金属复合线材制备工艺的研究进展

金属复合线材制备工艺的研究进展

由于其良好的导电性和很强的耐腐蚀性，铜和铜合金一直是电线电缆的主要原材料，但铜资源相对匮乏，铜线价格较高。为了降低产品的生产成本,国内外的研究人员在努力寻找能够替代铜的材料。其中研究开发新型复合材料以取代电线电缆用铜是一种主要的途径。1铜包铝线的应用复合线材的结构特点是以一种金属材料作芯线,外层包覆或镀覆一层导电性能良好的铜或铝。采用复合线材可达到综合利用芯线的高强度和包覆层的导电性(如铝包钢线),或减少短缺资源的用量、减轻单位长度线材的重量的目的,降低生产成本,扩大其应用范围。目前已开发的金属复合线有铜包铝线、铜包钢线、铝包钢线以及碳纤维增强铝线等。铝包钢线(Aluminumcladsteelwire)以高碳钢线作芯线,外围均匀包覆一层纯铝。其优点是:导电性好,电导率设计范围为14%～40%IACS;耐蚀性好,使用寿命长;抗拉强度高;热稳定性好等。铝包钢线的主要用途是架空高压输电线网。铜包钢线(Coppercladsteelwire,简称CS线)是以钢线为芯体,在其表面上覆一层铜的复合线材。铜包钢复合线材兼备了钢的良好的力学性能和铜的优良的导电性能及其耐腐蚀性能。它在电缆行业中可代替铜导体作为分配线或在通信业中用作电话用户线。铜包铝线(Coppercladaluminumwire)既具有铜的高频传输性能,又具有铝的轻质、柔软等特点。在同样截面积下,铜包铝线单位长度的重量仅为纯铜线的37.3%;而同样重量下,铜包铝线的长度是纯铜线的2.7倍。由于重量轻,运输安装方便,还可降低敷设成本。因此,铜包铝线是替代纯铜线作高频电缆和移动通讯电缆内导体的最佳材料。此外,铜包铝线还可用于电力线、电焊机线、汽车电池线和电机电器线圈等。2开发与应用工艺技术世界各国都非常重视复合线材的研究,无论是替代材料还是制备工艺技术,其开发与应用均已取得了很大的进展。制备工艺由电镀发展到目前的连续挤压、静液挤压等工艺,制造成本降低,为复合线材的广泛应用奠定了基础。2.1铜包铝线的生产采用铝粉轧制法、铝带压合法制备铝包钢线,在产品质量、生产效率与成本等方面,均不能满足大规模应用的要求。铜包钢线的生产方法有焊管法、热浸法及电镀法等。由于焊管法生产工艺的复杂性,使产品在成本及性能方面没有竞争优势。热浸法和电镀法因环境问题的限制,难以获得大规模的发展。铜包铝线最早采用的生产方法是铝线镀铜法。镀铜法虽然较简便,但镀层性能较差,而且镀层与芯线同心度差,难以满足同轴电缆的使用要求,目前国内己不再生产。目前常用的铜包铝线的制备方法有轧辊压接法和包覆焊接法。轧辊压接法是将铜带与铝芯线在压力作用下压接成复合线坯;包覆焊接法是将铜带卷成圆管状,包覆在芯线上通过焊接制成线坯。这两种方法均采用后续拉拔加工法与扩散热处理的复合工艺过程来获得所需的尺寸和性能,但对工艺设计有较高的要求。这两种工艺方法的主要缺点是产品质量的稳定性和一致性较差。2.2复合动力材料的制备方法研究目前,复合线材的制备加工方法主要有连续挤压、铸拉、热浸镀、反向凝固等。2.2.1连续挤压包覆技术采用连续挤压包覆技术(CON-KLAD)制备金属复合线材,产品质量好,材料利用率高,生产效率高。利用该方法生产铝包钢丝速度可达100m/min。目前连续挤压包覆技术已在电缆制造业中获得广泛应用。如图1所示,连续挤压包覆设备有多种结构形式。其基本原理为:杆状坯料在轮槽摩擦力的作用下被拽入轮槽内;在摩擦力作用下,坯料的温度升高,承受压力增大,当达到材料的塑性流动极限时,便在模具中形成围绕在从模腔中穿过的芯线周围的套管,与芯线形成冶金结合。然后复合体从模孔中挤出,形成复合线产品。只要不断供给钢线和铝杆,就能生产出任意长度的复合线。目前连续挤压包覆技术主要用于铜包钢线、铝包钢线的生产与制备。连续挤压技术除了本身还在不断完善外,目前朝两个方面发展:(1)扩大原材料的种类。连续挤压可以采用颗粒或粉末作坯料,通过摩擦力的作用使颗粒或粉末压实和变形。同时,连续挤压还可以直接用熔化液体作原料,构成连续铸挤工艺。显然,这种方法省却了制造铝杆的中间工序,可以进一步节省能源。(2)产品种类的开发。通过改进模具和加工方法,可开发各种空心、实心型材和特种管材。2.2.2复合导电改性铸拉复合工艺的基本原理如图2所示。该工艺目前还处于试验研究阶段,可能的主要用途是制备铝包钢线。其工艺过程主要分钢丝的表面处理、钢丝的预热、铸拉和后处理四个环节。表面处理的目的是保证芯线表面清洁,以得到结合性能较好的复合界面。芯线的加热是为了铝液能更好地润湿钢的表面,以达到提高界面复合质量的目的。铸拉是工艺的核心,它使表面清洁的芯线与包覆金属液通过结晶器的冷却而结合在一起。铸拉过程又包括三个方面:保温、凝固和变形。