电工用铜线的性能和提高铜线质量的对策

电工用铜线的性能和提高铜线质量的对策
黄崇祺
【摘要】2006年我国的铜导体用量已达到354万t,其中电磁线用铜已接近100万t,约占整个电线电缆行业用铜总量的28%,在电缆行业中,对铜线质量要求最高的也是铜电磁线,特别是微细和超微细漆包线,而且还有柔软性的特殊要求.影响铜线质量的链是很长的,从原材料铜的冶炼、制杆、制线、退火(包括拉线退火和漆包退火);合理选材、按铜杆质量分等使用;加强铜杆进出厂检验、铜线生产过程中间检验、采用特殊的可退火性检验方法,以及制订电线电缆行业的铜杆标准和采购规范等都是提高铜线质量的有效对策.
【期刊名称】《电线电缆》
【年(卷),期】2008(000)003
【总页数】7页(P1-7)
【关键词】电工;铜杆;铜线;质量;对策
【作者】黄崇祺
【作者单位】上海电缆研究所,上海,200093
【正文语种】中文
【中图分类】TM244.1
1 影响电工用铜线性能的主要因素
1.1 铜杆质量是关键
在电工铜线生产中铜杆是质量的中心，也是供需双方争议的焦点，也是期货市场中“阴极铜牌号注册”等级评定的依据之一。

影响铜导体生产的质量链是很长的，影响因素很多，互有因果关系(见图1)，但技术核心和发展方向就在于要提高铜杆的“可轧性”、“可拉性”和“可退火性”等“三性”。

目前，特别在大量废杂铜直接用于生产电工用铜杆的情况下，“三性”问题就显得比较突出。

用户经常会问连铸连轧低氧铜杆和上引法无氧铜杆有哪些区别?铜杆分等使用的标准、铜杆和铜线的质控预警判别试验方法何在?本文将作概要的研讨，期待制杆厂、拉线厂、电线电缆厂通过实践，积累数据和经验，以求统一，为制订线缆产品的专用标准奠定基础。

1．2 选材不当影响铜线生产的技术经济效果
由连铸连轧法生产的光亮低氧铜杆和由上引法生产的光亮无氧铜杆在本质上是有区别的。

因而，对不同质的铜杆应有其最佳的适用范围，并相应地匹配不同的最佳拉线和退火工艺，以取得最佳的技术经济效果。

过去有一种商业性的宣传：“无氧铜杆生产不出柔软的铜线”，从技术发展到今天来看，这种说法是不恰当的。

不管是低氧铜，还是无氧铜，事实上都能生产出合格和符合高性能要求的各种规格柔软的导线。

低氧铜和无氧铜的主要区别在于：
(1) 氧在铜中进入和脱去以及它的存在状态是不同的
图1 以铜杆为中心的电工铜线生产质量因果关系
① 含氧量——阴极铜的氧含量一般在10～50 ppm(1 ppm=10-4%,以下相同)，在常温下氧在铜中的固溶度约为2 ppm，低氧韧铜杆的含氧量一般在200(175)～400(450)ppm，因此氧的进入是在铜的液态下吸入的；而上引法无氧铜杆的含氧量都在10～5 ppm以下，最低可达1～2 ppm，氧是在液态铜下保持相当时间后被还原而脱去的。

② 组织——低氧铜中的氧，以氧化铜状态存在于晶粒边界附近，这对低氧韧铜杆
而言可以说是常见的，无氧铜却很少见；无氧铜中的氧化铜以杂质形式在晶界间出现，这对材料的韧性产生了负面影响，但是无氧铜的组织是均匀的单相组织而对韧性有利(见图2)。

a) 无氧铜
b) 低氧韧铜图2 无氧铜和低氧韧铜的铸造组织
③ 铜杆中存在的缺陷——在无氧铜杆中多孔性是不常见的，而在低氧韧铜杆中则
是常见的一种缺陷。

(2) 杆的连轧组织和铸造组织是不同的 8．0 mm的低氧韧铜杆属热加工组织，而
无氧铜杆属铸造组织，晶粒粗大，这是为什么无氧铜杆的再结晶温度较高，需要较高退火温度的固有原因。

