拓展新型復合導體材料

劉新華 謝建新|文

銅包鋁復合扁排是近幾年發(fā)展起來的一種高性能低成本的新型復合導體。我國銅排的年需求量大，采用銅包鋁復合扁排替代傳統(tǒng)銅排可節(jié)約大量銅資源，顯著降低成本，是國內(nèi)外發(fā)展的重要趨勢。

銅鋁復合材料包括側(cè)面鋁裸露型（如三明治結(jié)構(gòu)）和包覆型（橫截面上鋁完全被銅包覆）兩大類。包覆型銅鋁復合材料通稱銅包鋁復合材料，是近幾年發(fā)展起來的一種新型層狀復合材料，兼有銅的導電性能優(yōu)異、耐腐蝕性能好以及鋁的成本低、重量輕等優(yōu)點。

銅包鋁復合導體根據(jù)產(chǎn)品斷面形狀，主要有扁排、扁線和圓線，此外還有特種用途的細絲和微絲。扁排斷面寬度為50～250毫米，厚度5～20毫米，主要用作電力、建筑、交通、冶金、化工領域的各種母線排、大型控制柜和開關柜的匯流排等。據(jù)統(tǒng)計，目前純銅扁排國內(nèi)市場年需求高達140萬噸，是量大面廣的一類導體產(chǎn)品。扁排主要用于傳輸大電流，而大電流具有一定的集膚效應，有利于發(fā)揮銅包鋁的特點，因此完全可以采用銅包鋁復合扁排替代傳統(tǒng)的純銅扁排，節(jié)約大量銅資源，顯著降低成本，已成為國內(nèi)外發(fā)展的重要趨勢。

國內(nèi)外技術(shù)研發(fā)現(xiàn)狀

目前國內(nèi)外銅包鋁復合材料的生產(chǎn)方法主要有軋制壓接法、包覆焊接法、靜液擠壓法、銅管注鋁法、鋁棒套管法和連鑄直接復合成形法。其中軋制壓接法和包覆焊接法是國外開發(fā)的用于銅包鋁線材生產(chǎn)的方法，難以生產(chǎn)大斷面的銅包鋁排產(chǎn)品。銅包鋁扁排生產(chǎn)方法的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢。

1.靜液擠壓法

靜液擠壓是一種特殊的潤滑擠壓工藝，在坯料周圍充滿介質(zhì)，壓力通過介質(zhì)作用到坯料上，坯料受到均勻的等靜壓力，與擠壓筒、擠壓軸沒有接觸，變形區(qū)與擠壓模之間的摩擦很小，因此從表層到芯部都能保持較均勻的流動變形。

靜液擠壓法生產(chǎn)銅包鋁復合材料的工藝為：以大直徑銅管和鋁棒套裝成復合擠壓坯料（頭部和尾部需密封處理），經(jīng)靜液擠壓一次成材，通過大等靜水壓力和大加工變形作用，實現(xiàn)銅鋁之間冶金結(jié)合，界面結(jié)合強度高。但該方法設備昂貴，工藝復雜，成材率低，難以連續(xù)生產(chǎn)，生產(chǎn)成本高。

2.銅管注鋁法

銅管注鋁法是國內(nèi)廠家近年來嘗試用于銅包鋁扁排生產(chǎn)的一種方法，該法是將熔化的鋁液澆注到垂直放置并底端封口的預制銅管內(nèi)，通過控制冷卻，使鋁液在銅管內(nèi)從下至上順序凝固，生產(chǎn)銅包鋁復合棒坯。將復合坯料頭、尾去除后，再軋制、拉拔制備銅包鋁扁排。該方法生產(chǎn)工藝簡單，但存在的突出問題是：注鋁過程中銅管內(nèi)表面易氧化，產(chǎn)品的界面結(jié)合強度較低；銅鋁界面反應難以控制，界面質(zhì)量均勻性較差；產(chǎn)品成材率很低。因此，該方法迄今仍未用于規(guī)模化工業(yè)生產(chǎn)。

3.鋁棒套管法

鋁棒套管法的基本工藝是，先制備銅管和純鋁棒，并對銅管內(nèi)表面和鋁棒外表面進行清洗，然后將銅管和純鋁棒坯套裝成復合坯料，通過縮徑、拉拔促使銅鋁界面機械結(jié)合，再經(jīng)擴散退火和熱軋制備銅包鋁扁排。主要問題是界面結(jié)合強度低，存在環(huán)境負擔，成材率低，生產(chǎn)成本高。

4.連鑄直接復合成形法

銅包鋁連鑄直接復合成形基本原理如圖1所示，它是將純銅和純鋁分別熔化后，經(jīng)過一個由7和11組成的復合鑄造裝置和引錠機構(gòu)9，在連鑄出銅管的同時，實現(xiàn)將鋁液連續(xù)澆注到先凝固的銅管中并凝固，獲得界面為冶金結(jié)合的銅包鋁連鑄棒坯。通過熔化爐與保溫爐合理配置，可實現(xiàn)連鑄不間斷生產(chǎn)。再通過軋制成形將銅包鋁棒坯成形加工為銅包鋁扁排、扁線等產(chǎn)品。

