低氧銅桿線銅粉剝離原因分析及其對策措施

陳輝明，李明茂，汪建華，朱映玉，陳廣軍

（1.江西理工大學(xué)，a.國家銅冶煉及加工工程技術(shù)研究中心；b.材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西 贛州 341000；2.江西銅業(yè)集團銅材有限公司，江西 貴溪335424）

0 引 言

低氧銅桿是生產(chǎn)電線電纜的主要原材料之一，在電線電纜行業(yè)中占有較大的比例.近年來，隨著科技水平的不斷提高，電線電纜的生產(chǎn)設(shè)備、規(guī)格、品種要求也不斷提高，在生產(chǎn)設(shè)備上向高速、多頭拉絲、連拉連包等方向發(fā)展，規(guī)格上向微細線、超微細線方向發(fā)展，品種上向漆包線、鍍層線方向發(fā)展等.因此，這對銅線坯的性能也提出了更高的要求.

在銅桿線拉伸、鍍層過程中，由于低氧銅桿坯的內(nèi)在質(zhì)量缺陷及后續(xù)拉制過程中出現(xiàn)的質(zhì)量缺陷，導(dǎo)致銅桿線表面出現(xiàn)損傷，銅粒子脫離銅基體，并在銅線表面出現(xiàn)一個凹坑、毛刺等質(zhì)量缺陷（圖1）.在后續(xù)拉伸過程中，特別是微細線制備過程中，銅線坯在三向應(yīng)力的作用下，缺陷處出現(xiàn)應(yīng)力集中導(dǎo)致斷線[1-3].另外，在生產(chǎn)漆包線、鍍層線時，由于線表缺陷，容易導(dǎo)致鍍層不均或鍍層脫落，影響漆包線、鍍層線的產(chǎn)品質(zhì)量[4-7].同時，銅粉大量脫落，進入潤滑液中，惡化潤滑液的質(zhì)量[8-10]，堵塞拉伸模或漆模，影響線表，甚至出現(xiàn)拉伸斷線.

圖1 線表剝離凹坑

為了系統(tǒng)研究低氧銅桿、銅線拉制過程中表面銅粉剝離的原因，通過對低氧銅桿線坯及其后續(xù)拉伸加工的整個工藝流程進行控制、分析，以減少銅桿及其線材的表面銅粉剝離，改善銅桿表面狀況和提高鍍層質(zhì)量.

1 銅粉剝離機理

銅桿線在拉伸加工過程中，在拉伸模具出入口、潤滑液等處會出現(xiàn)大量的銅粉.為了確認銅粉剝離的原因，對剝離銅粉進行收集，并進行物相、成分檢測.

從收集的銅粉形貌來看，拉伸過程中剝離的銅粉呈無規(guī)則形態(tài)，尺寸大小在微米級.部分銅粉顆粒呈長扁平狀，其尺寸可達 500 μm以上（圖 2）.經(jīng)過成分檢測，此粉末顆粒中，僅含銅、氧2種元素.由此說明，其主要為純銅顆粒、CuO和Cu2O顆粒.因此，銅桿線銅粉剝離的主要原因是銅桿線氧化層剝落和表面機械損傷導(dǎo)致的銅基體脫落.

圖2 剝離銅粉形貌圖

在銅桿線檢測的國家標準中，銅桿線通過正反轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn)實驗來檢測銅粉剝離量，以反映銅桿的綜合性能.通過扭轉(zhuǎn)破壞試驗，使銅桿表面銅的氧化物或缺陷能暴露出來，并以銅粉顆粒的形式掉落.實踐證明，扭轉(zhuǎn)破壞測試后的銅桿線銅粉剝離量大，后續(xù)拉伸過程中銅桿線表面也容易有粒子脫落，造成線表損傷.在生產(chǎn)漆包線等鍍層線時，銅粉附著在線表上，容易出現(xiàn)瘤狀顆粒.鍍層隨銅粒子脫落，造成鍍層不均.在生產(chǎn)漆包線時，由于鍍層不均或脫落，容易造成電壓擊穿，影響漆包線的質(zhì)量[1].同時銅粉脫落易堵塞拉伸模或漆模，惡化線表，甚至發(fā)生斷線.

