0 前言

铜及铜加工材作为重要的基础工业材料和功能材料, 被广泛应用于机械制造、电子电气、交通运输、建筑、印刷等各个行业。近半个世纪以来, 铜加工技术得到了迅速的发展, 铜加工生产已经高度自动化, 铜加工业已成为现代化大工业的重要组成部分。目前, 铜加工业的重大技术进步有:感应电炉熔炼、半连续铸造、卧式连铸、上引连铸、连铸连轧、板带材卷式生产法、盘管位伸、无氧化退火等等。这些技术进步使生产工艺流程缩短、消耗下降、产品质量稳定、经济效益提高。改革开放以来, 我国铜加工行业引进设备和技术改造同步进行, 取得了显著成绩, 使铜加工技术有了较大的发展。

1 高精铜材加工研制

(1) 超薄汽车水箱铜带开发。为节约能源, 降低成本, 国外汽车水箱铜带向超薄型发展。铜带加工能达到的最小厚度, 在一定程度上反映了一个国家压力加工水平。我国在研制厚度小于0.05mm的水箱铜带方面取得了成果。

(2) 电解铜箔工艺研究。电解铜箔主要用于印刷电路、挠性母线、电波屏蔽板、高频汇流线及热能搜集器等。电解铜箔生产水平应首推美国, 美国现有140多条生产线, 其产品最薄可达5μm, 宽度1 000~2 500mm, 单机年生产能力达100~ 306t。西北铜加工厂是我国电解铜箔6个主要生产厂之一, 1986年至1990年该厂完成了国家“七五”重点攻关项目--超薄铜箔工艺, 可以生产6~ 9μm的超薄铜箔, 技术性能达到IEC和IPC标准。20世纪80年代末, 辽宁铁岭有色金属加工厂引进了一套美国CB公司的电解铜箔及表面处理生产线, 阴极辊ƒ2 134mm×1 600mm, 可生产厚13~ 35μm、宽1 500mm的铜箔, 控制水平较高。上海冶炼厂、山东招远电子材料厂以及沿海地区的许多企业也开发了这一产品, 且质量不断提高。

(3) 空调管试制。由于空调器已成为20世纪90年代家电消费的新目标, 空调管国内需求量大, 有很大的市场潜力, 我国已有多家企业试制成功。

2 高技术领域专用铜管(带)研制

1985年, 洛阳铜加工厂承担建造正负电子对撞机用外矩内圆异型导电铜管, 提供的铜管经绕制成磁铁线圈, 性能测试全部达到设计要求, 已成功地应用于正负电子对撞机。

上海第一铜管厂研制成功的铜)氧化镁复合铜管, 于1984年通过中国科学院物理学部鉴定, 质量水平高于设计标准, 可作为扇形聚焦可变能量回旋加速器的调补线圈, 是核工业科研部门的关键材料。主要规格为:外层是ƒ10.5mm×0.6mm的T2铜管, 中间是厚为0. 6~ 0.7mm的氧化镁, 内层是ƒ4mm×1. 2mm的T2铜管, 单支长度25m。主要特性为:电解质耐压强度1 250V/min(交流)、导体绝缘电阻1 000mΩ/1 000m、导体电阻大于0. 835mΩ/1 000m、水压试验2. 94MPa。

在高强高导铜合金框架材料研制方面, 20世纪80年代以来, 洛阳铜加工厂、沈阳有色金属加工厂等单位相继开展了集成电路铜合金框架材料研究工作, 并取得了一定的成效, 如仿C19400、C19500合金及KFC合金等试制成功, 填补了国内空白。但是, 国产引线框架用铜带无论从品种、质量, 还是数量上目前还远远满足不了需求。

3 特殊铜合金材料研制

(1) 耐磨铜合金同步齿环材料开发。为了形成具有我国特色的同步齿环材料系列, 1990年5月, 由南京汽车制造厂齿轮分厂、东南大学材料系和洛阳铜加工厂等单位组成的联合攻关组, 经过两年的研究, 研制出HQC-1、HQC-2新型同步器齿环新合金, 生产微型、轻型、重型汽车及轿车等各种车型用的同步器齿环近100种, 产品不仅供应国内, 并批量出口。

