銅包鋼雙金屬線制備工藝及其應(yīng)用研究

郭裕民 GUO Yu-min

（杭州富陽裕紅線材制品設(shè)備有限公司，杭州 311400）

0 引言

在高強(qiáng)度鋼絲的表面包覆一層高導(dǎo)電的銅，包覆的銅與鋼絲同芯，且連續(xù)、致密、均勻，它們之間形成一種緊密的冶金或物理結(jié)合，這就是銅包鋼雙金屬復(fù)合導(dǎo)線。自從上世紀(jì)50年代以來，各國都在對雙金屬復(fù)合線材進(jìn)行研究，利用不同金屬間的差異，努力制造比單金屬線材更為優(yōu)質(zhì)的線材。隨著研究的深入、技術(shù)的革新，銅包鋼線材的質(zhì)量達(dá)到了高水平。其作為功能材料，在通信、汽車、航空航天、輸電、電子等諸多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，表現(xiàn)出超高技術(shù)優(yōu)勢、經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。[1]

1 國內(nèi)銅包鋼行業(yè)的發(fā)展歷史

國內(nèi)的銅包鋼雙金屬線材發(fā)展歷史大致分為三個(gè)階段。（以下所說的銅包鋼不包括焊絲等產(chǎn)品，僅指用于導(dǎo)體行業(yè)的銅包鋼）

1.1 第一階段

第一階段是1969年-1985年之間。當(dāng)時(shí)有銅包鋼生產(chǎn)工藝的僅有一個(gè)廠家-湘潭電纜廠。該廠擁有我國最早的銅包鋼生產(chǎn)技術(shù)，運(yùn)用了前蘇聯(lián)工藝，是將鋼棒放置于模具內(nèi)，之后在外澆鑄銅液，形成幾十公斤的銅包鋼坯錠，經(jīng)過熱軋、清洗、拉絲、退火等步驟后，生產(chǎn)出銅包鋼線，該種方式生產(chǎn)出的線材是雙零級的。該方式由于成本高、材料利用率低，產(chǎn)品長度有限等缺點(diǎn)已于1990年停止使用。

1.2 第二階段

第二階段是1985年-2001年之間。改革開放帶來了通訊事業(yè)的火速發(fā)展，電話線芯導(dǎo)體材料要求為純銅或銅包鋼材質(zhì)。因此，各地開始大規(guī)模使用電鍍工藝生產(chǎn)銅包鋼線材。利用電解電池工作原理，將塊狀的銅板設(shè)置為陽極“溶解”，之后經(jīng)過電流的引導(dǎo)，使之覆蓋到陰極的銅絲上，以形成銅層的包覆。電鍍銅包鋼線材一般是用于有線電視電纜、電話線、電子元器件的引線等。其優(yōu)點(diǎn)有導(dǎo)電率低、占地面積不大、鍍層薄等，缺點(diǎn)有易剝落、包覆層不均勻、性能較差、嚴(yán)重的環(huán)境污染。

1.3 第三階段

第三階段是2001年至今。針對電鍍工藝、鑄軋工藝生產(chǎn)銅包鋼出現(xiàn)的銅層不均勻、長度不夠長、對環(huán)境造成嚴(yán)重污染、拉絲易斷等缺點(diǎn)，致力于制造高強(qiáng)度、大長度、耐腐蝕、大截面的復(fù)合型材料。2001年，上海某公司自主開發(fā)包覆法銅包鋼工藝取得成功。在2003年形成批量銷售，不僅不用再進(jìn)口，且出口至國外，其產(chǎn)品質(zhì)量與世界水平持平。該工藝所生產(chǎn)出的銅包鋼雙金屬線長度長、包覆層薄厚均勻。在輸電、通信、電力領(lǐng)域應(yīng)用十分適宜。其缺點(diǎn)是成本較高，雙金屬結(jié)合有技術(shù)難點(diǎn)。

