CN111403105B - 一种铜包钢合金线的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及金属材料领域，尤其涉及一种铜包钢合金线的制备方法。所述制备方法包括以下制备步骤：前处理：对钢丝进行前处理，得到钢丝线芯；连续热熔轧制：对钢丝线芯进行矫直，将两条条带状的铜物料分别置于钢丝线芯的上下端，预热后进行一次轧制，得到椭圆形线材；激光重熔：利用激光对椭圆形线材进行加热重熔，并使线材保持在高温状态下进行二次轧制和冷却，得到圆形线材；后处理：对圆形线材进行切边和拉拔，即得到铜包钢合金线。本发明方案能够实现高效率连续化生产；所制得合金线的外保护层厚度更大；所制得合金线具有良好的导电性和耐腐蚀性。

Description

一种铜包钢合金线的制备方法
技术领域
本发明涉及金属材料领域，尤其涉及一种铜包钢合金线的制备方法。
背景技术
铜包钢复合材料因导电性能和耐腐蚀性能优异，在电力系统、轨道交通系统和5G基站等防雷接地系统中存在广泛的应用。但随着电力系统和轨道交通行业的发展和5G时代的到来，目前采用传统工艺生产的铜包钢复合材料因存在铜层厚度不均匀，导电率达不到45％以上等问题，已经不能满足实际需求，严重影响到了相关行业的转型升级。由于铜包钢复合材料具有良好的导电性能、较高的机械强度、尤其是外层包覆的铜层具有良好的抗腐蚀性能，目前，在发达国家，已被广泛地应用于接地装置中。铜包钢接地棒深埋地下后无论是自然腐蚀还是电化学反应，都有极强的保护性。国内大型建筑、铁路、风电站、输电网络、5G基站等已推广使用铜包钢导体作为接地网、建筑接地线、接地极、变压器接地线以及大型避雷器的连接线。
目前铜包钢导体的制备方法有熔铜浸滞法、电镀法、连续挤压包覆法、连铸法和包覆拉拔法等。熔铜浸滞法可以生产厚铜层的铜包钢，但由于铜液温度、铜液流动和钢丝温度的变化极易影响铜层厚度的均匀性，难以获得铜层均匀的高性能的铜包钢成品；电镀法难以生产铜含量较高的铜包钢，且存在环境污染严重的问题；连续挤压包覆法存在挤压压力力大、模具寿命短的问题；连铸法存在钢芯保护及温度控制困难的问题，生产出来的产品厚度均匀性差、性能不高。传统的包覆拉拔法在包覆铜层和钢芯之间存在0.7mm左右的间隙，只有依靠多道拉拔，减面率达到80％以上时才能实现铜包钢之间的结合，只能生产直径4mm以下的铜包钢导体，此传统的包覆拉拔法不能生产导电率大于45％的铜包钢导体。因此，急需一种环保的工艺，能实现线径10mm以上的铜包钢成品的连续生产，且其结合力要好；也能实现导电率更高的铜包钢合金线的连续生产方法。
中国专利局于2010年11月24日公开了一种同轴电缆内芯线用高强度铜包钢导体的生产工艺的发明专利授权，授权公开号为CN101303923B，其通过粗拉、中温回火、除氧化层、精拉、电沉积前处理、酸电解、水洗、预处理电沉积、水箱拉丝、水洗、防氧化、干燥和收线装盘等操作，其主要以电镀法为主，实现铜对钢的包覆，但是该过程较复杂，且铜厚度有限，随着铜层厚度的增大，电沉积的均匀性下降，会导致沉积不均等问题发生，并且电镀法还普遍存在着污染大的问题。
又如中国专利局于2012年8月15日公开的一种软态铜包钢线的生产工艺的发明专利授权，授权公开号为CN102254629B，其采用了拉拔、高温回火、电沉积前处理、酸电解、水洗、预处理电沉积、水洗、厚度处理电沉积、水洗、防氧化、干燥、拉拔水洗、防氧化处理、高温回火、抛光、防氧化和收线等操作步骤，其与CN101303923B专利的技术方案较为接近，均以电镀法为主实现铜包钢合金线的制备，但该技术方案进一步采用了高温回火配合，并进行了厚度处理电沉积操作，增大了铜层的厚度，但是其仍容易发生铜厚度不均的问题，即能够实现厚度较大的铜层的制备，但铜层的制备过程可控性仍较差。
此外，上述技术方案所制得的均主要对铜包钢合金线的力学性能进行改善，所制得的铜包钢合金线导电性仍较差，存在较大的改进空间。
