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机电元件
2015年8月
ELECTTROMIECHANCAL COMIPONENTS
Aug.2015
综述与筒介
铜包钢复合材料发展现状
吴永平,庄秀发,张少宗
(上海交通大学材料科学与工程学院,上海,200240)
摘要:本文介绍了铜包钢复合材料的机械性能、导电性能、应用案例、主要制备方法的原理和特点,关键
性能測量方法,并对近年来国内外铜包钢的研究现状进行了评述。
关键词:铜;钢:铜包钢;CS
Doi:10.3969/j.isn.1000-6133.2015.()4.014
中图分类号:TN784
文献标识码:A文章编号:1000-6133(2015)04-(0055-(6
1引言
Steel
铜材貝有良好的机械性能、导电导热性能和耐
腐蚀性能,被广泛应用在电子电气、机械、化工、国
防、建筑等行业。其中,高强度铜合金广泛应用于
各类精密电连接器、集成电路的引线框架、高速
图1铜包钢线材(左)和铜包钢板材(右)
电气机车的架空导线等2。因铜的价格相对较高,
1400
从经济效凎的角度考虑,越来越多的性能相当,价
1200
格却更便宜的复合材料被用米替换铜材,铜包钢复
合材料便是其中之
?H
铜包钢( Copper Clad Steel,简写为CCS)是指采
4(00
200
用电镀或包覆等工艺将高纯度铜包裹在钢芯上的
一种复合材料,如图1。钢芯提供了与铜合金相当
或更高的机械强度,覆铜提供了应用所需的导电导
热性能和抗腐蚀性能。增加铜层的厚度可以增加
?2高强度铜合金与碳钢、不锈钢的抗拉强度
铜包钢材料的导电率,有很多厂家能提供导电率达
和导电率比较
40%TACS的铜包钢材料。图2便是铜包钢与常见
高强度铜合金在机械强度和导电性上的比较。在2铜包钢复合材料的制备方法
成本上,以0.15mm线径的铜包钢线替代铜线为
例,每使用1000kg铜包钢线可比使用铜线节约成本
按照铜和钢的结合机理,铜包钢复合材料的制
万多。
备方法可分为三类,即固相复合法,如热轧复合法
冷轧复合法、爆炸复合法、包覆法;液相一固相复合
收稿日期:2015-06-03
机电元件
2015年
法,如热浸镀法;电镀法。下面是目前国内外铜包出现冷轧时表面加工硬化层不破裂,新鲜铜不露
钢复合材料的主要制备方法的介绍。
出,钢的裂门与铜的氧化膜层复合,导致结合铜包
2.1电镀法
钢成品强度低,生产质量不稳定。
电镀法制备铜包钢复合材料应用比较早,是小
(3)爆炸复合法
规格铜包钢产品普遍采用的一种制备方法,主要的
爆炸复合法起源于194年美国人Carl的一次
工艺流程如下:钢丝→碱洗(除油)→水洗→酸洗爆炸成形试验。在那次试验中,Carl倜然观察到弹
除氧化层)-水洗ー表面活化-预镀一清洗ー主片粘到钢板上,从而发现了爆炸焊接这一现象。
镀(加厚镀铜)一清洗一烘干ー收线成圈。酸洗和爆炸复合法的突出优点是可使性能相差悬殊的异
预镀过程尤其关键。酸洗除锈的同时酸会接触到种材料迅速而经济地结合在起,生产产品的品种
钢丝基体,生成氢气。如果过量反应,将形成氢脆,多,尺寸范围广。其致命弱点是炸药爆炸时的噪声
严重影响后续的铜包钢拉拔。预镀是快速地在钢污染。爆炸复合钆制法是在爆炸复合法的基础上
丝表面镀上一层薄的铜层,有效地保护前处理完的发展起米的,其过程是先采用爆炸复合法制取厚的
钢丝基体不被再次氧化,是预镀层与钢丝基体的结复合板坯,再根据不同的条件和要求热轧或冷轧到
合质量利预镀层与主镀层的结合质量的保证,须确所需的尺寸。
保进出预镀的清洗很彻底,并严格控制预镀环节中2.3包覆拉拔法
的电镀液浓度
包覆拉拔法简称包履法,是将薄的铜带经过多
2.2轧制法
道轧辊逐步形成管状包履在钢丝上,铜的管状接缝
(1)热轧复合法
以高频焊合,因此也被称作包履焊接法。典型的拉
热轧复合法出现于20世纪40年代,其原理是拔机见图3。它的基本工艺流程为:原材料的前处
在一定的温度和压力作用下实现异种材料的治金理→包覆焊接线坯及初次拉拔→拉拔→热处理
结合。热钆前,履层铜箔和基层钢板的表面需处理成品。前处理是为了钢线进行彻底清理,除去表闻
干浄,并利用真空操作等于段避免再次氧化。热轧的油污和氧化物。拉拔过程中,由于表层的铜软,
中,加热温度和保温时间很重要,以防有害金属化易变形,钢芯硬,变形难,易出现铜堆积现象而断
台物的形成。对于在高温时易相互扩散、形成有害线。优化拉丝模设计,选用流动性好,剪切强度高
金属化合物的复合组元,可在组元间加中间衬箔。并耐高温的皂化粉润滑剂能效解決这个问题。
如在铜箔与钢带间加上镍箔。热轧复合法的优点
是对轧机的要求不高,容易得到大张复合板。缺点
是工と复杂,产品的厚度及层厚比难以控制,通常
只用来制备坯料。
(2)冷轧复合法
20世纪50年代,美国首先开始冷轧复合法的
图3包覆焊接初次拉拔联动线
研究,并提出了以“表面处理→冷轧复合→扩散退
A.包覆焊接装置B.初拉拉丝机C.线还收线滚筒1.铜
火”为主要过程的三步法制备工艺。与热轧复合法带2.钢芯线3.悄性气体保护箱4.正直滚动辊轮5.水平滚动
相比,冷轧复合时的肖道次变形量大,一般要达到滚轮6.氟气入口嘴7.焊接区8.氟弧焊焊炬9.包覆焊接线坯
60%~70%,生产效率高,精度高,但根据BayN的断面图10.拉丝模,1.拉丝机巻盘12.初次拉拔后线坏断面
理论,冷扎时,需要铜带和钢带表面的脆性加工硬图13.线坯收线滚简
化层破裂,裂口露出的新鲜金属相遇并在压力作用
下形成冷焊点,再经后续的扩散退火形成全面的
2.4热浸镀法
牢固结合,而铜和其氧化物都有良好的塑性,可能
热浸镀法是一种液一固相复合工艺,其制备原