铜包钢双金属线制备工艺及其应用研究

郭裕民 GUO Yu-min

（杭州富阳裕红线材制品设备有限公司，杭州 311400）

0 引言

在高强度钢丝的表面包覆一层高导电的铜，包覆的铜与钢丝同芯，且连续、致密、均匀，它们之间形成一种紧密的冶金或物理结合，这就是铜包钢双金属复合导线。自从上世纪50年代以来，各国都在对双金属复合线材进行研究，利用不同金属间的差异，努力制造比单金属线材更为优质的线材。随着研究的深入、技术的革新，铜包钢线材的质量达到了高水平。其作为功能材料，在通信、汽车、航空航天、输电、电子等诸多领域都有广泛的应用，表现出超高技术优势、经济优势。[1]

1 国内铜包钢行业的发展历史

国内的铜包钢双金属线材发展历史大致分为三个阶段。（以下所说的铜包钢不包括焊丝等产品，仅指用于导体行业的铜包钢）

1.1 第一阶段

第一阶段是1969年-1985年之间。当时有铜包钢生产工艺的仅有一个厂家-湘潭电缆厂。该厂拥有我国最早的铜包钢生产技术，运用了前苏联工艺，是将钢棒放置于模具内，之后在外浇铸铜液，形成几十公斤的铜包钢坯锭，经过热轧、清洗、拉丝、退火等步骤后，生产出铜包钢线，该种方式生产出的线材是双零级的。该方式由于成本高、材料利用率低，产品长度有限等缺点已于1990年停止使用。

1.2 第二阶段

第二阶段是1985年-2001年之间。改革开放带来了通讯事业的火速发展，电话线芯导体材料要求为纯铜或铜包钢材质。因此，各地开始大规模使用电镀工艺生产铜包钢线材。利用电解电池工作原理，将块状的铜板设置为阳极“溶解”，之后经过电流的引导，使之覆盖到阴极的铜丝上，以形成铜层的包覆。电镀铜包钢线材一般是用于有线电视电缆、电话线、电子元器件的引线等。其优点有导电率低、占地面积不大、镀层薄等，缺点有易剥落、包覆层不均匀、性能较差、严重的环境污染。

1.3 第三阶段

第三阶段是2001年至今。针对电镀工艺、铸轧工艺生产铜包钢出现的铜层不均匀、长度不够长、对环境造成严重污染、拉丝易断等缺点，致力于制造高强度、大长度、耐腐蚀、大截面的复合型材料。2001年，上海某公司自主开发包覆法铜包钢工艺取得成功。在2003年形成批量销售，不仅不用再进口，且出口至国外，其产品质量与世界水平持平。该工艺所生产出的铜包钢双金属线长度长、包覆层薄厚均匀。在输电、通信、电力领域应用十分适宜。其缺点是成本较高，双金属结合有技术难点。

与此同时，水平连铸法等其他各种技术也出现了。水平连铸是直接在钢丝上连续浇铸铜液，待在模具中冷却后，形成铜包层。位于铜钢接触面的合金层会影响导电率。该种工艺适用于生产大长度、大截面的复合型线材，且复合层结合性能良好，厚度可任意选择。但是它的缺点是偏芯、复合层的厚度不具备良好的均匀性，对于电性要求高的线材不适用。

在这个阶段，市场上主流存在的是包覆法、电镀法、水平连铸法，影响各工艺发展的主要是成本问题。

2 主流铜包钢制备工艺

当前国内主要制作工艺是包覆法、电镀法、水平连铸法。国外的主流工艺是包覆法、双铜带热轧法、热浸镀法。下面依次对这些工艺进行介绍。

2.1 包覆法工艺

包覆法生产铜包钢坯线工艺主要由三部分组成[2]。这三部分分布是原料预处理、包覆焊接、铜钢粘合。

①原料预处理：在这一步骤中，要在包覆前，对钢线、铜带等原料进行彻底的清理工作，将其表面的氧化物、污渍等都去除干净，避免在后续的粘合过程中出现问题。

②包覆焊接：在这一步骤中，铜带会进入焊接装置。当其进入并逐渐成型后，会在形成圆管的过程中将钢线包覆。随后，使用钨极氩弧焊把前进中的铜管纵缝两侧焊接起来，最终得到均匀包覆的铜包钢线坯产品。

③铜钢粘合：在这一步骤中，要用到专门开发的工艺、设备，使用特殊的轧拉方式，把钢、铜两种金属粘合至一处，从而形成原子间紧密的、良好的结合。

包覆法生产铜包钢双金属线的生产工艺流程为：铜带成管（钢芯→矫直→清洗，与此同时，进行铜带→清洗→辊轮）→包覆→钨极氩弧焊焊接→紧贴→加热→四辊热轧→拉拔→热处理→成品。

