銅以其良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱能力成為電子和電力工業(yè)領(lǐng)域里的首選和主要材料。為了達(dá)到所要求的性能標(biāo)準(zhǔn)，使用的幾乎都是高純度的銅。這篇文章主要討論了這樣做的原因，同時(shí)還特別關(guān)注了一些根本的冶煉原則。其目的是要針對(duì)過(guò)去十年銅線領(lǐng)域里的相關(guān)發(fā)展展開(kāi)進(jìn)一步的討論。
導(dǎo)體要求：
近年來(lái)在解釋貴重金屬（即銅、銀和金）的電子屬性上已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)步。這些元素顯示出了很高的導(dǎo)電性能，因?yàn)樗鼈兊膶?dǎo)電電子對(duì)于電場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)幾乎沒(méi)有什么抵抗力。銅尤其是一種優(yōu)良的導(dǎo)體，因?yàn)樽钔鈬碾娮又g有很大的自由空間，以致于不會(huì)發(fā)生任何碰撞。而它的電阻率則與這寬大的空間成反比。
有幾種導(dǎo)電金屬都比銅輕，但是輸送同樣多的電流，它們所要求的橫截面更大，所以如果要求節(jié)約空間的話，這些金屬是不可取的。（例如：在一些小型電力馬達(dá)）。所以當(dāng)超重成為問(wèn)題時(shí)，人們就開(kāi)始使用鋁。銅具有商業(yè)應(yīng)用所需要的最好的性能特征，因此銀就因?yàn)樗嘿F的價(jià)格而不被采用。
應(yīng)用：
銅是以其純凈形式而不是合金形式而具有最廣泛用途的稀有金屬之一。大約有五十多種不同的鍛壓合金中銅的最小含量是 99.3%，雖然只有一小部分在工業(yè)上用作電導(dǎo)體。這些低合金中最常用的是電解韌銅，它由這純度的金屬構(gòu)成，這種金屬可與氧在100-650ppm的范圍內(nèi)結(jié)成合金。但是在氫氣環(huán)境中人們建議不要使用ETP銅，因?yàn)楫?dāng)它暴露于這些溫度時(shí)會(huì)受到氫脆裂的影響。在這樣的環(huán)境下，要么使用無(wú)氧銅，要么就使用無(wú)氧電子銅。 含銀銅中電源電壓器中的應(yīng)用相當(dāng)有限，因?yàn)樗跍囟忍岣邥r(shí)具有較高的強(qiáng)度和較弱的抵抗力。
銅棒和銅線的生產(chǎn)：
二十世紀(jì)七十年代以前，幾乎所有的銅都是通過(guò)分批法生產(chǎn)的，分批法的具體步驟是：將熔化銅澆注并凝固成為叫做“線錠”的特種鑄塊，然后在稍微受到限制的保護(hù)氛圍將棒再加熱，而后在通過(guò)熱壓法在空氣中將這一鑄造的樹(shù)形結(jié)構(gòu)分解成棒的形式。接下來(lái)，就將其投放在10%的硫酸里來(lái)清除上面的氧化物，通過(guò)將一端對(duì)接在另一端而形成較長(zhǎng)的線圈。現(xiàn)在，實(shí)際上所有的銅棒都是通過(guò)連續(xù)鑄造和軋制程序制成的。連續(xù)鑄造的好處是：較小的雜質(zhì)微分離、減少了表面的銅氧化物顆粒、在與軋輥接觸的過(guò)程中鋼含量減少、幾乎避免了所有的焊縫、降低了整個(gè)加工成本。
刻意地將氧和銅制成合金，作為溶解氫和硫磺的凈化劑，從而在熔化中形成H2O和SO2這兩種氣體。如果氧成分有一定控制的話，那么就會(huì)形成小型汽泡，在合適的條件下，這些汽泡會(huì)抵消從液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變過(guò)程中約4%的收縮量。如果所形成的毛孔不十分大的話，它們完全可以在熱壓期間被消除掉。
