CN1843646A - 一种铜铝复合管材的制造方法及该方法制造的铜铝复合管材 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铜铝复合管材及其制造方法，属于金属复合管材及其制造技术。所述的铜铝复合管材，内层为铜层，外层为铝层，其特征在于：在所述铜层与所述铝层结合面处，由所述铜层和所述铝层相互扩散形成一实现所述铜层和所述铝层冶金结合的结合层。所述的制造方法是利用行星轧管机对铜铝复合管坯在单道次断面收缩率为50％～95％、出口轧制速度为5m/min～30m/min、变形区温度升到200～600℃的情况下进行单道次轧制。本发明的制造方法可以实现铜铝结合面的冶金结合，且可实现工序少、效率高、批量大、成本低地生产铜铝复合管材。采用本方法生产的铜铝管材具有良好的机械性能和换热性能，后续加工不出现缺陷，可替代铜及其合金管材被广泛应用，大大降低了生产成本。

Description

一种铜铝复合管材的制造方法 及该方法制造的铜铝复合管材

技术领域：

本发明属于金属复合管材及其制造技术，尤其涉及具有冶金结合的复合管材及其制造技术。

背景技术：

铜及其合金具有良好的耐蚀性、导热性和良好的机械性能，因此，铜及其合金管作为流体的输送管被广泛的应用在建筑、制冷、空调、冰箱、太阳能、热水器、冷凝器、散热器等领域和产品上。但是，由于铜的资源有限，价格较贵，且铜的比重较大重量较重。因此，人们一直在试图寻找一种可替代铜及其合金管材的更便宜金属管材，其中人们容易想到的是铝及其合金管材，因为铝资源丰富、成本低，目前铝的售价仅为铜的1/2，且铝的比重也较小，仅为铜的1/3，相比较铜来说重量也较轻。但是与铜相比，铝的强度、导热性、耐蚀性和机械性能均较差，用纯粹的铝及铝合金管来代替铜及铜合金管，在很多场合不能满足要求，这种尝试到目前为止是不成功的。因此，兼顾铜铝两种金属优点的铜铝复合管材，就一直是本领域专业人士所研究的题目。

为了充分利用铜铝的各自优点，人们在寻找铜铝复合管材的过程中，主要关注以下三种形式：i，中间为铝管，内外复合铜层；ii，外面为铝管，内表面复合铜层；iii，内面为铝管，外表面复合铜层。一般情况下中间为铜管内外复合铝层的复合管是不用的，因为这种复合方式在性能上就如同纯粹的铝及其合金管材，既没有克服铝管的缺陷且加工困难成本较高，实践中不可用。一般来说，主要是利用铜及其合金的耐腐蚀性将铜及其合金作为复合管材的内层以与所传输的流体相接触，将铝及其合金放在管的外层作为管道的支承体保证管道的强度和刚度。与纯铜及其合金管材相比，这种铜铝复合管材重量轻，材料成本低，在很多使用场合可以替代铜及铜合金管。但是如何制造出品质优良、机械性能好的铜铝复合管材一直是本领域的一个难题，至本发明之前人们一直没有寻找到更好的铜铝复合管材的制造方法，且制造出的铜铝复合管材品质不好、不具有良好的机械性能、后续加工后出现分层、剥离、皱褶等缺陷，故采用铜铝复合管材替代铜及其合金管材的尝试一直都是不成功的。

