銅銀漆包線的制備及組織性能特征研究

張建波等

摘 要：銅銀合金以其優良的導電性能和力學性能廣泛應用于輸電領域。該文研究了Ag元素的添加及其含量對Cu-Ag合金電導率的影響，研究了冷加工變形量對Cu-Ag合金力學性能和導電性能的影響，在此基礎上通過上引連續鑄造-連續擠壓-冷軋-拉拔工藝制備了線徑為0.5mm的銅銀合金線材，利用浙江宏磊銅業股份有限公司的漆包機實現了銅銀漆包線的制備，與同等線徑純銅漆包線的性能進行了對比，并著重分析了銅銀上引桿材和連續擠壓加工桿材的組織特征。

關鍵詞：連續擠壓 銅銀合金 漆包線 銅合金線材

中圖分類號：TM245.1 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）03（a）-0006-02

近年來隨著我國國民經濟的高速增長和人民生活水平的提高，銅及銅合金線材產量、進口量迅速增長。目前我國高導純銅線生產能力已能基本滿足國內市場需求，世界銅合金線材產量在50萬t以上，主要生產國為美國、日本、德國，我國銅合金線材市場需求旺盛，平均增幅10%左右，年需求量在10萬t左右，然而，以各種銅合金焊絲、汽車電氣連接線、插接線、電極絲、高能電池線為代表的特種復雜銅合金線材供應不足，其生產特點是多品種、小批量，屬于高附加值產品。目前國內外對銅及銅合金線材按用途不同，均制定有嚴格的專業技術標準和通用技術標準。為適應先進制造技術的發展，銅及銅合金線材生產將呈現規模化、專業化方向發展的趨勢，產品規格有向小型化、細徑化方向發展的趨勢，不斷有新品種、新規格、新用途出現。

銅漆包線是銅線材的重要線種，屬于繞組線的一個主要品種，由銅導體和絕緣層兩部分組成，是裸線導體經過退火軟化、多次涂漆和烘焙制成，按照絕緣材料可以主要細分為縮醛漆包線、聚酯漆包線、聚氨酯漆包線、改性聚酯漆包線、聚酯亞胺漆包線、聚酯亞胺/聚酰胺酰亞胺漆包線和聚酰亞胺漆包線。漆包線質量受原材料、工藝參數、生產設備、環境等因素影響，各種漆包線的質量特性各不相同，但是都需要具備機械性能、化學性能、電性能和熱性能四大性能。目前有研究人員提出變壓器漆包線在電壓轉換過程中會遭受瞬時高溫，從而出現縮頸、軟化和松弛變形等現象，影響了變壓器的穩定性和使用使用壽命。該文嘗試通過上引-連續擠壓-拉拔制備銅銀合金裸線，通過漆包機實施絕緣漆的包覆制備銅銀合金漆包線，并研究了線材的組織性能特征。

1 實驗結果和討論

1.1 元素和冷變形對合金性能的影響

通過真空熔煉制備了不用Ag元素的含量的Cu-Ag合金，Ag元素對Cu-Ag合金電導率的影響見圖1所示。可以看出，Ag含量為零即純銅的電導率超過100%IACS，這是由于實驗選用的原材料較為純凈，采用真空熔煉的方法進一步降低了氧的含量，使得電導率超過國際退火銅的標準，此外，Ag的添加降低了純銅的電導率，且隨著Ag含量的增加，Cu-Ag合金的電導率持續下降，但是，Cu-Ag合金的電導率一致保持在較高水平。

根據杜魯德理論，純金屬的電導率與電子的弛豫時間（relaxation time）成正比，在所有金屬中，銀元素電子的弛豫時間最長，為4×10-14s，因而具有金屬元素中的最高電導率108.4%IACS，銅元素的弛豫時間次之，為2.7×10-14s，具有僅次于銀的電導率103.06%IACS。然而，在銅中添加銀元素形成銅合金，在銀中添加銅元素形成銀合金均造成電導率降低，主要原因在于合金的晶體結構是固溶體結構，合金組織的基本組成為基體和第二相，其電導率主要取決于固溶體的導電性能，可以用馬基申定律表達：固溶體電阻率=溶劑電阻率+溶質原子引起的電阻率，溶劑即為純金屬，溶質原子引起的電阻率則取決于溶質原子引起的晶格畸變程度大小，即晶格畸變大，造成的電子散射越嚴重，電導率越低。對于以Ag為主要添加元素的Cu-Ag合金，隨著Ag元素含量的提高，固溶體晶格畸變增大，合金的電導率降低，同時，Ag元素與Cu元素同屬于IB族元素，同屬于面心立方結構，具有類似的電子結構，因此同等添加量下，Ag元素引起的電導率下降較小，即Cu-Ag合金可以保持較高電導率的根本原因。

