（载运工具运用工程专业论文）包覆拉拔法铜包铝、铜包钢双金属导线的研究.pdf

中文摘要 摘要 双金属复合导线是集两种性能不同的金属于一体的新型导线材料。铜包铝线 同时具备铝的密度小和铜的导电性好的特点，而铜包钢线则同时具备钢的高强度 和铜的导电性好的特点。由于高频信号的电流“趋肤效应”，采用双金属复合线作 为传输导线或作为内导体的同轴电缆，不仅具有高的信号传输特性，而且具有重 量轻或强度高、生产成本低等优点，特别对节约铜资源需求上有着重大的实际意 义。包覆拉拔是目前应用较广泛生产方法，但所对应的双金属结合理论及其材料 组织和性能的研究相对薄弱，不利于其质量提高和技术改进。因此，进一步研究 双金属固相结合机理，以及深入研究其显微组织、力学性能和导电性能，对于开 发研制双金属导线新材料新工艺具有重要的理论意义和实际应用价值。 用量子化学从头算方法计算c 州u 、c u - f e 、c u c u 双原子间的平衡距离和结 合能。以量子化学从头计算方法得出不同距离时两个原子间的相互结合能，采用 势能曲线最低点与从头计算所得的能量最低值相重合的原则，拟合出原子间相互 作用对势，得出c u - a l 、c u f e 和c u c u 双原子间相互作用势。包覆拉拔法的双金 属结合是在施加于两个金属体的外力作用下，两个金属体表面的异类或同类原子 靠近至原子间相互作用势较低，能够相互交换电子、产生吸引力的距离，并且， 两个金属体表面的大量原子间的共同引力作用的结果。 c u - a 1 、c u - f e 双金属固相结合前处于分离表面，在外力的作用下，塑性变形 使金属表面贴近，并克服表面层电子势能的斥力进而使原子靠近，在塑性变形时 两表面凸凹的相互摩擦生热产生“热激活”使表面活化。金属表面的氧化层极大 地防碍了双金属固相的结合，因此，去除金属结合面的氧化层并保护新鲜的洁净 表面是双金属固相的结合的关键。包覆拉拔前的刷洗加工形成较大的表面粗糙度， 使拉拔过程中的塑性变形的第一阶段的凸起处的无定向变形量加大，打碎残留的 氧化膜或新形成的薄氧化膜提供洁净的接触表面，而且，加大了双金属界面间的 摩擦力，减小界面间的相对滑移。 包覆拉拔后在一定条件下双金属界面会发生原子间的相互扩散，扩散有利于提 高结合强度，但不是结合的必要条件。用劢e 删d o 缸软件计算了砧一c u 和f e c u 中文摘要 二元合金相图，计算确定了界面层的固溶度和扩散系数，形变内应力加大了扩散 激活能，因而形变量大的扩散系数也大。c u 包a l 线退火时界面所形成的金属间化 合物相，不仅对继续拉拔有害，对力学性能和电学性能也有不利影响。c u 包钢退 火时原子都是在单相区扩散，因此，其界面原子间相互扩散对提高结合强度和消 除晃面缺欠起到有利的作用。 室温拉拔时的c u 包a j 线、c u 包钢线的晶粒变形延拉拔方向拉长呈纤维状， 随变形量增大纤维加长，纵断面变为纤维状，横断面晶粒变为不规则的形状。纤 维直径与形变量成反比，而纤维长度与形变量平方成正比。同时，形变量较大时 晶界也有局部融合现象。室温拉拔后，c u 包a i 线在3 5 0 退火和c u 包钢线在6 5 0 退火处理时，纤维状晶粒经历回复和再结晶过程，由纤维状晶粒转变为等轴晶， 但是，c u 包钢线中的f e 晶粒尺寸的几率比正常的分布较分散。 室温拉拔的c u 包a l 线、c u 包钢线抗拉强度随形变量增大而增大，与形变量 平方根呈直线关系，而延伸率随形变量增大逐渐降低。