對此，為了進一步確定低氧銅桿銅粉剝離的影響因素，對連鑄連軋法生產(chǎn)低氧銅桿的幾個主要環(huán)節(jié)及銅桿線拉伸環(huán)節(jié)進行深入研究，分析其影響機理，并確定解決措施，以解決銅桿線銅粉剝離這一質(zhì)量問題.

2 銅粉剝離影響因素探究

2.1 軋制過程的影響

低氧銅桿線坯主要是采用“連鑄—連軋”的生產(chǎn)工藝.連鑄坯從鑄機系統(tǒng)出來后，以780～850℃進入到連軋系統(tǒng)內(nèi)進行軋制.在進入軋機前這一階段，暴露在空氣中的高溫鑄坯會快速氧化，并在表面形成一層氧化皮，厚度可達30 μm以上，如圖3（a）所示.

圖3 鑄坯表面氧化物

在軋制過程中，氧化皮出現(xiàn)破裂、脫離，如圖3（b）所示.軋件表層氧化皮破裂，Cu基體暴露出來，并進入到軋輥中進行軋制.然而，氧化皮容易黏附在軋輥和軋件上，被軋輥重新軋入Cu基體中，導(dǎo)致硬、脆的氧化皮嵌入并最終留在低氧銅桿中.在后續(xù)拉伸過程中，與銅基體黏結(jié)的氧化物在拉伸應(yīng)力作用下，出現(xiàn)剝離、掉落，如圖4所示.

圖4 軋入的氧化物

2.2 無酸清洗的影響

銅桿表面氧化膜主要成分為氧化銅、氧化亞銅，與純銅相比，其硬度大、塑性小.在銅桿線拉伸中，銅桿氧化膜厚度值越高，拉絲模具的磨損越大，而且也容易造成桿表損傷，產(chǎn)生拉絲銅粉，嚴重時還將產(chǎn)生斷線.

從軋機出來的低氧銅桿溫度高達500℃以上，在進入無酸清洗工序前，表面已經(jīng)形成有一層氧化皮.其快速通過無酸清洗管，與無酸清洗液發(fā)生還原反應(yīng)，使表層氧化皮還原成光亮的銅.銅的氧化物在高溫條件下與醇類反應(yīng)，醇先被氧化成醛，然后被氧化成酸.其反應(yīng)原理為[11]：

因酒精/異丙醇必須在500℃以上才能與氧化銅進行還原反應(yīng)，并需一定的反應(yīng)時間.因此，生產(chǎn)工藝條件不同，將產(chǎn)生不同的還原、清洗效果，可用以圖5表示這一過程.

圖5 銅桿清洗前后還原程度示意圖

還原反應(yīng)不完全，將導(dǎo)致表層的氧化皮被還原，但是次表層仍存在部分氧化物（圖5(b)）.在銅桿拉伸過程中，在三向應(yīng)力作用下，又硬又脆的氧化物破碎壓入銅基體，并在后續(xù)的繼續(xù)拉伸過程中氧化物再次與基體分離，并最終以銅粉的形式剝離、掉落（圖 6）.

圖6 拉伸變形區(qū)銅粉剝離毛刺

2.3 銅桿線表面擦傷

銅桿線表面被擦傷，將導(dǎo)致光滑表面出現(xiàn)毛刺、凹坑等缺陷（圖7）.在拉伸模具變形區(qū)，毛刺將被重新壓入銅基體，而凹坑將被金屬填平（圖8）.然而，擦傷處的界面雖然被修復(fù)、覆蓋，但是其與新金屬形成的界面結(jié)合力并不強，其結(jié)合強度大大小于晶粒界面結(jié)合強度.因此，在后續(xù)的拉伸過程中將出現(xiàn)剝離，形成銅粉.

