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热处理工艺对铜铝复合母线排界面性能的影响
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热处理工艺对铜铝复合母线排界面性能的影响
摘要：本文使用五机架连轧工艺制备了铜铝复合母线排，通过不同热处理工艺对轧态产品进行处理，使用金相显微镜观察铜/铝界面层的相貌，使用显微硬度计测量了界面层处的硬度分布，使用能谱对界面处的成分变化进行定性，分析热处理工艺对铜铝复合母线排界面性能的影响，为工业生产提供借鉴。
关键词：连轧、母排、复合材料、界面
The influence of heat treatment process on the boundary layer of Copper clad Aluminum compound bus bar
Abstract：Copper clad Aluminum bus bar were prepared using five stand continuous rolling system, and heat-treated by different processes, the Cu/Al boundary layer were observed using microscope, and hardness of the boundary were tested using micro-hardness tester, the chemical composition was tested using EDX. And the influence of heat-treatment process on the boundary in order to support industrial production.
Keywords: Continuous rolling, Bus-bar, Composite, Boundary layer
早在20世纪，铜包铝材料就在欧美国家受到关注，业内称其为继铜、铝后第三代新型导体材料，并广泛应用于自动化、冶金、高低压电器、建筑行业及冶金行业等行业[1]。在国内，随着输配电行业快速发展，铜资源已经成为行业发展的制约因素，节约铜资源，开发新型导体材料很有必要。铜铝复合母线排属于二维铜铝复合材料，较好地将铜的导电、导热率、接触电阻低等电工特性与铝的质轻、易成型的工艺和力学特性结合起来，获得优良的综合特性，其中铜铝界面特性对于复合材料的电工和成型特性直观重要[2]。本文针对铜包铝母排的界面构建进行研究，重点分析了热处理工艺的影响，希望可以为产品制造和新品研发提供借鉴。
1.试样制备
试验样品为苏州华铜复合材料股份公司生产的铜包铝复合母排，其中表层材料为T2铜，成分范围满足GB/T 5231要求，铝的排号为1050，成分范围满足标准GB/T 3190要求，铜在材料中的体积比为20%。铜铝复合母排坯料经过五机架连续轧制后，规格为10mm×100mm×4000mm。取样后，分别在马弗炉内进行退火热处理，退火工艺见表1。
表1 铜铝复合排轧制件退火工艺
Table 1 Annealing process
样品序号 | 退火温度，°C | 退火时间，分钟 | 冷却方式 |
样品1 | 350 | 60 | 空冷 |
样品2 | 350 | 120 | 水冷 |
样品3 | 450 | 60 | 水冷 |
样品4 | 450 | 120 | 空冷 |
将退火后的铜铝复合母排在锯床上进行分割，研磨抛光后，采用4%硝酸酒精进行表面腐蚀。采用HB-3000型布氏硬度计进行复合排表面的布氏硬度测量。采用奥林帕斯DM51 的金相显微镜进行界面形貌观察。采用型号S4800扫描电子显微镜进行界面电子形貌观察，同时采用EDX进行界面合金成分进行分析。
2. 实验结果
4种样品的小载荷维氏硬度测试结果见表1.
表2 四种样品表面布氏硬度
硬度
Table 2 Brinell hardness of 4 samples
样品 样品2 样品1 样品3 图1 不同热处理工艺的样品横截面金相照片（左侧为铝，右侧为铜），×500 Fig.1 Micro-photos for cross-section of samples(Al left, Cu Right)，×500 |
其中样品3的界面电子显微形貌如图2：
图2 样品3的截面电子显微形貌
Fig.2 Electronic microscope photos for sample
对样品3铜铝界面层进行能谱分析，其化学成分见表2：
表2 铜铝界面层的化学成分
Table 2 Chemical composition of the boundary layer
元素 | 重量百分比，% | 原子百分比% |
Al | 45.70 | 66.46 |
Cu | 54.30 | 33.54 |
3. 结果分析
从铜铝相图上看，二者之间可以形成多种化学物，其中包括q相、z2相、h2相等。各种化合物有金属元素组成，称为金属间化学物，硬而脆，变形能力差，在应力集中的情况下容易发生开裂[3-5]。
图3 铜铝二元相图[3]
Fig. 3 Binary diagram of Cu-Al
根据界面层的能谱测试结果可知，在450°C热处理工况下，铜铝之间形成了金属间化学物组织界面层，其铜和铝原子配比接近1：1，为h2相。由于金属间化合物硬且脆，当厚度过大时，在变形过程中容易形成应力累积，产生开裂。在样品4的实验过程中，就发现过合金层处出现微裂纹的现象，这些微裂纹在材料整体变形过程中会成为裂纹源，导致界面的整体失效[6]。
对比分析不同温度的界面形貌，发现温度对界面层的促进作用大于时间因素，对于同一温度，合金层一旦形成，时间延长后，合金层厚度显著增加。从材料热力学角度进行分析，材料的化合需要满足一定的热力学条件，在一定温度下，铜铝原子活性增加，克服化合所需的势垒，形成金属间化学物。同时化学物的增加需要原子的扩散，高温下，原子的扩散能力较强，容易形成厚合金层。温度对界面的生成和生长均具有促进作用，而随着时间的延长，原子的扩散距离和扩散数量增加，也会促进界面层的形成，但作用弱于温度的影响。
对不同热处理温度下的材料硬度进行分析，发现热处理温度与硬度之间存在较弱的正相关性，随着热处理温度的增加，材料的硬度略微降低，其中冷却方式对于材料硬度的硬度不明显。本文补充实验证明，冷加工后铜的硬度增加较多，而铝的硬度增加较少。在450°C情况下进行退火，铝和铜已经产生再结晶，金相照片表明，二者的显微组织均为等轴晶粒。由于二者的纯度较高，没有产生固溶强化。布氏硬度测试过程中，测试结果为铜和铝的复合硬度，硬度值略高于铝，远低于铜。
4. 结论
1）在450°C热处理工况下，铜铝之间形成了金属间化学物组织界面层，其铜和铝原子配比接近1：1，为h2相。
2）相对于保温时间而言，温度对界面合金化层的影响作用较大。
3）冷却方式对复合排的力学性能影响较小，表面布氏硬度低于铜层，而高于铝基体。
参考文献
[1] 孙德勤, 吴春京, 谢建新. 铜包铝复合线材制作技术的发展现状与前景. 电线电缆, 2003(3): 3-6.
[2] 高文浩. 铜包铝线标准化. 光纤与电缆及其应用技术, 1999(3): 23-27.
[3] 刘芳. 金属的电化学腐蚀与铜铝导体的连接, 农村电气化, 2001(3): 35-36.
[4] 张正南. 跌层母线排. 电源技术应用, 2001(3): 35-36.
[5] 周邦新, 蒋有荣. Cu-Al爆炸焊接结合层的透射电镜研究. 金属学报. 1994(3): 104-108.
[6] 戴雅康. 铜包铝内导体CATV同轴电缆的特性. 广播与电视技术. 1997(5): 25-28.
https://blog.sciencenet.cn/blog-49414-691622.html
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