銅包鋼線的進展

蘇華光， 何維浩， 張永甲， 黨 朋， 蔡西川

（1.上海電纜研究所有限公司，上海200093；2.河北中際物探設備有限公司，河北 保定074005）

0 引 言

銅包鋼雙金屬復合導線是將高導電的銅芯、均勻、致密、連續包覆于高強度鋼絲表面，形成緊密的物理或冶金結合。自20世紀50年代以來［1］，世界各工業國都在致力于雙金屬復合線材生產的研究和開發應用，以利用兩種不同金屬的差異性，制造出比單金屬線材性能更為優異的線材。這些國家相繼成功地開發了銅包鋼線材。在經過多次工藝設備創新后，銅包鋼線材的質量達到了相當高的水平，銅包鋼線作為一種功能材料，在輸電、通信、航空航天、汽車和電子等領域顯現出卓越的技術或經濟優勢［2］。

國內并不缺少銅包鋼線的應用，隨著技術的發展，傳統的銅包鋼應用市場有部分減少，新的應用市場產生，而銅包鋼技術發展跟不上需求的步伐。下面將介紹國內銅包鋼的發展歷史及趨勢，國內生產銅包鋼線應用較多的幾家，在質量、工藝水平和生產成本等方面的差異和進展，與國外銅包鋼線的比較等內容。

1 銅包鋼行業發展歷史

本文的銅包鋼是用于導體行業的銅包鋼，不包括焊絲等產品。

我國復合線材銅包鋼的發展歷史，可分成三個階段：

（1）第一階段

1969年至1985年，國內僅有湘潭電纜廠采用鑄軋法工藝生產銅包鋼線，這是國內最早的銅包鋼生產工藝，運用了前蘇聯技術，這個工藝將鋼棒裝在模具中，外澆鑄銅液，形成幾十公斤的銅包鋼坯錠，然后熱軋、清洗、拉絲、退火［3］，可以生產雙零級的銅包鋼線。

該工藝采用小模具澆鑄，材料利用率低，產品長度受限，成本偏高，已在1990年停產淘汰。

（2）第二階段

1985年至2001年，由于改革開放，通訊事業迅猛發展，當時郵電部門要求電話線芯導體材料均采用銅包鋼或純銅。因此各省蜂擁而上采用電鍍工藝生產銅包鋼線材，即用電解電池工作原理的電鍍工藝，將塊狀銅板作陽極“溶解”，然后經電流引導到覆蓋在陰極的鋼絲上，形成銅層包覆。高峰期年產1 000 t以上的廠家有30余家。電鍍銅包鋼線材主要用于電話線、有線電視電纜、電子元器件引線等。其具有使用傳統工藝設備、生產場所占地面積小、導電率低、鍍層薄等優點。其缺點是產品性能差、包覆層薄厚不均勻、易剝落［4］。更為嚴重的是生產過程中產生的電鍍廢液造成嚴重環境污染，成為難以克服的公害。這個時期，哈爾濱電纜廠在引進美國通用電汽公司熱浸鍍法無氧銅桿生產設備上，經改造，生產出了熱浸鍍法銅包鋼，但未見銷售。

1993年，湘潭電纜廠在成功獲得了引進包覆法銅包鋼的國家項目，但因工廠效益下滑而停止了引進。該階段，銅包鋼線導電率40%的和應用要求較高的場景是進口美國科普威的銅包鋼線，該產品采用雙銅帶熱軋成坯工藝，質量優良，但成本高。

（3）第三階段

2001年至今，為了克服鑄軋、電鍍工藝生產銅包鋼出現長度短、銅層不均勻，拉絲易斷線、污染環境等缺陷，適用大長度、高強度、大截面、耐腐蝕復合材料的發展趨勢。2001年在上海某公司自主開發包覆法銅包鋼生產線獲得成功。包覆是將銅帶縱向包裹鋼絲，在包裹的接口處用氬弧焊焊接成管，后經特殊的軋制、拉絲和退火工藝，讓銅和銅結合到一起。2003年形成批量銷售，不但替代進口，而且全球銷售，產品質量水平與世界接軌。其特點是產品的包覆層厚薄均勻、長度長，特別適合作通信、電子、輸電用線材；不足的是成本較高，存在雙金屬結合難的技術難點。

