熱管用高性能無氧銅管的研發(fā)

湯曉水，李 華

（1.江西銅業(yè)加工事業(yè)部，江西 南昌 330096，2.江西省江銅耶茲銅箔有限公司，江西 南昌 330096）

1 引言

熱管是利用介質(zhì)在熱端蒸發(fā)后在冷端冷凝的相變過程，使熱量快速傳導，它具有極高的導熱性、良好的等溫性，以及冷熱兩端的傳熱面積可任意改變，可遠距離傳熱、可控制溫度等優(yōu)點。它主要應用于電氣設備散熱、CPU 和電子器件冷卻、半導體原件以及大規(guī)模集成電路板的散熱領域以及航空航天、軍工等行業(yè)，比如筆記本電腦、智能手機、5G 基站、新能源汽車以及大功率LED 燈等散熱。相比于傳統(tǒng)金屬散熱器，熱管散熱器具備結構緊湊、流體阻損小、有利于控制露點腐蝕、低噪聲、高效能等技術優(yōu)勢，應用范圍將不斷擴大［5］。熱管一般由管殼、吸液芯和端蓋組成，而熱管用無氧銅管是用于制作熱管管殼的主要材料之一，包括熱管平滑管和溝槽管。所以，熱管用高性能無氧銅管將成為未來銅管行業(yè)市場新的增長點，也是銅管行業(yè)生產(chǎn)技術新的發(fā)展方向。熱管用無氧銅管的生產(chǎn)設備、工藝流程與空調(diào)制冷用銅管基本一致，其關鍵是管坯熔鑄時氧含量的控制、行星軋制工藝制定以及溝槽管齒肋成形模具參數(shù)的設計。

當前江西銅業(yè)加工事業(yè)部銅管廠主要生產(chǎn)制造精密空調(diào)與制冷用磷銅合金高效傳熱內(nèi)螺紋銅管和光面銅管等TP2 銅管產(chǎn)品，產(chǎn)品結構較為單一，產(chǎn)品市場定位于制冷行業(yè)，主要的客戶是國內(nèi)空調(diào)生產(chǎn)企業(yè)，存在市場淡旺季非常明顯、客戶過于集中，由于現(xiàn)有產(chǎn)品工藝技術成熟，導致產(chǎn)品利潤較低、賬期較長的特點。因而，要圍繞加工事業(yè)部轉(zhuǎn)型升級發(fā)展目標為主線，重點推進高質(zhì)量項目新產(chǎn)品的研發(fā)，加大對新能源汽車、5G、航空航天、軍工、電子等領域新產(chǎn)品的研發(fā)力度，推動銅加工產(chǎn)品邁向高精尖［1］。加快對熱管用高性能無氧銅管新產(chǎn)品的研發(fā)，增加銅管新品種和新技術儲備，提升公司生產(chǎn)技術水平和行業(yè)競爭力，提高產(chǎn)品的市場占有率，推動產(chǎn)業(yè)向價值鏈中高端發(fā)展。

2 熱管用高性能無氧銅管的研究內(nèi)容、方法和技術路線

通過研究熱管用銅管鑄坯成分的控制與熔鑄工藝、無氧銅管大變形量行星軋制工藝、內(nèi)溝槽熱管用銅管旋壓成形工藝以及退火工藝對熱管用銅管的組織和性能的影響等關鍵技術，開發(fā)一套熱管用高性能銅管的生產(chǎn)工藝。其技術目標是能連續(xù)生產(chǎn)并確保產(chǎn)品性能滿足以下要求：

（1）小批量生產(chǎn)熱管用高性能無氧銅管，如熱管平滑管8×0.2、6×0.2、5×0.1 等；熱管溝槽管8×0.20×0.10、6×0.20×0.10、6×0.30×0.12 等，其成分要求為C10100（TU0），其中氧含量要求較高，氧含量成分≤10ppm。并形成一套熱管用高性能銅管生產(chǎn)工藝技術規(guī)范。

（2）熱管產(chǎn)品的尺寸公差、力學性能、機械性能等的各項性能指標符合《GB/T17791-2017 空調(diào)與制冷設備用銅及銅合金無縫管》國家標準［2］；齒形填充效果佳，斷管率低，且產(chǎn)品在加工成熱管過程中沒有彎曲表面橘皮和壓扁凹陷等缺陷出現(xiàn)。

