對電磁線用銅桿的要求

1、對電磁線用銅桿的要求    對電磁線用銅桿的要求 美Horace Pops 摘要t甘電磁線用銅桿,目前還沒有定量檢測其拉制性能,退火特性,表面質(zhì)量蕊是否合 格的技術(shù)規(guī)范.為促進(jìn)用既能籍確測量,叉能車 兼些工藝性能和裸銅線最終質(zhì)量的參數(shù),代 替辭銅桿質(zhì)量主觀的看法,就雜質(zhì),含氧量,表萄氧化物,表面缺陷,拉剞性能和柔軟性磚電磁 線用銅桿質(zhì)量的影響廈其要求,作出T闡述. 主題訶t銅桿電磁線質(zhì)量要求 電磁線制造廠對銅桿的要求很嚴(yán)格,因 此最高質(zhì)量的銅桿通常被用來制造電磁線. 但在目前實際使用中,還沒有定量檢測銅桿 拉制性能,退火特性,表面質(zhì)量和是否合格 等的技術(shù)

2、規(guī)范.由于在美國材料試驗標(biāo)準(zhǔn) (ASTM B 49)中,對電工用熱軋拉伸錒桿 只規(guī)定有含錒量為09.00嚦,延伸率夭于 30%,導(dǎo)電率高于100%IAo8,表面沒有缺 陷等非常一般的要求,因此供作電磁線用的 銅桿質(zhì)量差異很大.所以,必須用既能精確 禳l量,又能評價某些工藝性能和裸銅線最終 質(zhì)量的參數(shù),來代替有關(guān)銅桿質(zhì)量的主觀看 法.本文的目的是幫助填補(bǔ)這個空白,以排 除某些推測和常用來確定銅桿性能的不適當(dāng) 的方法. 電磁線要求 上述的一般鍋桿因素,對于硬銅線和退 火銅線可分為下列具體要求t(1)機(jī)械性能, 包括屈服強(qiáng)度低,彈性模數(shù)高,彈性低;(2) 導(dǎo)電率高;(3)退火工藝特性,包括再結(jié)晶 溫

3、度低,快速退必動力學(xué),均勻性好,銅的純 度高(4)表面特性,包括表面氧化層厚度 小,無機(jī)械損傷引起的衰面缺陷,軋入的氧化 皮最少(5)拉制性能,包括總含氧量在控 制范圉內(nèi),無內(nèi)部氣孔,無外部夾雜. 這些性能大多數(shù)是由銅桿加工成線材的 熱機(jī)械加工工藝規(guī)范來 32 尺,以減少誤差. (4)揮發(fā)份的測定t新方法的輥溫比較 高(5o口c左右),容易粘輥筒,操作必須停機(jī), 開機(jī),才能避免生膠因粘輥筒而反復(fù)軋煉,同 一批料的波動也比較大.老方法測揮發(fā)份較 穩(wěn)定,不同揮發(fā)份的生l膠可以明顯地鍘出來; 而新方法測出來不明顯. (6)灰份l舶測定:老方法的試驗溫度比 較高,2 h就能達(dá)到恒重,獲化好.新方法的

4、試驗溫度低,需經(jīng)15h才能選弼恒重和捉 化,影響廄材料進(jìn)廠的快逮測定,執(zhí)行起來恩 題比較多. ., 維普資訊 本文不作詳細(xì)討論和評價,所要闡述的只是 那些與錒桿生產(chǎn)相關(guān)的因素. 影響銅桿質(zhì)量的因素 雜質(zhì)的影響 電解銅的純度是顯著影響 銅桿軟化特性的最重要的因素之一.圖l為 再結(jié)晶退火溫度與雜質(zhì)含量的關(guān)系芭線. 8 撼 鯧 疃 掘 吲 百萬分卑建量 圖1雜質(zhì)對高純度韌銅逞火溫度的影響 l一碲;2-鉛:3一硒;0一硫 5一銻;0-砷; 7一銀:8-鉍 應(yīng)該說,大多數(shù)元素對電磁線應(yīng)用是有 害的,因為它們妨礙軟化,但每一種元素的影 響并乖總是呈線性的.據(jù)此,可以按照影響 再結(jié)晶溫度大小的順序來排列雜質(zhì)

