銅包鋁復(fù)合線材

銅包鋁線及其制備加工技術(shù)1銅包鋁復(fù)合線材的特點及其應(yīng)用復(fù)合材料，就是由兩種或兩種以上的材料經(jīng)一定的復(fù)合工藝制造出來的一種新型材料，兼?zhèn)鋬煞N材料的優(yōu)點于一身。雙金屬復(fù)合導(dǎo)線是在20世紀(jì)30年代由德國發(fā)明的，隨后在美、英、法等先進(jìn)國家推廣，并廣泛應(yīng)用于高頻信號傳輸電纜、電力電纜、控制電纜、電磁線和特殊漆包線等領(lǐng)域。目前，雙金屬復(fù)合導(dǎo)線主要有銅包鋁線、銅包鋼線和鋁包鋼線，其中銅包鋁線和銅包鋼線是線纜行業(yè)中應(yīng)用最廣泛的雙金屬復(fù)合線材。雙金屬復(fù)合線材是集兩種性能不同的金屬于一體而制成的新型線材。銅包鋁線同時具備鋁的密度小和銅的導(dǎo)電性好的特點，而銅包鋼線則同時具備鋼的高強度和銅的導(dǎo)電性好的特點。由于高頻信號的電流“集膚效應(yīng)”，采用雙金屬復(fù)合線作為傳導(dǎo)線或作為內(nèi)導(dǎo)體的同軸電纜，不僅具有高的信號傳輸特性，而且具有重量輕或強度高、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點，特別在節(jié)約日日增長的銅資源需求上有著重大的實際意義。其中，銅包鋁復(fù)合線材(以下簡稱銅包鋁線)是兼?zhèn)溷~和鋁兩種材料的優(yōu)點的復(fù)合材料，最早由德國于上世紀(jì)30年代推出，隨后英國、美國、法國、前蘇聯(lián)等國也相繼采用各種不同方法生產(chǎn)銅包鋁線。與純銅線相比較，銅包鋁線具有如下特點：節(jié)約了金屬銅，大大降低了生產(chǎn)成本。同時用銅包鋁代替純銅，節(jié)約了稀有資源。⑵提高了同軸電纜信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。同軸電纜常用鋁作為外導(dǎo)體，因銅包鋁線的膨脹系數(shù)相對純銅而言與鋁材更為接近，從而減小了因溫度變化使電纜內(nèi)、外導(dǎo)體膨脹不匹配而產(chǎn)生的連接故障。(3)銅包鋁線質(zhì)量輕、密度小，便于運輸和安裝，大大減小了網(wǎng)絡(luò)施工中的勞動強度。銅與鋁的質(zhì)量比為3.3:1，銅包鋁線的密度僅為純銅密度的37.3%?40.8%。在直徑相同的條件下，1噸銅包鋁線的長度是相同質(zhì)量的純銅線長度1.7?2.45倍。銅包鋁線的結(jié)構(gòu)特點是：外層為純銅或紫銅，其厚度較小，芯部為鋁金屬。有線電視信號和移動通信信號的頻率很高，一般在50?800MHz左右，由于“集膚效應(yīng)”，高頻電流主要集中在導(dǎo)體的表面層傳輸，而且鋁本身也具有良好的導(dǎo)電性能，因而采用銅包鋁復(fù)合材料代替純銅或紫銅可以保證電纜的傳輸效率。鋁的價格低于銅，其密度不足銅的三分之一，因而可以大幅度減輕線材單位長度的重量，有利于電纜的安裝與施工。因此銅包鋁線具有廣闊的應(yīng)用前景。采用銅包鋁線為內(nèi)導(dǎo)體的電纜具有以下一些優(yōu)點：(1)密度低，銅包鋁線的密度是純銅線的37%?40%，直接用作射頻電纜的內(nèi)導(dǎo)體均可使其重量大幅度降低，便于運輸、安裝，降低敷設(shè)費用；⑵復(fù)合線材的銅鋁截面比一般為15%:85%，可以節(jié)省我國較缺乏的銅資源；(3)當(dāng)CATV同軸射頻電纜用鋁管作外導(dǎo)體時，采用銅包鋁線作為內(nèi)導(dǎo)體，可使其熱膨脹系數(shù)和彈性模量與鋁管相接近，從而提高了電纜使用的穩(wěn)定性和可靠性。而且與用純銅作內(nèi)導(dǎo)體的情形相比，在信號傳遞，特別是在高頻信號傳遞方面，由于導(dǎo)體的“趨膚效應(yīng)”，性能上相差很小。目前上海、深圳等地各有線電視臺已經(jīng)采用了用銅包鋁線作為內(nèi)導(dǎo)體的同軸電纜，實際應(yīng)用效果表明，與純銅線沒有區(qū)別°CATV電纜工業(yè)是銅包鋁線的最大應(yīng)用市場，美國的CATV電纜早在1968年就開始使用銅包鋁線，消耗數(shù)量曾達(dá)3萬噸/年之巨。