高性能电子通讯屏蔽合金圆线工艺研究及技术开发

责任编辑:匿名 (未验证) 2010/04/29 作者:周贤言 潘联根 何明
        高性能电子通讯屏蔽合金圆线是电子信息类材料领域中一种新型的可替代纯铜圆线的防电磁干扰屏蔽材料,属于电子元器件领域的高新技术材料。

一、概述
        随着科学技术和电气化进程的快速发展,在高压变电所、高压铁塔、金属矿产区、机场附近等特殊场所,对通信、网络、电视都会带来电磁波的干扰,这些地区的电子通讯材料,除了必须具有一般的屏蔽功能外,还必须具有较强的防电磁波功能。为此,我公司根据当时的市场需求,开发生产具有电阻率小、拉断力高的第二代高性能电子通讯屏蔽合金圆线,并通过提高编织覆盖率来增强防电磁波的功能;提高了产品的档次和附加值,也为我国完全自主生产高性能电子通信线缆,向高品质、低成本方向发展提供了条件。因此,该项目的开发、生产和利用,不仅为电子信息类材料行业提供高性能屏蔽材料,而且对改变我国目前铝镁初级原材料及深加工产品处于落后的状态起到升级换代的作用,还对提高电子元器件通讯线缆产业的本土化率和国际市场的竞争力具有非常重要的意义。
       本公司在生产普通铝镁合金圆线的基础上经过百余次的试验,在科研院所有关专家的支持和帮助下,自行完成了高性能电子通讯屏蔽合金圆线配方的试制,掌握了独特、先进的工艺技术并生产出了产品。据浙江省科技信息研究院对该领域的检索:我公司开发的高性能电子通讯屏蔽合金圆线,在铝镁合金(5154)的化学成分基础上,加入B元素,进行B化处理,起到细化晶粒、提高材料的抗拉强度和断裂伸长率、提高导电率的作用;采用自制的管式程控退火炉及消除应力退火工艺,使合金圆线表面形成一层薄的氧化膜,降低电阻率,提高材料的延伸率;使用化学改性技术,使拉出的合金圆线表面生成一层锂化物膏体制剂保护膜,提高其抗氧化性,提高表面清洁度,增强耐腐蚀性,采用上述加工工艺生产的高性能电子通讯屏蔽合金圆线,在检索结果中,除我公司生产外,未见其它文献报道。
        本公司是一家民营科技型中小企业,是国家科技部批准设立的国家火炬计划临安电线电缆特色产业基地骨干企业之一。该产品的配方和工艺技术均有创新,通过该项技术的开发利用,可有效提高屏蔽用铝镁合金圆线的物理、机械、化学性能,改变我国屏蔽用铝镁合金圆线工艺技术落后、产品质量不稳定的局面,产品可替代进口,并可出口创汇。
 
二、国内外同类产品的研究情况
        我国是电子通讯线缆生产大国,浙江临安是全国著名的电缆生产基地,2007年被科技部列为国家火炬计划临安电线电缆特色产业基地,年产线缆在300万公里以上,年产值超100亿元。因此,开发电阻率低、抗拉强度好的高性能电子通讯屏蔽用合金圆线是我国铝镁合金生产厂家的发展趋势,己有不少企业投入大量的人力、物力开发这类产品。
        据浙江省科技信息研究院对该领域的检索:杭州银河线缆等公司于1993年国内首家生产接入网线缆(统称为同轴电缆)、有线电视电缆等屏蔽外导体编织线的新型材料-铝合金线(铝镁合金线)(美国称为电工用6201-T81铝合金线,在世界广称为5154或5056铝合金线)。该公司的铝镁合金线年产量达到3000余吨。其它化学成分符合GB3190或ANST/ASMB316的规定,机械性能符合GB3190、3196-82的规定。其技术指标见下表:
型号规格 抗拉强度(MPa) 断裂伸长率            (%) 密度
(kg/dm²)
20℃电阻率
(Ωmm²/m)
上下公差
(±)
HLM-2022 ≥230 ≥12 2.68≦d≦2.72 ≦0.054 ±0.006
HLM-0.20 ≥230 ≥10 2.68≦d≦2.72 ≦0.054 ±0.006
HLM-0.18 ≥220 ≥9 2.68≦d≦2.72 ≦0.054 ±0.005
HLM-0.16 ≥220 ≥8 2.68≦d≦2.72 ≦0.054 ±0.004
HLM-0.15 ≥220 ≥7 2.68≦d≦2.72 ≦0.054 ±0.004
HLM-0.12 ≥220 ≥6 2.68≦d≦2.72 ≦0.054 ±0.004
        在国外,美国飞佛线材公司生产的屏蔽用铝镁合金圆线是国际上知名度最高、质量技术最好的同类产品,我国开发的产品都将其作为比对目标。
        目前由于生产工艺技术落后,国产屏蔽用铝镁合金圆线质量落后于国外同类产品。因此,国际上最大的屏蔽用铝镁合金圆线生产企业—美国飞佛线材公司乘机进入我国,抢占国内市场。我公司经铝镁合金化学成份配方创新、工艺技术创新,研发的电子通讯屏蔽用合金圆线,提高了抗拉强度,并通过提高编织覆盖率来增强防电磁波的功能;其拉断力、断裂伸长率与20℃时的电阻率优于国内其它公司生产的同规格产品,技术属国内领先、达到国际同类产品水平,为制造高性能电子通信线缆及配套电子元器件提供了高性能屏蔽材料。
        详见与国内外公司产品技术指标对比如下表:
指标名称 银河公司 飞佛公司 日本 飞祥公司 本公司产品
直径(mm) 0.15±0.05 0.15±0.063 0.15±0.05 0.15±0.05 0.151
拉断力(N) ≥3.89 6.10 4.42-5.48 ≥3.89 6.10
断裂伸长率(%) ≥7 3 11±3 ≥7 12
20℃时电率Ωmm²/m ≦0.054 0.052 0.051 ≦0.054 0.051
耐卷绕性 10圈 10圈 10圈 10圈 11圈
 