圖7 銅線表面擦傷

圖8 拉伸時擦傷被包覆

導(dǎo)致擦傷的原因有很多，主要包括流通過程擦傷和加工過程擦傷2大類.流通過程擦傷主要為運輸過程外物碰傷.而加工過程擦傷指在銅桿、銅線的加工過程中一切可以導(dǎo)致桿表擦傷的因素，如：銅桿生產(chǎn)過程中導(dǎo)輪運轉(zhuǎn)不良導(dǎo)致桿表擦傷；拉伸過程中銅線與拉伸鼓輪之間的擦傷等.

2.4 拉伸過程角度不良

拉伸角度不良是指銅線拉伸時，進線的中心線與出口的中心線不在一條中心線上，產(chǎn)生偏移的現(xiàn)象（圖9）.銅線進入拉伸模具壓縮變形區(qū)，銅線的變形區(qū)的尺寸將不一致.在三向應(yīng)力作用下，圓周范圍內(nèi)金屬流動速度不一致，壓縮變形角度也不一致（圖10）.造成某處金屬流動不均勻，模具一側(cè)金屬堆積，變形嚴重[12－13].這將導(dǎo)致銅線表面損傷，甚至剝離出大量的銅粉顆粒.

2.5 拉絲模具的影響

拉絲模具是影響銅線拉伸質(zhì)量的關(guān)鍵，其對銅桿線銅粉剝離主要影響因素有以下幾方面：

1）模具結(jié)構(gòu)不合理.銅桿線拉伸過程中，桿線表層金屬受到剪切應(yīng)力，桿線表面與模具間存在摩擦力[14].因此，銅線拉伸過程中，銅桿線與模具間的潤滑狀況是關(guān)鍵.例如：模具潤滑區(qū)潤滑錐角過大，將導(dǎo)致潤滑劑不易儲存，潤滑效果差.

圖9 銅線入、出模中心線偏移

圖10 銅線壓縮區(qū)尺寸不一致

2）模具不光潔或破損.模具在拉伸過程中，容易在變形區(qū)、定徑區(qū)出現(xiàn)黏銅（圖11）或者表面磨損、不光滑.這都將在拉絲過程中容易出現(xiàn)線表面刮傷和銅粉剝離（圖12）.

圖11 拉伸模具黏銅

圖12 模具缺陷導(dǎo)致桿表刮傷

3 對策措施

3.1 改進軋制乳液工藝

SCR軋制系統(tǒng)采用的是多站式連續(xù)軋制，輔助系統(tǒng)包括高壓乳液系統(tǒng)、低壓乳液系統(tǒng)等。高壓乳液對軋件表面氧化皮起到清洗、沖刷作用，而低壓乳液則對軋輥進行冷卻和沖刷.因此，提高高壓乳液泵、低壓乳液泵的壓力，使其有足夠大的沖刷力將軋件、軋輥表面的氧化皮沖干凈，保證軋制接觸面內(nèi)光滑、無異物.

另外，乳液本身的特性也對軋制銅粉有顯著影響.乳液中的醇類物質(zhì)不僅能給熱軋過程提供一個還原性氣氛并與軋件表面的氧化物進行反應(yīng)，而且對乳液的乳粒具有細化作用[15-16]，其對潤滑、冷卻、清洗效果有重要的影響.

實驗表明，適量的醇類濃度能細化乳液乳粒，改善潤滑[7]；同時減少新金屬基體表面二次氧化，對減少扭轉(zhuǎn)銅粉剝離具有明顯的效果.然而，醇類濃度太高，乳液潤滑效果變差，清洗效果太強，對軋輥壽命、桿表質(zhì)量不利.

3.2 改進無酸清洗工藝

實踐表明，無酸清洗液中的有效成分是乙醇或異丙醇等還原性溶液.其發(fā)生還原反應(yīng)必須滿足2個基本條件：充分接觸和高溫.

無酸清洗工序采用的是多站式清洗.因此，各個無酸液噴射工作站要通暢、無堵塞、噴射角度要能很好地噴射到低氧銅桿表面，以確保氧化物與溶液有充分接觸并進行化學(xué)反應(yīng).

