林瀟麗

(福建船政交通職業(yè)學院，福建 福州 350007)

銅母線由于抗腐蝕性能好、載流量大，常作為導電材料用于各種輸變電設備中［1～2］。國內生產銅母線的方法主要有傳統(tǒng)擠壓法和CONFORM－連續(xù)擠壓法兩種［3］。傳統(tǒng)擠壓法是利用臥式擠壓機生產銅母線，通過擠壓桿對坯料直接施加壓力，使坯料在擠壓筒內向模具方向運動、升壓，最終通過模孔擠壓形成銅母線。擠壓時坯料在擠壓筒內需要封閉，其長度受到擠壓筒長度的限制，因此傳統(tǒng)擠壓法所采用的坯料一般為直徑較大的圓銅錠，其長度與直徑之比一般不超過3～4［4］。而連續(xù)擠壓法直接利用擠壓輪與坯料之間的摩擦力作為驅動力生產銅母線，擠壓變形連續(xù)進行，坯料長度不限，一般采用直徑為Φ20～25mm 的上引銅桿直接擠壓成大長度制品［5］。

隨著高新技術產業(yè)的發(fā)展，對銅母線產品的綜合性能要求越來越高。高性能銅母線不僅具有高于國家標準的強度和導電率，韌性及表面質量也優(yōu)于普通銅母線［6］。目前生產高性能銅母線的工藝是在擠壓前銅材的鑄造工藝過程中采用“銀+稀土”的變質處理方法，從而獲得高強度高導電率的擠壓用銅材［7］。連續(xù)擠壓法采用的銅桿是通過上引連鑄法，利用金屬熔液冷卻結晶的機理從熔融的金屬熔液中直接制取連續(xù)的線材，無需再經過鑄造、拉拔等加工過程，降低了加工過程中可能產生的污染及損耗。而傳統(tǒng)擠壓法鑄錠采用垂直半連續(xù)鑄造的方法，生產過程易出現(xiàn)縮孔、縮松、夾雜，含氧量高等問題，導致鑄錠冶金質量下降。本文采用相同成分、不同工藝方法獲得的上引銅桿Φ20mm(上引連鑄法)與圓銅錠Φ94mm(垂直半連續(xù)鑄造法)，對其進行組織與性能分析研究，為實際生產提供試驗依據。

1 試驗

試驗材料采用的上引銅桿和圓銅錠，其主要化學成分為99．90% Cu 與0．08% Ag。

用線切割機將試樣沿縱向切割、研磨、拋光、腐蝕，制成標準金相試樣，在XJG－05 型臥式金相顯微鏡上觀察顯微組織，腐蝕劑配比為FeCl3(3g)+HCl(25ml)+H2O(50ml)。利用TCI 圖像分析系統(tǒng)中的截線法計算平均晶粒尺寸，用雜質測定系統(tǒng)計算試樣夾雜物大小級別及含量。在銅材0°(平行擠壓方向)、90°(垂直于擠壓方向)及45°三個方向分別取得標距為30mm 的矩形拉伸試樣，用WDW－100E 萬能電子拉伸試驗機進行拉伸試驗。用NOVA NANO SEM230 場發(fā)射掃描電鏡對試樣斷口進行觀察。采用TH600 布氏硬度儀和福司特FIRST101 型渦流導電儀分別測得銅材的硬度和導電率。

2 分析與討論

2．1 鑄態(tài)銅材顯微組織比較

取試樣的截面和側面，拋光后觀察其組織形貌，如圖1所示。

由圖1 可以看出，圓銅錠夾雜物分布較多，形狀大且較為圓整，部分小的夾雜物不規(guī)則。而上引銅桿的夾雜物比較少，主要呈細小彌散的分布。對比兩圖可以發(fā)現(xiàn):雖然兩種銅材都有夾雜，但圓銅錠的夾雜物從數(shù)量和大小上都超過上引銅桿。

圖2 為圓銅錠與上引銅桿腐蝕后的顯微組織。兩種銅材橫向截面與縱向側面晶粒組織均比較粗大，從圖中可以看出純銅的單相晶粒的晶界，且晶界清晰。兩種銅材組織皆以粗大的鑄態(tài)柱狀晶為主，晶粒沿銅材外側向中心生長。上引銅桿組織晶粒略小于圓銅錠。

由于銅自身導熱性能好，冷卻速度快，鑄造過程非常有利于柱狀晶的成長，粗大的柱狀晶沿銅材外側向中心生長，晶粒尺寸相差不大。而中心區(qū)域為粗大的等軸晶，這是由于遠離一次冷卻和二次冷卻的情況下體積結晶的結果，柱狀晶的成長帶有明顯的擇向性，而在該區(qū)域，基本上不存在晶粒擇向長大的冷卻條件，各次晶軸發(fā)展也基本沒有傾向性，所以都長成等軸晶，晶粒的大小取決于結晶核心的多少，此外冷卻速度也會影響等軸晶粒的長大，冷卻速度越緩慢，晶粒長得越大［8］。

利用TCI 圖像分析系統(tǒng)計算試樣平均晶粒尺寸，測得結果為:上引銅桿為41．3d/μm，圓銅錠為78．6d/μm。圓銅錠的晶粒尺寸明顯大于上引銅桿，幾乎是后者的兩倍。