大部分連續(xù)鑄造和軋制的產(chǎn)品都裝有非破壞性設(shè)備，而這些設(shè)備往往都進(jìn)行在線應(yīng)用來(lái)檢測(cè)表面諸如裂縫和氧化物等缺陷。對(duì)于某種高質(zhì)量的應(yīng)用，通常要通過(guò)機(jī)械修整來(lái)將表面好多層金屬清除掉。
大部分圓形和方形銅產(chǎn)品都是通過(guò)用傳統(tǒng)的人工多晶拉模或天然單晶拉模進(jìn)行拉絲而生產(chǎn)的。銅具有良好的成形性，銅棒可以很容易地制成比較細(xì)的銅絲，而不需要任何中間的退火過(guò)程。盡管它具有這種比較理想的特性，但是磁線工業(yè)中的一般做法是在拉絲過(guò)程中將減面率降到90%左右，之后還要進(jìn)行退火。除了減面率以外，金相結(jié)構(gòu)也可能會(huì)發(fā)生變化，從而削弱了銅線的機(jī)械特性。磁線經(jīng)常是通過(guò)所謂的“在線過(guò)程”來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)的，這一過(guò)程包括：“慢速”拉絲，接著進(jìn)行連續(xù)退火，同時(shí)還要上涂料。最終的銅線產(chǎn)品是通過(guò)將退火之間的減面率降低到90%而得到改善的。
雜質(zhì)的作用：
在高導(dǎo)電率形成過(guò)程中化學(xué)性質(zhì)是最重要的變量之一。這些成分中最有害的東西能夠降低導(dǎo)電率、提高退火線的機(jī)械強(qiáng)度、避免再結(jié)晶、有時(shí)在生產(chǎn)銅棒的熱壓過(guò)程中還會(huì)導(dǎo)致熱脆。無(wú)數(shù)的研究調(diào)查表明：極少數(shù)量的溶解物都會(huì)一次性地提高銅的電阻率。許多雜質(zhì)都會(huì)階段性地提高其半硬再結(jié)晶溫度。然而，當(dāng)雜質(zhì)與沉淀物或氧化物而不是溶解物混合在一起時(shí)，對(duì)導(dǎo)電率的有害影響就會(huì)降到最低。表2表明了各種各樣的單一元素添加到只含有200ppm氧的高純度ETP銅所產(chǎn)生的影響。一般來(lái)說(shuō)，每百萬(wàn)分之一雜質(zhì)中的前半部分與相同劑量的后半部分相比影響力更大。然而，需要注意的是，自從建立于1913年的銅電力標(biāo)準(zhǔn)由 100%IACS導(dǎo)電率表示以來(lái)，商業(yè)銅的純度就得到了極大地改善。如今，大部分商業(yè)銅負(fù)極的導(dǎo)電率都超過(guò)101%IACS。
氧成分的影響：
氧是為了改善鑄造銅的堅(jiān)固性通過(guò)對(duì)燃汽——金屬反應(yīng)的控制而采用的一種合金成分。同樣重要的是，氧在與大部分雜質(zhì)反應(yīng)的過(guò)程中都起到了一個(gè)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(shí)對(duì)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(shí)候，這些壞作用就被抵消了。從表3可以看出，ETP銅導(dǎo)電率的最大值是200ppm。因而，ETP銅中氧的含量大致在175和450ppm之間。由于分散雜質(zhì)容易引起熱裂，所以通常都盡量避免低氧值。相反，超于這一最佳限制的氧氣值并不常見(jiàn)，因?yàn)檫@對(duì)可成形性具有附作用。實(shí)際的氧含量應(yīng)是既要有較好退火過(guò)程，還要避免可能出現(xiàn)的可塑性問(wèn)題。
