異型斷面銅包鋁複合材料的連鑄直接成形模具及製備方法

2023-04-23 08:35:41 1

專利名稱：異型斷面銅包鋁複合材料的連鑄直接成形模具及製備方法
技術領域：
本發明屬連鑄技術領域，提供一種異型斷面銅包鋁複合材料的水平連鑄直接複合成形模具及其工藝。
背景技術：
雙金屬異型截面複合材料在電氣、石油、航空航天等領域有著廣泛應用。例如，矩形截面的銅包鋁複合母排由於綜合了純銅良好的導電性能、連接性能以及純鋁的低密度、 低成本等優點，可在大電流傳輸領域如母線幹線系統、輸配電系統、低壓成套開關設備、控制設備等行業代替純銅母排。已經公開報導的異型截面的銅包鋁複合材料的製備工藝主要有以下幾種 第一種方法是靜液擠壓法。靜液擠壓法可以直接成形異型截面的雙金屬包復材料而
無需從圓形截麵包復材料開始加工，可用於生產方形、矩形、管形以及截面形狀更為複雜的銅包鋁複合材料(見謝建新等.材料加工新技術與新工藝.冶金工業出版社，(2004)，p. 263-268)。靜液擠壓法的擠壓筒內的粘性介質顯著降低了坯料和擠壓筒與模具之間的摩擦力，因而可大大改善金屬流動的均勻性。但靜液擠壓法存在的主要問題是(1)成形非圓形截面的雙金屬包復材料時需將包覆層金屬和芯材金屬預加工為尺寸與模具精確配合的管材和棒材，並要對兩者進行一系列表面處理，以保證複合前的「清潔」界面，工藝流程較長 (見胡捷.機械加工與自動化.No. 9 (2001),p. 27-28); (2)靜液擠壓工藝的設備複雜、 設備投資大；(3)靜液擠壓法難以實現連續生產，非生產性間隙時間長，生產效率低。第二種方法是先將鋁液澆注到異型銅管中製備銅鋁異型複合鑄坯，然後經軋制、 拉拔成形矩形斷面的銅包鋁母排(見張堅華等.銅鋁複合匯流排的鑄錠、拉伸成型工藝及設備.中國專利ZL200710177267.8)，這種方法主要缺點在於(1)銅鋁複合前需預先成形異型銅管並對銅管進行表面處理，增加了生產成本和環境負擔；(2)鋁液澆入銅管時，難以避免銅管內表面的氧化問題，導致銅鋁結合界面質量下降；(3)銅鋁異型複合鑄坯的製備過程是非連續性的，並且單根複合坯料長度較短，加之坯料因疏鬆和冒口等缺陷需切頭去尾，生產效率和成材率均較低。第三種方法是先採用水平連鑄直接複合成形工藝(見謝建新等.一種包復材料水平連鑄直接複合成形設備與工藝.中國專利ZL200610112817. 3.)製備圓形斷面的銅包鋁複合坯料，然後再通過軋制、拉拔等工藝製備矩形斷面的銅包鋁複合母排(見謝建新等.一種高性能銅包鋁矩形橫斷面複合導電母排及其製備工藝.中國專利ZL200810057668. 4)。 這種方法採用水平連鑄直接複合成形法製備圓形斷面銅包鋁坯料，可避免坯料預成形以及表面處理的問題，提高了生產效率，縮短了工藝流程，但由於銅和鋁的塑性加工性能差異較大，在圓坯加工成異型斷面的過程中不僅工藝比較複雜，而且由於變形複雜，容易由於變形的不協調而產生邊部開裂、界面開裂等缺陷，降低了產品的成材率。

發明內容