发明内容
为解决现有的铜包钢合金线存在铜层制备均匀性差，导致整体铜包钢合金线存在导电性不均、导电性较差，以及部分铜包钢腐蚀易扩散等问题，本发明提供了一种铜包钢合金线的制备方法。本发明的目的在于：一、提高合金线表面铜层的均匀性；二、提高合金线的导电性；三、提高铜包钢的耐腐蚀性能；四、制备方法简洁高效，能够实现连续化、高效率生产。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案。
一种铜包钢合金线的制备方法，
所述制备方法包括以下制备步骤：
前处理：对钢丝进行前处理，得到钢丝线芯；
连续热熔轧制：对钢丝线芯进行矫直，将两条条带状的铜物料分别置于钢丝线芯的上下端，预热后进行一次轧制，得到椭圆形线材；
激光重熔：利用激光对椭圆形线材进行加热重熔，并使线材保持在高温状态下进行二次轧制和冷却，得到圆形线材；
后处理：对圆形线材进行切边和拉拔，即得到铜包钢合金线。
本发明技术方案主要由前处理、连续热熔轧制、激光重熔和后处理四个步骤构成。其中，前处理包括但不仅限于常规铜包钢合金线线芯进行的机械除锈剥壳、去氧化皮、去油、拉拔、线碱电解、回火、封闭酸洗、放线打磨和收线等操作中的任意一种或多种。后处理包括了必要的切边和拉拔操作。而连续热熔轧制和激光重熔则是本发明的主要改进和创新点所在。
本发明中的连续热熔轧制与常规的熔铜浸滞法、连续挤压包覆法、连铸法和包覆拉拔法看似较为接近，但实质上存在较大区别。将连续热熔轧制与上述方法进行一一进行比较：相较于熔铜浸滞法，连续热熔轧制具有可实现连续化生产以及铜层的结合强度更高的优点；相较于连续挤压包覆法，连续热熔轧制铜层的结合强度更高，轧制/挤压所需的力更小，铜层保持完整度更高、更加均匀；相较于连铸法，工序更加简洁，并且能够有效保持线体的矫直状态，铜层的结合强度也更高；相较于包覆拉拔法，在结合强度、铜层均匀性等方面性能均更加优越，且能够实现连续生产线径较大的铜包钢合金线。此外，由于本发明配合采用了激光重熔工艺，使得在连续热熔轧制过程中，能够单次轧制较厚的铜带层，在常规技术方案中单次轧制较厚的铜带层会导致铜层结合强度低、易产生相对滑移或脱落等问题，因此常规技术方案若要制备较厚的铜层需要进行多次轧制，而配合采用激光重熔、依靠激光较大的能量实现深度加工，能够有效避免该问题的发生，提高整体方法的适用性。
因此，通过连续热熔轧制能够高效地制备得到品质较优的椭圆形线材，为后续的激光重熔做好准备，避免结合强度低、铜厚度不均或平直度较差等导致激光重熔效果较差甚至无法进行等问题发生。
在激光重熔过程中，通过激光产生的瞬间超高温使得铜层软化，同时由于铜本身已经包覆在钢丝线芯上，激光所产生的超高温容易传导至钢丝线芯上，使得铜层彻底与钢丝线芯贴合形成一体的同时借助超高温使得铜层与钢丝线芯产生扩散，相互扩散的铜层和钢丝线芯之间产生强化中间层，强化中间层同时向铜层和钢丝线芯扩散，相当于相对增加了外保护层(铜层和强化中间层的复合层)的厚度。具体过程如图1所示，从图中可明显看出，激光沿F1方向进行单向平移辐照，在铜层和钢丝线芯之间产生了复合且相互扩散的强化中间层，强化中间层向铜层和钢丝线芯扩散，增大了外保护层的厚度。并且，根据所选用的钢丝线芯材质不同，其掺杂元素成分不同，合金扩散也存在一定的区别，部分易扩散的元素扩散至铜层中形成固溶强化，将铜层转变化强化铜层。在铜层转化为强化铜层的过程中，由于激光辐照的超高速升温以及离焦后的快速降温产生较大的过冷度，形成固溶强化的同时产生了晶粒细化，固溶强化和晶粒细化过程均使得强化铜层的韧性得到增强、致密性提高，具备更强的抗腐蚀能力。
作为优选，
所述前处理包括二段回火；
所述二段回火首先于550～620℃条件下保持1～2h，再于450～470℃条件下保持45～75min。
