淺析銅桿表面銅粉的形成機(jī)理及關(guān)鍵控制環(huán)節(jié)

肖洪量，危利民

(江西銅業(yè)集團(tuán)公司銅材有限公司，江西貴溪 335424)

淺析銅桿表面銅粉的形成機(jī)理及關(guān)鍵控制環(huán)節(jié)

肖洪量，危利民

(江西銅業(yè)集團(tuán)公司銅材有限公司，江西貴溪 335424)

銅桿表面銅粉對(duì)后續(xù)加工性能及使用性能具有重要影響，目前國(guó)內(nèi)連鑄連軋銅桿生產(chǎn)企業(yè)對(duì)表面銅粉的控制技術(shù)與國(guó)外企業(yè)相比有一定差距。結(jié)合多年生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)連鑄連軋銅桿表面銅粉的形成機(jī)理進(jìn)行研究和分析，總結(jié)出了銅桿表面銅粉含量控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。研究表明，連鑄連軋銅桿表面銅粉的關(guān)鍵控制環(huán)節(jié)主要是鑄坯表面質(zhì)量控制及軋制、清洗過(guò)程的控制。

連鑄連軋;銅桿;表面銅粉;機(jī)理分析;檢測(cè)方法

1 引言

連鑄連軋法生產(chǎn)的銅桿具有優(yōu)良的加工性能，能很好地滿足漆包線、鍍錫線、超微細(xì)線等產(chǎn)品的生產(chǎn)，目前世界上90%以上的銅桿采用連鑄連軋生產(chǎn)工藝進(jìn)行生產(chǎn)［1］。自上世紀(jì)80年代初我國(guó)引進(jìn)首條連鑄連軋銅桿生產(chǎn)線以來(lái)，至今已累計(jì)引進(jìn)了20余條連鑄連軋銅桿生產(chǎn)線。通過(guò)近30年的連鑄連軋生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的積累與發(fā)展，我國(guó)銅桿質(zhì)量水平和生產(chǎn)效率得到不斷提高，然而即便如此，我國(guó)企業(yè)生產(chǎn)的銅桿質(zhì)量水平與國(guó)外高端銅桿質(zhì)量水平相比仍有一定差距，特別是在高速連拉連包機(jī)應(yīng)用于漆包線生產(chǎn)后，由于國(guó)內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的銅桿表面銅粉較多，一直難以滿足高端連拉連包漆包線客戶的生產(chǎn)要求。

經(jīng)過(guò)多年的連鑄連軋銅桿生產(chǎn)實(shí)踐，我公司生產(chǎn)的銅桿表面銅粉含量不斷降低，控制經(jīng)驗(yàn)日漸豐富。本文將銅桿表面銅粉的形成機(jī)理分析作為切入點(diǎn)，探索銅桿表面銅粉含量的主要影響因素及關(guān)鍵控制環(huán)節(jié)。

2 表面銅粉對(duì)后續(xù)加工性能和產(chǎn)品使用性能的影響

2.1 銅粉對(duì)后續(xù)拉伸性能的影響

銅粉附著在銅桿的表面，若單位長(zhǎng)度銅桿表面銅粉含量過(guò)高將對(duì)銅桿的拉伸性能產(chǎn)生重要影響，其主要影響表現(xiàn)有:

(1)銅粉過(guò)多易導(dǎo)致拉絲堵模，影響拉伸過(guò)程潤(rùn)滑液對(duì)模具的潤(rùn)滑造成模具損傷。如圖1所示，銅粉堵住?？趯?dǎo)致潤(rùn)滑液難以被帶入或銅粉被壓入線表。

(2)拉伸過(guò)程中銅粉堵模嚴(yán)重的將導(dǎo)致拉絲斷線，使拉伸作業(yè)難以連續(xù)進(jìn)行。

圖1 銅粉拉伸堵模示意圖

2.2 銅粉對(duì)產(chǎn)品表面和使用性能的影響

(1)銅粉為非機(jī)體金屬，與機(jī)體金屬在拉伸過(guò)程中會(huì)有部分剝離脫落形成線表坑洞或裂紋［2］，另一部分銅粉顆粒拉絲過(guò)模后將在銅線表面形成毛刺，影響產(chǎn)品的表面性能。

(2)表面銅粉導(dǎo)致的拉伸毛刺或坑洞，在生產(chǎn)漆包線時(shí)會(huì)使該處耐壓強(qiáng)度降低，易被擊穿;另外在做漆包線和鍍錫線時(shí)，若銅粉過(guò)多且拉伸過(guò)程中清洗效果不好，容易導(dǎo)致表面“漆瘤”或“錫瘤”，影響產(chǎn)品的電性能。

(3)銅粉主要成分為銅的氧化物，致密覆蓋在銅桿表面，當(dāng)氧化物厚度達(dá)到或超過(guò)2000?時(shí)，銅桿拉伸后的線表顏色將發(fā)暗發(fā)黑，影響表面光澤度［3］。