與此同時(shí)，水平連鑄法等其他各種技術(shù)也出現(xiàn)了。水平連鑄是直接在鋼絲上連續(xù)澆鑄銅液，待在模具中冷卻后，形成銅包層。位于銅鋼接觸面的合金層會(huì)影響導(dǎo)電率。該種工藝適用于生產(chǎn)大長度、大截面的復(fù)合型線材，且復(fù)合層結(jié)合性能良好，厚度可任意選擇。但是它的缺點(diǎn)是偏芯、復(fù)合層的厚度不具備良好的均勻性，對于電性要求高的線材不適用。

在這個(gè)階段，市場上主流存在的是包覆法、電鍍法、水平連鑄法，影響各工藝發(fā)展的主要是成本問題。

2 主流銅包鋼制備工藝

當(dāng)前國內(nèi)主要制作工藝是包覆法、電鍍法、水平連鑄法。國外的主流工藝是包覆法、雙銅帶熱軋法、熱浸鍍法。下面依次對這些工藝進(jìn)行介紹。

2.1 包覆法工藝

包覆法生產(chǎn)銅包鋼坯線工藝主要由三部分組成[2]。這三部分分布是原料預(yù)處理、包覆焊接、銅鋼粘合。

①原料預(yù)處理：在這一步驟中，要在包覆前，對鋼線、銅帶等原料進(jìn)行徹底的清理工作，將其表面的氧化物、污漬等都去除干凈，避免在后續(xù)的粘合過程中出現(xiàn)問題。

②包覆焊接：在這一步驟中，銅帶會(huì)進(jìn)入焊接裝置。當(dāng)其進(jìn)入并逐漸成型后，會(huì)在形成圓管的過程中將鋼線包覆。隨后，使用鎢極氬弧焊把前進(jìn)中的銅管縱縫兩側(cè)焊接起來，最終得到均勻包覆的銅包鋼線坯產(chǎn)品。

③銅鋼粘合：在這一步驟中，要用到專門開發(fā)的工藝、設(shè)備，使用特殊的軋拉方式，把鋼、銅兩種金屬粘合至一處，從而形成原子間緊密的、良好的結(jié)合。

包覆法生產(chǎn)銅包鋼雙金屬線的生產(chǎn)工藝流程為：銅帶成管（鋼芯→矯直→清洗，與此同時(shí)，進(jìn)行銅帶→清洗→輥輪）→包覆→鎢極氬弧焊焊接→緊貼→加熱→四輥熱軋→拉拔→熱處理→成品。

在包覆法中，銅包鋼雙金屬線制備生產(chǎn)工藝流程中最大的難點(diǎn)在于大長度的焊接。如果在焊接的途中停機(jī)，而后更換焊針再開機(jī)，不得有漏點(diǎn)存在，要連續(xù)焊接。這是良好的包覆焊接線的最基礎(chǔ)要求，在中試階段，這個(gè)問題得到了解決。包覆法生產(chǎn)工藝流程中的四輥熱軋工序的截面圖如圖1所示。

圖1 包覆焊接法生產(chǎn)工藝流程中四輥熱軋工序截面圖

由圖1可知，在包覆法中，四輥熱軋工序是關(guān)鍵步驟。在這個(gè)工藝流程中，鋼芯、銅層可以粘合到一起，變形量相對不大，也實(shí)現(xiàn)了兩種金屬的緊密結(jié)合。選擇適當(dāng)?shù)脑O(shè)備、適當(dāng)?shù)墓に囀址ㄊ亲罱K獲得粘合完美的銅鋼的關(guān)鍵所在。大變形量條件下使得鋼、銅得以粘合是常規(guī)手段。在這種方式下，所獲得的基本都是小規(guī)格線材，尺寸在Φ2mm以下。要得到大規(guī)格線材就需要使用小變形量使得鋼、銅粘合。

通過對銅、鋼的粘合理論研究，將其應(yīng)用于技術(shù)開發(fā)工作，對工藝、設(shè)備進(jìn)行創(chuàng)新、改進(jìn)，使得其導(dǎo)電率70%的線材，規(guī)格可做到Φ6mm以下，將生產(chǎn)范圍擴(kuò)大，提高生產(chǎn)能力。

