用于銅包鋁復(fù)合扁排性能調(diào)控的高頻感應(yīng)退火裝置及工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明用于銅包鋁復(fù)合扁排性能調(diào)控的高頻感應(yīng)退火裝置及工藝，該裝置主要由導(dǎo)向輥、驅(qū)動(dòng)裝置、陶瓷管、測(cè)溫裝置、感應(yīng)加熱裝置和吹風(fēng)冷卻裝置組成。其特點(diǎn)在于：感應(yīng)加熱電源采用高頻感應(yīng)加熱以提高加熱的速率，縮短加熱時(shí)間，控制界面層厚度；將感應(yīng)加熱線圈設(shè)計(jì)為與銅包鋁扁排橫截面形狀相似的扁平形狀，不僅使感應(yīng)加熱時(shí)銅包鋁扁排不同部位的溫度分布均勻，有利于縮短加熱時(shí)間，控制界面層厚度；通過設(shè)置一定長(zhǎng)度的陶瓷管，使加熱時(shí)溫度均勻，保證銅包覆層和鋁芯同時(shí)完成再結(jié)晶；通過強(qiáng)制風(fēng)冷段使退火后的扁排溫度快速降低到150℃以下，防止銅鋁界面增厚現(xiàn)象，有利于將銅鋁界面層厚度控制在2～3μm。
【專利說明】用于銅包鋁復(fù)合扁排性能調(diào)控的高頻感應(yīng)退火裝置及工藝
[0001]
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明屬于金屬層狀復(fù)合材料領(lǐng)域，涉及一種銅包鋁復(fù)合扁排界面層厚度與性能可調(diào)控的高頻感應(yīng)退火裝置及工藝。
[0003]
【背景技術(shù)】
[0004]銅包鋁扁排是一種雙金屬層狀復(fù)合材料，具有低密度、低成本、易連接等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于配電母線槽、中高頻加熱設(shè)備、各種控制柜和冶金化工領(lǐng)域的匯流排等。銅包鋁導(dǎo)線或扁排一般是通過一定的復(fù)合技術(shù)(見:戴雅康，等.電線電纜，1997，(5):25-28;謝建新，等.一種包復(fù)材料水平連鑄直接復(fù)合成形設(shè)備與工藝.中國(guó)發(fā)明專利:ZL200610112817.3.)先制備出銅包鋁復(fù)合坯料，再經(jīng)軋制、擠壓或拉拔等后續(xù)成形加工工藝，生產(chǎn)出一定斷面形狀和尺寸的產(chǎn)品。經(jīng)軋制或拉拔成形后，銅包鋁復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和硬度升高，拉伸斷后伸長(zhǎng)率明顯下降，電導(dǎo)率下降。在使用前需要進(jìn)行去應(yīng)力退火、以調(diào)控銅包鋁扁排的力學(xué)和導(dǎo)電性能。在大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合，希望獲得盡可能高的導(dǎo)電率，且對(duì)于需要彎曲加工等情形，對(duì)銅包鋁復(fù)合扁排的斷后伸長(zhǎng)率要求較高，因而一般需要通過等溫退火熱處理提高銅包鋁復(fù)合材料的電導(dǎo)率和伸長(zhǎng)率。退火溫度范圍在200~500°C(見:王秋娜，等.材料工程，2008，(7):30~35.)。但另一方面，銅包鋁復(fù)合材料與單一金屬材料存在顯著不同之處，即，由于銅和鋁通過界面相互擴(kuò)散，銅包鋁復(fù)合材料在退火熱處理過程中當(dāng)退火溫度較高、保溫時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，容易導(dǎo)致界面層厚度明顯增大，界面中生成硬而脆的金屬間化合物層，對(duì)銅包鋁復(fù)合材料的界面結(jié)合性能、宏觀力學(xué)性能和導(dǎo)電性能等產(chǎn)生不利影響。一般退火熱處理溫度越高，界面層厚度越大。研究表明:當(dāng)銅/鋁界面金屬間化合物層厚度大于2 μ m后，界面的 斷裂將從延性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔?