下(表1中實驗序號2和3)所制備的矩形銅包鋁復合材料橫、縱截面的宏觀形貌如圖2所示。

由表1可知，采用長度為150 mm的結晶器，當拉坯速度為90 mm/min 時，可實現穩定連鑄且鋁液填充較好，如圖2(a)和(b)所示；但當拉坯速度為60 mm/min時則出現由于冷卻強度過大而導致的“拉坯凍住”現象。這表明，當結晶器長度為150 mm時，需要配以較高的拉坯速度才能使鋁芯的固液界面處于芯管出口之外，從而使鋁液可以連續充填到包覆銅管中。當結晶器長度為100 mm、拉坯速度為60 mm/min時可實現穩定的連鑄，但鋁芯存在少量鑄造缺陷，如圖2(c)和(d)所示；而當拉坯速度增加至90 mm/min時，由于結晶器的一次冷卻不夠，導致鋁液將銅層熔穿。這表明，當結晶器較短時，需配以較低的拉坯速度才能使鋁芯的固液界面位置和界面反應程度都得到較好的控制。

表1 結晶器長度連鑄過程及鑄坯質量的影響Table 1 Effect of crystallizer length on continuous casting process and quality of CCA rods

圖2 不同結晶器長度下所制備的矩形銅包鋁復合材料橫、縱斷面的宏觀形貌Fig. 2 Transverse ((a), (c)) and longitudinal ((b), (d)) section morphologies of CCA composite materials fabricated at different crystallizer lengths: (a), (b)L=150 mm,v= 90 mm/min; (c), (d)L=100 mm,v=60 mm/min

結晶器的作用一是實現包覆銅管凝固，二是當鋁液充填到包覆銅管中時對復合鑄坯進行一次冷卻。因此，當結晶器較短時，一方面包覆銅管在結晶器內受到的冷卻距離較短，所以，在鋁液充填到包覆銅管中時兩者復合部位的銅管溫度較高，銅鋁發生界面反應的程度增加；另一方面結晶器對鋁液充填到銅管時的一次冷卻能力也較低。兩個方面的共同作用，使得結晶器較短時如果拉坯速度較快容易發生過度界面反應甚至銅層熔穿。圖2(a)和(b)結果表明，采用長度為150 mm的結晶器進行連鑄時，有利于獲得更高的拉坯速度(90 mm/min)。因此，結晶器長度為150 mm較為合理。

2.2 拉坯速度的影響

當平均拉坯速度在60～105 mm/min的范圍內時，拉坯速度對矩形銅包鋁復合材料水平連鑄過程的影響如表2所列，所制備的矩形銅包鋁復合材料的橫、縱截面形貌如圖3所示。

如圖3(a)和(b)所示，當拉坯速度為60 mm/min時，鋁的下部有少量冷隔，說明鋁的填充過程不連續；當拉坯速度為75～90 mm/min時，矩形斷面銅包鋁復合材料的水平連鑄過程穩定，芯部鋁無明顯缺陷，如圖3(c)～(f)所示；當拉坯速度達到105 mm/min時，上部的銅包覆層與鋁的界面反應嚴重，銅層被嚴重熔蝕，甚至導致上部銅層熔穿，如圖3(g)和(h)所示。同時，由于被熔蝕的銅與鋁生成高密度的富銅脆性金屬間化合物，凝固時沉積到鋁芯下部，在鑄造應力或牽引輥的壓力下形成裂紋。綜合上述結果可以看出，隨著拉坯速度的增大，鋁液填充過程從不連續轉變為連續，但拉坯速度的進一步增大，包覆層與鋁芯接觸溫度升高，會導致界面反應加劇。在本實驗條件下，較適宜的拉坯速度范圍為75～90 mm/min。

2.3 芯管長度的影響

芯管長度對矩形銅包鋁復合材料水平連鑄過程的影響如表3所列；所制備的矩形銅包鋁復合材料的橫、縱截面形貌如圖4所示。

上述結果表明，芯管長度顯著影響銅包鋁復合材料連鑄過程鋁液的流動行為以及界面反應狀況。由圖4(c)和(d)可以看出，當芯管長度L2為125 mm時，鋁液的填充效果良好，無冷隔和裂紋等宏觀鑄造缺陷。當芯管長度太短時，由于鋁液與銅管接觸時的溫度均較高，上部銅層與芯部鋁的界面反應較劇烈，導致銅包覆層的明顯侵蝕，如圖4(a)和(b)所示；而當芯管長度過長時，鋁芯受冷卻程度大，固液界面移至芯管出口以內，鋁液的填充變得不連續，導致芯部鋁產生明顯的冷隔，如圖4(e)和(f)所示。因此，在本實驗條件下，適宜的芯管長度為125 mm。

