專利名稱：：一種Al基合金芯線的制備方法
技術(shù)領域：
：本發(fā)明屬于有色金屬材料塑性成形與控制
技術(shù)領域：
，特別涉及一種A1基合金芯線的制備方法。
背景技術(shù)：
：銅包鋁導線是普通銅、鋁導線的升級產(chǎn)品，它以A1及A1-Mg合金作為芯線、采用國際領先的"包覆焊接拉制法"生產(chǎn)工藝加工而成。其工藝過程是先將Al及Al-Mg合金芯線同心地包覆銅層，并進行高頻焊接，之后通過拉制變形，使銅層與芯線之間實現(xiàn)原子間的冶金結(jié)合，形成銅包鋁導線。因此，銅包鋁導線綜合了銅優(yōu)良的導電性和鋁重量輕，屏蔽性能好的優(yōu)點，并能大量地節(jié)約了銅材。在包覆焊接拉制法的生產(chǎn)工藝中，由于Al及Al-Mg合金芯線包覆銅層后，經(jīng)大、中、小拉絲機一直拉制到銅包鋁導線成品，要進行多次拉制變形。為此，工藝對A1及Al-Mg合金芯線的電阻率、綜合機械性能和型式尺寸精度均提出了較嚴格的要求。目前，通常采用連鑄連軋工藝生產(chǎn)Al及Al-Mg合金芯線，該工藝盡管能夠保證芯線具有較高的強度，但是由于其晶粒組織粗大，塑性較差，在多次拉制變形時，經(jīng)常出現(xiàn)斷線的現(xiàn)象；同時，該工藝還存在設備簡陋，工藝不夠穩(wěn)定，產(chǎn)品的不圓度大，表面缺陷多，油污較嚴重的問題，使A1及A1-Mg合金芯線的力學性能和電氣性能波動大，型式尺寸精度低，銅層與芯線界面的復合性能變差。
發(fā)明內(nèi)容針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種Al基合金芯線的制備方法，采用金屬熔體為坯料，通過凝固與成形一體化技術(shù)與成形一體化技術(shù)的強塑性變形方式細化芯線組織，并通過動態(tài)回復與再結(jié)晶過程的綜合優(yōu)化和應變誘導時效作用，提高A1基合金芯線的塑性和冷作硬化效應。本發(fā)明中Al基合金是指Al或Al-Mg合金，其中Al采用電工純鋁材料，Al-Mg合金是在電工純鋁材料中添加Mg元素制備的合金。本發(fā)明所使用的裝置包括澆注系統(tǒng)；冷卻水槽；收線系統(tǒng)；控制系統(tǒng)和鋁、鎂合金及其復合材料連續(xù)凝固與成形一體化裝置，其中(1)澆注系統(tǒng)由自動加料裝置、加熱爐、液位控制裝置、氣體保護裝置和注液管組成。自動加料裝置具有自動上料，預熱和自動加料的功能，加熱爐用于Al基合金的熔化，液位控制裝置用于保持加熱爐中熔體液位的基本穩(wěn)定，氣體保護裝置用于保護熔體免于氧化造渣，注液管指向成形主機的澆注口以保證金屬熔體的連續(xù)流入，完成熔體注入的控制。(2)鋁、鎂合金及其復合材料連續(xù)凝固與成形一體化的裝置包括電機、機架、轉(zhuǎn)動輥、固定靴座和模具，采用變頻交流調(diào)速，雙出線結(jié)構(gòu)，為解決金屬材料的連續(xù)凝固與成形過程的溫度控制問題，鋁、鎂合金及其復合材料連續(xù)凝固與成形一體化的裝置中采用強制循環(huán)水冷系統(tǒng)進行冷卻，轉(zhuǎn)動輥表面采用輻射式冷卻方式，以提高對金屬熔體的冷卻強度。同時，應用液壓螺母，提供給轉(zhuǎn)動輥裝配預緊力，并依靠橡膠件密封，解決轉(zhuǎn)動輥在強扭矩工況條件下的穩(wěn)定性和密封問題。(3)控制系統(tǒng)從澆注口到出口的固定靴座內(nèi)安裝熱電偶，多點實時測量連續(xù)凝固與成形過程的各點溫度，在轉(zhuǎn)動輥的輸入端設置扭矩測試裝置和霍爾開關式測速裝置，整個機組的連續(xù)凝固與成形過程控制包括熔體流量、冷卻強度、轉(zhuǎn)動輥轉(zhuǎn)速和制品在線冷卻等力能參數(shù)顯示，采用PLC可編程邏輯控制技術(shù)。(4)收線系統(tǒng)收線系統(tǒng)應用變頻電機無極調(diào)速方式，并通過PLC控制保持芯線出線速度與收線速度同步，并建立約20kgf的牽引張力。