已有铜铝复合管材的制造方法，主要有套管轧制、拉拔、挤压等方法。这些方法都是采用表面处理过的铝管坯与铜管坯相套装，然后经轧管机、拉拔机或挤压机，进行相应的轧制、拉拔、挤压或将上述三种方法综合使用，并需要经过多次退火与多次轧制、拉拔、挤压相结合，如此往复才能生产出铜铝复合管材。这些现有方法工序多、成材率低、管材长度短、效率低。更重要的是这些现有方法制造出来的铜铝复合管材因只能做到铜铝结合面的机械结合，而这样的结合面在后道次的加工和使用过程中，会产生铜铝之间的剥离、分层、皱褶等现象，结合面进入电解液会造成灾难性的电化学腐蚀，严重影响了铜铝复合管材的应用和推广，这就是本发明之前铜铝复合管材没有能够替代纯粹的铜及其合金管材得到广泛应用的根本原因。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题就在于克服现有技术的不足，提供一种制造工序少、生产效率高、制造成本低的铜铝复合管材的制造方法，且使用该方法制造出的铜铝复合管材品质优良、机械性能好、可满足后续加工和使用的需要。

实现本发明目的的原理是基于塑性加工、压力焊接和形变热处理原理，即分别对铜管坯和铝管平的结合面做表面打磨处理并套装，或者通过复合连铸方法生产出内铜外铝的复合管坯，然后再利用行星轧管机对铜铝复合管坯进行单道次、高变形速度、大变形量的轧制，使被轧制的管坯变形区瞬间产生很大的变形热，导致被轧复合管材的铜及其合金和铝及其合金在结合面处发生动态恢复再结晶，以实现铜铝结合面的冶金结合。这样生产出的铜铝复合管材具有良好的品质和优良的机械性，可满足后续加工和使用的要求。

具体来说，按照本发明提供的一种制造铜铝复合管材的方法，利用行星轧管机对铜铝复合管坯在单道次断面收缩率为50％～95％，出口轧制速度为5m/min～30m/min，变形区温度升到200～600℃的情况下进行单道次轧制。

进一步，轧制后的铜铝复合管材，快速冷却至室温。

所述单道次轧制及轧制后的快速冷却是在保护气氛下进行的。

所述冷却至室温的铜铝复合管材可不经退火直接拉拔，得到满足要求的铜铝复合管材或再经高速旋压得到铜铝复合内螺纹管材。

所述的行星轧管机为3～6辊的行星轧管机。

所述的铜铝复合管坯是通过复合连续铸造方法获得的铜铝复合管坯。

所述的铜铝复合管坯是通过对铜管坯和铝管坯的复合表面进行表面处理再进行物理固合得到的复合管坯。

所述的铜铝复合管坯是通过对铜管坯和铝管坯的复合表面进行表面处理再进行涨管处理后得到的复合管坯。

所述的铜为铜及铜合金，所述的铝为铝及铝合金。

按照本发明提供的一种采用上述方法制造的铜铝复合管材，所述铜铝复合管材的内层为铜层外层为铝层，在所述铜层与所述铝层结合面处，由所述铜层和所述铝层相互扩散形成一实现所述铜层和所述铝层冶金结合的结合层。

按照本发明提供的铜铝复合管材还具有如下附属技术特征：

所述的铜层与所述的铝层的厚度比为：1∶0.5～20。

实现冶金结合的所述结合层的厚度为1～3μm。

在所述铝层的外表面涂覆或者电镀—防腐层。

所述的铜层为铜及铜合金层，所述的铝层为铝及铝合金层。

本发明上述的制造铜铝复合管材的方法，相对于现有铜铝复合管材的制造方法具有以下优点：

1、本发明的制造方法可以实现铜铝结合面的冶金结合。

本发明因采用行星轧管机对铜铝复合管坯在单道次断面收缩率为50％～95％、出口轧制速度为5m/min～30m/min情况下进行单道次轧制，从而可以产生很大的瞬间变形热，使被轧制管材变形区的温度迅速升高至200℃～600℃。在该轧制条件下，处于变形区内的铜铝结合面产生足够的过热度以发生动态恢复再结晶，使得变形区内的铜铝相互发生原子渗透，实现结合铜层和铝层的冶金结合。又由于行星轧管机对铜铝复合管坯可进行连续地高变形速度、大变形量的轧制，可使被轧制的管坯连续地进入行星轧管机，则在变形区内的铜铝结合面也就产生连续的动态恢复再结晶，实现连续的冶金结合，从而整个铜铝复合管材的结合面均实现了冶金结合，这是本发明之前的任何加工方法所无法实现的。

