銅鋁復(fù)合材料制備工藝方法發(fā)展綜述

嚴 操，蘭占軍，廉洋子，姜 潔，董曉文，王連忠

（煙臺孚信達雙金屬股份有限公司，山東 煙臺 264100）

眾所周知，銅作為良好的導(dǎo)體被廣泛運用在電力、電氣傳輸上，具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，其電導(dǎo)率、傳熱系數(shù)僅次于銀，高出其它所有金屬，但是價格相比銀要便宜的多。在日常生產(chǎn)或生活中，很多地方也有直接將鋁作為導(dǎo)體直接運用在設(shè)備或傳輸線路中，所以，在20世紀60年代就提出“以鋁節(jié)銅”，用鋁線作為電能傳輸線的導(dǎo)體。但，鋁的致命弱點是強度低、容易蠕變、耐蝕性能差、表面極易形成堅固的氧化膜，致使接頭部分產(chǎn)生較大的接觸電阻，難以牢固連接，從而限制了“以鋁節(jié)銅”的進一步推廣[1]。

隨著科技的進步和研究的不斷深入，發(fā)現(xiàn)電流在傳輸過程中主要集中在導(dǎo)體表面2mm～5mm深度，國內(nèi)外研究學者根據(jù)這一特性提出銅鋁復(fù)合材料替代純銅材料的想法，外部包覆層是銅，芯部是鋁。本文作者主要根據(jù)以上研究學者針對銅鋁復(fù)合材料開發(fā)的不同生產(chǎn)工藝進行簡單總結(jié)，主要概述各種生產(chǎn)工藝的工作原理及優(yōu)缺點，方便同行業(yè)者參考查閱。

1 包覆焊接法

包覆焊接法主要是將銅帶與鋁桿通過包覆焊接和拉拔的固定生產(chǎn)方法[2]。在我國生產(chǎn)已經(jīng)有幾十年的歷史，是最簡單也是最常見的一種生產(chǎn)方法。包覆焊接法主要工作原理如下：首先將鋁桿外表面通過堿洗或者機械磨削打磨掉氧化皮，將銅帶內(nèi)表面處理干凈，消除氧化物；在氬氣保護箱中將銅帶圍繞鋁桿卷成管狀，用氬弧焊焊接銅管縱縫，制成線坯；包覆焊接后的線坯其管狀銅層與鋁桿之間約有0.5mm的間隙，在傳統(tǒng)包覆焊接生產(chǎn)線上生產(chǎn)時，在幾十分鐘的包覆焊接過程中這個間隙始終保留，致使間隙中的氬氣不斷散逸而進入空氣，使銅帶與鋁桿表面氧化；線坯焊接好后通過拉絲機反復(fù)拉拔使銅層與鋁芯界面結(jié)合并獲得所需直徑的硬態(tài)銅鋁復(fù)合材料；拉拔完成后進行熱處理獲得所需力學性能的軟態(tài)銅鋁復(fù)合材料；最后產(chǎn)品纏盤，包裝出庫發(fā)貨。

主要優(yōu)勢是工藝穩(wěn)定，配套設(shè)備成熟，投資風險與成本低；主要缺點是結(jié)合強度低，作業(yè)環(huán)境差，工藝老舊環(huán)境污染等問題。包覆焊接法生產(chǎn)的銅鋁復(fù)合材料產(chǎn)品特點：①規(guī)格范圍小，主要規(guī)格范圍從直徑0.5mm～5mm左右，規(guī)格范圍偏大一般直徑不超過10mm。②應(yīng)用領(lǐng)域僅限于信號纜，電視線，以及一小部分用于動力纜，從應(yīng)用角度講有很大局限性。③含銅量范圍約為10%～15%，截面形狀為圓形或扁圓形狀，截面形狀受限并且含銅量范圍有限。

2 軋制復(fù)合法

軋制復(fù)合法是將銅、鋁在一定的壓力、溫度作用下通過軋輥變形結(jié)合成一體。按照是否對坯料加熱分為冷軋復(fù)合和熱軋復(fù)合。這兩種工藝都可以用于制備銅鋁復(fù)合材料，是目前生產(chǎn)銅鋁復(fù)合材料板材、帶材比較常見的手段之一；按照軋制方式不同可以分為縱軋、橫軋和斜軋,根據(jù)軋機上下軋輥在軋縫的線速度的異同，可分為同步軋制和異步軋制。LI等嘗試將異步軋制工藝用于銅鋁復(fù)合的復(fù)合，可在較低壓下率下實現(xiàn)良好的界面復(fù)合。

