制備參數(shù)對反向凝固黃銅包覆純銅絞線復(fù)合材料表面質(zhì)量和界面結(jié)合狀態(tài)的影響

姜雁斌，凌 亮，謝建新

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制備參數(shù)對反向凝固黃銅包覆純銅絞線復(fù)合材料表面質(zhì)量和界面結(jié)合狀態(tài)的影響

姜雁斌1, 2，凌 亮1，謝建新1, 2

(1. 北京科技大學(xué) 新材料技術(shù)研究院，材料先進制備技術(shù)教育部重點實驗室，北京 100083；2. 北京科技大學(xué) 現(xiàn)代交通金屬材料與加工技術(shù)北京實驗室，北京 100083)

采用金屬包覆材料反向凝固成形工藝制備外徑為8.5 mm、芯材為2.12 mm×7 mm絞線的黃銅包覆純銅絞線復(fù)合材料，研究制備參數(shù)對黃銅包覆純銅絞線復(fù)合材料的表面質(zhì)量、包覆層金屬填充狀態(tài)和界面結(jié)合狀態(tài)的影響。結(jié)果表明：較高的復(fù)合腔黃銅熔體溫度和較低的牽引速度，有利于防止復(fù)合材料表面缺陷的產(chǎn)生，改善表面質(zhì)量；而較低的復(fù)合腔黃銅熔體溫度和較高的牽引速度，有利于降低復(fù)合界面銅、鋅原子的擴散和界面反應(yīng)速率，有效減小銅絞線表面熔蝕程度。在復(fù)合腔中黃銅熔體與絞線的接觸長度3mm、復(fù)合腔黃銅熔體溫度1000~1020 ℃、牽引速度60~90 mm/min、結(jié)晶器冷卻水流量400 L/h的條件下，制備具有良好表面質(zhì)量和冶金結(jié)合界面的黃銅包覆純銅絞線復(fù)合材料，黃銅包覆層的填充率達98%以上，抗拉強度為250~278 MPa，斷后伸長率為39.1%~43.1%，電導(dǎo)率為53.1%~57.3% IACS。

黃銅包覆純銅絞線復(fù)合材料；反向凝固；界面；性能

金屬包覆材料兼有包覆層和芯材金屬的優(yōu)良性能，在石油、化工、交通運輸、建筑、電力、海洋等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，其中海洋、地下通訊、化工等特殊環(huán)境下的金屬導(dǎo)體需要具有高耐腐蝕、高強度和高導(dǎo)電率等使用性能的金屬復(fù)合材料[1?6]。黃銅包覆純銅絞線復(fù)合材料作為一種新型復(fù)合材料，通過在純銅絞線的外表面包覆一層黃銅，可使復(fù)合材料既具有純銅優(yōu)良的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，又兼有黃銅較高的強度和耐腐蝕性能，在海底電纜、高鐵用貫通地線等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

由于黃銅包覆純銅絞線復(fù)合材料幾何結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，目前尚未見到其制備工藝的報道。反向凝固法是一種制備雙金屬復(fù)合材料有效的手段，具有效率高、能耗低、流程短等特點[7?11]。反向凝固法屬于固相?液相復(fù)合方法，一方面有利于獲得冶金結(jié)合良好的界面，另一方面包覆層在芯線表面進行凝固成形的特點可以獲得組織致密、鑄造缺陷少的包覆層金屬，有利于提高復(fù)合材料的后續(xù)加工性能和使用性能[12?14]。因此，本研究采用反向凝固法制備黃銅包覆純銅絞線復(fù)合材料。

反向凝固法的基本原理是芯線經(jīng)表面凈化處理并預(yù)熱到一定溫度后，以一定的速度垂直穿過包覆層金屬熔體，實現(xiàn)兩種金屬界面良好的冶金結(jié)合。傳統(tǒng)反向凝固法包覆層的凝固不是在水冷結(jié)晶器的作用下完成的，而是芯材作為冷源使包覆層金屬從芯材外表面(界面)開始凝固而實現(xiàn)的(故稱反向凝固)，芯材與包覆層金屬的復(fù)合溫度和界面反應(yīng)控制難度大，芯材容易被包覆層金屬液過度熔蝕或熔斷，芯材金屬元素易擴散進入包覆層金屬熔體中造成污染，導(dǎo)致復(fù)合材料包覆層化學(xué)成分和厚度、界面結(jié)合質(zhì)量和表面質(zhì)量難以控制，不利于制備高質(zhì)量金屬包覆材料，特別是本研究采用的芯線為銅絞線，其橫截面和縱截面的幾何結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，采用傳統(tǒng)反向凝固法難以對包覆層外輪廓進行約束成形，制備滿足使用要求的黃銅包覆純銅絞線復(fù)合材料。

