钢包铜复合线的制备研究

维普资讯 http://www.cqvip.com ５１４　助　锨　财　许　２００７年增刊（３８）卷　钢包铜复合线的制备研究　李银娥，马　光，刘啸锋，柏文超，姜（西北有色金属研究院，陕西西安７１００１６）　婷　摘要：　介绍了３种钢包铜复合导电柱的复合坯制备　方法，探索了３种复合坯的制备工艺（１）液固相复合　法；（２）直接装配法：（３）特殊装配法，对制备出的钢　包铜复合导电柱复合界面组织致密性、界面结合状态及　特殊装配法进行试验，具体的工艺路线为：原料准备一　复合坯的制备一挤压一冷、热拉拔一热处理一检验一成　品，采用光学显微镜、ＳＥＭ等手段对第三种试验方法　制备的钢，铜复合线进行了界面形态、显微组织、界面　密封性能的影响。试验表明：前两种工艺制备的复合线　元素互扩散现象分析。　材其结合面有局部结合不紧密，在界面未形成冶金结合　状态，致使复合界面经氦检漏有漏气现象；第三种工艺　３实验结果及讨论　制备的钢包铜复合线经气密性等综合性能试验，达到了　３．１　工艺一——液固相复合法制备的复合坯　使用要求。　液固相复合法是制备复合材用的较多的一种复合　关键词：　钢铜复合；导电材料；加工工艺　方法，一般是在真空状态下，把熔融的铜液浇铸在已加　中图分类号：ＴＧ３０６　文献标识码：Ａ　工好的钢材管坯中，然后通过复合坯的挤压、扩散退火、　文章编号：　１００１．９７３１（２００７）增刊．０５１４．０３　拉拔到成品线材。此方法要视材料的种类而定，合金钢　１　引　言　和铜棒都容易氧化，经过试验，合金钢即使机加工后立　即除油，然后放进真空炉内，在表面也会形成一层薄的　高强度、高导电性金属复合线材主要应用于机械、　氧化层，再一点是紫铜经过熔炼浇铸进合金钢筒内，铜　电力和通讯等领域。随着这些行业科技的迅速发展，对　芯内部出现了气孔，铜芯组织不致密，这样制备出的复　导线性能的要求越来越高，复合导线因此而得到开发和　合线材在复合界面出现严重的分层现象，铜芯的组织缺　应用，其生产工艺也不断得到改进。钢包铜复合线是以　陷导致导电柱的导电性能降低。　铜线为芯体，在其表面包覆一层钢的复合线材，其力学　３．２工艺二——直接装配法制备复合坯　性能、电学性能、抗腐蚀性能优良，在电缆、继电器等　该方法是把机加工好的钢坯与芯棒铜经过除油、清　行业中可代替铜导体作为分配线或在通信业中用作电　洗等工序，直接装配在一起，并使两种材料实现紧配合，　话用户线等［１　】。　挤压前复合坯要在９００～１０００＂（３加热，再进行热挤压、　本文试制的钢包铜复合线具有高的强度和高的导　扩散退火、拉拔到线材。这种方法制备的复合线材出现　电性，在电力等行业应用非常广，尤其在继电器上用作　了局部的泄漏，经分析问题出在挤压前的加热过程中　接线柱材料性能非常好，目前制约该复合线大批应用的　铜、钢的复合界面氧化所致，加热采取的是非真空加热　问题，就是截成小段使用的复合线在结合界面经气密性　方式。　测试有局部漏气现象，而一个继电器都是由多根复合线　３．３　工艺三——特殊装配法制备的复合坯　组成，某一根出现问题致使整个继电器报废，使得继电　该方法是把机加工好的钢坯与芯棒铜经过清洗、除　器的成品率比较低。分析原因可能是复合坯制备工序存　油等工序，将钢坯与芯棒铜紧配合装配在一起，然后利　在问题，本文通过几种不同方法制备的复合坯，再进行　用真空电子束焊把复合坯的两端进行封焊，使铜与钢的　后续加工制备出复合线，进行分析探讨最佳的制备工　结合面处于真空状态，防止钢、铜复合界面在后续加热　艺，以解决问题。　过程氧化而影响结合强度。挤压前在９００～１０００＂Ｃ进行　２实验　加热，然后再进行热挤压、扩散退火、拉拔到成品线材。　这样制备的复合导电柱裁成小段使用，经玻璃封接装配　实验使用原料为优质合金钢和紫铜棒。然后采用机　了多根复合丝，氦质谱检漏合格率达到１００％。　加工的办法制备出需要尺寸的钢管坯、符合配合尺寸的　３．３．１复合线的拉拔加工　铜芯棒以及封口用的钢垫，经四氯化碳除油并真空封　与单一金属相比，双金属线拉拔的困难之处在于如　存。按照复合坯制备方法的不同，采取了３种复合坯的　何保证两种金属同步变形而不断裂。由于钢与铜的强　制备工艺（１）液固相复合法；（２）直接装配法：（３）　度、塑性及形变强化行为差异很大，因此，拉拔同步变　・收到稿件日期：２００７．０５．０８　通讯作者：李银娥　作者简介：李银娥（１９６６一），女，陕西泾阳人，高工，主要从事贵金属材料及层状复合材的研发。　维普资讯 http://www.cqvip.com 奎堡塑笠！塑鱼塑星盒垡　鱼竺壅　形，尤其是达到大的总变形量十分困难。