铜包钢线的生产工艺及其应用

铜包钢线的生产工艺及其应用1. 前言铜包钢线是通过物理、化学等方法在钢丝表面覆上一层一定厚度的铜层。

是一种兼具铜和钢特点的金属复合线材。

铜包钢线具有良好的电学性能、力学性能、防腐蚀性和对橡胶的粘接性等，用途广泛，已日益受到关注。

铜包钢线是一种新型的复合线材。

其生产技术涉及到机械、电气、塑性成型、热处理和电化学等多学科交叉，极具发展前景。

本文对符合我国国情的铜包钢线的生产工艺进行了分析，研究了可实际应用的预镀工艺，提出了适于现场操作的工艺，并扼要介绍了铜包钢线的应用。

2. 铜包钢线的生产工艺从材料学的观点出发，材料的化学成分将最终决定其性能。

所以把力学性能、电学性能和耐腐蚀性能等差异较大的铜和钢组合而成的复合材料必然就赋予了其独特的性能，早期的铜包钢线是利用了钢丝的高强度和铜层的耐腐蚀性作为防腐加强材料，随着人们对铜包钢线认识的加深，其应用范围也得到了拓宽，铜包钢线的制造技术和自动化程度也得到了提高，目前铜包钢线的制造方法有如下几种：2.1 套管包覆法将一定厚度的铜管套在与内径紧密配合的粗钢丝上，经拉拔挤压成一定线径的双金属线。

2.2 焊管包覆法将铜带成型焊接，包在钢丝上，经模具拉仲成双金属线。

2.3 铜带压接法将铜带压接包覆在钢丝表面，切除余量后经模具拉拔成双金属线。

2.4 铸造热压法在钢坯周围浇注铜液，然后热压成杆，再拉成双金属线。

2.5 热浸镀法钢丝经过熔融的铜液，表面吸附上一层铜，冷却结晶，经过定径模具后得到双金属线。

2.6 电镀法利用电化学方法，钢丝连续经过镀铜槽液而得到的双金属线。

FeSO4过多时，结合下降经过几年的现场实际操作，采用表3中的工艺作为铜包钢线酸性镀铜前的预镀铜工艺，由此获得的铜包钢线按GB8110–87、YD／T722–94和ASTMB 227–88等标准作缠绕试验，镀层结合力完全符合要求。

表3 酸性镀铜前预镀液工艺组成条件预镀镍TP浸铜NiSO4·7H2O（g/L）230-250NiCl2·6H2O（g/L）40-60H3BO3（g/L）30-40抗针孔剂（g/L）3.5-4.5CuSO4·5H2O（g/L）15-20分散能力好，结合力好，结晶细有毒和污染，维护困难HEDP预镀镀层光亮，结合力较好有毒，维护困难，阳极材料要求高预镀镍结合力好，操作方便与镀铜槽液镀种不同预镀底镍可使钢／镍／铜多层界面的结合力得到保证，可满足后续拉拔工艺的要求，而且预镀镍层厚0.1μm左右就可以了，薄薄的一层镍既可减少预镀槽的有效长度，又可免去预镀槽和镀铜槽之间的中和槽，设备紧凑，工艺维护方便，生产费用较低。

由于某些用途的铜包钢线不能含镍以及为进一步减少厂房、设备和投资（如省去预镀的电气控制部分），我们又对置换预镀进行了研究，并获得了满意的效果。

置换镀又称接触镀，当钢丝进入酸性镀铜槽液中，会发生如下反应：Fe+CuSO4→FeSO4+Cu↓一般情况下，这层铜疏松、多孔，难以应用，造成这种后果的主要原因是槽液中的Cu2+浓度过高，置换速度过快，同时铜层中夹带了FeSO4和Fe2O3导致结合力下降。

所以必须从两个方面来解决这个问题，一是降低Cu2+浓度，降低置换速度，使Fe2+得以从铜层中扩散出来，提高结合力；二是使用添加剂，改善置换镀铜的沉积动力学，使置换反应能均匀、等速地发生在钢丝表面，降低镀层孔隙率。

为此，对置换镀铜工艺进行了工艺试验和现场验证，分析了它们的特点（表2），筛选出有效的添加剂TP，以TP为添加剂浸铜液完全符合上述要求，而且简单易控，铜层结合力良好。