近年來由于國產(chǎn)銅包鋁線問世，我國生產(chǎn)的型號為75-9、75-12和540等CATV電纜也開始大量使用銅包鋁線作內(nèi)導(dǎo)體。我國是CATV用戶最多的國家。隨著信息產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，有線電視網(wǎng)絡(luò)將不斷興建或更新，并將發(fā)展有線電視、電話和計算機三網(wǎng)合一的網(wǎng)絡(luò)，因此采用優(yōu)質(zhì)的銅包鋁線來代替純銅線制造同軸電纜將具有廣闊的應(yīng)用前景。2銅包鋁線的制備技術(shù)與研究現(xiàn)狀2.1雙金屬復(fù)合材料的制備加工技術(shù)雙金屬復(fù)合導(dǎo)線的制備方法多種多樣，根據(jù)全目前的研究和生產(chǎn)的應(yīng)用，其方法有復(fù)合擠壓法、軋制法、連續(xù)擠壓包覆法(簡稱包覆法)、熱浸鍍法、電鍍法、連續(xù)鑄擠法、鑄拉法、充芯連鑄法等。(1)復(fù)合擠壓法該方法是利用液壓擠壓機把己經(jīng)復(fù)合在一起的坯料通過擠壓模使其變形，生產(chǎn)出所需的尺寸的線材。該方法要求擠壓筒與工件之間潤滑良好，以減少摩擦，從而得到較大擠壓力。該方法主要適用于生產(chǎn)銅-鋁等塑性較好、結(jié)構(gòu)性能相差較小的雙金屬所組成的復(fù)合材料。（2） 軋制法日立電線株式會社研究所開發(fā)了用軋制法生產(chǎn)銅包鋁線的工藝。首先對銅帶進(jìn)行酸洗，然后在還原氣氛中加熱，與剝皮后的鋁線一起進(jìn)入軋機進(jìn)行軋制復(fù)合。（3） 連續(xù)擠壓包覆法其技術(shù)過程是，首先，將薄的銅帶經(jīng)多道軋輥逐步形成管狀包覆在鋁桿或鋼絲上，銅的管狀接縫以氫弧焊機焊合，經(jīng)過擠壓模使兩金屬界面緊密結(jié)合，通過連續(xù)多道擠壓使界面形成牢固的原子間結(jié)合，并制成尺寸要求的線材。（4） 包覆拉拔法通常所說的包覆法就是該方法的簡稱。包覆法是目前銅包鋼、銅包鋁及鋁包鋼雙金屬線生產(chǎn)的主要方法。與連續(xù)擠壓包覆法類似，也是將薄的銅帶經(jīng)多道軋輥逐步形成管狀包覆在鋁桿或鋼絲上，銅的管狀接縫以高頻焊合，因此，也稱為包覆焊接拉拔法。經(jīng)拉拔并通過拉絲模使兩金屬界面緊密結(jié)合，經(jīng)過多道拉絲?？芍瞥沙叽缫蟮木€材，雙金屬界面結(jié)合更緊密。包覆拉拔法與連續(xù)擠壓包覆法兩者的差別是壓力變形的模具上，前者是拉絲模，后者是擠壓模。（5） 熱浸鍍法經(jīng)過表面處理的鋼線從熔融的銅液中通過，液態(tài)銅冷凝在鋼線表面熱浸鍍，形成具有一定厚度的銅包鋼線。該方法的優(yōu)點是結(jié)合強度高，銅覆層可控范圍大。（6） 電鍍法鋼絲經(jīng)除油、清洗后用焦磷酸鹽（Cu2P2O7）預(yù)鍍銅，采用硫酸銅（CuSO4）高速加厚鍍銅方法，采取連續(xù)的拉鍍生產(chǎn)銅包鋼線。這種電鍍法成本高且存在著環(huán)境污染問題。（7） 連續(xù)鑄擠法這是一種高效的半固態(tài)/固態(tài)復(fù)合加工工藝，用于連續(xù)鑄擠工藝生產(chǎn)鋁包鋼線，鋁鋼焊合是鋁熱壓合機制和擴散機制，通過壓緊、壓合及定徑3個階段完成的。（8） 鑄拉法該工藝主要分表面處理、鋼絲加熱、鑄拉和后處理等環(huán)節(jié)，其中鑄拉是關(guān)鍵。表面處理包括除油、酸洗、水洗和涂助焊劑，其主要目的是保證鋼絲表面光潔，以得到結(jié)合性能較好的鋼鋁界面。鋼絲加熱一方面是為了鋁液能更好的浸潤鋼的表面，以達(dá)到鋁鋼復(fù)合的目的，同時也是工藝的需要。與鑄擠法的差別僅在于采用了拉拔的加工方式。（9）充芯連鑄法充芯連鑄法由導(dǎo)流管和結(jié)品器構(gòu)成鑄管的鑄型，外層金屬液在其中凝固形成鑄管，下拉金屬管的同時，心部金屬液隨之充入鑄管中，在一定的拉速和溫度下，實現(xiàn)心部金屬的凝固并與外層金屬復(fù)合。