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摘 要：铜银合金以其优良的导电性能和力学性能广泛应用于输电领域。该文研究了Ag元素的添加及其含量对Cu-Ag合金电导率的影响，研究了冷加工变形量对Cu-Ag合金力学性能和导电性能的影响，在此基础上通过上引连续铸造-连续挤压-冷轧-拉拔工艺制备了线径为0.5mm的铜银合金线材，利用浙江宏磊铜业股份有限公司的漆包机实现了铜银漆包线的制备，与同等线径纯铜漆包线的性能进行了对比，并着重分析了铜银上引杆材和连续挤压加工杆材的组织特征。
关键词：连续挤压 铜银合金 漆包线 铜合金线材
中图分类号：TM245.1 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）03（a）-0006-02
近年来随着我国国民经济的高速增长和人民生活水平的提高，铜及铜合金线材产量、进口量迅速增长。目前我国高导纯铜线生产能力已能基本满足国内市场需求，世界铜合金线材产量在50万t以上，主要生产国为美国、日本、德国，我国铜合金线材市场需求旺盛，平均增幅10%左右，年需求量在10万t左右，然而，以各种铜合金焊丝、汽车电气连接线、插接线、电极丝、高能电池线为代表的特种复杂铜合金线材供应不足，其生产特点是多品种、小批量，属于高附加值产品。目前国内外对铜及铜合金线材按用途不同，均制定有严格的专业技术标准和通用技术标准。为适应先进制造技术的发展，铜及铜合金线材生产将呈现规模化、专业化方向发展的趋势，产品规格有向小型化、细径化方向发展的趋势，不断有新品种、新规格、新用途出现。
铜漆包线是铜线材的重要线种，属于绕组线的一个主要品种，由铜导体和绝缘层两部分组成，是裸线导体经过退火软化、多次涂漆和烘焙制成，按照绝缘材料可以主要细分为缩醛漆包线、聚酯漆包线、聚氨酯漆包线、改性聚酯漆包线、聚酯亚胺漆包线、聚酯亚胺/聚酰胺酰亚胺漆包线和聚酰亚胺漆包线。漆包线质量受原材料、工艺参数、生产设备、环境等因素影响，各种漆包线的质量特性各不相同，但是都需要具备机械性能、化学性能、电性能和热性能四大性能。目前有研究人员提出变压器漆包线在电压转换过程中会遭受瞬时高温，从而出现缩颈、软化和松弛变形等现象，影响了变压器的稳定性和使用使用寿命。该文尝试通过上引-连续挤压-拉拔制备铜银合金裸线，通过漆包机实施绝缘漆的包覆制备铜银合金漆包线，并研究了线材的组织性能特征。
1 实验结果和讨论
1.1 元素和冷变形对合金性能的影响
通过真空熔炼制备了不用Ag元素的含量的Cu-Ag合金，Ag元素对Cu-Ag合金电导率的影响见图1所示。可以看出，Ag含量为零即纯铜的电导率超过100%IACS，这是由于实验选用的原材料较为纯净，采用真空熔炼的方法进一步降低了氧的含量，使得电导率超过国际退火铜的标准，此外，Ag的添加降低了纯铜的电导率，且随着Ag含量的增加，Cu-Ag合金的电导率持续下降，但是，Cu-Ag合金的电导率一致保持在较高水平。
根据杜鲁德理论，纯金属的电导率与电子的弛豫时间（relaxation time）成正比，在所有金属中，银元素电子的弛豫时间最长，为4×10-14s，因而具有金属元素中的最高电导率108.4%IACS，铜元素的弛豫时间次之，为2.7×10-14s，具有仅次于银的电导率103.06%IACS。然而，在铜中添加银元素形成铜合金，在银中添加铜元素形成银合金均造成电导率降低，主要原因在于合金的晶体结构是固溶体结构，合金组织的基本组成为基体和第二相，其电导率主要取决于固溶体的导电性能，可以用马基申定律表达：固溶体电阻率=溶剂电阻率+溶质原子引起的电阻率，溶剂即为纯金属，溶质原子引起的电阻率则取决于溶质原子引起的晶格畸变程度大小，即晶格畸变大，造成的电子散射越严重，电导率越低。对于以Ag为主要添加元素的Cu-Ag合金，随着Ag元素含量的提高，固溶体晶格畸变增大，合金的电导率降低，同时，Ag元素与Cu元素同属于IB族元素，同属于面心立方结构，具有类似的电子结构，因此同等添加量下，Ag元素引起的电导率下降较小，即Cu-Ag合金可以保持较高电导率的根本原因。
