陳輝明，李明茂，汪建華，朱映玉，陳廣軍

（1.江西理工大學(xué)，a.國(guó)家銅冶煉及加工工程技術(shù)研究中心；b.材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西 贛州 341000；2.江西銅業(yè)集團(tuán)銅材有限公司，江西 貴溪335424）

0 引 言

低氧銅桿是生產(chǎn)電線電纜的主要原材料之一，在電線電纜行業(yè)中占有較大的比例.近年來，隨著科技水平的不斷提高，電線電纜的生產(chǎn)設(shè)備、規(guī)格、品種要求也不斷提高，在生產(chǎn)設(shè)備上向高速、多頭拉絲、連拉連包等方向發(fā)展，規(guī)格上向微細(xì)線、超微細(xì)線方向發(fā)展，品種上向漆包線、鍍層線方向發(fā)展等.因此，這對(duì)銅線坯的性能也提出了更高的要求.

在銅桿線拉伸、鍍層過程中，由于低氧銅桿坯的內(nèi)在質(zhì)量缺陷及后續(xù)拉制過程中出現(xiàn)的質(zhì)量缺陷，導(dǎo)致銅桿線表面出現(xiàn)損傷，銅粒子脫離銅基體，并在銅線表面出現(xiàn)一個(gè)凹坑、毛刺等質(zhì)量缺陷（圖1）.在后續(xù)拉伸過程中，特別是微細(xì)線制備過程中，銅線坯在三向應(yīng)力的作用下，缺陷處出現(xiàn)應(yīng)力集中導(dǎo)致斷線[1-3].另外，在生產(chǎn)漆包線、鍍層線時(shí)，由于線表缺陷，容易導(dǎo)致鍍層不均或鍍層脫落，影響漆包線、鍍層線的產(chǎn)品質(zhì)量[4-7].同時(shí)，銅粉大量脫落，進(jìn)入潤(rùn)滑液中，惡化潤(rùn)滑液的質(zhì)量[8-10]，堵塞拉伸?；蚱崮?，影響線表，甚至出現(xiàn)拉伸斷線.

圖1 線表剝離凹坑

為了系統(tǒng)研究低氧銅桿、銅線拉制過程中表面銅粉剝離的原因，通過對(duì)低氧銅桿線坯及其后續(xù)拉伸加工的整個(gè)工藝流程進(jìn)行控制、分析，以減少銅桿及其線材的表面銅粉剝離，改善銅桿表面狀況和提高鍍層質(zhì)量.

1 銅粉剝離機(jī)理

銅桿線在拉伸加工過程中，在拉伸模具出入口、潤(rùn)滑液等處會(huì)出現(xiàn)大量的銅粉.為了確認(rèn)銅粉剝離的原因，對(duì)剝離銅粉進(jìn)行收集，并進(jìn)行物相、成分檢測(cè).

從收集的銅粉形貌來看，拉伸過程中剝離的銅粉呈無規(guī)則形態(tài)，尺寸大小在微米級(jí).部分銅粉顆粒呈長(zhǎng)扁平狀，其尺寸可達(dá) 500 μm以上（圖 2）.經(jīng)過成分檢測(cè)，此粉末顆粒中，僅含銅、氧2種元素.由此說明，其主要為純銅顆粒、CuO和Cu2O顆粒.因此，銅桿線銅粉剝離的主要原因是銅桿線氧化層剝落和表面機(jī)械損傷導(dǎo)致的銅基體脫落.

圖2 剝離銅粉形貌圖

在銅桿線檢測(cè)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，銅桿線通過正反轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)來檢測(cè)銅粉剝離量，以反映銅桿的綜合性能.通過扭轉(zhuǎn)破壞試驗(yàn)，使銅桿表面銅的氧化物或缺陷能暴露出來，并以銅粉顆粒的形式掉落.實(shí)踐證明，扭轉(zhuǎn)破壞測(cè)試后的銅桿線銅粉剝離量大，后續(xù)拉伸過程中銅桿線表面也容易有粒子脫落，造成線表損傷.在生產(chǎn)漆包線等鍍層線時(shí)，銅粉附著在線表上，容易出現(xiàn)瘤狀顆粒.鍍層隨銅粒子脫落，造成鍍層不均.在生產(chǎn)漆包線時(shí)，由于鍍層不均或脫落，容易造成電壓擊穿，影響漆包線的質(zhì)量[1].同時(shí)銅粉脫落易堵塞拉伸?；蚱崮?，惡化線表，甚至發(fā)生斷線.

