铜铝两种金属材质间的渗透

铜铝两种金属材质间的渗透
甘　霖
天津欧能电气有限公司　天津　300457
摘　要：文章首先简述了铜资源概述，然后分析了铝资源概述，最后重点探讨了关于铜铝两种金属材质间的渗透关键词：铜金属；铝金属；渗透
中图分类号：C35 文献标识码：A
一、前言
随着改革开放，我国的经济迅速发展，由于工业技术的不断革命和电子技术突飞猛进的迅速发展，鉴于铝/铜金属的优点与特性，为了能够更好地满足了当今工业生产的要求，铜铝两种金属材质间渗透成为了国内外研究的话题。

二、铜资源概述
1、铜是人类最早发现和使用的金属之一
紫红色，比重8.89，熔点1083.4℃。

铜及其合金由于导电率和热导率好，抗腐蚀能力强，易加工，抗拉强度和疲劳强度好而被广泛应用，在金属材料消费中仅次于钢铁和铝，成为国计民生和国防工程乃至高新技术领域中不可缺少的基础材料和战略物资，在电气工业、机械工业、化学工业、国防工业等部门具有广泛的用途。

铜按自然界中存在形态可分为：自然铜，铜含量在99％以上，但储量极少氧化铜矿，为数也不多硫化铜矿，世界上80%以上的铜是从硫化铜矿精炼出来的按生产过程分类的话，铜产品则可大致分为铜精矿、粗铜和纯铜。

铜精矿是低品位的含铜原矿石经过选矿工艺处理达到一定质量指标的精矿,可直接供冶炼厂炼铜。

粗铜是铜精矿冶炼后的产品，含铜量在95～98%。

纯铜是火炼或电解之后含量达99%以上的铜。

火炼可得99～99.9%的纯铜，电解则可以使铜的纯度达到99.95～99.99%。

按主要合金成分分类的话，铜合金主要有黄铜、青铜和白铜。

黄铜为铜锌合金。

青铜是铜锡等合金，除了锌镍外，加入其他元素的合金均称青铜。

白铜则为铜镍合金，藏银工艺品大多是这种成分。

按产品形态分类，则主要有铜管、铜棒、铜线、铜板、铜带、铜条、铜箔等。

2、铜矿产资源情况
全球铜资源情况铜相对于铝、锌、铅、铁等其他基本金属较为稀有，在地壳中的含量仅有万分之零点五左右，远小于其他基本金属。

全世界探明的铜矿储量约6亿多吨，遍及六大洲，有150多个国家都有铜矿资源，部分国家可采年限达100年以上，智利铜储量居世界第一位，探明铜金属储量达1.9亿吨，约占世界储量的1/3，其次为秘鲁4%、澳大利亚4%、墨西哥、美国15,3%、中国、俄罗斯5%、印度尼西亚、波兰15%、赞比亚6%、哈萨克斯坦和加拿大4%，上述12个国家铜储量合计占世界总储量的近90%。

