铜包铝复合线材

铜包铝线及其制备加工技术1铜包铝复合线材的特点及其应用复合材料，就是由两种或两种以上的材料经一定的复合工艺制造出来的一种新型材料，兼备两种材料的优点于一身。双金属复合导线是在20世纪30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“集肤效应”，采用双金属复合线作为传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。其中，铜包铝复合线材(以下简称铜包铝线)是兼备铜和铝两种材料的优点的复合材料，最早由德国于上世纪30年代推出，随后英国、美国、法国、前苏联等国也相继采用各种不同方法生产铜包铝线。与纯铜线相比较，铜包铝线具有如下特点：节约了金属铜，大大降低了生产成本。同时用铜包铝代替纯铜，节约了稀有资源。⑵提高了同轴电缆信号传输的稳定性和可靠性。同轴电缆常用铝作为外导体，因铜包铝线的膨胀系数相对纯铜而言与铝材更为接近，从而减小了因温度变化使电缆内、外导体膨胀不匹配而产生的连接故障。(3)铜包铝线质量轻、密度小，便于运输和安装，大大减小了网络施工中的劳动强度。铜与铝的质量比为3.3:1，铜包铝线的密度仅为纯铜密度的37.3%〜40.8%。在直径相同的条件下，1吨铜包铝线的长度是相同质量的纯铜线长度1.7〜2.45倍。铜包铝线的结构特点是：外层为纯铜或紫铜，其厚度较小，芯部为铝金属。有线电视信号和移动通信信号的频率很高，一般在50〜800MHz左右，由于“集肤效应”，高频电流主要集中在导体的表面层传输，而且铝本身也具有良好的导电性能，因而采用铜包铝复合材料代替纯铜或紫铜可以保证电缆的传输效率。铝的价格低于铜，其密度不足铜的三分之一，因而可以大幅度减轻线材单位长度的重量，有利于电缆的安装与施工。因此铜包铝线具有广阔的应用前景。采用铜包铝线为内导体的电缆具有以下一些优点：(1)密度低，铜包铝线的密度是纯铜线的37%〜40%，直接用作射频电缆的内导体均可使其重量大幅度降低，便于运输、安装，降低敷设费用；⑵复合线材的铜铝截面比一般为15%:85%，可以节省我国较缺乏的铜资源；(3)当CATV同轴射频电缆用铝管作外导体时，采用铜包铝线作为内导体，可使其热膨胀系数和弹性模量与铝管相接近，从而提高了电缆使用的稳定性和可靠性。而且与用纯铜作内导体的情形相比，在信号传递，特别是在高频信号传递方面，由于导体的“趋肤效应”，性能上相差很小。目前上海、深圳等地各有线电视台已经采用了用铜包铝线作为内导体的同轴电缆，实际应用效果表明，与纯铜线没有区别°CATV电缆工业是铜包铝线的最大应用市场，美国的CATV电缆早在1968年就开始使用铜包铝线，消耗数量曾达3万吨/年之巨。近年来由于国产铜包铝线问世，我国生产的型号为75-9、75-12和540等CATV电缆也开始大量使用铜包铝线作内导体。我国是CATV用户最多的国家。随着信息产业的迅速发展，有线电视网络将不断兴建或更新，并将发展有线电视、电话和计算机三网合一的网络，因此采用优质的铜包铝线来代替纯铜线制造同轴电缆将具有广阔的应用前景。2铜包铝线的制备技术与研究现状2.1双金属复合材料的制备加工技术双金属复合导线的制备方法多种多样，根据全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。(1)复合挤压法该方法是利用液压挤压机把己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。（2） 轧制法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。（3） 连续挤压包覆法其技术过程是，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，铜的管状接缝以氢弧焊机焊合，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。（4） 包覆拉拔法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。（5） 热浸镀法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。（6） 电镀法钢丝经除油、清洗后用焦磷酸盐（Cu2P2O7）预镀铜，采用硫酸铜（CuSO4）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。（7） 连续铸挤法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、压合及定径3个阶段完成的。（8） 铸拉法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。（9）充芯连铸法充芯连铸法由导流管和结品器构成铸管的铸型，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。