為此，本文作者在傳統(tǒng)反向凝固法的基礎(chǔ)上通過增設(shè)水冷結(jié)晶器，研制了一種新型反向凝固實驗裝置，較好地解決復(fù)合界面反應(yīng)控制的難度，制備了黃銅包覆純銅絞線復(fù)合材料，重點研究了復(fù)合腔內(nèi)黃銅熔體溫度和牽引速度對復(fù)合材料表面質(zhì)量、包覆層填充狀態(tài)和界面結(jié)合狀態(tài)的影響，為制備高質(zhì)量黃銅包覆純銅絞線復(fù)合材料提供實驗基礎(chǔ)。

1 實驗

1.1 反向凝固工藝原理與實驗裝置

根據(jù)反向凝固基本原理和黃銅包覆純銅絞線復(fù)合材料的幾何結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計了一種新型的反向凝固實驗裝置，其工藝原理和結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。該裝置由熔化系統(tǒng)(1和2)、復(fù)合連鑄系統(tǒng)(3、4和12)、溫度監(jiān)控系統(tǒng)(11)、氣體保護系統(tǒng)(6)和牽引系統(tǒng)(5)構(gòu)成。熔化系統(tǒng)的功能是采用感應(yīng)加熱器(2)將石墨坩堝(1)的熔化腔(9)中的包覆層金屬(10)進行熔化；復(fù)合連鑄系統(tǒng)由復(fù)合腔(12)、石墨鑄型(3)和水冷結(jié)晶器(4)構(gòu)成，可控制包覆層金屬在水冷結(jié)晶器(4)中的石墨鑄型(3)內(nèi)壁和芯材(8)表面構(gòu)成的型腔內(nèi)凝固，可以通過調(diào)整石墨鑄型(3)與芯材(8)之間的間隙寬度，精確控制包覆層金屬厚度。溫度監(jiān)控系統(tǒng)對反向凝固過程復(fù)合腔中的包覆層金屬熔體溫度進行實時監(jiān)控，可有效控制包覆層金屬熔體的凝固過程和包覆層金屬與芯材的復(fù)合界面反應(yīng)；牽引系統(tǒng)的功能是驅(qū)動芯線以設(shè)定的速度從上往下通過包覆層金屬熔體，實現(xiàn)黃銅包覆純銅絞線復(fù)合材料反向凝固連鑄復(fù)合成形；氣體保護系統(tǒng)的功能是對復(fù)合過程中的芯材進行氬氣或氮氣保護，以防止包覆層金屬熔體和芯材氧化。

圖1 反向凝固實驗裝置原理和結(jié)構(gòu)示意圖

反向凝固實驗過程如下：首先開啟感應(yīng)加熱器(2)和氣氛保護裝置(6)，使包覆層金屬(10)在熔化腔(9)中熔化，當(dāng)包覆層金屬熔體(10)達到目標(biāo)溫度時，啟動塞棒(7)，使熔化腔(9)中的包覆層金屬熔體(10)流入復(fù)合腔(12)，啟動牽引機構(gòu)(5) 驅(qū)動芯線從上往下通過包覆層金屬熔體；實驗時，可通過調(diào)整復(fù)合腔(12)中包覆層金屬熔體溫度、水冷結(jié)晶器(4)冷卻水流量和牽引速度等，控制包覆層金屬凝固固液界面的位置處于復(fù)合腔(12)與水冷結(jié)晶器(4)之間的石墨鑄型(3)內(nèi)，從而實現(xiàn)黃銅包覆純銅絞線復(fù)合材料反向凝固連鑄復(fù)合成形。