2.2 電鍍法工藝

在導(dǎo)電率30%以下的銅包鋼雙金屬線中，應(yīng)用最多的工藝是電鍍法。電鍍法生產(chǎn)銅包鋼線的工藝流程為：鋼絲放線、電解堿洗（此步驟用于除油）、清水沖洗、電解酸洗（此步驟用于除去氧化膜）、清水沖洗、預(yù)鍍銅/鎳、清水沖洗、主鍍銅（此步驟用于加厚鍍層）、清水沖洗、熱水沖洗（此步驟加鈍化劑/抗氧化劑）、烘干、收線。

總之，電鍍法主要有三部分：首先對鋼絲表面進(jìn)行處理，將油污、氧化層等去除；其次預(yù)鍍鎳/銅，主鍍加厚銅；第三再次清洗之后加入表面鈍化劑或抗氧化劑。

使用電鍍法進(jìn)行銅包鋼制作的基本原理是：把鋼絲進(jìn)行清洗去油去氧化膜等，進(jìn)行預(yù)鍍鎳，之后放入電鍍液，以鋼絲為陰極，銅板為陽極，施加一定的電壓。在陽極上，在電解作用下，銅板電子不斷地失去，從而形成二價(jià)銅離子，在電鍍液中游離：Cu-2e→Cu2+。在陰極上，在電解作用下，鋼絲使得二價(jià)銅離子又再次獲得電子，并且在鋼絲的表面沉積下來，最終形成銅包鋼線材：Cu2++2e→Cu，Cu2++e→Cu+，Cu++e→Cu，2H++2e→H2。

在銅離子沉積到鋼絲表面的過程中，要注意的是銅離子與鐵不能直接發(fā)生氧化還原反應(yīng)。鐵基電鍍銅需要解決的根本問題就是阻止這兩者直接發(fā)生氧化還原反應(yīng)。鋼絲本身提供電子并且向亞鐵離子轉(zhuǎn)換，那么鋼絲就會(huì)發(fā)生溶解，即爛絲，在這個(gè)過程中產(chǎn)生的置換銅層不是電沉積，其結(jié)合是十分薄弱的。因此，為了防止出現(xiàn)這種潛在的鋼絲溶解隱患，預(yù)鍍步驟必不可少。在合理的、成熟的預(yù)鍍工藝中，銅鍍鎳、氰化物鍍銅、高磷比的焦磷酸鹽鍍銅。其中氰化物鍍銅液的優(yōu)點(diǎn)很多，有鍍層致密、分散性好、附著性強(qiáng)等。但是，在國內(nèi)，當(dāng)前的設(shè)備還無法很好地解決氰化物的環(huán)保問題，所以一般都使用其他的配方。在后續(xù)拔絲加工電鍍中，預(yù)鍍采取鍍鎳的方式較好。而主鍍即加厚鍍銅采用酸性硫酸鹽鍍銅[3]、氟硼酸、氟硼酸銅等工藝。

綜上，電鍍法的難點(diǎn)在于如何提高銅層的連續(xù)性、穩(wěn)定性、致密性、附著性。而獲得優(yōu)質(zhì)的銅包鋼線材，這些都是無法回避的問題。鍍層的厚度也需要提高，當(dāng)前技術(shù)也有困難[4]，一般銅包鋼線材的線徑只能做到Φ2.5mm以下，導(dǎo)電率不高于20%。

2.3 水平連鑄法工藝

使用水平連鑄法生產(chǎn)銅包鋼雙金屬線主要分為四個(gè)環(huán)節(jié)，分別為表面處理環(huán)節(jié)、鋼芯預(yù)熱環(huán)節(jié)、水平連鑄環(huán)節(jié)、后處理環(huán)節(jié)等。其關(guān)鍵點(diǎn)是水平連鑄。工藝原理如圖2所示。