本發(fā)明的制備方法如下選取原料A1基合金，通過澆注系統(tǒng)的自動加料裝置將Al基合金投放到帶有氣體保護的加熱爐中熔化，形成A1基合金熔體，將A1基合金熔體注入"鋁、鎂合金及其復合材料連續(xù)凝固與成形一體化的裝置"的轉(zhuǎn)動輥和固定靴座之間的槽內(nèi)凝固與成形，通過微擠壓筒和模具，使金屬擠壓變形，獲得Al基合金芯線。所述的Al基合金熔體的澆注溫度控制在700°C76(TC范圍，A1基合金包括A1或Al-Mg合金，其中Al采用電工純鋁材料，Al-Mg合金為電工純鋁中添加1%1.5%Mg制備的合金。所述的Al基合金在強剪切和高壓下發(fā)生動態(tài)凝固和大塑性變形，同時使Al-Mg合金具有應變誘導時效效應，轉(zhuǎn)動輥和固定靴座均通水冷卻，轉(zhuǎn)動輥轉(zhuǎn)速為5rpm25rpm。所述的A1基合金芯線經(jīng)過擠壓變形后，直接通過冷卻水槽冷卻，保持動態(tài)回復的組織，其冷卻條件為芯線連續(xù)通過水冷槽冷卻后的溫度小于70°C。本發(fā)明中Al基合金的凝固與成形過程為金屬經(jīng)歷凝固_半固態(tài)形變_固態(tài)塑性成形三個階段。在凝固階段，是金屬熔體依附于轉(zhuǎn)動輥界面的形核過程。在半固態(tài)形變階段，金屬處在液固相共存的紊流狀態(tài)下產(chǎn)生內(nèi)摩擦，使結(jié)晶出現(xiàn)不斷形成，又不斷遭到破壞，而再形成的動態(tài)過程。在固態(tài)塑性成形階段，金屬受到強烈的剪切變形作用，同時，凝固與成形一體化技術(shù)是在高壓下的結(jié)晶凝固和塑性變形，是強制補縮和致密化過程的復合，外加壓力提供的膨脹能增加了形核率。因此，制品的晶粒組織非常細小，強度顯著提高，塑性優(yōu)良。凝固與成形一體化技術(shù)的成形主機，采用循環(huán)水冷裝置平衡Al基合金熔體的凝固潛熱、金屬變形熱和摩擦熱，通過調(diào)節(jié)冷卻強度、澆注溫度和出線速度，可以控制凝固與成形條件，從而改變制備的組織性能。本發(fā)明的優(yōu)點(l)直接采用金屬熔體為坯料，僅在一個工序中完成金屬的凝固與成形，是一種在強剪切和高壓下的動態(tài)凝固和大塑性變形過程，具有節(jié)能，芯線組織形態(tài)好，性能穩(wěn)定；(2)芯線由模具熱擠壓成形，并直接水封冷卻，有效阻止了芯線表面氧化，可以徹底解決連鑄連軋工藝的芯線不圓度大，表面缺陷多，油污較嚴重的問題；(3)具有設備占地面積小，能耗低，成品率高，可連續(xù)生產(chǎn)超長度的制品的技術(shù)優(yōu)勢；(4)通過微合金化細化處理、以及凝固與成形一體化過程交互參數(shù)的合理控制，包括組織細化、動態(tài)回復與再結(jié)晶過程的綜合優(yōu)化，能在Al及Al-Mg合金芯線的導電性能和機械強度不低于連鑄連軋工4藝的芯線基礎上，顯著改善芯線材料的晶粒組織，提升芯線材料的塑性，其晶粒平均直徑d<120咖，延伸率S>35%，從而可為后序生產(chǎn)提供良好的塑性變形性能。圖1.圖2.圖3.圖4.圖5.圖6.本發(fā)明采用裝置示意鋁、鎂合金及其復合材料連續(xù)凝固與成形一體化的裝置原理圖兩種方法制備的A1芯線組織對比結(jié)構(gòu)圖；兩種方法制備的A1-Mg合金芯線組織對比結(jié)構(gòu)圖；連鑄連軋制備的A1-Mg合金芯線拉伸曲線圖；本發(fā)明的Al-Mg合金芯線拉伸曲線圖。具體實施例方式本發(fā)明一種Al基合金芯線的制備方法結(jié)合實施例及附圖加以詳細說明。本發(fā)明所使用的裝置如圖1所示，包括澆注系統(tǒng)、冷卻水槽、收線系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和鋁、鎂合金及其復合材料連續(xù)凝固與成形一體化的裝置，其中(1)澆注系統(tǒng)由自動加料裝置、加熱爐、液位控制裝置、氣體保護裝置和注液管組成。