铜线的冶炼

1． 简介：

　　铜以其良好的导电和导热能力成为电子和电力工业领域里的首选和主要材料。为了达到所要求的性能标准，使用的几乎都是高纯度的铜。这篇文章主要讨论了这样做的原因，同时还特别关注了一些根本的冶炼原则。其目的是要针对过去十年铜线领域里的相关发展展开进一步的讨论。

　　2． 导体要求：

　　近年来在解释贵重金属（即铜、银和金）的电子属性上已经取得了巨大的进步。这些元素显示出了很高的导电性能，因为它们的导电电子对于电场的运动几乎没有什么抵抗力。铜尤其是一种优良的导体，因为最外围的电子之间有很大的自由空间，以致于不会发生任何碰撞。而它的电阻率则与这宽大的空间成反比。
有几种导电金属都比铜轻，但是输送同样多的电流，它们所要求的横截面更大，所以如果要求节约空间的话，这些金属是不可取的。（例如：在一些小型电力马达）。所以当超重成为问题时，人们就开始使用铝。铜具有商业应用所需要的最好的性能特征，因此银就因为它昂贵的价格而不被采用。

　　3． 应用：

　　铜是以其纯净形式而不是合金形式而具有最广泛用途的稀有金属之一。大约有五十多种不同的锻压合金中铜的最小含量是99.3%，虽然只有一小部分在工业上用作电导体。这些低合金中最常用的是电解韧铜，它由这纯度的金属构成，这种金属可与氧在100-650ppm的范围内结成合金。但是在氢气环境中人们建议不要使用ETP铜，因为当它暴露于这些温度时会受到氢脆裂的影响。在这样的环境下，要么使用无氧铜，要么就使用无氧电子铜。

　　含银铜中电源电压器中的应用相当有限，因为它在温度提高时具有较高的强度和较弱的抵抗力。

　　4． 铜棒和铜线的生产：

　　二十世纪七十年代以前，几乎所有的铜都是通过分批法生产的，分批法的具体步骤是：将熔化铜浇注并凝固成为叫做“线锭”的特种铸块，然后在稍微受到限制的保护氛围将棒再加热，而后在通过热压法在空气中将这一铸造的树形结构分解成棒的形式。接下来，就将其投放在10%的硫酸里来清除上面的氧化物，通过将一端对接在另一端而形成较长的线圈。现在，实际上所有的铜棒都是通过连续铸造和轧制程序制成的。连续铸造的好处是：较小的杂质微分离、减少了表面的铜氧化物颗粒、在与轧辊接触的过程中钢含量减少、几乎避免了所有的焊缝、降低了整个加工成本。

　　刻意地将氧和铜制成合金，作为溶解氢和硫磺的净化剂，从而在熔化中形成H2O和SO2这两种气体。如果氧成分有一定控制的话，那么就会形成小型汽泡，在合适的条件下，这些汽泡会抵消从液态向固态转变过程中约4%的收缩量。如果所形成的毛孔不十分大的话，它们完全可以在热压期间被消除掉。

　　大部分连续铸造和轧制的产品都装有非破坏性设备，而这些设备往往都进行在线应用来检测表面诸如裂缝和氧化物等缺陷。对于某种高质量的应用，通常要通过机械修整来将表面好多层金属清除掉。

　　大部分圆形和方形铜产品都是通过用传统的人工多晶拉模或天然单晶拉模进行拉丝而生产的。铜具有良好的成形性，铜棒可以很容易地制成比较细的铜丝，而不需要任何中间的退火过程。尽管它具有这种比较理想的特性，但是磁线工业中的一般做法是在拉丝过程中将减面率降到90%左右，之后还要进行退火。除了减面率以外，金相结构也可能会发生变化，从而削弱了铜线的机械特性。磁线经常是通过所谓的“在线过程”来进行生产的，这一过程包括：“慢速”拉丝，接着进行连续退火，同时还要上涂料。最终的铜线产品是通过将退火之间的减面率降低到90%而得到改善的。

　　5． 杂质的作用：

　　在高导电率形成过程中化学性质是最重要的变量之一。这些成分中最有害的东西能够降低导电率、提高退火线的机械强度、避免再结晶、有时在生产铜棒的热压过程中还会导致热脆。无数的研究调查表明：极少数量的溶解物都会一次性地提高铜的电阻率。许多杂质都会阶段性地提高其半硬再结晶温度。然而，当杂质与沉淀物或氧化物而不是溶解物混合在一起时，对导电率的有害影响就会降到最低。表2表明了各种各样的单一元素添加到只含有200ppm氧的高纯度ETP铜所产生的影响。一般来说，每百万分之一杂质中的前半部分与相同剂量的后半部分相比影响力更大。然而，需要注意的是，自从建立于1913年的铜电力标准由100%IACS导电率表示以来，商业铜的纯度就得到了极大地改善。如今，大部分商业铜负极的导电率都超过101%IACS。

