矩形断面铜包铝连铸坯轧制成形导电扁排的工艺及性能

D0L:10.13374/.issn1001-053x.2012.11.008 第34卷第11期 北京科技大学学报 Vol.34 No.11 2012年11月 Journal of University of Science and Technology Beijing Now.2012 矩形断面铜包铝连铸坯轧制成形导电扁排的工艺及 性能 吴永福12)刘新华12) 谢建新12)✉ 1)北京科技大学材料先进制备技术教有部重点实验室，北京1000832)北京科技大学新材料技术研究院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:jxie@mater.ustb.edu.cn 摘要采用水平连铸直接复合成形工艺制备了断面尺寸为50mm×30mm×3mm×R4mm的铜包铝复合棒材，通过多道次 平辊轧制和精整拉拔，制备了断面尺寸为60mm×8mm的铜包铝复合扁排，研究了合理的轧制工艺、扁排的力学和导电性能. 结果表明：扁排的最终轧后宽度与侧边部开裂具有相关性，可通过轧制过程的压下量分配和轧制温度控制扁排宽度，从而防 止边部开裂.合理的轧制温度为室温至200℃.在室温平辊轧制时，较为合理的轧制制度为5道次平辊轧制，第1道次压下率 为20%左右，最大道次压下率为30%左右.轧后经1道次精整拉拔，可获得外形尺寸精确、表面质量良好的铜包铝复合扁排. 经退火处理后，铜包铝复合扁排电阻率为2.084×10~8m,抗拉强度为122.7MPa,延伸率为22.0%，界面剪切强度为25.9 MPa. 关键词导电排：铜：铝：金属复合；轧制成形：力学性能：电阻率 分类号TG335 Rolling process and properties of copper cladding aluminum flat bars using con- tinuous casting bars with the rectangle section WU Yong fu》,LIU Xin-hua》,XIE Jian-xin'2》☒ 1)MOE Key Laboratory for Advanced Materials Processing,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Institute for Advanced Materials and Technology,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:jxxie@mater.ustb.edu.cn ABSTRACT Copper cladding aluminum (CCA)rods with the section dimensions of 50 mm x30mm x3mmx R4mm were fabricated by horizontal core-filling continuous casting (HCFC)technology,and then CCA flat bars with the section dimensions of 60mm x8mm were formed from the CCA rods by multi-pass rolling and finishing drawing process.The reasonable rolling process,mechanical proper- ties and electrical properties of the flat bars were investigated subsequently.The results confirm the correlation between the width of the flat bars after rolling and the side-edge cracking behavior.The width of the flat bars can be controlled by allocating the pass reduction and setting the temperature of the rolling process,thereby suppressing the side-edge cracking in the flat bars.The reasonable rolling temperature range is from room temperature to 200C.When rolling at room temperature,the much reasonable rolling schedule is 5 passes flat rolling,the Ist pass reduction of about 20%and the highest pass reduction of about 30%.Through 1 pass finishing drawing after the rolling