专利名称：熔剂活化法铜包钢线材热浸镀工艺及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高强度且导电性能良好的铜包覆钢丝的双金属复合导线制备技术，特别适用于需高强度、自承重和良好的接线功能的电缆。
铜包钢线材是以钢丝作为芯体，通过冶金、机械或电化学等方法在其上包覆一层铜，是一种金属基芯包铜复合材料。从六十年代开始，国外先后开发出电镀法、铸造法、铜带压接法、焊接包覆法、套管包覆法等铜包钢生产技术。目前，国内生产厂家多采用电镀法，但电镀法存在耗电大、镀层与基体的结合较差、难以获得厚镀层、生产率低、场地利用率低等不足，特别是电镀废液对环境有污染，易造成公害。八十年代，日本、德国、美国等发达国家先后开发出热浸镀法生产铜包钢线材，它克服了电镀的“三废”污染，铜包覆层厚，且生产率和场地利用率都很高。但由于铜包钢热浸镀全都采用气体还原工艺，它存在设备投资大，生产成本高的不足，不利于在中、小型企业推广应用。
本发明目的是研制一种无污染、短流程、镀层后、低成本、高效率的铜包钢线材热浸镀工艺及其装置。
本发明的熔剂活化法热浸镀铜是将净化的钢丝浸涂助镀剂水溶液后，经烘干，除去水分后，再自下而上引入带有反向结晶器的保温电炉，铜液在钢丝上附着凝固的热浸镀工艺过程。由于铜的熔点较高(1083℃)，因而需选择高熔点的助镀剂，否则助镀剂会提前熔化、分解，起不到应有的保护作用，钢丝表面又被重新氧化。本助镀剂选用了高熔点材料，以硼砂和无水碳酸钠为主要成分，并添加氯化物和氟化物。助镀剂成分及配比分别为45％～50％硼砂，6％～8％NaCl，2％～4％Na3AlF6，4％～7％CuCl2，1％～3％NaF，其余为无水碳酸钠。硼砂和无水碳酸钠在热浸镀前保护已净化的钢丝表面，在热浸镀时熔化、挥发分解，上浮至液面。NaCl、Na3AlF6、CuCl2的熔点较低，在助镀剂中主要起活化和促进溶剂分解的作用，使硼砂和无水碳酸钠能在短时间内迅速熔化和挥发分解，确保钢丝表面清洁、熔剂完全分解，同时增加钢丝表面的活性。NaF为表面活性剂，它能降低钢丝与铜液的表面张力，改善铜液的润湿性，从而提高铜镀层与芯体的结合力。将助镀剂熔制成块状固体，再研磨成粉末后，配制4～10wt.％的助镀剂水溶液，作为铜包钢热浸镀用助镀剂。
本发明中钢丝表面预处理包括碱洗、酸洗、水洗等工艺，碱洗可去除油污，酸洗可去除铁锈，水洗则去除残留的碱液和酸液。
紫铜在熔炼时，极易吸氧，产生大量溶于铜液的氧化亚铜，这会导致铜镀层导电性能的大幅度降低。为提高铜液的纯度，需进行脱氧和精炼。脱氧剂采用0.005％～0.01％的磷、0.003％～0.007％的锂和0.01％～0.015％的富Ce稀土。精炼剂为碱性盐，由于碱性盐与酸性氧化物夹杂形成低熔点的复盐，这些复盐不仅熔点低，而且比重小，易于聚集和上浮，而被排除掉。碱性盐的组分及配比为30％～50％的苏打、25％～40％碳酸钙、其余为萤石。
铜液经脱氧和精炼后，为了细化镀层铜的晶粒，改善铜镀层的晶界组织，降低铜液的表面张力，并改善铜包钢线材导电性能和镀层与基体结合力，添加了微量元素。添加的微量元素为锌、锡、锆、硅和微量富铈稀土，添加元素的总量为0.1％左右，添加量为0.01％～0.02％锌、0.01％～0.015％锡、0.005％～0.01％锆、0.005％～0.01％硅、0.02％～0.03％富铈稀土。
净化的钢丝经浸涂4～10wt.％的助镀剂水溶液后，经烘干，除去熔剂层中的水分，在表面形成一层致密的熔剂层，它可防止已净化的钢丝重新氧化，并可进一步除去酸洗后残余的铁盐和酸洗反应产物的残渣。在热浸镀时，此熔剂层受热挥发或溶解上浮，从而使新鲜的钢丝表面与熔融金属直接接触，并发生扩散反应，从而实现铜液对钢丝的镀覆。
钢丝从保持熔融铜液的反向结晶器的下侧垂直向上通过铜液，铜液在钢丝上附着凝固。该工艺使钢丝与铜液的接触时间大大缩短，生产效率和镀层质量大幅度提高。反向结晶器内衬采用石墨材料，铜液对其浸润性很低。热浸镀工艺参数的选择对镀层厚度的调节起关键作用。随钢丝浸入时间的增加，初始铜镀层附着比迅速增加，达到最大值后，随浸入时间的增加附着比反而降低，因而浸入时间一般在0.05～1.0秒之间。铜液过热温度升高，附着比随浸入时间变化的曲线下降，即附着比降低。铜液温度不同，但铜镀层的附着比随浸入时间的延长，先增加，后降低。铜液温度越高，重熔发生的时间越短，因而铜液温度一般在1130～1280℃之间，保温过程是为了保证铜液处于恒定的温度，铜液的温度直接影响铜包钢线材的镀层厚度。钢丝的预热会降低铜附着比，但会使镀层表面光滑、减少漏镀，钢丝预热温度在550～800℃之间。热浸镀后的钢丝需快速冷却，否则铜包钢表面会形成大量的氧化皮，并影响线材的导电性能。