圖2 水平連鑄原理示意圖

由圖2可知，鋼芯在經(jīng)過表面的處理之后，進(jìn)行預(yù)熱，隨后進(jìn)入連鑄爐，在水冷結(jié)晶器內(nèi)，銅液會(huì)凝固成為固體狀態(tài)的層包覆于鋼芯之上，然后，輪式牽引會(huì)將其拉出，整個(gè)過程持續(xù)不斷，從而生產(chǎn)除連續(xù)的、結(jié)晶的銅包鋼雙金屬復(fù)合型線材。

對鋼絲進(jìn)行表面處理，可使得銅鋼界面結(jié)合得更好，因此，在水平連鑄復(fù)合之前，對鋼絲進(jìn)行徹底的表面清理工作必不可少。表面清理工作包括：第一，通過拉拔模將其表面的氧化鐵皮去除；第二，初步清理之后的鋼絲送入矯直機(jī)，在機(jī)器內(nèi)進(jìn)行剝皮、矯直；第三，從矯直機(jī)出來的鋼絲還要進(jìn)行除油、水洗、酸洗等工序處理，這些處理之后鋼絲的芯線表面清潔度更高。

預(yù)熱工作會(huì)將鋼絲吸熱降低，可形成一種相對良好的濕潤環(huán)境，在這種條件下，金屬液的溫度穩(wěn)定，有利于后續(xù)工作的開展。

水平連鑄法的核心是連鑄。其將經(jīng)過清潔處理的鋼絲、銅液放置到結(jié)晶器內(nèi)，通過其冷卻功能使得兩者結(jié)合到一處，以實(shí)現(xiàn)銅包鋼線復(fù)合效果。

后處理工作是指對銅包鋼線進(jìn)行熱處理、拉拔工序，以達(dá)到復(fù)合線形成一定變形，將其力學(xué)性能、表面質(zhì)量、導(dǎo)電性能改善。工序的關(guān)鍵在于鑄造復(fù)合，產(chǎn)品的質(zhì)量、生產(chǎn)效率完全取決于它。

水平連鑄法生產(chǎn)銅包鋼雙金屬線材優(yōu)點(diǎn)很多，如自動(dòng)化程度高、節(jié)省人力資源、生產(chǎn)效率高等。但是它的不足之處在于偏芯高于其他方法，銅鋼界面合金層的厚度較厚等，這些都需要進(jìn)一步研究克服。

2.4 熱浸鍍法

熱浸鍍法在國內(nèi)并不常見，是日本的生產(chǎn)工藝。在引入美國通用電氣公司的熱浸鍍無氧銅桿生產(chǎn)線后，日本在其基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，研制出銅包鋼線。使用該方式生產(chǎn)的銅包鋼線已應(yīng)用于新干線的接觸網(wǎng)導(dǎo)線。

熱浸鍍法工藝屬于液相-固相復(fù)合工藝。該工藝的制備原理為：鋼芯的溫度較低，使之通過熔融狀態(tài)的銅液，這時(shí)，鋼線會(huì)吸熱，鋼線的吸熱使得液態(tài)的銅發(fā)生冷凝，附著在鋼線表面，最終生產(chǎn)出銅包鋼雙金屬線，該線具備一定的覆層厚度。

在進(jìn)行浸鍍之前，鋼芯要事先進(jìn)行機(jī)械打磨、涂助鍍劑、酸堿洗等表面處理工作。在經(jīng)過表面處理后，鋼芯上存在的氧化膜、油脂等雜質(zhì)被清理干凈，表面被活化。之后，會(huì)對鋼線進(jìn)行預(yù)熱處理。經(jīng)過預(yù)熱的鋼線通過熔融狀態(tài)的銅液，兩者發(fā)生復(fù)合。所制作的鋼芯與銅層之間存在較好的結(jié)合力，較強(qiáng)的可塑性。

與包覆法工藝相比較，熱浸鍍法的銅材利用率較高，加工費(fèi)用低廉，長尺寸的連續(xù)線材、帶材都容易制造出來；與電鍍法工藝相比較，熱浸鍍法所制造的銅包鋼雙金屬線的銅層更為厚實(shí)，且對環(huán)境友好，無污染產(chǎn)生。