對(duì)此，為了進(jìn)一步確定低氧銅桿銅粉剝離的影響因素，對(duì)連鑄連軋法生產(chǎn)低氧銅桿的幾個(gè)主要環(huán)節(jié)及銅桿線拉伸環(huán)節(jié)進(jìn)行深入研究，分析其影響機(jī)理，并確定解決措施，以解決銅桿線銅粉剝離這一質(zhì)量問題.

2 銅粉剝離影響因素探究

2.1 軋制過程的影響

低氧銅桿線坯主要是采用“連鑄—連軋”的生產(chǎn)工藝.連鑄坯從鑄機(jī)系統(tǒng)出來后，以780～850℃進(jìn)入到連軋系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行軋制.在進(jìn)入軋機(jī)前這一階段，暴露在空氣中的高溫鑄坯會(huì)快速氧化，并在表面形成一層氧化皮，厚度可達(dá)30 μm以上，如圖3（a）所示.

圖3 鑄坯表面氧化物

在軋制過程中，氧化皮出現(xiàn)破裂、脫離，如圖3（b）所示.軋件表層氧化皮破裂，Cu基體暴露出來，并進(jìn)入到軋輥中進(jìn)行軋制.然而，氧化皮容易黏附在軋輥和軋件上，被軋輥重新軋入Cu基體中，導(dǎo)致硬、脆的氧化皮嵌入并最終留在低氧銅桿中.在后續(xù)拉伸過程中，與銅基體黏結(jié)的氧化物在拉伸應(yīng)力作用下，出現(xiàn)剝離、掉落，如圖4所示.

圖4 軋入的氧化物

2.2 無酸清洗的影響

銅桿表面氧化膜主要成分為氧化銅、氧化亞銅，與純銅相比，其硬度大、塑性小.在銅桿線拉伸中，銅桿氧化膜厚度值越高，拉絲模具的磨損越大，而且也容易造成桿表損傷，產(chǎn)生拉絲銅粉，嚴(yán)重時(shí)還將產(chǎn)生斷線.

從軋機(jī)出來的低氧銅桿溫度高達(dá)500℃以上，在進(jìn)入無酸清洗工序前，表面已經(jīng)形成有一層氧化皮.其快速通過無酸清洗管，與無酸清洗液發(fā)生還原反應(yīng)，使表層氧化皮還原成光亮的銅.銅的氧化物在高溫條件下與醇類反應(yīng)，醇先被氧化成醛，然后被氧化成酸.其反應(yīng)原理為[11]：

因酒精/異丙醇必須在500℃以上才能與氧化銅進(jìn)行還原反應(yīng)，并需一定的反應(yīng)時(shí)間.因此，生產(chǎn)工藝條件不同，將產(chǎn)生不同的還原、清洗效果，可用以圖5表示這一過程.

圖5 銅桿清洗前后還原程度示意圖

還原反應(yīng)不完全，將導(dǎo)致表層的氧化皮被還原，但是次表層仍存在部分氧化物（圖5(b)）.在銅桿拉伸過程中，在三向應(yīng)力作用下，又硬又脆的氧化物破碎壓入銅基體，并在后續(xù)的繼續(xù)拉伸過程中氧化物再次與基體分離，并最終以銅粉的形式剝離、掉落（圖 6）.

圖6 拉伸變形區(qū)銅粉剝離毛刺

2.3 銅桿線表面擦傷

銅桿線表面被擦傷，將導(dǎo)致光滑表面出現(xiàn)毛刺、凹坑等缺陷（圖7）.在拉伸模具變形區(qū)，毛刺將被重新壓入銅基體，而凹坑將被金屬填平（圖8）.然而，擦傷處的界面雖然被修復(fù)、覆蓋，但是其與新金屬形成的界面結(jié)合力并不強(qiáng)，其結(jié)合強(qiáng)度大大小于晶粒界面結(jié)合強(qiáng)度.因此，在后續(xù)的拉伸過程中將出現(xiàn)剝離，形成銅粉.

圖7 銅線表面擦傷

圖8 拉伸時(shí)擦傷被包覆

導(dǎo)致擦傷的原因有很多，主要包括流通過程擦傷和加工過程擦傷2大類.流通過程擦傷主要為運(yùn)輸過程外物碰傷.而加工過程擦傷指在銅桿、銅線的加工過程中一切可以導(dǎo)致桿表擦傷的因素，如：銅桿生產(chǎn)過程中導(dǎo)輪運(yùn)轉(zhuǎn)不良導(dǎo)致桿表擦傷；拉伸過程中銅線與拉伸鼓輪之間的擦傷等.

