銅包鋼線的發(fā)展及前景

任安超，曾 彤，帥習元，仇東麗，夏艷花，徐志東（武漢鋼鐵（集團）公司研究院，武漢430080）

銅包鋼線的發(fā)展及前景

任安超，曾 彤，帥習元，仇東麗，夏艷花，徐志東
（武漢鋼鐵（集團）公司研究院，武漢430080）

論述了銅包鋼線的國內(nèi)外發(fā)展歷史和國內(nèi)外標準演變過程。分析了銅包鋼線的生產(chǎn)工藝特點。通過比較可知，電鍍法是生產(chǎn)銅包鋼線比較成熟的工藝，也是當前國內(nèi)廠家通常使用的一種生產(chǎn)方法，對銅包鋼線的發(fā)展前景進行了展望。

銅包鋼線；發(fā)展；前景

1 引言

芯體是鋼絲的銅包鋼線，其借助冷加工、電化學或冶金等相關工藝方法在鋼絲的表面包覆上銅層，它是一種以金屬作為基芯而外圍包銅的復合材料。這種復合材料不但具有鋼和銅的良好性能，還具有鋼的耐高溫軟化和高強韌性等機械性能，加之銅的接觸電阻較小、導電率較高的電性能以及抗腐蝕性，尤其是當銅中加入少量的銀或錫后，它的耐熱和耐磨性能均得到加強，此外其更高的使用價值還表現(xiàn)在其具有良好的可焊接性、可塑性以及磁性能［1-3］。為了進一步提高銅包鋼線的導電性能，國內(nèi)外對銅包鋼線芯體鋼絲所使用熱軋盤條及銅的鍍覆工藝進行廣泛的研究。

2 銅包鋼線的用途及發(fā)展

2.1 銅包鋼線的用途

銅包鋼線依托低壓高頻信號的趨膚效應，在高頻段沿銅包鋼線表面?zhèn)鬟f，所以所鍍銅層的厚度達到某一數(shù)值，一定頻率段的信號才可以被確認傳遞。在較高頻率下，這時的銅包鋼絲的導電性才能與等截面的銅線相近，因此在通訊、電子工業(yè)和電力等領域被廣泛應用。如電子元器件的引腳線、通訊電纜中心導體、絞線狀的接地線、屏蔽編織線以及裝飾、電氣化鐵路線路或防腐蝕用途的線。電子元件的引線也可采用銅包鋼線來做，其可焊性和鍍錫性由表面的純銅保證。當前，世界各國已嘗試用它來制作電容器、二極管、集成電路等元件的引線。應用于同軸電纜（CATV）導體材料的分配線、用戶線的內(nèi)導體及電視電纜。可代替銅線，用來制作圓角半角精密度高的產(chǎn)品和飛機零件等。在交通運輸領域中，銅包鋼線材取代銅、銅合金和銅包鋁等材料，用作接觸線（電車線）、電極引線、接地棒、電氣設備用電纜取得了良好效果。大約在20世紀80年代，日本首先開始嘗試把銅包鋼接觸線應用在電氣列車上，目前已在新干線上使用，有效滿足了特快列車的要求。當前世界上已采用其來安裝鏈式移動裝置的包括瑞典、瑞士、比利時和德國等國家，像縱向和橫向架空纜繩、掛車、Y型輔助電纜、定向纜繩等，而且已經(jīng)達到標準化［2-4］。現(xiàn)在銅包鋼線在我國電氣化鐵路上也在嘗試使用。

2.2 銅包鋼線的發(fā)展歷程

根據(jù)資料分析，銅包鋼線起源于美國公司COPPERWELD（科普威）。美國COPPERPLUS，COPPERHEAD、ILKWANG、巴西COPPERSTEEL等公司也有銅包鋼線的產(chǎn)品［5-6］，COPPERWELD公司在20世紀80年代末在中國設廠。湘潭電纜廠是當時國內(nèi)機械部系統(tǒng)唯一的生產(chǎn)銅包鋼導線廠家；1992年初哈爾濱電纜廠采用熱浸涂法生產(chǎn)無氧銅桿的裝備研發(fā)銅包鋼線產(chǎn)品首獲成功；汕頭電線廠“七五”期間引進德國鍍法生產(chǎn)工藝和主要裝備；中原無線電材料廠“七五”期間引進美國電鍍法生產(chǎn)工藝和裝備；馬鞍山無線電材料廠引進國外關鍵設備，采用電鍍法生產(chǎn)銅包鋼線。近些年，在浙江德清、江蘇張家港兩地出現(xiàn)了大批的銅包鋼線生產(chǎn)廠家如浙江百川、張家港金鑫和浙北通訊等。在我國，銅包鋼線的生產(chǎn)基地主要集中在長三角地區(qū)［7］。