3、我国铜资源特点中国铜矿资源从矿床规模、铜品位、矿床物质组成和开采条件看，具有以下特点：（1）矿床规模小。

据全国矿产储量委员会1987年颁布的“矿床规模划分标准”，大型铜矿为铜金属储量＞50万吨，中型矿床10～50万吨，小型矿床＜10万吨。

按此标准，我国大型铜矿床仅占2.7%，中型矿床占8.9%，小型矿床达88.4%。

储量＞500万吨的矿床只有江西德兴铜厂矿床(524万吨)和西藏玉龙铜矿(650万吨)。

由于矿床储量规模先天不足，导致了开采规模偏小。

而在国外的铜资源大国，巨型、大型铜矿多，储量超过500万吨的特大型铜矿超过60个，铜产量在10万吨以上的约有20个。

（2）共伴生矿多，品位低。

我国共伴生铜矿所占比例72.9%，单一矿仅占27%。

铜矿储量的平均品位为0.87%，在大型矿床中，品位＞1%的铜储量仅占13.2%。

我国斑岩铜矿床的平均品位为0.55%，低于智利、秘鲁的1.0%～1.6%；我国砂页岩型铜矿床的平均品位0.5%～1%，低于刚果、赞比亚、波兰的2%～5%。

（3）我国铜资源中斑岩型铜矿少，夕卡岩型多，使得溶剂萃取技术推广受铜矿省份所属公司储量万吨德兴铜矿江西江西铜业668玉龙铜矿西藏西部矿业624多宝山铜矿黑龙江紫金矿业178城门山铜矿江西江西铜业153铜矿峪铜矿山西中条山有色140乌奴格吐山铜矿内蒙古中国黄金127冬瓜山铜矿安徽铜陵有色100阿舍勒铜矿新疆紫金矿业81德尔尼铜矿青海西部矿业526到限制；而且，夕卡岩型铜矿多数适宜地下开采，开采成本高。

智利、美国及印尼等铜资源国家的斑岩矿无论是矿床数量还是储量均占80%以上，适宜使用溶剂萃取技术，使用成本偏低。

（4）剩余储量中规模大、品位高的矿床多处于边远地区，外部建设条件差，比较难以开发利用。

（5）资源不足，自给率低。

资源不足限制了我国铜精矿产量的增加，导致全国铜企业自给率常年偏低。

同时，近几年我国铜冶炼产能迅速增加，这进一步导致我国铜精矿产量无法满足下游的冶炼需求，自给率逐年下降。

2010年我国矿山铜产量仅为126万吨，远不能满足458万吨的生产需求，目前只能依靠大量进口各种铜资源来弥补国内的需求缺口。

总体上来看，我国铜矿资源在数量和品位等方面均比较差，国际竞争力低，铜资源特别是富铜资源不足。

三、铝资源概述
1、资源基础我国铝土矿分布广
有310处产地,分布于全国20个省(区)市,高度集中在山西、贵州、河南和广西四个省(区)。

我国铝土矿资源丰富,迄今探明铝土矿资源储量28亿t,远景资源储量可达50亿t以上。

按套改后标准,2002年我国铝土矿储量为5.39亿t,基础储量7.16亿t,资源量117.8亿t,居世界第9位。

(1)山西省铝土矿资源丰富,1998年探明资源储量9.4亿t,占全国已探明铝土矿总资源储量的40%以上,居全国第一位。

山西省铝土矿分布于克俄、石公、相王、西河底、太湖石等地。

富矿约占40%,中等矿约占40%,暂不能利用的贫矿约占20%。

(2)贵州铝土矿探明资源储量仅次于山西,居全国第二位,保有储量4.14亿t,其中铝硅比>8的占67.4%,并且80%的铝土矿集中在交通方便的贵阳和遵义一带。

贵阳清镇的猫场矿是一个特大型沉积矿床,已探明铝土矿1.79亿t。

遵义黔北铝土矿已探明工业储量5594万t,品位较富,大部分可露天开采,但亦有相当一部分需要地下开采,地下开采存在一定不便,但也有利于资源保护。

(3)河南铝土矿保有资源储量4.5亿t,分布于曹窑、夹沟、支沟等地。

(4)广西平果铝矿由那豆、太平、教美、新安和果化矿区组成,面积1750km2,那豆、太平和教美矿区资源储量达2亿t,矿石类型为低硅中铝高铁一水硬铝石型铝土矿。

此外在田东、田阳、德保等地发现A/S>8的堆积型铝土矿,与云南文山一带发现的堆积型铝土矿相似,适于拜耳法生产氧化铝。

已查明铝土矿资源储量6.84亿t,远景超过16亿t。

2.2我国铝土矿的资源特点我国铝土矿以一水硬铝石为主,矿石铝硅比以中等级居多,铝硅比为>10、7～10、4～7、<4的资源储量分别占保有储量的3.9%、26.1%、59.5%和7.5%。

2、我国铝土矿资源的突出特点
是高铝、高硅、高铁,决定了氧化铝生产工艺流程长、能耗大、成本高,虽经科技攻关,开发出适合中国铝资源特点的烧结法、
第5卷　第12期
2015年4月
混联法、拜耳法生产工艺,并已经运用到生产实践中且取得较好的成效,但就整体而言,我国氧化铝生产与国外先进水平相比仍有较大差距。