在包覆法中，铜包钢双金属线制备生产工艺流程中最大的难点在于大长度的焊接。如果在焊接的途中停机，而后更换焊针再开机，不得有漏点存在，要连续焊接。这是良好的包覆焊接线的最基础要求，在中试阶段，这个问题得到了解决。包覆法生产工艺流程中的四辊热轧工序的截面图如图1所示。

图1 包覆焊接法生产工艺流程中四辊热轧工序截面图

由图1可知，在包覆法中，四辊热轧工序是关键步骤。在这个工艺流程中，钢芯、铜层可以粘合到一起，变形量相对不大，也实现了两种金属的紧密结合。选择适当的设备、适当的工艺手法是最终获得粘合完美的铜钢的关键所在。大变形量条件下使得钢、铜得以粘合是常规手段。在这种方式下，所获得的基本都是小规格线材，尺寸在Φ2mm以下。要得到大规格线材就需要使用小变形量使得钢、铜粘合。

通过对铜、钢的粘合理论研究，将其应用于技术开发工作，对工艺、设备进行创新、改进，使得其导电率70%的线材，规格可做到Φ6mm以下，将生产范围扩大，提高生产能力。

2.2 电镀法工艺

在导电率30%以下的铜包钢双金属线中，应用最多的工艺是电镀法。电镀法生产铜包钢线的工艺流程为：钢丝放线、电解碱洗（此步骤用于除油）、清水冲洗、电解酸洗（此步骤用于除去氧化膜）、清水冲洗、预镀铜/镍、清水冲洗、主镀铜（此步骤用于加厚镀层）、清水冲洗、热水冲洗（此步骤加钝化剂/抗氧化剂）、烘干、收线。

总之，电镀法主要有三部分：首先对钢丝表面进行处理，将油污、氧化层等去除；其次预镀镍/铜，主镀加厚铜；第三再次清洗之后加入表面钝化剂或抗氧化剂。

使用电镀法进行铜包钢制作的基本原理是：把钢丝进行清洗去油去氧化膜等，进行预镀镍，之后放入电镀液，以钢丝为阴极，铜板为阳极，施加一定的电压。在阳极上，在电解作用下，铜板电子不断地失去，从而形成二价铜离子，在电镀液中游离：Cu-2e→Cu2+。在阴极上，在电解作用下，钢丝使得二价铜离子又再次获得电子，并且在钢丝的表面沉积下来，最终形成铜包钢线材：Cu2++2e→Cu，Cu2++e→Cu+，Cu++e→Cu，2H++2e→H2。

在铜离子沉积到钢丝表面的过程中，要注意的是铜离子与铁不能直接发生氧化还原反应。铁基电镀铜需要解决的根本问题就是阻止这两者直接发生氧化还原反应。钢丝本身提供电子并且向亚铁离子转换，那么钢丝就会发生溶解，即烂丝，在这个过程中产生的置换铜层不是电沉积，其结合是十分薄弱的。因此，为了防止出现这种潜在的钢丝溶解隐患，预镀步骤必不可少。在合理的、成熟的预镀工艺中，铜镀镍、氰化物镀铜、高磷比的焦磷酸盐镀铜。其中氰化物镀铜液的优点很多，有镀层致密、分散性好、附着性强等。但是，在国内，当前的设备还无法很好地解决氰化物的环保问题，所以一般都使用其他的配方。在后续拔丝加工电镀中，预镀采取镀镍的方式较好。而主镀即加厚镀铜采用酸性硫酸盐镀铜[3]、氟硼酸、氟硼酸铜等工艺。

综上，电镀法的难点在于如何提高铜层的连续性、稳定性、致密性、附着性。而获得优质的铜包钢线材，这些都是无法回避的问题。镀层的厚度也需要提高，当前技术也有困难[4]，一般铜包钢线材的线径只能做到Φ2.5mm以下，导电率不高于20%。

2.3 水平连铸法工艺

使用水平连铸法生产铜包钢双金属线主要分为四个环节，分别为表面处理环节、钢芯预热环节、水平连铸环节、后处理环节等。其关键点是水平连铸。工艺原理如图2所示。

图2 水平连铸原理示意图

由图2可知，钢芯在经过表面的处理之后，进行预热，随后进入连铸炉，在水冷结晶器内，铜液会凝固成为固体状态的层包覆于钢芯之上，然后，轮式牵引会将其拉出，整个过程持续不断，从而生产除连续的、结晶的铜包钢双金属复合型线材。

对钢丝进行表面处理，可使得铜钢界面结合得更好，因此，在水平连铸复合之前，对钢丝进行彻底的表面清理工作必不可少。表面清理工作包括：第一，通过拉拔模将其表面的氧化铁皮去除；第二，初步清理之后的钢丝送入矫直机，在机器内进行剥皮、矫直；第三，从矫直机出来的钢丝还要进行除油、水洗、酸洗等工序处理，这些处理之后钢丝的芯线表面清洁度更高。

