Raytron Technical Review RESEARCH ARTICLE WP-01-02

包覆金属冶金学：结合机制

Q: 为什么CCA需要控制金属间化合物厚度？

金属间化合物（如CuAl₂）硬度高但脆性大，过厚的IMC层（>5μm）会导致界面脆化，在热循环或机械应力下容易开裂。控制IMC厚度<3μm可确保良好的延展性和疲劳性能。

Q: 如何判断包覆金属的结合质量？

主要指标包括：剥离强度（CCA应>45MPa，CCS应>50MPa）、界面电阻（ 95%）。可通过剥离测试、超声检测、Microstructure分析etc.方法评估。

The Metallurgy of Clad Metals: Bond Formation Mechanisms

Gao-Lei Xu¹ *

¹RAYTRON Group Technology Research Center, in National

^*通讯作者

收稿: 2025年12月接受: 2026年2月发布: 2026年3月

DOI: 10.1234/raytron.2026.WP-01-02

摘要

包覆金属导体的性能根本上取决于组分金属之间结合的质量。本Whitepapers研究了双金属导体中结合形成的冶金原理，包括固态扩散、机械互锁和金属间化合物形成。我们分析了影响结合强度的工艺参数，介绍了界面评估的表征技术，并提供了针对不同材料组合优化结合质量的指南。

核心发现

三种结合机制协同作用固态扩散、机械互锁和清洁Surface金属键合三种机制共同贡献于包覆金属的结合形成。每种机制的相对贡献取决于材料组合和加工条件。
温度控制是关键 CCA最佳结合温度为320-380°C，过高温度（>450°C）会导致过多金属间化合物形成，过低温度则结合不充分。温度窗口对每种材料组合都不同。
金属间化合物需严格控制 Cu-Al界面会形成CuAl₂、Cu₉Al₄etc.脆性金属间化合物。IMC厚度应控制在<3μm以确保良好的力学性能和长期稳定性。
Ni-Cu体系最稳定 Ni和Cu形成连续固溶体，无脆性金属间化合物，可实现最强的冶金结合。NCCProducts具有优异的高温稳定性和Corrosion Resistant性。

关键词

包覆冶金;金属结合;固态扩散;界面现象;结合强度;金属间化合物;双金属界面

1. Introduction

1.1 界面质量的关键作用

在双金属导体中，组分金属之间的界面既是最大的挑战，也是决定Products性能最关键的因素。高质量的结合能够实现：

层间高效载荷传递
横Cross-Section均匀电流分布
运行中的热稳定性
服役中的长期可靠性

界面作用示意图，展示电流和应力如何通过双金属界面传递 — **Fig. 1** 界面作用示意图，展示电流和应力如何通过界面传递

1.2 历史发展

对金属-金属结合的理解已显著发展：

金属结合科学发展时间线，展示了从古代锻焊到现代固态结合技术的发展历程 — **Fig. 2** 金属结合科学发展时间线

2. BondingMechanisms

2.1 结合机制概述

三种主要机制对包覆金属的结合形成有贡献：

三种结合机制示意图，展示固态扩散、机械互锁和金属键合三种机制 — **Fig. 3** 三种结合机制示意图

固态扩散
机械互锁
清洁Surface的金属键合

每种机制的相对贡献取决于材料组合和加工条件。

2.2 固态扩散

热力学基础：

扩散发生以降低系统的自由能。原子穿过界面的通量遵循菲克第一定律：

J = -D (∂C/∂x)

(1)

其中：

J = 扩散通量 (原子/m²·s)
D = 扩散系数 (m²/s)
∂C/∂x = 浓度梯度

温度依赖性：

扩散系数遵循阿伦尼乌斯关系：

D = D₀ exp(-Q/RT)

(2)

2.3 机械互锁

机制描述：

在微观尺度上，即使抛光的金属Surface也表现出粗糙度。当两个Surface被压在一起并变形时，微凸体互锁：

关键因素：

Surface粗糙度: 初始微凸体高度分布
变形压力: 接触应力大小
材料延展性: 填充空隙的能力
温度: 软化以更好贴合

定量模型：

实际接触面积Aᵣ占表观面积Aₐ的比例：

Aᵣ/Aₐ = P/H

(3)

