拉拔變形對純銅導線組織和性能的影響

路榮貴，化廣信，冉令豪,梅桂林*

(1.安徽楚江高新電材有限公司，安徽 蕪湖 241000；2.合肥工業大學 材料科學與工程學院，安徽 合肥 230009)

純銅具有優良的導電性、導熱性和延展性，同時由于其良好的冷、熱加工性能常被加工成為棒、管、板、帶等產品。隨著工業技術的發展，純銅導線因其優良的傳導能力常作為電子信號傳輸的載體被廣泛應用于電線電纜、航空航天、醫療器械、國防軍工、信息通訊和電子封裝等領域。純銅導線的生產過程主要由連鑄連軋或上引連鑄生產純銅桿坯、接線、連續多模拉拔、退火和并線絞線組成。

冷拔是生產高性能導電線材的主要工藝，拉拔過程是純銅桿坯在前端拉應力的作用下穿過模孔直徑小于桿坯直徑的模具，最終獲得所需尺寸的純銅導線。經冷拔后的銅線材內部微觀組織會發生明顯的變化，整個拉拔過程中純銅導線內微觀組織變化主要由三個過程組成：拉拔初期滑移現象產生，晶粒開始細化；變形量增加，晶粒細化程度進一步增加并且晶界變得模糊；最終沿拉拔方向形成纖維狀組織。晶粒細化晶界增多阻礙位錯移動從而產生明顯的加工硬化現象，不利于銅線材的生產應用。為改善劇烈變形后導線的內部組織，消除加工硬化作用，工業生產中常對導線進行熱處理，導線的熱處理過程可分為拉拔過程中的連續退火、拉拔結束后退火和銅桿坯形變熱處理三種，目前工業生產中多采用連續退火的熱處理工藝。

為生產出具有優異性能的純銅導線，純銅線材拉拔工藝一直是全世界研究人員的重點研究對象。史洪松等研究了深冷處理對純銅線材拉拔工藝的影響，并指出經過深冷處理的純銅線材隨著拉絲模直徑減小，晶粒細化程度顯著增加。毛西秦等研究不同的退火溫度對純銅導線的組織和性能的影響，并指出隨著退火溫度的增加，純銅導線的抗拉性能發生下降，伸長率增加。陳建等研究了橫向晶界對純銅導線微觀組織和力學性能的影響，并指出隨著變形量增加，纖維織構更加發達，同時，等軸晶粒相比具有更多橫向晶界的晶粒，更有利于形變織構的形成。文中主要研究了不同變形量對純銅導線顯微組織和性能的影響情況。

1 實驗材料及方法

實驗采用的純銅桿坯經過熱軋處理，直徑為Φ8 mm，純度為99.99%。接線后先通過單道次拉拔得到Φ1.8 mm銅導線，通過德國尼霍夫16/20/24多頭拉絲機(MMH系列)進行多頭和多道次拉拔得到直徑為Φ0.171 mm的細銅線。多頭拉拔過程中采用連拉連退的熱處理工藝，為了避免拉拔方向對實驗結果產生干擾，純銅導線在拉拔過程中的拉拔方向始終不變。采用線切割截取Φ8 mm×5 mm 銅桿坯用于觀察銅桿坯橫截面金相組織，并從中間一分為二用于觀察銅桿坯縱截面金相組織。為了便于觀察顯微組織，采用HM1黑色鑲嵌料和XQ-2B型金相試樣鑲嵌機對Φ1.8 mm硬態純銅導線和Φ0.171 mm純銅導線進行試樣鑲嵌，鑲樣過程中溫度設置為145 ℃，保壓時間設置為10 min。銅桿坯試樣和鑲嵌試樣采用400、600、800和1 200 目砂紙打磨并使用粒度為W1.5的金剛石研磨膏拋光后進行腐蝕。腐蝕液采用配比為5 g無水三氯化鐵+50 mL鹽酸+100 mL乙醇的三氯化鐵鹽酸乙醇腐蝕液，腐蝕時間為30 s，腐蝕完畢后使用酒精將殘余腐蝕液沖洗干凈，待試樣干燥后采用MR2000金相顯微鏡觀察試樣顯微組織。采用UTM5105型微機控制電子萬能實驗機，測量了Φ8 mm的銅桿坯和Φ1.8 mm的硬態銅線試樣的抗拉強度和延伸率。采用了QJ36S直流低電阻測試儀測量了Φ8 mm銅桿坯和Φ1.8 mm硬態銅線的電阻率。

2 試驗結果與討論

2.1 金相組織

在拉拔過程中，隨著變形量的增加導體內部組織發生明顯變化，使用MR2000金相顯微鏡可觀察不同線徑純銅導線橫向和縱向金相顯微組織，金相組織圖如圖1、圖2所示。

不同線徑銅導線橫向金相顯微組織圖如圖1所示。由圖1a和圖1b可以看出，Φ8 mm銅桿坯經熱軋后晶界處出現再結晶組織，經過一次拉拔后得到Φ1.8 mm硬態銅導線，晶粒發生明顯細化且晶粒大小較為均勻。在多頭拉絲機上經多道次拉拔由Φ1.8 mm拉拔至Φ0.171 mm得到細銅導線。拉拔過程晶粒進一步破碎細化，由于多頭拉拔過程中采取了連續退火的熱處理工藝，導線表層溫度迅速升高至再結晶溫度發生再結晶現象，同時因為連續退火冷卻速度很快，導線靠近中心區域晶粒再結晶程度較小。由圖1c可以看出，導線晶粒尺寸由表層向中心區域逐漸減小并且表層再結晶晶粒尺寸不均勻。