3 銅桿表面銅粉的形成機(jī)理

所謂銅桿表面銅粉，即附著在銅桿表層機(jī)體金屬上的銅氧化物、雜質(zhì)等，若將銅桿進(jìn)行正反扭轉(zhuǎn)，其能從銅桿表面剝離并表現(xiàn)為粉末狀物質(zhì)。

銅粉主要包括銅的氧化物和雜質(zhì)兩大部分，其形成機(jī)理各不相同。

3.1 銅的氧化物形成機(jī)理

連鑄連軋法生產(chǎn)的銅桿為低氧銅桿，氧含量一般在200～400PPM之間［4］，特別是從鑄坯脫模至入軋以及軋制過(guò)程鑄坯都暴露在氧化性氣氛中，鑄坯表面生成一層致密氧化物(CuO和Cu2O)并被其覆蓋，具體氧化過(guò)程見(jiàn)示意圖2。

圖2 銅在氧化性氣氛中，被氧化成CuO和Cu2O

鑄坯軋制成銅桿后進(jìn)入無(wú)酸清洗工序，在無(wú)酸清洗工序銅桿表面氧化物被還原，根據(jù)還原程度不同分為四個(gè)存在形態(tài)，具體還原過(guò)程見(jiàn)示意圖3。

圖3 CuO和Cu2O被還原的過(guò)程

整個(gè)還原過(guò)程由表及里發(fā)生，由于銅桿表層氧化物被還原成金屬后會(huì)阻礙次表層還原反應(yīng)的發(fā)生，還原過(guò)程的結(jié)果應(yīng)是銅桿表層為Cu金屬，次表層仍為Cu2O形式的氧化物。但在實(shí)際連鑄連軋生產(chǎn)過(guò)程中，銅桿表面還原反應(yīng)發(fā)生時(shí)間只有1s左右，通常反應(yīng)在CuO還原到Cu2O的階段，通過(guò)對(duì)銅桿表面氧化物進(jìn)行定氧分析和測(cè)算，其組成以少量CuO和大量Cu2O形式存在。在后續(xù)銅桿的扭轉(zhuǎn)或拉伸變形過(guò)程中CuO和Cu2O容易從機(jī)體金屬剝離，形成銅粉。

3.2 表面雜質(zhì)的形成機(jī)理

在整個(gè)鑄造和軋制過(guò)程中，鑄坯會(huì)接觸導(dǎo)輪、導(dǎo)向塊、軋輥和含銅泥乳液等物資。鑄坯在與導(dǎo)輪、導(dǎo)向塊和軋輥接觸時(shí)，由于摩擦作用，可能會(huì)有導(dǎo)輪、導(dǎo)向塊和軋輥的表面剝離物黏附或壓入銅桿坯表面，形成后續(xù)的桿表剝離物銅粉;在軋制過(guò)程，乳液中的銅粉噴在鑄坯表面上時(shí)會(huì)被壓入銅桿表面形成銅粉;軋輥表面乳液潤(rùn)滑效果不好導(dǎo)致軋輥粘銅，進(jìn)而使得鑄坯表層組織疏松導(dǎo)致剝離物增多，在后續(xù)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)以帶狀銅粉剝離物的形式存在，如圖4所示。

圖4 Ф8.0mm銅桿帶狀銅粉剝離物圖

4 生產(chǎn)過(guò)程中銅桿表面銅粉的關(guān)鍵控制環(huán)節(jié)及檢測(cè)方法

通過(guò)分析研究銅桿表面銅粉對(duì)后續(xù)生產(chǎn)的影響及其形成機(jī)理，結(jié)合多年生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和對(duì)高端客戶材質(zhì)要求的摸索，總結(jié)出以下降低銅桿表面銅粉的關(guān)鍵控制環(huán)節(jié)及銅粉檢測(cè)方法:

4.1 銅桿表面銅粉的關(guān)鍵控制環(huán)節(jié)

(1)鑄坯質(zhì)量的控制。鑄坯表面重熔線、裂紋、坑洞等均對(duì)軋制后銅桿表面銅粉有影響，因此，入軋前鑄坯表面應(yīng)首先保證光滑，盡量減少缺陷。

(2)軋制溫度的合理控制。對(duì)軋制溫度的控制主要表現(xiàn)為對(duì)鑄坯入軋溫度、銅桿出軋溫度和軋制乳液溫度的控制。鑄坯入軋溫度的控制對(duì)鑄坯表面氧化皮的剝離和軋輥各站運(yùn)行滑差有影響;銅桿出軋溫度的控制對(duì)后續(xù)無(wú)酸清洗效果有影響;軋制乳液溫度的控制對(duì)潤(rùn)滑效果和冷卻效果有影響。

(3)軋輥表面粗糙度、高低壓乳液壓力及噴射角度的合理控制。軋輥表面粗糙度對(duì)軋制過(guò)程的滑差、銅粉的剝離起到關(guān)鍵作用，一般軋輥表面粗糙度按軋制道次順序由大變小;高壓乳液作用主要是沖刷鑄坯表面剝離物和強(qiáng)冷鑄坯，因此應(yīng)控制壓力和噴射角度;低壓乳液作用主要是沖刷和冷卻軋輥表面，壓力和角度控制十分重要，壓力低容易使軋輥表面粘銅。

