退火工艺对铜包钢线界面扩散和结合强度的影响.pdf

吴庆美等:退火工艺对铜包钢线界面扩散和结合强度的影响
退火工艺对铜包钢线界面扩散和结合强度的影响
吴庆美,王徳庆,高扬2
(1.大连交通大学材料科学与工程学院,辽宁大连116028:;
2.傅氏国际(大连)双金属线缆有限公司,辽宁大连116021)
摘要:采用双铜带压接法制备铜包钢线,研究了铜结合强度以保证铜-钢之间牢固的结合力。在双金属
包钢线的退火热处理工艺,探讨了退火温度和时间对复合材料的制备和退火处理过程中,界面上形成的扩
铜一钢复合界面扩散和结合强度的影响。结果表明,随散层厚度及扩散层成分分布对界面结合强度有直接影
着铜包钢线退火温度的升高和时间的延长,扩散层厚响,对于铜-钢复合板、铜-钢复合管的退火处理都存在
度增加,界面结合强度提高。与保温时间相比,退火温该问题1?。因此,研究铜-钢复合线退火过程中界面
度对其影响较大。退火温度为750C,保温2h后界面扩散过程,探讨扩散层厚度与结合强度的规律具有重
结合效果最佳,继续升高温度和延长时间,界面扩散层要意义。
厚度和结合强度几乎不变。利用扩散方程计算Fe和
日前,国内外探讨铜-钢复合线材退火处理工艺与
Cu原子的扩散激活能和扩散常数,确定了扩散常数与界面扩散及结合性能的文献较少,但对于铜-钢复合板
退火温度的关系。综合考虑铜包钢线扩散层厚度与结材、棒材和管材的界面扩散结合性能已取得一系列成
合强度的关系及生产实际要求,得到铜包钢线的最佳果?。对于铜/钢复合板和复合管,研究了不同轧制
退火工艺为750C保温2h。
变形量和退火工艺与扩散层厚度及性能的关系,确定
关键词:铜包钢线;界面;扩散;退火;结合强度
了最佳退火制度。顾文桂等对形成金属间化合物
中图分类号:TG142.
文献标识码:A的铜一铝扩散偶的界面组成进行了研究,得到了适宜的
文章编号:1001-9731(2012)23-3245-04
扩散层厚度。铝液/铜板界面扩散行为和结合机理的
引言
研究成果12以及扩散处理对Q235钢表面镀铝后形成
的相、形貌和性能变化规律的探讨3,也使人们对不
铜包钢线具有铜接触电阻小和钢强度高的特点,同元素的界面扩散有了更深人的认识。国际方面,
可用作电力输变电系统的接地材料。我国长期以来选 Ahmet Durgutlu等研究了铜不锈钢界面基准距离
用镀锌钢丝作接地材料,但由于其腐蚀严重而引发多对其结合性能的影响,J.E.Lee等i分析了退火处理
起接地事故山。目前,世界上大部分国家采用铜质接对不锈钢/铝/铜复合材料界面性能和导线力学性能的
地网。将大量的纯铜导体埋入地下,不仅浪费铜资源,作用规律,确定了界面的相结构,得出了最佳退火制
也不符合我国国情和可持续发展战略。因此,铜包钢度。
接地材料成了人们关注的重点。随着电力系统的迅猛
本文研究了铜-钢复合导线的退火处理工艺,重点
发展,铜包钢线的需求量H益增加,具有广阔的应用前讨论了退火温度和时间对界面元素扩散和结合性能的
景。双铜带压接法是国外制备铜包钢线的一种方法,影响,旨在提高界面结合强度,控制界面扩散层厚度
以生产满足铜包钢线在接地系统中大规格产品(线得到适合于工业化生产铜-钢复合线的最佳退火工艺
径在2.5mm以上)的需求。但因其设备投资大,在国
内仅有傅氏国际(大连)双金属线缆有限公同在20092实验材料及方法
年引进该设备和技术,并投入生产23,填补了国内空
包覆层材料为电解铜(纯度99.9%),其厚度和宽
白,生产的铜包钢线达到国际先进、国内领先水平。而度分别为0.38和14.86mm;芯部材料为O8.0nm的