三、市场需求
        我国电子信息及网络技术从上世纪80年代兴起,二十几年的时间取得了跨越式的发展。“十五”期间国家把发展电子信息及网络技术列为重点发展的专项之一,广电总局和信息产业部大力推进电子通信和网络技术建设,国家计委又推出“村村通”有线电视工程,到“十五”末有线电视终端接近8000万个,且每年以30%速度递增,成为世界上最大的有线电视网。“十一五”规划又提出以信息化带动工业化,实现社会生产力的跨越式发展,大力推进企业信息化工程建设,实施西部大开发战略,加快发展数字电视,这些举措无容置疑将给电子线缆及网络技术带来新的发展机遇和市场容量,从而带动优质屏蔽用铝镁合金圆线的增长。
        由于电子线缆具有宽带、高速率的特性,不仅可传输视频信号,而且能传输数据信号,还可通过IP的形式传输语言信号,开展视频点播、远程教育、医疗等方面的服务;以及开展在线证券交易,智能管理和电子商务等增值业务。前些年网络建设所使用的线缆和设备由于性能差、档次低,己无法满足网络宽带的新要求,急需进行升级改造,高性能电子通讯屏蔽合金圆线作为电子信息类材料生产中必不可少的电磁波屏蔽材料,其市场需求将随之扩大。
        随着电子信息产业的蓬勃发展,自办节目、卫星电视、交互电视、网络电视的相继开通,以及有线电视的用户迅速增加,使得通讯线缆的传输距离延长,耗用的线缆增加。2009年我国仅物理发泡同轴线缆销售约100亿元以上,产量达到800多万公里的规模,耗用线缆屏蔽用镀锡纯铜圆线约5万吨,屏蔽用铝镁合金圆线约4.1万吨。
        目前我国正好处于通讯网络第二次改造更换期,大部分地区的网络都需要更新与升级,从而又迎来了一次采购高潮。据广电局统计,国内每年对通讯同轴线缆的需要量在500万公里以上,且每年以20%的速度递增。由此带动相关材料的递增,优质屏蔽用铝镁合金圆线的替代率以10%的速度递增,这为我们开发生产高性能电子通讯屏蔽合金圆线提供了宽广的市场前景。
        特别是我国的物理发泡同轴电缆,是国际市场上认可和参加竞争力的品种。目前主要出口美国、德国、巴基斯坦、俄罗斯、日本、巴西、新加坡、印度等国。据预测,“十一五”期间,通信线缆行业的年出口量可达8-9亿美元,作为主要原料之一的性能优异的屏蔽用铝镁合金圆线全部依赖进口,价格居高不下,若采用镀锡纯铜圆线同比成本上涨3/4倍,而且带来使用寿命减短的问题。为此国内大型通信线缆出口企业也十分关注本项目的进展,希望我们加快进程,替代进口。为了提高产品的品位,进一步了解国际市场,在产品的少批量生产阶段,我们主动出击,通过网上交易,产品出口日本,经北西产业株式会社检测、试用,各项技术指标均达到要求,2009年己出口创汇295万美元,实现国内、国际市场同步发展。
        综上所述,目前本公司的高性能电子通讯屏蔽合金圆线产品正处于成长期,因此具有很大的发展空间。
 