同時，水平連鑄等其他各種工藝也應運而生。水平連鑄是在鋼絲上直接連續澆鑄銅液，在模具中冷卻，形成銅包層。在銅鋼接觸面有合金層，該合金層對導電率有影響。其適合生產大截面、大長度復合線材，復合層厚度可任意選擇且結合性能良好。缺點是復合層厚度的均勻性相對較差、有偏芯，不宜做電性能要求高的小規格復合線材。

這個階段是電鍍法、包覆法和水平連鑄法3種工藝共占市場。在國內包覆法銅包鋼開發之前，國內高端市場都是進口美國科普威的銅包鋼線，國內有代理商。但2003年，國內包覆法投產后，價格比美國科普威低，質量性能相同，當時美國科普威的銅包鋼線價格一降再降，導電率40%直徑Φ0.25 mm的銅包鋼線價格為8萬／t，國內包覆法的價格為6萬／t；當美國科普威的價格降到6萬／t時國內包覆法的降到5.6萬／t。到2005年，代理商已無法銷售，退出了中國市場。2007年，美國科普威的銅包鋼產量下降，國內某公司收買了這家原世界最大的銅包鋼公司美國科普威雙金屬有限公司。但該公司產品在國內銷售量不大，國內市場基本被國內三大工藝占有，分析原因主要還是成本問題。

下面就幾種銅包鋼的主要生產工藝、產品質量、生產成本及新產品的開發等進行了綜述。

2 國內外主要的銅包鋼工藝

國內應用比較多的是電鍍法、包覆法和水平連鑄法銅包鋼工藝。國外用得比較多的是雙銅帶熱軋法，包覆法和熱浸鍍法。先介紹各種工藝法的關鍵工藝特點，便于后面的產品質量性能比較。

2.1 電鍍法工藝

電鍍法工藝是導電率30%以下銅包鋼線用得最多的。電鍍法生產銅包鋼線的工藝流程見圖1。

圖1 電鍍法生產銅包鋼線的工藝流程圖

由圖1可知：該流程主要由三大部分組成，先對鋼絲表面處理，除油去氧化層，再預鍍銅或鎳，主鍍加厚銅層，后面清洗，加抗氧化劑或表面鈍化劑。

電鍍銅包鋼的基本原理［4］：將經過前期處理并預鍍鎳的鋼絲浸入電鍍液，并在鋼絲（陰極）和銅板（陽極）上施加一定的電壓。在陽極上，銅板在電解作用下，不斷的失去電子并形成游離的二價銅離子游離在電鍍液中：Cu－2e →Cu2＋，在陰極上，鋼絲在電解作用下，使二價銅離子重新獲得電子，并沉積在鋼絲表面，形成銅包鋼線：Cu2＋＋2e →Cu，Cu2＋＋e →Cu＋，Cu＋＋e →Cu，2H＋＋2e →H2。

要將銅離子鍍到鋼絲表面，一定要阻止鐵與銅離子直接發生的氧化還原反應。鋼與銅離子直接發生的氧化還原反應，是鐵基電鍍銅要解決的最基本問題，這個過程可表示為：Fe＋Cu2＋→Fe2＋＋Cu；Fe2＋的生成［5］，鋼絲本身提供電子并轉化為亞鐵離子意味著鋼絲的溶解，也就形成所謂的爛絲，這個過程形成的置換銅層，不涉及電沉積，結合非常薄弱［6］。為了防止鋼絲可能的溶解，必須采用預鍍。成熟的預鍍工藝有氰化物鍍、銅鍍鎳和高磷比的焦磷酸鹽鍍銅。氰化物鍍銅液具有分散性好、鍍層致密、附著性強等特點。但國產設備解決氰化物環保問題比較困難，一般采用其它配方。在后續拔絲加工的電鍍，以鍍鎳作為預鍍打底比較好。而主鍍（加厚）銅則可以采用酸性硫酸鹽鍍銅［7］或氟硼酸銅／氟硼酸工藝［8］。因此，電鍍工藝要提高銅層的附著性、致密性、連續性和穩定性，才能獲得優質的銅包鋼線材，這是電鍍的難點，再者，電鍍要提高鍍層厚度，難度較大［6］。一般線徑只做到φ2.5 mm以下，導電率在20%以下。