3 銅包鋼線種類、標準及生產(chǎn)工藝

3.1 銅包鋼線種類及標準

依據(jù)應用的不同目的，銅包鋼線主要可以分為六大類：電子元器件引腳線、通訊電纜中心導體、通訊電纜屏蔽編織線、電氣化鐵路線路、絞線狀接地線、防腐蝕用途或其他裝飾的線。由于直徑的不同，大致上可將銅包鋼線分為：粗線（≥1.6 mm）、大線（0.6～1.6 mm）、中線（0.2～0.6 mm）和微線（≤0.2 mm）。依據(jù)不同的力學性能，銅包鋼線可分為：軟態(tài)A、半硬態(tài)M、硬態(tài)HS、超硬態(tài)EHS。銅包鋼線依據(jù)其不同功能又可將分為：深拉母線、成品線和絞線胚線。另外，由于銅包鋼線還具有不同種類的深加工特點，比如鍍錫、鍍銀、上漆以及成纜、束絲、制釘或者光亮退火編織等［8-10］。

日本于2000年編制了銅包鋼標準JIS G3505：2004《低碳鋼盤條》，美國也先后頒布了ASTM B452-99（2009）《電工用銅包鋼線》、ASTM B910-07 （2013）《退火銅包鋼線》、ASTM B869-07（2013）《冷拉銅包鋼絲》和ASTM B227-10《有線電視用戶引入線用銅覆鋼電導線》三項標準［5-6］。而國內(nèi)工信部于2010年12月首次頒布了電子行業(yè)標準SJ/T 11411-2010《銅包鋼線》（Copper-clad steel wire）、YB/T 170.3-2002《制絲用非合金鋼盤條——第3部分：沸騰鋼和沸騰鋼替代品低碳鋼盤條》和GB/T 24242.3《制絲用非合金鋼盤條——第3部分：沸騰鋼和沸騰鋼替代品低碳鋼盤條》標準。目前按照全國鋼標準化技術委員會［2012］15號“關于下達2012年第二批行業(yè)標準制修訂計劃的通知”要求由江蘇沙鋼集團有限公司聯(lián)合冶金工業(yè)信息標準研究院等單位起草制定最新版本《銅包鋼絲用熱軋盤條》標準［7］。

3.2 銅包鋼線生產(chǎn)工藝

銅包鋼雙金屬復合材料有多種生產(chǎn)方法，當前國內(nèi)采用主要方法有包覆法、電鍍法、水平連鑄法、熱浸鍍法和熱軋法［11-13］。

與其他方法相比，電鍍法是生產(chǎn)銅包鋼比較成熟的工藝，其具有相對穩(wěn)定的產(chǎn)品質(zhì)量，是當前行業(yè)內(nèi)普遍采用的一種生產(chǎn)工藝方法，基于電解電池工作原理的電鍍方法將塊狀銅板“溶解”后再經(jīng)電流引導到覆蓋在鋼絲上。但是采用電鍍法制作的銅包鋼線主要缺點有銅鍍層較薄、銅層中混有雜質(zhì)、性能比較脆、導電性能差以及生產(chǎn)過程中環(huán)境污染大等。

包覆方法生產(chǎn)銅包鋼線具有同心度好，產(chǎn)量高等優(yōu)點，包覆是將銅帶包裹鋼絲，在包裹的接口處用氬弧焊焊接，然后進行拉拔。但此種方法是利用無氧銅帶生產(chǎn)，具有較高材料成本和昂貴加工費用，而且鋼芯與銅的結合力較弱。據(jù)文獻介紹，對這種方法進行優(yōu)化的國內(nèi)有一部分生產(chǎn)廠家，研制了工藝相對較復雜的連續(xù)擠壓包覆法，此方法可得到厚度均勻、無露點、無焊縫的銅包覆層，現(xiàn)主要用于生產(chǎn)銅包鋁（內(nèi)材強度低于外材強度）。

熱浸鍍法是將銅加熱熔化為液體，鋼絲穿過后帶出銅液然后冷卻凝固；高質(zhì)量的無氧銅鍍層鋼線和銅合金鍍層鋼線采用的是熱浸鍍方法，鋼芯和與銅層間的結合力相對較強，具有良好的可塑性，此外所生產(chǎn)銅包鋼線的銅附著比范圍也較寬。所以，當前其已代表當前銅包鋼線加工中比較先進以及有良好發(fā)展前景的生產(chǎn)路線。國內(nèi)目前生產(chǎn)廠家相較少，主要原因是此方法的工藝還不成熟，有待持續(xù)研發(fā)及推廣。

當前比較罕見的水平連鑄法是采用電鍍的特殊應用，原理是陰模內(nèi)實現(xiàn)銅的還原聚集。利用水平連鑄法使得銅與鋼之間可延性冶金熔接，雙金屬界面完全結合牢固，最終成為單一的復合體，就像拉拔單一的金屬一樣可隨意拉拔，且成品不會出現(xiàn)脫節(jié)和翹皮的現(xiàn)象。基于銅層厚度可隨意設置，所以產(chǎn)品規(guī)格品種較多，應用也廣泛，特別宜于生產(chǎn)高導電、大截面、大長度產(chǎn)品。采用水平連鑄工藝生產(chǎn)可獲得較好質(zhì)量的銅包鋼線。該方法使得銅鋼之間冶金分子結合，結合力好，無殘留電解液，防腐導電性能顯著，而熱軋法成品率低，現(xiàn)已很少使用。