其中，自動加料裝置具有自動上料和預熱的功能，自動上料是通過金屬傳送帶實現(xiàn)的，傳送帶為環(huán)形繞在動力輪和從動輪上，動力輪由電機驅(qū)動，環(huán)形傳送帶傾斜布置，在傳送帶上每間隔500mm有一個托板，由托板將Al及Al-Mg合金鑄錠送入預熱爐。預熱是在預熱爐中完成的，預熱爐的定溫為40(TC，預熱時間為40分鐘。加熱爐為電阻加熱式雙室熔化爐，第一室為加熱室，第二室為保溫室，其參數(shù)為熔化量為400公斤鋁，爐子最高定溫為80(TC。液位控制裝置采用球狀浮子帶動金屬桿，并由金屬桿控制光電開關、之后將光電開關的信號，傳送到PLC控制器驅(qū)動上料裝置動作，向加熱爐中加料。氣體保護裝置中保護氣氛為氬氣，經(jīng)過壓力與流量調(diào)解之后，使流量保持在3L/min5L/min，并在加熱爐的爐頂分兩路通到加熱爐中。注液管為保證金屬熔體溫度的穩(wěn)定性，注液管具有電阻加熱功能，其定溫為720°C。(2)鋁、鎂合金及其復合材料連續(xù)凝固與成形一體化的裝置，如圖2所示，包括電機、機架、轉(zhuǎn)動輥、固定靴座和模具，采用變頻交流調(diào)速，雙出線結(jié)構(gòu)。為解決金屬材料的連續(xù)凝固與成形過程的溫度控制問題，鋁、鎂合金及其復合材料連續(xù)凝固與成形一體化的裝置中采用強制循環(huán)水冷系統(tǒng)進行冷卻，轉(zhuǎn)動輥表面采用輻射式冷卻方式，以提高對金屬熔體的冷卻強度。同時，應用皮爾格液壓螺母，提供給轉(zhuǎn)動輥裝配預緊力，并依靠橡膠件密封，解決轉(zhuǎn)動輥在強扭矩工況條件下的穩(wěn)定性和密封問題。(3)控制系統(tǒng)從澆注口到出口的固定靴座內(nèi)安裝熱電偶，多點實時測量連續(xù)凝固與成形過程的各點溫度，在轉(zhuǎn)動輥的輸入端設置扭矩測試裝置和霍爾開關式測速裝置，整個機組的連續(xù)凝固與成形過程控制，包括熔體流量、冷卻強度、轉(zhuǎn)動輥轉(zhuǎn)速和制品在線冷卻等和力能參數(shù)顯示采用PLC可編程邏輯控制技術(shù)。(4)收線系統(tǒng)收線系統(tǒng)應用變頻電機無極調(diào)速方式，并通過PLC控制保持芯線出線速度與收線5速度同步，并建立約20kgf的牽引張力，巻取裝置的規(guī)格為巻曲的芯線重量200kg，長度大于lOOOm。在實施例中芯線制備過程使用的裝置技術(shù)參數(shù)如表1所示。表1.<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>實施例1本實施例Al基合金選取電工純鋁進行說明本實施例的制備過程包括如下步驟步驟1、通過澆注系統(tǒng)自動加料裝置將Al投放到澆注系統(tǒng)中的加熱爐中，將Al溶化成金屬熔體，加熱爐的加熱室定溫75(TC，保溫室定溫700°C73(TC，澆注時溫度控制為700°C72(TC，注液管定溫為72(TC，注液管指向鋁、鎂合金及其復合材料連續(xù)凝固與成形一體化的裝置的澆注口，以保證金屬熔體的連續(xù)順利流入，完成熔體注入的控制；步驟2、采用實用新型200720185231X裝置對金屬熔體進行成形加工，將Al注入轉(zhuǎn)動輥和固定靴座之間的槽中，金屬熔體在強扭矩轉(zhuǎn)動輥與靜止的固定靴座間的型腔內(nèi)凝固，在轉(zhuǎn)動輥界面摩擦作用下使金屬產(chǎn)生變形力和變形熱，并達到塑性變形條件，通過固定靴座中的微擠壓筒和模具，使其發(fā)生擠壓塑性變形，獲得相應的型式尺寸的芯線，同時伴有動態(tài)回復和再結(jié)晶的發(fā)生趨向。