5、,即使各 種元素之闖存在相互影響的話,仍然可以觀 察到它們的差別.表l總結(jié)了各種單獨(dú)雜質(zhì) 對經(jīng)拉制或遏火線材在 33 u0貓贈 搿* 維普資訊 提出了指令性要求(見表2).雖然前者的要 求過于嚴(yán)格,但在這些限制下,該國現(xiàn)行生產(chǎn) 的大多數(shù)銅桿是好的,而導(dǎo)電率低于101嘶 tA(tS的銅桿是極為罕見的. 隨著連鑄連軋工藝的出現(xiàn),現(xiàn)用于電磁 線的銅桿實際上不再用線錠生產(chǎn),而在連鑄 連軋生產(chǎn)銅桿時很少將廢銅線直接與電解銅 一起使用.由于只使用高純度銅,故預(yù)測韌 銅退火適應(yīng)性的壓扁和退火銅桿的硬度試驗 時,變得不太靈敏,經(jīng)常出現(xiàn)小于RF 55的 數(shù)值 根據(jù)成份來預(yù)測退火性能的嘗試,只 獲得了有限的成功,

6、其原因除有上述個別附 加影響的非線性和觀察捌的雜質(zhì)之間的相互 作用,銅桿的退火性能除受成份影響之外,還 可能受熱軋溫度,卻磚速度和中間退火等許 多工藝參數(shù)的影響.這個試驗使用回歸分析 方法所獲得的對銅桿有用的表達(dá)式如下 硬度(RF)=34.7+0.25Pb+2.73Bi +2.18 sb+4.62To +0.88Ni+0.船F(xiàn)e 式中雜質(zhì)含量為plan(重量) 含曩量 電解銅中最重要的單質(zhì)元素是 氧 氧通常是在熔解過程作為氣相加入的. 雖然氧本身對銅的退火溫度影響很小(參見 圖2),但它與其它金屬雜質(zhì)結(jié)合后,對銅的 延展性,導(dǎo)電性和拉制性能等卻有著重大影 響.如前所述,形成不溶性氧化物時,退火

7、溫 度可能降低. 以前,電工用銅線錠中加入200 500 ppm的氧,是為了獲得一個水平凝固面, 并把雜質(zhì)轉(zhuǎn)變成氧化物,使雜質(zhì)的危害(不可 溶性)減輕.而目前,大多數(shù)以連鑄連軋生產(chǎn) 的銅桿仍使用傳統(tǒng)氧含量控制范圍.根據(jù)熱 力學(xué)觀點,按列于表1的雜質(zhì)含量,實際上只 需要約40 ppm的氧就可使它們形成氧化物. 較高的古氧量(高于180Hm1),實際是為了 防止連鑄連軋銅桿的熱脆性,因為熱脆性通 常被認(rèn)為是氫脆或硫脆所造成的.使拉制性 髓得到改善和斷頭率減至最小的含氧量值, Sl 102 登 圣l0l 醉 刪 呻 100 氧古量f%) 圓3含氧置對銅抨導(dǎo)電率的影響 接近此范圍上限. 圖3為含氧量對

8、銅的導(dǎo)電率的影響.由 圖可見,工業(yè)用電工用銅(電解銅)的曲線,在 200 ppm的范圍內(nèi)是直線性的.線的斜率表 明氧含量每增加100 ppm時,其導(dǎo)電率減少 0.125%.曲線開始時導(dǎo)電率下降幅度較小, 可能是由于一些雜質(zhì)未完全氧化的緣故. 無氧銅桿通常不用作電磁線,因為它的 退火溫度比電工用銅桿高(投有足夠的氧來 牽制雜質(zhì)),同時考慮捌電磁線在高溫下使用 時可能會長期暴露在有氫的場合. 裹面氯化物鑄錠在高溫下暴露于空氣 中時,熱軋銅桿表面會產(chǎn)生黑色氧化層,其厚 度通常在4×105l×10'A的范圍內(nèi)(4 10¨D .在現(xiàn)代化的銅桿生產(chǎn)系統(tǒng)中,采用 的硫酸

9、連續(xù)酸洗或酒精溶液連續(xù)清洗的方 法,幾乎能清除所有這種類型的氧化層.其 后一種方法是通過下列化學(xué)反應(yīng),把銅的氧 化物進(jìn)行還原: 20uO+CO+II2=4Cu+CO2+H2O 2OO+CO+tI2=2au+002+H20 采用有機(jī)還原方法時,被還原的銅形成 一層薄膜,蓋在次表層的氧化層上 由于銅 和銅的氧化物的密度相差較大,所以起丘應(yīng) 的表面膜往往存在裂紋和孔隙,加上 化 物的固有脆性,它在 后的扭絞和拉線時會 開裂,形成碎屑. 過量的表面氧化物可能引起焊接性能不 維普資訊 良,線模的磨損加快以及拉線潤滑劑失效等 同題.用酸洗或酒精清洗的錒桿表面,通常 含有501000A的殘余氧化物.使用酸洗