　　6． 氧成分的影响：

　　氧是为了改善铸造铜的坚固性通过对燃汽——金属反应的控制而采用的一种合金成分。同样重要的是，氧在与大部分杂质反应的过程中都起到了一个清除器的作用，而这些杂质当它们溶解在铜基质中时对其特性和退火反应都有巨大的影响作用。相反，当这些杂质与不可溶解的氧化物混合在一起的时候，这些坏作用就被抵消了。从表3可以看出，ETP铜导电率的最大值是200ppm。因而，ETP铜中氧的含量大致在175和450ppm之间。由于分散杂质容易引起热裂，所以通常都尽量避免低氧值。相反，超于这一最佳限制的氧气值并不常见，因为这对可成形性具有附作用。实际的氧含量应是既要有较好退火过程，还要避免可能出现的可塑性问题。

　　7． 热机械可调变量的重要性：

　　除了由金属杂质形成的氧化物之外，氧化物还可以通过改变热力史从铜基质中溶解或沉淀出氧化物。这些固体反应可能会影响最终的粒子大小，因为铜氧化物成分在再结晶的过程中能帮助形成大小统一的粒子。然而，二次再结晶（不正常的粒子成长）通常都与一个双重的颗粒结构有关，而这一颗粒结构是在高温退火过程中由氧化物的溶解形成的。粒子粗化和孪晶的出现主要是由于溶液温度超过了500摄氏度，且氧的浓度低于600ppm.拉丝之前形成的粗粒子在接下来的低温退火之后并没有被消除掉。从高温冷却下来的冷却速率也会影响到高温机械性能，尤其是杂质成分相当地大时。快速淬火会导致固态溶液中高浓度、不均匀的杂质成分。从另一方面讲，慢速冷却会增强杂质和氧之间的相互作用，这又有利于杂质从固态溶液中沉淀下来。在退火期间通过拉丝或轧制所作的冷加工对于商业磁线来说是有限制的。在最终冷却之前为了得到比较好的顺应性（即铜线在成形或弯曲过程中以最小的回弹性保持形状的能力），最好要限制一下冷加工的数量。高模数和低屈服强度都是比较理想的性能，因为它们都是最小回弹性的标志。

　　8． 退火过程：

　　铜的退火性是个非常复杂的特性，这一特性是由一系列的其他属性组成，而这些属性又会随着变形、热过程、金属纯度和氧成分的多少而发生变化。当杂质沉淀下来以后，它们对退火过程的影响是比较小的，这与固态溶液中的情形是截然不同的。退火温度与溶剂（这里指的是铜）和溶质（这里指的是杂质）之间原子大小的区别有一定的关系。溶质元素的化合价也是影响退火性的一个重要参数。然而，由于多种物质之间热动力的相互作用所形成的复杂状况，退火性并不只是简单地与一些可能的参数，如：原子量或溶质的化合价有关。

　　9． 表面影响：

　　在外界温度下，铜线总是有一个残留的氧化膜，而这一氧化膜是当铜线进入热杆轧制阶段时从高温的、连续铸造的铜杆上形成的。现在在铜业中通过一种电量分析控制检测手段来测量残留的表面氧化膜的厚度已成为一种比较标准的作法。氧化膜可能会相当地有害，因为它们可能会在拉丝过程中引发许多缺陷、使拉丝膜过度磨损、可焊性变差、搪瓷膜和裸导体之间的附着力变弱。

　　铜杆的缺陷之处往往是源于连续铸造过程和轧制过程，这包括：残渣、铜氧化夹杂物、热裂、裂块、铜杆表面氧化颗粒的形成。大部分金属间化合的夹杂物都比较脆，因而都成为拉丝过程中裂纹发生和蔓延的场所。相对于缺陷而言，较细的磁线和成形线是最主要的生产产品。

　　唯一最大的表面缺陷源于拉丝，往往是以拉模划痕、机械损伤、弧口凿或裂片的形式出现在裸导体的表面。因为拉丝问题而形成的裂片往往与所捕获的氧化物没有太大关系。表面损伤通常是由于拉丝机内移动线未对准或拉丝膜炉口内铜精炼的压制力太大则形成的。