表2 拉坯速度對連鑄過程及鑄坯質量的影響Table 2 Effect of withdrawing speed on continuous casting process and quality of CCA rods

圖3 不同拉坯速度下所制備的矩形銅包鋁復合材料橫、縱斷面的宏觀形貌Fig. 3 Transverse ((a), (c), (e), (g)) and longitudinal ((b), (d), (f), (h)) section morphologies of CCA fabricated at different withdrawing speeds: (a), (b)v=60 mm/min; (c), (d)v=75 mm/min; (e), (f)v=90 mm/min; (g), (h)v=105 mm/min

表3 芯管長度對連鑄過程及鑄坯質量的影響Table 3 Effect of mandrel tube length on continuous casting process and quality of CCA rods

2.4 一次冷卻水流量的影響

一次冷卻水流量對矩形銅包鋁復合材料水平連鑄過程的影響如表4所列。當一次冷卻水流量較低時(如Q1=400 L/h)，先凝固的銅包覆層溫度較高，使得鋁液流出芯管與之接觸的界面反應較為明顯，導致包覆層被部分熔蝕、厚度不均勻，所制備的銅包鋁復合材料的橫、縱截面的宏觀形貌與圖4(a)和(b)相似。增大一次冷卻水流量(如Q1=700 L/h)可以抑制界面反應，獲得包覆層均勻、鋁芯連續、無宏觀鑄造缺陷的銅包鋁鑄坯，所制備的銅包鋁復合材料的橫、縱截面的宏觀形貌與圖4(c)和(d)相似。但當一次冷卻水流量達到1 000 L/h時，鋁液的填充開始不連續，芯部鋁出現冷隔，所制備的銅包鋁復合材料的橫、縱截面的宏觀形貌與圖4(e)和(f)相似。因此，在本實驗條件下適宜的一次冷卻水流量為700 L/h。

圖4 不同芯管長度條件下所制備矩形銅包鋁復合材料橫、縱斷面的宏觀形貌Fig. 4 Transverse ((a), (c), (e)) and longitudinal ((b), (d), (f)) section morphologies of CCA fabricated at different mandrel tube lengths: (a), (b)L2=110 mm; (c), (d)L2=125 mm; (e), (f)L2=140 mm

表4 一次冷卻水流量對連鑄過程及鑄坯質量的影響Table 4 Effect of primary cooling water flux on continuous casting process and quality of CCA rods

2.5 工藝條件對水平連鑄過程穩定性的影響及監控

圖5 銅包鋁復合材料水平連鑄時4種典型的鋁固液界面位置示意圖Fig. 5 Schematic diagram of four typical solid-liquid interface positions of aluminum in horizontal continuous casting process of CCA

在矩形斷面銅包鋁復合材料水平連鑄過程中，鋁的固液界面位置對連鑄過程的穩定性起決定性作用。如圖5所示，根據鋁的固液界面與芯管出口的相對位置L0，可將水平連鑄過程分為如下3種典型情形：拉坯凍住、連鑄過程穩定、銅層熔穿。在結晶器出口處的石墨內襯上布置熱電偶(如圖5中T所示)，實驗測得的3種不同連鑄狀態下的結晶器出口處的溫度—時間曲線分別如圖6中曲線1～3所示。當鋁固液界面位于芯管以外的較長距離位置時(圖5中的位置d)，則鋁液與銅包覆層之間的接觸溫度高、接觸時間較長，導致銅鋁在界面處發生過度反應，嚴重時可將銅層熔穿，其溫度—時間曲線如圖6中曲線1所示，其特征是充鋁后溫度迅速升高直至銅層被熔穿后鋁液漏出，測溫點的溫度迅速下降。當由于冷卻強度過高而使得鋁固液界面位于芯管以內時(圖5中的位置b)，則鋁的充填過程變得不連續，在溫度—時間曲線上表現為較大幅度的波動，甚至連鑄過程由于拉坯阻力過大而終止(圖5中的位置a)，如圖6中曲線2所示。當鋁固液界面位于芯管出口附近時，如圖5中的位置c，連鑄過程穩定，在溫度—時間曲線上表現為較小幅度的波動，如圖6中曲線3所示，其波動幅度在20 ℃以內，所制備的銅包鋁矩形坯的宏觀形貌如圖3(c)和(d)所示。由圖6中曲線1～3可知，溫度—時間曲線的變化情況可以反映內部鋁液的填充行為，據此可判斷水平連鑄過程的狀態。因此，曲線3所對應的連鑄過程是實驗所希望得到的穩定狀態。當所測溫度出現不穩定情形(曲線1或2)時，可通過在線適當調整一次冷卻水或拉坯速度等參數使連鑄過程趨于穩定狀態，制備出合格的復合鑄坯。即通過在芯管出口處的石墨內襯布置熱電偶，檢測溫度隨時間的變化情況，有效監測銅包鋁水平連鑄過程的穩定狀態，并進行適當調整。