2.2 包覆法工藝

包覆焊接法生產銅包鋼坯線的工藝過程［7］，它主要由原料預處理、包覆焊接和銅鋼粘合3部分組成。原料預處理主要是在包覆前對銅帶和鋼線進行徹底清理，除去表面的油污和氧化物，以保證銅包鋼線的能良好粘合。包覆焊接是銅帶在進入焊接裝置后逐漸成型，在形成圓管過程中將鋼線包覆，然后采用鎢極氬弧焊將不斷向前運動的銅管縱縫的兩邊焊接起來，形成均勻包覆的銅包鋼線坯。銅鋼粘合通過專門開發的專用工藝和設備，采用特殊的軋拉工藝，將銅鋼粘合到一起，形成良好的原子間緊密結合。包覆焊接法生產銅包鋼雙金線生產工藝流程見圖2。

圖2 包覆焊接法銅包鋼線的雙金線生產工藝流程示意圖

由圖2可知：包覆焊接法的銅包鋼雙金線生產工藝流程中的難點之一是大長度焊接，焊接中途停機換焊針后再開機，實現無漏點連續焊接，是良好包覆焊接線的基本要求，在中試階段就已解決了這個難點。包覆焊接法生產工藝流程中四輥熱軋工序截面圖見圖3。

圖3 包覆焊接法生產工藝流程中四輥熱軋工序截面圖

由圖3可知：四輥熱軋工序是包覆焊接法銅包鋼生產的關鍵點，四輥熱軋讓銅層和鋼芯粘合一步到位，變形量相對較小實現了雙金屬的結合。合適的工藝和設備是獲得這種粘合良好的銅鋼的關鍵，大變形量使銅鋼粘合通常的手段，但這樣通常只能生產Φ2 mm以下小規格的線材。只有小變形量使銅鋼粘合，才能生產大規格的線材，通過對兩種金屬粘合理論的研究［1，9］，應用于技術開發中，指導工藝和設備進行創新改進，導電率70%的可做到Φ6 mm以下，擴大了生產范圍。

2.3 水平連鑄法工藝

水平連鑄法生產銅包鋼線［10-11］，主要分為表面處理、鋼芯預熱、水平連鑄和后處理等4個環節。其關鍵點是水平連鑄，其工藝原理見圖4。

圖4 水平連鑄原理示意圖

由圖4可知：經過表面處理預熱的鋼芯進入連鑄爐，在水冷結晶器里銅液凝固成固體銅層，包覆在鋼芯上，由輪式牽引拉出，形成連續結晶的銅包鋼復合線材。

表面處理是為了得到結合性能好的銅鋼界面，在水平連鑄復合前必須對鋼絲表面進行徹底清理。因此，鋼絲首先要通過拉拔模剝去表面的氧化鐵皮，然后進入矯直機進行矯直，經過剝皮、矯直后的鋼絲再經除油、酸洗、水洗等工序使芯線表面清潔。預熱是為了形成良好的潤濕環境，減少鋼絲吸熱，保持金屬液溫度穩定。連鑄是工藝的核心，它把表面清潔的鋼絲和銅液通過結晶器的冷卻而結合在一起，達到銅包鋼線復合的目的。后處理主要是對銅包鋼線進行拉拔和熱處理，使復合線產生一定的變形，以改善其力學性能、導電性能和表面質量。其中鑄造復合是關鍵，它決定產品的生產效率和質量。