圖1 不同線徑銅導線橫向金相顯微組織圖

不同線徑銅導線縱向金相顯微組織圖如圖2所示。由圖2a和圖2b可以看出，Φ8 mm銅桿坯經一次拉拔得到Φ1.8 mm硬態銅導線，期間不經過任何熱處理，縱向組織發生明顯細化且并未出現明顯纖維組織。由圖2c可以看出，經多道次拉拔且伴隨連續退火工藝得到具有明顯纖維組織的Φ0.171 mm細銅導線，纖維組織之間十分緊湊，晶界較為模糊。相較于傳統的退火工藝，由于連續退火加熱速度快和保溫時間短的特點，往往造成純銅導線在退火過程中只有表層區域發生再結晶現象，通常采用較高的退火溫度來增加再結晶晶粒的形核率和再結晶區域。在連續退火工藝的作用下，導線表層溫度迅速升高達到再結晶溫度，形成再結晶組織，同時由于連續退火冷卻速度很快并且拉拔過程中伴隨著強烈的剪切應變，一定程度上阻礙了晶粒長大，最終在導線表層形成均勻細小且排列緊密的退火組織。由于較快的冷卻速度使溫度由導線表層向中心部位的傳導效率降低，同時導線中心部位相較于表層區域所受剪切應力較小，變形儲能相對較低，再結晶驅動力較低，最終使導線中心部位難以發生較多的再結晶形核和晶粒長大，此位置仍存在明顯的沿軸向分布的纖維組織。

圖2 不同線徑銅導線縱向金相顯微組織圖

2.2 力學性能和電阻率

經UTM5105型微機控制電子萬能實驗機和QJ36S直流低電阻測試儀可測得不同線徑純銅導線力學性能及電阻率，如圖3所示。由圖3可以看出，Φ8 mm純銅桿坯抗拉強度為226 MPa，斷后延伸率為45%，經過一次拉拔得到Φ1.8 mm硬態銅導線，拉拔過程中不經過任何熱處理。拉拔過程中導線在軸向拉應力及徑向壓應力的共同作用下，導線內部晶粒發生旋轉滑移和破碎，晶界數量和晶界面積顯著增加，由于相鄰晶粒之間相互制約，使晶粒的旋轉和滑移受到阻礙。拉拔過程中晶界處和晶內出現空隙和微觀裂紋，且各種晶格缺陷幾率增大。位錯的增殖速度增加，位錯在滑移和攀移過程中更容易發生聚集纏結導致位錯在晶界和缺陷處發生堵塞。位錯的運動阻力不斷增大，由于劇烈的變形使拉拔后的導線內部產生較大殘余應力，產生明顯的加工硬化作用。在加工硬化作用下，Φ1.8 mm硬態銅導線的抗拉強度增至380 MPa，增幅約68.1%，斷后延伸率降至35%。由圖3也可看出，Φ8 mm純銅桿經過單道次拉拔得到Φ1.8 mm硬態銅導線后，電阻率由0.016 9 Ω·mm·m增至0.017 2 Ω·mm·m，電阻率有小幅上升。根據馬西森定則(Matthiessen's rule)，純銅導線的總電阻率為

ρ

ρ

ρ

ρ

T

ρ

在拉拔的變形過程中，純銅導線內部晶粒在應力作用下發生滑移破碎，造成了晶界數量增加，同時導線經過拉拔發生劇烈變形，其內部空位、位錯和微觀裂紋等缺陷數量增加，在一定程度上阻礙了導線內電子定向遷移運動，使導體電阻率增加。拉拔過程中的晶格畸變也會造成電子散射幾率增大，使導體中電流傳輸效率降低，造成導體的電阻率增加。

圖3 不同線徑純銅導線力學性能和電阻率

3 結論

隨著變形量的增加，純銅導線沿軸向形成纖維組織。多道次拉拔過程中導體內部晶粒不斷發生滑移和破碎，晶界變得模糊，最終形成沿軸向分布的纖維組織，同時采用連續退火的熱處理工藝，在拉拔過程中使導線表層組織發生明顯再結晶現象可以起到細化晶粒的作用。

隨著變形量的增加，純銅導線抗拉強度增加，延伸率減小。在拉拔過程中導體內部位錯密度增大，同時由于晶粒在應力作用下發生破碎使晶界數量和純銅導線內缺陷數量增加，位錯運動受到限制，造成位錯纏結堵塞產生明顯的加工硬化現象，使導線抗拉強度增加并且斷后延伸率降低。

隨著變形量的增加，純銅導線電阻率增加。經過拉拔后，導線發生劇烈變形，內部晶粒破碎使晶界數量增加，同時，晶粒內和晶界處空位、位錯和裂紋等缺陷的增加阻礙了電子的定向遷移，晶格畸變使電子散射幾率增大，降低了導線的導電效率，最終造成導體電阻率增加。