根据原始纯铜和合金铝或 钢的极限抗拉强度值，用复合材料强度的混合法则，能够预测不同线径的极限抗 拉强度。经6 5 0 退火的c u 包钢线的抗拉强度已经接近原始的抗拉强度值，其延 伸率也接近原始的延伸率值。 经室温拉拔的c u 包灿线、c u 包钢线的晶界面积增加使静态缺陷对电子波散 射增强，导致电阻率随形变量增加而直线增加，但相对增量极小，仍有很好的导电 性能。把c u 层和芯线看成并联线路，可以计算其室温拉拔的电阻和电阻率。另外， c u 包越线替代纯c u 线的等阻直径也可以按上述方法近似地计算；c u 包钢线退火 的再结晶过程消除了形变的影响，使电阻率下降至稳定状态。 关键词：包覆拉拔法；c n 包a i ；c u 包钢：组织和性能；导电性 英文摘要 s t u d y o nb i m e t a m cw i r eo fc o p p e rc l a da l u m i n u ma n d c o p p e r c l a ds t e e lb yc l a d d r a w i n g a b s t r a c t t h eb i m 砌i i c 恤i san e ww i r e 删a lm a g 伊e g a 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本学位论文属于：保密口 不保密回( 请在以上方框内打“”) 论文作者签名嵌支牲 日期： 创新点摘要 创新点摘要 ( 1 ) 用量子化学从头算方法计算c u - c u 、c u - 甜和c u - f e 双原子间平衡距离 和结合能，采用势能曲线最低点与从头计算所得的能量最低值相重合的原则，拟 合出原子间相互作用对势，得出c u 越、c u - f e 和c u - c u 双原子间相互作用势。用 砀e 朋d 例c 软件计算了a “h 二元合金相图和f e c u 二元合金相图，计算确定了 固溶度，并进而计算了扩散系数。有利于从物理本质上认识在压力作用下双金属 固相结合的基本原理。 ( 2 ) 室温拉拔时的c u 包舢线、c u 包钢线的组织中晶粒是延拉拔方向拉长 呈纤维状，纤维直径与形变量成反比，而纤维长度与形变量平方成正比同时， 在较大形变量时，品界也有局部融合现象。退火处理时由纤维状晶粒再结晶为等 轴晶，但是，晶粒尺寸的几率分布较分散。 ( 3 ) 室温拉拔的c u 包a l 线、c u 包钢线抗拉强度随形变量增大而增大，与 形变量平方根里直线关系，而延伸率随形变量增大逐渐降低。根据原始材料的抗 拉强度值，应用复合材料强度的混合法则，给出了抗拉强度与形变量之间关系的 计算公式。 ( 4 ) 经室温拉拔的c u 包灿线、c u 包钢线的晶界面积增加使静态缺陷对电 子波散射增强，导致电阻率随形变量增加而直线增加，但相对增量极小。退火后回 复再结晶过程消除了形变的影响，使电阻率下降至稳定状态。根据原始材料的电 阻率，按照并联电路计算方法，给出了电阻率与形变量之间关系的计算公式。 包覆拉拔法铜包铝、铜包钢双金属导线的研究 第1 章绪论 1 1 研究背景 双金属复合导线是在2 0 世纪3 0 年代由德国发明的，随后在美、英、法等先 进国家推广，并广泛应用于高频信号传输电缆、电力电缆、控制电缆、电磁线和 特殊漆包线等领域。目前，双金属复合导线主要有铜包铝线、铜包钢线和铝包钢 线，其中铜包铝线和铜包钢线是线缆行业中应用最广泛的双金属复合线材。双金 属复合线材是集两种性能不同的金属于一体而制成的新型线材。