其中P = 施加压力，H = 较软材料的硬度。

2.4 清洁Surface的金属键合

理论基础：

当原子级清洁的金属Surface接触时，金属键可以直接形成：

原子级界面结合示意图，展示两个金属Surface接触时电子云重叠形成金属键的过程 — **Fig. 4** 原子级界面结合示意图，展示电子云重叠

障碍：氧化膜

实际上，氧化膜阻止了直接的金属接触：

氧化铝 (Al₂O₃)：2-10 nm厚，硬，绝缘
氧化铜 (Cu₂O, CuO)：<2 nm，半导体
氧化镍 (NiO)：<1 nm，绝缘

3. InterfaceCharacterization

3.1 显微技术

CCA界面SEM照片，清晰DisplayCCA界面处的扩散层和微观结构 — **Fig. 5** CCA界面SEM照片，标注扩散层

3.2 化学分析

EDS (能谱分析):

EDS线扫描结果图，Display穿过CCA界面时铜和铝元素的浓度梯度变化 — **Fig. 6** EDS线扫描结果图，DisplayCu-Al浓度梯度

3.3 力学测试

剥离测试：

量化结合强度的standards方法：

σ_peel = F/b

(4)

其中F = 剥离力，b = 试样宽度。

剥离测试装置示意图和典型测试结果数据曲线 — **Fig. 7** 剥离测试装置和典型结果

4. Specific

4.1 铜-铝体系 (CCA)

相图分析：

Cu-Al体系包含多个金属间相：

Cu-Al二元相图，标注了关键相区包括金属间化合物相 — **Fig. 8** Cu-Al相图，标注关键相区

形成动力学：

金属间化合物厚度x遵循抛物线生长：

x² = kt

(5)

其中k = 生长常数，t = 时间。

优化策略：

尽量减少高温停留时间
控制拉拔过程中的界面温度
目标金属间化合物厚度 <3 μm

4.2 铜-钢体系 (CCS)

扩散特性：

Cu-Fe体系的互溶度有限：

Cu-Fe二元相图简化版，Display有限的互溶区 — **Fig. 9** Cu-Fe相图简化版

关键点：

Cu在Fe中的最大溶解度：~8%（850°C时）
Fe在Cu中的最大溶解度：~4%（1100°C时）
600°C以下无显著金属间化合物形成

结合机制： 主要是机械互锁，扩散贡献最小，可通过冷焊实现强结合

4.3 镍-铜体系 (NCC)

完全固溶：

Ni和Cu形成连续固溶体：

Ni-Cu二元相图，Display镍和铜形成连续固溶体，无金属间化合物 — **Fig. 10** Ni-Cu相图，Display连续固溶

意义：

优异的扩散相容性
平缓的浓度梯度
无脆性金属间化合物
可实现强冶金结合

4.4 银-铜体系 (SCC)

共晶体系：

Ag-Cu体系在780°C有共晶点：

Ag-Cu二元相图，Display共晶点和固溶区 — **Fig. 11** Ag-Cu相图

加工考虑：

780°C以下：扩散有限
低温下结合主要是机械性的
较高温度可实现扩散结合

5. Process

5.1 温度效应

温度窗口：

5.2 压力与变形

包覆焊接工艺：

5.3 时间考虑

扩散时间：

高温停留时间影响金属间化合物生长：

t_optimal = x_target²/k(T)

(6)

实用指南：

尽量减少Cu-Al在300°C以上的时间
退火时允许足够的应力消除时间
平衡扩散需求与IMC生长

5.4 气氛控制

6. QualityEvaluation

6.1 无损检测

超声检测：

检测能力：

分层 >0.5 mm
孔隙率 >10% 界面面积
夹杂物 >50 μm

涡流检测：

有效检测：界面间隙、包覆层厚度变化、局部结合缺陷

6.2 破坏性测试协议

standards测试顺序：

破坏性测试standards流程图，包括剥离测试、弯曲测试、Microstructure分析etc.步骤 — **Fig. 15** 破坏性测试流程图

6.3 统计过程控制

关键指标：

统计过程控制(SPC)控制图示例，Display剥离强度的监控数据和控制限 — **Fig. 16** SPC控制图示例

7. Failure

7.1 界面相关失效

7.2 失效分析Case Studies

Case Studies1：CCA热循环失效

Applications: 汽车发动机舱线束
失效: 500次热循环后界面分层
根本原因: 金属间化合物层>5 μm导致脆性
解决方案: 降低加工温度，缩短退火时间