熱管用高性能無氧銅管的研究方法：采用工藝試驗的方法，選擇合適的無氧銅管水平連續(xù)鑄造工藝、氧含量控制方法、行星軋制工藝等；采用內(nèi)螺紋成形模具先進設計軟件，開發(fā)內(nèi)溝槽銅管旋壓成形模具參數(shù)；采用3D 金相顯微鏡測量齒形參數(shù)，分析熱管用內(nèi)螺紋銅管的成齒質(zhì)量；采用工藝試驗的方法，分析不同的成形速度、旋模比以及成形模具參數(shù)對成齒質(zhì)量的影響，不同成品退火工藝對銅管組織性能影響；跟蹤客戶的使用及反饋情況，有針對性地對成形工藝進行分析、優(yōu)化。

熱管用高性能無氧銅管的技術路線：充分了解客戶對熱管的技術要求→調(diào)整熔鑄、軋制、盤拉等工藝技術參數(shù)→根據(jù)理論及實踐經(jīng)驗，設計加工盤拉成形模具→將設計好的模具和芯頭應用于盤拉成型工序→小試、中試和規(guī)模生產(chǎn)試驗→熱管產(chǎn)品檢測合格后發(fā)客戶試用驗證→形成工藝技術規(guī)范→固化工藝技術參數(shù)。其生產(chǎn)工藝路線圖如圖1 所示。

圖1 熱管用高性能銅管生產(chǎn)工藝路線圖

3 熱管用高性能無氧銅管的工藝研究

3.1 熱管用高性能無氧銅管鑄坯成分控制與熔鑄工藝技術

3.1.1 關鍵技術難點

（1）熔煉溫度控制。

熔煉溫度是一個重要參數(shù)，在一定溫度范圍內(nèi)，溫度愈高，金屬液的粘度愈小，流動性越好，充型能力越好；反之，則充型能力差。但是，溫度過高，金屬液吸氣多，氧化嚴重，使鑄坯晶粒粗大，容易出現(xiàn)縮孔、疏松與氣孔等缺陷。溫度太低，將阻礙銅液內(nèi)非金屬雜質(zhì)的上浮，不利于銅液的凈化。同時，溫度降低，銅液粘度增大，降低銅液流動性。因此選擇合適的熔煉溫度就顯得非常重要［3］。一般熔化爐正常設定溫度1175℃，保溫爐正常溫度設定1160℃。

（2）氧（O）含量控制。

熱管用高性能無氧銅管其成分要求為C10100（TU0），其中對氧含量要求較高，要求氧含量成分控制在10ppm 以下。而氧幾乎不固溶于銅，氧含量超標嚴重影響熱管的表面質(zhì)量，因為氧含量與熱管的傳熱效率相關，氧含量越低，熱管傳熱效率越高。

氧含量高的原因：熔化爐和鑄造爐均在大氣氛圍下進行熔煉，空氣中的氧會進去銅熔體中。

解決問題的辦法：在向熔化爐加料后，當銅液液面達到標準液位，向液面加入高純度石墨粉脫氧劑或者在銅熔體表面覆蓋較厚一層木碳；對保溫爐加熱后，同時向保溫爐液面加蓋脫氧劑。木炭覆蓋厚度為100～200mm，嚴禁銅液裸露，并間隔一定時間換新木炭，即擴散還原脫氧，其化學反應式是Cu2O + CCu + CO2。

（3）磷（P）含量控制。

磷在銅中的最大溶解度（714℃共晶溫度時）為1.75%，室溫時幾乎為零。在TP2 銅合金管中，磷元素的加入能顯著降低其電導率及熱導率，而導熱性能是熱管的關鍵性能，因此，磷含量的控制有助于保證熱管的導熱性能。此外，磷含量較高導致熱管燒結彎曲后的表面粗糙度的提高，影響熱管加工后的表面質(zhì)量。因而熱管的磷含量必須控制在10ppm 以下。

磷含量高的原因：由于熱管無氧管熔鑄使用的是熔煉TP2 銅合金（P 含量150～400ppm）爐子，在熔化爐和鑄造爐爐腔內(nèi)有保留較多TP2 銅合金熔體，同時爐壁及其縫隙里也有TP2 銅合金銅熔體大量殘留。

