娄敏轩等：铜包铝丝材的旋锻复合一拉拔成形与组织性能 ·1359· formation of equiaxed grains.When the annealing temperature exceeds 350 C,copper and aluminum grains and the interface layer thickness increase,which will lead to a lower wire elongation.A wire of d0.96 mm is fabricated by a 15%-20%single-pass deforma- tion,and then the 665 um diameter wire is manufactured by an 8%-15%single-pass deformation without annealing.In the drawing process,(111)silk texture appears in the copper layer and the aluminum core. KEY WORDS copper-clad aluminum;composite micro-wires;rotary swaging composite;drawing;microstructure and properties 铜包铝复合丝材是在纯铝丝材表面包覆一层纯 相关研究表明，在进行双金属复合成形时，增大 铜而形成的一种双金属层状复合材料，结合了纯铜 塑性加工的变形量有利于提高界面结合强度[16] 优异的导电导热性能、低接触电阻性和纯铝密度较 旋锻成形是通过旋转锻造，使金属产生压缩为主的 低、耐腐蚀、价格低廉的优势1-)]，在航空航天、电子 塑性变形的一种金属成形加工工艺，其特点是可实 通讯、国防军工等领域应用广泛35] 现单道次大变形量加工[7-).如果能利用旋锻成 铜包铝复合线材现有主要制备方法有包覆焊接 形可对双金属进行单道次大变形量压缩变形的特 法、轧制压接法、电镀法、静液挤压法和拉拔复合法、 点，对铜铝双金属进行高质量、高效地复合，以得到 连铸复合法等[6-15)].包覆焊接法和轧制压接法是预 高界面结合质量的复合线材，再通过后续拉拔加工 先制备好包覆层铜带和铝芯线，通过一定工艺将铜 制备细丝材，将有望发展一种简单、高效、低成本和 带包覆在铝芯表面，再通过焊接或轧制压接的方法， 高性能的铜铝复合细丝材制备方法. 将铜带沿纵向焊合在一起，最后再通过扩散热处理 为此，本文采用热旋锻复合并结合中间退火和 和拉拔成形，获得一定尺寸的产品.其共同的优点 拉拔成形，制备了直径为65um的复合丝材，研究 是工艺成熟、自动化程度高、包覆铜层沿圆周方向及 了制备工艺参数对复合线材组织性能及界面的 纵向分布均匀，同心度好：缺点是由于焊缝的存在， 影响. 在加工至较小尺寸时容易在焊缝处开裂而造成报 废，因此难以制备直径细小的复合丝材.电镀法是 1实验 通过电镀在铝丝表面镀上一层铜，其特点是工艺较 1.1铜包铝复合线材的制备 为简单，且可以生产直径较小的复合丝材，但存在的 实验原料为尺寸10mm、壁厚1mm、长1m的 问题是铜层较薄且不致密，铜铝结合强度低，而且环 紫铜管，和直径中7.7mm的纯铝棒（图1(a)),将铜 境负担较大.静液挤压法是预先制备好铜管和铝芯 管内表面、铝棒表面酸洗除去氧化膜，再用钢丝刷打 杆，再通过静液挤压的方法使两者实现复合获得复 磨后装配.打磨的目的是使铜/铝接触面粗糙化，有 合线材，最后经过拉拔成形制备丝材.该方法的优 利于旋锻时界面更好复合.铜铝装配后的外形如图 点是界面结合强度高：包覆层无焊缝，可制备直径细 1(b)所示.将装配好的材料放到加热炉中加热3~ 小的丝材，但问题是需要专用设备，设备投入大，生 5min后立即取出进行旋锻复合成形，旋锻复合的原 产成本高.拉拔复合法是将预先制备的铜管和铝棒 理和过程[1]如图2所示 套装在一起，通过多道次拉拔和扩散退火，制备铜包 制定旋锻工艺参数时，需要考虑制备效率和产 铝线材.该方法的特点是工艺简单、成本低：但由于 品质量等因素.旋锻温度过低，则难以进行单道次 拉拔时单道次变形量较小，界面结合强度低，产品性 大变形量的变形：若温度过高，材料硬度下降严重， 能较差.连铸复合法是将铜和铝熔化后注入一个复 无法实现旋入，也会让接触面氧化严重，影响界面结 合装置中进行连铸成形，通过控制包覆层金属液先 合：单道次变形量过小时，线材的制备效率低，复合 凝固成铜管，然后芯部金属液充填到先凝固的铜管 效果差：变形量过大时，包覆铜层会容易出现破裂. 中凝固形成芯材，并与包覆层形成冶金结合，从而一 因此，旋锻工艺参数拟定为：旋锻温度为150~ 次制备出复合棒坯，再经过轧制和拉拔加工，制备复 450℃，单道次旋锻变形量为30%~50%.通过界 合线材或丝材.该工艺的优点是工艺流程短、生产 面结合情况来选择最佳旋锻工艺.实验所用旋锻机 效率高、产品界面结合强度高.但生产工艺复杂，设 为C7117A/ZF型旋锻机. 备投人较大：受连铸限制，复合坯料一般规格较大， 1.2铜包铝复合线材的中间退火 制备细丝材时，后加工工序繁多.因此，简单高效、 旋锻复合后，若对线材直接拉拔，当拉拔总变 低成本地制备高性能复合丝材一直是人们寻求的 形量达到20%时，线材会出现包覆层开裂，如图3 目标 所示.