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电缆中所用的铜,到底什么样的才算得上是好铜?

发布时间:2019-06-06 阅读:93

电缆中所用的铜,到底什么样的才算得上是好铜?铜杆是电缆行业的主要原料,生产的方式主要有两种——连铸连轧法和上引连铸法。连铸连轧低氧铜杆的生产方法较多,其特点是金属在竖炉中融化后,铜液通过保温炉、溜槽、中间包,从浇管进入封闭的模腔内,采用较大的冷却强度进行冷却,形成铸坯,然后进行多道次轧制,生产的低氧铜杆为热加工组织,原来的铸造组织已经破碎,含氧量一般为200~400ppm之间。无氧铜杆国内基本全部采用上引连铸法生产,金属在感应电炉中融化后通过石墨模进行上引连续铸造,之后进行冷轧或冷加工,生产的无氧铜杆为铸造组织,含氧量一般在20ppm以下。由于制造工艺的不同,所以在组织结构、氧含量分布、杂质的形式及分布等诸多方面有较大差别。
一、拉制性能
铜杆的拉制性能跟很多因素有关,如杂质的含量、氧含量及分布、工艺控制等。下面分别从以上几个方面对铜杆的拉制性能进行分析。
1、熔化方式对S等杂质的影响
连铸连轧生产铜杆主要是通过气体的燃烧使铜杆熔化,在燃烧的过程中,通过氧化和挥发作用,可一定程度减少部分杂质进入铜液,因此连铸连轧法对原料要求相对低一些。上引连铸生产无氧铜杆,由于是用感应电炉熔化,电解铜表面的“铜绿”“铜豆”基本都熔入到铜液中。其中熔入的S对无氧铜杆塑性影响极大,会增加拉丝断线率。
2、铸造过程中杂质的进入
在生产过程中,连铸连轧工艺需通过保温炉、溜槽、中间包转运铜液,相对容易造成耐火材料的剥落,在轧制过程中需要通过轧辊,造成铁质的脱落,会给铜杆造成外部夹杂。而热轧中皮上和皮下氧化物的轧入,会给低氧杆的拉丝造成不利的影响。上引连铸法生产工艺流程较短,铜液是通过联体炉内潜流式完成,对耐火材料的冲击不大,结晶是通过石墨模内进行,所以过程中可能产生的污染源较少,杂质进入的机会较少。
O、S、P是与铜会生产化合物的元素。在熔态铜中,氧可以溶解一部分,但当铜冷凝时,氧几乎不溶解于铜中。熔态时所溶解的氧,以铜=氧化亚铜共晶体析出,分布在晶粒晶界处。铜-氧化亚铜共晶体的出现,显著降低了铜的塑性。
硫可以溶解在熔体的铜中,但在室温下,其溶解度几乎降低到零,它以硫化亚铜的形式出现在晶粒晶界处,会显著降低铜的塑性。
3、氧在低氧铜杆和无氧铜杆中分布形式及其影响
氧含量对低氧铜杆的拉线性能有着明显的影响。当氧含量增加到zui佳值时,铜杆的断线率zui低。这是因为氧在与大部分杂质反应的过程中都起到了清除器的作用。适度的氧还有利于去除铜液中的氢,生成水蒸气溢出,减少气孔的形成。zui佳的氧含量为拉线工艺提供了zui好的条件。
低氧铜杆氧化物的分布:在连续浇铸中凝固的zui初阶段,散热速率和均匀冷却是决定铜杆氧化物分布的主要因素。不均匀冷却会引起铜杆内部结构本质上的差异,但后续的热加工,柱状晶通常会遭到破坏,使氧化亚铜颗粒细微化和均匀分布。氧化物颗粒聚集而产生的典型情况是中心爆裂。除氧化物颗粒分布的影响外,具有较小氧化物颗粒的铜杆显示出较好的拉线特性,较大的Cu2O颗粒容易造成应力集中点而断裂。