2.4 拉伸過程角度不良

拉伸角度不良是指銅線拉伸時(shí)，進(jìn)線的中心線與出口的中心線不在一條中心線上，產(chǎn)生偏移的現(xiàn)象（圖9）.銅線進(jìn)入拉伸模具壓縮變形區(qū)，銅線的變形區(qū)的尺寸將不一致.在三向應(yīng)力作用下，圓周范圍內(nèi)金屬流動(dòng)速度不一致，壓縮變形角度也不一致（圖10）.造成某處金屬流動(dòng)不均勻，模具一側(cè)金屬堆積，變形嚴(yán)重[12－13].這將導(dǎo)致銅線表面損傷，甚至剝離出大量的銅粉顆粒.

2.5 拉絲模具的影響

拉絲模具是影響銅線拉伸質(zhì)量的關(guān)鍵，其對(duì)銅桿線銅粉剝離主要影響因素有以下幾方面：

1）模具結(jié)構(gòu)不合理.銅桿線拉伸過程中，桿線表層金屬受到剪切應(yīng)力，桿線表面與模具間存在摩擦力[14].因此，銅線拉伸過程中，銅桿線與模具間的潤(rùn)滑狀況是關(guān)鍵.例如：模具潤(rùn)滑區(qū)潤(rùn)滑錐角過大，將導(dǎo)致潤(rùn)滑劑不易儲(chǔ)存，潤(rùn)滑效果差.

圖9 銅線入、出模中心線偏移

圖10 銅線壓縮區(qū)尺寸不一致

2）模具不光潔或破損.模具在拉伸過程中，容易在變形區(qū)、定徑區(qū)出現(xiàn)黏銅（圖11）或者表面磨損、不光滑.這都將在拉絲過程中容易出現(xiàn)線表面刮傷和銅粉剝離（圖12）.

圖11 拉伸模具黏銅

圖12 模具缺陷導(dǎo)致桿表刮傷

3 對(duì)策措施

3.1 改進(jìn)軋制乳液工藝

SCR軋制系統(tǒng)采用的是多站式連續(xù)軋制，輔助系統(tǒng)包括高壓乳液系統(tǒng)、低壓乳液系統(tǒng)等。高壓乳液對(duì)軋件表面氧化皮起到清洗、沖刷作用，而低壓乳液則對(duì)軋輥進(jìn)行冷卻和沖刷.因此，提高高壓乳液泵、低壓乳液泵的壓力，使其有足夠大的沖刷力將軋件、軋輥表面的氧化皮沖干凈，保證軋制接觸面內(nèi)光滑、無異物.

另外，乳液本身的特性也對(duì)軋制銅粉有顯著影響.乳液中的醇類物質(zhì)不僅能給熱軋過程提供一個(gè)還原性氣氛并與軋件表面的氧化物進(jìn)行反應(yīng)，而且對(duì)乳液的乳粒具有細(xì)化作用[15-16]，其對(duì)潤(rùn)滑、冷卻、清洗效果有重要的影響.

實(shí)驗(yàn)表明，適量的醇類濃度能細(xì)化乳液乳粒，改善潤(rùn)滑[7]；同時(shí)減少新金屬基體表面二次氧化，對(duì)減少扭轉(zhuǎn)銅粉剝離具有明顯的效果.然而，醇類濃度太高，乳液潤(rùn)滑效果變差，清洗效果太強(qiáng)，對(duì)軋輥壽命、桿表質(zhì)量不利.

3.2 改進(jìn)無酸清洗工藝

實(shí)踐表明，無酸清洗液中的有效成分是乙醇或異丙醇等還原性溶液.其發(fā)生還原反應(yīng)必須滿足2個(gè)基本條件：充分接觸和高溫.

無酸清洗工序采用的是多站式清洗.因此，各個(gè)無酸液噴射工作站要通暢、無堵塞、噴射角度要能很好地噴射到低氧銅桿表面，以確保氧化物與溶液有充分接觸并進(jìn)行化學(xué)反應(yīng).

同時(shí)，該反應(yīng)需要在高溫條件下進(jìn)行.因此，為了能盡可能保證銅桿表面被還原徹底，在滿足還原反應(yīng)的前提下要盡量減小無酸液的流量，以減小無酸液的冷卻效果，延長(zhǎng)其在無酸管內(nèi)的反應(yīng)時(shí)間.

