銅銀漆包線的制備及組織性能特征研究

張建波等

摘 要：銅銀合金以其優(yōu)良的導(dǎo)電性能和力學(xué)性能廣泛應(yīng)用于輸電領(lǐng)域。該文研究了Ag元素的添加及其含量對(duì)Cu-Ag合金電導(dǎo)率的影響，研究了冷加工變形量對(duì)Cu-Ag合金力學(xué)性能和導(dǎo)電性能的影響，在此基礎(chǔ)上通過(guò)上引連續(xù)鑄造-連續(xù)擠壓-冷軋-拉拔工藝制備了線徑為0.5mm的銅銀合金線材，利用浙江宏磊銅業(yè)股份有限公司的漆包機(jī)實(shí)現(xiàn)了銅銀漆包線的制備，與同等線徑純銅漆包線的性能進(jìn)行了對(duì)比，并著重分析了銅銀上引桿材和連續(xù)擠壓加工桿材的組織特征。

關(guān)鍵詞：連續(xù)擠壓 銅銀合金 漆包線 銅合金線材

中圖分類號(hào)：TM245.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）03（a）-0006-02

近年來(lái)隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速增長(zhǎng)和人民生活水平的提高，銅及銅合金線材產(chǎn)量、進(jìn)口量迅速增長(zhǎng)。目前我國(guó)高導(dǎo)純銅線生產(chǎn)能力已能基本滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求，世界銅合金線材產(chǎn)量在50萬(wàn)t以上，主要生產(chǎn)國(guó)為美國(guó)、日本、德國(guó)，我國(guó)銅合金線材市場(chǎng)需求旺盛，平均增幅10%左右，年需求量在10萬(wàn)t左右，然而，以各種銅合金焊絲、汽車電氣連接線、插接線、電極絲、高能電池線為代表的特種復(fù)雜銅合金線材供應(yīng)不足，其生產(chǎn)特點(diǎn)是多品種、小批量，屬于高附加值產(chǎn)品。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)銅及銅合金線材按用途不同，均制定有嚴(yán)格的專業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和通用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。為適應(yīng)先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，銅及銅合金線材生產(chǎn)將呈現(xiàn)規(guī)?；?、專業(yè)化方向發(fā)展的趨勢(shì)，產(chǎn)品規(guī)格有向小型化、細(xì)徑化方向發(fā)展的趨勢(shì)，不斷有新品種、新規(guī)格、新用途出現(xiàn)。

銅漆包線是銅線材的重要線種，屬于繞組線的一個(gè)主要品種，由銅導(dǎo)體和絕緣層兩部分組成，是裸線導(dǎo)體經(jīng)過(guò)退火軟化、多次涂漆和烘焙制成，按照絕緣材料可以主要細(xì)分為縮醛漆包線、聚酯漆包線、聚氨酯漆包線、改性聚酯漆包線、聚酯亞胺漆包線、聚酯亞胺/聚酰胺酰亞胺漆包線和聚酰亞胺漆包線。漆包線質(zhì)量受原材料、工藝參數(shù)、生產(chǎn)設(shè)備、環(huán)境等因素影響，各種漆包線的質(zhì)量特性各不相同，但是都需要具備機(jī)械性能、化學(xué)性能、電性能和熱性能四大性能。目前有研究人員提出變壓器漆包線在電壓轉(zhuǎn)換過(guò)程中會(huì)遭受瞬時(shí)高溫，從而出現(xiàn)縮頸、軟化和松弛變形等現(xiàn)象，影響了變壓器的穩(wěn)定性和使用使用壽命。該文嘗試通過(guò)上引-連續(xù)擠壓-拉拔制備銅銀合金裸線，通過(guò)漆包機(jī)實(shí)施絕緣漆的包覆制備銅銀合金漆包線，并研究了線材的組織性能特征。