本發明的目的在於針對現有異型銅包鋁複合材料製備工藝存在的問題，提供一種採用水平連鑄直接複合成形工藝直接製備異型銅包鋁複合材料的製備方法及連鑄成形模具，不僅使異型銅包鋁複合材料的生產工藝流程顯著縮短，而且使生產效率和成材率提高， 斷面形狀和包覆比可控。為了實現本發明的目的，提供一種採用水平連鑄製備異型銅包鋁複合材料的模具，該模具的關鍵部分由外模3和芯管4組成，由外模3的內腔尺寸和芯管4的外形尺寸共同控制銅包鋁複合鑄坯包覆層的形狀以及厚度，由芯管4的外形尺寸控制芯部鋁的尺寸， 從而實現銅包鋁複合材料的形狀以及包覆厚度的控制。根據需要，該模具的外模3的內腔和芯管4的外形可設計為方形、矩形、橢圓形等異型結構，從而生產具有上述形狀的銅包鋁複合鑄坯。芯管4的內孔為鋁液通道，可以設計為圓形或者與外形一樣的形狀。芯管4的外形沿軸向帶有錐度，錐度值α為0.5° 2。。 方形和矩形坯料的外模3的四個角採用圓角過渡，圓角半徑為3 8mm，外模3的內腔不帶錐度，外模3和芯管4通過複合腔實現精確定位。模具材料可以是石墨或氮化硼等耐火材料。本發明還提供一種運用上述連鑄模具製備異型銅包鋁複合材料的方法，該方法工藝流程短、生產效率高、斷面形狀可控性強，其技術方案具體為將由銅控溫坩堝、鋁控溫坩堝、導流管、複合腔、複合結晶器、二次冷卻系統、牽引機構及鋸切機構等連鑄單元裝配在一起，組成連鑄系統。先將熔煉好的銅液和鋁液分別注入到銅控溫坩堝和鋁控溫坩堝並保溫。 銅液經由導流管和複合腔，進入由安裝於複合結晶器1中的外模3和芯管4形成的鑄型6 中，在冷卻水的作用下凝固成異型銅管；同時，鋁液經由導流管和芯管4的鋁液通道5澆注到銅管中，並以銅管為鑄型凝固成為芯材，從而製備異形斷面複合鑄坯。銅包鋁複合鑄坯的斷面形狀及包覆層厚度由外模3和芯管4共同控制。銅包鋁複合鑄坯在經過二次冷卻水的進一步冷卻後通過牽引機構連續引出，達到一定長度後通過鋸切裝置切斷。只需改變複合結晶器中的模具，就能製備不同斷面形狀和包覆比的異型銅包鋁複合材料。複合鑄坯所需的冷卻速度由牽引機構的引錠速度、複合結晶器1的冷卻速度、控溫坩堝以及複合腔的溫度、二次冷卻水的冷卻強度共同控制。銅控溫坩堝溫度控制在1150 130(TC，鋁控溫坩堝溫度控制在690 90(TC，複合腔的溫度控制在1100 1300°C。引錠速度為V=50 500mm/min ；複合結晶器的冷卻強度以結晶器內的冷卻水流量和壓力表示，其流量為0. 5 10m3/h，壓力為0. 05 0. 5MPa。根據異形斷面鑄坯的冷卻特點，採用多噴頭二次冷卻系統，在鑄坯軸向上、下、前、 後採用4個獨立可控的噴頭，每個二次冷卻水噴頭的冷卻強度為噴水流量為50 1000L/h。本發明提供的異型銅包鋁複合材料製備工藝和模具具有以下優點
(1)銅包鋁異型坯連鑄一次成形，無需預成形包覆層金屬管材或帶材與芯材金屬棒材， 省去了現有工藝的包覆層金屬和芯材金屬預成形的工序，縮短了工藝流程；
(2)採用水平連鑄工藝，其設備簡單、維護方便，有利於進行自動化和連續化生產，生產效率高；
(3)包覆層金屬和芯材金屬在複合前為清潔界面，不但免除了表面預處理的工序，而且界面結合性能優良；
(4 )通過模具結構和尺寸的設計，可精確控制雙金屬異型坯的截面形狀和包覆比，操作和控制方便；
(5)由於包覆層金屬和芯材金屬在加工性能上的差異，在雙金屬包復材料在軋制、拉拔等壓力加工過程中，易由於變形的不協調而產生裂紋等缺陷，降低加工成材率。而採用水平連鑄直接製備異形斷面鑄坯，後續加工工序簡單，可有效解決後續加工過程中的包覆層金屬和芯材金屬的變形不協調，提高成品的成材率。