2.2铜包铝线材的研究现状由于铜包铝线的高频电导率与纯铜线材相差很小，而其单位长度重量显著降低，具有良好的综合性能，因此铜包铝线的制备工艺研究受到较为广泛的关注，研究开发了各种新工艺新技术。但目前采用的工艺方法大多是固体压接成形法，包括轧制压接法、包覆焊接法、静压挤压法等。这些工艺方法均需要对芯材或包覆层金属进行表面清理，工序较复杂。因此，探索新的制备工艺方法以降低成本、稳定质量，是当前复合线材研究的重点内容之一。较早应用于工业生产的方法是铝线镀铜法。它是在铝芯线表面电镀铜层以获得铜包铝线的方法。这种方法较为简单，但镀铜层的成分不纯，脆性大，并且往往因为镀铜层的不均匀而导致镀层与铝芯线不同心，难以满足同轴电缆的使用要求，目前此方法已被淘汰。其次为轧制压接法。将经过清洗并加热的两条铜带从上下两个方向包覆铝芯线，利用轧辊施加的压力将铜带与铝芯线压接在一起，然后将铜带接缝的两个凸耳切除形成线坯。将线坯进行拉拔获得所需直径的线材，再通过热处理赋予线材所需性能。这种方法具有产品质量好、生产效率高及环保问题少等优点，但工艺比较复杂，涉及的工序比较多，通过轧制获得线坯的设备投资较大，因而生产成本较高。目前应用较为广泛的是包覆焊接法，其工艺原理是采用包覆焊接装置，将经过清洗的铜带逐步形成圆管状，包覆在清洗过的铝芯线周围。采用氩弧焊将铜管的纵缝焊接起来形成线坯。然后通过拉拔和热处理获得所需的线材直径和性能。这种工艺模式相对较为简单，设备不太复杂，所生产的铜包铝线质量较好，为目前国内主要的生产方法。此外，还有静液挤压法，这是一种特殊的润滑挤压加工工艺。这种工艺方法是将大直径的铜包铝复合线坯通过静液挤压获得铜包铝线材，利用的是高静水压力和大加工变形率实现铜、铝的固相结合。其特点为：在挤压过程当中，坯料周围充满粘性介质，挤压压力通过粘性介质传递到坯料上，坯料受到均匀的等静水压力，挤压轴、挤压筒之间没有接触，坯料与模具之间的摩擦也被控制在最小范围内，从表面到芯层都可以获得均匀的变形，因而能够得到固相结合较好的铜包铝线。国外还尝试将铝液浇铸到铜管内来进行铜包铝线复合线坯的制备，随后再利用热挤压的方法获得复合线材。国内也有专家对该方法的可行性进行了研究，并提出该方法制备的复合线坯固相结合良好，有利于后续挤压加工过程中进一步实现铜、铝的结合。该方法适合铜包铝等芯部金属熔点低，外层金属熔点高的双金属复合材料，可以得到包覆层均匀，芯部形状规整的复合金属材料棒材。国外有尝试采用将铝液浇注到铜管内进行复合形成复合线坯，然后再进行热挤压过程获得复合线的研究。综合以上，铜包铝线的制备工艺基本上均采用固相结合法，即通过塑性变形使两金属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，最终形成界面的牢固结合。3感兴趣的理由铜的导电性能好，具有较强的耐腐蚀性能，在铜中加入少量的锡或银后，其耐磨和耐热性能可能得到进一步提高。因此，铜或铜合金一直被视为同轴电缆内导体的首选材料。但铜的密度较高，铜资源比较稀少，且纯铜导体的价格较高。随着复合技术的不断发展与进步，在保证导电性能的前提下采用复合技术，用廉价的金属部分替代铜以降低生产成本，已经成为国内外研究开发人员努力的目标。其中铜包铝复合线材是一种比较理想的替代品。随着信息产业的迅速发展，如有线电视、移动通讯及电力改造等，对射频同轴电缆的需求量越来越大，这为其发展带来了广阔的空间。而铜以良好的导电性能和较强的耐腐蚀性能一直以来备受青睐，被视为射频同轴电缆内导体的首选材料。但铜资源缺乏，价格昂贵，全部用铜作为射频同轴电缆的内导体会造成资源的浪费和巨额的成本。同时考虑到高频信号传播过程中的趋肤效应和铝的良好的导电、导热性能，因此，用铝代替铜，实现铜、铝的复合，开发出铜包铝复合线材，可以大大减少稀少铜的用量。除此之外，铜包铝线与纯铜作为射频同轴电缆的内导体相比较，还具有以下特点：密度小，质量轻，便于运输和安装；铝在地壳中蕴含量丰富，价格相对低廉，采用铜包铝线作为铜内导体的替代产品，大大降低了制造成本；同轴电缆常用铝管作外导体的屏蔽层，因铜包铝线的膨胀系数与铝材相近，可减小因温度变化使电缆内、外导体膨胀不匹配而产生的连接故障，提高了射频同轴电缆使用的可靠性和稳定性。由于铜包铝复合线材在国民经济发展中起着一定的重要作用，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。而在我国，由于产业化起步较晚，大量的相关研究也主要集中在20世纪90年代以后，其研究的重点是制备方法和工艺技术，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，对于研究学者来说，继续研究开发和改进铜包铝线材的制备加工技术，同时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，提高产品质量，以及在国民经济中创造财富等有着重要的实际意义。可见，铜包铝的制备加工技术仍有较好的研究前景。4参考文献吴云忠.包覆拉拔法铜包铝、铜包钢双金属导线的研究[D].大连海事大学博士论文，2007.吴春京，于治民，谢建新，等.充芯连铸法制备铜包铝双金属复合材料