1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

1.1 元素和冷變形對(duì)合金性能的影響

通過(guò)真空熔煉制備了不用Ag元素的含量的Cu-Ag合金，Ag元素對(duì)Cu-Ag合金電導(dǎo)率的影響見圖1所示?？梢钥闯?，Ag含量為零即純銅的電導(dǎo)率超過(guò)100%IACS，這是由于實(shí)驗(yàn)選用的原材料較為純凈，采用真空熔煉的方法進(jìn)一步降低了氧的含量，使得電導(dǎo)率超過(guò)國(guó)際退火銅的標(biāo)準(zhǔn)，此外，Ag的添加降低了純銅的電導(dǎo)率，且隨著Ag含量的增加，Cu-Ag合金的電導(dǎo)率持續(xù)下降，但是，Cu-Ag合金的電導(dǎo)率一致保持在較高水平。

根據(jù)杜魯?shù)吕碚?，純金屬的電?dǎo)率與電子的弛豫時(shí)間（relaxation time）成正比，在所有金屬中，銀元素電子的弛豫時(shí)間最長(zhǎng)，為4×10-14s，因而具有金屬元素中的最高電導(dǎo)率108.4%IACS，銅元素的弛豫時(shí)間次之，為2.7×10-14s，具有僅次于銀的電導(dǎo)率103.06%IACS。然而，在銅中添加銀元素形成銅合金，在銀中添加銅元素形成銀合金均造成電導(dǎo)率降低，主要原因在于合金的晶體結(jié)構(gòu)是固溶體結(jié)構(gòu)，合金組織的基本組成為基體和第二相，其電導(dǎo)率主要取決于固溶體的導(dǎo)電性能，可以用馬基申定律表達(dá)：固溶體電阻率=溶劑電阻率+溶質(zhì)原子引起的電阻率，溶劑即為純金屬，溶質(zhì)原子引起的電阻率則取決于溶質(zhì)原子引起的晶格畸變程度大小，即晶格畸變大，造成的電子散射越嚴(yán)重，電導(dǎo)率越低。對(duì)于以Ag為主要添加元素的Cu-Ag合金，隨著Ag元素含量的提高，固溶體晶格畸變?cè)龃?，合金的電?dǎo)率降低，同時(shí)，Ag元素與Cu元素同屬于IB族元素，同屬于面心立方結(jié)構(gòu)，具有類似的電子結(jié)構(gòu)，因此同等添加量下，Ag元素引起的電導(dǎo)率下降較小，即Cu-Ag合金可以保持較高電導(dǎo)率的根本原因。

1.2 冷變形對(duì)合金性能的影響

金屬純銅具有僅次于銀的電導(dǎo)率，是理想的導(dǎo)電材料，但是其強(qiáng)度、硬度和軟化溫度較低，限制了純銅在輸電領(lǐng)域的應(yīng)用。在純銅中添加Ag元素可以實(shí)現(xiàn)固溶強(qiáng)化，并提高抗軟化溫度[1]，銅銀合金較純銅軟化溫度提高近100℃。為了提高強(qiáng)度和獲得適合使用的產(chǎn)品形狀，通常采用冷加工的方法進(jìn)一步對(duì)Cu-Ag合金進(jìn)行冷加工。該實(shí)驗(yàn)對(duì)Cu-0.1wt.%Ag合金進(jìn)行冷加工，變形量對(duì)合金電導(dǎo)率和抗拉強(qiáng)度的影響如圖2所示。

可以看出，隨著變形量的增加，Cu-Ag合金電導(dǎo)率持續(xù)下降，合金的抗拉強(qiáng)度逐漸提高。這是由于冷變形造成了合金組織發(fā)生變化，位錯(cuò)密度提高引起位錯(cuò)纏結(jié)從而產(chǎn)生了加工硬化，抗拉強(qiáng)度提高。有證據(jù)表明，高度冷變形金屬的位錯(cuò)密度可以達(dá)到1012/cm，銅的強(qiáng)度隨著位錯(cuò)密度的平方根按比例提高[2]，位錯(cuò)密度的增加也在晶體結(jié)構(gòu)方面引起了晶格畸變的提高，從而增大了電子散射，降低了合金的電導(dǎo)率。因此，在滿足力學(xué)性能的前提下，實(shí)際生產(chǎn)中常采用較小的變形量或成品退火來(lái)控制強(qiáng)度和電導(dǎo)率間的平衡。

