CN103952659A - 一种选择性氧化致钢表面自生铜覆层的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种选择性氧化致钢表面自生铜包覆层的制备方法，通过在基体表面自发产生铜包覆层，有效解决包覆界面的结合问题。方法包括以下步骤：含铜钢的表面氧化；去除氧化铁皮；铜包覆层的表面处理。本发明不使用任何外在添加涂层的方式，就可以获得具有铜包覆层的铜-钢复合材料；所制备的铜包覆层由于是从基体自身产生，因此没有任何复合界面的结合问题，不会发生包覆层剥离；所制备的铜-钢复合材料即保留了钢的高强度、高韧性等强度性能，又具备了铜的耐腐蚀、导电、导热等特性，同时外表美观。

Description

一种选择性氧化致钢表面自生铜覆层的制备方法

技术领域

本发明涉及铜包钢复合材料的制备方法，特别是一种选择性氧化致钢表面自生铜包覆层的方法。

背景技术

随着复合材料及相关工艺的发展，目前已开发出了多种铜包钢复合材料。这一材料兼具铜的耐蚀性强、导电率高以及铁的高强度等优点，其综合性能好，制造成本较低并节约能源。铜钢复合材料已在建筑、铁路、电力、石油化工等行业得到了应用，其性能已得到了验证，无论从实用性、安全性、经济性来看，都具有非常好的应用前景。

目前生产铜包钢线的方法主要有电镀法、包覆法、热浸镀法、水平连铸法。

采用用电镀法的公开资料：何慧兰，“铜包钢线的研制与应用”，《电镀与环保》，2002，22(6)：32-33；刘宗信，“平行双股铜包钢线芯新型通信电缆的研制”，《电线电缆》，1994，(5/6)：10-12；刘咏兰，“电镀法生产双金属线”，《电线电缆译丛》，1997，(2)：10-13)。生产铜包钢线材的工艺比较成熟，产品质量比较稳定，是目前普遍采用的一种生产方法。电镀法是把经过脱脂、酸洗等湿式处理的钢线进行电镀。工作时把成卷的钢线连续不断地送进预处理槽及电镀槽中。输送辊把其悬挂在电镀槽内的同时，通过自身的旋转起到送线作用。电镀后的线材经过拉伸加工，可以生产出各种规格的线材。线材电镀的连续性决定了电镀工艺控制的困难，所以必须严格执行工艺要求，保证每道工序的质量。但用电镀法生产的铜包钢线材仍存在铜镀层比较薄、性能较脆、铜层中混有杂质、导电性差、生产过程中环境污染大等缺点。

采用包覆法的公开资料：宋强、戴雅康、刘世程，“包覆焊接法铜包钢线的结构设计和生产”，《光纤电缆与应用技术》，2003，3(3)：44-46；高山辉等，“采用热浸法制造的铜包钢线及其特性和应用”，《电线电缆》，1990，(2)，9-15。包覆焊接法是将清理过的铜带逐步形成圆管状，包覆在清理过的钢线周围，采用焊接法将铜管纵缝焊接起来；铜带压接法是将清理并加热的两条铜带以上下两个方向包覆钢线，利用轧辊间的强大压力将铜带和钢线压接在一起，然后切除铜带接缝的凸耳，形成坯线；套管包覆法是将铜管套在钢丝外部，然后通过拉拔使铜钢结合，铜包钢线长度受铜管长度限制，难以实现连续生产。包覆法采用无氧铜带生产，成本高，加工费用昂贵，而且铜与钢芯的结合力不强。

热浸镀法是由美国通用电气公司开发的，其工艺原理为：符合一定要求的芯杆通过盛有熔融铜液的坩埚，由于母线的温度低，金属靠热渗透原理，把母线加热到高温，熔池中的金属铜将在母线周围形成一层凝固层，原母线经浸渍过程而凝固成比母线粗的铸坯，再经过加工***将铸坯加工成线材。热浸镀法的公开资料：傅晓、于九明，“包铜钢线热浸镀过程的简化模型”，《金属学报》，2000，36(8)：828-831；日本专利：SaKamoto，Mutsuo，Yamazaki，et al.Method formanufacture of copper alloy coated steel wire[P].JP Pat：07144265，1995，06，06；SaKamoto，Mutsuo，Yamazaki，et al.Apparatus for manufactureof copper or copper al loy coated steelwire[P].JP Pat：07232260，1994-06-22。该方法可生产高质量的无氧铜镀层钢线材及铜合金镀层钢线材，铜层和钢芯间的结合力好，可塑性良好。但热浸镀法生产铜包钢线材的工艺还不成熟，生产厂家较少，有待于进一步地开发和推广。

采用水平连铸法的公开资料：王庆娟、杜忠泽、王海波，“铜包钢线生产工艺的特点及现状”，《电线电缆》，2002，4(4)，15-17。水平连铸法是传统的热浸涂和连续铸造工艺的结合，主要分为表面处理、钢芯预热、铸造和后处理等4个环节。该方法生产铜包钢线材具有节省人力，自动化程度高，生产效率高等优点，但保温、凝固和牵引的工艺参数必须相匹配，生产过程较难控制。