表1 為上引銅桿和圓銅錠鑄態(tài)組織中的夾雜物含量。顯然，上引銅桿與圓銅錠夾雜物含量相差較大。在細系級別中，圓銅錠夾雜物達到0．0442%，而上引銅桿僅為0．0279%;粗系級別中二者差距更大，圓銅錠占0．6614%，銅桿為0．0751%;從夾雜物總含量來說，圓銅錠幾乎是銅桿的7 倍。這與圖1 中銅材拋光態(tài)組織形貌的觀察結果相吻合。

表1 銅材組織中夾雜物含量(wt%)

二者之所以在夾雜含量上存在較大差距是由于兩者生產工藝不同，銅桿采用上引連鑄法生產，是直接從熔融的金屬熔液中牽引制取連續(xù)的線材，不需要經過鑄造、拉拔等其他工序，降低了加工過程中可能產生的污染，并能有效控制含氧量，減少氧化夾雜。而圓銅錠則是由傳統(tǒng)的垂直半連續(xù)鑄造方法生產，工藝更復雜，在實際生產過程中難以很好地控制產品質量。兩種生產工藝技術上的差別，導致圓銅錠最終夾雜物的含量要遠多于上引銅桿。

2．2 拉伸性能結果分析

47．41%、斷面收縮率72．43%，各項性能指標均大于圓銅錠，綜合力學性能更好。兩種銅材生產工藝的差別致使材料冶金質量存在區(qū)別，組織均勻、夾雜物含量少的上引銅桿性能也就優(yōu)于圓銅錠。

表2 銅材抗拉強度與塑性指標

圖3 為體視顯微鏡下觀察到的上引銅桿和圓銅錠拉伸斷口的宏觀形貌，由圖可以看出:試樣有明顯的縮頸特征，拉伸后斷口呈纖維狀，剪切唇明顯，附近均有宏觀塑性變形。比較兩圖可發(fā)現(xiàn)上引銅桿斷口更為平整。

從掃描電鏡下觀察兩種鑄態(tài)銅材拉伸后的斷口形貌，如圖4 所示。在高倍顯微鏡下可以看到，上引銅桿和圓銅錠上均分布著大小不均的韌窩和撕裂棱，屬于明顯的韌性斷裂，說明兩種銅材都具有較好的塑性。圖(a)中，上引銅桿的韌窩尺寸均勻而且比較小，部分撕裂棱被拉長，斷裂機理屬于微孔聚集型斷裂;圖(b)中，圓銅錠拉伸斷口也存在大量韌窩，但尺寸差異較大，部分大的韌窩形成較深的孔洞。

夾雜物會形成韌窩的形核，晶界界面上如果存在不連續(xù)分布的夾雜物，由于雜質粒子與基體之間的界面結合強度較弱，在拉伸變形過程中，在界面處雜質粒子首先發(fā)生分離產生微孔洞。隨著形變的增大，微孔洞也逐漸長大并聚集形成大的孔洞，孔洞之間相互連接最終導致韌性斷裂，斷口上的韌窩就是由這些孔洞形成。由圖1(a)、(b)觀察發(fā)現(xiàn)圓銅錠夾雜物大且分布較多，因此導致其拉伸斷口上出現(xiàn)大的韌窩和孔洞。

2．3 硬度與導電率

表3 為兩種鑄態(tài)銅材的導電率和硬度值。

表3 不同擠壓用銅材的硬度與導電率

上引銅桿導電率為101．3%IACS，圓銅錠為98．2%IACS。材料夾雜物含量越低，導電率越高。導電率測量結果與圖1 金相組織觀察結果相符，上引銅桿的夾雜物含量少，所以導電率比圓銅錠高。

硬度是衡量金屬材料軟硬程度的一項重要的性能指標，上引銅桿硬度為46．3HB，高于圓銅錠的硬度41．0HB，這表明銅桿抵抗彈性變形、塑性變形或破壞的能力比圓銅錠強。金屬的硬度和晶粒度也有一定的關系，根據著名的Hall－Petch經驗公式:單相材料的強度與晶粒直徑的平方根的倒數(shù)成正比，而強度和硬度均可在很大程度上反映材料的力學性能，故晶粒尺寸越大，強度與硬度越低。從材料組織的角度來看，晶粒越細小，晶界就越多，金屬產生變形時就需要加大外力才能克服障礙使晶體滑移［9］。圓銅錠平均晶粒尺寸大于銅桿，相應地硬度值也略低。

3 結論

(1)上引銅桿、圓銅錠組織均以粗大的柱狀晶粒為主，但圓銅錠的晶粒尺寸(78．6 d/μm)要大于上引銅桿(41．3 d/μm)，幾乎是后者的兩倍。由于兩種銅材采用不同的鑄造方法獲得，圓銅錠夾雜物的含量多，是銅桿的7 倍，其冶金質量稍差。

(2)上引銅桿的抗拉強度212．5MPa、斷后伸長率47．41%、硬度46．3HB 以及導電率101．3%IACS，各項指標均大于圓銅錠，綜合性能較好。

(3)上引銅桿和圓銅錠拉伸斷口均屬于韌性斷裂，上引銅桿斷口平整，韌窩小且均勻，斷裂機理為微孔聚集型斷裂;圓銅錠拉伸斷口也存在大量韌窩，受晶界界面上不連續(xù)分布的夾雜物影響，部分韌窩尺寸大，有較深的孔洞。

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