铜包铝线同时具 备铝的密度小和铜的导电性好的特点，而铜包钢线则同时具备钢的高强度和铜的 导电性好的特点。由于高频信号的电流“趋肤效应”，采用双金属复合线作为传输 导线或作为内导体的同轴电缆，不仅具有高的信号传输特性，而且具有重量轻或 强度高、生产成本低等优点，特别在节约日日增长的铜资源需求上有着重大的实 际意义。 这两种双金属复合线材的表层都为铜导体，因此，对具有“趋肤效应”的高 频信号是良好的载体。在高频传输范围内主要用于同轴电缆内导体，被誉为纯铜 线内导体的更新换代产品，能提高电视网络铺设、移动通信基站建设及隧道漏泄 电缆架设的质量。在低频传输范围内，铜包铝线用于建筑布电线和电焊机电缆可 减轻重量，若加工成直径较小的轻型电磁线，应用于航天航空仪表线圈、计算机、 电子设备和音响线圈，则成为高附加值导线。铜包钢线由于强度高可应用于双芯 电话线、电话用户线、电子元件引出线、电子元件插件线、电气化铁路多股绞线 承力索、军工被复线及电缆编织屏蔽线等。 2 0 世纪6 0 年代以后，双金属复合导线的生产发展加快，国外工业发达国家， 如美国、德国、英国、法国、日本、瑞典等国从2 0 世纪7 0 年代开始就采用各种 不同的制造方法生产双金属复合导线，并形成巨大的产业，应用的范围也不断地 扩大我国的双金属复合导线的研制起步较晚，大约是从2 0 世纪7 0 年代开始的， 产业化、商品化是从2 0 世纪9 0 年代开始的，至今在国内已形成一个新兴产业， 对我国线缆行业发展起到了很大的推动作用。 第1 章绪论 由于双金属复合导线对国民经济发展的重要作用，对其制备方法、工艺技术、 材料性能等的研究，在国内外都给予很大的重视。丽在我国，由于产业化起步较 晚，大量的相关研究也主要集中在2 0 世纪9 0 年代以后，其研究的重点是制各方 法和工艺技术，而对应的双金属结合理论及其材料组织和性能的研究相对薄弱， 究其原因是制备方法和工艺技术与生产实际直接关联，而且复杂和多样化。但是， 各种加工制备的双金属结合机理及其材料组织和性能的研究，亦关乎制备方法和 工艺技术的正确应用，并直接与产品性能的提高和推广应用紧密相连。因此，进 一步对其深入研究和理论探讨，不仅有着重要的理论价值，而且，对于指导生产 实际和提高产品质量有重要的实际意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 双金属导线生产工艺及发展 双金属复合导线的制备方法多种多样，根据至目前的研究和生产的应用，其 方法有复合挤压法、轧制法、连续挤压包覆法( 简称包覆法) 、热浸镀法、电镀法、 连续铸挤法、铸拉法、充芯连铸法等。 复合挤压法t 1 】 该方法是利用液压挤压机把已经复合在一起的坯料通过挤压模使其变形，生 产出所需的尺寸的线材。该方法要求挤压筒与工件之间润滑良好，以减少摩擦， 从而得到较大挤压力。该方法主要适用于生产铜铝等塑性较好、结构性能相差较 小的双金属所组成的复合材料。 轧制法豳 日立电线株式会社研究所开发了用轧制法生产铜包铝线的工艺。首先对铜带 进行酸洗，然后在还原气氛中加热，与剥皮后的铝线一起进入轧机进行轧制复合。 连续挤压包覆法【3 4 】 其技术过程是，首先，将薄的铜带经多道轧辊逐步形成管状包覆在铝杆或钢 丝上，铜的管状接缝以氩弧焊机焊合，经过挤压模使两金属界面紧密结合，通过 连续多道挤压使界面形成牢固的原子间结合，并制成尺寸要求的线材。 包覆拉拔法【3 】 包覆拉拔法铜包铝、铜包钢双金属导线的研究 通常所说的包覆法就是该方法的简称。