根據(jù)上述所列的許多種工藝方法，從兩種金屬界面冶金結(jié)合的角度，可以歸納為3類方法，第1類是固相復(fù)合方法，第2類是液相-固相復(fù)合方法，第3類是電鍍方法。第1類和第2類方法還可以分別歸于固相焊接和液相/固相焊接。這樣分類有利于理解和研究其雙金屬結(jié)合原理，以及加工過程的組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變及對性能改變的影響，進(jìn)而對工藝技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)。上述方法中的復(fù)合擠壓法，軋制法，連續(xù)擠壓包覆法屬于固相復(fù)合方法；充芯連鑄法，連續(xù)鑄擠法和鑄拉法，以及熱浸鍍法都屬于液相-固相復(fù)合方法；另外就是在電流作用下，銅離子還原的電鍍法。2.2銅包鋁線材的研究現(xiàn)狀由于銅包鋁線的高頻電導(dǎo)率與純銅線材相差很小，而其單位長度重量顯著降低，具有良好的綜合性能，因此銅包鋁線的制備工藝研究受到較為廣泛的關(guān)注，研究開發(fā)了各種新工藝新技術(shù)。但目前采用的工藝方法大多是固體壓接成形法，包括軋制壓接法、包覆焊接法、靜壓擠壓法等。這些工藝方法均需要對芯材或包覆層金屬進(jìn)行表面清理，工序較復(fù)雜。因此，探索新的制備工藝方法以降低成本、穩(wěn)定質(zhì)量，是當(dāng)前復(fù)合線材研究的重點內(nèi)容之一。較早應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的方法是鋁線鍍銅法。它是在鋁芯線表面電鍍銅層以獲得銅包鋁線的方法。這種方法較為簡單，但鍍銅層的成分不純，脆性大，并且往往因為鍍銅層的不均勻而導(dǎo)致鍍層與鋁芯線不同心，難以滿足同軸電纜的使用要求，目前此方法已被淘汰。其次為軋制壓接法。將經(jīng)過清洗并加熱的兩條銅帶從上下兩個方向包覆鋁芯線，利用軋輥施加的壓力將銅帶與鋁芯線壓接在一起，然后將銅帶接縫的兩個凸耳切除形成線坯。將線坯進(jìn)行拉拔獲得所需直徑的線材，再通過熱處理賦予線材所需性能。這種方法具有產(chǎn)品質(zhì)量好、生產(chǎn)效率高及環(huán)保問題少等優(yōu)點，但工藝比較復(fù)雜，涉及的工序比較多，通過軋制獲得線坯的設(shè)備投資較大，因而生產(chǎn)成本較高。目前應(yīng)用較為廣泛的是包覆焊接法，其工藝原理是采用包覆焊接裝置，將經(jīng)過清洗的銅帶逐步形成圓管狀，包覆在清洗過的鋁芯線周圍。采用氬弧焊將銅管的縱縫焊接起來形成線坯。然后通過拉拔和熱處理獲得所需的線材直徑和性能。這種工藝模式相對較為簡單，設(shè)備不太復(fù)雜，所生產(chǎn)的銅包鋁線質(zhì)量較好，為目前國內(nèi)主要的生產(chǎn)方法。此外，還有靜液擠壓法，這是一種特殊的潤滑擠壓加工工藝。這種工藝方法是將大直徑的銅包鋁復(fù)合線坯通過靜液擠壓獲得銅包鋁線材，利用的是高靜水壓力和大加工變形率實現(xiàn)銅、鋁的固相結(jié)合。其特點為：在擠壓過程當(dāng)中，坯料周圍充滿粘性介質(zhì)，擠壓壓力通過粘性介質(zhì)傳遞到坯料上，坯料受到均勻的等靜水壓力，擠壓軸、擠壓筒之間沒有接觸，坯料與模具之間的摩擦也被控制在最小范圍內(nèi)，從表面到芯層都可以獲得均勻的變形，因而能夠得到固相結(jié)合較好的銅包鋁線。國外還嘗試將鋁液澆鑄到銅管內(nèi)來進(jìn)行銅包鋁線復(fù)合線坯的制備，隨后再利用熱擠壓的方法獲得復(fù)合線材。國內(nèi)也有專家對該方法的可行性進(jìn)行了研究，并提出該方法制備的復(fù)合線坯固相結(jié)合良好，有利于后續(xù)擠壓加工過程中進(jìn)一步實現(xiàn)銅、鋁的結(jié)合。該方法適合銅包鋁等芯部金屬熔點低，外層金屬熔點高的雙金屬復(fù)合材料，可以得到包覆層均勻，芯部形狀規(guī)整的復(fù)合金屬材料棒材。