1．簡介： 銅以其良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱能力成為電子和電力工業(yè)領(lǐng)域里的首選和主要材料。為了達到所要求的性能標(biāo)準(zhǔn)，使用的幾乎都是高純度的銅。這篇文章主要討論了這樣做的原因，同時還特別關(guān)注了一些根本的冶煉原則。其目的是要針對過去十年銅線領(lǐng)域里的相關(guān)發(fā)展展開進一步的討論。
2．導(dǎo)體要求： 近年來在解釋貴重金屬（即銅、銀和金）的電子屬性上已經(jīng)取得了巨大的進步。這些元素顯示出了很高的導(dǎo)電性能，因為它們的導(dǎo)電電子對于電場的運動幾乎沒有什么抵抗力。銅尤其是一種優(yōu)良的導(dǎo)體，因為最外圍的電子之間有很大的自由空間，以致于不會發(fā)生任何碰撞。而它的電阻率則與這寬大的空間成反比。
有幾種導(dǎo)電金屬都比銅輕，但是輸送同樣多的電流，它們所要求的橫截面更大，所以如果要求節(jié)約空間的話，這些金屬是不可取的。（例如：在一些小型電力馬達）。所以當(dāng)超重成為問題時，人們就開始使用鋁。銅具有商業(yè)應(yīng)用所需要的最好的性能特征，因此銀就因為它昂貴的價格而不被采用。
3．應(yīng)用： 銅是以其純凈形式而不是合金形式而具有最廣泛用途的稀有金屬之一。大約有五十多種不同的鍛壓合金中銅的最小含量是 99.3%，雖然只有一小部分在工業(yè)上用作電導(dǎo)體。這些低合金中最常用的是電解韌銅，它由這純度的金屬構(gòu)成，這種金屬可與氧在100-650ppm的范圍內(nèi)結(jié)成合金。但是在氫氣環(huán)境中人們建議不要使用ETP銅，因為當(dāng)它暴露于這些溫度時會受到氫脆裂的影響。在這樣的環(huán)境下，要么使用無氧銅，要么就使用無氧電子銅。 含銀銅中電源電壓器中的應(yīng)用相當(dāng)有限，因為它在溫度提高時具有較高的強度和較弱的抵抗力。
4．銅棒和銅線的生產(chǎn)： 二十世紀(jì)七十年代以前，幾乎所有的銅都是通過分批法生產(chǎn)的，分批法的具體步驟是：將熔化銅澆注并凝固成為叫做“線錠”的特種鑄塊，然后在稍微受到限制的保護氛圍將棒再加熱，而后在通過熱壓法在空氣中將這一鑄造的樹形結(jié)構(gòu)分解成棒的形式。接下來，就將其投放在10%的硫酸里來清除上面的氧化物，通過將一端對接在另一端而形成較長的線圈。現(xiàn)在，實際上所有的銅棒都是通過連續(xù)鑄造和軋制程序制成的。連續(xù)鑄造的好處是：較小的雜質(zhì)微分離、減少了表面的銅氧化物顆粒、在與軋輥接觸的過程中鋼含量減少、幾乎避免了所有的焊縫、降低了整個加工成本。
刻意地將氧和銅制成合金，作為溶解氫和硫磺的凈化劑，從而在熔化中形成H2O和SO2這兩種氣體。如果氧成分有一定控制的話，那么就會形成小型汽泡，在合適的條件下，這些汽泡會抵消從液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變過程中約4%的收縮量。如果所形成的毛孔不十分大的話，它們完全可以在熱壓期間被消除掉。
大部分連續(xù)鑄造和軋制的產(chǎn)品都裝有非破壞性設(shè)備，而這些設(shè)備往往都進行在線應(yīng)用來檢測表面諸如裂縫和氧化物等缺陷。對于某種高質(zhì)量的應(yīng)用，通常要通過機械修整來將表面好多層金屬清除掉。