1.3 上引-連續(xù)擠壓制備Cu-Ag合金線

在確定Ag添加量和冷變形加工對(duì)Cu-Ag合金力學(xué)性能和電導(dǎo)率影響的基礎(chǔ)上，該文通過(guò)上引連續(xù)鑄造制備22mm的桿坯，然后通過(guò)連續(xù)擠壓進(jìn)行擴(kuò)展擠壓制備28mm的加工桿，后經(jīng)過(guò)三次冷軋和大拉將線徑減小為2.3mm，最后通過(guò)中拉制備線徑為0.5mm的Cu-Ag裸線。具體加工流程見圖3所示。

圖4（a）、（b）、（c）為Cu-0.1Ag合金上引桿和連續(xù)擠壓加工桿材的心部金相組織，可以看出，上引桿材的晶粒組織粗大，具有等軸晶粒特征，經(jīng)過(guò)連續(xù)擠壓加工后，合金的晶粒組織顯著細(xì)化，甚至難以明顯區(qū)分晶界。文獻(xiàn)[3]報(bào)道上引連鑄法制備銅銀合金邊部有發(fā)達(dá)的柱狀晶，中心為粗大的等軸晶，經(jīng)過(guò)連續(xù)擠壓后，晶粒尺寸顯著減小。連續(xù)擠壓借助于擠壓輪槽壁上的摩擦力不斷將桿狀坯料送入而實(shí)現(xiàn)連續(xù)擠壓，坯料與槽壁間的摩擦發(fā)熱以及由變形引起的內(nèi)能增加效果顯著，有研究表明銅在連續(xù)擠壓過(guò)程中的溫度超過(guò)其再結(jié)晶溫度[4]，即鑄態(tài)組織在其再結(jié)晶溫度以上發(fā)生塑性變形，形成晶粒細(xì)小、分布均勻的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶組織，完全消除了鑄態(tài)組織特征[5]，如圖4（b）、（c）所示。

1.4 漆包線的制備及其性能

利用浙江宏磊集團(tuán)的漆包機(jī)實(shí)施Cu-Ag合金裸線的絕緣漆包覆，其操作流程為：放線→退火→涂漆→烘焙→冷卻→潤(rùn)滑→收線，銅銀漆包線和本廠生產(chǎn)的同等線徑純銅漆包線的主要性能對(duì)比見表1，銅銀漆包線的強(qiáng)度比純銅漆包線提高30MPa，電導(dǎo)率超過(guò)99%IACS，伸長(zhǎng)率為14%，低于純銅的伸長(zhǎng)率33%，回彈性角度高于純銅漆包線的回彈角度。

2 結(jié)語(yǔ)

（1）銅銀合金的電導(dǎo)率隨著主添加元素Ag含量的增加而逐漸降低，但始終保持在較高的水平，隨著冷加工冷變形量的增加，合金的電導(dǎo)率呈下降趨勢(shì)，合金的抗拉強(qiáng)度呈上升趨勢(shì)。

（2）上引連鑄制備銅銀合金桿材鑄態(tài)組織粗大，連續(xù)擠壓加工后，鑄態(tài)組織特征消失，合金發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，組織細(xì)小。

（3）通過(guò)該廠的漆包機(jī)進(jìn)行了銅合金合金裸線的絕緣漆包覆工藝，與該廠同等線徑的純銅漆包線相比，銅銀漆包線強(qiáng)度提高，伸長(zhǎng)率降低，回彈角度增大，電導(dǎo)率雖然有所降低，但是仍然保持在很高的水平。

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