因此，对无氧铜合理的退火要求是：当铜杆经拉制，此时的线的组织尚属铸造组织，它的第一次退火的退火功率，应比同样情况的低氧铜杆高10%～15%;然后再继续拉制，在这阶段的退火功率只需比低氧铜的高2%～3%。

因此，为了保证在制品和成品导线的柔软性，对低氧韧铜和无氧铜应切实区别和执行不同的退火工艺。

(3) 在杆中存在的夹杂数量、含氧量波动，表面氧化物和热轧缺陷是不同的在整个制杆过程中，无氧铜杆生产的流程短，污染的可能性较少，从而使杆中的夹杂少，且含氧量稳定，杆表面氧化物厚度仅达15Å；而低氧韧铜杆则相反。

低氧韧铜杆
有相当数量的氧化物存在于“皮下”，这导致拉线断线的几率增加。

故而，在拉微细线、超微细线时，为了减少断线的几率，必要时需对低氧铜杆不得已地采取一次“剥皮”，甚至二次“剥皮”，其目的就是要除去“皮下”氧化物。

(4) 低氧韧铜和无氧铜在韧性上是有差别的两者都可拉到0．015 mm甚至0．013～0．012 mm的线径，但在低温超导线中应用的低温级无氧铜，要求其
韧性更好，例如，铌—钛多股细丝复合超导线用的稳定材料——低温级无氧铜，
其细丝间的间距只有0.001 mm。

(5) 制杆的原材料和制线的经济性有差别制造无氧铜杆要求品位较高的阴极铜。

一般来说，拉制直径大于1 mm的铜线时，低氧韧铜杆的优点比较明显，而无氧铜
杆显得更为优越的是拉制直径小于0．5 mm的铜线。

(6) 低氧韧铜杆的制线工艺应与无氧铜杆的有所不同低氧韧铜杆的制线工艺不能照搬到无氧铜杆上来，至少两者的退火工艺是不同的。

因为线的柔软性深受材料成分、制杆、制线和退火工艺的影响，不能简单地说低氧或无氧铜谁软谁硬。

鉴于低氧韧铜杆和无氧铜杆各有其特点和不足，从今后的技术发展趋势看，有可能是两者合而为一，也即在改进的连铸连轧生产线上可生产超低氧含量(含氧10～175 ppm)甚至无氧铜杆。

对这种设想，国外事实上已在进行工作，只是还未到宣布的时候而已。

这个方法如能实现，将对提高制杆、制线的“三性”——可轧性、可拉性和可退火性是有利的。

低氧韧铜杆中含氧量的进一步降低将对细线、微细线、超微细线的生产和减少氢脆更为有利。

1．3 铜中杂质元素对铜线性能和可退火性的影响
“可退火性”的含意不仅仅表现在线的“柔软性”，实质上还涉及到结晶组织、线的脆性和再结晶温度等。

铜线的“可退火性”是铜杆、铜线、电工装备和器件等生产厂所关心的一个重要特性，这特性特别对电磁线、电子用线和通信线中使用的铜线是一个极为重要的因素，或者说是一项特殊的要求。

铜中杂质对退火特性的影响一般可分为下列四组：
(1) 无害的——铬、铁、锡、磷、硅；
(2) 较小的——银；
(3) 有害的——铅、硫、砷、锑；
(4) 严重的——铋、碲、硒。