，界面結(jié)合強(qiáng)度顯著降低(見:Abbasi M, et al.Journal of Alloys and Compounds, 2001, 319(1-2): 233-241 ；Chen C Y, et al.Materials Transactions, 2006, 47(4): 1232-1239.)。對(duì)連鑄-軋制生產(chǎn)的銅包鋁扁排電爐等溫退火研究結(jié)果也表明，在250°C以下退火，界面結(jié)合強(qiáng)度隨溫度的升高而升高；300°C退火后界面處生成金屬間化合物，界面結(jié)合強(qiáng)度有所降低，但此時(shí)組織仍未發(fā)生再結(jié)晶，伸長(zhǎng)率較低，難以滿足彎曲性能要求；當(dāng)400°C退火I小時(shí)后，組織發(fā)生完全再結(jié)晶，伸長(zhǎng)率明顯增大，但界面層厚度達(dá)到4μπι以上，界面結(jié)合強(qiáng)度顯著降低[見:吳永福.矩形大斷面銅包鋁水平連鑄直接復(fù)合成形及加工工藝基礎(chǔ)[D].北京:北京科技大學(xué)，2012.]。
[0005]另一方面，感應(yīng)連續(xù)退火廣泛應(yīng)用于各種有色金屬管材、棒材和線材(為單一金屬產(chǎn)品)的中間退火或成品退火[見:張金利，等.銅合金管材在線去應(yīng)力處理方法及專用裝置.中國(guó)發(fā)明專利，ZL02132633.9 ;南莉，等.稀有金屬快報(bào)，2008，(2): 28-30.]。由于目前單一金屬的退火產(chǎn)品斷面為圓形(圓管、圓棒、圓線)或接近于圓形(如斷面為方形、五邊形、六邊形棒材)，因此感應(yīng)加熱線圈的形狀為圓形，橫斷面溫度場(chǎng)均勻性控制容易。感應(yīng)連續(xù)退火具有產(chǎn)品質(zhì)量均勻性和一致性好、退火速度快、生產(chǎn)效率高等有點(diǎn)。由于中頻感應(yīng)電源設(shè)備容易實(shí)現(xiàn)大功率，有利于在退火時(shí)采用較高的走料速度，所以目前感應(yīng)連續(xù)退火多采用中頻加熱方式，但中頻加熱速度較慢，對(duì)單一金屬影響較小，但由于銅包鋁扁排為雙金屬層狀復(fù)合材料，加熱時(shí)間較長(zhǎng)容易形成較厚的界面層。此外，由于銅和鋁兩種金屬熔點(diǎn)和再結(jié)晶溫度相差較大，且產(chǎn)品為扁寬板型斷面，橫斷面溫度場(chǎng)均勻性控制難度大，傳統(tǒng)感應(yīng)連續(xù)退火設(shè)備和工藝，難以應(yīng)用于該類產(chǎn)品的連續(xù)退火。
[0006]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有常規(guī)的等溫退火方法存在的上述問題，提供一種銅包鋁扁排快速感應(yīng)退火方法，采用高頻感應(yīng)加熱對(duì)銅包鋁扁排進(jìn)行快速連續(xù)感應(yīng)退火，通過快速短時(shí)加熱，顯著縮短銅包鋁扁排在高溫下的保溫時(shí)間，有效地抑制銅包鋁扁排界面層厚度明顯增大現(xiàn)象，從而使退火后的銅包鋁扁排同時(shí)獲得均勻細(xì)小的銅鋁再結(jié)晶組織、較大伸長(zhǎng)率、較小的界面厚度和高的界面結(jié)合強(qiáng)度，有效解決退火后扁排軟化和界面結(jié)合強(qiáng)度降低、電導(dǎo)性能下降的難題。
[0008]為了達(dá)到以上目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為:
一種銅包鋁扁排的高頻感應(yīng)快速退火裝置，該裝置包括該裝置主要由導(dǎo)向輥、驅(qū)動(dòng)裝置、陶瓷管、測(cè)溫裝置、感應(yīng)加熱裝置和吹風(fēng)冷卻裝置組成。其特點(diǎn)在于:感應(yīng)加熱電源采用高頻感應(yīng)加熱以提高加熱的速率，縮短加熱時(shí)間，控制界面層厚度；通過將感應(yīng)加熱線圈設(shè)計(jì)為與銅包鋁扁排橫截面形狀相似的扁平形狀，不僅使感應(yīng)加熱時(shí)銅包鋁扁排不同部位的溫度分布均勻，而且提高了加熱效率，有利于縮短加熱時(shí)間，控制界面層厚度；通過設(shè)置一定長(zhǎng)度的陶瓷管，使加熱時(shí)溫度均勻，保證銅包覆層和鋁芯同時(shí)完成再結(jié)晶；通過設(shè)置強(qiáng)制風(fēng)冷段，使得退火后的扁排溫度快速降低到150°C以下，防止銅鋁界面在冷卻過程中再發(fā)生明顯的擴(kuò)散增厚現(xiàn)象，從而有利于將銅鋁界面層厚度控制在2~3 μ m。