用水平連鑄法生產銅包鋼線材具有節省人力、自動化程度高、生產效率高等優點。但怎樣減小銅鋼界面合金層的厚度、減少偏芯，還有待進一步的研究。

2.4 雙銅帶熱軋法

雙銅帶熱軋法［12］是美國科普威的銅包鋼工藝，2007年前是世界最大的銅包鋼線生產商。該工藝關鍵點是用二輥熱軋，雙銅帶熱軋孔成坯切邊示意圖見圖5。將上下兩根銅帶和中心鋼芯軋合在一起，形成帶雙“耳子”的銅包鋼線坯，然后切除雙“耳子”，進行拉拔和退火，制成產品。

圖5 雙銅帶熱軋成坯切邊示意圖

銅帶和鋼芯在進入軋輥前進行表面凈化加熱和表面活化處理，銅帶與銅帶，銅帶與鋼芯才能形成粘合，在一定的壓合變形量下，軋制的銅帶向兩邊輥縫產生寬展，形成了多余的雙“耳子”，這是形成良好粘合必需的余量。

該工藝對銅帶質量要求高，生產的產品質量好，但工藝控制比較復雜，工藝廢料較多，相對成本偏高，在國內市場被低成本的包覆法替代了。

2.5 熱浸鍍法

熱浸鍍法是日本在引進美國通用電氣公司熱浸鍍無氧銅桿生產線的基礎上開發出了銅包鋼線，并用于新干線的接觸網導線［13-15］。是一種液-固相復合工藝，其制備原理是將溫度較低的鋼芯通過熔融的銅液，鋼線由于吸熱而使液態銅冷凝在鋼線表面，制備出具有一定履層厚度的銅包鋼線。熱浸鍍法制備銅包鋼線流程示意圖見圖6［8］。

圖6 熱浸鍍法制備銅包鋼線示意圖

浸鍍前，鋼芯線首先進行表面處理（機械打磨＋酸堿洗＋涂助鍍劑）以清除表面的油脂、氧化膜并活化表面。表面處理后將鋼線預熱，預熱后，鋼線會通過熔融的銅液實現復合。其銅層和鋼芯間的結合力好［16-17］，可塑性好。與包履法相比，熱浸鍍法具有加工費用低，銅材利用率高，易得到長尺寸的連續線材或帶材；與電鍍法比，它可以獲得的銅層厚度更厚，且生產對環境沒有污染。實際上是鋼絲熱鍍銅與鋼絲熱鍍鋅工藝相似，只是一個要鍍厚一個要鍍薄。

該工藝生產的產品在國內未見銷售，可能在國內應用較少。

3 銅包鋼產品質量性能特點

國內銅包鋼線主要應用的3種工藝，電鍍法、包覆法和水平邊鑄法，產品性能都能在某些特定的范圍內符合標準要求，而且有相對的成本優勢，都能形成自己的一塊市場，為用戶提供了可選性，可找到最佳性價比的產品。下面介紹3種銅包鋼的結合面結構及其機械電氣性能。

3.1 三種銅包鋼的銅鋼結合面

對3種銅包鋼的銅鋼結合面作了線掃描分析，其結果如下：

圖7是包覆法Φ0.24銅包鋼線掃描，銅鋼結合面分界線明顯，沒有形成銅鋼中間合金層，電鍍法的結合面與包覆法的相似。圖8是電鍍Φ1.0銅包鋼線的橫截面，銅鋼分界明顯。

圖7 包覆法Φ0.24銅包鋼線線掃描

圖8 電鍍Φ1.0銅包鋼線橫截面

圖9線掃描中銅鋼結合面的左邊銅層中已熔入了鐵、鉻和鎳等元素，形成了合金層，合金層厚度達到200μm。從圖10可看到銅鋼界面的合金層。

圖9 水平連鑄Φ3.0銅包鋼線的線掃描數據

圖10 水平連鑄Φ3.0銅包鋼線

3.2 包覆法與電鍍法銅包鋼的銅層金相圖譜

包覆法與電鍍法的銅層金相圖譜分別見圖11和圖12。

由圖11和圖12可以看出：包覆法銅層有明顯的拉伸變形織構，而電鍍法是顆粒堆集結構，包覆法組織結構緊密，加工變形量大。從Φ0.24 mm銅包鋼絲金相可以明顯地看出，電鍍法銅包鋼的金相圖在銅鋼金屬界面間有一條白線，說明界面可能有雜質或殘留電鍍液，而包覆法銅包鋼就不存在此現象。