根据“ISO”资料，硒和铋的存在对降低完全退火的铜的SEN(螺旋伸长数)值具有重要的作用。

当杆中含有少量(<14 ppm)的铅和锡时，轧制杆的SEN值就会出现
不正常的低下(只有363 mm)，比同样含氧量条件下的高纯铜低了80 mm。

铜中的氧对铜线各种性能的影响一直受到人们的关注，据H．pops和J．Holloman研究，随着含氧量的增加，铜杆再结晶温度呈线性的下降。

因此，
可使用SP850法来作为测量的手段，以预示热轧铜杆的可退火性。

不同牌号的铜、杂质元素对SP850值是有影响的，较高的含氧量，其影响是明显的，含氧量高于250 g/t的铜杆是很少用于拉细线的。

阴极铜材料纯度高，SP850值亦高，因此可预示那种阴极铜牌号由于SP850值低下而不适于拉制细线。

含氧量对轧制铜杆可
退火性的影响，亦可采用硬度法和SEN法进行检测。

一般认为，氧可降低铜杆的导电率、扭到断裂时的扭转数、抗拉强度和韧性。

氧对退火性能的影响如图3所示。

图3示出了含氧量对最终退火性能的整个影响。

铜
线在完全退火状态下可达到高导电和柔韧性的最佳结合。

特别LSE值(低应力伸长值)在电磁线中的应用是所有试验中最有用的，因为这个指数对氧的变化呈现出最
敏感的响应。

由图3中可以看出，随着含氧量的增加，图中的曲线显示出稳定的
下降趋势。

氧的含量、不同的工艺变化(如退火间的面积减缩率、退火温度和晶粒
尺寸)都可影响退火线的性能。

图3 含氧量对完全退火线机械性能的影响(面积减缩率86%，线径1.30 mm;1-低
应力伸长值LSE；2-抗拉强度，其中，1 ksi(千磅/平方英寸)=70 kgf/cm2≈7 MPa;3-屈伏极限；4-伸长率)
图4为面积减缩率对完全退火线的机械性能的影响，所有的线在260℃退火2 h。

在图4a、b、4c中分别示出了面积减缩率与低应力伸长(LSE)、抗拉强度和屈伏极限以及伸长率的关系。

从图4中可以看出，当退火前的面积减缩率超过90%时，
则LSE和伸长率急剧下降，而且对不同的含氧量，这些曲线大体的形状是相似的。

在图中也可再次看到随着含氧量的变化，LSE值是最敏感的。

为了有助于说明这些趋向，应注意测量完全退火线的平均晶粒尺寸，并绘制了图5。

图5中所绘的面积
减缩率是对应于线的直径的。

从图5中，可以十分清楚地看到，含氧量和冷加工都会引起晶粒尺寸的细化和稳定化。

a) 与低应力伸长(LSE)的关系
b) 与抗拉强度(UTS)和屈伏极限(YS)的关系
c) 与伸长率的关系图4 面积减缩率对完全退火线的机械性能的影响(所有的线在260℃下，退火2 h)
图5 面积减缩率对退火线的晶粒尺寸的影响(在260℃下退火2 h)
有关含氧量对拉线断头率的影响，Yea-Yang Su作了研究。

对于直径0．4 mm 的铜线，据大量统计表明，拉线断头率与氧含量呈“V”曲线的关系(见图6)，当含氧约在380 ppm时，线的断头率最低。

当氧含量较高时，由于Cu2O的大量存在，是导致断线的原因。

除杂质外，材料在退火前的整个“制造履历”、退火间的总压缩率、涂漆退火、拉线模角度与退火组织和退火响应、拉线温度与再结晶、再结晶温度、拉线工艺与组织的演变、晶粒大小等都会影响导线最终的退火特性。

图6 铜线拉线断头率与含氧量的关系(铜线直径0．4 mm)
1．4 非金属夹杂物、外来的铁和内在的铋等杂质对拉线断头率的影响
通过对拉线断口，特别对由连铸连轧法生产的低氧光亮铜杆拉制的细线尺寸以下的铜线，经分析筛选表明，断线的主因是非金属夹杂物微粒，如耐火材料等，它们来自铜液熔化和保温炉以及流经的流槽和浇包等处。

为此，对铜液在连续铸杆前采取过滤措施是很重要的。

另一主因是外来的铁微粒，它们来自连续铸条与铁质部件(如导轮、轧辊和导卫等……)的接触。

为此，对上述部件更换成非铁材质和连铸条开坯初轧阶段增加拉拔道次以便减小压缩率就显得特别的重要；另外，铜中内在的铋元素，对于微细、超微细线的生产也必须严加控制，上世纪七、八十年代，由于我国某铜矿含铋较高，且在冶炼中严控技术又未跟上，致使我国电缆行业中细线尺
寸以下的铜线生产，其断头率明显增加，这一经验教训值得注意。

2 提高铜线质量的对策
2.1 提高铜杆质量、合理选杆分等使用和制订电缆行业铜杆标准及采购规范
在铜价暴涨、大量废杂铜直接制杆(特别是连铸连轧光亮低氧铜杆)的情况下，电缆行业为提高铜线质量，提高制线的技术经济效益，提高铜杆的“三性”具有很现实的意义。