包覆法是目前铜包钢、铜包铝及铝包 钢双金属线生产的主要方法。与连续挤压包覆法类似，也是将薄的铜带经多道轧 辊逐步形成管状包覆在铝杆或钢丝上，铜的管状接缝以高频焊合，因此，也称为 包覆焊接拉拔法。经拉拔并通过拉丝模使两金属界面紧密结合，经过多道拉丝模 可制成尺寸要求的线材，双金属界面结合更紧密。包覆拉拔法与连续挤压包覆法 两者的差别是压力变形的模具上，前者是拉丝模，后者是挤压模。 热浸镀法【5 日 经过表面处理的钢线从熔融的铜液中通过，液态铜冷凝在钢线表面热浸镀， 形成具有一定厚度的铜包钢线。该方法的优点是结合强度高，铜覆层可控范围大。 电镀法田 钢丝经除油、清洗后用焦磷酸盐( c 乜p 2 0 7 ) 预镀铜，采用硫酸铜( c u s 0 4 ) 高速加厚镀铜方法，采取连续的拉镀生产铜包钢线。这种电镀法成本高且存在着 环境污染问题。 连续铸挤法【8 i 这是一种高效的半固态固态复合加工工艺，用于连续铸挤工艺生产铝包钢线， 铝钢焊合是铝热压合机制和扩散机制，通过压紧、压合及定经3 个阶段完成的。 铸拉法【9 】 该工艺主要分表面处理、钢丝加热、铸拉和后处理等环节，其中铸拉是关键。 表面处理包括除油、酸洗、水洗和涂助焊剂，其主要目的是保证钢丝表面光洁， 以得到结合性能较好的钢铝界面。钢丝加热一方面是为了铝液能更好的浸润钢的 表面。以达到铝钢复合的目的，同时也是工艺的需要。与铸挤法的差别仅在于采 用了拉拔的加工方式。 充芯连铸法【l o l 充芯连铸法由导流管和结晶器构成铸管的铸型，外层金属液在其中凝固形成 铸管，下拉金属管的同时，心部金属液随之充入铸管中，在一定的拉速和温度下， 实现心部金属的凝固并与外层金属复合。 根据上述所列的许多种工艺方法，从两种金属界面冶金结合的角度，可以归 第1 章绪论 纳为3 类方法，第1 类是固相复合方法，第2 类是液相固相复合方法，第3 类是 电镀方法。第1 类和第2 类方法还可以分别归于固相焊接和液相固相焊接。这样 分类有利于理解和研究其双金属结合原理，以及加工过程的组织结构转变及对性 能改变的影响，进而对工艺技术进行改进。上述方法中的复合挤压法，轧制法， 连续挤压包覆法属于固相复合方法：充芯连铸法，连续铸挤法和铸拉法，以及热 浸镀法都属于液相- 固相复合方法；另外就是在电流作用下，铜离子还原的电镀法。 图1 i 列出双金属导线各种生产工艺方法的分类。 图l ，l 双金属导线各种加工工艺方法 f i g 1 1p o l 归c i l i l i cm 劬o do f b i m e 协l i i cw i r c 各种工艺方法均有其优点和缺点，固相复合方法的金属材料来源易控制，设备 及工艺简单成为目前生产方法的主流，特别是包覆拉拔法、连续挤压包覆法已经成 为主要的生产工艺方法。液相固相复合方法的双金属界面容易结合，但需要熔炼设 备使生产工艺复杂化。而电镀法则园受到环保的影晌，其推广应用会受到限制。 1 2 2 包覆法研究及现状 包覆拉拔法简称包覆法，因铜带包覆芯线( 铝杆或钢筋) 的同时用高频焊接铜 带的纵缝，然后再拉拔，所以也被称着包覆焊接拉拔工艺。用包覆法生产双金属 复合线的包覆焊接工艺流程分3 个阶段，首先是铜带和芯线原材料的准各工序和 包覆拉拔法铜包铝、铜包钢双金属导线的研究 前处理工序，包括铜带裁剪，铝杆坯或钢筋拉拔、清洗及刷洗；然后，进入包覆 焊接工序，使铜带逐步形成管获并芯线包覆其中，再将铜管接头的纵缝连续不断 地以氩弧焊机焊接起来，经拉拔并通过拉丝模使两金属界面紧密结合。 