圖1 銅包鋁連鑄直接復合成形工藝原理

連鑄軋制法解決了銅包鋁復合材料現(xiàn)有生產(chǎn)方法難以高效、大規(guī)模、低成本生產(chǎn)高性能銅包鋁復合扁排產(chǎn)品的技術(shù)難題。其顯著特點是：工藝流程短；銅鋁之間冶金結(jié)合，界面結(jié)合強度高，產(chǎn)品質(zhì)量好；生產(chǎn)效率和成材率高，適合大規(guī)模生產(chǎn)，生產(chǎn)成本低；適合生產(chǎn)交流大電流傳輸用復合扁排。

生產(chǎn)現(xiàn)狀與應用前景

1.生產(chǎn)與應用現(xiàn)狀

近年來銅包鋁復合電力扁排的開發(fā)和應用引起了國內(nèi)外廣泛重視。國外主要以英國BRUKER公司采用靜液擠壓法生產(chǎn)的銅包鋁扁排產(chǎn)品（Cuponal）為代表，在國際著名企業(yè)和高新技術(shù)領域獲得較多應用。主要應用領域包括配電柜、開關柜、電機控制系統(tǒng)、母線槽、發(fā)電機組、變電站、鐵路牽引設備、變壓器等方面。代表性應用實例有：伊頓公司配套母線系統(tǒng)采用了銅包鋁排標準產(chǎn)品；歐洲之星列車電氣系統(tǒng)上使用了銅包鋁排產(chǎn)品，用來降低列車的重量；20世紀90年代銅包鋁排被用在世界上最大的高速渡輪上；目前每架空客A380上使用了1噸的銅包鋁，替代銅排2.2噸，實現(xiàn)減重1.2噸。但由于靜液擠壓法生產(chǎn)的產(chǎn)品價格高（歐洲市場價格約合9萬人民幣/噸），主要用于對減重要求高的產(chǎn)品，未在替代普通純銅電力扁排方面獲得大規(guī)模應用。

國內(nèi)銅包鋁扁排的開發(fā)和應用較晚，但近年來由于巨大的市場前景引起了研發(fā)人員和生產(chǎn)企業(yè)的高度重視，已有一些產(chǎn)品獲得應用。目前國內(nèi)銅包鋁扁排的主要生產(chǎn)方法為鋁棒套管法、銅管注鋁法和連鑄軋制生產(chǎn)法，其中鋁棒套管法和銅管注鋁法雖然工藝簡單，但存在生產(chǎn)效率低、成材率低、成本高，產(chǎn)品界面結(jié)合強度較低、質(zhì)量參差不齊等問題。

圖2 銅包鋁復合扁排的應用領域舉例

由北京科技大學發(fā)明、煙臺孚信達雙金屬股份有限公司成功產(chǎn)業(yè)化的銅包鋁復合扁排連鑄軋制生產(chǎn)法是具有國際領先水平的短流程新工藝。在國家自然科學基金、863等課題的支持下，經(jīng)十余年長期努力，在采用連鑄軋制法生產(chǎn)銅包鋁扁排方面取得重大突破。研制了成套生產(chǎn)設備，開發(fā)了短流程制備加工成套工藝，建成了單條年產(chǎn)3000噸銅包鋁復合扁排、扁線生產(chǎn)線，實現(xiàn)了銅包鋁扁排系列產(chǎn)品的批量生產(chǎn)。在國家權(quán)威檢測部門對40×10毫米～80×10毫米二十余種代表規(guī)格的銅包鋁扁排的電阻率、力學性能、載流溫升試驗、短路試驗、界面結(jié)合強度、彎曲性能、沖裁性能等主要應用性能進行了全面分析測試。測試結(jié)果表明，連鑄軋制法生產(chǎn)的銅包鋁扁排界面結(jié)合強度高，達到40～60兆帕（不同退火狀態(tài)）；沖孔、彎折、裁切時不會出現(xiàn)界面開裂、分層形象，機加工性能優(yōu)良；特別是經(jīng)過1000次熱循環(huán)和6次大電流短路后材料性能仍保持穩(wěn)定。目前煙臺孚信達公司生產(chǎn)的銅包鋁排產(chǎn)品質(zhì)量達到國內(nèi)領先、國際先進水平，通過了包括歐洲、韓國等國際電氣巨頭在內(nèi)的用戶嚴格的測試，得到國內(nèi)外用戶的一致認可，在風能和太陽能光伏發(fā)電等新能源領域（變頻柜和逆變柜等）、建筑母線槽、配電柜、開關柜、高鐵配電系統(tǒng)、變壓器、冶金設備配電系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)等方面已經(jīng)獲得批量應用。國內(nèi)外銅包鋁復合扁排的應用實例如圖2所示。

2.銅包鋁復合扁排應用前景

截至2013年年底我國發(fā)電設備裝機量達11.44億千瓦，其中風電裝機6000多萬千瓦。電力工業(yè)的迅猛發(fā)展，帶動了我國銅需求的快速增長，據(jù)統(tǒng)計，目前我國純銅導電排的年需求量達140萬噸。近年，由于環(huán)境壓力，國家已經(jīng)制定了光伏、風電等清潔新能源的發(fā)展規(guī)劃，預計將有一個大的發(fā)展，會形成對銅包鋁電力扁排的大量需求。美國、歐洲和韓國等國際電氣巨頭對我國的連鑄軋制法生產(chǎn)的銅包鋁扁排產(chǎn)品表現(xiàn)出極大的興趣，今后國際市場的需求潛力巨大。使用銅包鋁復合扁排可使用戶的綜合成本降低40%以上，經(jīng)濟效益顯著。因此，銅包鋁復合扁排市場前景廣闊。