銅包鋁線及其制備加工技術1銅包鋁復合線材的特點及其應用復合材料，就是由兩種或兩種以上的材料經一定的復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。雙金屬復合導線是在20世紀30年代由德國發(fā)明的，隨后在美、英、法等先進國家推廣，并廣泛應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域。目前，雙金屬復合導線主要有銅包鋁線、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)中應用最廣泛的雙金屬復合線材。雙金屬復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電性好的特點。由于高頻信號的電流“集膚效應”，采用雙金屬復合線作為傳導線或作為內導體的同軸電纜，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)點的復合材料，最早由德國于上世紀30年代推出，隨后英國、美國、法國、前蘇聯等國也相繼采用各種不同方法生產銅包鋁線。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的穩(wěn)定性和可靠性。同軸電纜常用鋁作為外導體，因銅包鋁線的膨脹系數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、外導體膨脹不匹配而產生的連接故障。(3)銅包鋁線質量輕、密度小，便于運輸和安裝，大大減小了網絡施工中的勞動強度。銅與鋁的質量比為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量的純銅線長度1.7?2.45倍。銅包鋁線的結構特點是：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”，高頻電流主要集中在導體的表面層傳輸，而且鋁本身也具有良好的導電性能，因而采用銅包鋁復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用前景。采用銅包鋁線為內導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導體均可使其重量大幅度降低，便于運輸、安裝，降低敷設費用；⑵復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CATV同軸射頻電纜用鋁管作外導體時，采用銅包鋁線作為內導體，可使其熱膨脹系數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。而且與用純銅作內導體的情形相比，在信號傳遞，特別是在高頻信號傳遞方面，由于導體的“趨膚效應”，性能上相差很小。目前上海、深圳等地各有線電視臺已經采用了用銅包鋁線作為內導體的同軸電纜，實際應用效果表明，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，消耗數量曾達3萬噸/年之巨。近年來由于國產銅包鋁線問世，我國生產的型號為75-9、75-12和540等CATV電纜也開始大量使用銅包鋁線作內導體。我國是CATV用戶最多的國家。隨著信息產業(yè)的迅速發(fā)展，有線電視網絡將不斷興建或更新，并將發(fā)展有線電視、電話和計算機三網合一的網絡，因此采用優(yōu)質的銅包鋁線來代替純銅線制造同軸電纜將具有廣闊的應用前景。2銅包鋁線的制備技術與研究現狀2.1雙金屬復合材料的制備加工技術雙金屬復合導線的制備方法多種多樣，根據全目前的研究和生產的應用，其方法有復合擠壓法、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)復合擠壓法該方法是利用液壓擠壓機把己經復合在一起的坯料通過擠壓模使其變形，生產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銅-鋁等塑性較好、結構性能相差較小的雙金屬所組成的復合材料。（2） 軋制法日立電線株式會社研究所開發(fā)了用軋制法生產銅包鋁線的工藝。首先對銅帶進行酸洗，然后在還原氣氛中加熱，與剝皮后的鋁線一起進入軋機進行軋制復合。（3） 連續(xù)擠壓包覆法其技術過程是，首先，將薄的銅帶經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，經過擠壓模使兩金屬界面緊密結合，通過連續(xù)多道擠壓使界面形成牢固的原子間結合，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的主要方法。與連續(xù)擠壓包覆法類似，也是將薄的銅帶經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。經拉拔并通過拉絲模使兩金屬界面緊密結合，經過多道拉絲?？芍瞥沙叽缫蟮木€材，雙金屬界面結合更緊密。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)點是結合強度高，銅覆層可控范圍大。（6） 電鍍法鋼絲經除油、清洗后用焦磷酸鹽（Cu2P2O7）預鍍銅，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)復合加工工藝，用于連續(xù)鑄擠工藝生產鋁包鋼線，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，以達到鋁鋼復合的目的，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流管和結品器構成鑄管的鑄型，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，實現心部金屬的凝固并與外層金屬復合。