從20世紀(jì)初開始，我國電線電纜行業(yè)迅速發(fā)展，銅線桿的需求急劇增長。而銅線桿質(zhì)量的保證成了最為關(guān)鍵的因素，以下從銅線桿中雜質(zhì)、氧成分、表面質(zhì)量、稀土作用等方面進(jìn)行銅線桿質(zhì)量的影響因素討論，從而找出可以改進(jìn)的方法提高銅線桿質(zhì)量。
一、雜質(zhì)元素的影響
雜質(zhì)元素對銅線桿的影響很大，純銅中的雜質(zhì)元素大致可分為：固溶于銅的雜質(zhì)元素、很少固溶于銅與銅形成低熔點(diǎn)共晶的雜質(zhì)元素和幾乎不溶干銅與銅形成離熔點(diǎn)脆性化合物的雜質(zhì)元素三類。
固溶于銅的雜質(zhì)元素。此類雜質(zhì)元素在允許的含量范圍內(nèi)，能溶于銅中形成固溶體。主要有：鋁、鐵、鎳、錫、鋅、銀、鎘、磷等，以磷為例，該雜質(zhì)元素在銅中的溶解度隨溫度的下降而降低，它對銅的機(jī)械性能特別是對銅的焊接性能有良好的影響，作為脫氧劑提高銅液的流動性，會降低銅的導(dǎo)電導(dǎo)熱性，過量的磷會造成冷脆。總體而言這類雜質(zhì)元素對金屬加工性能無太大影響，能略微提高銅的硬度，但導(dǎo)電、導(dǎo)熱性有所降低。
很少固溶于銅與銅形成低熔點(diǎn)共晶的雜質(zhì)元素。此類雜質(zhì)元素與銅形成低熔點(diǎn)共晶或者與銅形成脆性化合物分布于晶界。主要有：鉍、鉛、硒、碲、銻，它們在冷凝時分布于晶界，使銅在熱加工時產(chǎn)生嚴(yán)重的破裂，是銅線桿產(chǎn)生質(zhì)量問題的主要原因。以鉛、鉍、硒、碲為例：
鉛：在銅中的溶解度很小，在800℃時溶解0.04%，在300℃時溶解0.02%。鉛呈黑色顆粒狀分布在晶界上，熱加工時鉛先熔化，使金屬顆粒之間的結(jié)合力受到破壞，造成“熱脆”，從而在軋制和以后的拉伸過程中易產(chǎn)生裂紋和斷裂。所以鉛的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在(50～500 )× 10-6。
硒：在銅中基本不溶，冷凝時與銅形成脆性化合物Cu2Se，且分布在晶界上，熱軋過程中易使銅桿產(chǎn)生表面裂紋，深拉伸過程中易產(chǎn)生斷裂。
碲：在銅中基本不溶，冷凝時與銅形成脆性化合物Cu2Te，且分布在晶界上，熱軋過程中易使銅桿產(chǎn)生表面裂紋，深拉伸過程中易產(chǎn)生斷裂。
鉍、：在銅中溶解度很小，在800℃時溶解0.01 %，在300℃時僅融解0.000 1 %。在270℃時與銅生成低溫共晶，呈連續(xù)網(wǎng)狀分布在晶界上。當(dāng)熱加工溫度大于其共晶熔點(diǎn)時，共晶膜熔化，使銅的晶粒與晶粒的結(jié)合力降低，從而發(fā)生晶間破裂，引起“熱脆”。除了“熱脆”之外，由于鉍本身性脆，還會形成“冷脆”。從而在軋制和以后的拉伸過程中易產(chǎn)生裂紋和斷裂。
幾乎不溶干銅與銅形成離熔點(diǎn)脆性化合物的雜質(zhì)元素。此類雜質(zhì)元素對銅線桿生產(chǎn)過程有很大影響。從氧、硫、氫三種元素進(jìn)行討論。
氧：很少固溶于銅。氧含量對銅材的加工性能有很大的影響，與銅生成Cu2O，Cu2O硬而脆，使冷變形困難，致使金屬發(fā)生“冷脆”。氧含量過高時，會因氫與氧反映產(chǎn)生不溶于銅的水蒸氣，水蒸氣又無法擴(kuò)散，在銅中形成很高的壓力，使銅遭到破壞。氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到5×10-5的銅，即出現(xiàn)“氫病”。所以純銅的氧含量受到嚴(yán)格的限制。氧在與大部分雜質(zhì)反應(yīng)的過程中都起到了一個清除器的作用，而這些雜質(zhì)當(dāng)它們?nèi)芙庠阢~基質(zhì)中時對其特性和退火反應(yīng)都有巨大的影響作用。相反，當(dāng)這些雜質(zhì)與不可溶解的氧化物混合在一起的時候，這些壞作用就被抵消了。由此可見當(dāng)銅中含氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于100×10-6時，氧含量過少，氫和某些不溶于銅的雜質(zhì)會增多；當(dāng)銅中氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)含量超過600×10-6時，過量的氧與銅形成過量的Cu2O，并在銅基體中形成不均勻分布，將導(dǎo)致裂紋的擴(kuò)展，在銅材的深加工時易引起加工硬化和產(chǎn)生局部裂紋。綜上可知，氧含量應(yīng)控制在一個適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。