解決問題的辦法：先對熔化爐、鑄造爐扒掉熔體表面碳覆蓋層，將熔體表面暴露在空氣中進行熔煉，讓空氣中的氧不斷與熔體表層中的磷反應，最后生成氧化磷浮渣，從而達到非常好的除磷效果，即擴散氧化燒磷，其化學反應式是P + O2P2O5。

3.1.2 試驗結果

（1）P、O 含量控制結果。

磷（P）含量在熔化爐中：2.8～15.4 ppm；鑄造爐中：6.2～19.8 ppm；鑄坯中：8.5～11.2 ppm。磷含量控制在20ppm 以下，達到了熱管用無氧銅管磷含量技術要求；

氧（O）含量在熔化爐中：1.1～6.1 ppm；鑄造爐中：3.1～7.3 ppm；鑄坯中：3.0～9.3 ppm。氧含量控制啊10ppm 以下，達到熱管用無氧銅管氧含量技術要求。

（2）鑄坯金相組織。

取鑄坯金相分析，鑄坯組織晶粒細小均勻，滿足后續(xù)熱管用高性能無氧銅管的軋制工藝加工要求，具體如圖2 所示。

3.2 熱管用高性能無氧銅管鑄坯大變形量行星軋制工藝

3.2.1 行星軋制力分析

水平連鑄無氧銅管鑄坯經(jīng)過銑面工序后，進入三輥行星軋制。軋件的總體變形是由三個軋輥依次碾壓軋件所引起的變形的積累。每一瞬時，軋輥與軋件的接觸并非線接觸，而是一條狹長的帶，如圖3 所示。

圖2 鑄坯金相組織圖

圖3 軋制件變形過程圖

軋制過程為進給向前的旋轉(zhuǎn)碾壓，即軋制過程中，軋件上A 點向E 點移動，B 點向F 點移動，以此達到減徑軋制的效果。但每一瞬時，軋輥蘑菇頭上如圖3 所示的周向環(huán)狀微元碾壓軋件可看成是圓柱軋輥碾壓軋件。現(xiàn)在追蹤軋制變形區(qū)軋件上的某一點，在假設軋件與軋輥接觸處不打滑的情況下，此點的軌跡可看作軋輥上該點的運動軌跡［4］。如圖4 所示。

圖4 軋制過程受力分析圖

在管材行星軋制過程中，軋制變形主要為減徑變形，三輥行星軋的機銅管坯軋件變形量很大，但軋制力矩卻很小。由于電動機功率與軋制力矩成正比，所以與擠壓相比，行星軋制的能耗是很低的。通過軋機軋輥的自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)，可以實現(xiàn)金屬大的變形量；銅管的扭曲運動可以通過修正輔助驅(qū)動速度控制，能提供一定的推進量，使軋管在變形區(qū)內(nèi)受到強烈的三向壓應力作用。根據(jù)軋制過程受力分析理論，最后得出軋制力計算方程如下，該方程需要計算機輔助完成結果計算［7］。

其中邊界條件為：

3.2.2 實驗結果

根據(jù)三輥行星軋制受力分析理論計算結果可知，三輥行星軋制過程中，熱管無氧銅鑄坯的軋制力比TP2 銅管鑄坯的軋制力大，因此，需要降低無氧銅鑄坯的軋制速度，以便減小軋機的負荷，否則壁厚很難控制。針對軋制無氧銅鑄坯時軋輥易粘銅打滑的問題，由于無氧銅的特性決定這現(xiàn)象比較突出，采用TP2鑄坯與無氧銅鑄坯交替軋制，效果更好。最終確定熱管無氧銅的軋制工藝如表1所示。

表1 無氧銅和TP2 銅管軋制工藝

3.3 熱管用Φ6×0.2 平滑管盤拉成形工藝

3.3.1 Φ6×0.2 平滑管盤拉成形工藝

依據(jù)管坯硬化原理設計熱管用高性能無氧銅管的拉拔工藝與生產(chǎn)道次。此外，熱管用平滑管對橢圓度要求很高，為此，將最后一道盤拉道次調(diào)整至內(nèi)螺紋成型機上進行，最終確定熱管用Φ6×0.2平滑管盤拉成形工藝如表2 所示。