該反向凝固工藝的主要特點如下：

1) 復(fù)合腔中的包覆層金屬熔體在水冷結(jié)晶器和芯材的共同冷卻作用下快速凝固，包覆層金屬熔體與芯材的接觸時間短且可控，有利于控制包覆層金屬熔體與芯材的原子擴散和復(fù)合界面反應(yīng)，提高界面結(jié)合質(zhì)量；

2) 設(shè)計的包覆層金屬熔化和復(fù)合連鑄系統(tǒng)中，熔化坩堝與復(fù)合裝置直接連接，坩堝中包覆層金屬熔體中的夾渣、氣體等上浮至金屬熔體表面易于被清除，潔凈的包覆層金屬熔體從坩堝熔化腔中流入復(fù)合腔和鑄型中，從而保證了鑄型中包覆層金屬熔體的潔凈度，有利于提高復(fù)合材料包覆層金屬的質(zhì)量；

3) 鑄型的上半部分與復(fù)合腔連接，對復(fù)合腔中包覆層金屬熔體的溫度進行精確控制，鑄型的下半部分采用水冷結(jié)晶器進行強制冷卻，主要有以下3個方面的作用：①控制包覆層金屬的固液界面位置，使其位于復(fù)合腔與水冷結(jié)晶器之間的石墨鑄型內(nèi)，可提高包覆層金屬固液界面前沿的溫度梯度，有利于縮短包覆層金屬兩相區(qū)寬度和凝固過程控制，提高包覆層金屬的表面質(zhì)量；②通過調(diào)控復(fù)合腔中包覆層金屬熔體的溫度，可有效控制包覆層與芯材的復(fù)合界面反應(yīng)；③控制包覆層金屬在鑄型內(nèi)壁和芯材表面構(gòu)成的型腔內(nèi)凝固，可以通過調(diào)整鑄型與芯材之間的間隙寬度，精確控制包覆層金屬厚度，包覆材料的包覆比調(diào)控簡單，產(chǎn)品規(guī)格范圍大。

1.2 實驗材料

本研究采用的芯線為2.12 mm×7 mm的硬銅絞線，包覆層為H68黃銅，圖2所示為銅絞線宏觀形貌，H68黃銅的化學(xué)成分如表1所列。

表1 H68黃銅的化學(xué)成分

反向凝固實驗前，首先采用稀鹽酸溶液去除銅絞線表面氧化膜、油污等，然后用酒精或去離子水進行清洗后烘干，采用如圖1所示的反向凝固裝置制備了外徑為8.5 mm的黃銅包覆純銅絞線復(fù)合材料。采用差熱分析(DSC)法獲得了H68黃銅固相線溫度為906 ℃，液相線溫度為939 ℃，純銅絞線熔點為1083 ℃。前期實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)H68黃銅熔體溫度超過1040 ℃時，合金中的鋅元素?fù)]發(fā)嚴(yán)重，不利于包覆層黃銅化學(xué)成分的控制，因此，實驗過程中控制熔化腔和復(fù)合腔中黃銅熔體溫度不超過1040 ℃；另外，前期實驗結(jié)果表明，復(fù)合腔黃銅熔體溫度和牽引速度是影響反向凝固法制備黃銅包覆純銅絞線復(fù)合材料表面質(zhì)量和界面結(jié)合狀態(tài)的關(guān)鍵因素。為此，本實驗過程中保持冷卻水流速為400 L/h、復(fù)合腔中黃銅熔體與芯材的接觸長度(如圖1中)為3 mm不變，重點研究復(fù)合腔黃銅熔體溫度和牽引速度對黃銅包覆純銅絞線復(fù)合材料表面質(zhì)量、填充狀態(tài)和界面結(jié)合狀態(tài)的影響，制定的制備參數(shù)如表2所列。

1.3 分析測試方法

采用數(shù)碼相機對黃銅包覆純銅絞線復(fù)合材料進行表面形貌采集。從復(fù)合材料上切取橫截面試樣并通過機械打磨和拋光后，采用Nikon ECLIPSE LV150型金相顯微鏡(OM) 觀察復(fù)合材料包覆層黃銅的填充狀態(tài)和界面形貌。采用ZEISS EVO 18 型掃描電鏡(SEM) 及其配備的能譜儀(EDS)對復(fù)合材料的界面形貌和成分進行分析。

表2 反向凝固實驗制備參數(shù)

