一、概 述
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、粉末制品等多种形式; 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. 近半个世纪以来, 铜加工技术得到了迅速的发展, 铜加工业已经高度自动化, 成为现代化大工业的重要组成部分, 其中重大的技术进步有: 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，就铜加工技术发展方向而言, 今后将沿着适应产品高、精优、尖要求的方向发展, 不断地引进和开发高精技术, 进一步缩短传统的生产工艺流程, 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, 而对小批量、多品种的产品, 将建立适应性更强的生产方法, 对于特种材料的生产技术, 将向跨学科的技术方向发展.
二、合金熔炼与铸锭
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、磷等元素, 电真空无氧铜的铜含量可达99.99%, 氧含量小于3PPM; 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. 我国自产真空炉容量为10~1000千元, 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, 真空度6X10PA-熔化, 铜液温度1250~1300摄式度→磷铜才、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1.5升容量, 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.
随着电子工业发展,我国电真空无尚不能满足其纯度和质量要求,其中含铜99.99%,含氧量小于3PPM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295~500毫米, 因此大容量真空感应炉及熔炼技术发展更显重要.
2.非真空感应熔炼、半连续铸造感应熔炼炉又有低频、高频、有铁芯、无铁芯之分,无铁芯感应炉适用于复杂合金生产, 有铁芯感应熔炼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150千克至10吨,熔炼炉与保温炉联合炉组,一为熔炼,一为精炼和向半连铸机供注, 具有较高的生产效益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170x640X4800毫米,单重达7吨之多;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、测氢装置. [next]
3.非真空感应熔炼、卧式连续铸造
卧式连续铸造技术近叁十年来有巨大的发展,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200-250毫米, 厚度10~15毫米,在卧式连铸的过程中,自动实现卷坯双面铣屑, 铣屑厚度0.4~0.6毫米,目的是去除锡元素的反偏析,我国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TECHNICA-GUSS公司1-650MM 机组、奥地利MCTA-THERM公司2X450MM 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90X8.5-105X10毫米管坯,经铣面后送去高速轧管,然后使用盘管生产法,直接生产空调器管.
我国多数工厂还使用小型卧式连续铸造机列生产复杂合金管棒线坯料,其中使用英国洛同美德式卧式连续铸造组元黄铜管材, 供生产汽车同步器环使用.
4.上引连续铸造
这种方法七十年代芬兰首先使用,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42X4毫米,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6~8毫米光亮铜盘条,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.
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,山东烟台铜材厂已建成年产8000 铜管车间, 全部使用上引管坯,管坏的性能和空调管成品性能列入表1.目前广泛使用联炉,一为合金熔炼,一为上引管坯使用, 解决了合金元素均匀分布的技术难题, 使上引合金管坯成为现实.
表1 上引铸管坯的机械性能
管坯规格(MM) 抗拉强度(MPA) 伸长率(%)
40X4 187 51
50X5 186 50
60X5 184 48
70X6 180 48
80X8 181 49
三、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,这种方法主要包括有:大铸锭热轧卷坯生产、双面铣屑、高精度轧制、通过式垫退火和保护 氛罩式退火、拉弯矫真、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、板型控制、在线检查等先进技术; 为实现板带材现代化生产, 八十年代以来, 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, 其生产工艺为:
KFC(99.80%CU-0.05%FE-0.015%P)→铸锭170x620、1070X4-5米、重4-5→煤 加热850-870℃, 微氧化 氛→热轧13MMX650.1070 卷, 纵向厚度偏差±0.15MM→双面铣削12.4MM→四辊冷轧机450/直径1070x1250MM 冷轧中轧至1.2MM,纵、横厚度偏差±0.02MM→氮保护罩式退火炉480 ℃软化退火→四辊冷轧机 260/ 700x750MM轧机, 板型控制,ESSON60润滑, 加工率15-35%, 成品加工率20-30%→ 垫式退火炉500℃、10-30米/分通过速度→碱洗除油清洗→拉弯矫直,残余变形小于10I→成品剪切630纵剪成品厚度0.25、0.2、0.15、0.1毫米,宽度≥16MM,长度200-500米,性能6B6390-440MPA、10%4.5-15.5HV115-135，导电率82-90%IACS→包装.
在获得良好板型产品的生产中, 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, 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, 使残余应力得以释放, 拉弯矫直机列一般包括有:前张力辊组,张力测量辊、多辊矫直机、对中装轩、前后卷曲机列等. [next]
四、管棒线现代生产技术
为适应管、棒、线多牌号、多品 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-拉抻生产方法,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，这种技术的思路是：增大管坯的单根重量，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是直线式长拉床拉伸，使管材成盘，然后使用园盘拉伸，最后按用户需求的长度精正，也就是改变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，典型生产工艺如下：
(1)英国CERRO 黄铜公司: 铸锭 254X560MM→50MN油压机50X2.5MM、70米长管坯→盘拉20X1.0MM成品管;
(2) 芬兰奥托昆管，水平连续铸造90x23MM管坯长13000MM→铣面89.4X22.8MM→行星轧机47X2.3MM→盘拉空调管;
上引连铸管坯110x12MM, 长度12000毫米→120度方向铣外表面→皮尔格轧机、47X2.0MM,长157米→在线退火、300米/分→串拉、盘拉、水平卷→光亮退火650℃、1.8小时→合精整→光管、包塑;
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, 这种材与同规格光管相比, 由于散热面积增加介质破坏了平流状态, 使传热效率提高1.5倍,对流阴力仅增加3-5%, 从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园盘拉伸两 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、定径空拉等叁部分; 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,80年代以来,从国外引进先进的生产技术装备,建立了专业化生产线, 我国空调管生产能力已达4万吨, 基本上满足了空调行业的需要.
五、特殊加工技术
为适应国民经济和高科技对铜材的多需求,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, 现重点介绍如下:
1.高精度异型铜带
晶体管异型框架用高精度型铜带, 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1.27毫米, 薄边为0.38毫米, 带宽68毫米, 长度大于200米, 生产方法叁种, 即孔型轧制、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, 必须保证厚边与薄连延伸系数相等, 否则异型带板型不能满足用户需要.
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.
3.大面积 杂断面异型铸造技术
为满足铜工艺品, 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米平方, 壁板厚度6~10毫米, 使用一般砂型铸造方法很困难的, 近年业国内外普遍采用和发展了树脂砂造型, 熔模铸造, 在金属液 浇入砂型之后, 模型被烧蚀, 为金属熔 所充满, 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, 并使用该合金运用树脂砂熔模技术, 成功的建造了总高20米, 总重70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 称为世界第一大仿金铜像.
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