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技術文章

紅旗小編幫您深度剖析電纜中的銅:怎樣的才是好銅!

      

導讀:由于生產銅桿的兩者的工藝不同,所生產的銅桿中的含氧量及外觀就不同。上引生產的銅桿,工藝得當氧含量在10ppm以下,叫無氧銅桿;連鑄連鑄生產的銅桿是在保護條件下的熱軋,氧含量在200-500ppm范圍內,但有時也高達700ppm以上,一般情況下,此種方法生產的銅外表光亮,低氧銅桿,有時也叫光桿。

  

                                                      無氧銅桿

銅桿是電纜行業的主要原料,生產的方式主要有兩種——連鑄連軋法和上引連鑄法。連鑄連軋低氧銅桿的生產方法較多,其特點是金屬在豎爐中融化后,銅液通過保溫爐、溜槽、中間包,從澆管進入封閉的模腔內,采用較大的冷卻強度進行冷卻,形成鑄坯,然后進行多道次軋制,生產的低氧銅桿為熱加工組織,原來的鑄造組織已經破碎,含氧量一般為200~400ppm之間。無氧銅桿國內基本全部采用上引連鑄法生產,金屬在感應電爐中融化后通過石墨模進行上引連續鑄造,之后進行冷軋或冷加工,生產的無氧銅桿為鑄造組織,含氧量一般在20ppm以下。由于制造工藝的不同,所以在組織結構、氧含量分布、雜質的形式及分布等諸多方面有較大差別。

一、拉制性能


銅桿的拉制性能跟很多因素有關,如雜質的含量、氧含量及分布、工藝控制等。下面分別從以上幾個方面對銅桿的拉制性能進行分析。


1、熔化方式對S等雜質的影響


連鑄連軋生產銅桿主要是通過氣體的燃燒使銅桿熔化,在燃燒的過程中,通過氧化和揮發作用,可一定程度減少部分雜質進入銅液,因此連鑄連軋法對原料要求相對低一些。上引連鑄生產無氧銅桿,由于是用感應電爐熔化,電解銅表面的“銅綠”“銅豆”基本都熔入到銅液中。其中熔入的S對無氧銅桿塑性影響極大,會增加拉絲斷線率。


2、鑄造過程中雜質的進入


在生產過程中,連鑄連軋工藝需通過保溫爐、溜槽、中間包轉運銅液,相對容易造成耐火材料的剝落,在軋制過程中需要通過軋輥,造成鐵質的脫落,會給銅桿造成外部夾雜。而熱軋中皮上和皮下氧化物的軋入,會給低氧桿的拉絲造成不利的影響。上引連鑄法生產工藝流程較短,銅液是通過聯體爐內潛流式完成,對耐火材料的沖擊不大,結晶是通過石墨模內進行,所以過程中可能產生的污染源較少,雜質進入的機會較少。


O、S、P是與銅會生產化合物的元素。在熔態銅中,氧可以溶解一部分,但當銅冷凝時,氧幾乎不溶解于銅中。熔態時所溶解的氧,以銅=氧化亞銅共晶體析出,分布在晶粒晶界處。銅-氧化亞銅共晶體的出現,顯著降低了銅的塑性。


硫可以溶解在熔體的銅中,但在室溫下,其溶解度幾乎降低到零,它以硫化亞銅的形式出現在晶粒晶界處,會顯著降低銅的塑性。


3、氧在低氧銅桿和無氧銅桿中分布形式及其影響


氧含量對低氧銅桿的拉線性能有著明顯的影響。當氧含量增加到*佳值時,銅桿的斷線率*低。這是因為氧在與大部分雜質反應的過程中都起到了清除器的作用。適度的氧還有利于去除銅液中的氫,生成水蒸氣溢出,減少氣孔的形成。*佳的氧含量為拉線工藝提供了*好的條件。


低氧銅桿氧化物的分布:在連續澆鑄中凝固的*初階段,散熱速率和均勻冷卻是決定銅桿氧化物分布的主要因素。不均勻冷卻會引起銅桿內部結構本質上的差異,但后續的熱加工,柱狀晶通常會遭到破壞,使氧化亞銅顆粒細微化和均勻分布。氧化物顆粒聚集而產生的典型情況是中心爆裂。除氧化物顆粒分布的影響外,具有較小氧化物顆粒的銅桿顯示出較好的拉線特性,較大的Cu2O顆粒容易造成應力集中點而斷裂。