3.3.2 實驗結果

（1）各項性能測試結果。

外徑（6±0.03）：5.98mm，壁厚（0.2±0.02）：0.203mm；抗拉強度（≥260）：360MPa，延伸率δ（5）%：56%，維氏硬度（90-110）：106.8HV，銅含量（≥99.97%）：99.992%，氧含量（≤10ppm）：6.5ppm。各項性能指標均滿足客戶的技術標準。

（2）客戶試用結果。

熱管用Φ6×0.2 平滑管樣品送往華盈電子科技有限公司和江蘇啟祥電子科技有限公司進行了熱管制備小批量試用試驗（填粉、燒結、彎曲和壓扁等），各項性能均滿足客戶需求，試用合格。

表2 熱管用Φ6.0×0.2 平滑管盤拉成形工藝

3.4 熱管用Φ8×0.20×0.10 溝槽管成形工藝

3.4.1 Φ8×0.20×0.10 溝槽管成形工藝

根據(jù)客戶的技術要求，采用逆推法結合內(nèi)螺紋設計軟件對溝槽管成形工藝與成形模具進行優(yōu)化設計并計算。逆推法即根據(jù)內(nèi)螺紋管規(guī)格，如D0×S0×H0（外徑×底壁厚×齒高），從定徑模開始，從后向前，依次計算出鋼球、旋壓環(huán)、螺紋芯頭、減徑模、管坯等參數(shù)［6］。先經(jīng)成型機旋壓和預定徑成Φ9.52，再重新上成型機定徑空拉至Φ8，成功試制出滿足客戶技術標準的熱管用Φ8×0.20×0.10-110 溝槽管，從而最終確定Φ8×0.20×0.10 溝槽管成形工藝如表3 所示。

表3 熱管用Φ8×0.20×0.10 溝槽管成形工藝

3.4.2 實驗結果

（1）各項性能測試結果。

外徑（8±0.03）：8.01mm，壁厚（0.2±0.02）：0.202mm；抗拉強度（≥260）：340MPa，維氏硬度（90～110）：102.7HV， 銅 含 量（ ≥99.97%）：99.99%， 氧 含 量（ ≤10ppm）：7.5ppm， 齒 高（0.20±0.2）：0.216mm，齒數(shù)（110）:110，螺旋角（0±2°）：0°，齒頂角（5～25°）：15～20°。各項性能指標均滿足客戶華盈電子科技有限公司的產(chǎn)品技術標準。

（2）客戶試用結果。

熱管用Φ8×0.20×0.10 溝槽管樣品送往華盈電子科技有限公司進行了熱管制備小批量試用，各項性能滿足客戶需求，并且產(chǎn)品在后續(xù)加工成熱管過程中沒有彎曲表面橘皮和壓扁凹陷等缺陷出現(xiàn)，試用合格。

4 結語

通過對熱管用高性能無氧銅管的研究與開發(fā)，成功開發(fā)了利用現(xiàn)有TP2 熔鑄爐設備制備熱管用無氧銅管鑄坯的熔鑄工藝，實現(xiàn)關鍵元素P、O 成分含量的穩(wěn)定控制，獲得了成分、組織均合格的高品質(zhì)熱管用無氧銅鑄坯，形成高性能熱管Φ6×0.20 平滑管和Φ8×0.20×0.10-110 溝槽管生產(chǎn)工藝技術規(guī)范。成功實現(xiàn)熱管Φ6×0.2 平滑管和 Φ8×0.20×0.10 溝槽管小批量生產(chǎn)，且控制氧含量≤10ppm，產(chǎn)品的尺寸公差、力學性能、機械性能等的各項性能指標完全符合《GB/T17791-2017 空調(diào)與制冷設備用銅及銅合金無縫管》國家標準及客戶要求。目前已在瑞聲科技、華盈電子和江蘇啟祥電子科技有限公司等客戶小批量供貨，標志著加工事業(yè)部新產(chǎn)品研發(fā)達到了一個新的水平，并通過調(diào)整產(chǎn)品結構實現(xiàn)銅管產(chǎn)品的轉(zhuǎn)型升級。