金刚线母线用黄丝两种镀层工艺对比研究.pdf

第49 卷Vol.49doi:10.3969/j.issn.1003-4226.2023.04.004第4期No.4金刚线母线用黄丝两种镀层工艺对比研究金属制品MetalProducts2023年8 月August2023庞征（江苏宝钢精密钢丝有限公司，江苏海门2 2 6 114）摘要：研究将生产金刚线母线的电镀黄铜钢丝改为镀纯铜钢丝的可行性。结果表明：与电镀黄铜生产工艺相比，镀纯铜生产工艺减少了7 道工序。镀纯铜钢丝的抗拉强度和电导率分别为146 6 MPa和5.0 6 10 S/m，均略高于镀黄铜钢丝。镀纯铜钢丝和镀黄铜钢丝所生产母线的抗拉强度相当，但前者的电导率高于后者。镀纯铜钢丝所生产母线的电导率随着拉拔速度的增加而增加。此外，镀纯铜钢丝生产母线的成材率与镀黄铜钢丝相当，但前者的平均调机时间和模耗低于后者。钢丝镀纯铜工艺相比镀黄铜工艺显著降低生产成本。关键词：金刚线；母线；镀铜钢丝；电导率中图分类号：TG356.4*5Comparative study of two plating processes of steel wires used for(Jiangsu Baosteel Fine Wire&Cord Co.,Ltd.,Haimen 226114,China)Abstract:The feasibility of changing brass-plated steel wire of core material of diamond wier baseline into pure copper-plat-ed steel wire is studied.Results show that compared with common process of brass plating,process of pure copper platingreduces 7 steps.Tensile strength and electrical conductivity of copper-plated steel wire are 1 466 MPa and 5.06 10 S/mrespectively,which are slightly higher than those of brass-plated steel wire.Tensile strength of baseline produced by cop-per-plated steel wire and brass-plated steel wire is equal,but electrical conductivity of the former is higher than that of thelatter.The electrical conductivity of baseline produced by copper-plated steel wire increases with increase of drawing speed.In addition,yield of copper-plated busbar is equal to that of brass-plated steel wire,but average adjustment time and dieconsumption of the former is lower than that of the latter.Production cost of pure copper plating on steel wire is significantlylower than that of brass plating.Keywords:diamond wire;baseline;brass-plated steel wire;conductivity表面镀有黄铜镀层的钢丝（简称黄丝）广泛应用于钢帘线和金刚线母线等行业。在钢帘线行业，钢丝基体表面电镀黄铜镀层可以显著提高钢丝与橡胶的黏合力 1-3 ,同时黄铜镀层在冷拉拔过程中还可以提供良好的润滑性能 4。在母线行业中,黄铜镀层提高钢丝在湿拉拔过程中的润滑性能，可以有效避免钢丝的锈蚀。母线表面有良好的黄铜镀层可以提高母线的导电性 5.6 ,这也有利于金刚线的电镀过程。黄丝通常是由高碳珠光体钢丝先电镀铜再电镀锌最后进行热扩散后获得。钢丝表面的镀铜层和镀锌层在热扩散后形成铜锌合金镀层即黄铜镀层。值得注意的是，铁和铜之间不会形成金属间化合文献标识码：Adiamond wire baselinePang Zheng物 7 。