process,the flat bars can be obtained with precise section size and excellent surface quality.After annealing treatment, the electrical resistivity of the flat bar is 2.084 x 10m,the tensile strength is 122.7MPa,the elongation is 22.0%and the shear bonding strength of the interface is 25.9 MPa. KEY WORDS busbars:copper:aluminum:metal cladding:rolling:mechanical properties;electrical resistivity 铜包铝(CCA)复合导电扁排是一种新型双金 但是，现有铜包铝生产方法，如铸造一挤压法B、静 属复合导体，具有导电性能好、密度低及价格便宜等 液挤压法5、套管拉拔法可、包覆焊接法网和轧制 优点，可广泛用于建筑配电母线槽、高中频加热 压接法可，均难以制备断面尺寸较大、铜包覆层厚 设备、各种控制柜和治金化工领域的大型汇流排等. 度为毫米级以及界面达到完全治金结合的高性能铜 收稿日期：20120906 基金项目：国家高技术研究发展计划资助项目(2009AA03Z532)

第 34 卷 第 11 期 2012 年 11 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 34 No． 11 Nov． 2012 矩形断面铜包铝连铸坯轧制成形导电扁排的工艺及 性能 吴永福1，2) 刘新华1，2) 谢建新1，2) 1) 北京科技大学材料先进制备技术教育部重点实验室，北京 100083 2) 北京科技大学新材料技术研究院，北京 100083 通信作者，E-mail: jxxie@ mater． ustb． edu． cn 摘 要 采用水平连铸直接复合成形工艺制备了断面尺寸为 50 mm × 30 mm × 3 mm × R4 mm 的铜包铝复合棒材，通过多道次 平辊轧制和精整拉拔，制备了断面尺寸为 60 mm × 8 mm 的铜包铝复合扁排，研究了合理的轧制工艺、扁排的力学和导电性能． 结果表明: 扁排的最终轧后宽度与侧边部开裂具有相关性，可通过轧制过程的压下量分配和轧制温度控制扁排宽度，从而防 止边部开裂． 合理的轧制温度为室温至 200 ℃ ． 在室温平辊轧制时，较为合理的轧制制度为 5 道次平辊轧制，第 1 道次压下率 为 20% 左右，最大道次压下率为 30% 左右． 轧后经 1 道次精整拉拔，可获得外形尺寸精确、表面质量良好的铜包铝复合扁排． 经退火处理后，铜包铝复合扁排电阻率为 2. 084 × 10 － 8 Ω·m，抗拉强度为 122. 7 MPa，延伸率为 22. 0% ，界面剪切强度为 25. 9 MPa． 关键词 导电排; 铜; 铝; 金属复合; 轧制成形; 力学性能; 电阻率 分类号 TG335 Rolling process and properties of copper cladding aluminum flat bars using con￾tinuous casting bars with the rectangle section WU Yong-fu1，2) ，LIU Xin-hua1，2) ，XIE Jian-xin1，2) 1) MOE Key Laboratory for Advanced Materials Processing，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) Institute for Advanced Materials and Technology，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China Corresponding author，E-mail: jxxie@ mater． ustb． edu． cn ABSTRACT Copper cladding aluminum ( CCA) rods with the section dimensions of 50 mm × 30 mm × 3 mm × R4 mm were fabricated by horizontal core-filling continuous casting ( HCFC) technology，and then CCA flat bars with the section dimensions of 60 mm × 8 mm were formed from the CCA rods by multi-pass rolling and finishing drawing process． The reasonable rolling process，mechanical proper￾ties and electrical properties