下面根据附图对本发明作详细叙述。
图1给出铜包钢线材热浸镀工艺及装置示意图。1为放线架，2为钢丝，3为碱洗槽，4为水洗槽，5为酸洗槽，6为水洗槽，7为助镀槽，8为烘干箱，9为感应预热，10为反向结晶器，11控温仪表，12为保温电炉，13为铜熔化炉，14为冷却器，15为铜包钢复合线材，16为收线架。钢丝预处理设备包括放线架、碱洗槽、水洗槽、酸洗槽、助镀槽、烘干箱，它们采取直线型依次排列；铜熔炼炉和保温电炉要就近放置，并通过浇道连接；感应预热装置、热浸镀用反向结晶器和冷却器采用自下而上的垂直排列方式；控温仪表测量的是反向结晶器内的铜液温度；收线设备则可充分利用空间，使其布局合理、紧凑。铜包钢线材生产过程为钢丝首先进入碱洗槽，然后进行水洗、酸洗、水洗、助镀处理、烘干；铜熔化后，在熔炼炉中依次进行脱氧、精炼、添加微量元素，此后将铜液浇入保温炉中，反向结晶器与保温炉连通，当结晶器中的热电偶显示温度达到要求时，钢丝经高频感应预热后，从反向结晶器的底部垂直进入铜液，以很短的时间穿过铜液，随即从结晶器的上部引出，最后经高速冷却后得到铜包钢线材。
铜包钢复合线材在通讯、能源、交通、电子等行业获得广泛的应用，它可作为铜的代用材料，大大节省了铜的用量，并且它综合了铜和钢两种金属的优良性能，兼有铜的优异的耐蚀性能、导电性能及钢的高强度性能。本发明首次提出铜包钢热浸镀的熔剂活化法，并研制出一种新型的热浸镀铜用助镀剂。利用该技术生产的铜包钢线材综合性能远超过用电镀法生产的产品。该技术是一种无污染、短流程、低成本、高效率的铜包钢线材生产方法，它将有利于铜包钢线材的推广应用。
实施例Φ6.0mm钢丝经碱洗、酸洗净化后，浸入5～6wt.％的助镀剂水溶液中。助镀剂的配方为45％～50％硼砂，6％～8％NaCl，2％～4％Na3AlF6，4％～7％CuCl2，1％～3％NaF，其余为无水碳酸钠。浸涂助镀剂后，烘干。紫铜在熔炼时，采用0.005％的磷、0.003％的锂与0.01％的富Ce稀土相结合的方法进行脱氧；采用35％～40％苏打、30％～35％碳酸钙、其余为萤石进行精炼；添加的微量元素为0.01％～0.02％锌、0.01％～0.015％锡、0.005％～0.01％锆、0.005％～0.01％硅、0.02％～0.03％富铈稀土。钢丝在650±10℃预热后，浸入1175±5℃的铜液中，浸入时间为0.3秒，经快速冷却后，得到铜包钢复合线材。其性能指标为铜镀层厚度1.05mm，导电率为49％IACS。
权利要求
1．熔剂活化法铜包钢热浸镀工艺包括碱洗、酸洗、水洗、助镀、烘干工艺，在铜熔化炉中分别加入脱氧剂、精炼剂和微量添加元素，铜熔化炉通过浇道与带反向结晶器的保温电炉连接，其特征在于预处理后的钢丝经高频感应预热，自下而上垂直进入反向结晶器，引出后再通过冷却器快冷；助镀剂的成分和配比(重量百分比)为45％～50％硼砂，6％～8％NaCl,2％～4％Na3AlF6，4％～7％CuCl2，1％～3％NaF，其余为无水碳酸钠，将助镀剂熔制成块状固体，再研磨成粉末后，配制4～10wt.％的助镀剂水溶液。
2．根据权利要求1所述的熔剂活化法铜包钢线材热浸镀工艺，其特征在于所述的脱氧剂的成分和配比(重量百分比)为0.005％～0.01％的磷、0.003％～0.007％的锂和0.01％～0.015％的富铈稀土。
3．根据权利要求1所述的熔剂活化法铜包钢线材热浸镀工艺，其特征在于所述的精炼剂的成分和配比(重量百分比)为30％～50％的苏打、25％～40％碳酸钙、其余为萤石。
4．根据权利要求1所述的熔剂活化法铜包钢线材热浸镀工艺，其特征在于铜液经脱氧、精炼后，再加入以下微量元素0.01％～0.02％锌、0.01％～0.015％锡、0.005％～0.01％锆、0.005％～0.01％硅、0.02％～0.03％富铈稀土。
5．根据权利要求1所述的熔剂活化法铜包钢线材热浸镀工艺，其特征在于所述的反向结晶器内衬采用石墨材料；保温电炉中铜液温度为1130～1280℃；钢丝通过反向结晶器的的浸入时间为0.05～1.0秒。
全文摘要
本发明熔剂活化法铜包钢线材热浸镀工艺及其装置,通过对钢丝表面预处理,并采用以硼砂、无水碳酸钠、NaCl、Na
文档编号C23C2/04GK1300868SQ9912044
公开日2001年6月27日 申请日期1999年12月23日 优先权日1999年12月23日
发明者吴佑实, 张 林, 伦宁, 石元昌, 方梅仙, 李景国 申请人:山东工业大学