我國(guó)銅加工技術(shù)的進(jìn)步及研究開發(fā)(續(xù))

□文/謝水生北京有色金屬研究總院 有色金屬材料加工制備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

我國(guó)銅加工技術(shù)的進(jìn)步及研究開發(fā)(續(xù))

China's Copper Industry Advances and Research in Processing Technology

□文/謝水生
北京有色金屬研究總院 有色金屬材料加工制備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

銅及銅合金是重要的有色金屬材料，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起到重要的作用。因此，銅加工工業(yè)的發(fā)展已經(jīng)成為促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展與國(guó)防建設(shè)的重要力量。本文在簡(jiǎn)要介紹我國(guó)銅材生產(chǎn)情況的基礎(chǔ)上，詳細(xì)闡述了我國(guó)銅加工技術(shù)的進(jìn)步和創(chuàng)新，特別是介紹了先進(jìn)的銅管生產(chǎn)技術(shù)、本文水平連鑄高質(zhì)量無(wú)氧銅帶坯技術(shù)、高精度電子引線框架材料的生產(chǎn)技術(shù)、連續(xù)擠壓技術(shù)設(shè)備制造技術(shù)。第一部分見(jiàn)2010年第11期。

5. 水平連鑄高表面質(zhì)量無(wú)氧銅帶坯

江蘇萬(wàn)寶集團(tuán)研究開發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的水平連續(xù)鑄造生產(chǎn)高表面質(zhì)量無(wú)氧銅帶坯技術(shù)。該技術(shù)具有熔體處理技術(shù)先進(jìn)、結(jié)晶器設(shè)計(jì)獨(dú)特、鑄坯表面光潔無(wú)氧化、軋制前不需要銑面的優(yōu)點(diǎn)，連續(xù)鑄造的板坯為14～16mm，不需要退火可直接軋制到厚度0.2mm。出廠前，根據(jù)用戶需要進(jìn)行熱處理和表面處理。同時(shí)，該技術(shù)連續(xù)鑄造的板坯兩側(cè)面為半圓形，邊部質(zhì)量很好，無(wú)開裂現(xiàn)象，氧含量可控制在10ppm以下，連續(xù)鑄造板坯參見(jiàn)圖6。

6. 上引法連鑄大寬厚比板坯生產(chǎn)無(wú)氧銅帶技術(shù)

該生產(chǎn)技術(shù)的關(guān)鍵是上引法連鑄大寬厚比的紫銅板坯，幅寬達(dá)360mm。上引法能保證產(chǎn)品低氧含量，氧含量低于10ppm。同時(shí)，該工藝能保證帶坯的密度≥8.93g/mm3，卷重大于5噸。該技術(shù)的關(guān)鍵是采用了合理的結(jié)晶器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和冷卻系統(tǒng)，獲得了大寬厚比連續(xù)鑄造的成功。大寬厚比板坯的連續(xù)鑄造重要的是保證材料具有合理的順序凝固，滿足有效的補(bǔ)縮及鑄造組織的均勻一致。圖7是富威科技（吳江）有限公司的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)照片。

7. 四輥高速軋制生產(chǎn)銅管技術(shù)

河南金龍集團(tuán)在研究開發(fā)三輥行星斜軋機(jī)的基礎(chǔ)上，近年又研究開發(fā)了四輥行星斜軋機(jī)，已通過(guò)河南省科技鑒定。該技術(shù)是采用四輥行星軋制開坯，再通過(guò)三連拉更高效的生產(chǎn)銅管。四輥軋的特點(diǎn)是：四輥軋受力狀態(tài)更加有利于塑性變形；四輥軋對(duì)稱性好，變形更加均勻，有進(jìn)一步應(yīng)用于加工成形銅合金管材；四輥軋軋制力有所降低（5%~10%），生產(chǎn)效率有所提高，同時(shí)產(chǎn)品質(zhì)量也有所提高。四輥軋的變形特點(diǎn)見(jiàn)圖8所示。