參照 GB/T 4909.3—2009《裸電線試驗方法第3部分：拉力試驗》制備拉伸試樣，采用MTS萬能材料試驗機測試復(fù)合材料的力學(xué)性能，每組拉伸試樣共3個，測試結(jié)果取其平均值。參照GB/T 3048.2—2007《電線電纜電性能試驗方法第2部分金屬材料電阻率試驗》，測試了復(fù)合材料的電阻，并計算其導(dǎo)電率，每組試樣共3個，測試結(jié)果取其平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 制備參數(shù)對黃銅包覆純銅絞線復(fù)合材料表面質(zhì)量的影響

2.1.1 復(fù)合腔黃銅熔體溫度的影響

在牽引速度和結(jié)晶器冷卻水流量不變的條件下，研究了復(fù)合腔黃銅熔體溫度(980~1040 ℃)對黃銅包覆純銅絞線復(fù)合材料表面質(zhì)量的影響。圖3所示為不同制備參數(shù)條件下獲得的復(fù)合材料宏觀形貌照片。從圖3中可以看出，當(dāng)牽引速度為30 mm/min時，在復(fù)合腔黃銅熔體溫度為980~1040 ℃條件下制備的復(fù)合材料具有較光亮的表面，表面質(zhì)量較好(見圖3(a1)~ (a4))。當(dāng)牽引速度為60 mm/min和90 mm/min時，在黃銅熔體溫度為980 ℃條件下制備的復(fù)合材料表面出現(xiàn)肉眼可見的裂紋(見圖3(b1)~(c1))。提高黃銅熔體溫度至1000、1020 和1040 ℃時，復(fù)合材料表面光潔，沒有出現(xiàn)缺陷(見圖3(b2)~(b4)和(c2)~(c4))。當(dāng)牽引速度為120 mm/min時，在黃銅熔體溫度為980~1040 ℃范圍內(nèi)制備的復(fù)合材料表面都出現(xiàn)了裂紋，隨著黃銅熔體溫度的提高，裂紋的數(shù)量減少(見圖3(d1)~(d4))。另外，隨著黃銅熔體溫度的增大，復(fù)合材料表面氧化程度有所增大。

圖3 不同制備參數(shù)條件下制備的黃銅包覆純銅絞線復(fù)合材料的宏觀照片

2.1.2 牽引速度的影響

在復(fù)合腔黃銅熔體溫度和結(jié)晶器冷卻水流量不變的條件下，研究了牽引速度(30~120 mm/min)對黃銅包覆純銅絞線復(fù)合材料表面質(zhì)量的影響。從圖3中可以看出，當(dāng)黃銅熔體溫度為980 ℃時，在牽引速度為30 mm/min條件下制備的復(fù)合材料表面質(zhì)量較好，當(dāng)牽引速度提高至60 mm/min時，復(fù)合材料表面出現(xiàn)裂紋，進一步增大牽引速度時，表面裂紋等缺陷數(shù)量明顯增多。當(dāng)黃銅熔體溫度為1000、1020和1040 ℃時，在牽引速度為30~90 mm/min的條件下制備的復(fù)合材料表面質(zhì)量都較好，沒有觀察到表面裂紋等缺陷，當(dāng)牽引速度增大至120 mm/min，復(fù)合材料表面出現(xiàn)了不同數(shù)量的裂紋。

