高導碲銅合金棒材上引連鑄工業(yè)試驗研究

魏安祥，劉婉容，劉 宏

（銅陵有色股份銅冠電工有限公司，安徽 銅陵 244000）

1 引言

高導碲銅合金具有優(yōu)良的導電、導熱性能，抗腐蝕性、電弧性能優(yōu)越特點，國內(nèi)現(xiàn)有生產(chǎn)方法采用半連續(xù)鑄錠+熱擠壓+拉拔進行生產(chǎn)，該生產(chǎn)工藝生產(chǎn)效率和成品率低，不能提供連續(xù)長度的坯料，無法適應現(xiàn)今新能源汽車和充電樁工業(yè)的自動化生產(chǎn)需要。

銅陵有色股份銅冠電工有限公司，利用上引連鑄方法，先后進行三次碲銅合金工業(yè)試驗，成功研制出連續(xù)長碲銅合金鑄桿，本文主要是對三次工業(yè)試驗進行技術總結，希望能為上引法規(guī)?；a(chǎn)碲合金桿提供寶貴的實踐經(jīng)驗。

2 碲銅合金生產(chǎn)使用新趨勢

高導碲銅合金具有優(yōu)良的導電、導熱性能，抗腐蝕性、電弧性能優(yōu)越等特點，是高導精密接插件的理想材料，在新能源汽車充電樁領域將有廣闊的應用前景。然而目前，國內(nèi)現(xiàn)有的充電樁主要使用黃銅，而黃銅導電率低導致充電時間長。另一方面，碲銅合金是一款有著60 年歷史的很古老的合金，到目前為止，由于應用需求、材料和生產(chǎn)成本等因素，卻沒有得到廣泛的應用，故而市場上的易切削銅合金主要由鉛黃銅及無鉛黃銅（導電率在20%IACS 左右）占據(jù)市場。因此，國內(nèi)外大型銅加工企業(yè)幾乎沒有研究和大規(guī)模生產(chǎn)碲銅合金的實績。國內(nèi)碲銅合金棒線材主要由一些小型的銅加工廠采用半連續(xù)鑄錠+熱擠壓+拉拔進行生產(chǎn)，該生產(chǎn)工藝流程較為復雜，能耗高，投資大，建設周期長，生產(chǎn)效率和成品率低，無法實現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)［1］，不能滿足現(xiàn)今新能源汽車和充電樁工業(yè)的自動化生產(chǎn)需要。

3 試驗研究

3.1 試驗的主要內(nèi)容

針對碲銅合金的熔煉特性，本試驗著重控制碲成份均勻的關鍵技術及工藝裝備研制。

碲金屬昂貴且易揮發(fā)，在熔化過程中，開發(fā)獨特的碲金屬加料裝置及攪拌裝置，確保碲在銅液中的含量均勻；同時在鑄造過程中，設計氮氣保護裝置減少碲的揮發(fā)用。

同時優(yōu)化上引連鑄工藝，完成碲銅的連續(xù)鑄桿。上引連鑄的主要特點是可直接從熔融的銅液中制取連續(xù)的銅棒，可有效避免傳統(tǒng)的鐵模鑄造工藝的上述缺點，上引連鑄法雖然在純銅類得到應用，但在銅合金特別是碲銅合金上的使用，國內(nèi)外尚屬首次。

3.2 試驗重點解決的技術難題

熔煉和鑄造工藝：Te 比Cu 輕、容易氧化、而且揮發(fā)溫度不到1000℃（988℃），能在空氣中燃燒，生產(chǎn)TeO2［2］。如何添加Te 確保Te 的燒損能得到控制；合金的吸氣性強，如何確保熔煉、鑄造過程中熔體不吸氣，保證鑄錠內(nèi)部無氣孔、疏松等缺陷，確保棒材沒有起皮、分層等缺陷。

4 工業(yè)試驗過程

4.1 上引連鑄法碲銅合金工業(yè)試驗的基本工藝流程

根據(jù)公司對充電樁用碲銅合金棒的總體工藝方案，本研究通過 “上引連鑄+連續(xù)擠壓+冷變形”方法，來獲得Cu-Te 合金棒材。并對合金進行變形和熱處理，分析Te 元素含量、形變和熱處理等因素對合金組織和性能的影響。試驗的技術路線和主要方法如圖 1 所示在本文中主要對熔鑄過程進行總結闡述。

本試驗研究通過“上引連鑄+連續(xù)擠壓” 制備不同成分的碲銅合金，完善連續(xù)上引和連續(xù)擠壓制備碲銅合金中各項工藝參數(shù)，確定Te 元素所加入的合理成分含量。本工藝技術路線加入傳統(tǒng)法做對比。 試驗的技術路線和主要方法如圖 1 所示［4］。

圖 1 試驗過程與工藝流程圖

4.2 上引連鑄法碲銅合金工業(yè)試驗

2018 年4 月—2018 年10 月在銅陵有色股份銅冠電工有限公司分別進行了三次工業(yè)試驗。

試驗采用年生產(chǎn)能力8000 t 的上海清浦豪申公司上引熔鑄機組，設備主要技術參數(shù)為：上引速度：600～800mm/min，h)，熔銅速率：1200kg/h，收線成圈規(guī)格：φ700mm×φ1500mm c)，鑄桿直徑：φ18mm。如圖2 所示為工業(yè)試驗現(xiàn)場。

