從20世紀(jì)初開始，我國(guó)電線電纜行業(yè)迅速發(fā)展，銅線桿的需求急劇增長(zhǎng)。而銅線桿質(zhì)量的保證成了最為關(guān)鍵的因素，以下從銅線桿中雜質(zhì)、氧成分、表面質(zhì)量、稀土作用等方面進(jìn)行銅線桿質(zhì)量的影響因素討論，從而找出可以改進(jìn)的方法提高銅線桿質(zhì)量。
一、雜質(zhì)元素的影響
雜質(zhì)元素對(duì)銅線桿的影響很大，純銅中的雜質(zhì)元素大致可分為：固溶于銅的雜質(zhì)元素、很少固溶于銅與銅形成低熔點(diǎn)共晶的雜質(zhì)元素和幾乎不溶干銅與銅形成離熔點(diǎn)脆性化合物的雜質(zhì)元素三類。
固溶于銅的雜質(zhì)元素。此類雜質(zhì)元素在允許的含量范圍內(nèi)，能溶于銅中形成固溶體。主要有：鋁、鐵、鎳、錫、鋅、銀、鎘、磷等，以磷為例，該雜質(zhì)元素在銅中的溶解度隨溫度的下降而降低，它對(duì)銅的機(jī)械性能特別是對(duì)銅的焊接性能有良好的影響，作為脫氧劑提高銅液的流動(dòng)性，會(huì)降低銅的導(dǎo)電導(dǎo)熱性，過量的磷會(huì)造成冷脆?？傮w而言這類雜質(zhì)元素對(duì)金屬加工性能無(wú)太大影響，能略微提高銅的硬度，但導(dǎo)電、導(dǎo)熱性有所降低。
很少固溶于銅與銅形成低熔點(diǎn)共晶的雜質(zhì)元素。此類雜質(zhì)元素與銅形成低熔點(diǎn)共晶或者與銅形成脆性化合物分布于晶界。主要有：鉍、鉛、硒、碲、銻，它們?cè)诶淠龝r(shí)分布于晶界，使銅在熱加工時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重的破裂，是銅線桿產(chǎn)生質(zhì)量問題的主要原因。以鉛、鉍、硒、碲為例：
鉛：在銅中的溶解度很小，在800℃時(shí)溶解0.04%，在300℃時(shí)溶解0.02%。鉛呈黑色顆粒狀分布在晶界上，熱加工時(shí)鉛先熔化，使金屬顆粒之間的結(jié)合力受到破壞，造成“熱脆”，從而在軋制和以后的拉伸過程中易產(chǎn)生裂紋和斷裂。所以鉛的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在(50～500 )× 10-6。
硒：在銅中基本不溶，冷凝時(shí)與銅形成脆性化合物Cu2Se，且分布在晶界上，熱軋過程中易使銅桿產(chǎn)生表面裂紋，深拉伸過程中易產(chǎn)生斷裂。
碲：在銅中基本不溶，冷凝時(shí)與銅形成脆性化合物Cu2Te，且分布在晶界上，熱軋過程中易使銅桿產(chǎn)生表面裂紋，深拉伸過程中易產(chǎn)生斷裂。
鉍、：在銅中溶解度很小，在800℃時(shí)溶解0.01 %，在300℃時(shí)僅融解0.000 1 %。在270℃時(shí)與銅生成低溫共晶，呈連續(xù)網(wǎng)狀分布在晶界上。當(dāng)熱加工溫度大于其共晶熔點(diǎn)時(shí)，共晶膜熔化，使銅的晶粒與晶粒的結(jié)合力降低，從而發(fā)生晶間破裂，引起“熱脆”。除了“熱脆”之外，由于鉍本身性脆，還會(huì)形成“冷脆”。從而在軋制和以后的拉伸過程中易產(chǎn)生裂紋和斷裂。
幾乎不溶干銅與銅形成離熔點(diǎn)脆性化合物的雜質(zhì)元素。此類雜質(zhì)元素對(duì)銅線桿生產(chǎn)過程有很大影響。從氧、硫、氫三種元素進(jìn)行討論。
氧：很少固溶于銅。氧含量對(duì)銅材的加工性能有很大的影響，與銅生成Cu2O，Cu2O硬而脆，使冷變形困難，致使金屬發(fā)生“冷脆”。氧含量過高時(shí)，會(huì)因氫與氧反映產(chǎn)生不溶于銅的水蒸氣，水蒸氣又無(wú)法擴(kuò)散，在銅中形成很高的壓力，使銅遭到破壞。氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到5×10-5的銅，即出現(xiàn)“氫病”。所以純銅的氧含量受到嚴(yán)格的限制。氧在與大部分雜質(zhì)反應(yīng)的過程中都起到了一個(gè)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(shí)對(duì)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(shí)候，這些壞作用就被抵消了。