of the flat bars were investigated subsequently． The results confirm the correlation between the width of the flat bars after rolling and the side-edge cracking behavior． The width of the flat bars can be controlled by allocating the pass reduction and setting the temperature of the rolling process，thereby suppressing the side-edge cracking in the flat bars． The reasonable rolling temperature range is from room temperature to 200 ℃ ． When rolling at room temperature，the much reasonable rolling schedule is 5 passes flat rolling，the 1st pass reduction of about 20% and the highest pass reduction of about 30% ． Through 1 pass finishing drawing after the rolling process，the flat bars can be obtained with precise section size and excellent surface quality． After annealing treatment， the electrical resistivity of the flat bar is 2. 084 × 10 － 8 Ω·m，the tensile strength is 122. 7 MPa，the elongation is 22. 0% and the shear bonding strength of the interface is 25. 9 MPa． KEY WORDS busbars; copper; aluminum; metal cladding; rolling; mechanical properties; electrical resistivity 收稿日期: 2012--09--06 基金项目: 国家高技术研究发展计划资助项目( 2009AA03Z532) 铜包铝( CCA) 复合导电扁排是一种新型双金 属复合导体，具有导电性能好、密度低及价格便宜等 优点［1--2］，可广泛用于建筑配电母线槽、高中频加热 设备、各种控制柜和冶金化工领域的大型汇流排等． 但是，现有铜包铝生产方法，如铸造--挤压法［3--4］、静 液挤压法［5--6］、套管拉拔法［7］、包覆焊接法［8］和轧制 压接法［9］，均难以制备断面尺寸较大、铜包覆层厚 度为毫米级以及界面达到完全冶金结合的高性能铜 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2012.11.008

·1302· 北京科技大学学报 第34卷 包铝复合扁排类产品 生产扁平类产品时，存在变形均匀性较差及轧制难 水平连铸直接复合法(HCFC)是笔者等人开发 度较大等问题.为此，本文采用水平连铸直接复合 的制备铜包铝复合材料的新工艺0，具有流程短、 法制备了较大规格的矩形断面铜包铝复合坯料，通 效率高、界面结合性能好、适合于大断面尺寸和包覆 过3~5道次的平辊轧制，并配合拉拔精整以及退火 层厚度较厚的复合材料的制备等优点1切，为生产 工艺，制备了宽度60mm、厚度8mm的铜包铝复合 高性能铜包铝复合扁排类产品开辟了新的途径.罗 扁排，研究了合理的轧制工艺，并对其力学性能、电 奕兵和刘新华等4-和Dyja等n通过有限元模 学性能以及界面结合性能进行了分析. 拟的方法研究了铜包铝圆棒坯轧制过程中的宽展 1 实验方法 规律和变形行为等，并通过平辊轧制结合拉拔的 加工方法制备了40mm×10mm铜包铝复合电力 轧制坯料采用水平连铸直接复合法制备的 扁排，证明采用连铸一轧制法制备铜包铝复合扁排 50mm×30mm×3mm×R4mm(宽度×厚度×铜层 的可行性. 厚度×圆角半径)矩形断面铜包铝复合棒材，棒坯 从几何相似性的角度考虑，采用圆形坯料轧制 的横断面和纵断面宏观形貌如图1所示. (a) 10 mm 图1矩形断面铜包铝断面宏观形貌.(a)横断面：(b)纵断面 Fig.1 Section morphologies of copper cladding aluminum (CCA):(a)transverse:(b)longitudinal 铜包铝复合扁排的轧制成形在二辊轧机上进 排的电阻率，样品长度800mm.! 以上性能评价试验 行，轧辊直径为400mm,轧制速度为8m·min,轧 在每一种条件下重复三次，性能数据取三次的平 制过程无润滑，轧制温度范围为室温至400℃.