所谓合理选杆，指的是应按线、缆产品的技术要求和标准，选择材料的品种、杆的等级，以取得最佳的技术经济效果。

在电缆行业中，线缆产品对铜线的质量要求事实上是不同的，因此首先应按铜杆质量分等使用，实行优质优价。

制订铜杆分等判别标准是制订切合的、行业所需的铜杆标准和采购规范的先导和基础，需要供、需双方切实研究、统计和分析，以期在生产中实用和取得效果。

对铜杆的分等既是铜杆生产厂的需要，也是制线厂的实际需要，但目前国内外无明确的铜杆分等标准可循，这给制订线缆产品专用标准带来了困难。

标准虽无，但铜杆制造厂一般都有自己的分等标准的，甚至在选料投产时早就考虑了用户对铜杆质量(等级)的要求，至于该批订货做出来什么质量，要看制杆工艺的稳定性，稳定性好成品率就高。

制线厂根据最终线、缆产品的要求，也要考虑选购质量(等级)合适的铜杆，但现在制线厂的难度就在于没有可靠的可预告铜杆质量判别的(进厂)检验方法，所以往往只能在拉线进程中用“中程断头率”淘汰法来进一步选材，以获得最终的线径和性能要求，并取得较高的生产效率和技术经济效果。

表1示出了1～3级低氧铜杆分等的质量指标，仅供同行研究、讨论参考，为行业制订标准和采购规范起到抛砖引玉的作用。

2．2 推荐采用几项判别可退火性的试验方法
在电磁线生产中，特别是漆包线对裸铜线的要求最高，不仅一般的机、电性能还有表面质量和柔软性(可退火性)的特殊要求。

裸铜线表面质量除与拉线加工有一定的关系外，主要取决于铜杆的表面质量(特别是低氧铜的表面质量)。

所谓铜杆的表面
质量主要指的是在铸、轧过程中引起的表面缺陷，如气孔、金属和非金属夹杂、轧件复边、导卫刮伤、轧入氧化皮、皮下氧化物、表面氧化膜厚度和表面“均方根粗糙度RM S(Root Mean Square Roughness)”等。

据近年来用原子力显微镜
AFM(Atomic Force Microscop)研究表明，铜杆表面的均方根粗糙度与连铸连轧
后连续清洗时所用的清洗液有关，最好的是H2SO4+H2O2清洗液，其次，依次
分别为H2SO4，酒精清洗液和不清洗的上引法铜杆。

裸铜线(包括涂漆后的漆包线)的柔软性，除与退火前的总加工率(一般不大于70%～80%为宜)、无氧铜与低氧
铜应采取不同的退火工艺和原材料铜杂质元素有关外，也受到退火工艺参数(温度、时间)、控制的退火程度(应包括在拉线机上的中间退火和涂漆前在漆包机上的成品退火)——完全退火或不完全退火(当然过退火是不容许的)和退火设备的明显影响。

但柔软性也不是越软越好，要据产品应用的要求而定。

退火工艺对导线柔软性的影响是很大的，但仅用伸长率、回弹角等国标中所规定的指标来表征柔软性，来衡量电磁线质量的好坏，已不能满足生产厂和用户的实际需要。

然而，很遗憾的是，至今，我国和国外都还无电磁线用专用的铜杆和铜线标准可循，因而也无一套统一、完整的技术指标及其试验方法，要靠我们自己去研究、总结和创造。

为判别和表征铜线可退火性，可采用下列专用试验。

现在，美国标准(ASTM)、国际标准化组织标准(ISO)、欧洲标准(EN)和“Olen refinery”标准中
都已纳入了有关柔软性的试验方法，以下分别给以介绍：
表1 1～3级低氧铜杆的质量指标(供参考用)项目名称1级2级3级含氧量
/ppm200～350 351～400 401～600 8．0mm杆直径允许公差/mm±0．4 RTF扭转试验(反向到断)≥20 17～19 10～16 RT扭转试验缺陷标准(反向扭)0缺
陷 1个缺陷 2个缺陷表面氧化物厚度/Å≤400 401～800 801～1000 表面缺陷检测器计数特大00≤1大0≤3≥3中2≤10≥10小2000≤10000>10000磁性缺陷检测器计数大0≤1>1小≤2≤10>10允许的工艺过程不一致性可清除的黑垢无无有
磷⁃铜硬粒无无无小的铸条开裂无无有大的铸条开裂无无无浇口原因无无无氧化物落入无无有轮刷原因无无有
注：1级杆——用于电磁线、微细和超微细以及冷镦粗等；2级杆——用于中等直径的线和细线等；3级杆——用于大直径的线和建筑用线等；4级杆——废杆回熔废料。