圖11 包覆法Φ0.24銅包鋼線

圖12 電鍍法Φ0.24銅包鋼線

3.3 電鍍法與包覆法銅包鋼的銅層厚度與導電率

將兩個Φ0.24樣品制成金相試樣，經打磨、拋光后在顯微鏡放大150倍觀察并測量其厚度。

按GB／T 3954.2試驗方法，用雙臂電橋，測得兩個樣品的電阻；按GJB882A—2002產品標準采用100 N拉力試驗機測量拉斷力和延伸率，試驗結果見表1。

由表1可知：包覆法的平均銅層厚度比電鍍法的平均銅層厚度小2μm，但電阻更小，導電性更好，從前面金相可知：銅層組織結構包覆法的是緊密的加工織構，電鍍法是顆粒堆集，相對比較松散，導電性能較差，也有可能是因為所用的鋼芯的導電率有差異。

表1 Φ0.24電鍍法和包覆法的試驗結果

采用電鍍法與包覆法生產的產品都符合標準要求，都已被用戶采用。

3.4 銅包鋼產品標準差異

前面說到在第二階段，銅包鋼只有電鍍法的產品供貨，產品標準也按電鍍法的工藝制定。與國外的標準有差異，國外不用電鍍法的產品。銅包鋼產品標準差異見表2。

由表2可知：ASTM B452-02為美國標準，YD／T 722-94、GJB882A—2002為國內行業標準，3個標準均沒有扭轉性能要求。因當時國內電鍍法的產品扭轉性能達不到要求，只有13～15 r。銅層最小厚度國內標準值低于國外標準值，或因電鍍法有點偏芯或鍍不厚。GJB882A—2002耐腐蝕規定了每米不超過5個孔隙，這是按電鍍法工藝制定的標準，采用包覆法銅包鋼線進行試驗，根本沒有孔隙。所以電鍍法的缺陷是明顯的。

表2 銅包鋼產品標準差異

自2010年以來，電子行業的標準SJ／T11411《銅包鋼線》，將扭轉試驗加入標準中，但銅層最小厚度只有直徑的3%和5%，導電率分別為30%，40%，比1994年標準9%還低，部分原因是水平連鑄的銅包鋼偏芯比較多。

3.5 包覆法、電鍍法和水平連鑄法特點

國內用戶一般都按標準采購銅包鋼產品，不考慮銅包鋼產品的生產方法，但國外不用電鍍法的銅包鋼，對生產工藝方法有限制。前面分析了3種工藝的一些差別，下面是3種銅包鋼生產工藝的比較，見表3。

表3 不同生產工藝的銅包鋼產品的比較

由表3可知：銅包鋼性能最好的是包覆法，電鍍法在導電率30%以下的小規格線成本較低，水平連鑄因偏芯大不能做小線，大規格優勢大，但成本較高，因銅鋼界面的合金層降低了銅層的導電性。

盡管國內銅包鋼線還存在各方面的問題，但與純銅線相比還是有較好的性價比優勢。

3.6 銅包鋼線與銅線性能比較

銅包鋼產品具有不可替代的優越性。銅線作為一種金屬導體被人廣泛應用于通信和電力工業中，但其本身也存在無法克服的缺陷。銅包鋼線與銅線性能比較見表4。

表4 銅包鋼線與銅線性能比較

由表4可知：銅包鋼線具有的性能和成本優勢，用銅包鋼取代純銅線，對于導電率20%和30%的銅包鋼，含銅量更低，成本優勢更大，電鍍法工藝在這一塊占有較大的市場［11］。但是，對于出口和高端應用，包覆法工藝在市場上占有率高。

4 包覆法銅包鋼產品

能夠與國際接軌的只有包覆法銅包鋼產品，包覆法銅包鋼可以按照美國、英國、法國和德國等先進標準生產并出口這些國家，銅包鋼還可以做成鍍錫或鍍銀銅包鋼產品，滿足相關用戶需求。