1.2 冷变形对合金性能的影响
金属纯铜具有仅次于银的电导率，是理想的导电材料，但是其强度、硬度和软化温度较低，限制了纯铜在输电领域的应用。在纯铜中添加Ag元素可以实现固溶强化，并提高抗软化温度[1]，铜银合金较纯铜软化温度提高近100℃。为了提高强度和获得适合使用的产品形状，通常采用冷加工的方法进一步对Cu-Ag合金进行冷加工。该实验对Cu-0.1wt.%Ag合金进行冷加工，变形量对合金电导率和抗拉强度的影响如图2所示。
可以看出，随着变形量的增加，Cu-Ag合金电导率持续下降，合金的抗拉强度逐渐提高。这是由于冷变形造成了合金组织发生变化，位错密度提高引起位错缠结从而产生了加工硬化，抗拉强度提高。有证据表明，高度冷变形金属的位错密度可以达到1012/cm，铜的强度随着位错密度的平方根按比例提高[2]，位错密度的增加也在晶体结构方面引起了晶格畸变的提高，从而增大了电子散射，降低了合金的电导率。因此，在满足力学性能的前提下，实际生产中常采用较小的变形量或成品退火来控制强度和电导率间的平衡。
1.3 上引-连续挤压制备Cu-Ag合金线
在确定Ag添加量和冷变形加工对Cu-Ag合金力学性能和电导率影响的基础上，该文通过上引连续铸造制备22mm的杆坯，然后通过连续挤压进行扩展挤压制备28mm的加工杆，后经过三次冷轧和大拉将线径减小为2.3mm，最后通过中拉制备线径为0.5mm的Cu-Ag裸线。具体加工流程见图3所示。
图4（a）、（b）、（c）为Cu-0.1Ag合金上引杆和连续挤压加工杆材的心部金相组织，可以看出，上引杆材的晶粒组织粗大，具有等轴晶粒特征，经过连续挤压加工后，合金的晶粒组织显著细化，甚至难以明显区分晶界。文献[3]报道上引连铸法制备铜银合金边部有发达的柱状晶，中心为粗大的等轴晶，经过连续挤压后，晶粒尺寸显著减小。连续挤压借助于挤压轮槽壁上的摩擦力不断将杆状坯料送入而实现连续挤压，坯料与槽壁间的摩擦发热以及由变形引起的内能增加效果显著，有研究表明铜在连续挤压过程中的温度超过其再结晶温度[4]，即铸态组织在其再结晶温度以上发生塑性变形，形成晶粒细小、分布均匀的动态再结晶组织，完全消除了铸态组织特征[5]，如图4（b）、（c）所示。
1.4 漆包线的制备及其性能
利用浙江宏磊集团的漆包机实施Cu-Ag合金裸线的绝缘漆包覆，其操作流程为：放线→退火→涂漆→烘焙→冷却→润滑→收线，铜银漆包线和本厂生产的同等线径纯铜漆包线的主要性能对比见表1，铜银漆包线的强度比纯铜漆包线提高30MPa，电导率超过99%IACS，伸长率为14%，低于纯铜的伸长率33%，回弹性角度高于纯铜漆包线的回弹角度。
2 结语
（1）铜银合金的电导率随着主添加元素Ag含量的增加而逐渐降低，但始终保持在较高的水平，随着冷加工冷变形量的增加，合金的电导率呈下降趋势，合金的抗拉强度呈上升趋势。
（2）上引连铸制备铜银合金杆材铸态组织粗大，连续挤压加工后，铸态组织特征消失，合金发生动态再结晶，组织細小。
（3）通过该厂的漆包机进行了铜合金合金裸线的绝缘漆包覆工艺，与该厂同等线径的纯铜漆包线相比，铜银漆包线强度提高，伸长率降低，回弹角度增大，电导率虽然有所降低，但是仍然保持在很高的水平。
参考文献
[1] 刘辉.连铸连扎法取代传统上引法生产高速电气化铁路用铜银合金接触线的研究[D].昆明：昆明理工大学，2004.
[2] 马永范译.高强度高电导铜合金的设计基础[J].铜加工，1991（2）：11-17.