四、主要研发内容和技术
        1、研究开发内容
        本公司研制的高性能电子通讯屏蔽用合金圆线,主要应用在电子元器件领域作电磁波屏蔽材料,替代原来一直沿用的屏蔽用镀锡纯铜圆线,在保证传输信号的同时,防止了因异质引起的电化学腐蚀,提高使用寿命,降低通信线缆的生产成本,节约铜资源并出口创汇。
        2、基本要求
        高性能电子通讯屏蔽合金圆线,除了要求电阻率要小以外,还要求抗拉强度高,伸长率、耐腐蚀性好、防电磁干扰能力强。作为镀锡铜丝屏蔽圆线的替代品,铝镁合金材料其金相组织,加工工艺的改进就显得十分重要,因此,铝镁合金屏蔽圆线的配方,工艺技术要求如下:
        (1)铝镁合金中杂质元素越少越好,以降低电阻率;
        (2)合金结晶晶粒细小,可提高材料强度,提高延伸率;
        (3)减少合金晶粒内固溶物,贫化晶内杂质,降低电阻率;
        (4)消除铝镁合金拉丝的加工应力、降低电阻率;
        (5)降低铝镁合金中的气体含量,提高材料拉断力、伸长率、降低电阻率。
        3、技术研究
        在5154的化学成分基础上加入B元素,降低si、Fe等元素的含量,这是本产品的关键技术之一。由于B元素加入,减少了晶内杂质,改变杂质存在形态,细化晶粒,对产品提高强度、延伸率、降低电阻率起到关键作用。在工艺上采用以下五项措施:
        (1)采用覆盖剂,精炼剂,去杂减少氧化,并除气(H2、O2)。
        (2)底部水平连铸铸条,减少浇铸过程中的气体吸入;
        (3)铸条作自然时效处理,使晶内固溶相析出;
        (4)成品圆线热处理,采用管式程控消除应力退火工艺,严格控制时间、温度、炉内的真空度,控制加热微氧化,确保每盘8公斤以上无断丝(Φ0.15每盘长度约40.57公里),保持铝镁合金丝的光亮。
        (5)成品圆线采用锂化合物表面化学改性技术,使其具有良好的耐腐蚀性。
 
五、科研创新的主要方式
        1、配方创新
        本公司高性能电子通讯屏蔽合金圆线的化学成分为:
        Mg:3.5-4.5%
        Cr:0.2-0.3%
        B:0.2-0.3%
        其余为Al
        注:Si、Fe、Mn、Cr、Zn、Ti元素含量越少越好。
        它是在5154的化学成分基础上,根据屏蔽用铝镁合金圆线的要求,从细化晶粒,减少晶内杂质,改变杂质存在形态着手,经研究,进行B化处理,加入了B元素,这是国内尚没有的;加入量为0.2-0.3%;B在低温时不固溶,微小的AlB2粒子(颗粒大小约为0.5-0.3uM), 可作为铝镁合金结晶时的形核核心,起到细化晶粒和防电磁干扰功能,提高材料的抗拉强度和断裂伸长率,同时B能除Fe、V、Ti等杂质元素,并改变杂质存在形态,降低晶内固溶相的浓度,降低有害物质,提高导电率。
        2、工艺创新
        (1)高性能屏蔽用铝镁合金圆线采用独特的管式程控退火消除应力工艺具有创新性,使材料物理性能均匀一致,对降低电阻率,提高材料的伸长率起到了关键作用,可确保每盘8kg以上无断丝,提高了电子线缆的屏蔽功能和适应电子线缆高速编织生产的工艺要求。
        通过采用管式程控退火炉,可以比较准确地控制炉内各段温度分布,满足消除屏蔽用合金圆线加工应力的温度需要和炉内气氛的需要,预热段和均热段需要真空,而在出炉段时要求非真空,使合金圆线达到低温氧化,在表面形成一层薄的氧化膜,以提高其耐腐蚀性能和光泽。
        调整炉子各段温度分布及温度高低来调整合金圆线的拉断强度、断裂伸长率及电阻率。
        (2)成品圆线采用锂化合物表面化学改性技术,使铝镁合金丝的表面生成一层保护膜,使其具有良好的耐腐蚀性。
        未经化学表面改性技术处理和经化学改性技术处理的同一种材料在自然条件下耐腐蚀性对比如下:
       我们对化学改性制剂种类的选择,化学改性制剂形态的实验比较以及实施方法的筛选,做了大量的试验工作。目前使用的锂化合物膏体制剂及实施方法认为是比较实用的一种,但要达到最佳状态仍需进一步努力,特别是耐腐蚀性的试验方法及其标准,需要进一步研究解决。
        3、性能创新
        (1)该产品降低电阻率、提高了拉断力、断裂伸长率、耐卷绕性和耐腐蚀性;
        (2)作为通信线缆屏蔽圆线,屏蔽性能与高速编织的适应性提高,有效防止采用镀锡纯铜圆线引起的电化学腐蚀,延长电子线缆的使用寿命;
        (3)是屏蔽用镀锡纯铜圆线的有效替代品,显著降低了生产成本。
据机械工业电工材料及特种线缆产品质量监督检测中心检验。本公司研制和生产的高性能电子通讯屏蔽合金圆线的质量达到国内领先、国际同类产品的水平,并己获得发明专利授权。
 
六、结束语
  我们采用独特的合金配方和管式程控退火工艺、表面化学改性技术,缩短工艺流程,开发生产了高性能电子通讯屏蔽合金圆线,该产品与普通铝镁合金线相比,降低了电阻率,提高了抗拉强度、断裂伸长率、耐卷绕性和耐腐蚀性,其工艺技术居国内领先,达到国际同类产品水平。该产品的采用可显著降低电子线缆的生产成本,减少铜资源的消耗,并出口创汇,为电子信息相关领域和光电线缆行业提供了一种高新技术材料,具有较好的推广使用价值。

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