(4)各站軋制速度的匹配控制。軋制速度若是不匹配，導(dǎo)致某些站間存在滑差，即該站由軋制變成了拉拔，使得剝離效果變差和軋輥更易粘銅，因此必須正確控制軋輥間隙和各站速度匹配。

(5)無(wú)酸清洗參數(shù)的合理控制。在無(wú)酸清洗工序，銅桿表面會(huì)發(fā)生還原反應(yīng)，同時(shí)對(duì)銅桿表面進(jìn)行清洗，是降低銅桿表面銅粉含量的最后環(huán)節(jié)。在這個(gè)過(guò)程應(yīng)合理控制無(wú)酸液的濃度與溫度以及各清洗站的壓力和流量，同時(shí)根據(jù)無(wú)酸液與銅桿表面氧化物反應(yīng)的溫度要求，合理控制銅桿出入無(wú)酸清洗工序的初始溫度［5］。

4.2 銅桿表面銅粉的檢測(cè)方法

(1)銅桿表面銅粉的檢測(cè)方法在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 3952-2008電工用銅線坯》附錄A中有介紹，即干刷法［6］，之前版本的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)均未對(duì)銅粉的檢測(cè)方法進(jìn)行規(guī)定。但隨著市場(chǎng)對(duì)銅桿質(zhì)量要求越來(lái)越高，客戶對(duì)銅粉指標(biāo)越來(lái)越重視并大部分高端客戶均已提出了明確銅粉指標(biāo)要求，因此新版國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 3952-2008電工用銅線坯》增加了銅粉檢測(cè)方法的規(guī)定。具體的銅粉檢測(cè)操作方法和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)在此不詳述，請(qǐng)參見(jiàn)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

(2)目前國(guó)內(nèi)銅桿生產(chǎn)企業(yè)為滿足自己生產(chǎn)或客戶生產(chǎn)的要求，多采用企業(yè)內(nèi)部或客戶制訂的方法檢測(cè)銅粉。一般企標(biāo)與國(guó)標(biāo)不同之處也主要表現(xiàn)在正反扭轉(zhuǎn)次數(shù)和測(cè)試樣品標(biāo)距兩指標(biāo)上，如多數(shù)企業(yè)采用250mm標(biāo)距、±15轉(zhuǎn)檢測(cè)銅粉，而國(guó)標(biāo)要求為300mm標(biāo)距、±10轉(zhuǎn)檢測(cè)銅粉，企業(yè)的銅粉檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行更嚴(yán)格，主要是為滿足大多數(shù)高端客戶的銅粉指標(biāo)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

連鑄連軋銅桿表面銅粉含量的影響因素和控制環(huán)節(jié)都比較多，不斷降低銅桿表面銅粉含量是一個(gè)永恒的課題。由于銅桿表面銅粉對(duì)后續(xù)加工性能和產(chǎn)品使用性能具有至關(guān)重要的影響，因此，銅桿加工企業(yè)在降低銅粉含量方面還需深入工藝技術(shù)研究，以滿足市場(chǎng)發(fā)展的需要。

［1］段軍偉.我國(guó)光亮銅桿連鑄連軋生產(chǎn)技術(shù)淺析［J］.有色金屬加工，2006(5):20-21.

［2］和曉燕.銅桿線質(zhì)量影響因素淺談［J］.云南冶金，2005 (4):85-87.

［3］H·包波思.在銅線工業(yè)中銅桿表面氧化物的影響及其測(cè)定［J］.Wire Journal，1977(3):50-57.

［4］衛(wèi)紅凡.淺談低氧銅桿和無(wú)氧銅桿的性能及應(yīng)用［J］.機(jī)械管理開(kāi)發(fā)，2005(12):54-55.

［5］吳煜.光亮銅桿表面變色原因探討［J］.常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2006(2):25-28.

［6］GB/T 3952-2008，電工用銅線坯［S］.

Analysis on Forming Principle and Key Control Point of Copper Rod Surface's Copper Powder

XIAO Hong-liang，WEI Li-min

(JCC Copper Products Company Limited，Guixi，Jiangxi 335424，China)

Copper powder on Copper rod surface has an important impact to subsequent processing performance and functional performance.So far，the rod surface copper powder control technology of the domestic casting and rolling copper rod production enterprises have certain difference compared with foreign enterprises.Combined with years of practical experience in production，based on research and analysis on the continuous casting and rolling of copper rod copper surface formation mechanism，the key control points of copper rod surface copper content were summarized.Research shows the key control points of continuous casting and rolling of copper rod surface powders mainly were casting surface quality control and rolling，cleaning process control.

continuous casting and rolling;copper rods;copper powder of copper rod surface;mechanism principle analysis;detection method.

TG335.6

B

1009-3842(2012)05-0001-03

2012-07-02

肖洪量(1981-)，男，江西峽江人，工程碩士，主要從事銅及銅合金管、棒、桿、線生產(chǎn)技術(shù)等方面的研究。E-mail:xhongl@163.com