大拉铜线冷拉拔过程组织及性能研究

王余强，刘劲松,，赵天章，张士宏

(1.沈阳理工大学 材料科学与工程学院，沈阳 110159；2.中国科学院金属研究所，沈阳 110016；3.沈阳航空航天大学 航空制造工艺数字化国防重点实验室，沈阳 110136)



大拉铜线冷拉拔过程组织及性能研究

王余强1，刘劲松1,2，赵天章3，张士宏2

(1.沈阳理工大学 材料科学与工程学院，沈阳 110159；2.中国科学院金属研究所，沈阳 110016；3.沈阳航空航天大学 航空制造工艺数字化国防重点实验室，沈阳 110136)

研究了强冷变形条件下铜线材的组织性能变化，探讨了其影响机制。研究结果表明：拉拔变形对铜线材硬度和导电率的影响趋势基本相反，当真应变小于0.3时，硬度快速上升，导电率快速下降；当真应变为0.3～0.8时，硬度缓慢上升，导电率变化不大；当真应变大于0.8时，导电率和硬度都出现了波动。当真应变小于0.8时，抗拉强度迅速提高，延伸率急剧降低；当真应变大于0.8时，抗拉强度缓慢提高，延伸率缓慢降低，都逐渐趋于稳定。微观组织观察表明：纯铜的组织变化过程有3个阶段：晶粒开始细化并出现形变孪晶；晶粒细化加剧，晶界变的模糊；形成纤维组织。

导电率；硬度；真应变；纤维组织

铜是一种延展性以及可锻性非常好的金属，并且拥有良好的导热性、导电性、耐腐蚀及加工性能，因此多用于导线及管材的生产[1-3]。纯铜导线在生活中应用广泛，常用于通信电缆、高保真导线以及接触网导线等[4]。大拉铜线的生产主要分为拉拔，退火，收线三部分。连续多模拉伸是当前大拉铜线的主要生产方式。因电子产品发展的需要，超细铜线(直径小于0.05mm)的市场需求也逐年增大。但是其加工难度大，对原材料性能要求也比较高。然而国内所制备的铜线材的直径大多为Φ8mm[5]远远大于实际应用中的铜线材直径。铜线材基本不能直接投入使用，一般需要经过多道次的冷拉拔才可以制成成品。冷拔变形会使铜线的微观组织发生显著的变化，同时也会对其性能造成较大的影响，从而对铜线材的使用造成了许多不便[6]。因此，研究拉拔变形对铜线材性能的影响显得极其重要。最近几年关于铜线材塑性变形的研究屡有报到[7]。但是室温下铜线材的变形机理以及电学、力学性能却鲜有报道。本文主要研究大拉铜线拉拔变形后的金相显微组织、电学性能以及力学性能。旨在探索拉拔变形对铜线组织和性能的影响规律，为进一步研究提供理论依据。

1 实验方法

本文实验原材料为江铜生产的Φ8mm铜线材，纯度为99.997%。线材在多次拉拔变形过程中，不进行任何退火处理。拉拔方向对线材组织性能可能会造成影响，为了排除该影响，每次拉拔都保持拉拔方向一致。不同变形量的线材经过不同道次拉拔变形得到。由于试样较小，因此采用铁木粉对其进行镶嵌以便组织观察及硬度测量。 硬度测量在MH-3显微硬度计上进行，采用维氏硬度，试样需要先用砂纸打磨以及抛光。金相试样采用5g氯化铁+50mL盐酸+100mL乙醇的腐蚀液进行腐蚀。采用OLYMPUS-PMG3型倒置式金相显微镜进行金相组织观察。电阻通过数字微欧计进行测量，导电率采用国际退火铜标准(%IACS)，导电率可由式η=17.4L/(S×R)计算得到。式中η表示导电率；L表示所测试样的长度；R为所测试样电阻；S表示所测试样的横截面积。其中电阻的测量采用YY2513型数字直流微电阻测量仪，为了有效消除接触电阻所带来的误差，采用四端测量法。拉伸实验采用“三思CMT”电子万能试验机进行测试，采用GB/T1040-93标准，拉伸速度为2mm/min，可以获得铜线材各项力学性能。铜线材的真应变采用下式计算：

(1)