通过回火工艺能够有效消除钢丝线芯的加工硬化，提高其塑性，有利于其后续加工的进行。且本申请采用特殊的二段回火工艺，首先于高温条件下进行第一段回火，再在中温的条件下进行再一次第二段回火。在第一段回火过程中，能够有效去除使残留在钢丝表面的润滑液经高温炭化形成疏松的氧化皮，易于酸洗去除氧化皮，并且由于所进行的是高温的回火处理，有利于均衡化整体钢丝线芯的强度、硬度、塑性和韧性，而后续进行较短时间的中温回火，使得钢丝线芯表面的弹性和韧性大幅度提高，同时有利于后续与铜层的互扩散进行。
作为优选，
所述钢丝为高锰钢丝；
所述高锰钢丝中锰含量为11～13wt％、碳含量为1.0～1.2wt％、硅含量为0.45～0.7wt％。
高锰钢丝本身即为一种具有良好耐腐蚀能力的钢材料。本发明通过大量试验，选用上述成分的高猛钢丝时，进行激光重熔后，所得的强化铜层具有最为优异的耐腐蚀性能和良好的导电性。
作为优选，
所述连续热熔轧制步骤中：
预热方式为高电流低电压加热和/或感应加热，预热温度为700～900℃；
一次轧制利用U型槽面的轧辊轧制，轧制压力为3～4t。
在上述预热温度条件下铜软化方便进行一次轧制，采用U型槽面的轧辊进行一次轧制是由于在一次轧制时若直接采用C型槽面的轧辊进行轧制，容易导致钢丝变形，使得最终所制得的合金线平直度较差，导致其性能较差。
作为优选，
所述激光重熔步骤中：
激光功率为1200～1800W，激光扫速为200～300mm/s，激光带类型为直条型或交叉网格型。
在上述功率和扫速配合条件下，能够将铜快速加热至1000～1050℃，临近铜的熔点，在该温度条件下铜极为柔软，便于轧制的进行。采用直条型或交叉网格型的激光带均为常见的激光带之一，但经试验，其余激光带类型进行线材激光重熔时效果较差，容易出现加热不均进而导致层厚度不均、成分不均等问题发生。
作为优选，
所述激光重熔步骤中：
线材进行二次轧制时保持其温度为400～600℃的高温状态；
二次轧制利用半圆形槽面的轧辊轧制，轧制压力为1～3t。
半圆形槽面的轧辊即C型槽面的轧辊，保持线材在400～600℃条件下较为软的状态进行二次轧制，能够进一步将线材定型为圆形线材，并且采用的轧制压力较小，两次轧制能够确保钢丝线芯的平直度。
作为优选，
所述后处理步骤中：
先切边去除轧制边，再通过拉拔得到线径为2.0～5.18mm或10.0～12.0mm的铜包钢合金线。
根据选用的钢丝线芯的线径不同，可拉拔得到不同线径的合金线，并且本发明工艺能够实现10mm以上合金线的制备。
作为优选，
所述连续热熔轧制和激光重熔步骤中均采用侧向氮气吹扫保护。
采用氮气吹扫保护能够避免在连续热熔轧制和激光重熔过程中导致的金属氧化问题发生，减少合金线杂质。氮气可为99％纯度以上的高纯氮气，或80％VOL氮气与20％VOL氢气混合的混合气。
本发明的有益效果是：
1)本发明方案能够实现高效率连续化生产；
2)所制得合金线的外保护层厚度更大；
3)所制得合金线具有良好的导电性和耐腐蚀性。
附图说明
图1为本发明激光重熔过程的示意图；
图2为不进行激光重熔的合金线的截面示意图；
图3为本发明所制得合金线的截面示意图；
图中：1激光束，2钢丝线芯，3铜层，4强化中间层，5强化铜层。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作出进一步清楚详细的描述说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。此外，下述说明中涉及到的本发明的实施例通常仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。因此，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