预热工作会将钢丝吸热降低，可形成一种相对良好的湿润环境，在这种条件下，金属液的温度稳定，有利于后续工作的开展。

水平连铸法的核心是连铸。其将经过清洁处理的钢丝、铜液放置到结晶器内，通过其冷却功能使得两者结合到一处，以实现铜包钢线复合效果。

后处理工作是指对铜包钢线进行热处理、拉拔工序，以达到复合线形成一定变形，将其力学性能、表面质量、导电性能改善。工序的关键在于铸造复合，产品的质量、生产效率完全取决于它。

水平连铸法生产铜包钢双金属线材优点很多，如自动化程度高、节省人力资源、生产效率高等。但是它的不足之处在于偏芯高于其他方法，铜钢界面合金层的厚度较厚等，这些都需要进一步研究克服。

2.4 热浸镀法

热浸镀法在国内并不常见，是日本的生产工艺。在引入美国通用电气公司的热浸镀无氧铜杆生产线后，日本在其基础上进行二次开发，研制出铜包钢线。使用该方式生产的铜包钢线已应用于新干线的接触网导线。

热浸镀法工艺属于液相-固相复合工艺。该工艺的制备原理为：钢芯的温度较低，使之通过熔融状态的铜液，这时，钢线会吸热，钢线的吸热使得液态的铜发生冷凝，附着在钢线表面，最终生产出铜包钢双金属线，该线具备一定的覆层厚度。

在进行浸镀之前，钢芯要事先进行机械打磨、涂助镀剂、酸碱洗等表面处理工作。在经过表面处理后，钢芯上存在的氧化膜、油脂等杂质被清理干净，表面被活化。之后，会对钢线进行预热处理。经过预热的钢线通过熔融状态的铜液，两者发生复合。所制作的钢芯与铜层之间存在较好的结合力，较强的可塑性。

与包覆法工艺相比较，热浸镀法的铜材利用率较高，加工费用低廉，长尺寸的连续线材、带材都容易制造出来；与电镀法工艺相比较，热浸镀法所制造的铜包钢双金属线的铜层更为厚实，且对环境友好，无污染产生。

此外，实际上，钢丝热镀铜、钢丝热镀锌的工艺相差无几，只是所镀的金属一个是要镀厚一点，一个是要镀薄一点。

2.5 双铜带热轧法

美国科普威在2007年之前，是全球最大的铜包钢线生产商。双铜带热轧法是其制作手法。由于这种方式对于铜带的质量要求很高，所生产的产品质量非常好。但是其工艺控制过程复杂，所产生的废料也很多，所以成本较其他方式偏高，在国内，一般都使用包覆法进行替代，所以并不常见。

双铜带热轧法的关键点在于用二辊热轧。中心为钢芯、上下各一根铜带，将三者轧合至一起，形成铜包钢线坯。这个线坯是带双“耳子”的，要将双“耳子”去除。之后进行退火、拉拔等步骤，最终形成铜包钢双金属线产品。

在钢芯以及铜带进入轧辊之前，还需要提前进行表面的活化处理、净化加热处理等。只有经过这些处理，铜带与钢芯、铜带与铜带之间才能形成一种良好的粘合状态。在一定的压合变形量之下，所轧制出来的铜带会向两侧辊缝产生宽展出现余量，即形成双“耳子”。良好的粘合必须有这些余量。[5]

3 铜包钢双金属线的应用

3.1 电子元器件用引线

在电子工业领域，铜线应用范围很大，但是铜的强度低，使用铜包钢双金属线可满足铜的导电性，还能同时具有钢的强度，导电率、抗拉强度等还可以根据使用要求进行调整，可很好地满足电容器、二极管等元器件的引线要求。

3.2 CATV同轴电缆

CATV为Cable Television的简写，它是指利用电缆、电线、微波、卫星等设备进行信号传输，并依靠同轴电缆对信号进行分配的公共有线电视网络。因此，在同轴电缆内，导体的精度要求很高，机械强度也要好。[6]

同轴电缆的信号传输是通过电流进行的，这个电流的频率非常高，而高频电流在传输过程中会集中至导体表面，即“趋肤效应”。电流在表层传输的密集程度跟电流频率呈正比关系。如果导线采用纯铜，那么中间的铜在导电方面意义不大。使用铜包钢双金属线来进行电流的传输，在保证了导电不受影响的情况下，缩减了铜金属的用量，降低成本，且中间的钢芯提高了导线的机械强度。所以CATV同轴电缆的应用前景乐观，扩大行业生产会带来更高的效益。

4 结束语

在当前阶段，包覆法、电镀法、水平连铸法所生产的铜包钢双金属线可满足大部分高、中、低端用途，其性价比很高，除了接地棒之外，几乎都可以应用。铜的价格一直在上涨，双金属线的用途还有进一步的扩展空间。要大力加强铜包钢双金属线的制备工艺改善、创新，加大投入力度，拓展应用范围，争取获得更高的经济效益。