铜包铝母线槽铸轧成型工艺分析及控制措施

铜包铝母线槽铸轧成型工艺分析及控制措施

何军超

中航宝胜电气股份有限公司江苏宝应225800

摘要：铜铝复合型材料不仅具有较好的导电性能，并且接触电阻低、外观比较优美、具有重量轻、安装方便、价格低廉，是铜母线槽的上佳替代品，其使用可靠性及电气机械综合性能不逊于铜；已经在欧洲和美洲被广泛使用，母线槽设计容量由400安培至5000安培不等。母线槽的母线接头结构全部采用无孔连接、拆装方便、并采用双面压力接触、接触电阻小、温升低，导电体因受热产生的自身膨胀可以自由收缩，无须在横向和纵向设置热膨胀伸缩节；可广泛用于冶金设备、机械、电器、电力、电子、能源、汽车和生活用具等各个领域，特别是对于当前宏观经济形势趋紧、各行各业闹“钱荒”投资减少或者是当铜价处在高位空间时，对各工程项目的投资成本节约具有很大的现实意义。本文对铜包铝母线槽铸轧成型工艺进行研究，对铜管内部的处理、退火温度等工艺进行分析，研究铜包铝轧制的控制措施。

关键词：铜包铝铸轧成型工艺

铜包铝母线铸轧成型工艺成本比较低，加工需要的设备较少，同时生产效率比较高，该工艺属于一种比较先进的工业化金属层状复合材料的加工方法。但是，该工艺在生产过程中存在铜管内壁氧化、铜包铝母线两侧面开裂等问题，这也是本文对铜包铝母线槽轧制工艺研究的关键问题并提出的应对措施。

1、铜包铝母线槽的铸轧原理分析

铜包铝的轧制工艺是通过二辊可逆式轧机来完成的，在生产加工过程中，铜包铝棒材先进入辊缝，通过轧辊的挤压及摩擦作用使铜铝棒材能够产生塑形变形。铜铝在延展过程中表面会产生撕裂及挤伸，初步完成机械结合。在轧制过程中还要经历咬入、拽入、稳定阶段以及轧制结束等四个过程。下图为铜包铝棒材的轧制图：

如上图所示：铜包铝的棒材在a-a面时进入咬入阶段，棒材在该阶段发生的变形比较小，使其在铸轧时能保持复合的程度；在进入b-b面的阶段属于拽入的阶段，铜包铝棒材受轧辊作用变形较大，并且会撕裂铜铝之间的结合层，撕裂过程同时会释放变形热；在进入c-c面的过程属于稳定轧制阶段，该阶段属于轧制过程中热量产生最多的阶段，同时也是变形最大的阶段，铜铝受轧辊的挤压表面被完全撕裂，产生的裂缝被两种金属互相填入，挤压产生的热能够促进轧制过程；同时也会扩散出一部分热量；从c-c面至出口属于轧制工艺中的结束阶段，在该阶段中，铜铝产生的变形已经非常小了，轧辊产生的挤压作用，更多是为了能够加强铜铝轧制的复合效果。在轧制复合结束后，铜铝的结合面是通过机械结合来实现的，另外因为铜包铝母线在实际应用时还需要进行剪切、折弯、冲孔等加工，所以铜包铝母线槽复合则需要在铜铝棒材轧制完成后继续进行扩散退火热处理才能同时满足机械强度和设备组装要求。

2、铜包铝母线槽轧制工艺分析

铜包铝母线槽的轧制工艺其实就是金属固态复合的一个过程，受到压力及加热的影响，铜铝材料之间需要进行以下三个过程：形成物理接触、激活接触表面、铜铝金属之间作用。在轧制过程前，铜铝材料必须要进行中间退火，这对材料的轧制复合效果有很大的影响。如果中间退火的温度比较低，则不能将铜铝材料中的内部应力彻底消除，会对铜铝材料的恢复及再结晶过程造成不利的影响；如果中间退火的温度超过400℃时，铜铝棒材在轧制过程中同样会产生大量的热，两种结合起来会使得金属材料产生较高的温度，容易使铜铝棒材形成金属化合物，影响到铜铝材料的强度，降低了铜铝金属结合面的强度。因此，铜铝轧制复合材料的中间退火温度应当选择350℃与400℃之间。

金属铜在180℃时其表面就容易发生氧化作用了，进而表面会变色，当加工温度超过铜着色温度时，会对铜铝复合材料的界面产生一定的破坏作用，为此，我们在加热过程中必须要采取一定的措施来进行处理，在加热中可以采取气氛保护处理铜铝复合材料的结合面。一般情况下，金属的表面暴露率与轧制压下率几乎相等。在压下率小于其临界值时，金属新鲜表面的暴露率比较低，铜铝材料的结合会受到金属氧化层的阻碍，对铜铝结合会产生不利的影响；当压下率超过其临界值时，铜铝金属的新鲜表面产生的结合力能够抵消金属氧化层的阻碍作用。根据一些资料我们也能发现，铜铝轧制复合压下率最少要能够达到40%以上才能将铜铝材料真正的实现复合，并且增大压下率，铜铝复合材料的强度也会明显提高。因此，铜铝材料的轧制工艺中最关键影响因素为铜铝材料的压下率。

当铜包铝棒材选择的铝直径为22mm、铜厚度为1mm时，我们可以选择轧辊直径为350mm的二辊轧机，将二辊轧机的轧制速度控制在300转/分，中间退火温度选择为350℃、400℃两种，且每次退火的保温时间至少控制在50min左右。此外，在轧制中，严格控制铜包铝的板材避免其出现晃动现象，使得铜包铝材料能够平行于轧机的档位板顺利进入轧辊。在轧制过程中必须要保证压下量，确保当前压下量小于上次压下量，避免铜铝复合材料产生较大的变形导致撕裂现象的发生。

3、轧制开裂的防治控制措施

（1）中间退火；为避免铜包铝母线槽的侧面产生开裂现象，我们可以采取中间退火来进行防治。同时，为了保证铜铝复合材料的复合效果，必须要选择合理的中间退火温度，通过对资料查询以及实验，我们也能得知，中间退火温度选择为400℃时，金属铝的塑性较高，能有效弥补金属铜的缺陷，保证铜包铝母线槽的质量。（2）严格控制压下率；上文也对压下率进行了简单的分析，压下率高则铜铝材料的复合效果越高，强度也越高，但是压下率过高时，会对金属铝造成不利影响。经过一些实验室的研究也能发现，第一道轧制过程的压下率在44%左右时效果最佳，然后每道轧制程序压下率依次下调（第二道压下率为35%左右，第三道压下率为31%左右，第四道压下率为26%左右），能够获得质量最佳的铜包铝母线槽。（3）使用化学镀镍层；使用化学镀镍处理铜管的内壁具有较好的效果，首先镀层的厚度比较均匀，其次镀层能够很好的与铜铝轧制复合材料结合，并且该镀层的硬度比较高，化学稳定性比较好，操作也比较方便，在铜包铝母线槽的轧制中有较好的应用效果。最主要的是，化学镀镍层的使用能够很好的处理铜管铸轧过程中熔穿及氧化问题，也极大的改善了铜铝材料在符合轧制过程中摩擦变形的影响。

4、结束语

本文通过对铜铝材料轧制的原理进行分析，然后对轧制过程中的中间退火温度条件及压下率进行了简单的阐述，对铜包铝母线槽的轧制控制要点进行介绍，这样也能为铜包铝的复合轧制提供一定帮助，进而帮助我们合理的利用各种资源，促进我国工业的发展进步，同时对区域经济也会产生一定的促进影响。

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