根據(jù)上述實驗結(jié)果可以看出，復(fù)合腔黃銅熔體溫度和牽引速度對黃銅包覆純銅絞線復(fù)合材料表面質(zhì)量具有顯著的影響。當(dāng)黃銅熔體溫度較低(如980 ℃)或牽引速度較大(如120 mm/min)時，復(fù)合材料表面易出現(xiàn)裂紋等缺陷。裂紋的形成與復(fù)合過程中包覆層黃銅熔體在鑄型和芯材之間型腔內(nèi)的凝固行為密切相關(guān)。黃銅合金在結(jié)晶過程中的線收縮從有效結(jié)晶間隔的上限(線收縮開始)溫度開始，至有效結(jié)晶間隔的下限(凝固終了)結(jié)束，在該溫度范圍內(nèi)，合金存在一個脆性區(qū)，合金的強度和塑性都很低，該區(qū)域受到拉伸應(yīng)力作用時最容易產(chǎn)生熱裂紋，合金固液兩相區(qū)越大，合金的有效結(jié)晶間隔越大，也越容易產(chǎn)生熱裂紋[15]。在其他制備參數(shù)不變的條件下，當(dāng)黃銅熔體溫度較低時(如980 ℃)，黃銅的固液界面位置靠近鑄型入口，且固液兩相區(qū)的寬度增大，導(dǎo)致包覆層黃銅表面易產(chǎn)生熱裂紋；另一方面，黃銅熔體溫度較低，其流動性也較低，不利于黃銅液向鑄型和芯材之間型腔內(nèi)進行填充，也是產(chǎn)生熱裂紋的另一原因。適當(dāng)提高復(fù)合腔黃銅熔體溫度，使黃銅的固液界面向水冷結(jié)晶器入口方向移動，當(dāng)黃銅固液界面位置處在復(fù)合腔和水冷結(jié)晶器之間的石墨鑄型過渡區(qū)域時，在復(fù)合腔感應(yīng)加熱器強制加熱和水冷結(jié)晶器強制冷卻的作用下，可使鑄型內(nèi)黃銅固液界面前沿的溫度梯度增大，有利于降低固液兩相區(qū)的寬度和提高黃銅熔體流動性，可減少或抑制裂紋的產(chǎn)生，進而改善復(fù)合材料的表面質(zhì)量。

在其他制備參數(shù)不變的條件下，適當(dāng)提高牽引速度，使黃銅的固液界面向水冷結(jié)晶器入口方向移動，當(dāng)固液界面位置處于復(fù)合腔和水冷結(jié)晶器之間的過渡區(qū)域時，同樣可使黃銅固液界面前沿的溫度梯度增大和固液兩相區(qū)的寬度減小，可有效抑制裂紋的產(chǎn)生，制備表面質(zhì)量較好的復(fù)合材料。然而，當(dāng)牽引速度過大時(如120 mm/min)，黃銅的固液界面進入水冷結(jié)晶器的鑄型內(nèi)，使黃銅熔體在鑄型內(nèi)壁形成較薄的凝殼，該凝殼在牽引過程中復(fù)合材料與鑄型產(chǎn)生的摩擦力作用下容易破裂而形成裂紋；另一方面，增大牽引速度，只有單位時間內(nèi)流入鑄型的黃銅熔體量相應(yīng)增大，才能完成充型，同時，增大牽引速度則增大了單位時間內(nèi)進入復(fù)合腔的芯材體積，復(fù)合腔中高溫黃銅熔體向低溫芯材進行熱傳導(dǎo)，導(dǎo)致芯材周圍的黃銅熔體溫度降低幅度較大，黃銅的流動性降低，則不利于黃銅熔體的充型，容易使復(fù)合材料表面產(chǎn)生缺陷。特別是本研究制備的黃銅包覆純銅絞線復(fù)合材料具有包覆層黃銅沿周向和沿長度方向的厚度不均勻的結(jié)構(gòu)特點，復(fù)合過程中黃銅熔體向鑄型和芯材之間的型腔內(nèi)順利填充是制備高表面質(zhì)量黃銅包覆純銅絞線復(fù)合材料的關(guān)鍵之一。因此，在提高牽引速度時，應(yīng)適當(dāng)增大復(fù)合腔黃銅熔體溫度，有利于改善復(fù)合材料的表面質(zhì)量。

根據(jù)上述實驗結(jié)果與分析可知，在復(fù)合腔黃銅熔體溫度為1000~1040 ℃和牽引速度為30~90 mm/min的條件下制備的黃銅包覆純銅絞線復(fù)合材料具有較光亮的表面，表面質(zhì)量較好。較高的復(fù)合腔黃銅熔體溫度和較低的牽引速度，有利于改善黃銅包覆純銅絞線復(fù)合材料表面質(zhì)量。