低氧铜杆的含氧量，全世界尚无统一的标准规定，一般1级、2级和3级杆的含氧量分别为200～350 ppm、351～400 ppm和401～600 ppm。

(1) ASTM B49-98电工用拉制铜杆标准对铜杆可退火性的规定：
① 用硬度法表示的可退火性。

用硬度试验表示的退火性能——合适长度的杆样取自每圈(捆)杆的端部。

所取的试样应冷轧成扁平的形状，使其厚度等于原始杆径的30%。

要求无棱边轧制。

轧扁的铜应在恒温槽中在275±1℃下加热15 min,然后立即在环境温度下的水中淬火。

其他的温度和时间亦可使用，但需经供、需双方特别同意。

按试验方法E18，硬度应沿着退火试件的中心线用洛氏(Rockwell)硬度计的F刻度测定；
② 用螺旋伸长(数)法表示的可退火性。

用螺旋伸长数(SEN)试验表示的退火性能——标准规定的螺旋伸长试验仅用于试验在铜杆阶段取样的高导电率的铜，不涉及以后工业加工阶段选择的铜线质量。

首先铜线在严格控制的条件下给予低温退火，接着在拉力负荷下绕成一个螺旋管(螺旋形管)，然后用规定的质量把它轴向伸长。

在重量除去和螺旋管已经松弛后测量出的长度变化被视为柔软度的量度。

(2) 国际标准化组织(ISO)技术报告TR 4745高导电率铜的螺旋伸长(SEN)试验，国际标准化组织(ISO)亦推荐了“高导电率铜的螺旋伸长试验法”。

(3) “沃伦”螺旋伸长(Olen SP850)试验法。

为了研究杂质对铜可退火性的影响，“Olen refinery”在1995年首先研究使用了螺旋伸长试验法(Spiral Elongation test method)。

后来，其他公司也独立地开始了类似的研究工作，并也形成了不同的方法。

欧洲标准化委员会(CEN)和他的技术委员会133(TC133)，亦已制订了
一个新的欧洲标准——螺旋伸长试验法(欧洲标准EN 133/02铜和铜合金拉制杆
标准“Copper and Copper Alloys Drawing stock”中已纳入了螺旋伸长试验)。

这个方法现在称为SEN(螺旋伸长数)——ISO法，这个试验方法的步骤与“沃
伦”Olen SP850法是不同的。

SP850沃伦法具有长久的经验，所以“Olen refinery”法仍用作内部的标准，据40多年来所获得的数据，可使人信服地说沃
伦法比SEN-ISO法更可靠，并在某种意义上对比较小的杂质变化更为灵敏，所以在杂质对热轧铜杆再结晶行为影响中仍使用SP850法作为测量的手段，以预示热
轧杆的可退火性。

虽然SP850法测得的数值与SEN-ISO法测得的数值无对应的相关关系，但大致
也可作一比较，例如“Contirod”法铜杆的SP850值(此处SP指螺旋伸长试验，850℃指退火温度)一般大于300 mm，这个数大致对应于SEN-ISO(700℃退火)
值大于400 mm。

(4) ASTM B279-04制造电磁线用裸的、软的方形和矩形铜线和铝线柔软性试验方法标准。

该方法称为低应力伸长试验法(LSE test)。

根据试件受到低的拉应力后所
产生的永久伸长来测定裸的、软的方形和矩形铜线和铝线的柔软性。

由于施加的单位应力和施加应力的时间对线所有的规格都是不变的，所以这个试验能够在相同或不相同的线的规格之间所得到的柔软度进行比较。

低应力伸长试验在符合要求的拉力试验机上进行。

为了测定伸长，试件标距长度采用254 mm。

长度测量精度达到0．25 mm，可用精度达到0．1%的任一仪器测量。

对试件施加的应力，铜和铝分别为103 MPa和55 MPa，由此可算出在试件上所需施加的拉力：
式中，P为需要施加的拉力(N)；W为试件的质量(g);L为试件的长度(mm)；K为
一个系数，当长度单位mm，需要施加的拉力单位N时，铜试件K=11612.7;铝
试件K=20401.9。