国内普遍采用的包覆焊接法生产的铜包钢线结合晚,08A钢丝。
线径在1.6mm以下才能实现结合,并且该方法制备的
将双铜带压接法制备的长度约为350mm的铜包
铜包钢线界面结合强度无法准确表征。
钢线试样,放人氬气保护管式电阻炉中经退火处理后
铜包钢线如果界面结合强度低,则结合力较差,
随炉冷却。本文所采用铜包钢线线径为8.0mm,退火
方面会使铜包钢线的基本电气物理性能下降;另ー方温度选取550~850℃,间隔为50℃;保温时间分别为
面还可能在加工成型、搬运、敷设等过程中发生铜层局0.5、1和2h
部的脱离,此时钢芯会迅速发生电化学腐蚀,给系统带
采用JSM-6360LV型扫描电镜能谱分析仪对铜包
来重大安全隐患,因此要求铜包钢线具有较高的界面钢线试样横截面从钢侧垂直于界面处向铜侧进行线扫
收到初稿日期:2012-06-04
收到修改稿日期:2012-09-10
通讯作者:吴庆美
作者简介:吴庆美(1981-),女,吉林舒兰人,在读博士,师承王德庆教授,从事铜-钢双金属复合导线研究
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2012年第23期(43)卷
描,扩散层厚度为界面两侧Cu(%)≥0.3%,Fe(%)≥
式中,令
0.2%之间的距离?
根据铜包钢线结合界面扩散层的元素分布可知
2√Dt
距界面任意位置的Fe元素和Cu元素的相对含量(merf为误差函数。左侧为已知量,可由误差函数表反查
(Fe)和m(Cu))为该处Fe元素和Cu元素的强度值(I
(Fe)和I(Cu)分别与Fe元素的峰值强度(I)之比。
求得一一的数值β,则x可表示为
3实验结果与讨论
x=2Bv√D
2)
式中,t为退火时间(s),x为扩散距离(pm),C为
铜-钢界面处能谱分析
本文选择的铜包钢线退火温度在550~850℃之距界面任意x位置
本文中铜包钢线分别经550、650、750和850℃退
间,根据铜铁相图可知,铜和铁是液态无限互溶而固火2h,对其横截面铜钢界面区域进行了扫描电镜能谱
态有限互溶的二元合金。700℃C时Fe在Cu中溶解度分析,将距界面一2pm位置处的Fe原子浓度分别代
为0.5%,Cu在Fe中的溶解度为1.0%,此时Fe在入式(1)左侧求值,由误差函数表反査B1、R2、B:和B:。
C。中和Cu在Fe中的固溶度都非常小。包钢线在将其代入式(2)中求得Fe原子向铜中的扩散系数D
850℃C退火2h时,界面扩散层厚度约为12pm,其界面D2、D。和D:分別为0.62×10-2、0.76×10-12、1.15
处能谱分析结果如图1所示。
102和1.39X1012cm2/s。
同理,将Cu原子向钢中扩散的误差函数代入式
(2)中求得其扩散系数D1、D2、D3和D分別为3.85
1013、4.81メ10-3、5,10×10-3和6.61
阿累尼乌斯公式可整理为:
lnD=nD。~RT
(3)
10um
式中,Q为每摩尔原子的扩散激活能(kJ/mol),D
(a)界面形貌
100
和D。分别为扩散系数和扩散常数(cm2/s),R为气体
12HM
常数(J/(mol?K),T为绝对温度(K)
根据式(3),作nDー示图(图2和3),求得Fe原
子向铜中扩散的激活能Qre-ca=2.2kJ/mol和Cu原
子向钢中扩散的激活能Qc-Fe=2.3kJ/mol;求得Fe
原子向铜中扩散的常数D=8.5×10-13cm2/s和
Oum
Cu原子向钢中的扩散常数D8e=8.4×10-13cm2/s。
能谱线扫描
图1850℃退火2h铜一钢界面处能谱分析
Fig