2.2 制備參數(shù)對黃銅包覆純銅絞線復(fù)合材料填充狀態(tài)的影響

圖5所示為不同復(fù)合腔黃銅熔體溫度和牽引速度條件下制備的黃銅包覆純銅絞線復(fù)合材料橫截面形貌照片，圖6所示為相應(yīng)復(fù)合材料包覆層黃銅填充率的變化曲線。由圖6可以看出，復(fù)合腔黃銅熔體溫度和牽引速度對復(fù)合材料包覆層黃銅填充率的影響較小，當(dāng)牽引速度為30 mm/min時，在復(fù)合腔黃銅熔體溫度為980~1040 ℃范圍內(nèi)制備的復(fù)合材料的填充率都為100%；當(dāng)牽引速度為60 mm/min和90 mm/min時，在復(fù)合腔黃銅熔體溫度為980 ℃條件下制備的復(fù)合材料的填充率分別為99%和98%，當(dāng)復(fù)合腔黃銅熔體溫度增大為1020 ℃時，復(fù)合材料的填充率都達到100%。表明本研究采用的反向凝固實驗裝置，在復(fù)合腔黃銅熔體溫度980~1040 ℃和牽引速度30~90 mm/min的條件下，可使包覆層金屬熔體較好的填充進入鑄型和銅絞線構(gòu)成的型腔內(nèi)，所制備的黃銅包覆純銅絞線復(fù)合材料具有較好的包覆層金屬填充狀態(tài)，填充率為98%~100%。

圖4 黃銅包覆純銅絞線的填充率計算示意圖

圖5 不同制備參數(shù)條件下制備的黃銅包覆純銅絞線復(fù)合材料的橫截面照片

圖6 不同制備參數(shù)條件下制備的黃銅包覆純銅絞線復(fù)合材料的填充率

2.3 制備參數(shù)對黃銅包覆純銅絞線復(fù)合材料界面結(jié)合狀態(tài)的影響

2.3.1 復(fù)合腔黃銅熔體溫度的影響

圖7所示為牽引速度為60 mm/min、冷卻水流量400 L/h時在不同復(fù)合腔黃銅熔體溫度(980、1000和1020 ℃)條件下制備的黃銅包覆純銅絞線橫截面照片。由圖7可以看出，在黃銅熔體溫度為980~1020 ℃時，黃銅與銅絞線之間的界面結(jié)合狀態(tài)較好，界面上的缺陷較少，但是銅絞線表面發(fā)生輕微的熔蝕現(xiàn)象，當(dāng)黃銅熔體溫度增大時，這種熔蝕程度略有增大。

圖8所示為不同復(fù)合腔黃銅熔體溫度條件下制備的黃銅包覆純銅絞線復(fù)合材料界面成分線掃面分析。由圖8可以看出，復(fù)合材料的黃銅/銅界面兩側(cè)發(fā)生明顯的銅、鋅原子互擴散，形成了25~30 μm的界面擴散層，界面達到良好的冶金結(jié)合狀態(tài)。

2.3.2 牽引速度的影響

圖9所示為復(fù)合腔黃銅熔體溫度1000 ℃、冷卻水流量400 L/h時在不同牽引速度(30、60和90 mm/min)條件下制備的黃銅包覆純銅絞線復(fù)合材料橫截面照片。由圖9可以看出，在牽引速度為30~90 mm/min的范圍內(nèi)，制備的復(fù)合材料中黃銅與銅絞線之間的界面結(jié)合狀態(tài)較好，界面上的缺陷也較少。但是，隨著牽引速度降低，銅絞線表面熔蝕程度略有增大。

圖10所示為不同牽引速度條件下制備的黃銅包覆純銅絞線界面線掃面分析。由圖10可以看出，復(fù)合材料的黃銅/銅界面處兩側(cè)發(fā)生明顯的銅、鋅原子互擴散，也形成了25~30 μm的界面擴散層，界面達到良好的冶金結(jié)合狀態(tài)。

2.4 黃銅包覆純銅絞線復(fù)合材料界面形成機理

由上述實驗結(jié)果和分析可知，在復(fù)合腔黃銅熔體溫度為980~1040 ℃和牽引速度為30~90 mm/min范圍內(nèi)，制備的黃銅包覆純銅絞線復(fù)合材料的界面形成了25~30 μm的界面擴散層，達到良好的冶金結(jié)合狀態(tài)。

