銅包鋁紫銅帶端面氧化原因分析及預防

王 敏，熊哲思，孫佳明

（江西銅業(yè)集團銅板帶有限公司，江西 南昌 330096）

1 引言

銅包鋁線已廣泛應用于電線電纜行業(yè)［1］。紫銅帶作為銅包鋁線的主要原料，隨著近年來通信電子和信息技術產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，市場需求量持續(xù)上升［2］。然而，紫銅帶在實際生產(chǎn)過程中易產(chǎn)生氧化變色、沾染油污，尤其是分條后端面易氧化，導致在后續(xù)銅帶包覆鋁桿的包覆焊接中，易產(chǎn)生焊接不牢的現(xiàn)象，并且在拉拔過程中出現(xiàn)漏鋁分層和斷裂現(xiàn)象，造成質(zhì)量事故和銅鋁材料損失，從而影響銅包鋁產(chǎn)品綜合成材率。本文對銅包鋁紫銅帶端面氧化的主要原因進行了分析，并提出相應的預防措施。

2 銅包鋁紫銅帶主要生產(chǎn)工藝

由于銅包鋁紫銅帶均是軟態(tài)產(chǎn)品，且成品厚度大部分在0.2～0.5mm 之間?？紤]到紫銅帶物理性能與退火溫度及保溫時間的關系，若成品再結(jié)晶采用罩式爐退火方式，由于退火溫度不均勻，成品容易產(chǎn)生粘結(jié)缺陷以及性能不均等問題類［3］。為解決此問題，采用氣墊式退火方式。銅包鋁紫銅帶生產(chǎn)工藝流程為：配料—熔煉—銑面—粗軋—切邊—罩式中間退火—清洗—成品精軋—氣墊式成品退火—縱剪分條—包裝—入庫。

在生產(chǎn)過程中，銅帶表面因成品退火產(chǎn)生的高溫氧化層經(jīng)過清洗工序的酸洗能夠被清除，并且在表面進行的鈍化處理能夠有效防止銅帶在后續(xù)儲存過程中發(fā)生氧化［4］。但銅帶在成品剪切分條后，新產(chǎn)生的端面并無鈍化保護，一旦處理不當極易氧化。

3 氧化變色原因分析

3.1 大氣相對濕度的影響

大氣相對濕度對銅帶氧化變色有很大影響。有研究表明，在溫度一定時，氧化膜生長速度隨濕度增加而加快，相對濕度RH＞60%時更為顯著；相對濕度不變，表面氧化膜隨溫度增高而增厚［5］。在高濕度下氧化膜的成長速度比在干燥空氣中快得多，形成的氧化膜密度也小一半以上。由此推判，在潮濕大氣中形成的氧化膜存在類似多孔的內(nèi)部缺陷，這種缺陷使氧化膜的致密性降低，對基體的保護性下降。在潮濕大氣中，即使紫銅表面不結(jié)露，也易形成潮濕表面液膜，產(chǎn)生與水中浸泡時一樣的電化學反應，生成化學成分為Cu2O 的氧化物［6］。

銅帶電化學腐蝕電極［7］反應如下：

陽極反應：Cu-2e-→Cu2+

陰極反應：2H20+O2+4e-→4OH-

當環(huán)境相對濕度超過平滑銅帶的臨界濕度時，微小水分子吸附在銅帶表面形成無數(shù)的電化學腐蝕電池效應［8］，其原理見圖1。而銅帶在切邊后端面沒有鈍化層的保護并且暴露在空氣中，極易發(fā)生這種電化學腐蝕。

圖1 平滑銅帶表面形成的電化學腐蝕

如果分條工藝不當，切邊后的銅帶端面產(chǎn)生毛刺和鈍點，銅帶表面若存在劃痕或凹坑將導致臨界濕度下降，引起點式電化學腐蝕電池效應，其原理見圖2。

圖2 點式電化學腐蝕

3.2 作業(yè)環(huán)境的影響

由于廠房布局的局限性，熔鑄過程中產(chǎn)生的煙灰和木炭灰塵會漂浮到縱剪和包裝工作區(qū)域，這些煙塵一旦掉落到銅帶上，被吸附在銅包鋁紫銅帶端面，因煙塵的吸濕性強，將大大降低銅帶的臨界濕度，在銅包鋁端面產(chǎn)生電化學腐蝕。其原理見圖3。

圖3 塵埃和煙灰在銅帶表面形成的電化學腐蝕

3.3 銅帶自身溫度的影響

相關研究表明，銅帶氧化速率與溫度成正相關［9］。銅包鋁紫銅帶在分條生產(chǎn)之前，需要進行氣墊式退火，此時銅帶的溫度達到80℃左右。若此時直接分切的話，銅帶端面與空氣接觸極易氧化形成Cu2O，呈現(xiàn)磚紅色。另外，銅帶在高溫冷卻過程中，會吸附空氣中的水分，形成“干性表面”［8］。

