電工用再生銅桿的顯微組織與性能的研究

姚大偉， 袁德華（上海電纜研究所，上海200093）

電工用再生銅桿的顯微組織與性能的研究

姚大偉， 袁德華
（上海電纜研究所，上海200093）

針對目前常見的再生銅桿樣品，通過金相顯微分析、成分分析、力學(xué)性能和電學(xué)性能分析，研究了再生銅桿的組織與性能的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上闡述了再生銅桿材料的特點，為相關(guān)產(chǎn)品的檢測和質(zhì)量控制提供依據(jù)。

再生銅桿；顯微組織；性能；分析

0　引 言

我國銅礦資源緊缺，廢銅利用量逐年增加，近年來每年從國外進(jìn)口的廢雜銅都達(dá)到400萬噸以上。統(tǒng)計顯示，截至2012年底電纜行業(yè)使用的銅導(dǎo)體已達(dá)540萬噸，其中再生銅導(dǎo)體約270萬噸，已經(jīng)占到一半的用量。利用廢雜銅回收生產(chǎn)銅，與原生銅的生產(chǎn)相比，可以節(jié)能70%～80%，節(jié)能及成本優(yōu)勢顯著。廢雜銅的回收利用不僅擴(kuò)大了銅金屬資源的應(yīng)用范圍，且社會、經(jīng)濟(jì)效益顯著，具有重要的推廣價值［1，2］。

廢雜銅制造電工用再生銅桿，其方法是由回收的廢雜銅經(jīng)分類、分級、預(yù)處理后直接進(jìn)入冶金爐內(nèi)冶煉，并與連鑄連軋或連鑄工序共同組成銅桿生產(chǎn)線。它的優(yōu)點是節(jié)能、簡化工序、生產(chǎn)成本較低；缺點是如何控制好桿的質(zhì)量，其矛盾比電解銅制桿更突出，難度更大［3］。

目前，再生銅桿的評價主要集中在銅桿的純度、電阻率、可軋性、可拉性、可退火性和表面質(zhì)量等要求?；诓牧辖M織決定材料性能這一出發(fā)點，本文將通過綜合考查再生銅桿的顯微組織和力學(xué)電學(xué)性能，分析再生銅桿的性能差異和形成原因。

1　試驗材料及方法

1.1試驗材料

選取國內(nèi)市場上常見的直徑為8.0 mm的三種軟態(tài)再生銅桿為試驗樣品，編號為1#、2#、3#。另取一段直徑8.0 mm的軟態(tài)T1電解銅桿作為參比試樣，編號為4#。

1.2試驗方法

銅桿成分按照GB/T 5121.27—2008《銅及銅合金化學(xué)分析方法 第27部分：電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法》測定。在溫度23℃、濕度50%的環(huán)境下，通過IRIS INTREPIDⅡ全譜直讀等離子體發(fā)射光譜儀測定元素含量。

制備金相試樣，在ZEISSAxio ScoPe A1金相顯微鏡下觀察銅桿金相組織。按照GB/T 6394—2002《金屬平均晶粒度測定方法》測試材料晶粒度。

銅桿的電性能測試按照GB/T 3048.2—2007《電線電纜電性能試驗方法 第2部分：金屬材料電阻率試驗》進(jìn)行，測試結(jié)果換算成20℃的數(shù)值。

在HXS-1000A顯微維氏硬度計上測試金屬材料硬度，加載10 s，載荷100 g，每個試樣測試8個點，取平均值作為實測結(jié)果。

2　試驗結(jié)果和分析

表1為試驗銅桿的主要化學(xué)成分。由表1可知，再生銅桿2#雜質(zhì)含量最高，鉛含量更是明顯高于其它試樣；1#和3#雜質(zhì)含量相對較低，其中3#的雜質(zhì)元素以氧為主；電解銅桿4#雜質(zhì)含量最低，銅桿最純。

表1　試驗銅桿的主要化學(xué)成分　?。▎挝唬?）

圖1為4種銅桿的200倍金相組織。由金相組織可見，再生銅的組織中分布著較多雜質(zhì)顆粒，電解銅的組織相對比較純凈，雜質(zhì)顆粒較少。圖2為4種銅桿的500倍金相組織。由高倍金相可見，2#的組織中存在較大的雜質(zhì)相，尺寸達(dá)微米級，1#和3#組織中也存在一定數(shù)量的雜質(zhì)顆粒，但尺寸較小，4#電解銅內(nèi)的雜質(zhì)最少，且基本分布于晶界上，晶粒內(nèi)比較純凈。表2為4種銅桿的晶粒度，可見再生銅的晶粒尺寸明顯小于電解銅的晶粒尺寸，再生銅中又以2#的晶粒尺寸最小，這主要是由于再生銅中雜質(zhì)相較多，凝固過程中促進(jìn)了熔體內(nèi)的非均質(zhì)形核，通過多質(zhì)點形核抑制大晶粒生長，使銅晶粒細(xì)化，雜質(zhì)相越多，晶粒越細(xì)小。

表2　4種銅桿的晶粒度

表3所示為4種樣品的電性能。由表3可見，1#、3#與4#導(dǎo)電率相當(dāng)；2#樣品最差，低于100% IACS。根據(jù)研究［4］，合金電阻主要由四種散射作用引起，分別是聲子、位錯、固溶原子或雜質(zhì)以及界面對電子的散射作用。對于組織穩(wěn)定的材料，聲子散射對電阻的貢獻(xiàn)最大；對于合金化組織，固溶原子或雜質(zhì)引起點陣畸變對電子的散射作用比第二相顯著。因此保持晶粒內(nèi)部純凈，促使固溶原子析出，可促進(jìn)電導(dǎo)率提升。綜合來說，降低雜質(zhì)含量，對電導(dǎo)率提高有利。