硫：與銅形成共晶，由于共晶溫度較高，對銅熱變形不明顯，由于Cu2S硬而脆，致使金屬發(fā)生“冷脆”，嚴(yán)重時，會使線桿發(fā)生裂紋乃至斷裂。
氫：氫能溶于液態(tài)銅，且其溶解度隨溫度的升高而升高。若吸氫較多，過飽和氫會大量析出，在鑄坯上出現(xiàn)微小氣泡和微裂紋。另外一方面如上文所述形成水蒸氣，產(chǎn)生極大內(nèi)應(yīng)力，引起所謂“氫脆”現(xiàn)象，嚴(yán)重影響銅的塑性加工性能。
二、銅線桿的表面影響
在外界溫度下，銅線桿總是有一個殘留的氧化膜，而這一氧化膜是當(dāng)銅線進(jìn)入熱桿軋制階段時從高溫的、連續(xù)鑄造的銅桿上形成的?，F(xiàn)在在銅液中通過一種電量分析控制檢測手段來測量殘留的表面氧化膜的厚度已成為一種比較標(biāo)準(zhǔn)的作法。氧化膜可能會相當(dāng)?shù)赜泻Γ驗(yàn)樗鼈兛赡軙诶z過程中引發(fā)許多缺陷、使拉絲膜過度磨損、可焊性變差、搪瓷膜和裸導(dǎo)體之間的附著力變?nèi)?。銅桿的缺陷之處往往是源于連續(xù)鑄造過程和軋制過程，這包括：殘渣、銅氧化夾雜物、熱裂、裂塊、銅桿表面氧化顆粒的形成。在這一系列的銅桿缺陷中：
熱裂，是在結(jié)晶過程中產(chǎn)生，多沿晶界裂開，裂紋曲折而不規(guī)則，有時還有分枝裂紋，裂紋多分布在鑄錠最后凝固的區(qū)域或靠近這些區(qū)域。影響熱裂紋的因素有：金屬及合金本身的性質(zhì)，如熱脆性、收縮率的大小、在固液區(qū)內(nèi)的抗拉強(qiáng)度及延伸率和雜質(zhì)含量與分布情況；鑄造工藝及設(shè)備、工具情況和冷卻強(qiáng)度大小。
夾渣和夾雜，此缺陷破壞銅基體的連續(xù)性，降低銅的塑性。它產(chǎn)生的原因有內(nèi)因，是銅中含有易氧化生渣的元素；還有外因，是生產(chǎn)中扒渣不凈，潤滑油或涂料過多，鑄造溫度低，爐料混雜等因素都可能造成夾渣和夾雜。
大部分金屬間化合的夾雜物都比較脆，因而都成為拉絲過程中裂紋發(fā)生和蔓延的場所。相對于缺陷而言，較細(xì)的磁線和成形線是最主要的生產(chǎn)產(chǎn)品。惟一最大的表面缺陷源于拉絲，往往是以拉模劃痕、機(jī)械損傷、弧口鑿或裂片的形式出現(xiàn)在裸導(dǎo)體的表面。因?yàn)槔z問題而形成的裂片往往與所捕獲的氧化物沒有太大關(guān)系。表面損傷通常是由于拉絲機(jī)內(nèi)移動線未對準(zhǔn)或拉絲膜爐口內(nèi)銅精煉的壓制力太大則形成的。
三、部分稀土元素的影響
在熔融銅中加人微量稀土生產(chǎn)光亮銅線桿的工業(yè)試驗(yàn)進(jìn)行了幾年的探索和研究，發(fā)現(xiàn)銅桿的各項(xiàng)性能指標(biāo)得到很大的改善，稀土的作用明顯，理論方面具體表現(xiàn)在：
1. 在銅中的凈化作用
脫氧和脫硫：從上文討論可知，硫和過量的氧是光亮銅線桿的有害物質(zhì)。硫與銅生成Cu2S降低銅的塑性，氧與銅生成Cu2O，降低了韌性，使熱加工困難。稀土元素與氧、硫的結(jié)合能力很強(qiáng)，因此可代替銅，生成稀土氧化物和稀土硫化物，部分形成渣出去，部分將原來氧化物、硫化物的晶界網(wǎng)狀分布轉(zhuǎn)變成在熔體中彌散分布。
以脫硫?yàn)槔e例討論：
稀土能把銅中少量硫除去:Cu2S + Ce = 2Cu +CeS
其標(biāo)準(zhǔn)生成自由焓 ΔGTo與溫度T的關(guān)系式為：
ΔGTo= ﹣192.360﹢9.271ogT一11.8T
在1400K下，ΔG14000= ﹣707.108J/mol