(2) 特殊黄铜弹性材料研制。黄铜带材作为弹性材料因其价格便宜, 日益受到重视。研制新型特殊黄铜弹性合金取代锡青铜, 国外研究进展很快。洛阳铜加工厂、沈阳铜加工厂等单位在消化国外技术的基础上, 开展了对CAS531合金(75Cu-21Zn-3Al-1Ni)的研制, 并同时开展了对铝钴锰黄铜(如前苏联的156合金)的研制与引进及应用研究, 均取得了可喜的进展。

(3) 形状记忆合金研究。我国自20世纪80年代初开始铜基记忆合金研究, 分别研制出Cu-Zn-Al、Cu-Al-Ni、Cu-Al-Ni-Mn-Ti、Cu-Al-Be等合金。铜基记忆合金研究目前集中在热弹性马氏体稳定化机理、高热循环寿命铜基记忆合金, 晶界脆性改善方法、记忆合金冷加工, 铜基记忆合金宽滞后效应等方面, 均已取得很好的研究和应用效果。

(4) 阻尼铜合金研究。原开发的铜锰系合金, 由于其内部的阻尼性使激烈振动的振幅减少, 噪声被吸收。近些年来正在研究的添加少量铝和镉的铜锰合金, 可期待开发为防振合金, 洛阳铜加工厂、北京有色金属研究总院正在开展此类合金研制。

(5) 货币用铜合金研究。洛阳铜加工集团有限责任公司研制生产的货币用铜合金已出口成为欧元制币材料。

4 工艺技术开发

首先是改进熔铸工艺, 将半连续铸造改为连续铸造工艺。重点开展了电子铜带、高弹性高可靠性接插件铜带、高导电纯铜带、高精度黄白铜带的工艺技术开发, 使带材的厚度、精度、板形、表面粗糙度、导电率等达到国际先进水平; 开发了技术水平先进的双向内螺纹管、计算机用管、高质量装饰黄铜管、复杂铜合金管、无氧铜管、60mW发电机组用高耐腐性长铜管。其次是开展了黄铜盘管拉伸新工艺研究、表面处理方法及装备研究, 并开发了ƒ40mm以上大规格拉制棒和挤压棒产品。

具体来说, 铜及铜合金产品有:铸造产品、压力加工产品, 后者又可分为板、带、管、棒、线、条、箔、型材、粉末制品等多种产品。铜及铜合金生产技术主要是指合金熔炼、铸锭、压力加工以及特殊工艺等。

4.1 合金熔炼与铸锭 4.1.1 真空熔炼与铸锭

铜合金真空熔炼主要用于生产电真空无氧铜、镍合金、含有易氧化烧损元素的铜合金(如铜锆合金)。真空熔炼可以除去铜中有害元素(如砷、锑、铋、磷等), 电真空无氧铜的铜含量可达99. 99%, 氧含量小于3×10^-6。在真空熔炼合金的过程中, 还可以充氩气, 以减少金属的损耗。国产真空炉容量为10~ 1 000mL, 在真空室内单模铸造(铸模为铁模、酸性或碱性捣制坩锅、石墨坩锅等)。高强高导电铜-铬-锆-镁合金一般均采用真空熔炼(锆含量可达0.2% ~ 0.4%), 其工艺为:电铜+铜铬合金→合炉、抽真空→熔化(铜液温度1 250~ 1 300 ℃)→磷铜、镁铜脱氧→充氩气, 加入铜锆中间合金和铜镁中间合金→生铁模浇注。

国外用于铜合金真空熔炼的熔炉可达1.5L容量, 在真空室中可多模铸锭, 连续推锭至真空室外, 真空半连铸造、真空卧式连铸也开始使用, 德国莱宝公司所生产的真空感应炉配有自动加料、自动捣料、自动测温等装置。随着电子工业的发展, 我国电真空无氧铜尚不能满足其纯度和质量要求, 其中含铜99. 99%、含氧量小于3×10^-6的无氧铜, 必须在真空条件下生产。此外, 钢铁卧式连铸结晶器用铜-铬-锆-镁合金的需求量增加, 铸件规格要求为295~ 500mL。因此, 大容量真空感应炉及熔炼技术发展更显重要。