2、本发明的制造方法可以实现工序少、效率高、批量大、成本低地生产铜铝复合管材。

传统制造复合管材的方法，因工序多且无法实现复合管材的连续加工，则被加工复合管材的长度和重量就受到限制，无法生产出比较长且重量比较大的复合管材。本发明因使用行星轧管机对复合管坯进行单道次轧制，工序大为简化、效率大幅度提高。且行星轧管机是管材的专用轧机，一般有三辊、四辊、五辊行星轧机，该类轧机可以实现对被轧管坯的高变形速度、大变形量的连续轧制，因此不受被轧制管材的长度和重量的限制，可以对长度较长、壁厚较厚、重量较大的管坯进行连续轧制，如管坯的外径×壁厚×长度可以为Φ90mm×25mm×22000mm，单根重量超过400kg，这是传统的工艺方法无法达到的。高轧制速度、大坯重的连续轧制非常适合大批量的工业化生产，这就大大降低了铜铝复合管材的生产成本。

采用本发明的方法制得的上述铜铝复合管材，相对于现有的铜铝复合管材，具有以下优点：

1、采用本发明方法制得的铜铝复合管材具有良好的机械性能、可满足后续加工和使用要求。

本发明的制造方法，可使被轧复合管材的结合面具有足够的过热度以发生动态恢复再结晶，即实现铜铝结合面的冶金结合。这种具有动态恢复再结晶组织的铜铝复合管材具有良好的机械性能，在后道次的加工过程中，可以不需要进行中间退火就直接被连续拉伸至所需要的规格尺寸。且这种铜铝结合面的冶金结合，也保证了在拉伸过程中，铜铝表面不会产生分离和剥落，经弯管、扩管等加工时，铜铝复合层也不会产生脱层、皱褶等缺陷。而传统工艺方法制得的铜铝复合管材不具有这样的优良机械性能和再加工性能。

2、采用本发明方法制得的铜铝复合管材具有极佳的换热效果。

铜及其合金的瞬间吸热能力比铝及其合金好，但散热的速度就较铝及其合金要慢。本发明将铜和铝这两种材质各自的优点相结合，利用内层的铜与传热介质接触吸热，利用外层的铝作散热目的，因结合面的冶金结合消除了两种材料之间的热阻，使得本发明的铜铝复合管材具有极佳的换热效果，是散热器和热交换器用管的最佳选择。

3、采用本发明的方法制得的铜铝复合管材用途广，并可大大降低其制品的生产成本。

采用本发明的方法制得的铜铝复合管材，因铜铝结合面实现了冶金结合，从而在克服传统复合管材缺点的同时兼具了两种金属的优点，可以替代传统中使用的纯铜管，从而可被广泛地用于建筑、制冷、空调、冰箱、太阳能、热水器、冷凝器、散热器、自来水管等产品和领域。又采用本发明的复合管材，大大减少了对较昂贵铜材的使用量，使得不同领域、不同产品的原材料成本大大降低，可在保证要求的情况下大大降低生产成本。