四、关于铜铝两种金属材质间的渗透
铜、铝是两种不同性质的金属，在元素周期表上处在不同族的元素，铜在IB族，铝在IIIA族，也就决定着两种材料性质存在较大的差异。

铝和其他金属之间较大的电位差决定了铝和其他金属的不亲性质，也就是在铝的表面很难加工上其它相对惰性的金属。

1、分子热运动
两种或同种金属间紧密接触，在相当长的时间内会发生相互渗透，发生粘连，属于分子热运动。

常见的金块和铅块的粘连、铅块和铅块的粘连。

但这只是原子结构先进的金属之间发生的，而且是不易被察觉的一种现象，金和铅之间的渗透要3年以上才会有明显的渗透和粘连。

铜和铝两种金属存在着点位差这种电位差决定了铜和铝之间发生分子热运动的时间更长，目前的资料表明这两种金属件的渗透和粘连需要50年以上。

2、一定条件下的渗透
在一定温度和化学环境下，金属之间可以形成渗透，也就是加速分子热运动和化学方法形成渗透。

对铜和铝进行加压，破坏铜和铝表面的氧化层，使铜和铝露出新鲜的金属，从而加速铜和铝之间的渗透。

在继续加压后，铜铝复合面产生大延伸、变薄而相互摩擦，出现鱼鳞纹，形成结合力很大的金属粘合块，产生巨大的应力。

这种应力增加了结合层的脆性，使铜和铝在结合面上很容易发生剥离。

3、熔融渗透
在两种金属熔化状态也可以形成金属间的渗透，这种渗透是两种业态金属接触面的凝固过程中形成的波纹和尖刺形成的不相容渗透。

在铜管预热，且铝熔化状态下，可以将铝溶液浇注到铜管内，制成铜铝复合材料。

由于铜铝的收缩系数不同，在冷却过程中，铜
铝复合界面会产生很大的应力。

虽然用退火的方法可以消除一部分的应力，但铜铝复合界面的硬度还是要远远高于铜和铝的硬度。

因此在外力作用下，复合界面会还是首先断裂。

复合排界面金相显微及硬度过渡层Cu/Al含量的变化曲线300℃退火
从图中可以看出，复合界面和铜铝之间还是有明显的界限，且形成波纹和尖刺。

这个明显的界限就是硬度发生变化的界限，这也就是复合界面首先断裂的原因。

4、粒子加速器渗透
在粒子加速器中可以实现一种金属向另外一种金属的渗透，但这只是表面渗透，不能形成块和块之间的渗透粘连。

这种方法同样会在铜铝复合面形成脆性，在复合面发生断裂。

以上渗透方法对铜和铝来说都是可以实现的，但无论哪种方法都无法避免铜铝复合界面的脆性。

在电气行业中，铜铝复合材料的打孔、折弯和焊接是常用的工艺，脆性的界面特性无法满足折弯加工的工艺要求，同时，铜和铝的熔点是不同的，这意味着无法实现铜铝复合材料的焊接。

另外一点，无论以上哪种方法都无法改变铜和铝之间存在的电位差。

只要有空气中的水和二氧化碳附着在铜和铝结合的部位，就会形成电解液，造成点化学腐蚀，生成氢氧化铝和氢氧化铜；而氢氧化铜加剧吸收空气中的水和二氧化碳，继续加剧铜和铝的电化学腐蚀应用，向铜和铝之间渗透，造成铜和铝之间电阻增大、铜和铝剥离。

也就是在没找到解决铜和铝电位差的方法前，铜和铝的结合就是一种不稳定的结构，也就没有什么实用价值。

五、结束语
目前，铝/铜材料材质间渗透技术尚处于发展阶段，各方面性能有待进行更深层次的探讨，我们应大力提高铝/铜材料材质间渗透技术的学习和研究，提升自身的素养，完善铝/铜材料材质间渗透技术在实际工作中的应用，以便更好地满足当今工业发展需求。

参考文献：
[1]陈延辉，汪宁，王生希．电器开关行业中铝铜焊接研究的可行性分析[J]．电气制造．2008（8）
[2]潘雄．到2020年我国有9种矿产资源严重短缺[J]．功能材料信息．2008（2）
文章被我刊收录，以上为全文。

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第5卷　第12期2015年4月。