钢丝基体和铜锌合金镀层之间也不会形成中间合金层，这意味着钢丝基体和铜锌合金镀层之间不是冶金结合，而是普通的物理结合。通常，黄铜镀层中的铜质量分数约为7 0%7 5%，电导率仅为纯铜的2 0%3 0%7.8 1。纯铜相比黄铜合金，硬度更低,塑性变形能力也更好 9.10 。由于母线用黄丝不涉及与橡胶结合力的问题，可以考虑在钢丝表面直接电镀纯铜。为照顾行业习惯，把这种用于金刚线生产的镀纯铜钢丝（实际颜色为紫色）也称为黄丝。镀纯铜黄丝是否可以为钢丝基体提供良好的润滑性能？如果电镀过程和湿拉拔过程可行,可以减少镀锌、热扩散和磷酸洗等多道工序,有效提高母线成品的电导率，改善母线在后续金刚线电镀过12程中的电镀效率和质量。为了解决以上问题，调整电镀工艺制备了镀纯铜黄丝并进行了湿拉拔。对镀纯铜黄丝及其生产的母线进行了组织性能研究并与镀黄铜黄丝及其生产的母线进行了对比分析。1黄丝两种镀层工艺对比黄丝两种镀层工艺示意图如图1所示。从图1放线脱脂奥氏体化收线干燥皂浸水洗磷酸浸黄丝镀纯铜工艺放线脱脂奥氏体化Fig.1Diagram of two coating processes for brass-plated steel wires2两种镀层工艺黄丝组织性能对比2.1性能对比两种镀层工艺的镀后黄丝性能对比见表1。从表1可以看到，镀黄铜黄丝直径为0.50 5mm时，其平均破断拉力和平均抗拉强度分别为2 8 8.8 N和1442 MPa。镀纯铜黄丝直径为0.50 5mm时，其平均破断拉力和平均抗拉强度略高于相同规格的镀黄铜黄丝,分别为2 9 3.6 N和146 6 MPa。镀黄铜黄丝的平均破断拉力和平均抗拉强度较低是Table 1 The performance comparison of brass-plated steel wires after plating by two plating processes类别镀黄铜黄丝镀纯铜黄丝2.2组织形貌对比两种镀层工艺黄丝表面宏观形貌如图2 所示。从图2 可以看出，镀黄铜黄丝外观呈黄色，而镀纯铜黄丝外观呈紫红色。事实上，镀纯铜黄丝呈现出的紫红色正是纯铜的金属本色。两种镀层工艺黄丝表面微观形貌如图3 所示，从图3 可以看出，两种镀层工艺黄丝表面镀层致密性不存在明显的金属制品可以看出，镀纯铜生产工艺相比镀黄铜生产工艺减少了7 道工序。由于镀纯铜黄丝不需要镀锌，也就不需要MF热扩散工序。磷酸是为了去除经过MF热扩散后生成的氧化锌，在不镀锌的情况下避免了磷酸清洗。在镀纯铜黄丝生产工艺中没有减少浸皂工序,这是为了保证钢丝在收线过程中的排线质量。在对比分析中,两种镀层工艺黄丝的直径均为0.50 5mm,相同工序的工艺参数均保持一致。黄丝镀黄铜工艺盐浴水洗碱洗水洗酸洗水洗镀铜水洗水冷槽MF盐浴水洗碱洗水洗酸洗水洗镀铜水洗收线干燥皂浸图1黄丝两种镀层工艺示意图因为镀黄铜黄丝生产工艺中需要经过MF热扩散，这会导致钢丝出现部分强度损失。镀黄铜黄丝和镀纯铜黄丝的镀层克重分别为11.7 9 g/kg和11g/kg。镀黄铜黄丝相比镀纯铜黄丝具有更高的镀层克重是由于其不仅电镀了同等克重的铜还电镀了锌（质量分数约为2 5.2 6%）。此外，镀纯铜黄丝的电导率约为5.0 6 10 S/m，而镀黄铜黄丝的电导率约为4.9210S/m。纯铜镀层相比黄铜镀层具有更高的电导率,这是镀纯铜黄丝电导率略高于镀黄铜黄丝的主要原因。表1两种镀层工艺的镀后黄丝性能对比平均破断平均抗拉直径/mm拉力/N0.505288.80.505293.6第49 卷热水洗水洗镀锌镀层克重/电导率/w(Cu)/%强度/MPa(g kgl)1 44211.791 46611差异。两种镀层工艺黄丝的横截面微观形貌如图4所示。从图4可以看出，镀纯铜黄丝和镀黄铜黄丝基体均为层片状珠光体。镀黄铜黄丝的平均镀层厚度约为2 m（图4a），而镀纯铜黄丝平均镀层厚度约为1.5m（图4b）。事实上，镀纯铜黄丝和镀黄铜黄丝镀层厚度差异也与其镀层克重差异一一对应。(S m*)74.744.92 1061005.06 106第4期此外，对比图4a和图4b还可以发现，两种镀层工艺黄丝表面均存在一定深度的拉拔沟槽，尤其镀层较庞征：金刚线母线用黄丝两种镀层工艺对比研究13薄的镀纯铜黄丝沟槽更加明显。事实上，较厚的镀层在一定程度上掩盖了部分拉拔沟槽。