4.1.2 非真空感应熔炼与半连续铸造

感应熔炼炉有低频、高频和有铁芯、无铁芯之分, 无铁芯感应炉适用于复杂合金生产, 有铁芯感应炉用于单一品种大批量铜及合金铸锭生产。在熔炼铸造技术中广泛采用保护、新型覆盖剂和熔剂, 电磁铸造、熔过滤技术也开始试用。我国感应熔炼炉的容量从150kg至10t, 熔炼炉与保温炉联合组成炉组, 进行熔炼、精炼和向半连铸机供注, 具有较高的生产效率和良好的密封性能, 可以生产普通电真空用无氧铜和集成电路引线框架用合金锭, 铸锭规格可达170mm×640mm×4 800mm, 单重达7t之多。国外最大感应熔炼炉组中, 普遍配有液面自动控制、自动测温、自动测氧与测氢装置。

4.1.3 非真空感应熔炼与卧式连续铸造

卧式连续铸造技术近三十年来有巨大的发展, 主要表现为卧式连铸供带材生产的卷坯, 可以直接进行冷轧, 使用最广泛的是卧式连铸锡磷青铜卷坯, 宽度200~ 250mm, 厚度10~ 15mm, 在卧式连铸的过程中, 自动实现卷坯双面铣屑, 铣屑厚度0. 4~ 0. 6mm, 目的是去除锡元素的反偏析。我国20世纪70年代末以来引进的卧式卷坯连续机组主要是瑞士WERTLI公司2~ 440mm机组、原西德TECHNI-CA-GUSS公司1~ 650mm机组、奥地利MCTA-THERM公司2~ 450mm机组。

卧式连续铸管, 供盘管拉伸, 省去热挤压工序, 最为成功的例子是卧式连铸加磷脱氧铜90mm×8. 5mm~ 105mm×10mm管坯, 经铣面后送去高速轧管, 然后使用盘管生产法直接生产空调管。其中使用英国洛同美德式卧式连续铸造机组生产黄铜管材, 供生产汽车同步器环使用。

我国多数工厂还使用小型卧式连续铸造机组生产复杂合金管棒线坯料。

4.1.4 上引连续铸造

这种方法在20世纪70年代芬兰首先使用, 可以生产管、棒、线坯料, 我国烟台铜材厂设计与制造的上引紫铜管规格为42mm×4mm, 直接供空调管生产; 上引机组与Y型轧机相配合, 实现了铜线杆连铸连轧, 生产6~ 8mm光亮铜盘条, 取代了铜线杆横列式轧制方法, 为特长导线生产打下了基础, 在生产高速列车用导线方面具有广泛的应用前景。

山东烟台铜材厂已建成年产8 000t铜管车间, 全部使用上引管坯, 上引铸管的性能和内在质量已经完全能满足空调散热管的要求。上引法生产管坯省去了挤压和铸锭加热工序, 若技术措施得当, 生产管坯表面光洁, 且内部合金元素分布均匀。

4.2 板带材现代生产技术

在铜及其合金板带材生产中, 手工作坊式生产已被现代化卷式生产方法所代替。新的生产方法主要包括:大铸锭热轧卷坯生产、双面铣屑、高精度轧制、通过气垫式退火和保护气罩式退火、拉弯矫直、自动剪切等。在生产中广泛采用微机控制, 工艺参数自动记录, 压力、张力、辊型自动调量和调整, 自动对中, 板形控制, 在线检查等先进技术。为实现板带材现代化生产, 20世纪80年代以来, 我国先后引进了一系列先进的四辊带材轧机设备和西德容克公司气垫炉。

在板带材产品中, 集成电路用高精度引线框架带材集中反映了这一领域中的技术进步。

在获得良好板形产品的生产中, 拉弯矫直技术十分重要。其工作原理是带材在张力作用下, 经过反复弯曲矫直, 在带材横断面上产生不同程度的塑性变形, 从而使沿带材断面上的金属延伸趋于均匀一致, 同时带材在受到交替拉应力和压应力的作用时, 使残余应力得以释放。拉弯矫直机组一般包括有:前张力辊组、张力测量辊、多辊矫直机、对中装轩、前后卷曲机组等。