根据钢管坯与　铜芯线的强度和形变强化特性，选择了不同的润滑剂，　改变拉拔道次变形量，进行拉拔变形加工，并与中间退　火工序有机结合，反复进行试验，最终实现了双层金属　拉拔时的同步变形，将直径１８ｍｍ的双金属线坯，拉拔　至直径为１．０ｍｍ的钢／铜双金属复合线。制作的一种体　积比的钢包铜复合线横截面的照片如图１所示。包覆层　沿圆周方向分布均匀，具有良好的同心度。　图１　复合线的横截面　Ｆｉｇ　１　Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｗｉｒｅ　３．３．２钢包铜复合线的冶金结合特征　复合线材的界面冶金结合与否是衡量复合线材性　能的关键，结合界面的扫描电镜照片见图２，在加热挤　压作用下，待结合材料的表面紧密接触、互相啮合。在　加热退火后，促使钢／铜界面实现了良好的冶金结合，　而且在钢／铜界面处无缝隙，界面及其附近没有夹杂物。　表明界面附近原子进行了扩散。　图２钢／铜复合界面ＳＥＭ形貌　Ｆｉｇ　２　ＳＥＭ　ｉｍａｇｅ　ｏｆ　ｓｔｅｅｌ／ｃｏｐｐｅｒ　ｃｏｍｐｏｕｎｄ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　为了进一步分析界面结合情况，用扫描电镜对钢，　铜界面进行能谱分析，能谱分析看出，扩散退火后，界　面的大部分实现结合，无明显缝隙，少量的未结合部分　在界面形成分散的微小孔洞，随着界面结合部分不断扩　大，孔洞不断变小或消失，界面获得较高的结合强度。　由于界面是化学成分急剧变化的区域，必然要产生　物质的定向流动、即扩散，扩散是界面反应的主要现象，　也是异种金属结合的一个重要过程。为了确认过渡层金　属物质的扩散状况，在结合界面附近去一段４０１．ｕｍ的区　域，采用电子探针对界面两侧铜、铁的浓度变化进行分　析如图３。　过渡层，ｕｍ　图３复合界面铜、铁元素的浓度变化　Ｆｉｇ　３　Ｔｈｅ　ｃｈａｎｇｅｓ　ｏｆ　Ｃｕ，Ｆｅ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ　ｏｎ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　从图３可以观察出界面附近铜、铁元素呈线性变　化，过渡层约有４１ｘｍ。在测定区域内铜、铁原子有不同　程度的互扩散，从而进一步说明了钢包铜复合材在复合　界面已经实现了良好的冶金结合特征。　３．３．３检漏试验　进行复合丝样品与玻璃绝缘烧结层的密封性及复　合丝的密封性试验，样品试验８块，每块装复合导电柱　ｌ６根，座板为ｌＯ　钢，试验项目：（１）金属体净化处理：　９４０℃／ｌｈ；（２）封接９００＂Ｃ，１０ｍｉｎ；（３）温度冲击：一６Ｏ℃　－－－－＋１４０＂Ｃ；（４）着色法检漏；（５）氦质谱检漏。试验结果：　８块座板组件试验件经以上各项试验检测，其泄漏率指　标均合格（小于１０１　Ｘ　１０一Ｋｐａｃｍａ／ｓ）。　４结论　（１）前两种工艺制备的复合线材其结合面有局部结　合不紧密而泄漏的现象，原因就是挤压前９００￣１０００℃加　热过程中，复合界面出现了局部氧化现象所致。　（２）第三种工艺制备的钢包铜复合线经气密性等　综合性能试验，达到了使用要求。　参考文献：　［１】　李宝绵，等．［Ｊ】．材料导报，２００２，（０２）．　［２】　赵凯．高强高导金属复合电极线研究［Ｄ】．大连交通大　学，２００６．　［３】　方晓英．［Ｊ】．机械工程材料，２００６，（０９）．　［４】　高　翔，等．［Ｊ】．兵器材料科学与工程，１９９３，（０１）．　维普资讯 http://www.cqvip.com ５１６　助　锨　财　豺　２００７年增刊（３８）卷　Ｔｈｅ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｓｔｅｅｌ／ｃｏｐｐｅｒ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｗｉｒｅ　ＬＩ　Ｙｉｎ—ｅ，ＭＡ　Ｇｕａｎｇ，ＬＩＵ　Ｘｉａｏ—ｆｅｎｇ，ＢＡＩ　Ｗｅｎ—ｃｈａｏ，ＪＩＡＮＧ　Ｔｉｎｇ　（Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｆｏｒ　Ｎｏｎ—ｆｅｒｒｏｕｓ　Ｍｅｔａｌ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ，Ｘｉ’ａｌｌ　７１００１６，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｔｈｒｅｅ　ｋｉｎｄ　