无氧铜含氧量超标,铜杆变脆,延伸率下降,拉伸式样端口显暗红色,结晶组织疏松。当氧含量超出8ppm时,工艺性能变差,表现为铸造及拉伸过程中断杆及断线率极具增高。这是由于氧能与铜生成氧化亚铜脆性相,形成铜-氧化亚铜共晶体,以网状组织分布在境界上。这种脆性相硬度高,在冷变形时将会与铜机体脱离,导致铜杆的机械性能下降,在后续加工中容易造成断裂现象。氧含量高还能导致无氧铜杆导电率下降。因此,必须严格控制上引连铸工艺及产品质量。
4、氢的影响
在上引连铸中,氧含量控制较低,氧化物的副作用呗**降低,但氢的影响成为较显著的问题。吸气后熔体中存在平衡反应:H2O(g)=[O]+2[H];
气体及疏松是在结晶的过程中,氢从过饱和的溶液中析出并聚集而形成的。在结晶前析出的氢又可还原氧化亚铜而生成水气泡。由于上引铸造的特点是铜液自上而下的结晶,形成的液**形状近似锥型。铜液结晶前析出的气体在上浮过程中被堵在凝固组织内,结晶时在铸杆内形成气孔。上引的含气量少时,析出的氢存在于晶界处,形成疏松;含气量多时,则聚集成气孔,因此,气孔和疏松是氢气和水蒸气两者形成的。
氢来源于上引生产过程中的各个工艺环节,如原料电解铜的“铜绿”、辅料木炭**、气候环境**、石墨结晶器未干燥等。因此,熔化炉中的铜液表面应覆盖经烘烤的木炭,电解铜应尽量去除“铜绿”、“铜豆”“耳朵”,对提高无氧铜杆质量非常重要。
在连铸连轧工艺中,往往采用适度控制氧含量来控制氢。Cu2O+ H2= 2Cu+ H2O
由于铜液在铸造过程中是自下而上结晶,铜液中的氧和氢所产生的水蒸气很容易上浮跑出,铜液中的氢大部分能被有效去除,因而对铜杆的影响较小。
二、表面质量
在生产电磁线等产品的过程中,对铜杆的表面质量也需提出要求。需要拉制后的铜丝表面无毛刺、铜粉少、无油污。并通过扭转试验测量表面铜粉的质量和扭转后观察铜杆的复原情况来判定其好坏。
在连铸连轧过程中,从铸造到轧制前,温度高,完全暴露于空气中,使铸坯表面形成较厚的氧化层,在轧制过程中,随着轧辊的转动,氧化物颗粒轧入铜线表面。由于氧化亚铜是高熔点脆性化合物,对于轧入较深的氧化亚铜,当成条状的聚集物遇模具拉伸时,就会是铜杆外表面产生毛刺,给后续的涂漆造成麻烦。
而上引连铸工艺制造的无氧铜杆,由于铸造和冷却完全与氧隔绝,后续亦无热轧过程,铜杆表面无轧入表面的氧化物,质量较好,拉制后铜粉少,上述问题较少存在。
无氧铜杆也分进口设备做的和国产设备做的,但目前进口产品已无明显优势,铜杆产品出来后区别不是很大,只要铜板选的好,生产控制比较稳定,国产设备也能产出可拉伸0.05的铜杆.进口设备一般是芬兰奥托昆普的设备,国产设备zui好的应该是上海的海军厂的了,生产时间zui长,军工企业,质量可靠。
低氧铜杆进口设备国际主要有两种,一种是美国南线设备,英文是SOUTHWIRE,国内厂家是南京华新,江西铜业,另一种是德国CONTIROD设备,国内厂家是常州金源,天津大无缝。
无氧及低氧杆从含氧量上容易区别,无氧铜是含氧量在10-20个PPM以下,但目前有的厂家只能做到50个PPM以下.低氧铜杆在 200-400个PPM,好的杆子一般含氧量控制在250个PPM左右,无氧杆一般采取的是上引法,低氧杆是连铸连轧,两种产品相对而言低氧杆对漆包线性 能更适应些,如柔软性,回弹角,绕线性能.但低氧杆对拉丝条件相对要苛刻些,同样拉伸0.2的细丝,如果伸线条件不好,普通的无氧杆可拉而好的低氧杆就断 线,但如果放在好的伸线条件,同样的杆子,低氧杆说不定就能拉到双零五,而普通无氧杆zui多只能拉伸到0.1而已,当然做的zui细的如双零二却非得依靠进口的 无氧铜杆了.目前有企业尝试用剥皮的方式来处理低氧杆来伸0.03线.但有关这方面的内容我还不是很清楚。