熱機(jī)械可調(diào)變量的重要性：
除了由金屬雜質(zhì)形成的氧化物之外，氧化物還可以通過(guò)改變熱力史從銅基質(zhì)中溶解或沉淀出氧化物。這些固體反應(yīng)可能會(huì)影響最終的粒子大小，因?yàn)殂~氧化物成分在再結(jié)晶的過(guò)程中能幫助形成大小統(tǒng)一的粒子。然而，二次再結(jié)晶（不正常的粒子成長(zhǎng)）通常都與一個(gè)雙重的顆粒結(jié)構(gòu)有關(guān)，而這一顆粒結(jié)構(gòu)是在高溫退火過(guò)程中由氧化物的溶解形成的。粒子粗化和孿晶的出現(xiàn)主要是由于溶液溫度超過(guò)了500攝氏度，且氧的濃度低于600ppm.拉絲之前形成 的粗粒子在接下來(lái)的低溫退火之后并沒(méi)有被消除掉。從高溫冷卻下來(lái)的冷卻速率也會(huì)影響到高溫機(jī)械性能，尤其是雜質(zhì)成分相當(dāng)?shù)卮髸r(shí)?？焖俅慊饡?huì)導(dǎo)致固態(tài)溶液中高濃度、不均勻的雜質(zhì)成分。從另一方面講，慢速冷卻會(huì)增強(qiáng)雜質(zhì)和氧之間的相互作用，這又有利于雜質(zhì)從固態(tài)溶液中沉淀下來(lái)。在退火期間通過(guò)拉絲或軋制所作的冷加工對(duì)于商業(yè)磁線來(lái)說(shuō)是有限制的。在最終冷卻之前為了得到比較好的順應(yīng)性（即銅線在成形或彎曲過(guò)程中以最小的回彈性保持形狀的能力），最好要限制一下冷加工的數(shù)量。高模數(shù)和低屈服強(qiáng)度都是比較理想的性能，因?yàn)樗鼈兌际亲钚』貜椥缘臉?biāo)志。
退火過(guò)程：
銅的退火性是個(gè)非常復(fù)雜的特性，這一特性是由一系列的其他屬性組成，而這些屬性又會(huì)隨著變形、熱過(guò)程、金屬純度和氧成分的多少而發(fā)生變化。當(dāng)雜質(zhì)沉淀下來(lái)以后，它們對(duì)退火過(guò)程的影響是比較小的，這與固態(tài)溶液中的情形是截然不同的。退火溫度與溶劑（這里指的是銅）和溶質(zhì)（這里指的是雜質(zhì)）之間原子大小的區(qū)別有一定的關(guān)系。溶質(zhì)元素的化合價(jià)也是影響退火性的一個(gè)重要參數(shù)。然而，由于多種物質(zhì)之間熱動(dòng)力的相互作用所形成的復(fù)雜狀況，退火性并不只是簡(jiǎn)單地與一些可能的參數(shù)，如：原子量或溶質(zhì)的化合價(jià)有關(guān)。
表面影響：
在外界溫度下，銅線總是有一個(gè)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(shí)從高溫的、連續(xù)鑄造的銅桿上形成的?，F(xiàn)在在銅業(yè)中通過(guò)一種電量分析控制檢測(cè)手段來(lái)測(cè)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(huì)相當(dāng)?shù)赜泻Γ驗(yàn)樗鼈兛赡軙?huì)在拉絲過(guò)程中引發(fā)許多缺陷、使拉絲膜過(guò)度磨損、可焊性變差、搪瓷膜和裸導(dǎo)體之間的附著力變?nèi)酢?