Case Studies2：CCS接地导体失效

Applications: 变电站接地
失效: 10年后界面腐蚀
根本原因: 安装时包覆层损伤暴露钢芯
解决方案: 改进安装程序，添加保护涂层

8. Optimization

8.1 工艺优化框架

包覆金属结合质量优化策略框架图，包括工艺参数、材料选择和质量控制的系统方法 — **Fig. 17** 优化策略框架图

实验设计 (DOE) 方法：

8.2 材料选择指南

8.3 先进结合技术

新兴技术：

超声辅助包覆: 低温下增强结合
电磁脉冲结合: 快速固态结合
激光Surface处理: 可控氧化物去除
纳米结构界面: 工程化界面性能

9. Conclusion

9.1 关键发现

结合质量至关重要，决定双金属导体性能
三种机制对结合形成有贡献：扩散、互锁和金属键合
温度控制对管理金属间化合物形成至关重要
表征方法实现质量验证和优化
材料特定考虑需要定制加工参数

9.2 建议

对生产： 控制温度窗口、优化压力曲线、监控气氛

对质量： 实施SPC、standards化测试、跟踪失效模式

对研发： 研究新材料组合、开发先进表征、模拟界面行为

FAQ

什么是冶金结合？它与机械结合有何区别？

冶金结合是通过原子间扩散形成的永久性结合，结合强度可达150MPa以上，界面不可分离。机械结合仅依靠Surface粗糙度互锁，结合强度通常<50MPa，在热循环或机械应力下可能分层。包覆焊接工艺产生的是冶金结合。

为什么CCA需要控制金属间化合物厚度？

金属间化合物（如CuAl₂）硬度高但脆性大，过厚的IMC层（>5μm）会导致界面脆化，在热循环或机械应力下容易开裂。控制IMC厚度<3μm可确保良好的延展性和疲劳性能。

如何判断包覆金属的结合质量？

主要指标包括：剥离强度（CCA应>45MPa，CCS应>50MPa）、界面电阻（<0.5μΩ·cm²）、IMC厚度（<3μm）、结合覆盖率（>95%）。可通过剥离测试、超声检测、Microstructure分析etc.方法评估。

不同材料组合的结合难度有何差异？

Ni-Cu最容易结合（完全固溶，无IMC）；Cu-钢中etc.难度（有限互溶，主要是机械结合）；Cu-Al最具挑战性（形成多种IMC，需严格控制温度）；Ag-Cu需要避免共晶温度（780°C）。

图表

Interface Interaction Schematic Diagram, Showing Current and Stress Transmission Through Bimetallic Interface — **Fig. 1** Interface Interaction Schematic Diagram, Showing Current and Stress Transmission Through Interface

Metal Bonding Science Development Timeline, Showing 了 from 古代锻焊 to Modern 固State BondingTechnology Development历程 — **Fig. 2** Metal Bonding Science Development Timeline

Three Types Bonding Mechanism Schematic Diagram, Showing 固State Diffusion、Mechanical互锁 and MetalKeyThree Types Mechanism — **Fig. 3** Three Types Bonding Mechanism Schematic Diagram

Atomic Grade Interface Bonding Schematic Diagram, Showing 两个 MetalSurface ContactTimeElectron CloudHeavyLaminationFormation MetalKey Process — **Fig. 4** Atomic Grade Interface Bonding Schematic Diagram, Showing Electron CloudHeavyLamination

CCA InterfaceSEM Photo，Clear DisplayCCA Interface处 DiffusionLayer and Micro Structure — **Fig. 5** CCA InterfaceSEM Photo, Annotated DiffusionLayer

EDSWireScanning Results Diagram，Display across CCA InterfaceTimeCopper and AluminumElement ConcentrationGradient Variation — **Fig. 6** EDSWireScanning Results Diagram，DisplayCu-Al ConcentrationGradient

Peel TestApparatus Schematic Diagram and Typical Test Results Data Curve — **Fig. 7** Peel TestApparatus and Typical Results

Cu-AlBinaryPhase Diagram, Annotated 了Key PhaseAreaIncluding Intermetallic CompoundPhase — **Fig. 8** Cu-AlPhase Diagram, Annotated Key PhaseArea

Cu-FeBinaryPhase DiagramSimplified，DisplayLimited 互溶Area — **Fig. 9** Cu-FePhase DiagramSimplified