4.3 管棒线现代生产技术

为适应管、棒、线多牌号、多品种的需求, 现代生产技术也是多种多样的。主要有铸造、挤压-拉伸、挤-轧-拉、盘拉、直线式串拉等, 但是最重要的方法仍然是挤压-轧管-拉伸生产方法。在生产中运用成熟的技术有:铸锭感应加热、水封挤压、横向移动模座、高速环孔型轧管、游动芯头拉伸、内螺纹管行星模滚轧、舒马格式拉拔与校直、通过式保护-光亮退火等。其中以盘管生产技术发展最为迅速, 这种技术增大了管坯的单根重量, 可以热挤压, 也可以卧式连续铸造; 长管坯通过高速冷轧或者直线式长拉床拉伸, 使管材成盘, 然后使用圆盘拉伸; 最后按用户需求的长度精整, 改变了过去落后的直条法生产方式, 从而提高管材的成品率和产品质量, 实现了生产过程的高度自动化。这种方法主要用于加磷铜水道管与空调管的生产。

为提高空调管散热性能, 管内带有槽的内螺纹管生产技术迅速发展, 这种管材与同规格光管相比, 由于散热面积增加, 使传热效率提高1.5倍, 对流阻力仅增加3% ~ 5%, 因而空调器中制冷设备向短小轻薄方向发展。目前内螺纹空调管生产技术有直拉和圆盘拉伸两种方法, 但其关键技术是内螺纹成型, 使用最广泛的方法是在带有沟槽内芯的管材外面, 通过高速旋转的行星模滚轧而成, 成型过程包括光管整径、内螺纹滚轧、定径空拉等三部分; 随着内螺纹管齿形变化, 使用带有沟槽的带材、经氩弧焊接而成螺纹管的生产技术, 正在悄然兴起。

内螺纹管和盘管生产技术, 倍受我国铜加工企业的重视。20世纪80年代以来, 从国外引进先进生产技术装备, 建立了专业化生产线, 我国空调管生产能力已达4万t/a, 基本满足了空调行业的需要。

4.4 特殊加工技术

为适应国民经济和高科技对铜材的需求, 特殊加工技术得到了发展, 主要包括有:高精度异型铜带、超薄电解铜箔、内氧化质点强化、多种金属、激光表面强化、半固态成型、异型铸造、微粒子强化质点控制等。

4.4.1 高精度异型铜带

晶体管异型框架用高精度异型铜带, 一般为含磷和银的高强高导合金, 断面由厚边和薄边组成, 厚边为1. 27mm, 薄边为0. 38mm, 带宽68mm, 长度大于200m, 生产方法为孔型轧制、铣屑、高速锻造生产异型断面坯料, 然后经高精度轧制, 其技术关键是高精度轧制时必须保证厚边与薄边延伸系数相等, 否则异型带板形不能满足用户需要。

4.4.2 内氧化弥散强化无氧铜

电真空器件要求无氧铜, 在930℃氢气气焊时不产生变形, 使用合金化的方法很难实现, 国内外普遍使用氧化质点弥散强化方法, 常用氧化质点Al₂O₃。

4.4.3 大面积薄壁异型铸造技术

为满足特别巨型铜像的建造, 需要铸造大面积、薄壁异型铜铸件, 铸件面积可达6–, 壁板厚度6~ 10mm, 使用一般砂型铸造方法很困难。近年来国内外普遍采用树脂砂造型、熔模铸造, 在金属浇入砂型之后, 模型被烧蚀, 为金属熔模所充满, 该技术具有工艺流程短、铸件表面光洁、艺术形象完美的特点。1997年洛阳铜加工厂研制成功铜-铝-镍-铟系仿金材料合金, 该合金运用树脂砂熔模技术, 成功地建造了总高20m、重70t的“南海观音铜像”, 经海洋大露天侵蚀, 依然金光闪灿, 被国外媒体称为世界第一大仿金铜像。

5 结语

目前, 我国铜加工技术整体水平与发达国家相比, 仍然存在较大差距。今后, 我国铜加工业必须大力依靠科技进步, 促进产业技术升级, 不断缩小与世界先进水平的差距, 增强企业的竞争能力。铜加工技术应沿着实现产品高、精、优、尖的方向发展, 不断地引进和开发高精技术, 进一步缩短生产工艺流程, 进一步提高产品的成品率和产品质量, 降低各种消耗。对那些广泛使用的产品, 应不断地建立专业化生产线; 对小批量、多品种的产品, 应建立适应性更强的生产方法; 对于特种材料的生产技术, 应向跨学科的技术方向发展。