轧 均值 后铜包铝复合扁排经1道次拉拔以精确控制其断面 48.0 尺寸并改善表面质量.拉拔在链式拉拔机上进行， 0.5 拉拔过程润滑剂采用20机油.拉拔后不经过任何 40 退火的铜包铝复合扁排标记为加工态，拉拔后经退 火处理的铜包铝复合扁排标记为软态.采用 SGM4810AE箱式退火炉对复合扁排进行退火处理， 退火炉的控温精度为±1℃. 0 100 分别采用拉伸试验和三点弯曲试验评价加工态 图2铜包铝复合扁排拉剪试验样品尺寸图（单位：mm) 和软态铜包铝复合扁排的力学性能，包括抗拉强度、 Fig.2 Shear tensile test specimen of the CCA flat bar (unit:mm) 延伸率和弯曲工艺性能等指标.力学性能评价的试 验设备为200kN万能材料试验机，夹头移动速度为 2复合扁排轧制成形与拉拔精整 3 mm*min-'.拉伸和弯曲试验的样品均为全截面铜 包铝复合扁排，拉伸试验样品长度300mm,标距 以水平连铸直接复合法制备的50mm× 125mm,弯曲试验样品长度200mm,弯曲半径 30mm×3mm×R4mm矩形断面铜包铝复合棒材为 15mm,跨距100mm.参考GB/T6396一1995中规 轧制坯料，研究轧制压下制度和轧制温度对轧制过 定的层状复合材料层间结合强度拉剪试验方法评价 程的影响，获得合理的轧制压下制度和轧制温度范 铜包铝复合扁排的界面结合强度.试验样品的形状 围.轧制总压下量为22mm,轧制总压下率为 和尺寸如图2所示.拉剪试验设备采用10kN万能 73.3%,采用3~5道次的轧制方案，轧制温度范围 材料试验机，夹头移动速度为0.5mm/min.采用 从室温至400℃，不同轧制制度下的结果如表1所 Applent AT510直流电阻测试仪分析铜包铝复合扁 示，E为压下率，△h为压下量

北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 包铝复合扁排类产品． 水平连铸直接复合法( HCFC) 是笔者等人开发 的制备铜包铝复合材料的新工艺［10］，具有流程短、 效率高、界面结合性能好、适合于大断面尺寸和包覆 层厚度较厚的复合材料的制备等优点［11--13］，为生产 高性能铜包铝复合扁排类产品开辟了新的途径． 罗 奕兵和刘新华等［14--15］和 Dyja 等［16］通过有限元模 拟的方法研究了铜包铝圆棒坯轧制过程中的宽展 规律和变形行为等，并通过平辊轧制结合拉拔的 加工方法制备了 40 mm × 10 mm 铜包铝复合电力 扁排，证明采用连铸--轧制法制备铜包铝复合扁排 的可行性． 从几何相似性的角度考虑，采用圆形坯料轧制 生产扁平类产品时，存在变形均匀性较差及轧制难 度较大等问题． 为此，本文采用水平连铸直接复合 法制备了较大规格的矩形断面铜包铝复合坯料，通 过 3 ～ 5 道次的平辊轧制，并配合拉拔精整以及退火 工艺，制备了宽度 60 mm、厚度 8 mm 的铜包铝复合 扁排，研究了合理的轧制工艺，并对其力学性能、电 学性能以及界面结合性能进行了分析． 1 实验方法 轧制坯料采用 水 平 连 铸 直 接 复 合 法 制 备 的 50 mm × 30 mm × 3 mm × R4 mm( 宽度 × 厚度 × 铜层 厚度 × 圆角半径) 矩形断面铜包铝复合棒材，棒坯 的横断面和纵断面宏观形貌如图 1 所示． 图 1 矩形断面铜包铝断面宏观形貌． ( a) 横断面; ( b) 纵断面 Fig． 1 Section morphologies of copper cladding aluminum ( CCA) : ( a) transverse; ( b) longitudinal 铜包铝复合扁排的轧制成形在二辊轧机上进 行，轧辊直径为 400 mm，轧制速度为 8 m·min － 1 ，轧 制过程无润滑，轧制温度范围为室温至 400 ℃ ． 轧 后铜包铝复合扁排经 1 道次拉拔以精确控制其断面 尺寸并改善表面质量． 拉拔在链式拉拔机上进行， 拉拔过程润滑剂采用 20# 机油． 拉拔后不经过任何 退火的铜包铝复合扁排标记为加工态，拉拔后经退 火处理的铜包铝复合扁排标记为软态． 采 用 SGM4810AE 箱式退火炉对复合扁排进行退火处理， 退火炉的控温精度为!1 ℃ ． 分别采用拉伸试验和三点弯曲试验评价加工态 和软态铜包铝复合扁排的力学性能，包括抗拉强度、 延伸率和弯曲工艺性能等指标． 力学性能评价的试 验设备为 200 kN 万能材料试验机，夹头移动速度为 3 mm·min － 1 ． 拉伸和弯曲试验的样品均为全截面铜 包铝复合扁排，拉伸试验样品长度 300 mm，标距 125 mm，弯曲试验样品长度 200 mm，弯 曲 半 径 15 mm，跨距 100 mm． 参考 GB /T 6396—1995 中规 定的层状复合材料层间结合强度拉剪试验方法评价 铜包铝复合扁排的界面结合强度． 试验样品的形状 和尺寸如图 2 所示． 拉剪试验设备采用 10 kN 万能 材料试验机，夹头移动速度为 0. 5 mm /min． 采用 Applent AT510 直流电阻测试仪分析铜包铝复合扁 排的电阻率，样品长度 800 mm． 