10、 時,軋入鈞氧化皮顆粒有時會被完全溶解,并 在銅桿表面上留下小砂眼,導(dǎo)致紱抒成品表 面粗糙.所以,人們一致認(rèn)為,在環(huán)境溫度和 有害氣候條件下,以上述兩種清洗工藝生產(chǎn) 的鋼桿,在貯存期間導(dǎo)致表面氧化加刷;但采 用覆蓋物,室內(nèi)貯存或運(yùn)用工業(yè)用防護(hù)蠟等 保護(hù)措施,能減慢氧化,有效期在一個月左右 (圖4).此外,高濕度,水或道路的咸度對錒 桿表面薄膜層也起著迅速而有害的影響. 越 W 貯菠時間(天I 圖4環(huán)境溫度下蠟對室內(nèi)貯存銅桿表面 氧化的保護(hù)作用 目前,電線行業(yè)用來測量銅桿或線材表 面氧化物的通用方法是電解還原法,原理如 圖5所示,各相銅氧化物在電解槽里同氫離 子連續(xù)還原.圖6為典型的還原電壓一時

11、闡 圖5電解還原試驗方法原理圖 曲線,曲線中包括兩個不同的區(qū)域,每個區(qū)域 所代表的陰極化學(xué)反應(yīng)可表示如下t O2O+21:I +2e =2C'n+丑 O CuO+2H+2e一:Ca+ O 每種氧化膜的厚度可根據(jù)法拉第定律采 用下式計算 = sM/SdF 式中 為氧化物平均厚度(cm); 為浸入溶 液中的銅桿表面積(cm.);d為氧化物密度 (CuO為6.0g f鋤.,CuO為6,5g/.); 為 電流(A),為反應(yīng)時間(8);F為法拉第常 數(shù)96500(C); 為氫當(dāng)量 =2); 為氧化 物的分子量 ). 圉6還原銅的氧化物薄膜時典型的 電壓一時間曲線 假如氫離子存在于或稍低于金屬表面

12、, 軋入的氧化皮會減少 襄面缺陷錒桿表面缺陷主要來自兩方 面,一是在澆鑄或軋制過程中產(chǎn)生的,包括軋 入的氧化皮,熱裂紋,氣孔,l淘紋,刮痕等等; 另一是在運(yùn)輸和加工期間由機(jī)械損傷產(chǎn)生的 表面問題.這些缺陷在拉制過程中不但不能 消除,事實上其危害卻變得更為嚴(yán)重.而甩 修邊模對銅桿進(jìn)行機(jī)械修邊,能除去由軋制 .35' 維普資訊 過程所引起的大多數(shù)淺顯的表面缺陷.然 而,熱裂紋常常延伸到銅桿深處,它是最有害 的一種缺結(jié),尤其當(dāng)樹枝狀氧化物網(wǎng)絡(luò)從原 來的裂紋向西面八方散開的時候.在拉線過 程中脆性氧化物開裂時,將產(chǎn)生廢線 裂紋 在退火時會輕微擴(kuò)張,且在涂漆時起著截留 漆的作用,使漆包線表面出現(xiàn)

13、波紋和結(jié)疤等 現(xiàn)象. 以正反向扭轉(zhuǎn)試驗(正反向各扭轉(zhuǎn)l0 次)檢查表面缺陷,盡管缺乏有說服力的定量 數(shù)據(jù),但確能查出軋入或嵌入銅桿的氧化皮 夾雜及裂紋.由于缺陷是隨機(jī)分布的,每圈 銅桿需抽幾個試樣.為使扭轉(zhuǎn)試驗獲得相同 的應(yīng)力水平,對于不同直徑兩個試樣所需要 的扭轉(zhuǎn)數(shù),可按下式計算: Nl=N2D2Ll/D1L2 式中.D".D2分別是兩試樣的直徑N"2是 兩試樣各自的扭轉(zhuǎn)圈數(shù)Lz,L2是兩試樣各 自的長度 拉翩性能連鑄連軋銅桿的出現(xiàn),已使 拉線斷頭率大為減少,這可能是鑄錠中夾雜 減少和錒桿無焊接之故 由于拉制性能與高 質(zhì)量的銅桿密切相關(guān),以下四種材料特性被 認(rèn)為是重要的變

14、化因素,應(yīng)予控制z (1)軋入的夾雜物,氧化皮和機(jī)械損傷 應(yīng)減少到最低限度.銅桿表面的缺陷,通常 用非破壞性探測手段(如渦流探傷)來連續(xù)檢 測,控制或記錄.在確定銅桿單位長度缺陷 數(shù)與拉線斷頭率之間允許的定量關(guān)系之前, 應(yīng)對測試設(shè)備和使用參數(shù)實行標(biāo)準(zhǔn)化. (2)盡管有縱向裂紋的線材斷裂,是由 于拉線壓縮率低,摩擦系數(shù)高和拉線半角太 大綜合影響結(jié)果,但錒桿內(nèi)部某一特性也會 增椰拉線斷頭率.例如,平衡的氧化物相或 氧化夾渣的富集,'均起著提高應(yīng)力和核心作 用,使該處成為有擻向裂紋的線材破嘶的起 點 這種線材斷裂,通常產(chǎn)生于含氧量較高 (6O0ppm)的錒桿近中心處. (3)在個別情況下,鑄