冷卻條件和轉(zhuǎn)動速度要求，轉(zhuǎn)動輥和固定靴座均通水冷卻，冷卻水流量為10L/min15L/min，轉(zhuǎn)動輥轉(zhuǎn)速為10rpm;步驟3、將擠壓成形的芯線通過冷卻水槽中進行冷卻，保持芯線的動態(tài)回復組織，芯線連續(xù)通過水冷槽冷卻后的溫度為50°C;步驟4、將經(jīng)過冷卻水槽成形的A1基合金芯線通過收線系統(tǒng)牽引巻曲成盤，制備成直徑為910.6mm的Al芯線。用此成形機組制備的Al芯線的組織性能與連鑄連軋工藝制備的Al芯線對比如下如圖3可見，連鑄連軋的A1芯線組織(圖3(a)、圖3(b))幾乎全部為粗大的晶粒組織，在芯線縱向剖面，還存在粗大的板條狀晶粒組織(圖3(b))，在芯線橫向剖面呈現(xiàn)柱狀晶粒組織形態(tài)(圖3(a))，沿徑向輻射形分布，顯然是從模壁形核并向著熱流相對的方向長大形成的，在細化試驗模中心區(qū)域匯合后長大過程終止。因此，柱狀晶組織的縱軸尺寸約為A1芯線半徑尺寸。而本發(fā)明的A1芯線組織(圖3(c)、圖3(d))為較細小的晶粒組織，縱向剖面的板條狀晶粒組織完全消失。實施例2本實施例Al基合金選取電工純鋁中添加1%1.5%Mg制備的Al-Mg合金進行說明Al-Mg合金的成分如表2所示。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>本發(fā)明的制備方法包括如下步驟步驟1、通過澆注系統(tǒng)自動加料裝置將Al-Mg合金投放到澆注系統(tǒng)中的加熱爐中，將Al-Mg合金溶化成金屬熔體，加熱爐的加熱室定溫750°C，保溫室定溫700°C730°C，澆注時溫度控制為700°C72(TC，注液管定溫為72(TC，注液管指向鋁、鎂合金及其復合材料連續(xù)凝固與成形一體化的裝置的澆注口，以保證金屬熔體的連續(xù)順利流入，完成熔體注入的控制；步驟2、采用實用新型200720185231X裝置對金屬熔體進行成形加工，將Al-Mg合金注入轉(zhuǎn)動輥和固定靴座之間的槽中，金屬熔體在強扭矩轉(zhuǎn)動輥與靜止的固定靴座間的型腔內(nèi)凝固，在轉(zhuǎn)動輥界面摩擦作用下使金屬產(chǎn)生變形力和變形熱，并達到塑性變形條件，通過模具中的微擠壓筒獲得相應的型式尺寸的芯線，同時伴有動態(tài)回復、再結(jié)晶趨向和應變誘導時效的發(fā)生。冷卻條件和轉(zhuǎn)動速度要求，轉(zhuǎn)動輥和固定靴座均通水冷卻，冷卻水流量均為10L/min15L/min，轉(zhuǎn)云力輥轉(zhuǎn)速為8rpm;步驟3、將擠壓成形的芯線通過冷卻水槽中進行冷卻，保持芯線的動態(tài)回復組織，芯線連續(xù)通過水冷槽冷卻后的溫度為70°C;步驟4、將經(jīng)過冷卻水槽成形的Al-Mg合金芯線通過收線系統(tǒng)牽引巻曲成盤，制備成直徑為<P8.6mm的Al-Mg合金芯線。用此成形機組制備的Al-Mg合金芯線的組織性能與連鑄連軋工藝制備的Al-Mg合金芯線對比如下如圖4可見，連鑄連軋的A1-Mg合金芯線(圖4(a)、圖4(b))為非常粗大的晶粒組織，在芯線縱向剖面，呈現(xiàn)粗大的柱狀晶組織(圖4(b))，其晶粒縱向的平均尺寸達到4000iim。在芯線橫向剖面呈現(xiàn)粗大的等軸晶粒組織形態(tài)(圖4(a))，其晶粒的平均尺寸達到2500iim。而本發(fā)明的A1-Mg合金芯線組織(圖4(c)、圖4(d))均為較細小的等軸晶晶粒組織，其平均晶粒尺寸僅為100ym。上述結(jié)果表明與連鑄連軋工藝相比，本發(fā)明技術(shù)制備A1及A1-Mg合金芯線呈現(xiàn)較小的晶粒組織形態(tài)，并且具有較明顯的動態(tài)回復組織特征。表3為連鑄連軋工藝和凝固與成形一體化工藝制備的Al及Al-Mg合金芯線的拉伸性能參數(shù)。