　　10． 未来的挑战：

　　人们对于更好表面质量、更大包装型号的需求在不断地上升，而且越来越期望生产出一种“无疵点”并少断折的铜杆（即有很好的可拉性）。满足这些需求的推动力将会是： 更好的能源效率、愈加激烈的全球竞争、更多的家居应用、在地价上涨的情况下所使用的小型电动机，比如汽车中使用的马达。因而人们会越来越愿意使用比较小的计量尺寸。
随着电解冶金法的出现和电解精炼所取得的不断进步，目前商业铜负极的纯度似乎已经达到了大家都可以接受的水平，而且已经没有必要进一步限制杂质的数量。然而，在易切削黄铜工业中，铋已经被用来代替铅作为一种合金元素。因为铋对于电力铜导体具有很大的毒性作用，因此人们要求黄铜碎片应与铜碎片完全地分割开来。
铜线工业面临的一个问题是在拉丝过程中，由于研磨或分层而造成了许多表面的疵点。为了解决这一问题，关健是要在以下几个方面有所改进：铜杆的表面质地、拉丝润滑剂、固体颗粒的过滤、单一合成晶体钻石拉丝膜的生产。

　　一个十分重要的未来挑战就是开发出更多敏感的传感器，通过用一种非接触检测手段来检测铜棒、铜杆和铜线上的非破性疵点。这些疵点中的大部分由于太小而用现在的漩涡流检测设备是根本检测不到的。此外，还需要开发一种在线检测设备来轻易地检测大孔隙和其他的内部疵点。

　　影响线状电力铜导体性能、加工和运行的因素从很大程度上讲是建立在现存的冶炼原则基础之上的。然而，杂质和退火温度及电阻率之间的关系还需要在数量上进一步改进一下。

　　11．总结：

　　常用作电线导体的是纯铜，而不是铜合金。与此同时，通常还要加少量的氧气来控制杂质，并改进导电性。最终特性和加工过程与杂质和氧成分都有着非常密切的关系，并且用一些基本的冶炼原理是完全可以解释的。

　　趋势。ASTM B 370规格，即工程建筑所使铜条和铜块，以其多种型号和多种厚度，成为规格和购买的基础。铜金属的竞争性数量以及对铜的信心不断推动了这个健康市场的发展。最近认可的规格是ASTM B882，是一种在建筑中应用的预先生锈铜。长期以来，建筑师和工程师们都期望生产使用这种产品，因为他们急切地想用铜制屋顶和建筑横木来发展这种值得称赞的绿色。

　　12.低铅和无铅锻造和铸造铜合金：

　　滤沥到水里的铅对人体健康的影响引起了人们对于现有铜合金及开发一种饮用水用的新合金的重新思考。铸件的耐压紧密度以及由铅附属物提供的锻造和铸造部件的上等机械加工性都是必须要达到的要求。含合金的锻造和铸造无铅铋必须具有以下特性：
符合ANSI/NSF 61的健康要求以及饮水系统成分健康要求。现在人们已经开始用一种酸化钠醋酸洗涤剂来清除机器上的铅污渍。但是这一行业的某些部门提出了对混合碎屑的顾虑，因为他们认为在这些混合碎屑中，铋的微量会导致在加工过程中金属的热脆。碎屑回收工业学院（ISRI）和黄铜与青铜铸造生产商（BBIM）正在研究一种碎屑回收严格的控制程序和分割程序。

　　13.家用产品：

　　在家用产品中， 人们选择铜是因为铜具有以下特点：
优美的外形、可靠的质量、很高的商誉、良好的设计因素、较好的物质和机械性能以较长的使用寿命。电力照明器材和火炉设备一起成为主要的家用产品范畴。
　　
　　14.服务：

　　用来确定铜原料对于应力腐蚀破裂敏感度的传统方法是硝酸亚汞试验。（ASTM B154）为了响应来自ASME 锅炉和压力容器编码和美国海岸巡逻队的要求, B-5 委员会将应力腐蚀免疫的IS0 6957铜合金氨测试转换为ASTM形式。这完全出于他们对于测试溶液和样品处理的考虑。ASTMB858M，即在铜合金中用一种氨蒸汽来确定其对于应力腐蚀破裂的敏感度的方法现在是官方使用的一种方法。这种测试方法刺激了服务条件的发展，在这些条件下，可能会出现应力腐蚀破裂，并克服硝酸亚汞试验的缺点。

　　15．未来展望：

　　世界经济变得越来越全球化了。随着二十一世纪的到来，第三世界国家正在建立电讯链路，变成电力的主要消费者，他们在建造家园、工厂和商业建筑，这样就需要大量的铜来满足他们的需求。铜被用作工程原料已有一万年的历史了，它对人类的贡献是呈金字塔式的，与日俱增。如果没有铜，真不敢想象未来的世界将会是什么样子。