15、錠時也會產(chǎn)生相 宴6. 當(dāng)大的氣孔,而且在熱軋時氣孔并未完全壓 合,造成較小的氣孔殘留在銅桿和線材里,致 使線材斷裂.接近于導(dǎo)體中心的氣孔,是無 法用渦流測量儀測出的 研究表明,高溫時 產(chǎn)生的氣孔是導(dǎo)致高純度錒韌悻下降的極重 要的因素.應(yīng)注意的是,未粘附在銅基體上的 氧化物本身,也可能起著小孔隙的作用 (4)氧對拉制性能的影響比較復(fù)雜.有 人提出,含氧量在400 ppm時拉制性能最好, 線材斷裂最少.拉制性能在含氧量較低(150 Oppm)時反而下降,并表現(xiàn)為V形關(guān)系 曲線,其原因還不清楚 雖則含氧量太低時 的溶解氫可能導(dǎo)致脆化,但在上述含氧量范 圍內(nèi),溶解氫通常是不存在的. 許多人建議采用扭

16、轉(zhuǎn)試驗來評價銅桿和 線材的質(zhì)量,這是由于柔軟性和扭轉(zhuǎn)數(shù)系隨 含氧量增加而減少.但是,至今還沒有能反映 拉制性能與最佳氧含量之間關(guān)系的統(tǒng)計數(shù) 據(jù).意外的是,發(fā)現(xiàn)含氧量低時拉斷力較大, 但較小尺寸的線材變化較小. 柔軟性熱一機(jī)械加工過程對于控制拉 制導(dǎo)體的柔軟性,起著重要的作用.Ca.ren等 指出,降低熱軋溫度(從900"C降到650C) 可大為改善用線錠生產(chǎn)的銅桿的退火性能, 并使雜質(zhì)從固溶休析出.連鑄連軋銅稈是在 曾 l1 : 睡 圖7含氧量對形成線材瓢向裂紋斷裂傾 向的影響 維普資訊 稍低溫度下完成的,故雜質(zhì)也趨向于脫溶狀 態(tài) 此外,氧對于柔軟性的影響原理,普遍認(rèn) 為還難于闡明.

17、 同高含氧量對拉制性能和有縱向裂紋的 線材斷裂有不利影響(圖7)的通常看法相 反,最近有人指出t高含氧量對退火性能是 有利的,螺旋伸長性能和含氧量之間存在著 指數(shù)關(guān)系,例如含氧量從150pp增加到 750ppm時,螺旋伸長值將增加到1501 左右. 結(jié) 語 根據(jù)電磁線對錒桿的高質(zhì)量和精確性能 的要求,現(xiàn)已確立了幾種銅桿性能的檢驗方 法,包括雜質(zhì)含量(與一級電解銅的規(guī)定類 似),導(dǎo)電率,尺寸,不圓度和表面氧化層厚度 等與上述特性同樣重要而本文未詳述的特 性有含氧量,表面缺陷數(shù)量和類型,扭轉(zhuǎn)試驗 等拉伸延伸率和鹽浴退火后硬度數(shù)據(jù),則有 輔助作用(見表3) 鑒于以上這些不定因素,電磁線生產(chǎn)部 門應(yīng)注

18、意避免采用未經(jīng)證實的試驗要求,而 需要用確鑿的性能數(shù)據(jù)來代替大多屬主觀的 看法.因此,制定一個生產(chǎn)和使用雙方都滿 意的統(tǒng)一的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)已很必要. 許多銅桿使用部門對于進(jìn)Cl銅稈測試方 法繁雜,持保留態(tài)度是有一定道理的,因為物 裹3銅扦性能檢驗璜目殛方法 檢啦項目 指標(biāo)要隸及檢驗范固 撿驗方法 雜質(zhì)含量 與一緩電解銅相等, ASTM B115中光 硎鐵,鎳,銻,砷,鉛,鉍, 涪分析 銀 硒,碲和錫 氧含量 1 4 ppm 惰性氣體溶解法 表面氧化物 800A 本文介紹的方法 導(dǎo)電率 101I ACS ASTM B曲 硬度 RF 蔣錒桿軋成原直徑 3O ,在270下退止 Smin后測試 反向扭轉(zhuǎn) 只允許少量裂紋 超 篙待標(biāo)準(zhǔn)化 大7倍后檢驗 表面映陷 鍘單位長度缺陷數(shù)及 無損檢驗,