銅包鋁線退火工藝的試驗(yàn)研究

趙正樹， 戴雅康

(大連通發(fā)新材料開發(fā)有限公司，遼寧大連116600)

0 引言

包覆焊接后的銅包鋁線坯在拉拔過程中隨著截面縮減率增加，晶粒逐漸沿拉拔方向拉長，甚至成為纖維狀。同時(shí)，晶粒內(nèi)部原子也失去了按一定幾何規(guī)則整齊排列的狀態(tài)，從而使銅和鋁的性能發(fā)生變化，產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象。 10 mm銅包鋁線坯拉拔至 5 mm時(shí)，銅鋁界面開始實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合，在繼續(xù)拉拔過程中，隨著拉伸面縮率的增加，抗拉強(qiáng)度增大，伸長率降低。在拉拔過程中，銅和鋁界面上的原子依靠相互間的引力而結(jié)合在一起，其界面的金相照片如圖1a所示。

為了獲得軟態(tài)銅包鋁線，需將其在一定溫度下進(jìn)行退火，使強(qiáng)度降低，伸長率增加。在退火過程中，由于溫度較高，銅和鋁原子活動(dòng)能力增強(qiáng)，便不斷向?qū)Ψ交w中擴(kuò)散，并在界面上形成一層銅與鋁的化合物層，如圖1b所示。這一層化合物的類型和厚度對銅包鋁線的力學(xué)性能和電性能將產(chǎn)生很大影響。

為了查明銅包鋁線的退火規(guī)范參數(shù)(退火加熱溫度及保溫時(shí)間)對銅鋁界面化合物層的類型、厚度和力學(xué)性能、電性能的影響，本文用在拉拔過程中已實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合的硬態(tài)銅包鋁線，在不同退火工藝參數(shù)下進(jìn)行試驗(yàn)研究，為正確制定銅包鋁線退火工藝提供理論依據(jù)。

圖1 銅包鋁線銅鋁界面冶金結(jié)合形貌的金相照片

1 試驗(yàn)方法

采用直徑為4.21～5.00 mm硬態(tài)銅包鋁線試樣，在實(shí)驗(yàn)室小型箱式爐中進(jìn)行加熱和保溫，水中冷卻。退火后試樣在LDS-500型拉力試驗(yàn)機(jī)上測定力學(xué)性能，并將其磨制成金相樣品，在金相顯微鏡下觀察界面上化合物的形貌，并測量其厚度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 退火溫度對銅包鋁線力學(xué)性能和化合物層厚度的影響

現(xiàn)以 4.21 mm銅包鋁線為例，在250～500℃范圍內(nèi)進(jìn)行退火試驗(yàn)。退火溫度間隔為50℃，每一溫度下的退火保溫時(shí)間為30 min。不同溫度下退火后的抗拉強(qiáng)度、伸長率和試樣斷裂形態(tài)列于表1中;銅鋁界面上金屬間化合物層的形貌及厚度見圖2。

表1 退火加熱溫度對銅包鋁線化合物層厚度及力學(xué)性能的影響

圖2 不同溫度退火后界面上金屬間化合層的厚度

在250℃退火時(shí)，由于溫度較低，再結(jié)晶不夠充分，抗拉強(qiáng)度為130 MPa，伸長率僅10%;此外，銅和鋁原子擴(kuò)散能量不足，所形成的金屬間化合物層CuAl2很薄，其平均厚度僅1 μm。拉伸試樣斷裂時(shí)，銅層與鋁芯線同時(shí)斷裂，表明冶金結(jié)合良好。隨著退火溫度的升高，抗拉強(qiáng)度不斷降低，伸長率逐漸增大，金屬間化合物層也逐漸加厚。350℃退火時(shí)，抗拉強(qiáng)度降至94 MPa，伸長率增大到25%，化合物層厚度為3 μm。

當(dāng)退火溫度達(dá)到450℃和500℃時(shí)，不僅化合物層厚度分別增大至10 μm和16 μm，且在界面上產(chǎn)生了 CuAl2和 CuAl兩層金屬間化合物(見圖3a)。由于化合物層較厚，且這兩種金屬間化合物層的熱膨脹系數(shù)不同［1］，在其交界面上往往產(chǎn)生裂紋，使原先冶金結(jié)合良好的界面喪失結(jié)合能力(見圖3b)。在此情況下，可用尖咀鉗將銅層從銅包鋁線上扒下來，如圖4所示。表1中經(jīng)450～500℃退火拉伸后試樣斷裂時(shí)的形貌也顯示了這一特征。由于很薄的銅層與鋁芯分離，在拉伸時(shí)首先斷裂，然后鋁芯線在拉力作用下產(chǎn)生一些伸長后再斷裂。這種斷裂形貌是銅層與鋁芯線失去結(jié)合能力的表征。

圖3 退火溫度過高界面化合物層的形貌a)及界面開裂形貌b)

圖4 從高溫退火銅包鋁線上扒開的銅層

為了綜合顯示退火溫度對銅包鋁線力學(xué)性能和化合物層厚度的影響，可將上述試驗(yàn)結(jié)果繪制成圖5所示的曲線，以供制定銅包鋁線退火規(guī)范參數(shù)時(shí)參考。由圖5可見，銅包鋁線在250～300℃退火，可獲得較為理想的力學(xué)性能及較薄的化合物層厚度。若退火溫度超過450℃，由于化合物層厚度增大，使銅鋁失去結(jié)合特性而成為無法挽救的廢品。