大部分圓形和方形銅產(chǎn)品都是通過用傳統(tǒng)的人工多晶拉模或天然單晶拉模進行拉絲而生產(chǎn)的。銅具有良好的成形性，銅棒可以很容易地制成比較細的銅絲，而不需要任何中間的退火過程。盡管它具有這種比較理想的特性，但是磁線工業(yè)中的一般做法是在拉絲過程中將減面率降到90%左右，之后還要進行退火。除了減面率以外，金相結(jié)構(gòu)也可能會發(fā)生變化，從而削弱了銅線的機械特性。磁線經(jīng)常是通過所謂的“在線過程”來進行生產(chǎn)的，這一過程包括：“慢速”拉絲，接著進行連續(xù)退火，同時還要上涂料。最終的銅線產(chǎn)品是通過將退火之間的減面率降低到90%而得到改善的。
5．雜質(zhì)的作用： 在高導(dǎo)電率形成過程中化學(xué)性質(zhì)是最重要的變量之一。這些成分中最有害的東西能夠降低導(dǎo)電率、提高退火線的機械強度、避免再結(jié)晶、有時在生產(chǎn)銅棒的熱壓過程中還會導(dǎo)致熱脆。無數(shù)的研究調(diào)查表明：極少數(shù)量的溶解物都會一次性地提高銅的電阻率。許多雜質(zhì)都會階段性地提高其半硬再結(jié)晶溫度。然而，當(dāng)雜質(zhì)與沉淀物或氧化物而不是溶解物混合在一起時，對導(dǎo)電率的有害影響就會降到最低。表2表明了各種各樣的單一元素添加到只含有200ppm氧的高純度ETP銅所產(chǎn)生的影響。一般來說，每百萬分之一雜質(zhì)中的前半部分與相同劑量的后半部分相比影響力更大。然而，需要注意的是，自從建立于1913年的銅電力標(biāo)準(zhǔn)由 100%IACS導(dǎo)電率表示以來，商業(yè)銅的純度就得到了極大地改善。如今，大部分商業(yè)銅負(fù)極的導(dǎo)電率都超過101%IACS。
6．氧成分的影響： 氧是為了改善鑄造銅的堅固性通過對燃汽——金屬反應(yīng)的控制而采用的一種合金成分。同樣重要的是，氧在與大部分雜質(zhì)反應(yīng)的過程中都起到了一個清除器的作用，而這些雜質(zhì)當(dāng)它們?nèi)芙庠阢~基質(zhì)中時對其特性和退火反應(yīng)都有巨大的影響作用。相反，當(dāng)這些雜質(zhì)與不可溶解的氧化物混合在一起的時候，這些壞作用就被抵消了。從表3可以看出，ETP銅導(dǎo)電率的最大值是200ppm。因而，ETP銅中氧的含量大致在175和450ppm之間。由于分散雜質(zhì)容易引起熱裂，所以通常都盡量避免低氧值。相反，超于這一最佳限制的氧氣值并不常見，因為這對可成形性具有附作用。實際的氧含量應(yīng)是既要有較好退火過程，還要避免可能出現(xiàn)的可塑性問題。
7．熱機械可調(diào)變量的重要性： 除了由金屬雜質(zhì)形成的氧化物之外，氧化物還可以通過改變熱力史從銅基質(zhì)中溶解或沉淀出氧化物。這些固體反應(yīng)可能會影響最終的粒子大小，因為銅氧化物成分在再結(jié)晶的過程中能幫助形成大小統(tǒng)一的粒子。然而，二次再結(jié)晶（不正常的粒子成長）通常都與一個雙重的顆粒結(jié)構(gòu)有關(guān)，而這一顆粒結(jié)構(gòu)是在高溫退火過程中由氧化物的溶解形成的。粒子粗化和孿晶的出現(xiàn)主要是由于溶液溫度超過了500攝氏度，且氧的濃度低于600ppm.拉絲之前形成 的粗粒子在接下來的低溫退火之后并沒有被消除掉。從高溫冷卻下來的冷卻速率也會影響到高溫機械性能，尤其是雜質(zhì)成分相當(dāng)?shù)卮髸r。快速淬火會導(dǎo)致固態(tài)溶液中高濃度、不均勻的雜質(zhì)成分。從另一方面講，慢速冷卻會增強雜質(zhì)和氧之間的相互作用，這又有利于雜質(zhì)從固態(tài)溶液中沉淀下來。在退火期間通過拉絲或軋制所作的冷加工對于商業(yè)磁線來說是有限制的。在最終冷卻之前為了得到比較好的順應(yīng)性（即銅線在成形或彎曲過程中以最小的回彈性保持形狀的能力），最好要限制一下冷加工的數(shù)量。高模數(shù)和低屈服強度都是比較理想的性能，因為它們都是最小回彈性的標(biāo)志。