黄色紫红色（a）镀黄铜黄丝图2 两种镀层工艺黄丝表面宏观形貌Fig.2 The surface macroscopic morphology of brass-plated steel wires in two plating processes(b）镀纯铜黄丝50m(a）镀黄铜黄丝图3两种镀层工艺黄丝表面微观形貌Fig.3 The surface microstructure of brass-plated steel wires in two plating processes50 m(b）镀纯铜黄丝1.5 m10 m（a）镀黄铜黄丝图4两种镀层工艺黄丝横截面微观形貌Fig.4 Microstructure of cross section of brass-plated steel wires in two plating processes为了排除拉丝机的影响,两种镀层工艺黄丝均在相3两种镀层工艺黄丝湿拉拔母线对比3.1湿拉拔结果对比两种镀层工艺黄丝湿拉拔结果对比见表2。10 m(b）镀纯铜黄丝同的拉丝机上进行湿拉拔，均生产42 m母线。镀纯铜黄丝和镀黄铜黄丝湿拉拔均生产14盘，总长度分别为3 0 19 km和3 512 km。镀纯铜黄丝湿拉14拔的平均调车时长为58 min，而镀黄铜黄丝湿拉拔平均调车时长为7 6 min。值得注意的是，调车时长是黄丝完成穿模后调整母线圈径直至达到母线湿拉拔放行标准所用的时间，平均调车时长在一定程度上反映了黄丝的综合状态。两种镀层工艺黄丝在湿拉拔过程中的成材率均为43%，镀纯铜黄丝Table 2 Comparison of wet drawing results for brass-plated steel wires in two plating processes母线规格/类别m镀黄铜黄丝42镀纯铜黄丝42镀黄铜黄丝在湿拉拔过程中的断丝主要是由于表面撕裂和夹杂物所引起。镀纯铜黄丝在湿拉拔过程中的断丝主要是紧缩和夹杂物所引起。镀纯铜黄丝在湿拉拔过程中的紧缩断口如图5所示。紧缩又称为拉拔过载，钢丝的破断拉力过小，钢丝表面润滑不良会导致拉拔力过大，可能使钢丝产生紧缩现象。此外，模序延伸率小于机器延伸率（钢丝的速度大于其变形速度)也会导致钢丝紧缩断裂。镀纯铜黄丝拉拔过程中的紧缩断丝位置主要出现在第二组塔轮处，当第二组塔轮绕线方式从2.5圈改为1.5圈后未再出现紧缩断丝，这是因为绕圈越多摩擦阻力越大，越容易使钢丝出现过大的拉拔张力，进而引起紧缩。这也说明在镀纯铜黄丝湿拉拔过程中出现的紧缩断口实质上是可以避免的。3.2母线性能对比两种镀层工艺黄丝所生产42 m母线的性能对比见表3。从表3 可以看出，镀纯铜黄丝所生产母线的破断拉力和抗拉强度分别为6.7 1N和48 43MPa,这与镀黄铜黄丝所生产母线的破断拉力和抗拉强度相当。值得注意的是，由于镀黄铜黄丝需要经过MF热扩散，这会造成黄丝强度的损失，最终使得镀黄铜黄丝的平均抗拉强度略低于镀纯铜黄丝。但Table 3 The performance comparison of core wires produced by brass-plated steel wires in two plating processes母线直径/电导率/类别铜损/%um拉力/N镀黄铜黄丝42镀纯铜黄丝42此外,镀纯铜黄丝所生产母线铜损略高于镀黄铜黄丝所生产母线。镀纯铜黄丝表面镀层硬度较低，有利于钢丝塑性变形，然而若模具内孔表面光洁金属制品的断丝率为2 9%，略高于镀黄铜黄丝。镀黄铜黄丝的平均单套模产量约为7 0 2 km，而镀纯铜黄丝的平均单套模产量约为10 0 6 km，这是因为纯铜镀层相比黄铜镀层具有更低的硬度,更有利于钢丝的塑性变形，降低了镀纯铜黄丝在湿拉拔过程的模耗。表2 两种镀层工艺黄丝湿拉拔结果对比平均调车总长度/成材率/%断丝率/%时间/minkm763512583019表3 两种镀层工艺黄丝所生产母线性能对比平均破断平均抗拉强度/MPa6.744 8656.714843度较差则可能会使纯铜镀层更容易出现严重刮擦，导致铜损增加。此外,在早期冷拉拔阶段,硬度较低的纯铜相比黄铜镀层抵抗刮擦的能力也较弱。值得第49 卷平均单套模模耗/套产量/km43214329图5镀纯铜黄丝湿拉拔过程中的紧缩断口Fig.5The necking fracture of purecopper-plated steel wires是，镀纯铜黄丝的纯铜镀层可以提供更好的润滑性能，有利于降低钢丝在拉拔过程中产生的应变时效，这使相同形变量下镀纯铜黄丝所生产母线的破断拉力和抗拉强度略低于镀黄铜黄丝所生产的母线。镀纯铜黄丝所生产母线镀层克重约为9.0 9 g/kg，略低于镀黄铜黄丝所生产母线的镀层克重，这是因为镀黄铜黄丝本身镀层克重高于镀纯铜黄丝，而冷拉拔形变量和形变过程相同,导致最终镀黄铜黄丝所生产母线镀层克重高于镀纯铜黄丝所生产母线镀层克重。镀层克重/(g kgl)10.149.095314177021 00650 mL(S m*)3.65 1063.69 106第4期注意的是，母线成品铜损较高并不意味着最终母线表面质量较差。