如无特殊说明，本发明实施例所用原料均为市售或本领域技术人员可获得的原料；如无特殊说明，本发明实施例所用方法均为本领域技术人员所掌握的方法。
实施例1～5
一种铜包钢合金线的制备方法，所述制备方法包括以下制备步骤：
前处理：对锰含量为11～13wt％、碳含量为1.0～1.2wt％、硅含量为0.45～0.7wt％的高猛钢丝进行依次机械除锈剥壳、去氧化皮、去油、拉拔、线碱电解、回火、封闭酸洗、收线和放线打磨，得到钢丝线芯；
连续热熔轧制：对钢丝线芯进行矫直，将两条铜带分别置于钢丝线芯的上下端，感应加热将铜带预热后利用U型槽面的轧辊进行一次轧制，得到椭圆形线材；
激光重熔：利用激光对椭圆形线材进行加热重熔，并使线材保持在400～600℃的高温状态下利用半圆形槽面的轧辊进行二次轧制，以8～10℃的冷水冷却，得到圆形线材；
后处理：先切边去除圆形线材的轧制边，再通过拉拔得到线径为2.0～5.18mm或10.0～12.0mm的铜包钢合金线；
其中：所述连续热熔轧制和激光重熔步骤中均采用侧向氮气吹扫保护。
具体制备参数如下表表1和表2所示。
表1：具体制备参数表I。
Figure BDA0002346350100000061
表2：具体制备参数表II。
Figure BDA0002346350100000062
实施例1～5所制得合金线线径依次为2.2mm、5.15mm、10.2mm、11.5mm和12.0mm。
对比例1
具体操作步骤与实施例3相同，所不同的是：将高锰钢丝替换为06Cr19Ni10(GB/T3280-2007)标准不锈钢。
对比例2
具体操作步骤与实施例3相同，所不同的是：回火仅进行600℃、1.5h的一次回火处理。
对比例3
具体操作步骤与实施例3相同，所不同的是：回火仅进行450℃、60min的二次回火处理。
对比例4
具体操作步骤与实施例3相同，所不同的是：不进行激光重熔，利用感应加热的方式加热至400～600℃进行二次轧制。
对比例5
采用传统包覆焊接法进行制备。
对实施例1～5所制得的铜包钢合金线检测及分析。
导电性测试，进行常规铜包钢合金线的导电性测试，测试结果如下表表3所示。
表3：导电性测试结果。
检测对象 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5
导电率(％) 72.6 77.2 83.1 82.8 83.6
检测对象 对比例1 对比例2 对比例3 对比例4 对比例5
导电率(％) 69.2 81.6 82.1 48.2 37.5
从上述导电性测试结果可明显看出，本发明技术方案所制得的铜包钢合金线相较于传统包覆焊接法所制得的铜包钢合金线，导电率提高了一倍以上，产生了极为优异的技术效果。
断裂伸长率测试，进行常规铜包钢合金线的断裂伸长率测试，测试结果如下表表4所示。
表4：断裂伸长率测试结果。
检测对象 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5
断裂伸长率(％) 19.6 21.1 21.3 20.8 20.2
检测对象 对比例1 对比例2 对比例3 对比例4 对比例5
断裂伸长率(％) 10.7 12.1 16.4 19.6 8.1
从上述断裂伸长率测试结果可明显看出，本发明所制得的铜包钢合金线具有极为良好的韧性，断裂伸长率远优于现有工艺所制得的铜包钢合金线。
耐腐蚀性测试，耐腐蚀性测试分为常规耐腐蚀性测试和破坏耐腐蚀性测试两种：
常规耐腐蚀性测试条件为：60℃恒温氧化7d，计算单位长度的增重质量；
破坏耐腐蚀性测试条件为：环形剥离单位长度的铜包钢合金线，剥离深度为0.2～1.0mm，60℃恒温氧化7d，计算单位长度的增重质量。
耐腐蚀性测试结果如下表表5所示。
表5：耐腐蚀性测试结果。
Figure BDA0002346350100000081
从上述表5可明显看出，本申请所制得的铜包钢合金线在耐腐蚀性能方面具有非常优异的表现。