4.1 電子產品用銅包鋼線

電子產品用銅包鋼線，采用美國標準ASTMB452-02生產。主要的規格性能見表5。

表5 電子產品用銅包鋼線的試驗結果

由表5可知：導電率40%硬態和導電率30.5%軟態的兩個銅包鋼線，性能均符合美國標準ASTMB 452的要求。

4.2 鍍銀銅包鋼線

用于高頻導線和特種電纜導線，導電率30%的鍍銀銅包鋼線（樣品1）、導電率40%的鍍銀銅包鋼線（樣品2）的卷繞試驗結果見表6。

表6 導電率30%，40%的鍍銀銅包鋼線的結果比對

由表6可知：卷繞試驗是試驗鍍層的附著性，延伸試驗是試驗線材的延展性。這是一家英國公司的用戶標準，指標比較先進，直接為這家公司提供線纜導體，但銅包鋼坯線必須是包覆法的銅包鋼線。

另外還有鍍錫銅包鋼線，用于電子線纜方面，本文不再列出。本單位開發的包覆法銅包鋼產品與美國、歐洲等國家相比，產品質量優，成本適中，是經過了多次保質量、降成本的工藝、設備和原材料改進開發，具有一定的市場競爭力。

5 銅包鋼產品的發展趨勢

隨著3G、4G、5G移動通信技術的發展，固定電話用量在減少，加上光纖的大量使用，用于固定電話的下戶線和通信線路的銅包鋼線用量減少。同時，因質量、特別是環保要求提高，許多廠家被關停。剩下的電鍍廠家，在質量和環保方面，都取得了重大進步，但成本也相對提高了。

2010年以來，銅包鋼出現了新的應用，用銅包鋼替代鍍鋅鋼棒作接地網，具有成本及質量優勢。銅包鋼接地棒，規格大到Φ25 mm，銅層厚度不管規格大小，常用的都是0.25 mm，這個應用，給目前電鍍法、包覆法和水平連鑄法等3種生產方法均帶來了問題，大規格不適合成盤收放（即是用大直徑盤，后面校直難度大），無法大長度連續生產。現有工藝不能滿足銅包鋼接地棒的要求。銅包鋼接地棒的主要規格見表7。

表7 銅包鋼接地棒常用規格

表7是銅包鋼接地棒常用的規格，其它可定制，銅層厚度分別為0.33，0.55，0.80，1.00 mm等。盡管這些年，電鍍法、包覆法和水平連鑄法等3種銅包鋼生產工藝技術都在進步，但還是跟不上市場需求的步伐，表7中的直徑大于Φ8 mm的產品，電鍍法和水平連鑄法可以生產，但產品質量難以控制。電鍍法可能出現容易腐蝕，產品使用壽命短；水平連鑄法存在偏芯增大的問題；包覆法不能生產以上的規格產品。開發成本、質量適合的銅包鋼接地棒，是銅包鋼面臨的新問題。

6 結 論

目前，電鍍法、包覆法和水平連鑄法能滿足除了接地棒外的所有銅包鋼的高、中低端用途外，具有良好的性價比。隨著目前銅價不斷升高，用途還可以擴展。

現有工藝電鍍法，用于銅包鋼接地棒只能鍍了直接用上，不能對銅層進行軋、拉等深加工，鍍層致密性差，埋在地下易被腐蝕，但通過表面的工藝處理還是可以使用的。水平連鑄法可以做大規格，但比電鍍法的成本高。

開發成本低的優質銅包鋼接地棒，可能的方案是改進的熱浸鍍法、雙銅帶熱軋法和套管熱加工法［17］，擴大規格需要大型加工設備，因此成本不會低。

必須在成本和質量之間找到平衡點，工藝和設備的創新，短流程，低成本，新的工藝路線：采用單模電磁澆鑄銅包鋼坯棒，形成類似于加工組織的銅層致密結晶，再用拉床直拉2道，即形成所需產品，棒的頭、尾不要去掉，接地棒安裝現有的接頭技術可有效把棒的頭、尾利用起來。該工藝是目前成本低、質量好的方法。