此外，實(shí)際上，鋼絲熱鍍銅、鋼絲熱鍍鋅的工藝相差無幾，只是所鍍的金屬一個(gè)是要鍍厚一點(diǎn)，一個(gè)是要鍍薄一點(diǎn)。

2.5 雙銅帶熱軋法

美國科普威在2007年之前，是全球最大的銅包鋼線生產(chǎn)商。雙銅帶熱軋法是其制作手法。由于這種方式對于銅帶的質(zhì)量要求很高，所生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量非常好。但是其工藝控制過程復(fù)雜，所產(chǎn)生的廢料也很多，所以成本較其他方式偏高，在國內(nèi)，一般都使用包覆法進(jìn)行替代，所以并不常見。

雙銅帶熱軋法的關(guān)鍵點(diǎn)在于用二輥熱軋。中心為鋼芯、上下各一根銅帶，將三者軋合至一起，形成銅包鋼線坯。這個(gè)線坯是帶雙“耳子”的，要將雙“耳子”去除。之后進(jìn)行退火、拉拔等步驟，最終形成銅包鋼雙金屬線產(chǎn)品。

在鋼芯以及銅帶進(jìn)入軋輥之前，還需要提前進(jìn)行表面的活化處理、凈化加熱處理等。只有經(jīng)過這些處理，銅帶與鋼芯、銅帶與銅帶之間才能形成一種良好的粘合狀態(tài)。在一定的壓合變形量之下，所軋制出來的銅帶會(huì)向兩側(cè)輥縫產(chǎn)生寬展出現(xiàn)余量，即形成雙“耳子”。良好的粘合必須有這些余量。[5]

3 銅包鋼雙金屬線的應(yīng)用

3.1 電子元器件用引線

在電子工業(yè)領(lǐng)域，銅線應(yīng)用范圍很大，但是銅的強(qiáng)度低，使用銅包鋼雙金屬線可滿足銅的導(dǎo)電性，還能同時(shí)具有鋼的強(qiáng)度，導(dǎo)電率、抗拉強(qiáng)度等還可以根據(jù)使用要求進(jìn)行調(diào)整，可很好地滿足電容器、二極管等元器件的引線要求。

3.2 CATV同軸電纜

CATV為Cable Television的簡寫，它是指利用電纜、電線、微波、衛(wèi)星等設(shè)備進(jìn)行信號傳輸，并依靠同軸電纜對信號進(jìn)行分配的公共有線電視網(wǎng)絡(luò)。因此，在同軸電纜內(nèi)，導(dǎo)體的精度要求很高，機(jī)械強(qiáng)度也要好。[6]

同軸電纜的信號傳輸是通過電流進(jìn)行的，這個(gè)電流的頻率非常高，而高頻電流在傳輸過程中會(huì)集中至導(dǎo)體表面，即“趨膚效應(yīng)”。電流在表層傳輸?shù)拿芗潭雀娏黝l率呈正比關(guān)系。如果導(dǎo)線采用純銅，那么中間的銅在導(dǎo)電方面意義不大。使用銅包鋼雙金屬線來進(jìn)行電流的傳輸，在保證了導(dǎo)電不受影響的情況下，縮減了銅金屬的用量，降低成本，且中間的鋼芯提高了導(dǎo)線的機(jī)械強(qiáng)度。所以CATV同軸電纜的應(yīng)用前景樂觀，擴(kuò)大行業(yè)生產(chǎn)會(huì)帶來更高的效益。

4 結(jié)束語

在當(dāng)前階段，包覆法、電鍍法、水平連鑄法所生產(chǎn)的銅包鋼雙金屬線可滿足大部分高、中、低端用途，其性價(jià)比很高，除了接地棒之外，幾乎都可以應(yīng)用。銅的價(jià)格一直在上漲，雙金屬線的用途還有進(jìn)一步的擴(kuò)展空間。要大力加強(qiáng)銅包鋼雙金屬線的制備工藝改善、創(chuàng)新，加大投入力度，拓展應(yīng)用范圍，爭取獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益。