铜铝复合材料制备工艺方法发展综述

严 操，兰占军，廉洋子，姜 洁，董晓文，王连忠

（烟台孚信达双金属股份有限公司，山东 烟台 264100）

众所周知，铜作为良好的导体被广泛运用在电力、电气传输上，具有良好的导电、导热性能，其电导率、传热系数仅次于银，高出其它所有金属，但是价格相比银要便宜的多。在日常生产或生活中，很多地方也有直接将铝作为导体直接运用在设备或传输线路中，所以，在20世纪60年代就提出“以铝节铜”，用铝线作为电能传输线的导体。但，铝的致命弱点是强度低、容易蠕变、耐蚀性能差、表面极易形成坚固的氧化膜，致使接头部分产生较大的接触电阻，难以牢固连接，从而限制了“以铝节铜”的进一步推广[1]。

随着科技的进步和研究的不断深入，发现电流在传输过程中主要集中在导体表面2mm～5mm深度，国内外研究学者根据这一特性提出铜铝复合材料替代纯铜材料的想法，外部包覆层是铜，芯部是铝。本文作者主要根据以上研究学者针对铜铝复合材料开发的不同生产工艺进行简单总结，主要概述各种生产工艺的工作原理及优缺点，方便同行业者参考查阅。

1 包覆焊接法

包覆焊接法主要是将铜带与铝杆通过包覆焊接和拉拔的固定生产方法[2]。在我国生产已经有几十年的历史，是最简单也是最常见的一种生产方法。包覆焊接法主要工作原理如下：首先将铝杆外表面通过碱洗或者机械磨削打磨掉氧化皮，将铜带内表面处理干净，消除氧化物；在氩气保护箱中将铜带围绕铝杆卷成管状，用氩弧焊焊接铜管纵缝，制成线坯；包覆焊接后的线坯其管状铜层与铝杆之间约有0.5mm的间隙，在传统包覆焊接生产线上生产时，在几十分钟的包覆焊接过程中这个间隙始终保留，致使间隙中的氩气不断散逸而进入空气，使铜带与铝杆表面氧化；线坯焊接好后通过拉丝机反复拉拔使铜层与铝芯界面结合并获得所需直径的硬态铜铝复合材料；拉拔完成后进行热处理获得所需力学性能的软态铜铝复合材料；最后产品缠盘，包装出库发货。

主要优势是工艺稳定，配套设备成熟，投资风险与成本低；主要缺点是结合强度低，作业环境差，工艺老旧环境污染等问题。包覆焊接法生产的铜铝复合材料产品特点：①规格范围小，主要规格范围从直径0.5mm～5mm左右，规格范围偏大一般直径不超过10mm。②应用领域仅限于信号缆，电视线，以及一小部分用于动力缆，从应用角度讲有很大局限性。③含铜量范围约为10%～15%，截面形状为圆形或扁圆形状，截面形状受限并且含铜量范围有限。

2 轧制复合法

轧制复合法是将铜、铝在一定的压力、温度作用下通过轧辊变形结合成一体。按照是否对坯料加热分为冷轧复合和热轧复合。这两种工艺都可以用于制备铜铝复合材料，是目前生产铜铝复合材料板材、带材比较常见的手段之一；按照轧制方式不同可以分为纵轧、横轧和斜轧,根据轧机上下轧辊在轧缝的线速度的异同，可分为同步轧制和异步轧制。LI等尝试将异步轧制工艺用于铜铝复合的复合，可在较低压下率下实现良好的界面复合。

主要优势如下：能进行金属板材、管材、棒材的金属层状复合，成本低，产量高；工艺技术及装备较为成熟，作为一种材料复合技术，它易于实现大规模工业化生产，同时不存在像电镀等物理化学方法覆层所带来的环境污染问题；主要缺点如下：轧制复合法属于典型的固相-固相结合形式，生产过程中无法避免原材料与空气接触氧化，完全靠轧辊与材料表面产生摩擦力经多道次往复轧制实现铜铝两种金属间的结合，属于机械式的冶金结合，铜铝原子间的结合主要靠范德华力，结合深度浅，属于微米级别，结合强度不仅低而且不稳定，容易出现不结合，可控性差。

轧制复合法生产的铜铝复合材料目前主要在国内建筑行业应用，并且用于装饰产品，在电力行业没有开放的市场。

3 焊接复合法

焊接复合法是复合技术中很重要的一种加工工艺。根据焊接方式的不同，该类加工工艺包括：爆炸焊接、钎焊法、扩散焊接等。在焊接成型后，一般都需要进行压力加工最终获得大幅面的复合板带。焊接复合法的主要工作原理是：焊剂或药芯通过爆炸或加热熔化，在微秒级时间内使两块金属板在碰撞点产生高达106～107/s的应变速率和104MPa的高压，巨大的能量驱动两块金属板高速倾斜碰撞，依靠冲击及摩擦材料表面氧化膜破碎并消除，同时依靠冲击及摩擦产生的热量在接触面上实现原子之间的冶金结合，从而实现异种金属的焊接复合。

主要优点如下：其特点是可使材料性能差异极为特殊的金属组合实现焊接复合；可以避免脆性金属间化合物的生成；灵活性强，可实现各种异性件的复合；主要缺点如下：产量、生产率及成材率都比较低，机械化程度低，产品质量稳定性差，同时存在噪音污染，危险性较高等一系列问题。

焊接复合法不仅可以生产铜铝复合板带材，而且可以直接生产零部件如铜铝过渡接线端子等多种异型件。经检测焊接复合法生产的铜铝复合材料产品分离强度最高可达106MPa。

4 静液挤压法

静液挤压是一种特殊的润滑挤压工艺，其工作原理是：将铜铝两种金属内外表面处理干净，然后将铝芯坯与铜管组成一个复合坯，为了防止氧化并将两端的缝隙焊合密封；锭坯周围充满介质，压力通过介质作用到坯料上，坯料受到均匀的等静液压力，从模具空槽内被挤压成型。K Y.Rhee等进行了热静液挤压法生产铜铝复合材料的研究，得出的最佳工艺条件为挤压温度320℃、挤压比19、半模角45°。

优点如下：挤压时的延伸变形可使界面产生较大比例的新生表面；模孔附近挤压变形区内的高温、高压条件非常有利于界面原子的扩散，从而达到冶金结合；其缺点如下：静液挤压要求设备庞大，场地要求高，投资大，生产效率低。

5 结语

铜铝复合材料具有广泛价值，不仅节约铜资源，而且减轻产品重量。但综上铜铝复合材料生产工艺发展来看，依旧存在各种缺陷。因此，以后对铜铝复合材料的研究方向是尽可能在简单生产工艺的基础上，努力提高产品使用性能，减少产品缺陷。