圖6 不同連鑄狀態下矩形斷面銅包鋁復合材料水平連鑄結晶器出口處的溫度—時間曲線Fig. 6 Temperature—time curves at outlet of crystallizer in horizontal continuous casting process of CCA under different continuous casting conditions: 1—Erosion of copper sheath; 2—Discontinuous filling process of liquid aluminum; 3—Stable continuous casting process

3 結論

1) 50 mm×30 mm×3 mm矩形斷面銅包鋁復合材料水平連鑄適宜的結晶器長度為150 mm，適宜的芯管長度為125 mm。與長度為100 mm的結晶器相比，較長的結晶器可以獲得更快的拉坯速度和更高效率。

2) 較為適宜的拉坯速度范圍為75～90 mm/min。當拉坯速度過慢時，鋁液的填充不連續，導致芯部鋁產生冷隔等缺陷；當拉坯速度過快時，銅鋁界面會發生嚴重反應。

3) 當拉坯速度為75 mm/min時，適宜的一次冷卻水流量約為700 L/h。一次冷卻水大于1 000 L/h 導致鋁液填充不連續，一次冷卻水小于400 L/h 則導致銅鋁界面反應加劇。

4) 在本實驗條件下，矩形銅包鋁復合材料水平連鑄的合理工藝參數如下：銅液溫度1 240 ℃、鋁液溫度750 ℃、復合腔保溫溫度1 150 ℃、結晶器長度150 mm、芯管長度125 mm、拉坯速度75 mm/min、一冷水流量700 L/h、二冷水總流量100 L/h、二冷水距離30 mm。

5) 在芯管出口處石墨內襯布置熱電偶，可有效監測銅包鋁水平連鑄過程的穩定性，并依此進行適當的參數調整。

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(編輯 陳衛萍)

Copper cladding aluminum composite materials with rectangle section fabricated by horizontal core-filling continuous casting

WU Yong-fu1, LIU Xin-hua1, XIE Jian-xin1, WANG Lian-zhong2, DONG Xiao-wen2
(1. Key Laboratory for Advanced Materials Processing, Ministry of Education, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China; 2. Yantai Fisend Bimetal Co., Ltd., Yantai 264118, China)

Copper cladding aluminum (CCA) composite materials with the section dimensions of 50 mm×30 mm and the sheath thickness of 3 mm were fabricated by horizontal core-filling continuous casting (HCFC) technology. The effects of the crystallizer length, withdrawing speed, mandrel tube length and flux of the primary cooling water were studied. The results show that when the crystallizer length is 150 mm and the mandrel tube length is 125 mm, the rational withdrawing speed is 75?90 mm/min. Too low withdrawing speed leads to the discontinuous filling process of liquid aluminum, which causes shrinkage or cold shuts. Conversely, too high withdrawing speed results in serious interface reaction between copper and aluminum. At the withdrawing speed of 75 mm/min, the rational primary cooling water is 700 L/h. The flux of primary cooling water above 1 000 L/h leads to the discontinuous filling process of the liquid aluminum, but the flux of primary cooling water below 400 L/h leads to severe interface reaction. The filling behavior of the liquid aluminum and the stability of the continuous casting can be controlled by monitoring the temperature variation of the graphite mould at the position corresponding to the outset of the mandrel tube.

copper cladding aluminum; composite materials; rectangle section; horizontal continuous casting

TG249.7

A

國家高技術研究發展計劃資助項目(2009AA03Z532)

2011-08-12；

2011-11-09

謝建新，教授，博士；電話：010-62332254；E-mail: jxxie@mater.ustb.edu.cn

1004-0609(2012)09-2500-08