[0009]其中，所述導(dǎo)向輥的主要作用是限制銅包鋁扁排在連續(xù)退火過程中沿寬度方向不發(fā)生偏移，其特征為輥間距可根據(jù)銅包鋁扁排的寬度調(diào)節(jié)；所述驅(qū)動(dòng)裝置的作用主要是驅(qū)動(dòng)銅包鋁扁排以一定的速度連續(xù)通過加熱線圈，其特征為由驅(qū)動(dòng)輥和驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成，驅(qū)動(dòng)裝置可以根據(jù)需要設(shè)定銅包鋁扁排的走料速度；所述陶瓷管的作用主要是對(duì)穿過其中的被加熱的銅包鋁扁排進(jìn)行保溫，防止扁排表面散熱過快，提高銅包鋁扁排表面和內(nèi)部溫度的均勻性；其特征為陶瓷管可采用導(dǎo)熱率較低的耐火材料制作；陶瓷管設(shè)置在感應(yīng)加熱線圈和銅包鋁扁排之間，斷面形狀隨線圈和扁排的形狀而定，一般為矩形管，陶瓷管內(nèi)壁與銅包鋁扁排的外表面應(yīng)有3~10_的間隙，以方便扁排穿過其中，陶瓷管外壁與感應(yīng)加熱線圈內(nèi)孔配合，以方便裝配為準(zhǔn)；陶瓷管長(zhǎng)度根據(jù)連續(xù)退火速度和線圈長(zhǎng)度確定，一般取線圈長(zhǎng)度的2~4倍，一般加熱線圈出口一端陶瓷管的伸出長(zhǎng)度比線圈入口一端長(zhǎng)一些；所述測(cè)溫裝置的作用是對(duì)銅包鋁扁排通過加熱線圈時(shí)的表面溫度進(jìn)行測(cè)量，其特征在于可采用非接觸式紅外測(cè)量裝置，其測(cè)溫范圍應(yīng)在100~550°C之間，測(cè)溫位置設(shè)置在感應(yīng)加熱線圈中部，測(cè)溫探頭通過線圈間隙和陶瓷管上專門開設(shè)的小孔伸入到接近銅包鋁表面的位置；所述感應(yīng)加熱裝置由高頻電源和感應(yīng)加熱線圈組成，作用是將穿過線圈的銅包鋁扁排通過電磁感應(yīng)加熱到需要的溫度并在保持一定的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)組織與性能的調(diào)控；其特征在于加熱線圈的橫截面形狀為與被加熱銅包鋁扁排橫截面形狀相似的矩形，加熱線圈的內(nèi)孔尺寸根據(jù)被加熱銅包鋁扁排的橫截面形狀確定，一般保證內(nèi)孔的四邊與銅包鋁扁排的間隙均勻，間隙大小為8~20_ ;加熱線圈的匝數(shù)和長(zhǎng)度根據(jù)銅包鋁扁排需要的退火時(shí)間和運(yùn)動(dòng)速度來確定，同時(shí)要考慮與高頻電源的電氣參數(shù)相匹配，根據(jù)目前銅包鋁扁排的常用規(guī)格范圍，感應(yīng)加熱線圈橫截面60mmX 20mm~300mmX 100mm,線圈阻數(shù)3~50 BL高頻電源的頻率為10~60kHz。
[0010]本發(fā)明的另一目的是提供一種運(yùn)用上述銅包鋁扁排高頻感應(yīng)快速退火裝置的退火方法，具體包括以下步驟:
步驟1:將一定長(zhǎng)度和斷面尺寸的銅包鋁扁排依次穿過入口端的導(dǎo)向輥2和驅(qū)動(dòng)輥3、高頻感應(yīng)加熱線圈8中的陶瓷管、出口端驅(qū)動(dòng)輥6和導(dǎo)向輥7，并通過調(diào)整線圈的位置使銅包鋁扁排的軸線盡量與感應(yīng)加熱線圈的軸線重合，以保證感應(yīng)加熱的均勻性；
步驟2:啟動(dòng)測(cè)溫裝置5和驅(qū)動(dòng)裝置3和6，設(shè)定走料速度和退火溫度；同時(shí)啟動(dòng)高頻加熱電源9，檢查水電等狀態(tài)，確保工作正常；