由此可見，在熔銅中，稀土元素脫硫反映的熱力學(xué)勢很大，有一定的能力除去硫雜質(zhì)。
脫鉛、秘等有害雜質(zhì)：稀土的化學(xué)活性強(qiáng)，能與銅中的鉛、秘等有害雜質(zhì)發(fā)生作用，形成難熔的二元或多元化合物，與熔渣一起從液體銅中析出，從而達(dá)到凈化銅液的作用。
2. 在銅中的變質(zhì)及微合金化作用
稀土在銅中的最主要變質(zhì)作用是消除柱狀晶區(qū)，急劇細(xì)化晶粒。稀土在銅中的固溶度極小，加人微量稀土大部分同其它元素化合生成高熔點(diǎn)化合物，這些化合物在熔體中懸浮和彌散分布，從而提高銅及其合金的塑性和強(qiáng)度，減少表面裂紋和缺陷。
為研究稀土元素對銅線桿的作用，已進(jìn)行了大量試驗(yàn)。其中結(jié)果較為明顯的是加入富鈰混合稀土 ( 組分為：鈰：47%，鐳：26%，釹：15% ) 的試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果看出：
（1）稀土的加人使銅鑄坯的組織改善，從鑄坯的端面可看出，晶粒得到細(xì)化，柱狀晶區(qū)域縮小，等軸晶擴(kuò)大。
表1 晶粒直徑的比較
試樣編號 稀土加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)（×10-6） 晶粒直徑/（mm）
樣1 0 0.153
樣2 50 0.062
樣3 60 0.084
從表1可知，稀土的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在52.2×10-6時，明顯細(xì)化了晶粒，但稀土含量超過一定范圍，則晶粒有變大趨勢，因此應(yīng)在一定范圍內(nèi)加人稀土。
（2）富鈰稀土的加人對銅桿機(jī)械性能影響。按試驗(yàn)對銅桿試樣進(jìn)行了拉伸、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)，延伸率和扭轉(zhuǎn)性能有所提高。這說明稀土加入后有效地改變了銅桿的塑性，提高了銅的塑性變形能力。
表2 拉伸率和扭轉(zhuǎn)性能比較
試樣編號 稀土加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)（×10-6） 伸長率 單向扭轉(zhuǎn)
試樣１ ０ ４０ ４５
試樣２ ２００ ４１ ６１
試樣３ ４００ ４０.5 ５２
從表2可知，稀土元素的適當(dāng)加人，延伸率略有提高，其扭轉(zhuǎn)性能提高尤其明顯。
（3）富鈰稀土的加人對銅線桿導(dǎo)電率的影響。
表3 導(dǎo)電率比較
試樣編號 稀土加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)（×10-6） 導(dǎo)電率（Ω／mm2 • m- ）
試樣１ 0 0.0170 0
試樣2 40 0.0169 8
試樣3 70 0.0169 8
從表3可知銅桿試樣的導(dǎo)電率經(jīng)測試都在0.001 7Ω／mm2 • m-以下，其數(shù)值低于銅線桿一級桿導(dǎo)電率標(biāo)準(zhǔn)。
（4）加入富鈰稀土對銅液確實(shí)起到凈化的作用，選取具有代表性的氧、硫、鉛、鉍作成分比較 。
表4 加入富鈰稀土度比較（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）×10-6
稀土加入量 氧 硫 鉛 鉍
0 347.0 13.0 2.9 8.0
40 237.4 11.0 2.8 7.0
從表4可看出，稀土元素的加人對氧、硫的脫除能力較強(qiáng)，其他金屬雜質(zhì)隨稀土加人也能部分除去，但爐內(nèi)含金屬氧化物較多時，由于稀土的親和力比其他金屬強(qiáng)，稀土將會使其他金屬脫氧，還原進(jìn)入銅熔體中，使銅桿雜質(zhì)升高，性能變壞，因此必須嚴(yán)格控制金屬氧化浮渣。
從現(xiàn)今看，稀土運(yùn)用于銅線桿還未成為產(chǎn)業(yè)化的過程，還需作進(jìn)一步的摸索和探索性試驗(yàn)，但其作為銅晶粒細(xì)化劑已被開發(fā)投人市場，前景看好。
以上信息僅供參考
