一种铜包铝复合材料的低压充芯制备工艺

摘要

本发明公开了一种铜包铝复合材料的低压充芯制备工艺，其包括：对铜管内壁进行去油脂和去氧化皮处理，并在其内壁制备防氧化膜，然后将铜管烘干；再熔炼铝液，待铝液的熔炼温度接近设定温度时，对铜管进行预热；然后将坩埚放入低压充芯机并将铜管与低压充芯机对接和密封；用压缩气体进行充芯、增压和保压；凝固后卸压，取下铜包铝棒产品。本方法工艺过程简单，工艺参数易控制，生产效率高，占地面积少，生产成本低，产品质量高，环境协调性好。

说明书

技术领域

本发明属于新材料领域，涉及一种铜包铝复合材料的生产方法。

背景技术

铜包铝复合材料是在铝芯的外表面均匀地包覆铜层，使铜铝两种金属在 界面形成原子间结合而成为一个整体的双金属复合材料。它结合了铜良好 导电性能和铝低成本低密度的特点，极具发展前景。

根据实现复合前两种金属的状态，铜包铝复合材料的生产方法从整体上 可以分为三类：固-固相复合法，固-液相复合法，液-液相复合法，其中固- 固相复合主要包括轧制压接法、静液挤压法、包覆焊接法等；固-液相复合 主要有包覆层连续浇铸法、直接浇铸法；液-液相复合主要有充芯连铸法。 上述的每种工艺方法都有其优缺点。固-固相复合法材料利用率高，产品质 量好，但连续化生产困难，生产效率低；液-液相复合法可以实现连续生产， 但工艺参数控制难度大且工艺过程复杂；固-液相复合法：工序简单，生产 效率高，但是现有的固-液相复合法存在很多缺点，例如，包覆层连续浇铸 法对设备能力和厂房条件要求比较高，工艺参数难以控制。直接浇铸法的 产品质量不高，容易产生缩孔、气孔等缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种铜包铝复合材料的低压充芯制备工艺，以解决 现有的固-液相复合法现阶段存在的生产成本高、工序复杂、产品质量低的 问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种铜包铝复合材料的低压充芯制备工艺，包括以下步骤：

步骤一、对铜管内壁进行去油脂和去氧化皮处理，并在其内壁制备防氧 化膜，然后将铜管烘干；

步骤二、将工业纯铝装入坩埚电阻炉内熔化，待铝液的熔炼温度接近设 定的熔化温度时，将铜管放入电阻炉中预热；

步骤三、将坩埚放入低压充芯机，并将预热后的铜管由石棉套保温与低 压充芯机对接，密封；

步骤四、采用压缩气体进行充芯；

步骤五、增压保压，至铜管内铝液完全凝固；

步骤六、卸压，取下成品。

进一步的，所述步骤一中，制备防氧化膜采用的物质为氟锆酸钾，采用 的方法为沉积法。

进一步的，制备防氧化膜的方法是：配制过饱和氟锆酸钾溶液并加热到 95℃，沉积3-6分钟。

进一步的，所述步骤二中，工业纯铝的熔化温度为720℃-780℃，铜管 的预热温度为200℃-450℃。

进一步的，所述步骤四中，采用的压缩气体为空气、氮气或氩气。

进一步的，充芯速度为300ml/min-600ml/min。

进一步的，所述步骤五中，增压到0.3MPa-0.8MPa，保压时间为60s-400s。

本发明的有益效果是：用压缩气体将铝液压入铜管凝固冷却后获得铜包 铝复合材料，工艺过程简单，工艺参数便于控制；根据铜管直径和壁厚， 并选择适当的铝液充芯温度和铜管预热温度，实现铜/铝界面冶金结合并控 制界面过渡层厚度与组成，一般不需要后续扩散热处理；通过在铜管内壁 涂防氧化膜，用惰性气体保护铝液，避免氧化，保证材料特别是铜/铝结合 面纯净无杂质；自下而上充芯，过程平稳，速度可控，有利于气体排除， 避免产生气孔；通过增压和保压进行补缩，保证材料致密，避免收缩类缺 陷；充芯完成后铝液自升液管流回坩埚，没有补缩冒口，铝液利用率高； 生产过程中不产生污染物；流程短，生产效率高，占地面积少，生产成本 低。

附图说明

图1为低压充芯机结构和原理示意图。

图中，1-压杆、2.-排气压盖、3-支座、4-筒盖、5-升液管、6-铝液、7- 筒体外壳、8-保温石棉、9-坩埚、10-浇口、11-三通阀、12-压环、13-密封 填料、14-铜管保温筒、15-固定螺杆、16-铜管。