[3] 牛玉英，宋宝韫，刘元文.银铜合金接触线的制造新工艺[J].塑性工程学报， 2006，13（3）：65-68.
[4] 董少峥.连续挤压工艺条件对铜扁线产品组织性能的影响[D].大连：大连交通大学，2013.
[5] 王军.纯铜连续挤压过程微观组织的研究[D].大连：大连交通大学，2009.
关键词：连续挤压 铜银合金 漆包线 铜合金线材
中图分类号：TM245.1 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）03（a）-0006-02
近年来随着我国国民经济的高速增长和人民生活水平的提高，铜及铜合金线材产量、进口量迅速增长。目前我国高导纯铜线生产能力已能基本满足国内市场需求，世界铜合金线材产量在50万t以上，主要生产国为美国、日本、德国，我国铜合金线材市场需求旺盛，平均增幅10%左右，年需求量在10万t左右，然而，以各种铜合金焊丝、汽车电气连接线、插接线、电极丝、高能电池线为代表的特种复杂铜合金线材供应不足，其生产特点是多品种、小批量，属于高附加值产品。目前国内外对铜及铜合金线材按用途不同，均制定有严格的专业技术标准和通用技术标准。为适应先进制造技术的发展，铜及铜合金线材生产将呈现规模化、专业化方向发展的趋势，产品规格有向小型化、细径化方向发展的趋势，不断有新品种、新规格、新用途出现。
铜漆包线是铜线材的重要线种，属于绕组线的一个主要品种，由铜导体和绝缘层两部分组成，是裸线导体经过退火软化、多次涂漆和烘焙制成，按照绝缘材料可以主要细分为缩醛漆包线、聚酯漆包线、聚氨酯漆包线、改性聚酯漆包线、聚酯亚胺漆包线、聚酯亚胺/聚酰胺酰亚胺漆包线和聚酰亚胺漆包线。漆包线质量受原材料、工艺参数、生产设备、环境等因素影响，各种漆包线的质量特性各不相同，但是都需要具备机械性能、化学性能、电性能和热性能四大性能。目前有研究人员提出变压器漆包线在电压转换过程中会遭受瞬时高温，从而出现缩颈、软化和松弛变形等现象，影响了变压器的稳定性和使用使用寿命。该文尝试通过上引-连续挤压-拉拔制备铜银合金裸线，通过漆包机实施绝缘漆的包覆制备铜银合金漆包线，并研究了线材的组织性能特征。
1 实验结果和讨论
1.1 元素和冷变形对合金性能的影响
通过真空熔炼制备了不用Ag元素的含量的Cu-Ag合金，Ag元素对Cu-Ag合金电导率的影响见图1所示。可以看出，Ag含量为零即纯铜的电导率超过100%IACS，这是由于实验选用的原材料较为纯净，采用真空熔炼的方法进一步降低了氧的含量，使得电导率超过国际退火铜的标准，此外，Ag的添加降低了纯铜的电导率，且随着Ag含量的增加，Cu-Ag合金的电导率持续下降，但是，Cu-Ag合金的电导率一致保持在较高水平。
根据杜鲁德理论，纯金属的电导率与电子的弛豫时间（relaxation time）成正比，在所有金属中，银元素电子的弛豫时间最长，为4×10-14s，因而具有金属元素中的最高电导率108.4%IACS，铜元素的弛豫时间次之，为2.7×10-14s，具有仅次于银的电导率103.06%IACS。然而，在铜中添加银元素形成铜合金，在银中添加铜元素形成银合金均造成电导率降低，主要原因在于合金的晶体结构是固溶体结构，合金组织的基本组成为基体和第二相，其电导率主要取决于固溶体的导电性能，可以用马基申定律表达：固溶体电阻率=溶剂电阻率+溶质原子引起的电阻率，溶剂即为纯金属，溶质原子引起的电阻率则取决于溶质原子引起的晶格畸变程度大小，即晶格畸变大，造成的电子散射越严重，电导率越低。对于以Ag为主要添加元素的Cu-Ag合金，随着Ag元素含量的提高，固溶体晶格畸变增大，合金的电导率降低，同时，Ag元素与Cu元素同属于IB族元素，同属于面心立方结构，具有类似的电子结构，因此同等添加量下，Ag元素引起的电导率下降较小，即Cu-Ag合金可以保持较高电导率的根本原因。