以上性能评价试验 在每一种条件下重复三次，性能数据取三次的平 均值． 图 2 铜包铝复合扁排拉剪试验样品尺寸图( 单位: mm) Fig． 2 Shear tensile test specimen of the CCA flat bar ( unit: mm) 2 复合扁排轧制成形与拉拔精整 以水平连铸直接复合法制备的 50 mm × 30 mm × 3 mm × R4 mm 矩形断面铜包铝复合棒材为 轧制坯料，研究轧制压下制度和轧制温度对轧制过 程的影响，获得合理的轧制压下制度和轧制温度范 围． 轧制总压下量为 22 mm，轧 制 总 压 下 率 为 73. 3% ，采用 3 ～ 5 道次的轧制方案，轧制温度范围 从室温至 400 ℃，不同轧制制度下的结果如表 1 所 示，ε 为压下率，Δh 为压下量． ·1302·

第11期 吴永福等：矩形断面铜包铝连铸坯轧制成形导电扁排的工艺及性能 ·1303· 表150mm×30mmx3mm×R4mm铜包铝不同轧制制度下的实验结果 Table 1 Experimental results of the 50 mm x 30 mm x3 mm x R4 mm CCA under different rolling schedules 编温度/第1道次 第2道次 第3道次 第4道次 第5道次 轧后宽度， 实验 号℃1/%.△h1/mm &2/%△h2/mm &3/%△h3/mm 64/%△h4/mm 6s/%△hs/mm w/mm 结果 1室温 15 4.5 21.6 5.5 30.0 6.0 28.6 4.0 20.0 2.0 61.8 无边裂 2室温 20 6.0 18.8 4.5 32.8 6.4 24.43.2 19.2 1.9 61.1 无边裂 3室温 25 7.5 25.0 5.6 22.0 3.7 22.0 2.9 22.0 2.3 62.3 无边裂，局部颈缩 4室温 35 10.5 25.0 4.9 25.0 3.7 25.02.7 一 63.9 边裂 5室温 45 13.5 35.0 5.8 25.0 2.7 64.9 边裂 6200 20 6.0 18.8 4.5 32.8 6.4 24.4 3.2 19.2 1.9 62.3 无边裂 250 20 6.0 18.8 4.5 32.8 6.4 24.4 3.2 19.2 1.9 63.3 无边裂，局部颈缩 8300 20 6.0 18.8 4.5 32.8 6.4 24.4 3.2 19.2 1.9 64.0 边裂 350 20 6.0 18.8 4.5 32.8 6.4 24.4 3.2 19.2 1.9 66.6 边裂 10400 6.0 18.8 4.5 32.8 6.4 24.4 3.2 19.2 1.9 66.9 边裂 2.1压下制度的影响 采用4号压下制度轧制时，第1道次增大至35%， 在室温下轧制时，在表1的1~5号压下制度下 轧制总道次数减少至4时，在最终轧制道次扁排的 轧制获得的铜包铝复合扁排的形貌照片如图3所 侧边部开始出现明显开裂现象，如图3(d)所示.采 示.从图3可以看出，采用1~2号压下制度轧制获 用5号压下制度轧制时，第1道次增大至45%，轧 得的铜包铝复合扁排侧边部无明显裂纹和颈缩现 制过程一共3个道次，在第2道次即出现严重的边 象，如图3(a)和(b)所示.当第1道次压下率增大 裂，如图3(e)所示.可见，1~3号压下制度的轧制 到25%时(3号压下制度)，在最终轧制道次扁排的 道次较多，并且最大道次压下率在32.8%以下，所 侧边部出现颈缩，但无明显裂纹，如图3(c)所示 制备的铜包铝复合扁排侧边部无裂纹.4~5号压 b 20 mm 20m 开裂 20m单 20 mm 开裂 20 tm 图3冷轧铜包铝复合扁排表面宏观形貌.(a)轧制制度1：(b)轧制制度2：()轧制制度3：(d)轧制制度4：()轧制制度5 Fig.3 Surface images of the cold rolled CCA flat bars:(a)rolling schedule 1:(b)rolling schedule 2;(c)rolling schedule 3:(d)rolling sched- ule 4:(e)rolling schedule 5

第 11 期 吴永福等: 矩形断面铜包铝连铸坯轧制成形导电扁排的工艺及性能 表 1 50 mm × 30 mm × 3 mm × R4 mm 铜包铝不同轧制制度下的实验结果 Table 1 Experimental results of the 50 mm × 30 mm × 3 mm × R4 mm CCA under different rolling schedules 编 号 温度/ ℃ 第 1 道次 第 2 道次 第 3 道次 第 4 道次 第 5 道次 ε1 /% Δh1 /mm ε2 /% Δh2 /mm ε3 /% Δh3 /mm ε4 /% Δh4 /mm ε5 /% Δh5 /mm 轧后宽度， w /mm 实验 结果 1 室温 15 4. 5 21. 6 5. 5 30. 0 6. 0 28. 6 4. 0 20. 0 2. 