Непрерывное литье и прокатка плоских прутков из плакированного медью алюминия

Когда слышишь про непрерывное литье и прокатку плакированных медью алюминиевых прутков, первое, что приходит в голову — это идеально ровные заготовки с блестящим медным слоем. Но на практике тут столько подводных камней, что диву даёшься. Многие думают, что раз медь и алюминий совместимы в биметалле, то и литьё пройдёт как по маслу. Ан нет — коэффициент теплового расширения у них разный, и если не выдержать температурный режим, в зоне контакта появляются микротрещины, которые потом аукнутся при прокатке.

Кристаллизация и проблемы перехода между слоями

Вот, к примеру, на установке непрерывного литья в ООО 'Сучжоу Ляньсинь Новые материалы и технологии' мы долго бились над равномерностью кристаллизации. Алюминий плавится при 660°C, медь — при 1085°C, и если подавать расплавы без точной синхронизации, в переходной зоне образуются интерметаллиды типа CuAl?. Они хрупкие, как стекло, и при прокатке пруток просто расслаивается.

Один раз попробовали ускорить процесс — снизили температуру подогрева медной ленты перед контактом с алюминиевым расплавом. Результат? Медь не 'схватилась' с алюминием, а будто прилипла поверхностно. При прокатке на третьем проходе медь начала отслаиваться лоскутами. Пришлось вернуться к старому методу — постепенному подогреву медной заготовки до 500-550°C перед подачей в кристаллизатор.

Интересно, что толщина медного слоя тоже играет роль. Если меньше 10% от сечения прутка — защитные свойства теряются, если больше 15% — растёт риск расслоения при деформации. Мы в Ляньсинь обычно держимся в диапазоне 12-13%, но это для плоских прутков сечением 20х50 мм. Для других сечений пришлось подбирать эмпирически.

Роль прокатного стана и настройки клетей

После литья заготовка идёт на прокатный стан. Здесь главное — не перегреть. Медь быстро наклёпывается, и если температура в первой клети выше 300°C, поверхность медного слоя покрывается окалиной. Приходится между клетями ставить воздушное охлаждение, но без фанатизма — резкий перепад вызовет коробление.

Помню, как-то раз настроили клети с уменьшением обжатия по ходу прокатки: с 25% на первых проходах до 8% на финише. Казалось бы, логично — меньше риск расслоения. Но оказалось, что при малом обжатии в конце медь 'не прижимается' к алюминиевой основе, и остаются микрозазоры. Теперь делаем наоборот — сначала 15-18%, а в последних клетях до 12%, но с контролем скорости.

Геометрия плоского прутка — отдельная головная боль. Если валки не отбалансированы, пруток выходит с серповидностью. Особенно это критично для материалов, которые потом идут на шинопроводы — там даже 1 мм кривизны на метр длины бракуется. Мы в таких случаях добавляем правку в холодном состоянии, но это удорожает процесс.

Влияние состава сплавов на технологичность

Не все алюминиевые сплавы одинаково хорошо ведут себя при плакировании медью. С чистым алюминием А5-А7 проблем меньше, но его механические свойства слабоваты. А вот с дюралюминием Д16 уже сложнее — там есть медь в самом сплаве, и при литье может происходить перераспределение легирующих элементов.

Экспериментировали с алюминиевым сплавом 6101 — он часто используется в электротехнике. Хотели сделать пруток с медным покрытием для токопроводящих шин. Но оказалось, что при непрерывном литье кремний в составе 6101 стремится к границе раздела фаз, создавая хрупкие включения. Пришлось модифицировать технологию — добавлять небольшое количество стронция для измельчения зерна.

Медь тоже бывает разная. Бескислородная медь (М0б) даёт более качественное покрытие, но и стоит дороже. Иногда используем медь М1 — с небольшим содержанием кислорода, но тогда нужно строже контролировать атмосферу в печи, чтобы не усилить окисление.

Дефекты и методы контроля

Самый коварный дефект — несплошности на границе раздела, которые не видны визуально. Раньше проверяли выборочно — пилили пруток и смотрели под микроскопом. Потом внедрили ультразвуковой контроль прямо на линии. Но и тут не без сюрпризов — если угол ввода ультразвука не точно выставлен, можно пропустить расслоение.

Ещё одна проблема — волосовины на медной поверхности. Они появляются, когда в кристаллизаторе есть микроскопические неровности. Казалось бы, мелочь, но для электротехнических применений это критично — острые кромки ведут к коронным разрядам. Пришлось перешлифовывать внутреннюю поверхность кристаллизатора после каждой 20-й плавки.

Размер зерна — отдельная тема. В алюминии после литья зерно крупное, до 200 мкм. Если сразу пускать на прокатку, возможна неоднородная деформация. Мы пробовали разные режимы гомогенизации — выдерживали заготовку при 450°C от 30 минут до 2 часов. Оказалось, что для плакированных прутков лучше shorter exposure — около 40 минут, иначе медь слишком диффундирует в алюминий.

Особенности обработки и применения

Готовые прутки часто идут на дальнейшую механическую обработку. Здесь важно, чтобы медный слой не 'сползал' при резке или фрезеровке. Мы как-то получили рекламацию — при сверлении отверстий медь отслаивалась лепестками. Разбирались — оказалось, что скорость резания была слишком высокой, и медь перегревалась.

Для таких случаев разработали рекомендации: охлаждение эмульсией обязательно, подача не более 0,1 мм/оборот для прутков сечением до 30 мм. Кстати, это одна из причин, почему мы в ООО 'Сучжоу Ляньсинь Новые материалы и технологии' делаем акцент на индивидуальных решениях — под конкретное применение подбираем и режимы обработки.

Интересный опыт был с прутками для контакторов — там важна и электропроводность, и прочность. Стандартный алюминий с медным покрытием не всегда удовлетворял по механическим свойствам. Пришлось разрабатывать специальный сплав на основе алюминия с добавкой магния и кремния, но с пониженным содержанием железа, чтобы не снижать электропроводность.

Экономика процесса и оптимизация

Себестоимость непрерывного литья и прокатки плакированных медью алюминиевых прутков сильно зависит от выхода годного. В начале, когда технология только осваивалась, до 30% продукции шло в брак. Сейчас удалось снизить до 8-10%, но это всё ещё много.

Основные потери — на торцах заготовки (там неоднородная структура) и на настройку оборудования. Пробовали увеличивать длину отливаемой заготовки — с 4 до 6 метров. Вроде бы экономия, но потом возникли проблемы с транспортировкой и прокаткой — такая длинная заготовка провисает между клетями.

Сейчас рассматриваем вариант с индукционным подогревом между клетями — чтобы компенсировать падение температуры при прокатке. Но это дополнительные капиталовложения. В общем, как всегда в металлургии — поиск компромисса между качеством и себестоимостью.

Перспективы и ограничения технологии

Технология непрерывного литья и прокатки плакированных медью алюминиевых прутков имеет явные преимущества перед прерывистыми методами — выше производительность, стабильнее качество. Но есть и ограничения — сложно делать прутки переменного сечения, например, сужающиеся к одному концу.

Интересное направление — комбинирование с другими покрытиями. Пробовали наносить тонкий слой олова поверх меди — для улучшения паяемости. Получилось, но пришлось менять режимы прокатки — олово мягкое и при высоких обжатиях выдавливалось.

В целом, технология ещё не исчерпала себя. Есть идеи по использованию электромагнитного перемешивания расплава для улучшения структуры, но это пока на стадии экспериментов. Как говорится, есть куда расти.