Claims (7)

1.一种铜包钢合金线的制备方法，其特征在于，
所述制备方法包括以下制备步骤：
前处理：对钢丝进行前处理，得到钢丝线芯；
连续热熔轧制：对钢丝线芯进行矫直，将两条条带状的铜物料分别置于钢丝线芯的上下端，预热后进行一次轧制，得到椭圆形线材；
激光重熔：利用激光对椭圆形线材进行加热重熔，并使线材保持在高温状态下进行二次轧制和冷却，得到圆形线材；
后处理：对圆形线材进行切边和拉拔，即得到铜包钢合金线；
所述前处理包括二段回火；
所述二段回火首先于550～620℃条件下保持1～2h，再于450～470℃条件下保持45～75min。
2.根据权利要求1所述的一种铜包钢合金线的制备方法，其特征在于，
所述钢丝为高锰钢丝；
所述高锰钢丝中锰含量为11～13wt%、碳含量为1.0～1.2wt%、硅含量为0.45～0.7wt%。
3.根据权利要求1所述的一种铜包钢合金线的制备方法，其特征在于，
所述连续热熔轧制步骤中：
预热方式为高电流低电压加热和/或感应加热，预热温度为700～900℃；
一次轧制利用U型槽面的轧辊轧制，轧制压力为3～4t。
4.根据权利要求1所述的一种铜包钢合金线的制备方法，其特征在于，
所述激光重熔步骤中：
激光功率为1200～1800W，激光扫速为200～300mm/s，激光带类型为直条型或交叉网格型。
5.根据权利要求1或4所述的一种铜包钢合金线的制备方法，其特征在于，
所述激光重熔步骤中：
线材进行二次轧制时保持其温度为400～600℃的高温状态；
二次轧制利用半圆形槽面的轧辊轧制，轧制压力为1～3t。
6.根据权利要求1所述的一种铜包钢合金线的制备方法，其特征在于，
所述后处理步骤中：
先切边去除轧制边，再通过拉拔得到线径为2.0～5.18mm或10.0～12.0mm的铜包钢合金线。
7.根据权利要求1所述的一种铜包钢合金线的制备方法，其特征在于，
所述连续热熔轧制和激光重熔步骤中均采用侧向氮气吹扫保护。
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Denomination of invention: A preparation method of copper clad steel alloy wire

Effective date of registration: 20230209

Granted publication date: 20211019

Pledgee: Jinhua Branch of Bank of Ningbo Co.,Ltd.

Pledgor: ZHEJIANG BAICHUAN CONDUCTOR TECHNOLOGY INDUSTRY CO.,LTD.

Registration number: Y2023330000334