3.4 成品包裝材料和包裝方式的影響

銅包鋁紫銅帶成品在運輸過程中因外界溫度、濕度因素影響，易產(chǎn)生氧化而引起表面變色，所以包裝材料和包裝方式的選擇尤其重要。銅包鋁紫銅帶常用的包裝方式是銅帶與銅帶之間襯墊氣相防銹紙，內(nèi)置干燥劑，再用塑料袋捆扎密封。市面上常用的氣相紙是Vci 多金防銹紙，使用過程中氣相緩蝕劑揮發(fā)，以一到兩個分子的膜厚吸附在銅帶表面，形成一層鈍化膜［10］，從而起到防氧化的作用。此方式對氣相防銹紙質(zhì)量的要求較高，一旦受潮，不但起不到防氧化作用，反而會在密封包裝袋中形成潮濕環(huán)境，加快銅帶氧化。

4 氧化變色預防措施

4.1 銅帶端面質(zhì)量的控制

控制銅帶端面質(zhì)量，避免產(chǎn)生毛刺和鈍點質(zhì)量缺陷，降低凹坑缺陷藏匿污染物的可能性。銅帶表面存在污染物，會吸附水分子導致銅帶臨界濕度降低，使銅帶表面更易氧化。通過對分條刀具進行周期性修磨，做好刀具的全生命周期管理，以降低毛刺和鈍點缺陷的產(chǎn)生。另外，在裝刀過程中對刀具逐片進行檢查，防止有缺口或損傷的刀具用于分切，同時加強分切過程的在線監(jiān)控，減少人為因素導致毛刺和鈍點缺陷的產(chǎn)生。

4.2 生產(chǎn)工藝環(huán)境的控制

建設成品清洗、分切、包裝等工序的潔凈廠房，并做好潔凈度和溫濕度管控，避免空氣中塵埃粒子落在銅帶上，導致臨界濕度降低。同時，在日常操作過程中要加強機列殘沫、殘屑和油污的清理，做好工藝衛(wèi)生檢查與整頓。夏季、雨季時注意檢查刀具的干燥度，分切好的銅帶放入專用鐵框中并用防銹紙包覆隔離，防止銅帶直接裸露在空氣中。

4.3 分切和包裝時銅帶溫度的控制

銅帶經(jīng)過退火后均會進行清洗鈍化烘干，烘干溫度一般在100℃以上，銅帶出口溫度約80℃。為防止銅帶在高溫狀態(tài)分切，退火后的銅帶必須自然冷卻，再進行后續(xù)操作。實驗證明，分切和包裝前銅帶的溫度，夏季控制在40℃以下、冬季控制在35℃以下，可以有效防止端面氧化。

4.4 包裝材料質(zhì)量的控制

成品包裝材料重點關注Vci 多金防銹紙的貯存，避免其受潮而失去對銅帶的防銹功能。一是采購輕量包裝的防銹紙，防銹紙由原先的30kg 一包減至2.5kg 一包，避免因拆開后未能及時使用造成緩蝕劑揮發(fā)甚至霉變；二是控制單次采購量，避免庫存積壓導致防銹紙過期；三是按“先進先出”原則領用包裝材料；四是改善庫存環(huán)境，確保防銹紙不受潮、不變質(zhì)。

4.5 改善包裝方式

采用新型自動包裝設備替代手工搬運包裝，避免包裝過程中工人汗?jié)n滴落或從手套滲至銅帶端面，加速銅帶氧化。另外包裝工人在作業(yè)時需佩戴兩層手套，里層佩戴一次性PE 手套，外層佩戴棉紗手套，避免汗?jié)n污染銅帶。

5 結(jié)語

本研究分析了銅包鋁紫銅帶端面氧化的原因，有針對性提出解決方法，可通過改進生產(chǎn)工藝和提高操作要求等途徑，來重點控制銅帶臨界濕度，降低銅帶分切包裝溫度等，解決銅包鋁紫銅帶端面易氧化的難題。以上研究結(jié)論經(jīng)生產(chǎn)實踐檢驗，基本杜絕了銅包鋁紫銅帶端面氧化問題，大大增強了銅包鋁紫銅帶產(chǎn)品的市場競爭力。同時通過提高銅包鋁焊接質(zhì)量，提升了銅包鋁線行業(yè)整體的質(zhì)量水平，使銅包鋁線真正發(fā)揮“以鋁節(jié)銅”的效果。