随着形变量增加，纯铜镀层和黄铜镀层的硬度均会明显提高，但纯铜镀层的硬度仍会低于黄铜镀层。相比纯铜镀层，如果黄铜镀层在靠前道次出现较大的拉拔沟槽可能不容易通过自身的塑性变形来修整。两种镀层工艺黄丝生产母线的表面微观形貌如图6 所示，具有纯铜镀层的母线表面质量会略好于黄铜镀层。镀纯铜黄丝和镀黄铜黄丝所生产母线的电导率分别约为3.6 9 10 S/m和3.6 510 S/m,镀纯铜黄丝所生产母线的电导率略高于镀黄铜黄丝。事实上，镀纯铜黄丝本身电导率就高于镀黄铜黄丝的电导率，经过相同形变量的冷拉拔，最终母线成品的电导率理论上也会保持这种差异。值得注意的是,如果镀纯铜黄丝和镀黄铜黄丝镀层保持相同的克重，镀纯铜黄丝及其生产的母线电导率则可能会远高于镀黄铜黄丝庞征：金刚线母线用黄丝两种镀层工艺对比研究15及其生产的母线电导率。此外，在镀纯铜黄丝的冷拉拔过程中可以发现，当拉拔速度从4m/s提高至8m/s时,镀纯铜黄丝所生产母线的电导率可以从3.6910S/m增加至3.7 3 10 S/m。换言之,高的拉拔速度可以使镀纯铜黄丝湿拉拔后的母线具有更高的电导率。由于高拉拔形变速率下钢丝具有更高的形变储能,其基体中本身缺陷的数量也会略高于低形变速率钢丝，因而镀纯铜黄丝所生产母线在高拉拔速度下的高电导率不是由钢丝基体所贡献。事实上，钢丝表面的纯铜镀层在经过超大形变后，位错在初始状态的等轴晶内部会相互缠结，逐渐演变为位错墙甚至形成等轴亚晶。此外，高拉拔速度所产生的拉拔温升可以促使部分等轴亚晶逐渐发生动态再结晶 。动态再结晶会在一定程度上降低镀层内部的位错等缺陷数量，这是高拉拔速度下镀纯铜黄丝所生产母线具有更高电导率的主要原因。um(a）镀黄铜黄丝图6 两种镀层工艺黄丝生产母线的表面微观形貌Fig.6 The surface microstructure of core wires produced by brass-plated steel wires in two plating processes基于以上结果的对比分析与讨论可以看出，镀纯铜黄丝相比镀黄铜黄丝电镀工序更少,具有更高的电导率。此外，镀纯铜黄丝湿拉拔生产母线的成材率与镀黄铜黄丝相当,具有更低的模耗。镀纯铜黄丝所生产母线相比镀黄铜黄丝所生产母线具有更高的电导率和良好的表面质量。镀纯铜黄丝生产工艺相比镀黄铜黄丝减少了7 道工序,生产工序的减少必然会降低生产成本。例如,采用镀纯铜工艺生产直径0.5mm的黄丝，每年可以降低生产成本约600万元。此外，相比镀黄铜黄丝所生产母线，镀纯铜黄丝所生产母线在下游金刚线生产中凭借更优异的电导率可以获得更加致密的镀镍层，提高了金刚石微粉在钢丝表面的电镀沉积效率以及金刚石微粉与钢丝基体的结合力。在下游的切片端，由镀纯铜黄丝所生产母线制成的金刚线的断丝率相比镀黄铜黄丝所生产母线低约10%。此外，镀纯铜黄丝在湿拉过程中有望进一步提um(b）镀纯铜黄丝高拉拔速度，从而提高生产效率。事实上，对于超高形变速率冷拉拔，镀纯铜黄丝母线在出现“绝热剪切”现象之前仍然有很大的提升和利用空间。然而，值得注意的是，提高拉拔速度的同时会对拉丝设备和模具提出更高的要求，在超高拉拔速度条件下即使细微的跳动也可能导致钢丝发生断丝。4结语镀纯铜黄丝电导率约为5.0 6 10 S/m，略高于镀黄铜黄丝的电导率。纯铜相比黄铜具有更高的电导率是镀纯铜黄丝电导率高于镀黄铜黄丝的主要原因。镀纯铜黄丝直径为0.50 5mm时,其平均破断拉力和平均抗拉强度分别为2 9 3.6 N和146 6 MPa，略高于相同规格的镀黄铜黄丝。镀纯铜黄丝未经过MF热扩散是其维持较高抗拉强度的主要原因。镀纯铜黄丝所生产母线的成材率与镀黄铜黄丝16相当，但平均调车时间和模耗低于镀黄铜黄丝。镀纯铜黄丝所生产母线的电导率约为3.6 9 10 S/m，略高于镀黄铜黄丝。镀纯铜黄丝所生产母线的表面质量略高于镀黄铜黄丝。镀纯铜黄丝母线在拉拔速度为4 m/s和8 m/s时的电导率分别为3.6 9 10 S/m和3.7 3 10 S/m。高拉拔速度且高形变量条件下，纯铜镀层发生动态再结晶，降低镀层内部缺陷，这是高拉拔速度条件下镀纯铜黄丝母线具有更高电导率的主要原因。