步驟3:調(diào)節(jié)高頻加熱電源的加熱功率，對(duì)銅包鋁扁排進(jìn)行快速感應(yīng)加熱，當(dāng)扁排的表面溫度達(dá)到測(cè)溫裝置5的設(shè)定退火溫度時(shí)，驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)銅包鋁扁排以設(shè)定的走料速度通過感應(yīng)加熱線圈，實(shí)現(xiàn)連續(xù)感應(yīng)退火。加熱后的銅包鋁扁排通過強(qiáng)制風(fēng)冷使其溫度快速降低到150°C以下，然后空冷即可。
[0011]其中，所述銅包鋁扁排的退火溫度為300~530°C ;所述銅包鋁扁排退火時(shí)的走料速度為50~5000mm/min ;所述銅包招扁排的斷面尺寸為20mmX4mm~250mmX 12mm。其特點(diǎn)在于:與目前管線材的退火工藝相比，采用較高的退火溫度，較短的退火時(shí)間，以使銅包覆層和鋁芯能同時(shí)快速完成再結(jié)晶；采用保溫后快速冷卻措施，防止了復(fù)合界面層在冷卻過程中繼續(xù)擴(kuò)散增厚現(xiàn)象。`
[0012]本發(fā)明提供的銅包鋁扁排的高頻退火方法的優(yōu)點(diǎn)如下:
(O采用感應(yīng)加熱升溫速度快，溫度均勻；保溫時(shí)間短，且保溫后強(qiáng)制風(fēng)冷，冷卻速度快。因此，可以獲得細(xì)小均勻的銅層和鋁芯再結(jié)晶組織、較高的斷后伸長(zhǎng)率和導(dǎo)電性能，同時(shí)可以有效控制界面層厚度，界面結(jié)合強(qiáng)度較高，退火后的銅包鋁扁排具有優(yōu)良的綜合性倉(cāng)泛;
(2)與傳統(tǒng)爐式退火相比，加熱區(qū)溫度穩(wěn)定性容易控制，退火后銅包鋁扁排的組織與性能均勻性和一致性好；
(3)采用高頻感應(yīng)加熱，操作簡(jiǎn)單，容易控制；
(4)本發(fā)明所采用的方法不需要油、氣燃料，對(duì)環(huán)境友好。
[0013](5)與目前管線材的退火工藝相比，采用較高的退火溫度，較短的退火時(shí)間，以使銅包覆層和鋁芯能同時(shí)快速完成再結(jié)晶；采用保溫后快速冷卻措施，防止了復(fù)合界面層在冷卻過程中繼續(xù)擴(kuò)散增厚現(xiàn)象。
[0014]
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1、圖2為本發(fā)明一種用于銅包鋁復(fù)合扁排性能調(diào)控的高頻感應(yīng)退火裝置和方法原理示意圖。
[0016]圖中:
【權(quán)利要求】
1.一種用于銅包鋁復(fù)合扁排性能調(diào)控的高頻感應(yīng)退火裝置，該裝置包括該裝置主要由導(dǎo)向輥、驅(qū)動(dòng)裝置、陶瓷管、測(cè)溫裝置、感應(yīng)加熱裝置和吹風(fēng)冷卻裝置組成； 所述導(dǎo)向輥包括進(jìn)料導(dǎo)向輥和出料導(dǎo)向輥，分別設(shè)置在感應(yīng)加熱裝置的兩側(cè)，每側(cè)一對(duì)輥，保證銅包鋁扁排在連續(xù)走料過程中沿寬度方向不發(fā)生偏移，輥縫可根據(jù)銅包鋁扁排的寬度調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍為O~300mm ； 所述驅(qū)動(dòng)裝置包括進(jìn)料驅(qū)動(dòng)裝置和出料驅(qū)動(dòng)裝置，所述進(jìn)料驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)置在所述進(jìn)料導(dǎo)向輥的前端，所述出料驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)置在所述出料導(dǎo)向輥的后端，所述進(jìn)料驅(qū)動(dòng)裝置和出料驅(qū)動(dòng)裝置均有由驅(qū)動(dòng)輥和驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成，所述驅(qū)動(dòng)輥由直徑大小相同的上下一對(duì)輥組成，上下輥的輥縫為O~IOOmm可調(diào)，通過調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)定銅包鋁扁排的走料速度； 