圖7 牽引速度60 mm/min、不同復(fù)合腔黃銅熔體溫度時制備的黃銅包覆純銅絞線復(fù)合材料橫截面照片

圖8 牽引速度60 mm/min、不同復(fù)合腔黃銅熔體溫度制備的黃銅包覆純銅絞線復(fù)合材料界面EDS線掃描圖

圖9 復(fù)合腔黃銅熔體溫度1000 ℃、不同牽引速度時制備的黃銅包覆純銅絞線復(fù)合材料橫截面照片

圖10 復(fù)合腔黃銅熔體溫度1000 ℃、不同牽引速度時制備的黃銅包覆純銅絞線復(fù)合材料界面EDS線掃描譜

另外，隨著黃銅熔體溫度的升高和牽引速度的減小，銅絞線表面發(fā)生熔蝕程度增大。反向凝固復(fù)合過程中，界面的形成、銅絞線表面熔蝕行為與銅絞線和黃銅熔體之間的傳熱及傳質(zhì)行為密切相關(guān)。

反向凝固實驗過程中，當(dāng)?shù)蜏丶冦~絞線進入黃銅熔體中，高溫的黃銅熔體迅速向銅絞線進行熱傳導(dǎo)，使銅絞線溫度迅速升高。根據(jù)銅?鋅二元相圖[16]可知，鋅和銅在高溫狀態(tài)下為無限互溶合金體系，由于銅絞線和黃銅熔體(H68黃銅，鋅含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為30%~33%)之間存在較大的成分梯度，因此，處于高溫狀態(tài)下的銅絞線和黃銅熔體之間的原子互擴散非常劇烈。

實驗過程中，當(dāng)銅絞線與高溫的黃銅熔體接觸時，銅絞線表面的銅原子和黃銅熔體中的鋅原子進行快速擴散，一方面使黃銅熔體中的鋅原子向銅絞線進行擴散，形成冶金結(jié)合良好的黃銅/銅界面，同時在界面兩側(cè)形成一定厚度的銅與鋅原子擴散層；另一方面使銅絞線表層的鋅含量增大，形成了表層銅鋅合金。根據(jù)銅?鋅二元相圖可獲得黃銅合金的液、固相線溫度隨鋅含量的變化數(shù)據(jù)，如表3所列。由表3可以看出，銅絞線表層中鋅含量增大導(dǎo)致其熔點顯著下降，比如當(dāng)鋅含量增大為15%、20%和25%時，合金的固相線溫度降低至1005、979和950 ℃，如果當(dāng)銅絞線周圍的黃銅熔體溫度高于銅絞線表層中銅鋅合金的固相線溫度時，通過熱傳導(dǎo)可使表層銅鋅合金熔化，產(chǎn)生銅絞線表面熔蝕的現(xiàn)象。黃銅熔體溫度越高，牽引速度越低，即在銅絞線與高溫黃銅熔體接觸時間越長，銅絞線表面的銅原子和黃銅熔體中的鋅原子擴散越劇烈，黃銅熔體與銅絞線的界面反應(yīng)也越劇烈，銅絞線被黃銅熔體熔蝕的程度越大。因此，較低的復(fù)合腔黃銅熔體溫度和較高的牽引速度，有利于降低界面銅、鋅原子的擴散和界面反應(yīng)速率，可有效減小銅絞線的熔蝕程度。

表3 黃銅合金的液、固相線溫度隨鋅含量的變化

2.5 黃銅包覆純銅絞線復(fù)合材料力學(xué)性能和電導(dǎo)率

根據(jù)上文實驗結(jié)果和分析可知，綜合考慮包覆層表面質(zhì)量、填充狀態(tài)和界面結(jié)合狀態(tài)，在本文實驗條件下，合理的制備參數(shù)為復(fù)合腔黃銅熔體溫度1000~1020 ℃、牽引速度60~90 mm/min、結(jié)晶器冷卻水流量400 L/h，所制備的黃銅包覆純銅絞線復(fù)合材料具有良好的表面質(zhì)量和冶金結(jié)合界面，且黃銅包覆層的填充率達98%以上。對上述制備的黃銅包覆純銅絞線復(fù)合材料的力學(xué)性能和電導(dǎo)率進行測試，結(jié)果如表4所示。由表4可以看出，復(fù)合材料的抗拉強度為250~ 278 MPa，斷后伸長率為39.1%~43.1%，電導(dǎo)率為53.1%~57.3% IACS。