由此可見當(dāng)銅中含氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于100×10-6時(shí)，氧含量過少，氫和某些不溶于銅的雜質(zhì)會(huì)增多；當(dāng)銅中氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)含量超過600×10-6時(shí)，過量的氧與銅形成過量的Cu2O，并在銅基體中形成不均勻分布，將導(dǎo)致裂紋的擴(kuò)展，在銅材的深加工時(shí)易引起加工硬化和產(chǎn)生局部裂紋。綜上可知，氧含量應(yīng)控制在一個(gè)適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。
硫：與銅形成共晶，由于共晶溫度較高，對(duì)銅熱變形不明顯，由于Cu2S硬而脆，致使金屬發(fā)生“冷脆”，嚴(yán)重時(shí)，會(huì)使線桿發(fā)生裂紋乃至斷裂。
氫：氫能溶于液態(tài)銅，且其溶解度隨溫度的升高而升高。若吸氫較多，過飽和氫會(huì)大量析出，在鑄坯上出現(xiàn)微小氣泡和微裂紋。另外一方面如上文所述形成水蒸氣，產(chǎn)生極大內(nèi)應(yīng)力，引起所謂“氫脆”現(xiàn)象，嚴(yán)重影響銅的塑性加工性能。
二、銅線桿的表面影響
在外界溫度下，銅線桿總是有一個(gè)殘留的氧化膜，而這一氧化膜是當(dāng)銅線進(jìn)入熱桿軋制階段時(shí)從高溫的、連續(xù)鑄造的銅桿上形成的?，F(xiàn)在在銅液中通過一種電量分析控制檢測(cè)手段來測(cè)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(huì)相當(dāng)?shù)赜泻?，因?yàn)樗鼈兛赡軙?huì)在拉絲過程中引發(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)?。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?jiān)?、銅氧化夾雜物、熱裂、裂塊、銅桿表面氧化顆粒的形成。在這一系列的銅桿缺陷中：
熱裂，是在結(jié)晶過程中產(chǎn)生，多沿晶界裂開，裂紋曲折而不規(guī)則，有時(shí)還有分枝裂紋，裂紋多分布在鑄錠最后凝固的區(qū)域或靠近這些區(qū)域。影響熱裂紋的因素有：金屬及合金本身的性質(zhì)，如熱脆性、收縮率的大小、在固液區(qū)內(nèi)的抗拉強(qiáng)度及延伸率和雜質(zhì)含量與分布情況；鑄造工藝及設(shè)備、工具情況和冷卻強(qiáng)度大小。
夾渣和夾雜，此缺陷破壞銅基體的連續(xù)性，降低銅的塑性。它產(chǎn)生的原因有內(nèi)因，是銅中含有易氧化生渣的元素；還有外因，是生產(chǎn)中扒渣不凈，潤(rùn)滑油或涂料過多，鑄造溫度低，爐料混雜等因素都可能造成夾渣和夾雜。
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(chǎng)所。相對(duì)于缺陷而言，較細(xì)的磁線和成形線是最主要的生產(chǎn)產(chǎn)品。惟一最大的表面缺陷源于拉絲，往往是以拉模劃痕、機(jī)械損傷、弧口鑿或裂片的形式出現(xiàn)在裸導(dǎo)體的表面。因?yàn)槔z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(jī)內(nèi)移動(dòng)線未對(duì)準(zhǔn)或拉絲膜爐口內(nèi)銅精煉的壓制力太大則形成的。
三、部分稀土元素的影響
在熔融銅中加人微量稀土生產(chǎn)光亮銅線桿的工業(yè)試驗(yàn)進(jìn)行了幾年的探索和研究，發(fā)現(xiàn)銅桿的各項(xiàng)性能指標(biāo)得到很大的改善，稀土的作用明顯，理論方面具體表現(xiàn)在：
1. 在銅中的凈化作用
脫氧和脫硫：從上文討論可知，硫和過量的氧是光亮銅線桿的有害物質(zhì)。硫與銅生成Cu2S降低銅的塑性，氧與銅生成Cu2O，降低了韌性，使熱加工困難。稀土元素與氧、硫的結(jié)合能力很強(qiáng)，因此可代替銅，生成稀土氧化物和稀土硫化物，部分形成渣出去，部分將原來氧化物、硫化物的晶界網(wǎng)狀分布轉(zhuǎn)變成在熔體中彌散分布。
以脫硫?yàn)槔e例討論：
稀土能把銅中少量硫除去:Cu2S + Ce = 2Cu +CeS
其標(biāo)準(zhǔn)生成自由焓 ΔGTo與溫度T的關(guān)系式為：
ΔGTo= ﹣192.360﹢9.271ogT一11.8T