根據上述所列的許多種工藝方法，從兩種金屬界面冶金結合的角度，可以歸納為3類方法，第1類是固相復合方法，第2類是液相-固相復合方法，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合原理，以及加工過程的組織結構轉變及對性能改變的影響，進而對工藝技術進行改進。上述方法中的復合擠壓法，軋制法，連續(xù)擠壓包覆法屬于固相復合方法；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狀由于銅包鋁線的高頻電導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注，研究開發(fā)了各種新工藝新技術。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行表面清理，工序較復雜。因此，探索新的制備工藝方法以降低成本、穩(wěn)定質量，是當前復合線材研究的重點內容之一。較早應用于工業(yè)生產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。這種方法具有產品質量好、生產效率高及環(huán)保問題少等優(yōu)點，但工藝比較復雜，涉及的工序比較多，通過軋制獲得線坯的設備投資較大，因而生產成本較高。目前應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，設備不太復雜，所生產的銅包鋁線質量較好，為目前國內主要的生產方法。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銅、鋁的固相結合。其特點為：在擠壓過程當中，坯料周圍充滿粘性介質，擠壓壓力通過粘性介質傳遞到坯料上，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，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合較好的銅包鋁線。國外還嘗試將鋁液澆鑄到銅管內來進行銅包鋁線復合線坯的制備，隨后再利用熱擠壓的方法獲得復合線材。國內也有專家對該方法的可行性進行了研究，并提出該方法制備的復合線坯固相結合良好，有利于后續(xù)擠壓加工過程中進一步實現銅、鋁的結合。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合材料，可以得到包覆層均勻，芯部形狀規(guī)整的復合金屬材料棒材。國外有嘗試采用將鋁液澆注到銅管內進行復合形成復合線坯，然后再進行熱擠壓過程獲得復合線的研究。綜合以上，銅包鋁線的制備工藝基本上均采用固相結合法，即通過塑性變形使兩金屬結合面接近到原子間距離，形成大量的結合點，經過擴散熱處理，最終形成界面的牢固結合。3感興趣的理由銅的導電性能好，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一步提高。因此，銅或銅合金一直被視為同軸電纜內導體的首選材料。但銅的密度較高，銅資源比較稀少，且純銅導體的價格較高。隨著復合技術的不斷發(fā)展與進步，在保證導電性能的前提下采用復合技術，用廉價的金屬部分替代銅以降低生產成本，已經成為國內外研究開發(fā)人員努力的目標。其中銅包鋁復合線材是一種比較理想的替代品。隨著信息產業(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導體的首選材料。但銅資源缺乏，價格昂貴，全部用銅作為射頻同軸電纜的內導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和鋁的良好的導電、導熱性能，因此，用鋁代替銅，實現銅、鋁的復合，開發(fā)出銅包鋁復合線材，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導體相比較，還具有以下特點：密度小，質量輕，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導體的替代產品，大大降低了制造成本；同軸電纜常用鋁管作外導體的屏蔽層，因銅包鋁線的膨脹系數與鋁材相近，可減小因溫度變化使電纜內、外導體膨脹不匹配而產生的連接故障，提高了射頻同軸電纜使用的可靠性和穩(wěn)定性。由于銅包鋁復合線材在國民經濟發(fā)展中起著一定的重要作用，對其制備方法、工藝技術、材料性能等的研究，在國內外都給予很大的重視。而在我國，由于產業(yè)化起步較晚，大量的相關研究也主要集中在20世紀90年代以后，其研究的重點是制備方法和工藝技術，而對應的雙金屬結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與生產實際直接關聯，而且復雜和多樣化。但是，各種加工制備的雙金屬結合機理及其材料組織和性能的研究，亦關乎制備方法和工藝技術的正確應用，并直接與產品性能的提高和推廣應用緊密相連。因此，對于研究學者來說，繼續(xù)研究開發(fā)和改進銅包鋁線材的制備加工技術，同時進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，對于指導生產實際，提高產品質量，以及在國民經濟中創(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仍有較好的研究前景。4參考文獻吳云忠.包覆拉拔法銅包鋁、銅包鋼雙金屬導線的研究[D].大連海事大學博士論文，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合材料