銅桿的缺陷之處往往是源于連續(xù)鑄造過(guò)程和軋制過(guò)程，這包括：殘?jiān)~氧化夾雜物、熱裂、裂塊、銅桿表面氧化顆粒的形成。大部分金屬間化合的夾雜物都比較脆，因而都成為拉絲過(guò)程中裂紋發(fā)生和蔓延的場(chǎng)所。相對(duì)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。
唯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(wèn)題而形成的裂片往往與所捕獲的氧化物沒(méi)有太大關(guān)系。表面損傷通常是由于拉絲機(jī)內(nèi)移動(dòng)線未對(duì)準(zhǔn)或拉絲膜爐口內(nèi)銅精煉的壓制力太大則形成的。
未來(lái)的挑戰(zhàn)：
人們對(duì)于更好表面質(zhì)量、更大包裝型號(hào)的需求在不斷地上升，而且越來(lái)越期望生產(chǎn)出一種“無(wú)疵點(diǎn)”并少斷折的銅桿（即有很好的可拉性）。滿足這些需求的推動(dòng)力將會(huì)是： 更好的能源效率、愈加激烈的全球競(jìng)爭(zhēng)、更多的家居應(yīng)用、在地價(jià)上漲的情況下所使用的小型電動(dòng)機(jī)，比如汽車中使用的馬達(dá)。因而人們會(huì)越來(lái)越愿意使用比較小的計(jì)量尺寸。
隨著電解冶金法的出現(xiàn)和電解精煉所取得的不斷進(jìn)步，目前商業(yè)銅負(fù)極的純度似乎已經(jīng)達(dá)到了大家都可以接受的水平，而且已經(jīng)沒(méi)有必要進(jìn)一步限制雜質(zhì)的數(shù)量。然而，在易切削黃銅工業(yè)中，鉍已經(jīng)被用來(lái)代替鉛作為一種合金元素。因?yàn)殂G對(duì)于電力銅導(dǎo)體具有很大的毒性作用，因此人們要求黃銅碎片應(yīng)與銅碎片完全地分割開(kāi)來(lái)。
銅線工業(yè)面臨的一個(gè)問(wèn)題是在拉絲過(guò)程中，由于研磨或分層而造成了許多表面的疵點(diǎn)。為了解決這一問(wèn)題，關(guān)健是要在以下幾個(gè)方面有所改進(jìn)：銅桿的表面質(zhì)地、拉絲潤(rùn)滑劑、固體顆粒的過(guò)濾、單一合成晶體鉆石拉絲膜的生產(chǎn)。
一個(gè)十分重要的未來(lái)挑戰(zhàn)就是開(kāi)發(fā)出更多敏感的傳感器，通過(guò)用一種非接觸檢測(cè)手段來(lái)檢測(cè)銅棒、銅桿和銅線上的非破性疵點(diǎn)。這些疵點(diǎn)中的大部分由于太小而用現(xiàn)在的漩渦流檢測(cè)設(shè)備是根本檢測(cè)不到的。此外，還需要開(kāi)發(fā)一種在線檢測(cè)設(shè)備來(lái)輕易地檢測(cè)大孔隙和其他的內(nèi)部疵點(diǎn)。
影響線狀電力銅導(dǎo)體性能、加工和運(yùn)行的因素從很大程度上講是建立在現(xiàn)存的冶煉原則基礎(chǔ)之上的。然而，雜質(zhì)和退火溫度及電阻率之間的關(guān)系還需要在數(shù)量上進(jìn)一步改進(jìn)一下。
總結(jié)：
常用作電線導(dǎo)體的是純銅，而不是銅合金。與此同時(shí)，通常還要加少量的氧氣來(lái)控制雜質(zhì)，并改進(jìn)導(dǎo)電性。最終特性和加工過(guò)程與雜質(zhì)和氧成分都有著非常密切的關(guān)系，并且用一些基本的冶煉原理是完全可以解釋的。