圖2 上引連鑄試驗現(xiàn)場

4.2.1 主要采用的試驗參數(shù)

（1）碲銅合金成份的設計。為了優(yōu)化碲銅合金的上引工藝，得到合理的工藝參數(shù)，研究設計了6組不同成分的碲銅合金，通過不同工藝參數(shù)下制備的碲銅合金鑄桿情況，優(yōu)化了較佳工藝參數(shù)。其計算成分和實測成分如表1 所示，從實測結果看，采用合理的工藝技術，在上引生產(chǎn)裝備中可以保證碲元素的穩(wěn)定。

表1 碲銅合金的成分

（2）按合金成份進行上引鑄造碲銅桿試驗。對設計的六組不同成分碲銅合金進行了上引連鑄試驗，合理的上引參數(shù)能保證連續(xù)上引，并且得到表面質量較好、性能優(yōu)異的碲銅合金。試驗以高純銅（GB/T467-2010）和銅碲中間合金為原料，連續(xù)制備出Ф12.5 mm 的碲銅合金桿坯。

（3）按不同的節(jié)距進行上引鑄造碲銅桿試驗。目前制備碲銅合金的上引工藝尚不成熟，無經(jīng)驗可借鑒，為了優(yōu)化其工藝，得到工藝參數(shù)，故本項目研究了在上引連鑄過程中，針對不同成分的碲銅合金設計了不同的牽引參數(shù)和節(jié)距，如表 2 所示，7個不同的節(jié)距和7 個不同的牽引速度。6 組不同成分的碲銅合金分別在各個節(jié)距下使用不同的牽引速度來制備，觀察鑄桿的質量。

表2 節(jié)距和牽引速度

4.2.2 不同節(jié)距和速度鑄桿的表面質量試驗優(yōu)化結果

根據(jù)前期研究結論，為了提高生產(chǎn)效率，節(jié)距和牽引速度的選取原則是在能連續(xù)生產(chǎn)出高質量的碲銅合金的前提下，節(jié)距和牽引速度越大越好。

以Cu-0.7Te 合金為例，首先固定節(jié)距為2.0 mm，嘗試8 組不同的牽引速度，確定在該節(jié)距下最佳的牽引速度。然后依次在節(jié)距為2.5 mm、2.8 mm、3.0 mm、3.5 mm、4.0 mm 和4.5 mm 下，使用不同的牽引速度，來確定最佳的工藝參數(shù)。如果節(jié)距和牽引速度過大，會導致結晶器內(nèi)循環(huán)冷卻水冷卻強度過低，容易造成上引桿表面氧化、顏色發(fā)紅、發(fā)暗，如圖3 所示。

圖 3 鑄桿顏色發(fā)紅變暗

在一定的冷卻強度以及合理的引鑄溫度下，采用不同的節(jié)距、配合合理的牽引速度，正是體現(xiàn)了對結晶器內(nèi)凝固前沿加大冷卻強度的措施。試驗表明，碲銅合金的上引工藝中，對冷卻強度這一參數(shù)尤為敏感。

4.2.3 不同的“節(jié)間”與“節(jié)上”鑄桿的微觀組織

為了進一步觀察上引連鑄狀態(tài)下的碲銅合金組織，尤其是了解碲元素的分布情況，對鑄桿進行微觀組織觀察。此外，由于Cu-Te 合金上引制備出來的坯料，每個節(jié)距之間能看到較為明顯的痕跡，如圖4 （a）黃色箭頭處，而Te 元素銅中容易產(chǎn)生偏析，故選取Te 含量較高的Cu-0.3Te 合金鑄桿，在鑄桿的“節(jié)”間與“節(jié)”上分別取樣，進行金相組織觀察，如圖4（b）和圖4 （c）所示。從圖中可見節(jié)上組織比節(jié)間組織存在更多的黑色顆粒，推測其可能是Te 冷卻結晶時，容易在節(jié)上偏聚，使得節(jié)距之間能看到較為明顯的痕跡［5］。

圖4 Cu-0.3Te 合金鑄桿與其金相組織

4.2.4 高導碲銅合金桿上引連鑄參數(shù)

經(jīng)過多次試驗，Te 含量在0.3%～0.7%的碲銅合金桿，節(jié)距控制在2.0～2.5mm，牽引速度控制在250～300 mm/min；Te 含量在0.1%～0.3%的碲銅合金桿，節(jié)距控制在2.5～3.0mm，牽引速度控制在350～450 mm/min 之間；Te 含 量 在0.02%～0.1%的碲銅合金桿，節(jié)距控制在3.0～4.0 mm，牽引速度控制在550～650 mm/min 之間，能連續(xù)不斷的制備出性能優(yōu)異的碲銅合金上引鑄桿。如圖5 所示為：Te 含量為0.30%，不同節(jié)距和不同牽引速度的碲銅合金（0.3%Te）鑄桿［6］。

圖5 不同節(jié)距、牽引速度合金鑄桿

5 小結

（1）采用合適的熔鑄工藝，可實現(xiàn)不同成分碲銅合金的連續(xù)上引，為下一步連續(xù)擠壓提供合格的連續(xù)坯料，提供了碲銅合金制備新工藝；

（2） 碲銅合金上引對冷卻強度和這一參數(shù)尤為敏感，對牽引節(jié)距需要著重控制。