在1400K下，ΔG14000= ﹣707.108J/mol
由此可見，在熔銅中，稀土元素脫硫反映的熱力學(xué)勢(shì)很大，有一定的能力除去硫雜質(zhì)。
脫鉛、秘等有害雜質(zhì)：稀土的化學(xué)活性強(qiáng)，能與銅中的鉛、秘等有害雜質(zhì)發(fā)生作用，形成難熔的二元或多元化合物，與熔渣一起從液體銅中析出，從而達(dá)到凈化銅液的作用。
2. 在銅中的變質(zhì)及微合金化作用
稀土在銅中的最主要變質(zhì)作用是消除柱狀晶區(qū)，急劇細(xì)化晶粒。稀土在銅中的固溶度極小，加人微量稀土大部分同其它元素化合生成高熔點(diǎn)化合物，這些化合物在熔體中懸浮和彌散分布，從而提高銅及其合金的塑性和強(qiáng)度，減少表面裂紋和缺陷。
為研究稀土元素對(duì)銅線桿的作用，已進(jìn)行了大量試驗(yàn)。其中結(jié)果較為明顯的是加入富鈰混合稀土 ( 組分為：鈰：47%，鐳：26%，釹：15% ) 的試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果看出：
（1）稀土的加人使銅鑄坯的組織改善，從鑄坯的端面可看出，晶粒得到細(xì)化，柱狀晶區(qū)域縮小，等軸晶擴(kuò)大。
表1 晶粒直徑的比較
試樣編號(hào) 稀土加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)（×10-6） 晶粒直徑/（mm）
樣1 0 0.153
樣2 50 0.062
樣3 60 0.084
從表1可知，稀土的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在52.2×10-6時(shí)，明顯細(xì)化了晶粒，但稀土含量超過一定范圍，則晶粒有變大趨勢(shì)，因此應(yīng)在一定范圍內(nèi)加人稀土。
（2）富鈰稀土的加人對(duì)銅桿機(jī)械性能影響。按試驗(yàn)對(duì)銅桿試樣進(jìn)行了拉伸、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)，延伸率和扭轉(zhuǎn)性能有所提高。這說明稀土加入后有效地改變了銅桿的塑性，提高了銅的塑性變形能力。
表2 拉伸率和扭轉(zhuǎn)性能比較
試樣編號(hào) 稀土加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)（×10-6） 伸長(zhǎng)率 單向扭轉(zhuǎn)
試樣１ ０ ４０ ４５
試樣２ ２００ ４１ ６１
試樣３ ４００ ４０.5 ５２
從表2可知，稀土元素的適當(dāng)加人，延伸率略有提高，其扭轉(zhuǎn)性能提高尤其明顯。
（3）富鈰稀土的加人對(duì)銅線桿導(dǎo)電率的影響。
表3 導(dǎo)電率比較
試樣編號(hào) 稀土加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)（×10-6） 導(dǎo)電率（Ω／mm2 • m- ）
試樣１ 0 0.0170 0
試樣2 40 0.0169 8
試樣3 70 0.0169 8
從表3可知銅桿試樣的導(dǎo)電率經(jīng)測(cè)試都在0.001 7Ω／mm2 • m-以下，其數(shù)值低于銅線桿一級(jí)桿導(dǎo)電率標(biāo)準(zhǔn)。
（4）加入富鈰稀土對(duì)銅液確實(shí)起到凈化的作用，選取具有代表性的氧、硫、鉛、鉍作成分比較 。
表4 加入富鈰稀土度比較（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）×10-6
稀土加入量 氧 硫 鉛 鉍
0 347.0 13.0 2.9 8.0
40 237.4 11.0 2.8 7.0
從表4可看出，稀土元素的加人對(duì)氧、硫的脫除能力較強(qiáng)，其他金屬雜質(zhì)隨稀土加人也能部分除去，但爐內(nèi)含金屬氧化物較多時(shí)，由于稀土的親和力比其他金屬?gòu)?qiáng)，稀土將會(huì)使其他金屬脫氧，還原進(jìn)入銅熔體中，使銅桿雜質(zhì)升高，性能變壞，因此必須嚴(yán)格控制金屬氧化浮渣。
從現(xiàn)今看，稀土運(yùn)用于銅線桿還未成為產(chǎn)業(yè)化的過程，還需作進(jìn)一步的摸索和探索性試驗(yàn)，但其作為銅晶粒細(xì)化劑已被開發(fā)投人市場(chǎng)，前景看好。
以上信息僅供參考