另外，無酸液中的還原性物質(zhì)（如乙醇、異丙醇等）濃度對(duì)銅桿氧化膜及后續(xù)拉絲銅粉剝離量也有重要影響.濃度越高，銅桿清洗效果越好，氧化膜厚度越低.

3.3 避免銅桿線的表面損傷

能夠?qū)е裸~桿線表面損傷的因素有很多，根據(jù)形成階段不同可以分為3類：低氧銅桿生產(chǎn)階段的損傷、運(yùn)輸階段的損傷和拉伸階段的損傷.

1）生產(chǎn)階段：首先，要求軋輥表面光滑、無坑洞.軋輥坑洞容易在軋件表面形成毛刺，毛刺再次軋入在后續(xù)拉伸中容易以銅粉形式剝離.其次，連軋過程中保證各站速度匹配、無滑差.低氧銅桿軋制采用的無滑差多站式連軋機(jī)，各軋輥軋制速度可以調(diào)節(jié).各站速度不匹配，軋輥與軋件表面打滑，易造成軋件表面擦傷，同時(shí)打滑、擦傷產(chǎn)生的氧化皮又被軋入銅基體內(nèi)，造成拉伸時(shí)銅粉剝離.再次，在低氧銅桿生產(chǎn)過程中，確保系統(tǒng)各導(dǎo)輪運(yùn)轉(zhuǎn)正常。導(dǎo)輪運(yùn)轉(zhuǎn)卡滯，容易造成高速運(yùn)行的銅桿表面擦傷，并影響后續(xù)拉伸銅粉剝離.

2）運(yùn)輸階段：首先，低氧銅桿及線包裝要嚴(yán)實(shí)，防止在運(yùn)輸或生產(chǎn)工序間調(diào)撥、倉儲(chǔ)等過程中長(zhǎng)時(shí)間裸露在空氣中，加重其表層氧化.其次，運(yùn)輸、叉運(yùn)過程中防止磕碰，避免線表損傷.

3）拉伸階段：目前銅桿線拉伸大部分是多站滑動(dòng)式連續(xù)拉絲機(jī)，銅線進(jìn)入到下一道模具前是纏繞在鼓輪上.因此，在拉伸過程中，要避免銅線在鼓輪上高速滑動(dòng)時(shí)造成表面擦傷.這里主要有2類擦傷：一是銅線與銅線表面之間的擦傷，二是銅線與鼓輪表面的擦傷.

因此，首先要保證配模工藝準(zhǔn)確，各模具之間速度匹配合理.在連續(xù)拉絲過程中，纏繞在鼓輪上的銅線之間不會(huì)松緊不一，導(dǎo)致銅線間的摩擦和擦傷.其次，保證各鼓輪表面光滑、無凹痕.

3.4 保證銅線進(jìn)出口中心線一致

在拉伸過程中，要保證每個(gè)模具進(jìn)線中心線、出線中心線與模具孔中心軸線三線重合，使銅線在圓周方向上金屬流動(dòng)保持一致性，防止偏離中心導(dǎo)致銅線表面刮傷.

3.5 模具結(jié)構(gòu)合理、光滑無劃傷

保證模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或修模后各個(gè)區(qū)域分布合理.如：潤(rùn)滑區(qū)錐角對(duì)潤(rùn)滑劑進(jìn)入模具有重要的影響，區(qū)域長(zhǎng)度越長(zhǎng)、角度越小，帶入的潤(rùn)滑劑壓力越大，在模具內(nèi)模具與銅線之間的潤(rùn)滑和分離效果越好，對(duì)線表越有利.定徑區(qū)越長(zhǎng)，銅線表面越差.另外，要保證模具各個(gè)區(qū)域無劃痕、缺口或黏銅，避免銅線表面被刮傷.

4 結(jié)論

1）銅桿氧化層剝落和機(jī)械損傷是導(dǎo)致低氧銅桿線在拉伸過程中銅粉剝離的主要原因.

2）低氧銅桿軋制、清洗及銅桿線拉伸過程的各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)銅粉剝離均有較大影響.在整個(gè)生產(chǎn)過程中防止氧化物、硬度顆粒等壓入銅桿線基體內(nèi)和防止銅桿線表面損傷，能有效減少銅桿線銅粉剝離.

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