拉拔变形对纯铜导线组织和性能的影响

收稿日期:
２０２１
Ｇ
０８
Ｇ
１２
作者简介:路荣贵(
１９６９
Ｇ),男,安徽芜湖人,工程师,本科 ．
通讯作者:梅桂林(
１９６７
Ｇ),男,安徽无为人,高级工程师,本科 ．
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安 徽 工 程 大 学 学 报
第 ３６ 卷
变化,整个拉拔过程中纯铜导线内微观组织变化主要由三个过程 组 成 [５]:拉 拔 初 期 滑 移 现 象 产 生,晶 粒 开
始细化;变形量增加,晶粒细化程度进一步增加并且晶界变得模糊;最终 沿 拉 拔 方 向 形 成 纤 维 状 组 织.晶
粒细化晶界增多阻碍位错移动从而产生明显的加工硬化现象,不 利 于 铜 线 材 的 生 产 应 用 [９].为 改 善 剧 烈
A
纯铜具有优良的导电性、导热性和延展性,同时由于其良好的冷、热加工性能常被加工成为棒、管、板、
带等产品 [１].随着工业技术的发展,纯铜导线因其优良的传导能力常 作 为 电 子 信 号 传 输 的 载 体 被 广 泛 应
用于电线电缆、航空航天、医疗器械、国防军工、信息 通 讯 和 电 子 封 装 等 领 域 [２Ｇ４].纯 铜 导 线 的 生 产 过 程 主
同线径纯铜导线横向和纵向金相显微组织,金相组织图如图 １、图 ２ 所示.
不同线径铜导线横向金相显微组织图如图 １ 所示.由图 １a和图 １b 可以看出,
Φ８mm 铜杆坯经热轧
后晶界处出现再结晶组织,经过一次拉拔后得到 Φ１．
８ mm 硬 态 铜 导 线,晶 粒 发 生 明 显 细 化 且 晶 粒 大 小 较
时由于晶粒在应力作用下发生破碎使晶界数量和纯铜导线内缺陷数量增加,位错运动受到限制,造成位错
９９％ .接线后先通过单道次拉拔得到
Φ１．
８mm 铜导线,通过德国尼霍夫 １６/２０/２４ 多 头 拉 丝 机 (MMH 系 列)进 行 多 头 和 多 道 次 拉 拔 得 到 直 径
为 Φ０．
１７１mm 的细铜线.多头拉拔过程中采用连拉连退的热处理工艺,为了避免拉拔方向对实验结果产
生干扰,纯铜导线在拉拔过程中的拉拔方向始终不变.采用线切割截取 Φ８mm×５mm 铜杆坯用于观察
第 ３６ 卷第 ５ 期
２０２１ 年 １０ 月
安 徽 工 程 大 学 学 报
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３６．
No．
５
,
Oc
t．
２０２１
文章编号:
１６７２
Ｇ
２４７７(
２０２１)
０５
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００２１
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０５
拉拔变形对纯铜导线组织和性能的影响
路荣贵１,化广信２,冉令豪２,梅桂林１∗
以看出,导线晶粒尺寸由表层向中心区域逐渐减小并且表层再结晶晶粒尺寸不均匀.
图 １ 不同线径铜导线横向金相显微组织图
不同线径铜导线纵向金相显微组织图如图 ２ 所示.由图 ２a和图 ２b 可以看出,
Φ８mm 铜杆坯经一次
拉拔得到 Φ１．
８mm 硬态铜导线,期间不经过任何热处理,纵 向 组 织 发 生 明 显 细 化 且 并 未 出 现 明 显 纤 维 组
子定向迁移运动,使导体电阻率增加.拉拔过程中的晶格畸变也会造成电子散射几率增大,使导体中电流
传输效率降低,造成导体的电阻率增加.
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安 徽 工 程 大 学 学 报
第 ３６ 卷
图 ３ 不同线径纯铜导线力学性能和电阻率
要由连铸连轧或上引连铸生产纯铜杆坯、接线、连续多模拉拔、退火和并线绞线组成 [５Ｇ６].