参考文献1 Hotaka T,Ishikawa Y,Mori K.Effect of compound in-gredients on adhesion between rubber and brass-platedsteel cord J.Rubber Chemistry and Technology,2005,78(2):175 187.2 Jeon G S,Seo G.Influence of cure conditions on the ad-hesion of rubber compound to brass-plated steel cord.Part I.cure temperature J.The Journal of Adhesion,2001,76(3):201-221.3 Haemers G,Mollet J.The role of the brass surface compo-sition with regard to steel cord rubber adhesion J.Jour-nal of Elastomers&Plastics,1978,10(3):241-261.4Chen C,Sun M,Wang B,et al.Recent advances ondrawing technology of ultra-fine steel tire cord and steelsaw wireJ.Metals,2021,11(10):1590.5 Poros D,Zaborski S.Semi-empirical model of efficiencyof wire electrical discharge machining of hard-to-machine金属制品materials J.Journal of Materials Processing Technology,2009,209(3):1247-1253.6Prohaszka J,Mamalis A,Vaxevanidis N.The effect of e-lectrode material on machinability in wire electro-dis-charge machining J.Journal of Materials ProcessingTechnology,1997,69(1-3):233-237.7徐洪辉，杜勇，陈海林，等高强度高电导率铜基合金材料的研究现状及发展 J.材料导报，2 0 0 4,18(10):37 40.8Kruth J-P,Lauwers B,Schacht B,et al.Compositewires with high tensile core for wire EDMJ.CIRP An-nals,2004,53(1):171-174.9Moshkovich A,Perfilyev V,Lapsker I,et al.Friction,wear and plastic deformation of Cu and/brass underlubrication conditionsJ.Wear,2014,320:34-40.10 Kamel R,Youssef T.Influence of the zinc content andpre-cold work on the plastic properties of polycrystallinealpha-brassesJ.Acta Metallurgica,1967,15(6):965-970.11 Yang F,Dong L,Cai L,et al.Effect of cold drawingstrain on the microstructure,mechanical properties andelectrical conductivity of low-oxygen copper wires J.Materials Science&Engineering:A,2021,818:141348.(收稿日期：2 0 2 3-0 3-2 9)作者简介庞征19 8 2 年生，江苏宝钢精密钢丝有限公司总经理。第49 卷金属制品编辑委员会新增委员单位启事东北特殊钢集团股份有限公司自2 0 2 3 年6 月申请加人金属制品编辑委员会，经过金属制品编辑部在编委单位中广泛征求意见，截止到2 0 2 3 年7 月底，没有收到不同意见。从2 0 2 3 年8 月开始，东北特殊钢集团股份有限公司正式成为第十三届金属制品编辑委员会委员单位。东北特殊钢集团股份有限公司主任谢亚平同志成为编辑委员会委员。东北特殊钢集团股份有限公司钢丝生产线始建于19 3 8 年，是国内著名的特殊钢钢丝生产单位，占地面积3.2 4万m，是国内著名的特殊钢钢丝生产企业，是多项国家钢丝标准、国家军用钢丝标准、行业钢丝标准的主要起草单位。主要产品为不锈钢丝、轴承钢丝、弹簧钢丝、工具钢丝、结构钢丝、精密合金丝、高温合金丝、银亮钢丝及各种有特定成分和特殊性能要求的钢丝。拥有轴承钢丝、弹簧钢丝和不锈钢丝3 条专业生产线，生产钢丝规格0.10 19.5mm，年产能2.2 万t。公司愿意为支持金属制品期刊办刊、为推进金属制品行业技术进步做出应有的贡献。