1.2 冷變形對合金性能的影響

金屬純銅具有僅次于銀的電導率，是理想的導電材料，但是其強度、硬度和軟化溫度較低，限制了純銅在輸電領域的應用。在純銅中添加Ag元素可以實現固溶強化，并提高抗軟化溫度[1]，銅銀合金較純銅軟化溫度提高近100℃。為了提高強度和獲得適合使用的產品形狀，通常采用冷加工的方法進一步對Cu-Ag合金進行冷加工。該實驗對Cu-0.1wt.%Ag合金進行冷加工，變形量對合金電導率和抗拉強度的影響如圖2所示。

可以看出，隨著變形量的增加，Cu-Ag合金電導率持續下降，合金的抗拉強度逐漸提高。這是由于冷變形造成了合金組織發生變化，位錯密度提高引起位錯纏結從而產生了加工硬化，抗拉強度提高。有證據表明，高度冷變形金屬的位錯密度可以達到1012/cm，銅的強度隨著位錯密度的平方根按比例提高[2]，位錯密度的增加也在晶體結構方面引起了晶格畸變的提高，從而增大了電子散射，降低了合金的電導率。因此，在滿足力學性能的前提下，實際生產中常采用較小的變形量或成品退火來控制強度和電導率間的平衡。

1.3 上引-連續擠壓制備Cu-Ag合金線

在確定Ag添加量和冷變形加工對Cu-Ag合金力學性能和電導率影響的基礎上，該文通過上引連續鑄造制備22mm的桿坯，然后通過連續擠壓進行擴展擠壓制備28mm的加工桿，后經過三次冷軋和大拉將線徑減小為2.3mm，最后通過中拉制備線徑為0.5mm的Cu-Ag裸線。具體加工流程見圖3所示。

圖4（a）、（b）、（c）為Cu-0.1Ag合金上引桿和連續擠壓加工桿材的心部金相組織，可以看出，上引桿材的晶粒組織粗大，具有等軸晶粒特征，經過連續擠壓加工后，合金的晶粒組織顯著細化，甚至難以明顯區分晶界。文獻[3]報道上引連鑄法制備銅銀合金邊部有發達的柱狀晶，中心為粗大的等軸晶，經過連續擠壓后，晶粒尺寸顯著減小。連續擠壓借助于擠壓輪槽壁上的摩擦力不斷將桿狀坯料送入而實現連續擠壓，坯料與槽壁間的摩擦發熱以及由變形引起的內能增加效果顯著，有研究表明銅在連續擠壓過程中的溫度超過其再結晶溫度[4]，即鑄態組織在其再結晶溫度以上發生塑性變形，形成晶粒細小、分布均勻的動態再結晶組織，完全消除了鑄態組織特征[5]，如圖4（b）、（c）所示。

1.4 漆包線的制備及其性能

利用浙江宏磊集團的漆包機實施Cu-Ag合金裸線的絕緣漆包覆，其操作流程為：放線→退火→涂漆→烘焙→冷卻→潤滑→收線，銅銀漆包線和本廠生產的同等線徑純銅漆包線的主要性能對比見表1，銅銀漆包線的強度比純銅漆包線提高30MPa，電導率超過99%IACS，伸長率為14%，低于純銅的伸長率33%，回彈性角度高于純銅漆包線的回彈角度。

2 結語

（1）銅銀合金的電導率隨著主添加元素Ag含量的增加而逐漸降低，但始終保持在較高的水平，隨著冷加工冷變形量的增加，合金的電導率呈下降趨勢，合金的抗拉強度呈上升趨勢。

（2）上引連鑄制備銅銀合金桿材鑄態組織粗大，連續擠壓加工后，鑄態組織特征消失，合金發生動態再結晶，組織細小。

（3）通過該廠的漆包機進行了銅合金合金裸線的絕緣漆包覆工藝，與該廠同等線徑的純銅漆包線相比，銅銀漆包線強度提高，伸長率降低，回彈角度增大，電導率雖然有所降低，但是仍然保持在很高的水平。

參考文獻

[1] 劉輝.連鑄連扎法取代傳統上引法生產高速電氣化鐵路用銅銀合金接觸線的研究[D].昆明：昆明理工大學，2004.

[2] 馬永范譯.高強度高電導銅合金的設計基礎[J].銅加工，1991（2）：11-17.

[3] 牛玉英，宋寶韞，劉元文.銀銅合金接觸線的制造新工藝[J].塑性工程學報， 2006，13（3）：65-68.

[4] 董少崢.連續擠壓工藝條件對銅扁線產品組織性能的影響[D].大連：大連交通大學，2013.

[5] 王軍.純銅連續擠壓過程微觀組織的研究[D].大連：大連交通大學，2009.