包覆焊接之后的线坯须经过拉拔过程使双金属的界面形成冶金结合，通过多道 拉拔使双金属结合界面结合强度提高并达到产品尺寸要求。拉拔设备主要由拉丝 机构成，拉丝机分单模拉丝机、多模拉丝机，以及卧式串列型连续拉丝机。 国内外在该领域的研究内容大量的是集中在工艺方法和设备研制上【1 1 d 4 】。无论 是工艺技术研究还是实际生产，研究的基础条件和生产上的效率及质量都直接与 设备有关。因此，对设备和工艺的研究是与生产实际紧密相连的，即这些研究工 作对生产实际的指导性和及时性十分明显。 研究内容的第二方面是各种工艺方法的双金属界面结合机理及其结合强度。 无疑，这不仅对金属材料的焊接( 或称连接) 理论的发展有着重要的理论意义， 而且对实际工艺的指导和考评也有着重要的实际价值。在液固相结合方面于九明 等深入地研究了铜钢液固相复合界面的结合强度【1 5 1 但是，对于像固相结合的 包覆法等研究，由于理论问题的难度使这方面研究还停留在表面化和初期探讨上。 除了研究室温下拉拔或挤压结合外，近年来国内外都有人探索了固相结合在加热 条件下提高结合强度方面的研究。例如，k 、0 nh c 研究认为【i i 】，铜包铝线材的最 优化挤压条件是温度5 7 3 k 6 2 3 k ，挤压比为2 1 3 9 ，过高的温度会形成较厚的中间 化合物层。不但使断裂增多，而且电导率下降为退火态的7 0 。 研究内容的第三方面是材料的组织和性能，在双金属复合导线的研究领域里， 几乎所有的研究报道都涉及组织和性能，但是，用原材料的初始性能数据来预测 终态线材性能的研究，以及组织结构和性能与工艺的对应关系的研究很少。而这 方面研究对工艺过程的设计，铜带和芯线原材料的选择及提高线材性能指标有着 重要意义。 研究内容的第四方面是双金属复合导线在同轴电缆、高频信号传输电缆、电 力电缆、控制电缆、电磁线及特殊漆包线上的应用【1 6 j 7 】。 本论文的选题是针对实际生产应用广泛的包覆拉拔法双金属复合导线的 第1 章绪论 双金属界面结合机理的理论探讨，组织和性能的对应关系及根据原材料的初始性 能数据来预测终态线材性能的研究，以及关键工艺技术的改进的研究。 1 2 3 包覆法国相焊接理论 包覆拉拔法制各铜包铝、铜包钢复合导线的过程是以氨弧焊接的薄铜管套在 铝杆或q 1 9 5 钢筋上，经室温拉拔成不同规格的线材。经大交形量多道拉拔，铜管 与芯线结合为一体成双金属复合导线。与熔化焊和钎焊不同，其结合过程属双金 属固相结合，属于固相焊接方法中的一种。曾对双金属固相结合的机理提出了多 种理论【1 8 】，有薄膜理论，再结晶理论，金属键理论，能量理论，扩散理论，以及 n 、b a g 理论等。目前，多数研究者认为，有关固相结合的各种理论都不能单独完 整的反映固相结合的本质，并认为n 、b a g 理论更接近实质。 上述理论认识上的差异，可以从固相结合的命名看出来。国内称之为“扩散 复合”或“扩散连接”；日本称为“固相溶接”或“扩散结合”，以区别于熔化焊 的“融接”：而在英文也称为“d i 任缸i o n b o n d i w 窖或“c o l d j o i 血岔以区别于熔化焊 的“w b l d i n g ”；也有直接以工艺特征命名，称为“常温压接”。实际上，爆炸焊接、 超声波焊接、某些摩擦焊接，以及锻接和热轧焊等都有共同的结合原理，即两个 金属体在固态下加压( 或伴随着形变) ，使接触面的原子靠近并依金属键结合的方 式形成两金属体的结合，所以，广义地称为“固相结合”更确切。