这说明线材加工硬化较严重，需要进行中间娄敏轩等: 铜包铝丝材的旋锻复合鄄鄄拉拔成形与组织性能 formation of equiaxed grains. When the annealing temperature exceeds 350 益 , copper and aluminum grains and the interface layer thickness increase, which will lead to a lower wire elongation. A wire of 准0郾 96 mm is fabricated by a 15% - 20% single鄄pass deforma鄄 tion, and then the 准65 滋m diameter wire is manufactured by an 8% - 15% single鄄pass deformation without annealing. In the drawing process, 掖111业 silk texture appears in the copper layer and the aluminum core. KEY WORDS copper鄄clad aluminum; composite micro鄄wires; rotary swaging composite; drawing; microstructure and properties 铜包铝复合丝材是在纯铝丝材表面包覆一层纯 铜而形成的一种双金属层状复合材料,结合了纯铜 优异的导电导热性能、低接触电阻性和纯铝密度较 低、耐腐蚀、价格低廉的优势[1鄄鄄2] ,在航空航天、电子 通讯、国防军工等领域应用广泛[3鄄鄄5] . 铜包铝复合线材现有主要制备方法有包覆焊接 法、轧制压接法、电镀法、静液挤压法和拉拔复合法、 连铸复合法等[6鄄鄄15] . 包覆焊接法和轧制压接法是预 先制备好包覆层铜带和铝芯线,通过一定工艺将铜 带包覆在铝芯表面,再通过焊接或轧制压接的方法, 将铜带沿纵向焊合在一起,最后再通过扩散热处理 和拉拔成形,获得一定尺寸的产品. 其共同的优点 是工艺成熟、自动化程度高、包覆铜层沿圆周方向及 纵向分布均匀,同心度好;缺点是由于焊缝的存在, 在加工至较小尺寸时容易在焊缝处开裂而造成报 废,因此难以制备直径细小的复合丝材. 电镀法是 通过电镀在铝丝表面镀上一层铜,其特点是工艺较 为简单,且可以生产直径较小的复合丝材,但存在的 问题是铜层较薄且不致密,铜铝结合强度低,而且环 境负担较大. 静液挤压法是预先制备好铜管和铝芯 杆,再通过静液挤压的方法使两者实现复合获得复 合线材,最后经过拉拔成形制备丝材. 该方法的优 点是界面结合强度高;包覆层无焊缝,可制备直径细 小的丝材,但问题是需要专用设备,设备投入大,生 产成本高. 拉拔复合法是将预先制备的铜管和铝棒 套装在一起,通过多道次拉拔和扩散退火,制备铜包 铝线材. 该方法的特点是工艺简单、成本低;但由于 拉拔时单道次变形量较小,界面结合强度低,产品性 能较差. 连铸复合法是将铜和铝熔化后注入一个复 合装置中进行连铸成形,通过控制包覆层金属液先 凝固成铜管,然后芯部金属液充填到先凝固的铜管 中凝固形成芯材,并与包覆层形成冶金结合,从而一 次制备出复合棒坯,再经过轧制和拉拔加工,制备复 合线材或丝材. 该工艺的优点是工艺流程短、生产 效率高、产品界面结合强度高. 但生产工艺复杂,设 备投入较大;受连铸限制,复合坯料一般规格较大, 制备细丝材时,后加工工序繁多. 因此,简单高效、 低成本地制备高性能复合丝材一直是人们寻求的 目标. 相关研究表明,在进行双金属复合成形时,增大 塑性加工的变形量有利于提高界面结合强度[16] . 旋锻成形是通过旋转锻造,使金属产生压缩为主的 塑性变形的一种金属成形加工工艺,其特点是可实 现单道次大变形量加工[17鄄鄄18] . 如果能利用旋锻成 形可对双金属进行单道次大变形量压缩变形的特 点,对铜铝双金属进行高质量、高效地复合,以得到 高界面结合质量的复合线材,再通过后续拉拔加工 制备细丝材,将有望发展一种简单、高效、低成本和 高性能的铜铝复合细丝材制备方法. 为此,本文采用热旋锻复合并结合中间退火和 拉拔成形,制备了直径为 准65 滋m 的复合丝材,研究 了制备工艺参数对复合线材组织性能及界面的 影响. 1 实 验 1郾 1 铜包铝复合线材的制备 实验原料为尺寸 准10 mm、壁厚 1 mm、长 1 m 的 紫铜管,和直径 准7郾 7 mm 的纯铝棒(图 1(a)),将铜 管内表面、铝棒表面酸洗除去氧化膜,再用钢丝刷打 磨后装配. 打磨的目的是使铜/ 铝接触面粗糙化,有 利于旋锻时界面更好复合. 铜铝装配后的外形如图 1(b)所示. 将装配好的材料放到加热炉中加热 3 ~ 5 min 后立即取出进行旋锻复合成形,旋锻复合的原 理和过程[19]如图 2 所示. 制定旋锻工艺参数时,需要考虑制备效率和产 品质量等因素. 旋锻温度过低,则难以进行单道次 大变形量的变形;若温度过高,材料硬度下降严重, 无法实现旋入,也会让接触面氧化严重,影响界面结 合;单道次变形量过小时,线材的制备效率低,复合 效果差;变形量过大时,包覆铜层会容易出现破裂. 因此, 旋 锻 工 艺 参 数 拟 定 为: 旋 锻 温 度 为 150 ~ 450 益 ,单道次旋锻变形量为 30% ~ 50% . 通过界 面结合情况来选择最佳旋锻工艺. 实验所用旋锻机 为 C7117A/ ZF 型旋锻机. 1郾 2 铜包铝复合线材的中间退火 旋锻复合后,若对线材直接拉拔,当拉拔总变 形量达到 20% 时,线材会出现包覆层开裂,如图 3 所示. 这说明线材加工硬化较严重,需要进行中间 ·1359·