低氧铜杆
音响线一般反而喜欢用无氧杆,这和无氧杆是单晶铜,低氧杆是多晶铜有关。
低氧铜杆和无氧铜杆由于制造方法的不同,致使存在差别,具有各自的特点。
一、关于氧的吸入和脱去以及它的存在状态
生产铜杆的阴极铜的含氧量一般在10—50ppm,在常温下氧在铜中的固溶度约2ppm。低氧铜杆的含氧量一般在200(175)—400(450)ppm,因此氧的进入是在铜的液态下吸入的,而上引法无氧铜杆则相反,氧在液态铜下保持相当时间后,被还原而脱去,通常这种杆的含氧量都在10—50ppm以下,zui低可达1-2ppm,从组织上看,低氧铜中的氧,以氧化铜状态,存在于晶粒边界附近,这对低氧铜杆而言可以说是常见的但对无氧铜杆则很少见。氧化铜以夹杂形式在晶界出现对材料的韧性产生负面影响。而无氧铜中的氧很低,所以这种铜的组织是均匀的单相组织对韧性有利。在无氧铜杆中的多孔性是不常见的,而在低氧铜杆中则是常见的一种缺陷。
二、热轧组织和铸造组织的区别
低氧铜杆由于经过热轧,所以其组织属热加工组织,原来的铸造组织已经破碎,在8mm的杆时已有再结晶的形式出现,而无氧铜杆属铸造组织,晶粒粗大,这是为什么,无氧铜的再结晶温度较高,需要较高退火温度的固有原因。这是因为,再结晶发生在晶粒边界附近,无氧铜杆组织晶粒粗大,晶粒尺寸甚至能达几个毫米,因而晶粒边界少,即使通过拉制变形,但晶粒边界相对低氧铜杆还是较少,所以需要较高的退火功率。对无氧铜成功的退火要求是:由杆经拉制,但尚未铸造组织的线时的第一次退火,其退火功率应比同样情况的低氧铜高10——15%。经继续拉制,在以后阶段的退火功率应留有足够的余量和对低氧铜和无氧铜切实区别执行不同的退火工艺,以保证在制品和成品导线的柔软性。
三、夹杂,氧含量波动,表面氧化物和可能存在的热轧缺陷的差别
无氧铜杆的可拉性在所有线径里与低氧铜杆相比都是优越的,除上述组织原因外,无氧铜杆夹杂少,含氧量稳定,无热轧可能产生的缺陷,杆表氧化物厚度可达≤15A。在连铸连轧生产过程中如果工艺不稳定,对氧监控不严,含氧量不稳定将直接影响杆的性能。如果杆的表面氧化物能在后工序的连续清洗中得以弥补外,但比较麻烦的是有相当多的氧化物存在于“皮下”,对拉线断线影响更直接,故而在拉制微细线,超微细线时,为了减少断线,有时要对铜杆采取不得已的办法——剥皮,甚至二次剥皮的原因所在,目的要除去皮下氧化物。
四、低氧铜杆和无氧铜杆的韧性有差别两者都可以拉到0.015mm,但在低温超导线中的低温级无氧铜,其细丝间的间距只有0.001mm.
五、从制杆的原材料到制线的经济性有差别。
制造无氧铜杆要求质量较高的原材料。一般,拉制直径>1mm的铜线时,低氧铜杆的优点比较明显,而无氧铜杆显得更为优越的是拉制直径<0.5mm的铜线。
六、低氧铜杆的制线工艺与无氧铜杆的有所不同。
低氧铜杆的制线工艺不能照搬到无氧铜杆的制线工艺上来,至少两者的退火工艺是不同的。因为线的柔软性深受材料成份和制杆,制线和退火工艺的影响,不能简单地说低氧铜或无氧铜谁软谁硬。

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