8．退火過程： 銅的退火性是個非常復(fù)雜的特性，這一特性是由一系列的其他屬性組成，而這些屬性又會隨著變形、熱過程、金屬純度和氧成分的多少而發(fā)生變化。當(dāng)雜質(zhì)沉淀下來以后，它們對退火過程的影響是比較小的，這與固態(tài)溶液中的情形是截然不同的。退火溫度與溶劑（這里指的是銅）和溶質(zhì)（這里指的是雜質(zhì)）之間原子大小的區(qū)別有一定的關(guān)系。溶質(zhì)元素的化合價也是影響退火性的一個重要參數(shù)。然而，由于多種物質(zhì)之間熱動力的相互作用所形成的復(fù)雜狀況，退火性并不只是簡單地與一些可能的參數(shù)，如：原子量或溶質(zhì)的化合價有關(guān)。
9．表面影響： 在外界溫度下，銅線總是有一個殘留的氧化膜，而這一氧化膜是當(dāng)銅線進入熱桿軋制階段時從高溫的、連續(xù)鑄造的銅桿上形成的。現(xiàn)在在銅業(yè)中通過一種電量分析控制檢測手段來測量殘留的表面氧化膜的厚度已成為一種比較標(biāo)準(zhǔn)的作法。氧化膜可能會相當(dāng)?shù)赜泻Γ驗樗鼈兛赡軙诶z過程中引發(fā)許多缺陷、使拉絲膜過度磨損、可焊性變差、搪瓷膜和裸導(dǎo)體之間的附著力變?nèi)酢?
銅桿的缺陷之處往往是源于連續(xù)鑄造過程和軋制過程，這包括：殘渣、銅氧化夾雜物、熱裂、裂塊、銅桿表面氧化顆粒的形成。大部分金屬間化合的夾雜物都比較脆，因而都成為拉絲過程中裂紋發(fā)生和蔓延的場所。相對于缺陷而言，較細的磁線和成形線是最主要的生產(chǎn)產(chǎn)品。
唯一最大的表面缺陷源于拉絲，往往是以拉模劃痕、機械損傷、弧口鑿或裂片的形式出現(xiàn)在裸導(dǎo)體的表面。因為拉絲問題而形成的裂片往往與所捕獲的氧化物沒有太大關(guān)系。表面損傷通常是由于拉絲機內(nèi)移動線未對準(zhǔn)或拉絲膜爐口內(nèi)銅精煉的壓制力太大則形成的。
10．未來的挑戰(zhàn)：人們對于更好表面質(zhì)量、更大包裝型號的需求在不斷地上升，而且越來越期望生產(chǎn)出一種“無疵點”并少斷折的銅桿（即有很好的可拉性）。滿足這些需求的推動力將會是： 更好的能源效率、愈加激烈的全球競爭、更多的家居應(yīng)用、在地價上漲的情況下所使用的小型電動機，比如汽車中使用的馬達。因而人們會越來越愿意使用比較小的計量尺寸。
隨著電解冶金法的出現(xiàn)和電解精煉所取得的不斷進步，目前商業(yè)銅負(fù)極的純度似乎已經(jīng)達到了大家都可以接受的水平，而且已經(jīng)沒有必要進一步限制雜質(zhì)的數(shù)量。然而，在易切削黃銅工業(yè)中，鉍已經(jīng)被用來代替鉛作為一種合金元素。因為鉍對于電力銅導(dǎo)體具有很大的毒性作用，因此人們要求黃銅碎片應(yīng)與銅碎片完全地分割開來。
銅線工業(yè)面臨的一個問題是在拉絲過程中，由于研磨或分層而造成了許多表面的疵點。為了解決這一問題，關(guān)健是要在以下幾個方面有所改進：銅桿的表面質(zhì)地、拉絲潤滑劑、固體顆粒的過濾、單一合成晶體鉆石拉絲膜的生產(chǎn)。
一個十分重要的未來挑戰(zhàn)就是開發(fā)出更多敏感的傳感器，通過用一種非接觸檢測手段來檢測銅棒、銅桿和銅線上的非破性疵點。這些疵點中的大部分由于太小而用現(xiàn)在的漩渦流檢測設(shè)備是根本檢測不到的。此外，還需要開發(fā)一種在線檢測設(shè)備來輕易地檢測大孔隙和其他的內(nèi)部疵點。