式中:ε为真应变;A0和d0分别表示变形前的横截面积和直径;A和d为拉拔变形后铜线材的“截面积”和“直径”。

2 试验结果与分析

2.1 真应变对线材力学性能及导电率的影响

图1是拉拔过程中变形量对线材硬度和导电率的影响曲线。由图1可以看出：铜线材的硬度和导电率随着拉拔的进行，其变化基本相反。随着真应变的提高，硬度先急速上升，对应的导电率则迅速下降。随着真应变继续增大，二者变化均变小，并逐渐出现波动。当真应变小于0.3时，硬度迅速上升，导电率迅速下降；当真应变为0.3～0.8时，硬度上升的趋势有所减缓，导电率基本上没有变化；当真应变大于0.8时，导电率和硬度都出现了波动。

图2为大拉过程中真应变对线材抗拉强度和延伸率的影响曲线。由图2可知，原始线坯抗拉强度较低，塑性较好超过40%，而经过拉拔后线材发生严重的加工硬化作用，线坯的抗拉强度急剧上升，而延伸率急剧下降。随着拉拔变形量的增加，加工硬化作用越明显，线材抗拉强度不断提高。由图2a分析可知随着真应变的增大，抗拉强度呈现逐渐增大的趋势，当真应变小于0.8时，随真应变的增大，抗拉强度迅速提高，当真应变大于0.8时，抗拉强度缓慢提高，逐渐趋于平缓。由图2b可知，随着真应变的增大，延伸率下降，当真应变小于0.8时，延伸率随真应变的增大急剧降低，当真应变大于0.8时，延伸率缓慢降低，变化趋于平缓，基本保持稳定。

图1 真应变对线材硬度和导电率的影响

图2 真应变对线材抗拉强度和延伸率的影响

2.2 组织分析

为探究多道次连续冷拉拔过程对铜线材组织的影响，对拉拔过程不同直径线材进行取样，并经过磨、抛和腐蚀，最终获得连续冷拉拔铜线过程不同直径铜线材的横向以及纵向金相组织，分别如图3、图4所示。

图3 真应变0.3时显微组织

由图3、图4可以看出，随着各道次的不断拉拔，组织呈现明显的流线型形，方向同拉拔方向一致，晶界也变的基本不可见。随着拉拔的继续进行，流线形组织数目显著增加，与此同时流线层慢慢变薄，直到晶界完全消失看不到。由图3b纵截面可以发现：晶粒沿着线材拉拔方向随拉拔进行逐渐变长，不断细化，最后变为纤维组织。由图4b可知，当真应变增大到0.8时，由于不断受到拉拔挤压，晶粒也进一步细化。同时晶粒的扭折裂化也变的极其严重。这时铜线材的显微组织基本呈现为纤维组织，相比之前纤维晶的尺寸变的更加细小，晶界也几乎不可见，呈现典型的流线型。

图4 真应变0.8时显微组织

3 分析与讨论

在冷拉拔过程中，由于晶格发生畸变，电子的散射几率会显著增加。同时经冷变形后的金属，晶间和晶内会产生微观裂纹和空隙以及点阵缺陷和位错等晶体缺陷，这些缺陷会随着变形量的增加不断累积，从而导致电阻升高，因此导电率整体呈下降趋势。

金属在塑性变形时，晶粒会发生滑移，随着变形量的增加，出现位错的缠结，导致位错密度增加，位错运动的阻力加大，即加工硬化，使线材的硬度大幅度提高，当真应变小于0.3时，硬度急剧上升。当真应变为0.3～0.8时，由于形变孪晶的产生，硬度上升较为缓慢。当真应变大于0.8，大量的位错得以继续运动，形成位错的塞积或缠积，因此硬度又显著提高。

由拉拔过程各道次的金相组织可以发现：拉拔后铜线材中晶粒取向主要沿线材的轴向分布。这是由于，在拉拔过程中，晶粒所受的三向应力，有两个方向是压应力，另一个方向也就是铜线材的轴向所受到的是拉应力。在这种受力状态下，铜线材的组织沿着轴向逐渐呈现纤维状。随着拉拔的不断进行，真应变逐渐增大，加工硬化现象也越来越显著，维持拉拔进行所需的力也越大。这就导致了晶粒的细化更加彻底，铜线材组织沿拉拔方向的特征更加显著，即沿轴向分布的纤维组织。对于面心立方金属来说，在拉拔过程中，形变孪晶和剪切变形是纤维组织形成的主要原因[8-9]。