冷拔是生产高性能导电线材的主要工艺,拉拔过程是纯铜杆坯在前端 拉 应 力 的 作 用 下 穿 过 模 孔 直 径
小于杆坯直径的模具,最终获得所需尺寸的纯铜导线 [７Ｇ８].经冷拔后的铜线材内部微观组织会发生明显的
由于相邻晶粒之间相互制约,使晶粒的旋转和滑移受到阻碍.拉拔过程中晶 界 处 和 晶 内 出 现 空 隙 和 微 观
裂纹,且各种晶格缺陷几率增大.位错的增殖速度增加,位错在滑移和攀移过程中更容易发生聚集缠结导
致位错在晶界和缺陷处发生堵塞.位错的运动阻力不断增大,由于剧烈的变 形 使 拉 拔 后 的 导 线 内 部 产 生
６００、
８００ 和１２００ 目砂纸打磨并使用粒度为 W１．
５ 的 金 刚 石 研 磨 膏 抛 光 后 进 行 腐 蚀. 腐 蚀 液 采 用 配 比 为
５g无水三氯化铁 ＋５０mL盐酸 ＋１００mL 乙醇的三氯 化 铁 盐 酸 乙 醇 腐 蚀 液,腐 蚀 时 间 为 ３０s,腐 蚀 完 毕 后
使用酒精将残 余 腐 蚀 液 冲 洗 干 净,待 试 样 干 燥 后 采 用 MR２０００ 金 相 显 微 镜 观 察 试 样 显 微 组 织. 采 用
铜杆坯横截面金相组织,并从中间一分为二用于观察铜杆坯纵截面金相组织.为了便于观察显微组织,采
用 HM１ 黑色镶嵌料和 XQ－２B 型金相试样镶嵌机对 Φ１．
８mm 硬态纯铜导线和 Φ０．
１７１mm 纯铜导线进
Байду номын сангаас
行试样镶嵌,镶样过程中温度设置为 １４５℃ ,保 压 时 间 设 置 为 １０mi
n.铜 杆 坯 试 样 和 镶 嵌 试 样 采 用 ４００、
UTM５１０５ 型微机控制电子万能实验机,测 量 了 Φ８mm 的 铜 杆 坯 和 Φ１．
８ mm 的 硬 态 铜 线 试 样 的 抗 拉 强
度和延伸率.采用了 QJ
３６S 直流低电阻测试仪测量了 Φ８mm 铜杆坯和Φ１．
８mm硬态铜线的电阻率.
２ 试验结果与讨论
２．
１ 金相组织
在拉拔过程中,随着变形量的增加导 体 内 部 组 织 发 生 明 显 变 化,使 用 MR２０００ 金 相 显 微 镜 可 观 察 不
２
－１
Φ１．
８mm 硬态铜导线后,电阻率 由０．
０１６９Ω mm m 增 至０．
０１７２Ω mm２ m－１ ,电 阻 率 有 小 幅 上
升.根据马西森定则(Ma
t
t
h
i
e
s
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e),纯铜导线的总电阻率为
ρ ＝ρT ＋ρR ,
式中,
ρT 为在测试温度为 T 时的纯铜线材电阻率;
织.由图 ２c可以看出,经多道次拉拔且伴随连续 退 火 工 艺 得 到 具 有 明 显 纤 维 组 织 的 Φ０．
１７１mm 细 铜 导
线,纤维组织之间十分紧凑,晶界较为模糊.相较于传统的退火工艺,由于 连 续 退 火 加 热 速 度 快 和 保 温 时
间短的特点,往往造成纯铜导线在退火过程中只有表层区域发生再结晶现象,通常采用较高的退火温度来
变形后导线的内部组织,消除加工硬化作用,工业生产中常对导线进行热处 理,导 线 的 热 处 理 过 程 可 分 为
拉拔过程中的连续退火、拉拔结束后退火和铜杆坯形变热处理三种,目前工业生产中多采用连续退火的热
处理工艺 [１０Ｇ１２].
为生产出具有优异性能的纯铜导 线,纯 铜 线 材 拉 拔 工 艺 一 直 是 全 世 界 研 究 人 员 的 重 点 研 究 对 象 [１３].
为均匀.在多头拉丝机上经多道次拉拔由 Φ１．
８mm 拉拔至 Φ０．
１７１mm 得到细铜导线.拉拔过程晶粒进
一步破碎细化,由于多头拉拔过程中采取了连续退火的热处理工艺,导线表层温度迅速升高至再结晶温度
发生再结晶现象,同时因为连续退火冷却速度很快,导 线 靠 近 中 心 区 域 晶 粒 再 结 晶 程 度 较 小.由 图 １c 可
(
安徽楚江高新电材有限公司,安徽 芜湖 ２４１０００;
１．
合肥工业大学 材料科学与工程学院,安徽 合肥 ２３０００９)
２．
摘要:初始直径为 Φ８mm 的纯铜杆坯经拉拔得到直径为 Φ１．
８mm 和 Φ０．
１７１mm 的铜导线.采用光学金相显
微镜、微机控制电子万能实验机和直流低电阻测试仪研究 了 拉 拔 过 程 中 纯 铜 导 线 微 观 组 织、力 学 性 能 和 电 阻
程度上阻碍了晶粒长大,最终在导线表层形成均匀细小且排列紧密的退火 组 织.由 于 较 快 的 冷 却 速 度 使
