铜包铝紫铜带端面氧化原因分析及预防
时间：2023-02-16 19:30:07 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
王 敏，熊哲思，孙佳明
（江西铜业集团铜板带有限公司，江西 南昌 330096）
铜包铝线已广泛应用于电线电缆行业［1］。紫铜带作为铜包铝线的主要原料，随着近年来通信电子和信息技术产业的迅猛发展，市场需求量持续上升［2］。然而，紫铜带在实际生产过程中易产生氧化变色、沾染油污，尤其是分条后端面易氧化，导致在后续铜带包覆铝杆的包覆焊接中，易产生焊接不牢的现象，并且在拉拔过程中出现漏铝分层和断裂现象，造成质量事故和铜铝材料损失，从而影响铜包铝产品综合成材率。本文对铜包铝紫铜带端面氧化的主要原因进行了分析，并提出相应的预防措施。
由于铜包铝紫铜带均是软态产品，且成品厚度大部分在0.2～0.5mm 之间。考虑到紫铜带物理性能与退火温度及保温时间的关系，若成品再结晶采用罩式炉退火方式，由于退火温度不均匀，成品容易产生粘结缺陷以及性能不均等问题类［3］。为解决此问题，采用气垫式退火方式。铜包铝紫铜带生产工艺流程为：配料—熔炼—铣面—粗轧—切边—罩式中间退火—清洗—成品精轧—气垫式成品退火—纵剪分条—包装—入库。
在生产过程中，铜带表面因成品退火产生的高温氧化层经过清洗工序的酸洗能够被清除，并且在表面进行的钝化处理能够有效防止铜带在后续储存过程中发生氧化［4］。但铜带在成品剪切分条后，新产生的端面并无钝化保护，一旦处理不当极易氧化。
3.1 大气相对湿度的影响
大气相对湿度对铜带氧化变色有很大影响。有研究表明，在温度一定时，氧化膜生长速度随湿度增加而加快，相对湿度RH＞60%时更为显著；
相对湿度不变，表面氧化膜随温度增高而增厚［5］。在高湿度下氧化膜的成长速度比在干燥空气中快得多，形成的氧化膜密度也小一半以上。由此推判，在潮湿大气中形成的氧化膜存在类似多孔的内部缺陷，这种缺陷使氧化膜的致密性降低，对基体的保护性下降。在潮湿大气中，即使紫铜表面不结露，也易形成潮湿表面液膜，产生与水中浸泡时一样的电化学反应，生成化学成分为Cu2O 的氧化物［6］。
铜带电化学腐蚀电极［7］反应如下：
阳极反应：Cu-2e-→Cu2+
阴极反应：2H20+O2+4e-→4OH-
当环境相对湿度超过平滑铜带的临界湿度时，微小水分子吸附在铜带表面形成无数的电化学腐蚀电池效应［8］，其原理见图1。而铜带在切边后端面没有钝化层的保护并且暴露在空气中，极易发生这种电化学腐蚀。
图1 平滑铜带表面形成的电化学腐蚀
如果分条工艺不当，切边后的铜带端面产生毛刺和钝点，铜带表面若存在划痕或凹坑将导致临界湿度下降，引起点式电化学腐蚀电池效应，其原理见图2。
图2 点式电化学腐蚀
3.2 作业环境的影响
由于厂房布局的局限性，熔铸过程中产生的烟灰和木炭灰尘会漂浮到纵剪和包装工作区域，这些烟尘一旦掉落到铜带上，被吸附在铜包铝紫铜带端面，因烟尘的吸湿性强，将大大降低铜带的临界湿度，在铜包铝端面产生电化学腐蚀。其原理见图3。
图3 尘埃和烟灰在铜带表面形成的电化学腐蚀
3.3 铜带自身温度的影响