Ni-CuBinaryPhase Diagram，DisplayNickel and CopperFormationContinuousSolid Solution，NoIntermetallic Compound — **Fig. 10** Ni-CuPhase Diagram，DisplayContinuousSolid Solution

Ag-CuBinaryPhase Diagram，Display共晶Point and Solid SolutionArea — **Fig. 11** Ag-CuPhase Diagram

Temperature on Bonding Quality Impact Curve，DisplayOptimal Temperature窗口 and ExcessHighExcessLow Temperature Impact — **Fig. 12** Temperature on Bonding Quality Impact Curve

Cladding Welding Process Process in Compressive Force vs Time Variation Curve — **Fig. 13** Cladding Welding ProcessCompressive Force Variation Diagram

Ultrasonic Testing(UT) and 涡流 Testing(ET) Principle Schematic Diagram and Typical Testing Results — **Fig. 14** Ultrasonic Testing Principle and Results DiagramImage

Damage Properties Teststandards Process Flow Diagram，Including Peel Test、弯曲 Test、Microstructure Analysisetc. Steps — **Fig. 15** Damage Properties Test Process Flow Diagram

Statistics Process Control(SPC) Control DiagramExample ，Display Peel Strength Monitoring Data and ControlLimit — **Fig. 16** SPC Control DiagramExample

Cladding Metal Bonding Quality Optimization Strategy Framework Diagram，Including Process Parameters、 MaterialSelection and Quality Control System Method — **Fig. 17** Optimization Strategy Framework Diagram

表格

Table 1 结合质量对性能的影响

结	电效率	Tensile Strength	疲劳寿命
优秀 (>50 MPa)	95-100%	最佳	最大
良好 (30-50 MPa)	90-95%	接近最佳	良好
一般 (20-30 MPa)	80-90%	降低	中etc.
较差 (<20 MPa)	<80%	受损	限

Table 2 常见金属对的扩散参数

体系	D₀ (m²/s)	Q (kJ/mol)	D=10⁻¹⁴ m²/s时的温度
Cu → Al	6.5 × 10⁻⁵	136	345°C
Al → Cu	1.7 × 10⁻⁴	157	385°C
Ni → Cu	2.7 × 10⁻⁵	236	520°C
Cu → Ni	2.3 × 10⁻⁴	228	485°C
Cu → Fe	3.0 × 10⁻⁴	240	530°C

Table 3 界面表征方法

技术	分辨率	获取Info	典型Applications
光学显微镜	0.5 μm	层厚度、缺陷	常规检验
SEM	10 nm	界面形貌	控制
TEM	0.1 nm	原子结构	研究
AFM	0.01 nm	Surface形貌	研究

Table 4 典型扩散区宽度

材料对	加工温度	时间	扩散区宽度
Cu/Al	350°C	1小时	2-5 μm
Cu/Al	400°C	1小时	5-10 μm
Ni/Cu	400°C	1小时	<1 μm
Cu/钢	500°C	1小时	<0.5 μm

Table 5 各材料典型剥离强度

材料	剥离强度 (MPa)	失效模式
CCA (结良好)	45-65	铝内聚失效
CCA (结合不良)	15-30	界面失效
CCS	50-70	钢内聚失效
NCC	40-55	界面内聚

Table 6 Cu-Al金属间相

相	组成	晶体结构	硬度 (HV)	脆
θ	CuAl₂	四方	350-400
η₂	CuAl	正交	400-450	极高
γ₂	Cu₉Al₄	立方	300-350	中etc.
γ₁	Cu₈Al₃	立方	250-300	中etc.

Table 7 金属间化合物生长速率

温度	k (μm²/h)	形成5 μm IMC所需时间
300°C	0.5	50小时
350°C	2.0	12.5小时
400°C	8.0	3小时
450°C	30.0	1小时

Table 8 Ni-Cu界面特性

温度	时间	结强度	失效模式
350°C	1h	35-45 MPa	界面
400°C	1h	45-55 MPa	混
450°C	1h	55-65 MPa	内聚

Table 9 最佳温度范围

材料	最低结温度	最佳范围	避免超过
Cu/Al (CCA)	250°C	320-380°C	450°C (IMC过多)
Cu/钢 (CCS)	200°C	300-400°C	600°C
Ni/Cu (NCC)	300°C	350-450°C	600°C
Ag/Cu (SCC)	200°C	300-400°C	780°C (熔化)

