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）

230-250

NiCl2·6H2O（g/L）

40-60

H3BO3（g/L）

30-40

抗针孔剂（g/L）

3.5-

4.5

CuSO4·5H2O（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。