完全的扩散连 接在工艺上应是以两金属平滑面紧密接触时，主要依靠原子热扩散而结合的方法。 在双金属界面实现固相结合之后，在一定的条件下发生双金属原子间的相互扩散 是必然的。 关于固相结合的机理有多种理论解释，根据以往的研究1 9 捌大体上可以归纳为 以下几种。 ( 1 ) 薄膜理论 薄膜理论认为吲，焊接性并不取决于材料本身的性质，而是取决于零件被焊接 表面的状态。只要去除被焊接的金属表面的油膜和氧化物，在协调一致的塑性变 形过程中，使被焊零件互相接近到原子间的作用范围内，就能形成焊接接头。他 们把氧化膜分为硬而脆的和韧而易变形的两类，当金属零件冷变形时，硬而脆的 包覆拉拔法铜包铝、铜包钢双金属导线的研究 氧化物即被粉碎，裸露出清洁的金属层，当其互相接近到原子间的作用距离时， 就可牢固地结合在一起如果金属表面上的薄膜是韧而易变形的( 在两个被焊件 中即使有一个零件表面上的氧化物是韧而易变形的) ，在塑性变形时，易变形的氧 化膜就会随同金属一起流动而阻碍接头的形成。 薄膜理论排除了形成原子键的过程中的热力学、动力学的因素，也没有考虑 被焊材料的性能，组织缺陷的影响和塑性变形时的原子的能量状态等因素。 ( 2 ) 再结晶理论 根据金属在变形量大时，再结晶温度会显著下降的事实，1 9 5 3 年j 、m 、p a d c s 提出了再结晶理论【1 叼。他认为，在冷压焊接时形成接头的主要过程是接触区的再 结晶过程。也就是说，金属的变形和变形引起的冷作硬化，在局部高温度的作用 下，会使被焊零件界面边缘的晶格原子重新排列，形成属于两个被焊接的共同晶 粒，于是，就使相互接触的金属结合在一起。由于在再结晶时金属的平均屈服极 限接近零，所以，较小的压力就能达到金属的全面接触。再结晶温度随变形程度 的增加而降低。对于每一种金属来说，复合温度即相当于强烈变形的金属的再结 晶温度。再结晶理论认为，为了实现结合必须克服一定的能量界限，因而也符合 能量学说。 再结晶理论不能解释许多金属在室温下能够结合，此时也形成金属键，但不 发生再结晶。根据这个理论，预先的加工硬化是结合的必要条件，而实际上在没 有预先的加工硬化时( 例如扩散结合) 金属间也可以形成结合。再结晶过程往往 是结合后的组织变化过程，而非结合过程本身，且不能解释低温下( 1 5 0 ) 也可 以使某些金属进行结合的现象【2 4 】。 ( 3 ) 金属键理论 1 9 5 4 年m m b u n o n 提出，实现结合是使两种金属的原子足够接近，以达到 原子间吸引力发挥作用而形成金属键的程度。在固体金属内部构成其晶格结点上 的粒子是金属原子或离子，由于金属原子的价电子的电离能较低，受外部环境的 影响( 包括热效应等) ，价电子可以脱离原子且不固定在某一离子附近，成为在晶 格中自由运动的自由电子。这种自由电子将金属原子及离子联系在一起使之形成 第1 章绪论 了金属整体的作用力称为金属键。当然固体金属也可视为等径圆球的金属原子或 离子紧密堆积成的晶体。这时原子的配位数可高达8 至1 2 ，金属中为数不多的价 电子不足以形成如此多的共价键，价电子只能为整个金属晶格所共有。 固相结合的金属键理论是从物理原理上给予解释，而没有考虑材料性能及塑 性变形时原子的能量状态等因素。 ( 4 ) 能量理论 1 9 5 8 年西苗诺夫提出的能量理论，认为结合面接近到晶格参数的数量时，只 有原子所含能量达到一定水平才能结合。这一能量水平称为该种金属结合的最低 能量水平。该理论运用了激活状态的概念，从能量角度来解释结合过程，但不能 解释导致晶格能量增加的