無氧銅含氧量超標,銅桿變脆,延伸率下降,拉伸式樣端口顯暗紅色,結晶組織疏松。當氧含量超出8ppm時,工藝性能變差,表現為鑄造及拉伸過程中斷桿及斷線率極具增高。這是由于氧能與銅生成氧化亞銅脆性相,形成銅-氧化亞銅共晶體,以網狀組織分布在境界上。這種脆性相硬度高,在冷變形時將會與銅機體脫離,導致銅桿的機械性能下降,在后續加工中容易造成斷裂現象。氧含量高還能導致無氧銅桿導電率下降。因此,必須嚴格控制上引連鑄工藝及產品質量。


4、氫的影響


在上引連鑄中,氧含量控制較低,氧化物的副作用唄**降低,但氫的影響成為較顯著的問題。吸氣后熔體中存在平衡反應:H2O(g)=[O]+2[H];


氣體及疏松是在結晶的過程中,氫從過飽和的溶液中析出并聚集而形成的。在結晶前析出的氫又可還原氧化亞銅而生成水氣泡。由于上引鑄造的特點是銅液自上而下的結晶,形成的液**形狀近似錐型。銅液結晶前析出的氣體在上浮過程中被堵在凝固組織內,結晶時在鑄桿內形成氣孔。上引的含氣量少時,析出的氫存在于晶界處,形成疏松;含氣量多時,則聚集成氣孔,因此,氣孔和疏松是氫氣和水蒸氣兩者形成的。


氫來源于上引生產過程中的各個工藝環節,如原料電解銅的“銅綠”、輔料木炭**、氣候環境**、石墨結晶器未干燥等。因此,熔化爐中的銅液表面應覆蓋經烘烤的木炭,電解銅應盡量去除“銅綠”、“銅豆”“耳朵”,對提高無氧銅桿質量非常重要。


在連鑄連軋工藝中,往往采用適度控制氧含量來控制氫。Cu2O+ H2= 2Cu+ H2O


由于銅液在鑄造過程中是自下而上結晶,銅液中的氧和氫所產生的水蒸氣很容易上浮跑出,銅液中的氫大部分能被有效去除,因而對銅桿的影響較小。


二、表面質量


在生產電磁線等產品的過程中,對銅桿的表面質量也需提出要求。需要拉制后的銅絲表面無毛刺、銅粉少、無油污。并通過扭轉試驗測量表面銅粉的質量和扭轉后觀察銅桿的復原情況來判定其好壞。


在連鑄連軋過程中,從鑄造到軋制前,溫度高,完全暴露于空氣中,使鑄坯表面形成較厚的氧化層,在軋制過程中,隨著軋輥的轉動,氧化物顆粒軋入銅線表面。由于氧化亞銅是高熔點脆性化合物,對于軋入較深的氧化亞銅,當成條狀的聚集物遇模具拉伸時,就會是銅桿外表面產生毛刺,給后續的涂漆造成麻煩。


而上引連鑄工藝制造的無氧銅桿,由于鑄造和冷卻完全與氧隔絕,后續亦無熱軋過程,銅桿表面無軋入表面的氧化物,質量較好,拉制后銅粉少,上述問題較少存在。


無氧銅桿也分進口設備做的和國產設備做的,但目前進口產品已無明顯優勢,銅桿產品出來后區別不是很大,只要銅板選的好,生產控制比較穩定,國產設備也能產出可拉伸0.05的銅桿.進口設備一般是芬蘭奧托昆普的設備,國產設備*好的應該是上海的海軍廠的了,生產時間*長,軍工企業,質量可靠。


低氧銅桿進口設備國際主要有兩種,一種是美國南線設備,英文是SOUTHWIRE,國內廠家是南京華新,江西銅業,另一種是德國CONTIROD設備,國內廠家是常州金源,天津大無縫。


無氧及低氧桿從含氧量上容易區別,無氧銅是含氧量在10-20個PPM以下,但目前有的廠家只能做到50個PPM以下.低氧銅桿在 200-400個PPM,好的桿子一般含氧量控制在250個PPM左右,無氧桿一般采取的是上引法,低氧桿是連鑄連軋,兩種產品相對而言低氧桿對漆包線性 能更適應些,如柔軟性,回彈角,繞線性能.但低氧桿對拉絲條件相對要苛刻些,同樣拉伸0.2的細絲,如果伸線條件不好,普通的無氧桿可拉而好的低氧桿就斷 線,但如果放在好的伸線條件,同樣的桿子,低氧桿說不定就能拉到雙零五,而普通無氧桿*多只能拉伸到0.1而已,當然做的*細的如雙零二卻非得依靠進口的 無氧銅桿了.目前有企業嘗試用剝皮的方式來處理低氧桿來伸0.03線.但有關這方面的內容我還不是很清楚。