圖1為斷面形狀分別為正方形、矩形、橢形的典型鑄坯的橫斷面結構圖； 圖2為本發明用於正方形斷面銅包鋁水平連鑄的複合結晶器及模具示意圖； 圖3是圖2的A向視圖4為本發明的用於矩形斷面銅包鋁水平連鑄的複合結晶器以及模具示意圖； 圖5是圖4的A向視圖6為本發明的用於橢形斷面銅包鋁水平連鑄複合結晶器以及模具示意圖； 圖7是圖6的A向視圖。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例並配合附圖，對本發明進一步詳細說明
實施例1 外形尺寸42 X 42mm，銅層厚度3mm的方形銅包鋁複合材料的水平連鑄直接複合成形其模具及其工藝。水平連鑄直接複合成形銅包鋁方坯所採用外模3和芯管4均採用高純石墨加工。 外模3與芯管4根據圖3設計，外模3的內腔橫截面尺寸為寬度42mm、高度42mm，圓角半徑為8mm，外模3的內腔不帶錐度；芯管4的橫截面外形尺寸為寬度36mm、高度36mm，圓角半徑為8mm，芯管4的錐度α為2°。外模3與複合結晶器1的水冷銅套2之間採用螺紋配合或錐面配合方式，外模3與芯管4之間的相對位置由複合腔與複合結晶器之間的精確定位保證。銅/鋁雙金屬包複方坯外形尺寸42X42mm，銅層厚度3mm。保溫坩堝中的鋁液熔體溫度控制在690°C ；保溫坩堝中的銅液熔體溫度控制在1150°C範圍；控制水冷金屬型複合結晶器的冷卻水流量為0. 5 1. 6m3/h，二次冷卻水流量為0. 4 1. 6m3/h，水壓為0. 1 0. 3MPa ；調節牽引機構使得連鑄鑄造的拉坯速度為50 120mm/min，可獲得高質量的連鑄
銅/鋁雙金屬複合方坯。實施例2 外形尺寸50 X 30mm，銅層厚度3mm的矩形銅包鋁複合材料的水平連鑄直接複合成形工藝及其模具。水平連鑄直接複合成形銅包鋁矩形坯所採用外模3和芯管4均採用高純石墨加工。外模3與芯管4根據圖4設計，外模3的內腔橫截面尺寸為寬度50mm、高度30mm，圓角半徑為3mm，外模3的內腔不帶錐度；芯管4的橫截面外形尺寸為寬度44mm、高度24mm，圓角半徑為3mm，芯管4的錐度α為0. 5°。外模3與水冷銅套2之間採用螺紋配合或錐面配合方式，外模3與芯管4之間的相對位置由複合腔與複合結晶器1之間的精確定位保證。銅包鋁雙金屬包復矩形坯外形尺寸50X30mm，銅層厚度3mm。保溫坩堝中的鋁液熔體溫度控制在800°C;保溫坩堝中的銅液熔體溫度控制在1300°C;控制水冷金屬型結晶器 1的冷卻水流量為0. 5 1. 6m3/h, 二次冷卻水流量為0. 4 1. 0m3/h,水壓為0. 1 0. 3MPa ； 調節牽引機構使得連鑄鑄造的拉坯速度為60 200mm/min，可獲得高質量的連鑄銅包鋁雙金屬複合矩形坯。以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步的詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明， 凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種採用水平連鑄製備異型銅包鋁複合材料的模具，其特徵在於所述模具由外模 3和芯管4組成，由所述外模3的內腔尺寸和所述芯管4的外形尺寸共同控制銅包鋁複合鑄坯包覆層的形狀以及厚度；由所述芯管4的外形尺寸控制芯部鋁的尺寸，從而實現銅包鋁複合材料的形狀以及包覆厚度的控制。