附图说明：

图1为按照本发明制得的铜铝复合管材的横截面示意图。

其中1为采用本发明方法生产的复合管材，2为内层的铜及铜合金层，3为外层的铝及铝合金层，4为实现铜铝冶金结合的复合层。

具体实施方式：

下面通过以下具体实施方式对本发明的制造方法及按照该方法制得的铜铝复合管材作进一步说明，以便本领域普通技术人员对本发明实现其目的的技术方案和特点有更详细的了解。

本发明的一种优选实施方式是，轧制无氧铜(T2)和纯铝(1060)的复合管，铜在内层。轧制是在市场上可以购买的XR-SG90三辊行星轧管机上进行的。铜铝复合管坯是采用水平连铸方法复合铸造而成，管坯规格为Φ83×20.5mm，其中铜层的厚度为2.5mm、铝层的厚度为18mm，长度为20m、坯重为260kg，由XR-SG90三辊行星轧管机进行复合单道次轧制。通过调整三辊行星轧管机的转速、冷却液流量、管坯送进量等参数，将所轧管材的出口轧制速度控制为15m/min，管材变形区的温度升高至450℃，出口尺寸为Φ47×2.5mm，单道次断面收缩率约为91％。随即被轧制管材进入长1.5m的乳化液浴槽内快速冷却至室温，然后弯曲成卷进入料筐。整个轧制和冷却是在保护气氛下进行的，所制得的铜铝复合管材的内外表面和管体无任何折叠纹和其他缺陷存在，铜铝结合而完全实现冶金结合。参见图1，通过上述方法所制得的该铜铝复合管材1的内层为铜层2、外层为铝层3，在铜层和铝层之间为所述铜层2和所述铝层3在轧制过程中原子相互扩散而形成的、实现铜层2和铝层3冶金结合的结合层4，结合层4的厚度为2μm，本实施例制得的铜铝复合管的铜层和铝层的厚度比为1∶7.2。该铜铝复合管材的抗拉强度和延伸率分别为70MPa～80MPa和35％～45％，所制得的铜铝复合管材1具有优良的品质。在不经退火的情况下，将该复合管材1采用盘拉的方法，可一直拉到Φ12.7×0.75及Φ6.35×0.7，该拉伸后的管可用作空调内外机的连接管，满足要求。此外，为了防止复合管与空调内外机连接时外层的铝层发生电解腐蚀，还可在上述铜铝复合管材1的外表面涂覆或者电镀—防腐层。

进一步，采用高速旋压的方法，可以将采用上述方法制得的铜铝复合管材1制成Φ9.52及Φ7毫米的内螺纹管，齿形可为斜齿、高低齿、交义齿等各种齿型。

本发明的另一个优选实施方式是，用以轧制的复合管坯是由水平连铸的3003牌号铝管坯和TP2铜管坯固合的复合管坯，铜管坯放在内层。轧制也是在已有的XR-SG50三辊行星轧管机上进行的，铝管坯初始尺寸为Φ50×12mm，管坯内表面经除油和钢丝刷打磨，使管坯内表面呈无氧化光亮状态，然后穿入外表面除油打磨后的Φ25×2.2mm的铜管坯，再导入XR-SG50三辊行星轧管机，其后的轧制如同上述第一实施方式，其变形区温度为300℃，出口轧制速度为9m/min，单道次断面收缩率约为89.9％，轧制后复合管材的规格为Φ27×2mm，复合管材表面和管体无任何折叠纹和分层现象，其抗拉强度和延伸率分别为110MPa～130MPa和30％～40％，本实施例制得的铜铝复合管的铜层和铝层的厚度比为1∶5.45。经检测，轧后复合管材的管体金相组织很致密，结合面完全实现了冶金结合，轧制是成功的。该复合管材在后续的盘拉或直拉加工中具有很好的可拉性，可加工成满足要求的复合管。

本发明的第三个优选实施方式是，用以轧制的复合管坯是由挤压的3003牌号铝管坯和T2铜管坯固合的复合管坯，铜管坯放在内层。轧制是在已有的XR-SG120三辊行星轧管机上进行的，铝管坯初始尺寸为Φ110×10mm，管坯内表面经除油和钢丝刷打磨，使管坯内表面呈无氧化光亮状态，然后穿入外表面除油打磨后的Φ86×20mm的铜管坯，再将铜管经涨管后形成φ110×(10+20)的复合管坯，导入XR-SG120三辊行星轧管机，其后的轧制如同上述第一实施方式，其变形区温度为530℃，出口轧制速度为12m/min，单道次断面收缩率约为92.9％，轧制后复合管材的规格为Φ60×3mm，复合管材表面和管体无任何折叠纹和分层现象，其抗拉强度和延伸率分别为110MPa～130MPa和30％～40％。经检测，轧后复合管材的管体金相组织很致密，结合面完全实现了冶金结合，轧制是成功的。该复合管材在后续的盘拉或直拉加工中具有很好的可拉性，可加工成暖气用复合管。该种复合管在实际使用时有时要在外表面焊接铝翅片来增加换热面积。如使用纯铜管则无法焊接从而导致铜铝间产生热阻。因此这种铜铝复合管的断面铜铝厚度之比可以为1∶0.5；