4 銅包鋼線發(fā)展前景展望

一直以來，由于國內(nèi)沒有專門生產(chǎn)銅包鋼線用熱軋盤條原材料，用戶一般采用SWRM6，隨著銅包鋼線拉絲直徑越來越小，最細直徑達0.08 mm，而且對其導電性能要求也越來越高，現(xiàn)有鋼種已無法滿足用戶需要。寶鋼、武鋼、首鋼和邢鋼4家針對銅包鋼性能要求特點專門開發(fā)了新鋼種，不但拉拔性能好，其導電率也得到大幅度提高，目前國產(chǎn)銅包鋼線已經(jīng)達到國外實物質(zhì)量水平，部分產(chǎn)品已經(jīng)實現(xiàn)了出口。

銅包鋼憑借其優(yōu)越的使用性能及性價比，有效替代了銅、銅合金和銅包鋁等材料，在電力、通訊和電子工業(yè)等領域得到廣泛應用。作為電力、通訊和電子工業(yè)領域的綠色產(chǎn)品，其具有節(jié)約銅材、降低成本的優(yōu)點，是純銅線產(chǎn)品的替代品，并且減輕導線重量，減小能量消耗，所以說該鋼符合國家所倡導的節(jié)能減排號召［7］，目前國內(nèi)每年需求量達到10萬噸以上，隨著國內(nèi)經(jīng)濟建設以及國際市場的開拓，需求量必然增加。隨著其性價比不斷的提高以及國內(nèi)外經(jīng)濟的發(fā)展，銅包鋼應用領域不但越來越廣泛，而且發(fā)展前景會越來越好。

［1］丁華東，張吟秋，丁鈞伯.國內(nèi)銅包鋼線材的發(fā)展和應用［J］.湖南冶金，1995（4）：60-62.

［2］張國光.銅包鋼線和鋁包鋼線的新用途［J］.大眾用電，2009（3）：35-37.

［3］張進.銅包鋼電車線的開發(fā)［J］.電線電纜，1993（3）：13-17.

［4］明冰，陳正宏，張紹先.銅包鋼電話用戶通信線的研制［J］.電鍍與精飾，1998，20（2）：13-14.

［5］ McDonald D B，Krauss P D.Corrosion—resistant reinf or cing steel［J］.Second International Conference on Concrete Under Severe Conditions［M］.Norway：E&FN Spon，1998：382.

［6］ Brian Suwarow..51 st International Wire and Cable Symposium ［M］.USA：Cablinmg Systems Magazine，2002：117-123.

［7］何慧蘭.銅包鋼線的研制和應用［J］.電鍍和環(huán)保，2002，18（6）：32-34.

［8］賀飛，劉利梅，鐘云，等.銅包鋼線材及其生產(chǎn)工藝［J］.表面技術，2007，36（5）：78-79.

［9］王慶娟，杜忠澤，王海波.銅包鋼線生產(chǎn)工藝的特點及現(xiàn)狀［J］.電線電纜，2002，（2）：15-16.

［10］宣天鵬，卑多慧.銅包鋼線的生產(chǎn)工藝及其應用［J］.Electroplating&Finishing，1998，17（3）：26-28.

［11］高飛，宋寶韞，張新宇，等.連續(xù)擠壓包覆技術在鋁包鋼絲生產(chǎn)上的應用［J］.金屬制品，1999，25（1）：20.

［12］宋強，戴雅康，劉世程.包覆焊接發(fā)銅包鋼線的結構設計和生產(chǎn)［J］.光纖電纜與應用技術，2003，3（3）：44-46.

［13］吳運忠，戴雅康，劉世程.用包覆焊接法銅包鋼線更新CATV用戶電纜內(nèi)導體［J］.有線電視與網(wǎng)絡，2001（4）：50-51.

Development and Prospects of Copper-clad Steel Wire

REN An-chao，ZENG Tong，SHUAI Xi-yuan，QIU Dong-li，XIA Yan-hua and XU Zhi-dong
（Research Institute，Wuhan Iron and Steel［Group］Company，Wuhan，Hubei Province 430080，China）

The paper describes the developing history of copper-clad steel wire and the evolution process of its standard home and abroad and analyzes the characteristics of its production process.It is known by comparison that galvanizing method，a mature process for the production of copper-clad steel wire，is a production method commonly adopted by domestic manufacturer.The author makes prospects for the development of copper-clad steel wire.

copper-clad steel wire；development；prospect

10.3969/j.issn.1006-110X.2016.02.007

2015-10-13

2015-11-02

任安超（1976—），男，高級工程師，博士，主要從事線材新產(chǎn)品開發(fā)方面的研究工作。