Table 10 气氛要求

材料	气氛	目的
CCA	惰 (N₂, Ar)	防止氧化
CCS	惰性还原性	去除Surface氧化物
NCC	惰性	保持NiSurface
SCC	惰性	防止Ag变色

Table 11 常见失效模式

失效模式	原因	外观	预防
分层	结弱	层分离	优化结合参数
脆断裂	IMC过多	清洁断口	控制时间/温度
腐蚀	电偶效应	优先侵蚀	正确材料
疲劳裂纹	循环载荷	界面裂纹	减少应力集中

Table 12 结合质量材料选择

优先级	Cu/Al	Cu/钢	Ni/Cu	Ag/Cu
最结强度	中etc.	高	极高	中etc.
工艺简	中etc.	高	高	中etc.
温度稳定性	中etc.	高	极高	中etc.
Cost Effective	高	极高	中etc.	低

参考文献

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ASM International ASM Alloy Phase Diagram Database ASM International (2016)
Bowden, F. P., & Tabor, D. The Friction and Lubrication of Solids Clarendon Press (1950)
Owczarski, W. A. A diffusion model for bonding mechanisms in diffusion welding Welding Journal 41 , 45s-52s (1962)
Flemings, M. C. Solidification Processing McGraw-Hill (1974)
Tabor, D. Interactions between surfaces: Adhesion and friction Surface Physics of Materials 2 , 475-529 (1975)
Kazakov, N. F. Diffusion Bonding of Materials Mir Publishers (1985)
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Peng, X., et al. Intermetallic compound growth in Cu/Al clad wires Journal of Materials Processing Technology 267 , 1-9 (2019)
Springer, H., et al. On the formation and growth of intermetallic phases during interdiffusion between low-carbon steel and aluminum alloys Acta Materialia 59 , 1586-1600 (2011)
Xu, L., et al. Interface evolution in copper-clad aluminum wires during thermal processing Materials Science and Engineering A 771 , 138613 (2020)
ASTM International ASTM B566-04: Standard Specification for Copper-Clad Aluminum Wire ASTM International (2020)
ASTM International ASTM B452-20: Standard Specification for Copper-Clad Steel Wire ASTM International (2020)
Raytron Technical Report Interface Characterization of Bimetallic Conductors Internal Report TR-2024-045 (2024)

权威参考链接

ASTM International IEC (International Electrotechnical Commission) ISO (International Organization for Standardization) SAE International IEEE

徐

徐高磊

(Gaolei Xu)

资深材料科学家

资质荣誉

• 锐创集团 CTO
• 浙江省高层次人才特殊支持计划青年人才
• 绍兴市"科技副总"
• 绍兴市科技特派员
• 全国有色金属standards化技术委员会重金属分技术委员会(TC243/SC2)委员

国家standards（主要起草人）查看官方

GB/T 27671-2011 - 导电用铜型材
YS/T 1043-2015 - 电机整流子用银无氧铜带材
YS/T 974-2014 - 复合触点材料用铜及铜合金带材
YS/T 1082-2015 - 灯引线支架用铜带

发明专利检索专利

CN104959396A - 一种复合触点材料用铜带的生产工艺
CN106077125A - 一种磁极线圈用铜型材的生产工艺
CN201410710206 - 一种高铁牵引电机用导电材料及其生产方法
CN201310719717 - 一种连续挤压法铜带坯板形控制方法
CN201310720126 - 一种连续挤压法铜带坯板形控制装置
CN201310376884 - 一种五位一体变压器用铜带边部处理设备
CN201420184755 - 一种连续挤压模具促流装置
CN201320761640 - 一种连续挤压废料清理装置

专业Section

CCA(CCA)技术铜包钢(CCS)制造工艺双金属复合材料光伏焊带技术电动汽车电池极耳材料连续挤压技术

代表性论文

• 轧制法制造金属层状复合材料的研究与Applications，《铝加工》2008年第3期
• 铜铝复合带退火工艺的研究
• 电缆用铜铝复合带制备工艺研究
• 轧制铜/铝复合带材在退火过程中的界面组织演变

徐高磊先生是有色金属加工Section的知名专家，拥有超过15年的丰富经验。他入选浙江省高层次人才特殊支持计划青年人才。他在双金属复合材料技术开发方面做出了重要贡献，并为中国铜及双金属材料的standards化工作做出了重要贡献。

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