影響線狀電力銅導(dǎo)體性能、加工和運行的因素從很大程度上講是建立在現(xiàn)存的冶煉原則基礎(chǔ)之上的。然而，雜質(zhì)和退火溫度及電阻率之間的關(guān)系還需要在數(shù)量上進一步改進一下。
11．總結(jié)：常用作電線導(dǎo)體的是純銅，而不是銅合金。與此同時，通常還要加少量的氧氣來控制雜質(zhì)，并改進導(dǎo)電性。最終特性和加工過程與雜質(zhì)和氧成分都有著非常密切的關(guān)系，并且用一些基本的冶煉原理是完全可以解釋的。
趨勢 ASTM B 370規(guī)格， 即工程建筑所使銅條和銅塊，以其多種型號和多種厚度，成為規(guī)格和購買的基礎(chǔ)。銅金屬的競爭性數(shù)量以及對銅的信心不斷推動了這個健康市場的發(fā)展。最近認(rèn)可的規(guī)格是ASTM B882，是一種在建筑中應(yīng)用的預(yù)先生銹銅。長期以來，建筑師和工程師們都期望生產(chǎn)使用這種產(chǎn)品，因為他們急切地想用銅制屋頂和建筑橫木來發(fā)展這種值得稱贊的綠色。
12．低鉛和無鉛鍛造和鑄造銅合金：濾瀝到水里的鉛對人體健康的影響引起了人們對于現(xiàn)有銅合金及開發(fā)一種飲用水用的新合金的重新思考。鑄件的耐壓緊密度以及由鉛附屬物提供的鍛造和鑄造部件的上等機械加工性都是必須要達到的要求。含合金的鍛造和鑄造無鉛鉍必須具有以下特性： 符合ANSI/NSF 61的健康要求以及飲水系統(tǒng)成分健康要求。現(xiàn)在人們已經(jīng)開始用一種酸化鈉醋酸洗滌劑來清除機器上的鉛污漬。但是這一行業(yè)的某些部門提出了對混合碎屑的顧慮，因為他們認(rèn)為在這些混合碎屑中，鉍的微量會導(dǎo)致在加工過程中金屬的熱脆。碎屑回收工業(yè)學(xué)院（ISRI）和黃銅與青銅鑄造生產(chǎn)商（BBIM）正在研究一種碎屑回收嚴(yán)格的控制程序和分割程序。
13．家用產(chǎn)品：在家用產(chǎn)品中， 人們選擇銅是因為銅具有以下特點： 優(yōu)美的外形、可靠的質(zhì)量、很高的商譽、良好的設(shè)計因素、較好的物質(zhì)和機械性能以較長的使用壽命。電力照明器材和火爐設(shè)備一起成為主要的家用產(chǎn)品范疇。
14．服務(wù)：用來確定銅原料對于應(yīng)力腐蝕破裂敏感度的傳統(tǒng)方法是硝酸亞汞試驗。（ASTM B154）為了響應(yīng)來自ASME 鍋爐和壓力容器編碼和美國海岸巡邏隊的要求, B-5 委員會將應(yīng)力腐蝕免疫的IS0 6957銅合金氨測試轉(zhuǎn)換為ASTM形式。這完全出于他們對于測試溶液和樣品處理的考慮。ASTM B858M，即在銅合金中用一種氨蒸汽來確定其對于應(yīng)力腐蝕破裂的敏感度的方法現(xiàn)在是官方使用的一種方法。這種測試方法刺激了服務(wù)條件的發(fā)展，在這些條件下，可能會出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕破裂，并克服硝酸亞汞試驗的缺點。
15．未來展望：世界經(jīng)濟變得越來越全球化了。隨著二十一世紀(jì)的到來，第三世界國家正在建立電訊鏈路，變成電力的主要消費者，他們在建造家園、工廠和商業(yè)建筑，這樣就需要大量的銅來滿足他們的需求。銅被用作工程原料已有一萬年的歷史了，它對人類的貢獻是呈金字塔式的，與日俱增。如果沒有銅，真不敢想象未來的世界將會是什么樣子。
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