在拉力试验时，如果试件的断口发生在标距线上，则该试件作废。

对试件施加拉力应慢慢、均匀地施加，并保持拉力30 s,然后除去拉力。

在拉力除去以后，测量在
两根标距线之间的永久伸长，其精度达到0．25 mm，可用分规或尺或其他合适
的方法进行测量。

低应力伸长(LSE)应被记录，它是标距长度的增量，并用百分数
表示。

这个方法已使用许多年了，有关本方法的精度和误差，目前没有精度的规定，今后也不打算去作出精度的规定；另外这个方法也没有误差，因为对这线的伸长柔软度的数值，仅对这种试验方法被测定的结果而言。

该试验方法，实际上已不仅应用于型线，而且亦已延伸应用于圆铜线和圆铝线，只不过对退火圆铝线进行低应力伸长试验(LSE)时，对试件施加的应力为55．2 MPa。

2．3 增加铜杆、铜线出厂、进厂和生产过程中的检验项目，及时发现问题及时处理，以保证杆、在制(半成品)线的质量和稳定生产
除常规检验项目外，可根据需要，增加以下必要的试验项目：
(1) 扭转试验——10次左向和10次右向扭转，可获得铜杆表面质量的信息，表面质量与浇铸和连轧的控制直接相关，从而可获得连铸连轧参数的信息。

(2) 扭转到断裂的试验——由一个方向一直扭到破坏、反向扭到破坏和其他方式的扭转试验被制杆厂或用户广泛应用。

由于与性能没有确定的关系以及解释的主观性，这些试验仅被用作内部控制工艺指标的方法而已，所以在ASTM B49电工用拉制
铜杆标准中未作标准化的试验给予推荐。

这个试验可以证实金属的韧性。

(3) 表面残留氧化物试验——这个试验其目的是要控制铜杆清洗操作的效率。

用还原法测量表面氧化物的厚度，在ASTM B49中有明确的规定。

(4) 铜杆成品表面的监控——采用在线连续涡流探伤，监控表面缺陷，用磁性探伤仪监控铁夹杂。

这些试验有助于直接了解在当前生产状况下杆的质量。

(5) 含氧量控制——在铜液中可用氧电池(Concelox®)连续测量出来。

在每捆成品杆上取样，可用Leco测氧仪测定。

(6) 化学分析——在每8捆杆上用发射光谱仪执行一次全分析，对A级铜(总杂质
含量不大于65 ppm，4 N铜)至少分析11个元素，其典型值如表2所示。

表2 A级铜控制质量典型的分析结果(单位：ppm)元素AsSbSnNiFePbBiAgSSeTe含量<2<1<1<2<3<3<0．2<10<4<0．3<0．1 (7) 杆的显微镜控制——每天一次，取一个样，制备横截面，用显微镜检验，在放大500倍下，对裂纹的数量和深度以及在杆中皮下的Cu2O夹杂进行观察、计数
和测量。

在同一横截面上，可测定晶粒的尺寸(放大150倍)，用标准晶粒尺寸图相对照，并进行全面评估大致的杆表面的光滑度。

(8) 氢脆试验——仅对无氧铜杆而言，在ASTM B49和ISO 2626(铜—氢脆试验)
标准中均有明确规定。

(9) 无氧铜氧化膜粘附性试验——在ISO 4746标准中有明确规定。

本试验适用于评定用于电子器件、玻璃与金属封接以及其它依靠形成氧化铜粘附膜等用途用的无氧铜。

(10) 平均晶粒度测定——ISO 2624平均晶粒度测定法。

本方法适用于测定由单一相组成的铜和铜合金材料，以了解退火再结晶的程度(不完全再结晶、完全再结晶，甚至过结晶)，藉此，结合其他性能的测定，以达控制和改善退火工艺的目的。

(11) 硝酸亚汞试验——主要适用于铜合金的挤制品和拉制品。

由于多数铜合金对
应力破裂都有不同程度的敏感性，因此，各国都很重视铜加工产品在出厂前的消除内应力。

ISO 196加工铜和铜合金——残余应力测定—硝酸亚汞试验标准中有明
确规定。

3 结论
(1) 提高铜线性能，其基础是要提高铜杆的可轧性、可拉性和可退火性。