主要優(yōu)勢如下：能進行金屬板材、管材、棒材的金屬層狀復(fù)合，成本低，產(chǎn)量高；工藝技術(shù)及裝備較為成熟，作為一種材料復(fù)合技術(shù)，它易于實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，同時不存在像電鍍等物理化學方法覆層所帶來的環(huán)境污染問題；主要缺點如下：軋制復(fù)合法屬于典型的固相-固相結(jié)合形式，生產(chǎn)過程中無法避免原材料與空氣接觸氧化，完全靠軋輥與材料表面產(chǎn)生摩擦力經(jīng)多道次往復(fù)軋制實現(xiàn)銅鋁兩種金屬間的結(jié)合，屬于機械式的冶金結(jié)合，銅鋁原子間的結(jié)合主要靠范德華力，結(jié)合深度淺，屬于微米級別，結(jié)合強度不僅低而且不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)不結(jié)合，可控性差。

軋制復(fù)合法生產(chǎn)的銅鋁復(fù)合材料目前主要在國內(nèi)建筑行業(yè)應(yīng)用，并且用于裝飾產(chǎn)品，在電力行業(yè)沒有開放的市場。

3 焊接復(fù)合法

焊接復(fù)合法是復(fù)合技術(shù)中很重要的一種加工工藝。根據(jù)焊接方式的不同，該類加工工藝包括：爆炸焊接、釬焊法、擴散焊接等。在焊接成型后，一般都需要進行壓力加工最終獲得大幅面的復(fù)合板帶。焊接復(fù)合法的主要工作原理是：焊劑或藥芯通過爆炸或加熱熔化，在微秒級時間內(nèi)使兩塊金屬板在碰撞點產(chǎn)生高達106～107/s的應(yīng)變速率和104MPa的高壓，巨大的能量驅(qū)動兩塊金屬板高速傾斜碰撞，依靠沖擊及摩擦材料表面氧化膜破碎并消除，同時依靠沖擊及摩擦產(chǎn)生的熱量在接觸面上實現(xiàn)原子之間的冶金結(jié)合，從而實現(xiàn)異種金屬的焊接復(fù)合。

主要優(yōu)點如下：其特點是可使材料性能差異極為特殊的金屬組合實現(xiàn)焊接復(fù)合；可以避免脆性金屬間化合物的生成；靈活性強，可實現(xiàn)各種異性件的復(fù)合；主要缺點如下：產(chǎn)量、生產(chǎn)率及成材率都比較低，機械化程度低，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性差，同時存在噪音污染，危險性較高等一系列問題。

焊接復(fù)合法不僅可以生產(chǎn)銅鋁復(fù)合板帶材，而且可以直接生產(chǎn)零部件如銅鋁過渡接線端子等多種異型件。經(jīng)檢測焊接復(fù)合法生產(chǎn)的銅鋁復(fù)合材料產(chǎn)品分離強度最高可達106MPa。

4 靜液擠壓法

靜液擠壓是一種特殊的潤滑擠壓工藝，其工作原理是：將銅鋁兩種金屬內(nèi)外表面處理干凈，然后將鋁芯坯與銅管組成一個復(fù)合坯，為了防止氧化并將兩端的縫隙焊合密封；錠坯周圍充滿介質(zhì)，壓力通過介質(zhì)作用到坯料上，坯料受到均勻的等靜液壓力，從模具空槽內(nèi)被擠壓成型。K Y.Rhee等進行了熱靜液擠壓法生產(chǎn)銅鋁復(fù)合材料的研究，得出的最佳工藝條件為擠壓溫度320℃、擠壓比19、半模角45°。

優(yōu)點如下：擠壓時的延伸變形可使界面產(chǎn)生較大比例的新生表面；模孔附近擠壓變形區(qū)內(nèi)的高溫、高壓條件非常有利于界面原子的擴散，從而達到冶金結(jié)合；其缺點如下：靜液擠壓要求設(shè)備龐大，場地要求高，投資大，生產(chǎn)效率低。

5 結(jié)語

銅鋁復(fù)合材料具有廣泛價值，不僅節(jié)約銅資源，而且減輕產(chǎn)品重量。但綜上銅鋁復(fù)合材料生產(chǎn)工藝發(fā)展來看，依舊存在各種缺陷。因此，以后對銅鋁復(fù)合材料的研究方向是盡可能在簡單生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上，努力提高產(chǎn)品使用性能，減少產(chǎn)品缺陷。