0 61. 8 无边裂 2 室温 20 6. 0 18. 8 4. 5 32. 8 6. 4 24. 4 3. 2 19. 2 1. 9 61. 1 无边裂 3 室温 25 7. 5 25. 0 5. 6 22. 0 3. 7 22. 0 2. 9 22. 0 2. 3 62. 3 无边裂，局部颈缩 4 室温 35 10. 5 25. 0 4. 9 25. 0 3. 7 25. 0 2. 7 — — 63. 9 边裂 5 室温 45 13. 5 35. 0 5. 8 25. 0 2. 7 — — — — 64. 9 边裂 6 200 20 6. 0 18. 8 4. 5 32. 8 6. 4 24. 4 3. 2 19. 2 1. 9 62. 3 无边裂 7 250 20 6. 0 18. 8 4. 5 32. 8 6. 4 24. 4 3. 2 19. 2 1. 9 63. 3 无边裂，局部颈缩 8 300 20 6. 0 18. 8 4. 5 32. 8 6. 4 24. 4 3. 2 19. 2 1. 9 64. 0 边裂 9 350 20 6. 0 18. 8 4. 5 32. 8 6. 4 24. 4 3. 2 19. 2 1. 9 66. 6 边裂 10 400 20 6. 0 18. 8 4. 5 32. 8 6. 4 24. 4 3. 2 19. 2 1. 9 66. 9 边裂 图 3 冷轧铜包铝复合扁排表面宏观形貌． ( a) 轧制制度 1; ( b) 轧制制度 2; ( c) 轧制制度 3; ( d) 轧制制度 4; ( e) 轧制制度 5 Fig． 3 Surface images of the cold rolled CCA flat bars: ( a) rolling schedule 1; ( b) rolling schedule 2; ( c) rolling schedule 3; ( d) rolling sched￾ule 4; ( e) rolling schedule 5 2. 1 压下制度的影响 在室温下轧制时，在表 1 的 1 ～ 5 号压下制度下 轧制获得的铜包铝复合扁排的形貌照片如图 3 所 示． 从图 3 可以看出，采用 1 ～ 2 号压下制度轧制获 得的铜包铝复合扁排侧边部无明显裂纹和颈缩现 象，如图 3( a) 和( b) 所示． 当第 1 道次压下率增大 到 25% 时( 3 号压下制度) ，在最终轧制道次扁排的 侧边部出现颈缩，但无明显裂纹，如图 3 ( c) 所示． 采用 4 号压下制度轧制时，第 1 道次增大至 35% ， 轧制总道次数减少至 4 时，在最终轧制道次扁排的 侧边部开始出现明显开裂现象，如图 3( d) 所示． 采 用 5 号压下制度轧制时，第 1 道次增大至 45% ，轧 制过程一共 3 个道次，在第 2 道次即出现严重的边 裂，如图 3( e) 所示． 可见，1 ～ 3 号压下制度的轧制 道次较多，并且最大道次压下率在 32. 8% 以下，所 制备的铜包铝复合扁排侧边部无裂纹． 4 ～ 5 号压 ·1303·

·1304· 北京科技大学学报 第34卷 下制度由于轧制道次相对较少，单道次压下率较大， 复合扁排的宽度大于62mm时，边部开裂的倾向性 最终轧后宽度明显增加（参见图4），铜包铝复合扁 增加.这是因为，轧制过程中侧边部铜层处于自由 排侧边部出现裂纹.上述结果表明，随着轧制道次 变形区，在轧制方向处于拉应力状态，随着扁排的宽 减少或轧制最大道次压下率的增加，轧制过程中铜 度增大，侧边部铜层所受的拉应力增大，导致开裂倾 包铝复合扁排的边部开裂倾向加重. 向趋于严重.表1中轧制制度编号是根据第1道次 66 压下率递增的.从表1和图4可以看出，轧件最终 冷轧 649 宽度并不随着第1道次压下率的增大而线性增大， 64 63. 而是在第1道次为20%的轧制制度下达到了最低 颈缩 值，这说明轧件最终宽度与轧制压下量的分配有关. 62.3 根据表1的结果和上述讨论可知，50mm× 262 T61.8 T61 30mm×3mm×R4mm矩形铜包铝复合棒材室温轧 制时较为合理的轧制压下制度为：采用5道次平辊 轧制，第1道次的压下率为20%左右，最大道次压 轧制制度 下率为30%左右. 2.2轧制温度的影响 图4轧制制度对铜包铝复合扁排轧后宽度的影响 Fig.4 Effect of rolling schedule on the width of the CCA flat bars 在轧制温度200~400℃范围内，采用表1中的 2号压下制度轧制成形的铜包铝复合扁排的形貌如 在室温下轧制，不同压下制度下轧制的铜包铝 图5所示.从图5可以看出，在相同的压下制度下， 复合扁排宽度如图4所示，图中横坐标为表1中定 200℃轧制时边部无开裂现象，轧制温度提高到 义的轧制制度编号.由图4可知，当终轧后铜包铝 250℃时出现颈缩，300℃轧制时出现边部裂纹， 伍缩 20 mm 20 mm ,开裂 须缩 开裂、 20 mm 20m画 开裂 Ke 20 mm 图5热轧铜包铝复合扁排表面宏观形貌.(a)200℃：(b)250℃：(c)300℃：(d)350℃：（©）400℃ Fig.5 Surface images of the hot rolled CCA flat bars:(a)200℃；(b)250℃；(c）300℃：(d)350℃：(e)400℃