圖5 退火溫度對銅包鋁線力學(xué)性能和化合物層厚度的影響

必須指出，圖5中的曲線是用單根試樣在小型箱式爐中進(jìn)行退火試驗(yàn)測得的。在實(shí)際生產(chǎn)中銅包鋁線往往在井式爐中退火，銅包鋁線的重量可達(dá)幾百千克，測量爐溫的熱電偶設(shè)置在爐缶的上方，所測量的溫度與爐內(nèi)實(shí)際溫度有一定差距。因此，套用圖5中的退火溫度與力學(xué)性能的關(guān)系是不確當(dāng)?shù)?。但是銅包鋁線退火后的力學(xué)性能及化合物層厚度隨退火溫度的變化趨勢大體上是一致的。操作人員應(yīng)根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)所用設(shè)備及工藝條件，通過力學(xué)性能試驗(yàn)的結(jié)果來確定實(shí)際的退火溫度。

2.2 退火保溫時(shí)間對銅包鋁線力學(xué)性能和化合物層厚度的影響

退火保溫時(shí)間對銅包鋁線再結(jié)晶過程和界面組織結(jié)構(gòu)及性能的影響隨加熱溫度的不同而異。

用拉拔后直徑為5.0 mm的銅包鋁線分別在250℃和350℃退火。退火保溫時(shí)間從10 min直至100 min。每隔10 min取出一組試樣測定其力學(xué)性能和金屬間化合物層的厚度。試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 退火時(shí)間對銅包鋁線力學(xué)性能和化合物層厚度的影響

表2的數(shù)據(jù)表明，銅包鋁線在250℃退火時(shí)，再結(jié)晶軟化速度較慢，金屬間化合物層厚度的增加也很慢。經(jīng)60 min保溫后，才能達(dá)到 SJ/T 11223—2000《銅包鋁線》標(biāo)準(zhǔn)對軟態(tài)銅包鋁線力學(xué)性能的要求(抗拉強(qiáng)度≤138 MPa，伸長率≥15%)，化合物層厚度為1.4 μm。繼續(xù)延長保溫時(shí)間，化合物層的厚度變化不大，對力學(xué)性能也沒有太大的影響。

如果將退火溫度提高到350℃，則再結(jié)晶過程加快，隨著保溫時(shí)間的延長，抗拉強(qiáng)度迅速降低，伸長率急劇增大，金屬間化合物層厚度增大也較快。在隨后的保溫過程中，伸長率增高，大大超過15%的要求，而抗拉強(qiáng)度則一直處于低水平狀態(tài)。

由此可見，在250℃退火保溫1 h較為理想。當(dāng)退火溫度為350℃、保溫時(shí)間大于20 min時(shí)，伸長率增大至30%～40%，抗拉強(qiáng)度則降低至80～110 MPa。雖然這樣的力學(xué)性能也滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但卻是很不合理的。因?yàn)榱W(xué)性能指標(biāo)中的伸長率，主要作用是防止金屬在使用過程中因表面缺口、傷痕等尖銳缺陷而產(chǎn)生突然的脆性斷裂，但不是越高越好，對于銅包鋁線來說15%已足夠了。抗拉強(qiáng)度的作用是表征金屬承受外力而不破斷的能力，人們期望具有較高的數(shù)值，使之在絞合和使用過程中能承受更大的外力。由于抗拉強(qiáng)度與伸長率互為消長，在《銅包鋁線》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定軟態(tài)銅包鋁線的抗拉強(qiáng)度≤138 MPa，是為了保證伸長率≥15%，但若以降低抗拉強(qiáng)度換取過高的伸長率，則是很不合算的。

2.3 退火溫度和保溫時(shí)間對銅包鋁線電導(dǎo)率影響

退火加熱溫度和保溫時(shí)間對銅包鋁線電導(dǎo)率的影響如圖6［2］所示。由圖6可見，在250℃溫度下退火，隨著保溫時(shí)間的增長，使再結(jié)晶過程較為充分進(jìn)行，銅鋁界面所形成的金屬間化合物層較薄，對電導(dǎo)率沒有太大影響，甚至有所增加。但在較高溫度下經(jīng)較長時(shí)間退火，金屬間化合物層厚度不斷增加，并有一部分銅層轉(zhuǎn)化為金屬間化合物而降低了銅層體積比，從而大大降低銅包鋁線的電導(dǎo)率。這種退火規(guī)范參數(shù)是不可取的。

圖6 退火加熱溫度和保溫時(shí)間對銅包鋁線電導(dǎo)率的影響

3 結(jié)論

(1)退火加熱溫度和保溫時(shí)間是銅包鋁線退火工藝參數(shù)。正確制定退火工藝參數(shù)可保證銅包鋁線獲得優(yōu)良的力學(xué)性能、電性能和冶金結(jié)合狀態(tài)。

(2)銅包鋁線退火工藝參數(shù)的制定，應(yīng)防止產(chǎn)生“一高三低”現(xiàn)象。所謂“一高”，就是盲目追求銅包鋁線退火后具有很高的伸長率，使之大大超過15%的要求，甚至達(dá)到30%以上。所謂“三低”，就是過高的伸長率導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度、電導(dǎo)率和冶金結(jié)合力大大降低，這是要力求避免的。

［1］［日］桃野 正.アルミニウムヒ 種の結(jié)合［J］.BOUNDARY，1988，4(10):15-21.

［2］［日］山口，高山.銅クラツドアルミ線の開 (第1報(bào) 製造および基礎(chǔ)的特性)［J］.日本藤倉電線技報(bào)，1972.47號(hào).