表3<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>如表3可見1、連鑄連軋與本發(fā)明的芯線比較發(fā)現(xiàn)凝固與成形一體化的芯線的延伸率明顯好于連鑄連軋芯線，為后續(xù)拉拔變形提供了良好的塑性條件；2、與連鑄連軋比較發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的芯線的加工硬化指數(shù)明顯高于連鑄連軋芯線，特別是A1-Mg合金本發(fā)明的芯線，其硬化指數(shù)為0.26，而連鑄連軋芯線的僅為0.03。因此，本發(fā)明的芯線后續(xù)拉拔有較大的強度提升空間，也就是說本發(fā)明的芯線后續(xù)拉拔后的強度，可以達到強度標準值，特別是對于Al-Mg合金本發(fā)明的芯線，其強度已經(jīng)接近了連鑄連軋芯線，所以可以通過降低Mg含量的方法，同樣能達到強度標準值。圖5和圖6為連鑄連軋工藝和凝固與成形一體化工藝制備的Al-Mg合金芯線的拉伸曲線。從Al-Mg合金芯線拉伸曲線可以看出與連鑄連軋工藝相比，本發(fā)明的Al-Mg合金芯線的拉伸曲線，具明顯的加工硬化效應。同時，從曲線呈現(xiàn)鋸齒狀形態(tài)，表明其明顯的加工硬化效應，是源于本發(fā)明的成形過程中強剪切變形的高應變速率及溫度條件，使Al-Mg合金發(fā)生了應變誘導時效效應。權(quán)利要求一種Al基合金芯線的制備方法，其特征在于選取原料Al基合金，通過澆注系統(tǒng)的自動加料裝置將Al基合金投放到帶有氣體保護的加熱爐中熔化，形成Al基合金熔體，將Al基合金熔體注入“鋁、鎂合金及其復合材料連續(xù)凝固與成形一體化的裝置”的轉(zhuǎn)動輥和固定靴座之間的槽內(nèi)凝固與成形，通過微擠壓筒和模具，使金屬擠壓變形，獲得Al基合金芯線。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種Al基合金芯線的制備方法，其特征在于所述的Al基合金熔體的澆注溫度控制在700°C76(TC范圍，Al基合金包括Al或Al-Mg合金，其中Al采用電工純鋁材料，Al-Mg合金為電工純鋁中添加1%1.5%Mg制備的合金。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種A1基合金芯線的制備方法，其特征在于所述的Al基合金在強剪切和高壓下發(fā)生動態(tài)凝固和大塑性變形，使Al-Mg合金具有應變誘導時效效應，轉(zhuǎn)動輥和固定靴座均通水冷卻，轉(zhuǎn)動輥轉(zhuǎn)速為5rpm25rpm。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種Al基合金芯線的制備方法，其特征在于所述的Al基合金芯線經(jīng)過擠壓變形后，直接通過冷卻水槽冷卻，保持動態(tài)回復的組織，其冷卻條件為芯線連續(xù)通過水冷槽冷卻后的溫度小于70°C。全文摘要一種Al基合金芯線的制備方法，屬于有色金屬材料塑性成形與控制
技術(shù)領域：
，本發(fā)明的制備方法如下通過澆注系統(tǒng)將Al基合金在保護氣氛下加熱熔化；將Al基合金熔體連續(xù)地注入轉(zhuǎn)動輥和固定靴座之間的槽中凝固與成形，并通過微擠壓筒和模具，使金屬擠壓變形，獲得芯線；將擠壓成形的芯線放入冷卻水槽中進行冷卻；將經(jīng)過冷卻水槽成形的Al基合金芯線通過收線系統(tǒng)牽引卷曲成盤。本發(fā)明的優(yōu)點工藝流程短，節(jié)能、芯線組織形態(tài)好，型式尺寸準確，性能穩(wěn)定，有效阻止了芯線表面氧化，顯著細化芯線材料的晶粒組織，提高芯線材料的塑性，可為后序芯線的包覆、焊接與拉制工藝過程，提供良好的界面條件和塑性變形性能。文檔編號B21C37/04GK101786113SQ20101010014公開日2010年7月28日申請日期2010年1月25日優(yōu)先權(quán)日2010年1月25日發(fā)明者吳酉生,曹富榮,李英龍,陳彥博申請人:東北大學