1.2 冷变形对合金性能的影响
金属纯铜具有仅次于银的电导率，是理想的导电材料，但是其强度、硬度和软化温度较低，限制了纯铜在输电领域的应用。在纯铜中添加Ag元素可以实现固溶强化，并提高抗软化温度[1]，铜银合金较纯铜软化温度提高近100℃。为了提高强度和获得适合使用的产品形状，通常采用冷加工的方法进一步对Cu-Ag合金进行冷加工。该实验对Cu-0.1wt.%Ag合金进行冷加工，变形量对合金电导率和抗拉强度的影响如图2所示。
可以看出，随着变形量的增加，Cu-Ag合金电导率持续下降，合金的抗拉强度逐渐提高。这是由于冷变形造成了合金组织发生变化，位错密度提高引起位错缠结从而产生了加工硬化，抗拉强度提高。有证据表明，高度冷变形金属的位错密度可以达到1012/cm，铜的强度随着位错密度的平方根按比例提高[2]，位错密度的增加也在晶体结构方面引起了晶格畸变的提高，从而增大了电子散射，降低了合金的电导率。因此，在满足力学性能的前提下，实际生产中常采用较小的变形量或成品退火来控制强度和电导率间的平衡。
1.3 上引-连续挤压制备Cu-Ag合金线
在确定Ag添加量和冷变形加工对Cu-Ag合金力学性能和电导率影响的基础上，该文通过上引连续铸造制备22mm的杆坯，然后通过连续挤压进行扩展挤压制备28mm的加工杆，后经过三次冷轧和大拉将线径减小为2.3mm，最后通过中拉制备线径为0.5mm的Cu-Ag裸线。具体加工流程见图3所示。
图4（a）、（b）、（c）为Cu-0.1Ag合金上引杆和连续挤压加工杆材的心部金相组织，可以看出，上引杆材的晶粒组织粗大，具有等轴晶粒特征，经过连续挤压加工后，合金的晶粒组织显著细化，甚至难以明显区分晶界。文献[3]报道上引连铸法制备铜银合金边部有发达的柱状晶，中心为粗大的等轴晶，经过连续挤压后，晶粒尺寸显著减小。连续挤压借助于挤压轮槽壁上的摩擦力不断将杆状坯料送入而实现连续挤压，坯料与槽壁间的摩擦发热以及由变形引起的内能增加效果显著，有研究表明铜在连续挤压过程中的温度超过其再结晶温度[4]，即铸态组织在其再结晶温度以上发生塑性变形，形成晶粒细小、分布均匀的动态再结晶组织，完全消除了铸态组织特征[5]，如图4（b）、（c）所示。
1.4 漆包线的制备及其性能
利用浙江宏磊集团的漆包机实施Cu-Ag合金裸线的绝缘漆包覆，其操作流程为：放线→退火→涂漆→烘焙→冷却→润滑→收线，铜银漆包线和本厂生产的同等线径纯铜漆包线的主要性能对比见表1，铜银漆包线的强度比纯铜漆包线提高30MPa，电导率超过99%IACS，伸长率为14%，低于纯铜的伸长率33%，回弹性角度高于纯铜漆包线的回弹角度。
2 结语
（1）铜银合金的电导率随着主添加元素Ag含量的增加而逐渐降低，但始终保持在较高的水平，随着冷加工冷变形量的增加，合金的电导率呈下降趋势，合金的抗拉强度呈上升趋势。
（2）上引连铸制备铜银合金杆材铸态组织粗大，连续挤压加工后，铸态组织特征消失，合金发生动态再结晶，组织細小。
（3）通过该厂的漆包机进行了铜合金合金裸线的绝缘漆包覆工艺，与该厂同等线径的纯铜漆包线相比，铜银漆包线强度提高，伸长率降低，回弹角度增大，电导率虽然有所降低，但是仍然保持在很高的水平。
参考文献
[1] 刘辉.连铸连扎法取代传统上引法生产高速电气化铁路用铜银合金接触线的研究[D].昆明：昆明理工大学，2004.
[2] 马永范译.高强度高电导铜合金的设计基础[J].铜加工，1991（2）：11-17.
[3] 牛玉英，宋宝韫，刘元文.银铜合金接触线的制造新工艺[J].塑性工程学报， 2006，13（3）：65-68.
[4] 董少峥.连续挤压工艺条件对铜扁线产品组织性能的影响[D].大连：大连交通大学，2013.
[5] 王军.纯铜连续挤压过程微观组织的研究[D].大连：大连交通大学，2009.