ｓｔｅｅｌ　ｌａｄｌｅ　ｃｏｐｐｅｒ　ｃｏｍｐｏｕｎｄ　ｃｏｎｄｕｃｔ　ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ　ｐｏｓｔ　ｃｏｍｐｏｕｎｄ　ｂａｓｅ　ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｗａｓ　ｉｎｔｒｕｄｕｃｅｄ，ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｒｅｅ　ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ　ｈａｎｄｉｃｒａｆｔｓ　ｏｆ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ（１ｉｑｕｉｄ　ｓｏｌｉｄ　ｅａｃｈ　ｏｔｈｅｒ　ａｇａｉｎ　ｌｅｇａｌ，ｄｉｒｅｃｔ　ａｓｓｅｍｂｌｉｎｇ　ｌａｗ，ｐｅｃｕｌｉａｒ　ａｓｓｅｍｂｌｉｎｇ　ｌａｗ）ｆｏｒ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｃｏｍｐａｃｔｎｅｓｓ，ｂｉｎｄｉｎｇ　ｓｔａｔｅ　ａｎｄ　ｓｅａｌｉｎｇ　ｐｒｏｐｅｒｔｙ　ｏｆ　ｃｏｍｐｏｕｎｄ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｗｉｔｈ　ｐｒｅｐａｒｅｄ　ｓｔｅｅｌ　ｌａｄｌｅ　ｃｏｐｐｅｒ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｃｏｎｄｕｃｔ　ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ　ｗａｓ　ｅｘｐｌｏｒｅｄ．Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｉｎｄｉｃａｔｅｄ：ｔｈｅ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｗｉｒｅｓ　ｐｒｅｐａｒｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｆｏｒｍｅｒ　ｔｗｏ　ｈａｎｄｉｃｒａｆｔｓ　ｅｘｉｓｔ　ｗｅａｋｌｙ　ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｌｏｃａｌ，ａｎｄ　ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ　ｂｉｎｄｉｎｇ　ｓｔａｔｅ　ｗａｓｎ’ｔ　ｆｏｒｍｅｄ　ａｔ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ．Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ　ｈａｖｅ　ｌｅａｋａｇｅ　ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ　ａｆｔｅｒ　ｈｅｌｉｕｍ　ｌａｅｋａｇｅ　ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ．Ｔｈｅ　ｓｔｅｅｌ　ｌａｄｌｅ　ｃｏｐｐｅｒ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｗｉｒｅｓ　ｐｒｅｐａｒｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｔｌｌｉｒｄ　ｈａｎｄｉｃｒａｆｔ　ｈａｖｅ　ｒｅａｃｈｅｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｌ　ｒｅｑｉｒｅｍｅｎｔｓ　ａｆｔｅｒ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｅｔｓｔ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｇａｓ　ｔｉｇｈｅｎｅｓｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｔｅｅｌ　ｃｏｐｐｅｒ　ｃｏｍｐｏｕｎｄ：ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ　ｍａｔｅｒｉａｌ：ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