  

                            低氧銅桿

音響線一般反而喜歡用無氧桿,這和無氧桿是單晶銅,低氧桿是多晶銅有關。


低氧銅桿和無氧銅桿由于制造方法的不同,致使存在差別,具有各自的特點。


一、關于氧的吸入和脫去以及它的存在狀態


生產銅桿的陰極銅的含氧量一般在10—50ppm,在常溫下氧在銅中的固溶度約2ppm。低氧銅桿的含氧量一般在200(175)—400(450)ppm,因此氧的進入是在銅的液態下吸入的,而上引法無氧銅桿則相反,氧在液態銅下保持相當時間后,被還原而脫去,通常這種桿的含氧量都在10—50ppm以下,*低可達1-2ppm,從組織上看,低氧銅中的氧,以氧化銅狀態,存在于晶粒邊界附近,這對低氧銅桿而言可以說是常見的但對無氧銅桿則很少見。氧化銅以夾雜形式在晶界出現對材料的韌性產生負面影響。而無氧銅中的氧很低,所以這種銅的組織是均勻的單相組織對韌性有利。在無氧銅桿中的多孔性是不常見的,而在低氧銅桿中則是常見的一種缺陷。


二、熱軋組織和鑄造組織的區別


低氧銅桿由于經過熱軋,所以其組織屬熱加工組織,原來的鑄造組織已經破碎,在8mm的桿時已有再結晶的形式出現,而無氧銅桿屬鑄造組織,晶粒粗大,這是為什么,無氧銅的再結晶溫度較高,需要較高退火溫度的固有原因。這是因為,再結晶發生在晶粒邊界附近,無氧銅桿組織晶粒粗大,晶粒尺寸甚至能達幾個毫米,因而晶粒邊界少,即使通過拉制變形,但晶粒邊界相對低氧銅桿還是較少,所以需要較高的退火功率。對無氧銅成功的退火要求是:由桿經拉制,但尚未鑄造組織的線時的**次退火,其退火功率應比同樣情況的低氧銅高10——15%。經繼續拉制,在以后階段的退火功率應留有足夠的余量和對低氧銅和無氧銅切實區別執行不同的退火工藝,以保證在制品和成品導線的柔軟性。


三、夾雜,氧含量波動,表面氧化物和可能存在的熱軋缺陷的差別


無氧銅桿的可拉性在所有線徑里與低氧銅桿相比都是優越的,除上述組織原因外,無氧銅桿夾雜少,含氧量穩定,無熱軋可能產生的缺陷,桿表氧化物厚度可達≤15A。在連鑄連軋生產過程中如果工藝不穩定,對氧監控不嚴,含氧量不穩定將直接影響桿的性能。如果桿的表面氧化物能在后工序的連續清洗中得以彌補外,但比較麻煩的是有相當多的氧化物存在于“皮下”,對拉線斷線影響更直接,故而在拉制微細線,超微細線時,為了減少斷線,有時要對銅桿采取不得已的辦法——剝皮,甚至二次剝皮的原因所在,目的要除去皮下氧化物。


四、低氧銅桿和無氧銅桿的韌性有差別


兩者都可以拉到0.015mm,但在低溫超導線中的低溫級無氧銅,其細絲間的間距只有0.001mm.


五、從制桿的原材料到制線的經濟性有差別。


制造無氧銅桿要求質量較高的原材料。一般,拉制直徑>1mm的銅線時,低氧銅桿的優點比較明顯,而無氧銅桿顯得更為優越的是拉制直徑<0.5mm的銅線。


六、低氧銅桿的制線工藝與無氧銅桿的有所不同。


低氧銅桿的制線工藝不能照搬到無氧銅桿的制線工藝上來,至少兩者的退火工藝是不同的。因為線的柔軟性深受材料成份和制桿,制線和退火工藝的影響,不能簡單地說低氧銅或無氧銅誰軟誰硬。



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