综上所述，目前所有铜-钢复合材料都是通过各种复合工艺在钢材表面外加铜包覆层，因此基体和包覆层之间经常出现各种夹杂、气泡、间隔等缺陷，影响复合效果和结合强度。

发明内容

本发明提供了一种选择性氧化致钢表面自生铜包覆层的制备方法，通过一系列氧化反应和表面处理，在基体表面自发产生铜包覆层，有效解决包覆界面的结合问题。

本发明利用含铜钢中的铜不易氧化的特性，在一定温度条件下进行钢的氧化处理，在钢材表面形成钢基体、铜包覆层和氧化层组成的三明治式结构，对该结构进行表面除鳞处理，去除表面氧化产物，得到由铜包覆层和钢基体组成的自生式复合材料。本发明提供的一种选择性氧化致钢表面自生铜覆层的制备方法包括以下步骤：

a.含铜钢的表面氧化

将铜含量≥0.3％的含铜钢置于加热炉内，在空气中加热到1100℃-1150℃，保温1-3小时，随炉冷却至室温，获得厚度约为0.2-1mm的氧化层；

b.去除氧化铁皮

含铜钢经高温氧化后表面产生一层氧化铁皮，包括一次氧化铁皮，二次氧化铁皮，三次氧化铁皮和红色氧化铁皮，氧化铁皮成分包括Fe₃O₄，Fe₂O₃，FeO及其混合物，去除氧化铁皮使铜富集层显露出来，去除氧化铁皮采用除锈剂除锈法，将含铜钢完全浸泡在除锈剂中0.5-24小时，获得外层为铜包覆层，内部为钢基体的铜-钢复合材料；

c.铜-钢复合材料的表面处理

在获得铜包覆层后，对富铜层表面进表面处理，包括调整富铜层表面光洁度和平整度，调整的方法包括研磨、抛光；还包括以铜包覆层为基，在其表面通过电镀或化学镀的方法涂镀其他涂层。

步骤b所述的除锈剂是浓度为12％-18％的稀盐酸，浸泡时间为0.5-1小时。

步骤b所述的除锈剂中添加除锈剂量的质量百分比为0.15％-0.25％的烷基酚聚氧乙烯醚和质量百分比2％-3％的脂肪醇聚氧乙烯醚，控制除锈的时间和效果。

本发明与现有同类技术相比，其显著的有益效果体现在：

本发明不使用任何外在添加涂层的方式，就可以获得具有铜包覆层的铜-钢复合材料；所制备的铜-钢复合材料由于为基体自生包覆层，因此没有任何复合界面的结合问题，不会发生包覆层剥离；所制备的铜-钢复合材料即保留了钢的高强度、高韧性等强度性能，又具备了铜的耐腐蚀、导电、导热等特性，同时外表美观。

附图说明

图1是含铜钢加热前照片。

图2是含铜钢加热后照片。

图3是含铜钢浸泡在除锈剂中照片。

图4是含铜钢除锈后的照片。

具体实施方式

下面结合附图更详细描述本发明。

一种选择性氧化致钢表面自生铜覆层的方法，该方法步骤如下：

1.制备含铜钢，利用真空感应熔炼炉或充有保护气体的熔炼炉制备含铜钢，制备的含铜钢铜含量质量百分比为6.8％，如图1所示。

2.含铜钢的高温氧化，将所制备的含铜钢取样，置于加热炉中，在空气中加热到1150℃，保温2小时，随炉冷却至室温。待冷却后取出样品，将试样表面硬壳状氧化铁皮用机械方法去除，例如采用锤子敲打或用高压水除鳞，露出里面与钢基体紧密接触的薄层氧化铁皮，如图2所示。

3.配制除锈剂，去除氧化铁皮。配制浓度为15％的稀盐酸，在稀盐酸中浸泡30-60分钟，直至锈层溶于酸中，红色的铜包覆层显露出来。如图3、图4所示。

4.通过表面打磨抛光等方式获得表面光洁的铜包覆层。

Claims (3)

1.一种选择性氧化致钢表面自生铜包覆层的制备方法，其特征是该方法包括以下步骤：

a.含铜钢的表面氧化

将铜含量≥0.3％的含铜钢置于加热炉内，在空气中加热到1100℃-1150℃，保温1-3小时，随炉冷却至室温，获得厚度约为0.2-1mm的氧化层；

b.去除氧化铁皮

含铜钢经高温氧化后表面产生一层氧化铁皮，包括一次氧化铁皮，二次氧化铁皮，三次氧化铁皮和红色氧化铁皮，氧化铁皮成分包括Fe₃O₄，Fe₂O₃，FeO及其混合物，去除氧化铁皮使铜富集层显露出来，去除氧化铁皮采用除锈剂除锈法，将含铜钢完全浸泡在除锈剂中0.5-24小时，获得外层为铜包覆层，内部为钢基体的的铜-钢复合材料；

c.铜-钢复合材料的表面处理

在获得铜包覆层后，对富铜层进行表面处理，包括调整富铜层表面光洁度和平整度，调整的方法包括研磨、抛光；还包括以铜包覆层为基，在其表面通过电镀或化学镀的方法涂镀其他涂层。

2.根据权利要求1所述的一种选择性氧化致钢表面自生铜覆层的方法，其特征是：步骤b所述的除锈剂是浓度为12％-18％的稀盐酸，浸泡时间为0.5-1小时。

3.根据权利要求2所述的一种选择性氧化致钢表面自生铜覆层的方法，其特征是在除锈剂中添加除锈剂量的质量百分比0.15％-0.25％的烷基酚聚氧乙烯醚和质量百分比2％-3％的脂肪醇聚氧乙烯醚。