温度由导线表层向中心部位的传导效率降低,同时导线中心部位相较于表层区域所受剪切应力较小,变形
储能相对较低,再结晶驱动力较低,最终使导线中心部位难以发生较多的再 结 晶 形 核 和 晶 粒 长 大,此 位 置
较大残 余 应 力,产 生 明 显 的 加 工 硬 化 作 用. 在 加 工 硬 化 作 用 下,
Φ１．
８mm 硬 态 铜 导 线 的 抗 拉 强 度 增 至
３８０MPa,增幅约 ６８．
１％ ,断后延伸率 降 至 ３５％ .由 图 ３ 也 可 看 出,
Φ８mm 纯 铜 杆 经 过 单 道 次 拉 拔 得 到
史洪松 [１４]等研究了深冷处理对纯铜线材拉拔工艺的影响,并指出经过深冷处理的纯铜线材随着拉丝模直
径减小,晶粒细化程度显著增加.毛西 秦 [１５]等 研 究 不 同 的 退 火 温 度 对 纯 铜 导 线 的 组 织 和 性 能 的 影 响,并
指出随着退火温度的增加,纯铜导线 的 抗 拉 性 能 发 生 下 降,伸 长 率 增 加. 陈 建 [１６]等 研 究 了 横 向 晶 界 对 纯
率的变化.结果表明,在拉拔过程中导线微观组织沿拉拔方向逐渐形成纤维组织.抗拉强度和电阻率随着变
形程度的增加而增大,直径为 Φ８mm 的纯铜杆坯经过 单 道 次 拉 拔 后 得 到 直 径 为 Φ１．
８ mm 的 纯 铜 导 线,抗 拉
强度由 ２２６MPa 增 至 ３８０ MPa,断 后 延 伸 率 由 ４５％ 下 降 至 ３５％ ,电 阻 率 由０．
Φ８mm 纯 铜 杆 坯 抗 拉 强 度 为 ２２６ MPa,断 后 延 伸 率 为
４５％ ,经过一次拉拔得到 Φ１．
８mm 硬态铜导线,拉拔过 程 中 不 经 过 任 何 热 处 理.拉 拔 过 程 中 导 线 在 轴 向
拉应力及径向压应力的共同作用下,导线内部晶粒发生旋转滑移和破碎,晶 界 数 量 和 晶 界 面 积 显 著 增 加,
３ 结论
随着变形量的增加,纯铜导线沿轴向形成纤维组织.多道次拉拔过 程 中 导 体 内 部 晶 粒 不 断 发 生 滑 移
和破碎,晶界变得模糊,最终形成沿轴向分布的纤维组织,同时采用连续退火的热处理工艺,在拉拔过程中
使导线表层组织发生明显再结晶现象可以起到细化晶粒的作用.
随着变形量的增加,纯铜导线抗拉强度增加,延伸率减小.在拉 拔 过 程 中 导 体 内 部 位 错 密 度 增 大,同
仍存在明显的沿轴向分布的纤维组织.
图 ２ 不同线径铜导线纵向金相显微组织图
２．
２ 力学性能和电阻率
经 UTM５１０５ 型微机控制电子万能实验机 和 QJ
３６S 直 流 低 电 阻 测 试 仪 可 测 得 不 同 线 径 纯 铜 导 线 力
学性能及电阻率,如图 ３ 所 示.由 图 ３ 可 以 看 出,
０１６９Ω mm２ m－１ 增 至
０．
０１７２Ω mm２ m－１ .由拉拔过程中的微观组织变化情况得到了微观组织和力学性能之间的关系,即随 着
纤维状组织的形成,纯铜导线的抗拉强度增加,断后延伸率降低.
关 键 词:纯铜导线;拉拔;微观组织;电阻率;抗拉强度;断后延伸率
中图分类号:
TG３５６ 文献标识码:
铜导线微观组织和力学性能的影响,并指出随着变形量增加,纤维织构更加发达,同时,等轴晶粒相比具有
更多横向晶界的晶粒,更有利于形变织构的形成.文中主要研究了不同变形 量 对 纯 铜 导 线 显 微 组 织 和 性
能的影响情况.
１ 实验材料及方法
实验采用的纯铜杆坯经过热轧处理,直径为 Φ８mm,纯度为 ９９．
ρR 为在导线内部各种杂质及晶内晶界缺陷影响下的纯
[
１７]
铜线材电阻率 .
在拉拔的变形过程中,纯铜导线内部晶粒在应力作用下发生滑移 破 碎,造 成 了 晶 界 数 量 增 加,同 时 导
线经过拉拔发生剧烈变形,其内部空位、位错和微观裂纹等缺陷数量增加,在 一 定 程 度 上 阻 碍 了 导 线 内 电
增加再结晶晶粒的形核率和再结晶区域 [１１].在连续退火工艺的作用下,导线表层温度迅速升高达到再结
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第５期
路荣贵,等:拉拔变形对纯铜导线组织和性能的影响
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晶温度,形成再结晶组织,同时由于连续退火冷却速度很快并且拉拔过程中 伴 随 着 强 烈 的 剪 切 应 变,一 定