8. HAl77-2黃銅冷凝管坯行星軋制技術(shù)

寧波集團(tuán)研究開發(fā)出采用三輥行星斜軋法加工HAl77-2黃銅冷凝管坯。項(xiàng)目采用數(shù)值模擬方法，系統(tǒng)研究了行星軋制過(guò)程中應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)、應(yīng)變速率場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分布情況。獲得了影響金屬變形溫度的因素主要有軋輥?zhàn)赞D(zhuǎn)速度、變形程度、預(yù)熱溫度、加熱方式等，并對(duì)各個(gè)影響金屬流動(dòng)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。解決了軋制過(guò)程中產(chǎn)生大量的變形熱，致使變形區(qū)溫度急劇上升，達(dá)到銅合金的再結(jié)晶溫度以上，從而發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。采用試驗(yàn)研究，對(duì)比不同工藝參數(shù)下軋件的性能，以得到最佳的工藝參數(shù)。最后，成功地試生產(chǎn)出合格的HAl77-2黃銅冷凝管坯，見(jiàn)圖9所示。

9. 高精度電子引線框架材料的生產(chǎn)技術(shù)

引線框架用銅帶是典型的高精度銅合金板帶，引線框架用銅帶材的生產(chǎn)技術(shù)包括高性能銅合金材料的制備和高精度板帶材的加工技術(shù)。該產(chǎn)品的研究開發(fā)是通過(guò)國(guó)家863課題的支持，突破了典型引線框架銅合金C194的關(guān)鍵生產(chǎn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，促進(jìn)了C194合金的國(guó)產(chǎn)化。目前，引線框架用銅帶產(chǎn)量最大的是寧波興業(yè)電子銅帶有限公司，2009年該企業(yè)生產(chǎn)引線框架材料產(chǎn)量超過(guò)5600噸，擺脫了我國(guó)此種材料長(zhǎng)期依賴進(jìn)口的局面。圖10是國(guó)產(chǎn)引線框架材料生產(chǎn)的產(chǎn)品。

三、銅及銅合金新材料及加工技術(shù)地研究與開發(fā)

我國(guó)在銅及銅合金材料與加工技術(shù)方面都取得了巨大的進(jìn)展和成果，但是我國(guó)的銅加工技術(shù)水平與國(guó)外先進(jìn)國(guó)家還是有一定的差距，還需要進(jìn)一步地研究開發(fā)和提高。特別是全球資源的有限，環(huán)境負(fù)擔(dān)壓力的加重，對(duì)加工制造提出了降低能耗、有利環(huán)保的高效、節(jié)能綠色加工制造。因此，“十二五”銅加工技術(shù)地發(fā)展應(yīng)該是：研究開發(fā)銅合金短流程加工技術(shù)、研究開發(fā)高效節(jié)能生產(chǎn)加工技術(shù)、研究開發(fā)高性能銅合金新產(chǎn)品。

1. 銅合金短流程加工技術(shù)

（1）高性能單晶/準(zhǔn)單晶銅線的連鑄及加工技術(shù)

該項(xiàng)目的關(guān)鍵問(wèn)題是：熔體處理技術(shù)、結(jié)晶器的設(shè)計(jì)和制造、連續(xù)拉鑄工藝的優(yōu)化、加工工藝的研究。

（2）銅及銅合金管材連鑄連軋技術(shù)

該技術(shù)分兩條工藝路線：一是，采用上引法連鑄—連續(xù)拉伸生產(chǎn)管材技術(shù)（氧含量在5ppm以下）；二是，采用連續(xù)鑄造——三輥斜軋——拉拔生產(chǎn)銅合金（HAl77-2、BFe10-1-1）技術(shù)。關(guān)鍵問(wèn)題是：熔體處理技術(shù)、連續(xù)鑄造工藝、結(jié)晶器設(shè)計(jì)、軋輥設(shè)計(jì)及工藝過(guò)程模擬。

（3）高性能銅合金線坯連鑄連軋技術(shù)

該項(xiàng)目的關(guān)鍵問(wèn)題是：高性能合金的制備，即合金元素的添加技術(shù)、活性合金元素的收得率及非真空連續(xù)鑄坯技術(shù)、軋制工藝及孔型設(shè)計(jì)、超長(zhǎng)、異形合金線材的生產(chǎn)技術(shù)。

（4）寬幅無(wú)氧銅帶上引連鑄生產(chǎn)技術(shù)（寬度大于400mm、氧含量10ppm以下）

該項(xiàng)目的關(guān)鍵問(wèn)題是：熔體處理技術(shù)、特別是除氧技術(shù)、結(jié)晶器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)、上引工藝參數(shù)的選擇。

2. 銅及銅合金高效節(jié)能生產(chǎn)加工技術(shù)

（1）高精度、高表面、寬幅銅及銅合金板帶生產(chǎn)技術(shù)