所述感應(yīng)加熱裝置由高頻電源和感應(yīng)加熱線圈，用于對(duì)銅包鋁扁進(jìn)行感應(yīng)加熱； 所述測(cè)溫裝置由光纖紅外溫度傳感器和測(cè)溫儀表組成，所述測(cè)溫裝置用于對(duì)銅包鋁扁排通過加熱線圈時(shí)的表面溫度進(jìn)行測(cè)量； 所述吹風(fēng)冷卻裝置設(shè)置在設(shè)備的末端，該裝置由若干對(duì)稱設(shè)置的風(fēng)扇組成，所述感應(yīng)加熱裝置用于對(duì)銅包鋁扁排進(jìn)行感應(yīng)冷卻； 所述感應(yīng)加熱線圈纏繞在所述陶瓷管的外側(cè)壁上，所述感應(yīng)加熱線圈的橫截面為矩形，所述感應(yīng)加熱線圈的匝數(shù)3~50匝，所述感應(yīng)加熱線圈與設(shè)置所述加熱段爐罩外的高頻電源連接，所述光纖紅外溫度傳感器與所述測(cè)溫儀表連接，所述光纖紅外溫度傳感器置于所述陶瓷管的中心位置的測(cè)溫孔內(nèi)；所述測(cè)溫儀表與所述驅(qū)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接；使用時(shí)，光纖紅外溫度傳感器測(cè)量的銅包鋁表面溫度通過測(cè)溫儀表顯示，當(dāng)測(cè)量的溫度值達(dá)到退火溫度時(shí)，測(cè)溫儀表通過輸出端將溫度信號(hào)傳給進(jìn)料驅(qū)動(dòng)裝置和出料驅(qū)動(dòng)裝置，進(jìn)料驅(qū)動(dòng)裝置和出料驅(qū)動(dòng)裝置啟動(dòng)，使銅包鋁扁排按照設(shè)定的走料速度運(yùn)動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述感應(yīng)加熱線圈橫截面尺寸為60mmX 20mm ~300mmX 100mm。`
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述高頻電源的頻率為10~60kHz。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述陶瓷管所述陶瓷管采用硅酸鋁纖維棉或石棉的耐火材料制作，所述陶瓷管內(nèi)壁與銅包鋁扁排的外表面應(yīng)有3~IOmm的間隙所述陶瓷管長(zhǎng)度為感應(yīng)加熱線圈長(zhǎng)度的2~4倍。
5.一種運(yùn)用如權(quán)利要求1所述的銅包鋁扁排高頻感應(yīng)快速退火裝置的退火方法，其特征在于，具體包括以下步驟: 步驟1:將銅包鋁扁排置于過入口端的導(dǎo)向裝置和驅(qū)動(dòng)裝置上； 步驟2:啟動(dòng)測(cè)溫裝置和驅(qū)動(dòng)裝置，設(shè)定走料速度和退火溫度；同時(shí)檢查高頻加熱電源水電等狀態(tài)，確保工作正常； 步驟3:啟動(dòng)高頻加熱電源，控制頻率為10~60kHz，當(dāng)測(cè)溫裝置檢測(cè)到感應(yīng)加熱線圈的陶瓷管內(nèi)溫度達(dá)到300~550°C時(shí)，啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置以走料速度為50~5000mm/min驅(qū)動(dòng)銅包鋁扁排依次經(jīng)過陶瓷管進(jìn)行退火，通過風(fēng)扇強(qiáng)制風(fēng)冷使其溫度快速降低到150°C以下，然后空冷即可。
【文檔編號(hào)】C22F1/00GK103695609SQ201310753315
【公開日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2013年12月31日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月31日
【發(fā)明者】謝建新, 劉新華, 張宏杰 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)