相关研究表明，铜带氧化速率与温度成正相关［9］。铜包铝紫铜带在分条生产之前，需要进行气垫式退火，此时铜带的温度达到80℃左右。若此时直接分切的话，铜带端面与空气接触极易氧化形成Cu2O，呈现砖红色。另外，铜带在高温冷却过程中，会吸附空气中的水分，形成“干性表面”［8］。
3.4 成品包装材料和包装方式的影响
铜包铝紫铜带成品在运输过程中因外界温度、湿度因素影响，易产生氧化而引起表面变色，所以包装材料和包装方式的选择尤其重要。铜包铝紫铜带常用的包装方式是铜带与铜带之间衬垫气相防锈纸，内置干燥剂，再用塑料袋捆扎密封。市面上常用的气相纸是Vci 多金防锈纸，使用过程中气相缓蚀剂挥发，以一到两个分子的膜厚吸附在铜带表面，形成一层钝化膜［10］，从而起到防氧化的作用。此方式对气相防锈纸质量的要求较高，一旦受潮，不但起不到防氧化作用，反而会在密封包装袋中形成潮湿环境，加快铜带氧化。
4.1 铜带端面质量的控制
控制铜带端面质量，避免产生毛刺和钝点质量缺陷，降低凹坑缺陷藏匿污染物的可能性。铜带表面存在污染物，会吸附水分子导致铜带临界湿度降低，使铜带表面更易氧化。通过对分条刀具进行周期性修磨，做好刀具的全生命周期管理，以降低毛刺和钝点缺陷的产生。另外，在装刀过程中对刀具逐片进行检查，防止有缺口或损伤的刀具用于分切，同时加强分切过程的在线监控，减少人为因素导致毛刺和钝点缺陷的产生。
4.2 生产工艺环境的控制
建设成品清洗、分切、包装等工序的洁净厂房，并做好洁净度和温湿度管控，避免空气中尘埃粒子落在铜带上，导致临界湿度降低。同时，在日常操作过程中要加强机列残沫、残屑和油污的清理，做好工艺卫生检查与整顿。夏季、雨季时注意检查刀具的干燥度，分切好的铜带放入专用铁框中并用防锈纸包覆隔离，防止铜带直接裸露在空气中。
4.3 分切和包装时铜带温度的控制
铜带经过退火后均会进行清洗钝化烘干，烘干温度一般在100℃以上，铜带出口温度约80℃。为防止铜带在高温状态分切，退火后的铜带必须自然冷却，再进行后续操作。实验证明，分切和包装前铜带的温度，夏季控制在40℃以下、冬季控制在35℃以下，可以有效防止端面氧化。
4.4 包装材料质量的控制
成品包装材料重点关注Vci 多金防锈纸的贮存，避免其受潮而失去对铜带的防锈功能。一是采购轻量包装的防锈纸，防锈纸由原先的30kg 一包减至2.5kg 一包，避免因拆开后未能及时使用造成缓蚀剂挥发甚至霉变；
二是控制单次采购量，避免库存积压导致防锈纸过期；
三是按“先进先出”原则领用包装材料；
四是改善库存环境，确保防锈纸不受潮、不变质。
4.5 改善包装方式
采用新型自动包装设备替代手工搬运包装，避免包装过程中工人汗渍滴落或从手套渗至铜带端面，加速铜带氧化。另外包装工人在作业时需佩戴两层手套，里层佩戴一次性PE 手套，外层佩戴棉纱手套，避免汗渍污染铜带。
本研究分析了铜包铝紫铜带端面氧化的原因，有针对性提出解决方法，可通过改进生产工艺和提高操作要求等途径，来重点控制铜带临界湿度，降低铜带分切包装温度等，解决铜包铝紫铜带端面易氧化的难题。以上研究结论经生产实践检验，基本杜绝了铜包铝紫铜带端面氧化问题，大大增强了铜包铝紫铜带产品的市场竞争力。同时通过提高铜包铝焊接质量，提升了铜包铝线行业整体的质量水平，使铜包铝线真正发挥“以铝节铜”的效果。
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