項(xiàng)目的關(guān)鍵技術(shù)是：高精度板帶材軋制技術(shù)，精度及邊部質(zhì)量控制，殘余應(yīng)力控制及消除技術(shù)（邊部處理技術(shù)），銅合金表面防護(hù)技術(shù)研究，除油、鈍化（BTA）、防腐等，精度及表面質(zhì)量的有效檢測(cè)及（在線）監(jiān)控技術(shù)。

（2）銅管四輥高速軋制技術(shù)

項(xiàng)目的關(guān)鍵技術(shù)是：四輥高速軋機(jī)的設(shè)計(jì)和制造，軋輥的設(shè)計(jì)（模擬技術(shù)），軋制工藝的選擇及優(yōu)化。

（3）高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金非真空連鑄及加工技術(shù)

項(xiàng)目的關(guān)鍵技術(shù)是：合金成分的設(shè)計(jì)和控制，非真空連鑄技術(shù)，覆蓋劑的選擇和制備技術(shù)，結(jié)晶器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制造。

3. 高性能銅合金新產(chǎn)品研究開發(fā)

（1）高純無(wú)氧銅材制備關(guān)鍵與共性技術(shù)研究

項(xiàng)目的關(guān)鍵技術(shù)是：無(wú)氧銅的提純及熔體純凈化技術(shù)，含氣量、氧含量控制技術(shù)，氧含量均勻性控制技術(shù)。

（2）高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金接觸線的連續(xù)制備加工技術(shù)

項(xiàng)目的主要性能指標(biāo)：抗拉強(qiáng)度580MPa，導(dǎo)電率78% IACS，導(dǎo)線長(zhǎng)度1 500M。關(guān)鍵技術(shù)是：合金設(shè)計(jì)，易氧化元素的非真空添加技術(shù)，加工及成形技術(shù)。

（3）高強(qiáng)中導(dǎo)銅合金接觸線的制備和加工技術(shù)研究（7025）

項(xiàng)目的主要性能指標(biāo)：抗拉強(qiáng)度680MPa，導(dǎo)電率58%IACS。關(guān)鍵技術(shù)是：合金設(shè)計(jì)，熔體處理及凈化技術(shù)，加工及成形技術(shù)。

（4）耐蝕銅合金材料及產(chǎn)品研究開發(fā)

項(xiàng)目的主要性能指標(biāo)：應(yīng)用于海水中板式換熱器，艦船、海上石油平臺(tái)用銅管、核電站等。關(guān)鍵技術(shù)是：合金成分設(shè)計(jì)，耐蝕機(jī)理與性能的研究，加工工藝性能的研究，耐蝕性試驗(yàn)及檢測(cè)方法研究。

（5）大卷重、高彈性鈹青銅合金制備及加工技術(shù)

項(xiàng)目的主要性能指標(biāo)：卷重大于4噸、高彈性。關(guān)鍵技術(shù)是：合金的熔煉及鑄造技術(shù)，加工及成形技術(shù)，板型控制技術(shù)，生產(chǎn)規(guī)模達(dá)到大型化。

（6）低成本無(wú)（公害）銅材研究開發(fā)

項(xiàng)目的主要性能指標(biāo)：材料的切削性能達(dá)到鉛黃銅的85%以上，材料的鉛溶出低于0.01mg/L。關(guān)鍵技術(shù)是：合金設(shè)計(jì)（有毒元素Be、Cd、Pb等的替代技術(shù)）；加工及成形技術(shù)；

四、結(jié)束語(yǔ)

1. 近二十年來(lái)，我國(guó)的銅加工技術(shù)發(fā)展迅速，已經(jīng)成為世界銅加工的大國(guó)，銅加工產(chǎn)量均為世界第一。目前，我國(guó)仍然不是銅加工強(qiáng)國(guó)，但正在向強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)。

2. 2000年以前，我國(guó)的先進(jìn)有色金屬加工設(shè)備以引進(jìn)為主，在引進(jìn)的基礎(chǔ)上消化吸收。2000年以后，已經(jīng)從引進(jìn)和消化向自主創(chuàng)新發(fā)展轉(zhuǎn)變，并已取得一定成效。

3. 目前，銅加工產(chǎn)品產(chǎn)量已基本滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的步伐，但高端產(chǎn)品部分仍需要進(jìn)口，未來(lái)幾年的需求增長(zhǎng)主要是高端產(chǎn)品。因此，應(yīng)發(fā)展高端產(chǎn)品，我們應(yīng)從數(shù)量發(fā)展走向質(zhì)量的提高，從低水平走向高水平。