2.根據權利要求1所述的水平連鑄製備異型銅包鋁複合材料的模具，其特徵在於所述外模3的內腔和所述芯管4的外形為方形、矩形、橢圓形；所述芯管4的內孔為鋁液通道 5，其形狀為圓形或者與外形的形狀相同的方形、矩形、橢圓形；所述芯管4的外形沿軸向帶有錐度。
3.根據權利要求2所述的水平連鑄製備異型銅包鋁複合材料的模具，其特徵在於所述具有方形和矩形內腔的外模3的四個角採用圓角過渡，圓角半徑為3 8mm。
4.根據權利要求2所述的水平連鑄製備異型銅包鋁複合材料的模具，其特徵在於所述芯管4的外形沿軸向帶有錐度，錐度值α為0.5° 2°。
5.根據權利要求1-4所述的水平連鑄製備異型銅包鋁複合材料的模具，其特徵在於 所述模具材料是石墨或氮化硼耐火材料。
6.一種製備異型銅包鋁複合材料的方法，其特徵在於包括步驟1)將銅控溫坩堝、鋁控溫坩堝、導流管、複合腔、複合結晶器、二次冷卻系統、牽引機構及鋸切機構多個連鑄單元裝配在一起，組成連鑄系統；2)先將熔煉好的銅液和鋁液分別注入到銅控溫坩堝和鋁控溫坩堝並保溫；銅液經由導流管和複合腔，進入由安裝於複合結晶器1中的外模3和芯管4形成的鑄型6中，在冷卻水的作用下凝固成異型銅管；3)同時，鋁液經由導流管和芯管4的鋁液通道5澆注到銅管中，並以銅管為鑄型凝固成為芯材，從而製備異形斷面銅包鋁複合鑄坯；4)銅包鋁複合鑄坯在經過二次冷卻水的進一步冷卻後，通過牽引機構連續引出，達到規定長度後通過鋸切裝置切斷；5)外模3和芯管4共同控制銅包鋁複合鑄坯的斷面形狀及包覆層厚度；通過改變複合結晶器1中的模具，製備不同斷面形狀和包覆比的異型銅包鋁複合材料。
7.根據權利要求6所述的製備異型銅包鋁複合材料的方法，其特徵在於步驟2和3 中，銅包鋁複合鑄坯所需的冷卻速度由牽引機構的引錠速度、複合結晶器1的冷卻速度、銅控溫坩堝、鋁控溫坩堝以及複合腔的溫度共同控制。
8.根據權利要求7所述的製備異型銅包鋁複合材料的方法，其特徵在於所述銅控溫坩堝溫度控制在1150 130(TC，鋁控溫坩堝溫度控制在690 90(TC，複合腔的溫度控制在1100 1300°C ；引錠速度為50 500mm/min ；複合結晶器的冷卻水流量為0. 5 IOm3/ h，冷卻水壓力為0. 05 0. 5MPa。
9.根據權利要求6所述的製備異型銅包鋁複合材料的方法，其特徵在於在步驟4中， 所述二次冷卻水採用多噴頭二次冷卻系統，在鑄坯軸向的上、下、前、後位置採用4個獨立可控的二次冷卻水噴頭，每個二次冷卻水噴頭的噴水流量為50 1000L/h。
全文摘要
本發明提供一種異型斷面銅包鋁複合材料的水平連鑄直接複合成形模具及其工藝。採用的模具由外模3和芯管4組成，由所述外模3的內腔尺寸和所述芯管4的外形尺寸共同控制銅包鋁複合鑄坯包覆層的形狀以及厚度；由所述芯管4的外形尺寸控制芯部鋁的尺寸，從而實現銅包鋁複合材料的形狀以及包覆厚度的控制。本發明的銅包鋁異型坯連鑄一次成形技術，縮短了工藝流程，生產效率高，不但免除了表面預處理的工序，而且界面結合性能優良，可精確控制雙金屬異型坯的截面形狀和包覆比，便於操作和控制，顯著提高成品的成材率。
文檔編號B22D11/045GK102248137SQ201110207269
公開日2011年11月23日 申請日期2011年7月22日 優先權日2011年7月22日
發明者劉新華, 吳永福, 謝建新 申請人:北京科技大學