北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 下制度由于轧制道次相对较少，单道次压下率较大， 最终轧后宽度明显增加( 参见图 4) ，铜包铝复合扁 排侧边部出现裂纹． 上述结果表明，随着轧制道次 减少或轧制最大道次压下率的增加，轧制过程中铜 包铝复合扁排的边部开裂倾向加重． 图 4 轧制制度对铜包铝复合扁排轧后宽度的影响 Fig． 4 Effect of rolling schedule on the width of the CCA flat bars 在室温下轧制，不同压下制度下轧制的铜包铝 复合扁排宽度如图 4 所示，图中横坐标为表 1 中定 图 5 热轧铜包铝复合扁排表面宏观形貌． ( a) 200 ℃ ; ( b) 250 ℃ ; ( c) 300 ℃ ; ( d) 350 ℃ ; ( e) 400 ℃ Fig． 5 Surface images of the hot rolled CCA flat bars: ( a) 200 ℃ ; ( b) 250 ℃ ; ( c) 300 ℃ ; ( d) 350 ℃ ; ( e) 400 ℃ 义的轧制制度编号． 由图 4 可知，当终轧后铜包铝 复合扁排的宽度大于 62 mm 时，边部开裂的倾向性 增加． 这是因为，轧制过程中侧边部铜层处于自由 变形区，在轧制方向处于拉应力状态，随着扁排的宽 度增大，侧边部铜层所受的拉应力增大，导致开裂倾 向趋于严重． 表 1 中轧制制度编号是根据第 1 道次 压下率递增的． 从表 1 和图 4 可以看出，轧件最终 宽度并不随着第 1 道次压下率的增大而线性增大， 而是在第 1 道次为 20% 的轧制制度下达到了最低 值，这说明轧件最终宽度与轧制压下量的分配有关． 根据 表 1 的结果和上述讨论可知，50 mm × 30 mm × 3 mm × R4 mm 矩形铜包铝复合棒材室温轧 制时较为合理的轧制压下制度为: 采用 5 道次平辊 轧制，第 1 道次的压下率为 20% 左右，最大道次压 下率为 30% 左右． 2. 2 轧制温度的影响 在轧制温度 200 ～ 400 ℃范围内，采用表 1 中的 2 号压下制度轧制成形的铜包铝复合扁排的形貌如 图 5 所示． 从图 5 可以看出，在相同的压下制度下， 200 ℃ 轧制时边部无开裂现象，轧制温度 提 高 到 250 ℃时出现颈缩，300 ℃ 轧制时出现边部裂纹， ·1304·

第11期 吴永福等：矩形断面铜包铝连铸坯轧制成形导电扁排的工艺及性能 ·1305· 300℃以上轧制时边部开裂加剧.300℃以上轧制边 程中的侧边部铜层的开裂与扁排宽度之间具有相关 部开裂现象加剧的原因，可能与包覆铜层中杂质元 性，轧制最终道次扁排的宽度越大，则侧边部铜层表 素氢引起的脆性区温度有关，或与界面层结构与性 面质量越差，开裂倾向越严重.扁排的宽度由压下 能变化有关.这有待深入研究 制度、轧制温度、摩擦条件等轧制工艺参数决定，因 轧制温度对铜包铝复合扁排的最终轧后宽度的 此通过合理分配轧制过程道次压下量以及合理的轧 影响如图6所示.可见随着轧制温度的升高，复合 制温度控制，控制轧件的最终宽度，可有效改善边部 扁排的宽度增大.轧制温度主要通过摩擦因数影响 表面质量，避免开裂.在冷轧条件下，控制轧件宽度 宽展m,随着轧制温度的升高，金属变形抗力降低， 在62mm以下，宽展率小于24%：在温轧条件下，控 促使摩擦因数升高，同时金属表面氧化皮层软化促 制轧制温度在200℃以下，并控制轧件宽度在63mm 使摩擦因数降低.在较低温度下前者起主导作用， 以下，宽展率小于26%，可有效避免侧边部铜层的 而在较高温度下后者起主导作用.本文的轧制 开裂.轧制过程的边部开裂一般原因是由不均匀变 温度较低，轧制温度升高引起金属变形抗力降低的 形所引起的附加拉应力.文献9-20]研究表明， 因素起主要作用，导致包覆铜层与轧辊的摩擦因数 在轧制坯料宽厚比小于8的条件下，宽展是影响轧 增大，从而使得轧制宽展增加.扁排宽度越大，侧边 件边部开裂的主要因素.这是因为轧件宽度的增 部表面质量越差.由上述分析可知，50mm× 加，导致处在自由变形区的侧边部铜层在轧向的附 30mm×3mm×R4mm矩形断面铜包铝复合棒材的 加拉应力增大，其开裂倾向增大 合理轧制温度范围为室温至200℃. 2.3拉拔精整 68 水平连铸制备的50mm×30mm×3mm×R4mm 矩形断面铜包铝复合棒材，采用表1所示的2号压 66 下制度5道次平辊冷轧成形的铜包铝复合扁排如 颈缩 图7(a)所示.由图可知，轧态扁排的侧边部有明显 64 的褶皱，横断面尺寸不规整，因而需要对轧制成形的 62 铜包铝扁排进行精整拉拔，以改善表面质量和精确 控制横断面尺寸. 60 轧后扁排经1道次的精整拉拔后，其形貌如 150 200 250300 350400 轧制温度/℃ 图7(b)所示.