銅鋁復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，銅作為良好的導體被廣泛運用在電力、電氣傳輸上，具有良好的導電、導熱性能，其電導率、傳熱系數僅次于銀，高出其它所有金屬，但是價格相比銀要便宜的多。在日常生產或生活中，很多地方也有直接將鋁作為導體直接運用在設備或傳輸線路中，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)現電流在傳輸過程中主要集中在導體表面2mm～5mm深度，國內外研究學者根據這一特性提出銅鋁復合材料替代純銅材料的想法，外部包覆層是銅，芯部是鋁。本文作者主要根據以上研究學者針對銅鋁復合材料開發(fā)的不同生產工藝進行簡單總結，主要概述各種生產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方法[2]。在我國生產已經有幾十年的歷史，是最簡單也是最常見的一種生產方法。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，在傳統包覆焊接生產線上生產時，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拉拔使銅層與鋁芯界面結合并獲得所需直徑的硬態(tài)銅鋁復合材料；拉拔完成后進行熱處理獲得所需力學性能的軟態(tài)銅鋁復合材料；最后產品纏盤，包裝出庫發(fā)貨。

主要優(yōu)勢是工藝穩(wěn)定，配套設備成熟，投資風險與成本低；主要缺點是結合強度低，作業(yè)環(huán)境差，工藝老舊環(huán)境污染等問題。包覆焊接法生產的銅鋁復合材料產品特點：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應用領域僅限于信號纜，電視線，以及一小部分用于動力纜，從應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 軋制復合法

軋制復合法是將銅、鋁在一定的壓力、溫度作用下通過軋輥變形結合成一體。按照是否對坯料加熱分為冷軋復合和熱軋復合。這兩種工藝都可以用于制備銅鋁復合材料，是目前生產銅鋁復合材料板材、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合的復合，可在較低壓下率下實現良好的界面復合。

主要優(yōu)勢如下：能進行金屬板材、管材、棒材的金屬層狀復合，成本低，產量高；工藝技術及裝備較為成熟，作為一種材料復合技術，它易于實現大規(guī)模工業(yè)化生產，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：軋制復合法屬于典型的固相-固相結合形式，生產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生摩擦力經多道次往復軋制實現銅鋁兩種金屬間的結合，屬于機械式的冶金結合，銅鋁原子間的結合主要靠范德華力，結合深度淺，屬于微米級別，結合強度不僅低而且不穩(wěn)定，容易出現不結合，可控性差。

軋制復合法生產的銅鋁復合材料目前主要在國內建筑行業(yè)應用，并且用于裝飾產品，在電力行業(yè)沒有開放的市場。

3 焊接復合法

焊接復合法是復合技術中很重要的一種加工工藝。根據焊接方式的不同，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合板帶。焊接復合法的主要工作原理是：焊劑或藥芯通過爆炸或加熱熔化，在微秒級時間內使兩塊金屬板在碰撞點產生高達106～107/s的應變速率和104MPa的高壓，巨大的能量驅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生的熱量在接觸面上實現原子之間的冶金結合，從而實現異種金屬的焊接復合。

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焊接復合；可以避免脆性金屬間化合物的生成；靈活性強，可實現各種異性件的復合；主要缺點如下：產量、生產率及成材率都比較低，機械化程度低，產品質量穩(wěn)定性差，同時存在噪音污染，危險性較高等一系列問題。

焊接復合法不僅可以生產銅鋁復合板帶材，而且可以直接生產零部件如銅鋁過渡接線端子等多種異型件。經檢測焊接復合法生產的銅鋁復合材料產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：將銅鋁兩種金屬內外表面處理干凈，然后將鋁芯坯與銅管組成一個復合坯，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，壓力通過介質作用到坯料上，坯料受到均勻的等靜液壓力，從模具空槽內被擠壓成型。K Y.Rhee等進行了熱靜液擠壓法生產銅鋁復合材料的研究，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生較大比例的新生表面；?？赘浇鼣D壓變形區(qū)內的高溫、高壓條件非常有利于界面原子的擴散，從而達到冶金結合；其缺點如下：靜液擠壓要求設備龐大，場地要求高，投資大，生產效率低。

5 結語

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