ASTM B 370規(guī)格， 即工程建筑所使銅條和銅塊，以其多種型號(hào)和多種厚度，成為規(guī)格和購(gòu)買(mǎi)的基礎(chǔ)。銅金屬的競(jìng)爭(zhēng)性數(shù)量以及對(duì)銅的信心不斷推動(dòng)了這個(gè)健康市場(chǎng)的發(fā)展。最近認(rèn)可的規(guī)格是ASTM B882，是一種在建筑中應(yīng)用的預(yù)先生銹銅。長(zhǎng)期以來(lái)，建筑師和工程師們都期望生產(chǎn)使用這種產(chǎn)品，因?yàn)樗麄兗鼻械叵胗勉~制屋頂和建筑橫木來(lái)發(fā)展這種值得稱贊的綠色。
低鉛和無(wú)鉛鍛造和鑄造銅合金：
濾瀝到水里的鉛對(duì)人體健康的影響引起了人們對(duì)于現(xiàn)有銅合金及開(kāi)發(fā)一種飲用水用的新合金的重新思考。鑄件的耐壓緊密度以及由鉛附屬物提供的鍛造和鑄造部件的上等機(jī)械加工性都是必須要達(dá)到的要求。含合金的鍛造和鑄造無(wú)鉛鉍必須具有以下特性： 符合ANSI/NSF 61的健康要求以及飲水系統(tǒng)成分健康要求?，F(xiàn)在人們已經(jīng)開(kāi)始用一種酸化鈉醋酸洗滌劑來(lái)清除機(jī)器上的鉛污漬。但是這一行業(yè)的某些部門(mén)提出了對(duì)混合碎屑的顧慮，因?yàn)樗麄冋J(rèn)為在這些混合碎屑中，鉍的微量會(huì)導(dǎo)致在加工過(guò)程中金屬的熱脆。碎屑回收工業(yè)學(xué)院（ISRI）和黃銅與青銅鑄造生產(chǎn)商（BBIM）正在研究一種碎屑回收嚴(yán)格的控制程序和分割程序。
家用產(chǎn)品：
在家用產(chǎn)品中， 人們選擇銅是因?yàn)殂~具有以下特點(diǎn)： 優(yōu)美的外形、可靠的質(zhì)量、很高的商譽(yù)、良好的設(shè)計(jì)因素、較好的物質(zhì)和機(jī)械性能以較長(zhǎng)的使用壽命。電力照明器材和火爐設(shè)備一起成為主要的家用產(chǎn)品范疇。
服務(wù)：
用來(lái)確定銅原料對(duì)于應(yīng)力腐蝕破裂敏感度的傳統(tǒng)方法是硝酸亞汞試驗(yàn)。（ASTM B154）為了響應(yīng)來(lái)自ASME 鍋爐和壓力容器編碼和美國(guó)海岸巡邏隊(duì)的要求, B-5 委員會(huì)將應(yīng)力腐蝕免疫的IS0 6957銅合金氨測(cè)試轉(zhuǎn)換為ASTM形式。這完全出于他們對(duì)于測(cè)試溶液和樣品處理的考慮。ASTM B858M，即在銅合金中用一種氨蒸汽來(lái)確定其對(duì)于應(yīng)力腐蝕破裂的敏感度的方法現(xiàn)在是官方使用的一種方法。這種測(cè)試方法刺激了服務(wù)條件的發(fā)展，在這些條件下，可能會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕破裂，并克服硝酸亞汞試驗(yàn)的缺點(diǎn)。
未來(lái)展望：
世界經(jīng)濟(jì)變得越來(lái)越全球化了。隨著二十一世紀(jì)的到來(lái)，第三世界國(guó)家正在建立電訊鏈路，變成電力的主要消費(fèi)者，他們?cè)诮ㄔ旒覉@、工廠和商業(yè)建筑，這樣就需要大量的銅來(lái)滿足他們的需求。銅被用作工程原料已有一萬(wàn)年的歷史了，它對(duì)人類的貢獻(xiàn)是呈金字塔式的，與日俱增。如果沒(méi)有銅，真不敢想象未來(lái)的世界將會(huì)是什么樣子。
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