表2 酸性镀铜置换预镀比较种类优点缺点铜包钢线的低成本、高强度、良好的导电性和耐蚀性，可用作电器设备的接地线，消除雷电和漏电现象。

4.6 CO2气体保护焊丝和埋弧焊丝镀铜焊丝具有耐蚀性好、焊接飞溅小、焊缝成型性好和送丝平稳等特点，可用于CO2气体保护焊和埋弧焊的自动和半自动焊。

4.7 胎圈钢丝和子午线轮胎钢帘线高的强度、耐蚀性及与橡胶的粘接力可使铜包钢线用来制造自行车、摩托车和飞机轮胎的胎圈钢丝，提高运行时的可靠性。

极细的铜包钢线经缠绕绞成纲帘线是子午线轮胎的加强材料，能提高轮胎的耐磨性、翻新次数，降低油耗和延长使用寿命，目前子午线轮胎正逐渐取代斜交轮胎。

铜包钢线还可用来制造防水土流失的河堤拉线、输送带加强线和吸尘器软管等，其优良的性能和经济性越来越受到人们的重视，发展势头迅猛，前景广阔。

铜包钢丝的优化生产工艺韩国科学家通过实验确定了铜包钢丝拉拔过程中不同工艺参数的影响。

通过FEA分析连续拉拔过程中铜包钢丝开始阶段铜层比率变化情况，在压缩率一定的情况下，把直径5mm的铜包钢丝最终拉拔到直径1mm。

在试验过程中，为了评估拉拔工艺对镀层比率的影响，拉丝模半角和压缩率也是变化的。

在试验中分别考虑拉丝模半角、压缩率、原始镀层比率等参数的影响。

当拉丝模半角为7度时，拉拔后铜包钢丝的铜层比率达到32％，超过了开始阶段的铜层比率（30％）；当拉丝模半角为5度时，最终钢丝上的镀铜层比率为29.7％。

当总压缩率≥85％时铜包钢丝的铜层比率成上升趋势，因此，最终钢丝的镀铜层比率可以通过总压缩率来调整，在较小拉丝模半角的情况下，镀铜层比率变化也较小。

镀层比率为30％；拉丝模半角为5度时，压缩率为15％的镀铜层比率变化比在压缩率为25％时更为明显。

在初始镀层比率为30％、40％、50％，60％、70％，拉丝模半角为5度，道次压缩率为25％的条件下分析不同的原始镀层比率对最终钢丝镀层比率的影响。

当总压缩率小于85％时，镀层比率有减小的趋势；超过85％时，呈现增加的趋势。

在原始镀层比率为70％时，当总压缩率小于85％时，镀层比率维持在70％；当总压缩率大于85％时，镀层比率呈现出增长趋势。

利用电化学方法，钢丝连续经过镀铜槽液而得到的双金属线。

前5种方法厂房占地面积大，设备投资费用高（一般都在数百万美元以上），电耗大，无氧铜带、铜管价格昂贵，生产成本高，但自动化程度高，生产效率高，对环境污染小。

电镀法所需场地小，设备投资小（数十万元人民币），可连续生产，电耗小，生产成本低，但存在废液排放、工人劳动条件差和生产效率低等问题。

在治理好环境污染的前提下，从投入产出比出发，国内生产铜包钢线基本上都采用电镀法，其工艺流程如下：去脂除锈→镀铜→退火→拉拔→成品3. 铜包钢线的镀铜工艺电镀法生产铜包钢线的关键是在钢丝表面沉积结合力良好、厚度均匀的铜层，否则不能承受后续的变形工艺，影响其最终性能。

早期的钢丝镀铜采用的是氰化镀铜工艺，虽然铜层与钢丝的结合力好，但是镀液毒性大，环境污染严重，工人操作条件差，电流效率低.生产效率低，目前已基本被淘汰。

可用于直接镀铜的工艺还有柠檬酸盐、焦磷酸盐、乙二胺和氨基磺酸盐镀铜等。

前两种工艺允许的电流密度小，生产线长，厂房和设备投资大，而且当镀层达到一定厚度时，镀层变得粗糙，延展性下降；后两种工艺的槽液稳定性差，铜／钢界面结台不良，工艺维护和控制较为困难，工业化生产尚有一定的难度。

因此，考虑到经济性和实用性，我们选择了硫酸盐镀铜工艺。

众所周知，钢铁材料上不能直接进行酸性镀铜，否则钢丝表面会出现一层疏松的、结合力极差的铜层。

通过实验室的工艺实验和现场的在线操作，在考察了氰化预镀、酒石酸预镀、乙二胺预镀和HEDP预镀等工艺后认为，虽然这些预镀工艺优于柠檬酸盐和焦磷酸盐镀铜，但镀液毒性大，预镀槽到镀铜槽之间环节多，生产线长，维护困难。