國外有嘗試采用將鋁液澆注到銅管內(nèi)進(jìn)行復(fù)合形成復(fù)合線坯，然后再進(jìn)行熱擠壓過程獲得復(fù)合線的研究。綜合以上，銅包鋁線的制備工藝基本上均采用固相結(jié)合法，即通過塑性變形使兩金屬結(jié)合面接近到原子間距離，形成大量的結(jié)合點，經(jīng)過擴散熱處理，最終形成界面的牢固結(jié)合。3感興趣的理由銅的導(dǎo)電性能好，具有較強的耐腐蝕性能，在銅中加入少量的錫或銀后，其耐磨和耐熱性能可能得到進(jìn)一步提高。因此，銅或銅合金一直被視為同軸電纜內(nèi)導(dǎo)體的首選材料。但銅的密度較高，銅資源比較稀少，且純銅導(dǎo)體的價格較高。隨著復(fù)合技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，在保證導(dǎo)電性能的前提下采用復(fù)合技術(shù)，用廉價的金屬部分替代銅以降低生產(chǎn)成本，已經(jīng)成為國內(nèi)外研究開發(fā)人員努力的目標(biāo)。其中銅包鋁復(fù)合線材是一種比較理想的替代品。隨著信息產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，如有線電視、移動通訊及電力改造等，對射頻同軸電纜的需求量越來越大，這為其發(fā)展帶來了廣闊的空間。而銅以良好的導(dǎo)電性能和較強的耐腐蝕性能一直以來備受青睞，被視為射頻同軸電纜內(nèi)導(dǎo)體的首選材料。但銅資源缺乏，價格昂貴，全部用銅作為射頻同軸電纜的內(nèi)導(dǎo)體會造成資源的浪費和巨額的成本。同時考慮到高頻信號傳播過程中的趨膚效應(yīng)和鋁的良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，因此，用鋁代替銅，實現(xiàn)銅、鋁的復(fù)合，開發(fā)出銅包鋁復(fù)合線材，可以大大減少稀少銅的用量。除此之外，銅包鋁線與純銅作為射頻同軸電纜的內(nèi)導(dǎo)體相比較，還具有以下特點：密度小，質(zhì)量輕，便于運輸和安裝；鋁在地殼中蘊含量豐富，價格相對低廉，采用銅包鋁線作為銅內(nèi)導(dǎo)體的替代產(chǎn)品，大大降低了制造成本；同軸電纜常用鋁管作外導(dǎo)體的屏蔽層，因銅包鋁線的膨脹系數(shù)與鋁材相近，可減小因溫度變化使電纜內(nèi)、外導(dǎo)體膨脹不匹配而產(chǎn)生的連接故障，提高了射頻同軸電纜使用的可靠性和穩(wěn)定性。由于銅包鋁復(fù)合線材在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著一定的重要作用，對其制備方法、工藝技術(shù)、材料性能等的研究，在國內(nèi)外都給予很大的重視。而在我國，由于產(chǎn)業(yè)化起步較晚，大量的相關(guān)研究也主要集中在20世紀(jì)90年代以后，其研究的重點是制備方法和工藝技術(shù)，而對應(yīng)的雙金屬結(jié)合理論及其材料組織和性能的研究相對薄弱，究其原因是制備方法和工藝技術(shù)與生產(chǎn)實際直接關(guān)聯(lián)，而且復(fù)雜和多樣化。但是，各種加工制備的雙金屬結(jié)合機理及其材料組織和性能的研究，亦關(guān)乎制備方法和工藝技術(shù)的正確應(yīng)用，并直接與產(chǎn)品性能的提高和推廣應(yīng)用緊密相連。因此，對于研究學(xué)者來說，繼續(xù)研究開發(fā)和改進(jìn)銅包鋁線材的制備加工技術(shù)，同時進(jìn)一步對其深入研究和理論探討，不僅有著重要的理論價值，而且，對于指導(dǎo)生產(chǎn)實際，提高產(chǎn)品質(zhì)量，以及在國民經(jīng)濟(jì)中創(chuàng)造財富等有著重要的實際意義?？梢?，銅包鋁的制備加工技術(shù)仍有較好的研究前景。4參考文獻(xiàn)吳云忠.包覆拉拔法銅包鋁、銅包鋼雙金屬導(dǎo)線的研究[D].大連海事大學(xué)博士論文，2007.吳春京，于治民，謝建新，等.充芯連鑄法制備銅包鋁雙金屬復(fù)合材料