综上所述，本发明的铜铝管材制造方法具有连续作业工序少，自动化程度高，轧制速度快，成材率高，制造成本低，制得管材品质好等优点，克服了现有技术存在的缺陷和不足，与现有技术相比较，本发明具有明显的实质性特点和显著的进步。采用本发明管材制造方法制得的铜铝复合管材具有优良的机械性能和热传导性能，可替代传统的铜及其合金管材被广泛应用于各个领域产品上，大大节省了生产成本。

上述实施例的目的在于对本发明的理解，不视为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的基础上作出的任何变通的、不经创造性劳动的方案均应属于本发明的保护范围。

Claims (14)

1、一种制造铜铝复合管材的方法，其特征在于：利用行星轧管机对铜铝复合管坯在单道次断面收缩率为50％～95％，出口轧制速度为5m/min～30m/min，变形区温度升到200～600℃的情况下进行单道次轧制。

2、根据权利要求1所述的一种制造铜铝复合管材的方法，其特征在于：轧制后的铜铝复合管材，快速冷却至室温。

3、根据权利要求1或2所述的一种制造铜铝复合管材的方法，其特征在于：所述单道次轧制及轧制后的快速冷却是在保护气氛下进行的。

4、根据权利要求1或2所述的一种制造铜铝复合管材的方法，其特征在于：所述冷却至室温的铜铝复合管材可不经退火直接拉拔，得到满足要求的铜铝复合管材或再经高速旋压得到铜铝复合内螺纹管材。

5、根据权利要求1所述的一种制造铜铝复合管材的方法，其特征在于：所述的行星轧管机为3～6辊的行星轧管机。

6、根据权利要求1所述的一种制造铜铝复合管材的方法，其特征在于：所述的铜铝复合管坯是通过复合连续铸造方法获得的铜铝复合管坯。

7、根据权利要求1所述的一种制造铜铝复合管材的方法，其特征在于：所述的铜铝复合管坯是通过对铜管坯和铝管坯的复合表面进行表面处理再进行物理固合得到的复合管坯。

8、根据权利要求1所述的一种制造铜铝复合管材的方法，其特征在于：所述的铜铝复合管坯是通过对铜管坯和铝管坯的复合表面进行表面处理再进行涨管处理后得到的复合管坯。

9、根据权利1、2、5至8任一所述的一种制造铜铝复合管材的方法，其特征在于：所述的铜为铜及铜合金，所述的铝为铝及铝合金。

10、一种采用权利要求1所述方法制造的铜铝复合管材，其特征在于：所述铜铝复合管材(1)的内层为铜层(2)外层为铝层(3)，在所述铜层(2)与所述铝层(3)结合面处，由所述铜层(2)和所述铝层(3)相互扩散形成一实现所述铜层(2)和所述铝层(3)冶金结合的结合层(4)。

11、根据权利要求10所述的铜铝复合管材，其特征在于：所述的铜层(2)与所述的铝层(3)的厚度比为：1∶0.4～20。

12、根据权利要求10所述的铜铝复合管材，其特征在于：实现冶金结合的所述结合层(4)的厚度为1～3μm。

13、根据权利要求10所述的铜铝复合管材，其特征在于：在所述铝层(3)的外表面涂覆或者电镀一防腐层。

14、根据权利要求10至13任一所述的铜铝复合管材，其特征在于：所述的铜层(2)为铜及铜合金层，所述的铝层(3)为铝及铝合金层。

Images