其中,保温依靠保温炉来实现,其目的是使铝液的温度保持相对稳定;凝固在结晶器内实现,其作用在于把钢丝和铝液组成的复合体冷却凝固,以达到复合的目的;变形在拉拔模中进行,使复合导线产生一定的变形,以改变铝层的机械性能、导电性能和表面质量。成形后的复合线材一般还需要进行退火处理,以消除残余应力。2.2.3我国热浸镀铝的工艺技术热浸镀法主要应用于铝包钢线的制备,它是使钢丝通过熔融铝液,以使钢丝表面牢固地覆盖一层均匀的铝层,其工艺原理如图3所示。国外20世纪60年代钢材热浸镀铝技术迅速发展,目前已进入稳定的生产时期。近年来我国的热浸镀铝工艺技术也取得了可喜的进展。钢丝热浸镀铝工艺有森吉米尔(sendzimir)法和熔剂法两种。森吉米尔法是一种氧化还原表面处理工艺,钢丝首先依次在氧化炉和还原炉中完成镀前处理工序,然后进入镀液进行浸镀。其特点是自动化程度和生产效率高,但设备投资大,工艺复杂。熔剂法是用熔融的熔剂或水溶液溶剂来保护经预处理后的新鲜钢材表面不被氧化,同时提高钢材的表面活性及其与铝液浸润性的镀铝方法。它具有设备投资少、操作简单、生产灵活的特点,是一种简单、经济可行的方法。其工艺流程如下:钢丝→脱脂→酸洗→水洗→助镀处理→烘干→热浸镀→后处理。钢丝热镀铝工艺条件包括浸镀温度、浸镀时间、提升速度等。2.2.4铜镀层注意事项采用反向凝固法制备铜包钢线(CS线)的基本原理是:将经过表面清洗和预处理的钢芯线穿过铜液的熔池,钢芯线处于铜液中,依靠高温作用下两种金属原子间的相互扩散,产生冶金结合;控制芯线的移动速度,使铜镀层的厚度控制在合理的范围内。其主要工序包括:钢芯线的表面处理、预热处理、钢线在铜液中浸涂、CS线的冷却和加工变形(见图4)。钢线进入铜熔池前要进行表面处理,使其与铜液具有良好的附着力,同时要进行预热处理。2.2.5静液挤压改性双金属复合线材成形的技术关键是保证金属间可靠的结合,这通常需要施加一定的加工率或通过热处理来实现两种金属之间有效的互相扩散,以形成冶金结合层。静液挤压是一种特殊的润滑挤压工艺,其原理图如图5所示。挤压时坯料周围充满介质,压力通过介质作用到坯料上而实现挤压。在挤压筒内坯料受到均匀的等静水压力,没有镦粗变形,与挤压筒、挤压轴没有接触,变形区与挤压模之间的摩擦控制降低到最低程度,因此从表层到芯部都能保持较均匀变形。静液挤压过程中坯料变形内外均匀,挤压过程中坯料几乎不与模具直接接触,摩擦阻力很小等特点,使得静液挤压可以获得大的压缩加工率,保证复合界面具有良好的结合强度。静液挤压法制备铜包铝线材的基本方法是以大直径紫铜管坯和纯铝棒坯套装成复合坯料进行挤压成形,其技术关键是保证铜/铝在变形过程中流动的均匀性。2.2.6芯材或包覆层采用两种金属液同时浇注制备复合线坯无疑是一种更为经济的工艺方法,它可以实现无氧化界面复合,同时可以简化工序,降低制造成本。谢建新等开发了一种包覆材料双结晶器连铸直接成形工艺,可一次直接成形包覆材料的芯材和包覆层,克服了浸渍以及其它包覆成形制备工艺中芯材或包覆层预处理过程复杂、界面质量不稳定等缺陷。但该方法一般只能适用于芯材与包覆层熔点相近或者芯材熔点高于包覆材料的情形。对于铜包铝一类包覆材料熔点远高于芯材的工艺过程,其应用比较困难。为此又开发了“填芯连铸复合法”(Core-FillingcontinuouscompositeCasting,简称CFC法)。采用“填芯连铸复合法”制备Cu包Al复合线坯的工艺原理如图6所示,采用连续铸造方式形成外层金属管状坯壳,然后将芯部金属液充填至管状坯壳中,使两种金属通过相互扩散或中间反应结合为一体,形成复合坯料。2.3高强度纤维复合复合材料材料在过去20多年的时间内,各种高强度纤维在世界范围内得到了广泛的发展,并已在航空、航天、体育器材、汽车工业等方面得到了应用。高强度纤维主要是用作增强材料,通过不同的工艺方法被嵌入到金属基体中,起到提高强度、改善产品综合性能的作用。尽管复合过程的成本相对较高,但其所能达到的性能指标使纤维增强复合材料显示出良好的发展前景。高强度纤维在电线电缆行业也得到了广泛的应用,特别是国外关于纤维增强复合线材的研究较多。在复合线的制备过程中通过浸渗等方式加入高强度纤维可以大大提高电线电缆的抗拉强度。连续浸渗工艺如图7所示。该工艺已在实际生产中得到应用,其复合速度可达6m/min。与传统钢线相比,高强度纤维增强复合钢线具有以下优点:高强度、低重量、高韧性、良好的抗腐蚀能力、耐冲击能力以及良好的抗电磁干扰能力等。常用的增强纤维有玻璃纤维、碳纤维等。3复合线坯的制备方法前已述及,金属复合线材目前的生产工艺大都属于固相结合法,即通过塑性变形使两种金属的结合面接近到原子间距离,形成大量的结合点,经过扩散热处理,最终形成牢固的结合界面。在固相结合法工艺中,一般需要坯料的预制成形、表面处理、预热等工序,而且所需设备也比较