拉拔过程的变形量较小，厚度方向压 下量为0.2mm,宽度方向压下量为1.2mm,拉拔后 图6轧制温度对铜包铝复合扁排宽度的影响 Fig.6 Effect of rolling temperature on the width of the CCA flat bars 断面尺寸为60mm×8mm×R4mm.由图7可以看 出，拉拔对扁排侧边部表面质量的改善明显，有效消 综上所述，矩形断面铜包铝在轧制成形时，关键 除了侧边部的褶皱，显著改善了扁排粗糙度，使扁排 问题是侧边部铜层的开裂.铜包铝复合扁排轧制过 表面光滑，断面形状规整 20m 20 mn 图7铜包铝复合扁排宏观形貌.(a)轧态：(b)拉拔态 Fig.7 Images of the CCA flat bars:(a)as-rolled;(b)as-drawn 铝导电扁排在使用时的弯曲工艺性能要求宽边 3 复合扁排的性能 弯曲90°无肉眼可见的裂纹.为此，研究了加工 拉拔精整后的铜包铝复合扁排标记为加工 态和在300、350和400℃退火1h(空冷)后复合 态，拉拔后经退火处理的铜包铝复合扁排标记为 扁排的三点弯曲成形性能.四种状态下扁排弯曲 软态.GB/T5585一2005G规定软态的纯铜或纯 90°后的形貌如图8所示，只有在400℃、1h条件

第 11 期 吴永福等: 矩形断面铜包铝连铸坯轧制成形导电扁排的工艺及性能 300 ℃以上轧制时边部开裂加剧． 300 ℃以上轧制边 部开裂现象加剧的原因，可能与包覆铜层中杂质元 素氢引起的脆性区温度有关，或与界面层结构与性 能变化有关． 这有待深入研究． 轧制温度对铜包铝复合扁排的最终轧后宽度的 影响如图 6 所示． 可见随着轧制温度的升高，复合 扁排的宽度增大． 轧制温度主要通过摩擦因数影响 宽展［17］，随着轧制温度的升高，金属变形抗力降低， 促使摩擦因数升高，同时金属表面氧化皮层软化促 使摩擦因数降低． 在较低温度下前者起主导作用， 而在较高温度下后者起主导作用［18］． 本文的轧制 温度较低，轧制温度升高引起金属变形抗力降低的 因素起主要作用，导致包覆铜层与轧辊的摩擦因数 增大，从而使得轧制宽展增加． 扁排宽度越大，侧边 部表 面 质 量 越 差． 由上述分析可知，50 mm × 30 mm × 3 mm × R4 mm 矩形断面铜包铝复合棒材的 合理轧制温度范围为室温至 200 ℃ ． 图 6 轧制温度对铜包铝复合扁排宽度的影响 Fig． 6 Effect of rolling temperature on the width of the CCA flat bars 综上所述，矩形断面铜包铝在轧制成形时，关键 问题是侧边部铜层的开裂． 铜包铝复合扁排轧制过 程中的侧边部铜层的开裂与扁排宽度之间具有相关 性，轧制最终道次扁排的宽度越大，则侧边部铜层表 面质量越差，开裂倾向越严重． 扁排的宽度由压下 制度、轧制温度、摩擦条件等轧制工艺参数决定，因 此通过合理分配轧制过程道次压下量以及合理的轧 制温度控制，控制轧件的最终宽度，可有效改善边部 表面质量，避免开裂． 在冷轧条件下，控制轧件宽度 在 62 mm 以下，宽展率小于 24% ; 在温轧条件下，控 制轧制温度在200 ℃以下，并控制轧件宽度在63 mm 以下，宽展率小于 26% ，可有效避免侧边部铜层的 开裂． 轧制过程的边部开裂一般原因是由不均匀变 形所引起的附加拉应力． 文献［19--20］研究表明， 在轧制坯料宽厚比小于 8 的条件下，宽展是影响轧 件边部开裂的主要因素． 这是因为轧件宽度的增 加，导致处在自由变形区的侧边部铜层在轧向的附 加拉应力增大，其开裂倾向增大． 2. 3 拉拔精整 水平连铸制备的50 mm × 30 mm × 3 mm × R4 mm 矩形断面铜包铝复合棒材，采用表 1 所示的 2 号压 下制度 5 道次平辊冷轧成形的铜包铝复合扁排如 图 7( a) 所示． 由图可知，轧态扁排的侧边部有明显 的褶皱，横断面尺寸不规整，因而需要对轧制成形的 铜包铝扁排进行精整拉拔，以改善表面质量和精确 控制横断面尺寸． 轧后扁排经 1 道次的精整拉拔后，其形貌如 图 7( b) 所示． 拉拔过程的变形量较小，厚度方向压 下量为 0. 2 mm，宽度方向压下量为 1. 2 mm，拉拔后 断面尺寸为 60 mm × 8 mm × R4 mm． 由图 7 可以看 出，拉拔对扁排侧边部表面质量的改善明显，有效消 除了侧边部的褶皱，显著改善了扁排粗糙度，使扁排 表面光滑，断面形状规整． 图 7 铜包铝复合扁排宏观形貌． ( a) 轧态; ( b) 拉拔态 Fig． 7 Images of the CCA flat bars: ( a) as-rolled; ( b) as-drawn 3 复合扁排的性能 拉拔精整后的铜包铝复合扁排标记为加工 态，拉拔后经退火处理的铜包铝复合扁排标记为 软态． GB /T 5585—2005G 规定软态的纯铜或纯 铝导电扁排在使用时的弯曲工艺性能要求宽边 弯曲 90°无肉眼可见的裂纹． 为 此，研 究 了 加 工 态和在 300、350 和 400 ℃ 退火 1 h( 空冷) 后复合 扁排的三点弯曲成形性能． 四种状态下扁排弯曲 90°后的形貌如图 8 所示，只有在 400 ℃ 、1 h 条件 ·1305·