具体实施方式

参照图1，首先对低压充芯机结构和原理进行说明，低压充芯机由下部 密封性能良好的能承受一定压力的坩埚保温筒和上部铜管固定支架组成， 外配铝液熔炼炉和压缩气体供气系统。

下部的坩埚保温筒由筒体外壳7、坩埚9、升液管5、筒盖4、三通阀 11等部件组成，其中筒体外壳7是一个钢制的压力容器，能承受1.0-1.5MPa 压力的气压，内置铝液坩埚9。坩埚9与外壳7之间填充保温石棉8，以防 止铝液冷却过快。保温筒盖4与坩埚保温筒之间用石棉板密封圈密封，保 温筒盖上安装有升液管5，并作为上部铜管固定支架的安装底座。进排气道 也开在保温筒盖上，通过三通阀11压缩气体的进出。三通阀11与供气系 统连接。

上部的铜管固定支架由支座3、浇口10、压环12、固定螺杆15、排气 压盖2、压杆1等部件组成，其中浇口10与升液管5对接，并由保温筒盖 4和支座3定位和固定，浇口下部和上部的坡度是分别为了铝液回流道坩埚 和铜管拆卸时带出。支座安装在保温筒盖上，铜管16与浇口10对接，周 围填充密封填料13，并由压环12压实。铜管16外有铜管保温筒14。铜管 上口有一个带有排气槽的压盖2，防止充芯过程中铝液溢出并使气体顺利排 出。排气压盖由压杆和固定螺杆15固定。

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明：

实施例1

步骤一、对铜管内壁进行去油脂和去氧化皮处理，配制过饱和氟锆酸 钾溶液并加热到95℃，倒入铜管内静置冷却6分钟后倒出，然后将铜管放 入干燥箱内烘干；

该过程中需要控制好静置时间，静置时间过短，沉积的氟锆酸钾膜不 均匀不完整，防氧化效果差；静置时间过长，氟锆酸钾膜太厚，当铝液进 入铜管，氟锆酸钾受热分解产生的气体量大，可能导致产生气孔缺陷。

步骤二、将工业纯铝装入坩埚电阻炉内熔化，熔化温度为740℃；将铜 管放入电阻炉中预热，预热温度为450℃。

铝液充芯温度和铜管预热温度对铜/铝界面反应强度、界面层组织和界 面结合强度产生关键影响，须根据材料尺寸和产品技术要求进行调整和严 格控制。

步骤三、将坩埚放入低压充芯机，并将预热后的铜管由石棉套保温与 低压充芯机对接，密封。

步骤四、打开三通阀用氮气进行充芯，充芯速度为600ml/min。

充芯速度对气体排出、铝液收缩、铝液流动性产生关键影响，须根据 材料尺寸和产品技术要求进行调整和严格控制。

步骤五、增压到0.3MPa保压，至铜管内铝液完全凝固，保压时间为60s。

保压使铝液在压力下冷却凝固，获得致密凝固组织，防止缩孔、缩松 等缺陷，须根据材料尺寸和产品技术要求进行调整和严格控制。

步骤六、卸压，取下铜包铝复合棒材。

实施例2

步骤一、对铜管内壁进行去油脂和去氧化皮处理，配制过饱和氟锆酸 钾溶液并加热到95℃，倒入铜管内静置冷却3分钟后倒出，然后将铜管放 入干燥箱内烘干；

步骤二、将工业纯铝装入坩埚电阻炉内熔化，熔化温度为780℃；将铜 管放入电阻炉中预热，预热温度为300℃。

步骤三、将坩埚放入低压充芯机，并将预热后的铜管由石棉套保温与 低压充芯机对接，密封。

步骤四、打开三通阀用空气进行充芯，充芯速度为300ml/min。

步骤五、增压到0.8MPa保压，至铜管内铝液完全凝固，保压时间为 200s。

步骤六、卸压，取下铜包铝复合棒材。

实施例3

步骤一、对铜管内壁进行去油脂和去氧化皮处理，配制过饱和氟锆酸 钾溶液并加热到95℃，倒入铜管内静置冷却4分钟后倒出，然后将铜管放 入干燥箱内烘干；

步骤二、将工业纯铝装入坩埚电阻炉内熔化，熔化温度为720℃；将铜 管放入电阻炉中预热，预热温度为200℃。

步骤三、将坩埚放入低压充芯机，并将预热后的铜管由石棉套保温与 低压充芯机对接，密封。

步骤四、打开三通阀用氩气进行充芯，充芯速度为450ml/min。

步骤五、增压到0.5MPa保压，至铜管内铝液完全凝固，保压时间为 400s。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的 普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进 和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。