表4 黃銅包覆純銅絞線復(fù)合材料的力學(xué)性能和電導(dǎo)率

3 結(jié)論

1) 復(fù)合腔黃銅熔體溫度和牽引速度對黃銅包覆純銅絞線復(fù)合材料表面質(zhì)量的影響顯著。較高的黃銅熔體溫度和較低的牽引速度，有利于防止復(fù)合材料表面裂紋的產(chǎn)生，改善表面質(zhì)量；在熔體溫度為1000~1040 ℃和牽引速度為30~90 mm/min的條件下制備的復(fù)合材料表面質(zhì)量較好。

2) 在復(fù)合腔黃銅熔體溫度980~1040 ℃和牽引速度30~90 mm/min條件下制備的黃銅包覆純銅絞線復(fù)合材料具有較好的黃銅包覆層填充狀態(tài)，填充率達98%~100%。

3) 在復(fù)合腔黃銅熔體溫度980~1020 ℃和牽引速度60~90 mm/min的條件下制備的黃銅包覆純銅絞線復(fù)合材料具有良好的冶金結(jié)合界面，形成了25~30 μm的界面擴散層，且銅絞線表面被熔蝕程度較小。較低的復(fù)合腔黃銅熔體溫度和較高的牽引速度，有利于降低界面銅、鋅原子的擴散和界面反應(yīng)速率，可有效減小銅絞線表面熔蝕程度。

4) 綜合考慮包覆層表面質(zhì)量、填充狀態(tài)和界面結(jié)合狀態(tài)，合理的制備參數(shù)為復(fù)合腔黃銅熔體溫度1000~1020 ℃、牽引速度60~90 mm/min、結(jié)晶器冷卻水流量400 L/h，所制備的黃銅包覆純銅絞線復(fù)合材料具有良好的表面質(zhì)量和冶金結(jié)合界面，黃銅包覆層的填充率達98%以上，抗拉強度為250~278 MPa，斷后伸長率為39.1%~43.1%，電導(dǎo)率為53.1%~57.3% IACS。

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Influences of preparing parameters on surface quality and interface bonding state of brass cladding copper stranded wire by inversion solidification

JIANG Yan-bin1, 2, LING Liang1, XIE Jian-xin1, 2

(1. Key Laboratory for Advanced Materials Processing, Ministry of Education, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China; 2. Beijing Laboratory of Metallic Materials and Processing for Modern Transportation, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

A new inversion solidification technology for producing metal cladding material was used to produce brass cladding copper stranded wire with an outer diameter of 8.5 mm and a core material of2.12 mm×7 mm copper stranded wire. The influences of preparing parameters on the surface quality, filling state and interface bonding state of the brass cladding copper stranded wire were studied. The results show that the surface defects of the brass cladding copper stranded wire are eliminated and the surface quality is improved by enhancing the brass melt temperature in the composite cavity or decreasing the casting speed. On the other hand, decreasing the brass melt temperature or increasing the casting speed can reduce both the diffusions of copper atom and zinc atom as well as the interfacial reaction rate, which can suppress surface erosion of the copper stranded wire effectively. With the contact height of 3 mm between the brass melt and the core material, the brass melt temperature of 1000 ℃, the casting speed of 60?90 mm/min and the cooling water flow of 400 L/h, the produced brass cladding copper stranded wire has high surface quality, good metallurgical bonding interface, cladding layer filling rate of more than 98%，tensile strength of 250?278 MPa, elongation to failure of 39.1%?43.1% and electrical conductivity of 53.1%?57.3% IACS.

brass cladding copper stranded wire; inversion solidification; interface; property

Project(51104016) supported by the National Natural Science Foundation of China

2017-02-24;

2017-12-30

XIE Jian-xin; Tel: +86-10-62332254; E-mail: jxxie@mater.ustb.edu.cn

1004-0609(2018)-04-0693-12

TG244.3

A

10.19476/j.ysxb.1004.0609.2018.04.06

國家自然科學(xué)基金資助項目(51104016)

2017-02-24；

2017-12-30

謝建新，教授，博士；電話：010-62332254；E-mail: jxxie@mater.ustb.edu.cn

(編輯 何學(xué)鋒)