4 结论

(1)拉拔变形对纯铜线材硬度和导电率的影响趋势大致相反，真应变小于0.3时，硬度快速上升，导电率快速下降；真应变为0.3～0.8时，二者变化很小；真应变大于0.8时，二者都出现了上下波动。

(2)随着真应变的增大，抗拉强度呈现逐渐增大的趋势，当真应变小于0.8时，抗拉强度迅速提高。延伸率随着真应变的增大而下降，当真应变小于0.8时，延伸率随真应变的增大急剧降低。

(3)铜线材的组织变化分为以下3个阶段：1)局部产生滑移，晶粒分裂细化开始；2)随着真应变的增大，晶粒变形加剧，晶界变得模糊不可见；3)晶粒彻底被细化，形成了沿轴向分布的纤维组织。

[1]刘劲松,陈大勇,张士宏.基于数值模拟的TP2铜管三联拉工艺优化[J].中国有色金属学报,2015,25(2):458-465.

[2]钟海燕,袁孚胜,田军涛.浅谈我国铜线材的现状及发展趋势[J].上海有色金属,2011,32(4):187-191.

[3]丁雨田,曹军,李来军,等.热处理和冷变形对连续定向凝固Cu-Ag合金性能的影响[J].兰州理工大学学报,2006,32(5):13-16.

[4]崔兰,季小娜,陈小平,等.高强高导纯铜线材及铜基材料的研究进展[J].稀有金属,2004,28(5):917-920.

[5]Kenichi Hanazaki,Naoto Shigeiri,Nobuhiro Tsuji.Change in microstructures and mechanical properties during deep wire drawing of copper[J].Materials Science and Engineering A,2010,527(21):5699-5707.

[6]王露娟,宋克兴,王青,等.拉拔变形对不同直径纯铜线材组织性能的影响[J].河南科技大学学报,2013,34(3):14-17.

[7]范新会,严文.高保真单晶金属线材的研究进展及其应用前景[J].兵器材料科学与工程,2000,23(1):62-65.

[8]Karthic R Narayanan,I Sridhar,S Subbiah.Experimental and numerical investigations of the texture evolution in copper wire drawing[J].Applied Physics A,2012,107(2):485-495

[9]CHEN Jian,YAN Wen,WANG XueYan.Microstructure evolution of single crystal copper wires in cold drawing[J].Science in China(Series E:Technological Sciences),2007,50(6):736-748.

(责任编辑：马金发)

The Research of Mary Copper Wire Drawing Process on Organization and Properties

WANG Yuqiang1,LIU Jinsong1,2,ZHAO Tianzhang3,ZHANG Shihong2

(1.Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China;2.Institute of Metals Research,Chinese Academy of Sciences,Shenyang 110016,China;3.Digital manufacturing process national Defense Key Laboratory,Shenyang University of Aeronautics and Astronautics,Shenyang 110136,China)

Microstructure and properties of copper wire in the condition of strong cold deformation were investigated,and the mechanism of its influence is discussed.The research results show that the influence of drawing deformation on the hardness and conductivity of copper wire is basically opposite.When the true strain is less than 0.3,the hardness increases rapidly and the conductivity decreases rapidly.When the true strain is 0.3 ～ 0.8,the hardness slowly rises,the conductivity change is small.When the true strain is greater than 0.8,the electric conductivity and hardness of the strain are fluctuating.When the strain is less than 0.8,the tensile strength increases rapidly,the extensibility decreases sharply.When the true strain is greater than 0.8,the tensile strength increases slowly,and the extensibility decreases slowly,and they tend to be stable.Microstructure observation shows that Copper organization of the change process has three stages:grain begining to refine and deformation twins appearing;grain refinement increasing,the grain boundaries becoming blurred;fibrous tissue being formed.

conductivity;hardness;true strain;fibrous tissue

2015-09-28

王余强(1991—)，男，硕士研究生；通讯作者：刘劲松(1971—)，男，副教授，博士，研究方向：先进塑性成形技术及计算机模拟。

1003-1251(2016)05-0078-04

TG356.4；TG359

A