同時，該反應(yīng)需要在高溫條件下進行.因此，為了能盡可能保證銅桿表面被還原徹底，在滿足還原反應(yīng)的前提下要盡量減小無酸液的流量，以減小無酸液的冷卻效果，延長其在無酸管內(nèi)的反應(yīng)時間.

另外，無酸液中的還原性物質(zhì)（如乙醇、異丙醇等）濃度對銅桿氧化膜及后續(xù)拉絲銅粉剝離量也有重要影響.濃度越高，銅桿清洗效果越好，氧化膜厚度越低.

3.3 避免銅桿線的表面損傷

能夠?qū)е裸~桿線表面損傷的因素有很多，根據(jù)形成階段不同可以分為3類：低氧銅桿生產(chǎn)階段的損傷、運輸階段的損傷和拉伸階段的損傷.

1）生產(chǎn)階段：首先，要求軋輥表面光滑、無坑洞.軋輥坑洞容易在軋件表面形成毛刺，毛刺再次軋入在后續(xù)拉伸中容易以銅粉形式剝離.其次，連軋過程中保證各站速度匹配、無滑差.低氧銅桿軋制采用的無滑差多站式連軋機，各軋輥軋制速度可以調(diào)節(jié).各站速度不匹配，軋輥與軋件表面打滑，易造成軋件表面擦傷，同時打滑、擦傷產(chǎn)生的氧化皮又被軋入銅基體內(nèi)，造成拉伸時銅粉剝離.再次，在低氧銅桿生產(chǎn)過程中，確保系統(tǒng)各導(dǎo)輪運轉(zhuǎn)正常。導(dǎo)輪運轉(zhuǎn)卡滯，容易造成高速運行的銅桿表面擦傷，并影響后續(xù)拉伸銅粉剝離.

2）運輸階段：首先，低氧銅桿及線包裝要嚴實，防止在運輸或生產(chǎn)工序間調(diào)撥、倉儲等過程中長時間裸露在空氣中，加重其表層氧化.其次，運輸、叉運過程中防止磕碰，避免線表損傷.

3）拉伸階段：目前銅桿線拉伸大部分是多站滑動式連續(xù)拉絲機，銅線進入到下一道模具前是纏繞在鼓輪上.因此，在拉伸過程中，要避免銅線在鼓輪上高速滑動時造成表面擦傷.這里主要有2類擦傷：一是銅線與銅線表面之間的擦傷，二是銅線與鼓輪表面的擦傷.

因此，首先要保證配模工藝準確，各模具之間速度匹配合理.在連續(xù)拉絲過程中，纏繞在鼓輪上的銅線之間不會松緊不一，導(dǎo)致銅線間的摩擦和擦傷.其次，保證各鼓輪表面光滑、無凹痕.

3.4 保證銅線進出口中心線一致

在拉伸過程中，要保證每個模具進線中心線、出線中心線與模具孔中心軸線三線重合，使銅線在圓周方向上金屬流動保持一致性，防止偏離中心導(dǎo)致銅線表面刮傷.

3.5 模具結(jié)構(gòu)合理、光滑無劃傷

保證模具結(jié)構(gòu)設(shè)計或修模后各個區(qū)域分布合理.如：潤滑區(qū)錐角對潤滑劑進入模具有重要的影響，區(qū)域長度越長、角度越小，帶入的潤滑劑壓力越大，在模具內(nèi)模具與銅線之間的潤滑和分離效果越好，對線表越有利.定徑區(qū)越長，銅線表面越差.另外，要保證模具各個區(qū)域無劃痕、缺口或黏銅，避免銅線表面被刮傷.

4 結(jié)論

1）銅桿氧化層剝落和機械損傷是導(dǎo)致低氧銅桿線在拉伸過程中銅粉剝離的主要原因.

2）低氧銅桿軋制、清洗及銅桿線拉伸過程的各個環(huán)節(jié)對銅粉剝離均有較大影響.在整個生產(chǎn)過程中防止氧化物、硬度顆粒等壓入銅桿線基體內(nèi)和防止銅桿線表面損傷，能有效減少銅桿線銅粉剝離.

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