考虑到环保、操作条件和质量等诸因素，本研究选择了预镀镍作为镀铜的底层。

预镀底镍可使钢／镍／铜多层界面的结合力得到保证，可满足后续拉拔工艺的要求，而且预镀镍层厚0.1μm左右就可以了，薄薄的一层镍既可减少预镀槽的有效长度，又可免去预镀槽和镀铜槽之间的中和槽，设备紧凑，工艺维护方便，生产费用较低。

由于某些用途的铜包钢线不能含镍以及为进一步减少厂房、设备和投资（如省去预镀的电气控制部分），我们又对置换预镀进行了研究，并获得了满意的效果。

置换镀又称接触镀，当钢丝进入酸性镀铜槽液中，会发生如下反应：Fe+CuSO4→FeSO4+Cu↓一般情况下，这层铜疏松、多孔，难以应用，造成这种后果的主要原因是槽液中的Cu2+浓度过高，置换速度过快，同时铜层中夹带了FeSO4和Fe2O3导致结合力下降。

所以必须从两个方面来解决这个问题，一是降低Cu2+浓度，降低置换速度，使Fe2+得以从铜层中扩散出来，提高结合力；二是使用添加剂，改善置换镀铜的沉积动力学，使置换反应能均匀、等速地发生在钢丝表面，降低镀层孔隙率。

为此，对置换镀铜工艺进行了工艺试验和现场验证，分析了它们的特点（表2），筛选出有效的添加剂TP，以TP为添加剂浸铜液完全符合上述要求，而且简单易控，铜层结合力良好。

经过几年的现场实际操作，采用表3中的工艺作为铜包钢线酸性镀铜前的预镀铜工艺，由此获得的铜包钢线按GB8110–87、YD／T722–94和ASTMB 227–88等标准作缠绕试验，镀层结合力完全符合要求。

现场生产铜包钢线的设备分为多头展开式和单头往复式两种，电镀法生产的工艺流程如下：放线→去脂→水洗→除锈→水洗→活化→预镀或预浸铜→水洗→水洗→镀铜→水洗→热水洗→烘干→收线4. 铜包钢线的用途铜包钢线具有较高的强度、良好的导电性、耐腐蚀性和与橡胶的粘接性，广泛应用于电子、通讯、汽车、机械和建筑等行业。

4.1 电话下户线和同轴电缆芯线铜包钢线的强度和导电性优良，成本低，近年来大量用来制造电话下户线和同轴电缆芯线，可明显提高下户线的导电性、可靠性和抗风能力，并可提高同轴电缆的强度和降低其成本。

4.2 电子元器件引出线具有较高导电性和强度的铜包钢线经镀锡、镍或银后可作为电容器、大容量二极管等电子元器件的引出线，其还具有良好的焊接性和耐蚀性，并可使整机的可靠性大大提高。

4.3 放电加工线电极铜包钢线的钢芯具有耐高温性能好，铜层具有良好的导电性，可取代黄铜线作为放电加工线电极，可用来加工制造对圆角半角精度要求高的产品及飞机的零部件。

4.4 架空电车接触线铜包钢线的电传输性能优良，结构重量比纯铜线轻，强度高，可提高高架线张力和电车线的波动传播速度，适于电气机车的高速运行和大跨度电缆传输线。

4.5 电器设备接地线铜包钢线的低成本、高强度、良好的导电性和耐蚀性，可用作电器设备的接地线，消除雷电和漏电现象。

4.6 CO2气体保护焊丝和埋弧焊丝镀铜焊丝具有耐蚀性好、焊接飞溅小、焊缝成型性好和送丝平稳等特点，可用于CO2气体保护焊和埋弧焊的自动和半自动焊。

4.7 胎圈钢丝和子午线轮胎钢帘线高的强度、耐蚀性及与橡胶的粘接力可使铜包钢线用来制造自行车、摩托车和飞机轮胎的胎圈钢丝，提高运行时的可靠性。

极细的铜包钢线经缠绕绞成纲帘线是子午线轮胎的加强材料，能提高轮胎的耐磨性、翻新次数，降低油耗和延长使用寿命，目前子午线轮胎正逐渐取代斜交轮胎。