表4為4種樣品的顯微維氏硬度值，其中再生銅桿的硬度均在100以上，遠(yuǎn)高于電解銅桿。再生銅桿中，2#銅桿硬度最低，3#銅桿硬度最高，但相互差距不大。結(jié)合銅桿的成分和結(jié)構(gòu)可知，材料硬度受晶粒尺度影響顯著，同時亦受晶界強(qiáng)度、基體性質(zhì)和雜質(zhì)相顆粒性質(zhì)綜合作用影響。

表3　4種銅桿的電性能

表4　4種銅桿的維氏硬度

3　討 論

根據(jù)相關(guān)資料［5］和元素性質(zhì)，鉛不固溶于銅，微量的鉛與銅形成低熔點共晶組織（Cu+Pb），共晶溫度為326℃，共晶體呈黑色顆粒狀分布在晶界上。鉛對銅的熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率無顯著影響，但是會大幅降低銅的高溫塑性。氧不固溶于銅，但與銅形成高熔點脆性化合物Cu2O，含氧銅冷凝時，氧以共晶體（Cu+ Cu2O）析出，分布在晶界上，其共晶溫度很高（1066℃），對熱變形性能不產(chǎn)生影響，但Cu2O硬而脆，使冷變形產(chǎn)生困難。鐵在銅中溶解度不大，溫度下降時呈較粗大的α-Fe顆粒析出。鐵能細(xì)化銅晶粒，延遲銅的再結(jié)晶過程，提高其強(qiáng)度與硬度，但是會降低銅的塑性、電導(dǎo)率與熱導(dǎo)率。鋅能大量固溶于銅，450℃固溶度可達(dá)39%，450℃以下隨溫度下降固溶度略有降低，含鋅量在一定范圍的合金組織無明顯改變，可少量提高基體強(qiáng)度，降低電導(dǎo)率。

圖1　4種銅桿的200倍金相組織

圖2　4種銅桿的500倍金相組織

由實驗結(jié)果可見，廢雜銅通過精煉后，實際轉(zhuǎn)化成一類微合金化的銅合金，合金元素含量低且以細(xì)小第二相的形式存在于晶界上。從位錯理論的角度看，這種結(jié)構(gòu)使位錯滑移的阻力更大，位錯運動更困難?；谱冃蔚倪^程就是位錯運動的過程，如果位錯不易運動，就是材料不易變形，也就是力學(xué)性能提高。第二相對銅基體的導(dǎo)電特性影響較小，從而維持了較高的導(dǎo)電性能。這種微結(jié)構(gòu)特征保證基體的純凈，同時細(xì)化了晶粒，保證電導(dǎo)率不下降，但力學(xué)性能有所提高。

對于具有微合金化特征的再生銅，與電解銅的性能差異主要出現(xiàn)于深冷加工后。變形后存在著大量的相界面，強(qiáng)烈拉伸后銅組織中纖維的直徑可細(xì)至10 nm，當(dāng)界面間距與平均電子自由程屬于同一個數(shù)量級時，界面對電子的散射作用變得更加顯著，因此可以認(rèn)為界面是深冷加工后期引起電阻率增大的主要原因。銅基體中的合金元素原子析出生成的細(xì)小第二相粒子在合金變形時對位錯產(chǎn)生釘扎，使得合金產(chǎn)生明顯的加工硬化效果，更重要的是，在冷變形過程中，次生相逐漸變?yōu)槔w維狀組織，可以顯著提高合金強(qiáng)度水平。

4　結(jié) 論

（1）再生銅桿的硬度明顯高于電解銅桿，電導(dǎo)率可達(dá)到電解銅桿水準(zhǔn)。

（2）不同純度的再生銅桿中，再生銅桿的雜質(zhì)元素含量越高，電導(dǎo)率越低。

（3）電解銅桿中，晶粒完整，晶內(nèi)組織純凈；再生銅桿中，氧以氧化物、合金元素以金屬間化合物的形式分布于晶界上，數(shù)量和尺寸因含量而異。這種組織差異決定了性能差異。

［1］ 黃崇祺.廢雜銅直接制桿利用的問題解析和措施［C］//中國銅加工技術(shù)與應(yīng)用論壇文集.上海：中國有色金屬加工工業(yè)協(xié)會，2008：17-18.

［2］ 王彤彤，余學(xué)德，郭 峰，等.廢雜銅火法精煉生產(chǎn)光亮銅桿現(xiàn)狀淺析［J］.有色冶金設(shè)計與研究，2012（6）：26-30.

［3］ 黃崇祺.論中國電纜工業(yè)的廢雜銅直接再生制桿［J］.電線電纜，2009（1）：1-5.

［4］ Hong SI，HillMA.Mechanical stability and electrical conductivity of Cu-Ag filamentary microcomPosites［J］.Materials Science and Engineering A，1999，264（1）：151-158.

［5］ 吳承建，陳國良，強(qiáng)文江，等.金屬材料學(xué)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2009.

Study on Microstructure and Properties of Copper Rods from Recycling for Electrical Purpose

YAO Da-wei，YUAN De-hua
（Shanghai Electric Cable Research Institute，Shanghai200093，China）

CoPPer rods from recycling for electrical PurPose are tested by means ofmetallograPhic analysis，comPonent analysis，mechanical analysis and electrical analysis to research the relations between structure and ProPerty. From the research，the characteristic of thismaterial is introduced.Thatmay offer helP in insPection and quality control.

coPPer rods from recycling；microstructure；ProPerty；analysis

TM 241

A

1672-6901（2016）02-0043-04

2015-08-11

姚大偉（1984-），男，工程師.

作者地址：上海市軍工路1000號［200093］.