电工用再生铜杆的显微组织与性能的研究

姚大伟， 袁德华（上海电缆研究所，上海200093）

电工用再生铜杆的显微组织与性能的研究

姚大伟， 袁德华
（上海电缆研究所，上海200093）

针对目前常见的再生铜杆样品，通过金相显微分析、成分分析、力学性能和电学性能分析，研究了再生铜杆的组织与性能的关系。在此基础上阐述了再生铜杆材料的特点，为相关产品的检测和质量控制提供依据。

再生铜杆；显微组织；性能；分析

0　引 言

我国铜矿资源紧缺，废铜利用量逐年增加，近年来每年从国外进口的废杂铜都达到400万吨以上。统计显示，截至2012年底电缆行业使用的铜导体已达540万吨，其中再生铜导体约270万吨，已经占到一半的用量。利用废杂铜回收生产铜，与原生铜的生产相比，可以节能70%～80%，节能及成本优势显著。废杂铜的回收利用不仅扩大了铜金属资源的应用范围，且社会、经济效益显著，具有重要的推广价值［1，2］。

废杂铜制造电工用再生铜杆，其方法是由回收的废杂铜经分类、分级、预处理后直接进入冶金炉内冶炼，并与连铸连轧或连铸工序共同组成铜杆生产线。它的优点是节能、简化工序、生产成本较低；缺点是如何控制好杆的质量，其矛盾比电解铜制杆更突出，难度更大［3］。

目前，再生铜杆的评价主要集中在铜杆的纯度、电阻率、可轧性、可拉性、可退火性和表面质量等要求。基于材料组织决定材料性能这一出发点，本文将通过综合考查再生铜杆的显微组织和力学电学性能，分析再生铜杆的性能差异和形成原因。

1　试验材料及方法

1.1试验材料

选取国内市场上常见的直径为8.0 mm的三种软态再生铜杆为试验样品，编号为1#、2#、3#。另取一段直径8.0 mm的软态T1电解铜杆作为参比试样，编号为4#。

1.2试验方法

铜杆成分按照GB/T 5121.27—2008《铜及铜合金化学分析方法 第27部分：电感耦合等离子体原子发射光谱法》测定。在温度23℃、湿度50%的环境下，通过IRIS INTREPIDⅡ全谱直读等离子体发射光谱仪测定元素含量。

制备金相试样，在ZEISSAxio ScoPe A1金相显微镜下观察铜杆金相组织。按照GB/T 6394—2002《金属平均晶粒度测定方法》测试材料晶粒度。

铜杆的电性能测试按照GB/T 3048.2—2007《电线电缆电性能试验方法 第2部分：金属材料电阻率试验》进行，测试结果换算成20℃的数值。

在HXS-1000A显微维氏硬度计上测试金属材料硬度，加载10 s，载荷100 g，每个试样测试8个点，取平均值作为实测结果。

2　试验结果和分析

表1为试验铜杆的主要化学成分。由表1可知，再生铜杆2#杂质含量最高，铅含量更是明显高于其它试样；1#和3#杂质含量相对较低，其中3#的杂质元素以氧为主；电解铜杆4#杂质含量最低，铜杆最纯。

表1　试验铜杆的主要化学成分　　（单位：%）

图1为4种铜杆的200倍金相组织。由金相组织可见，再生铜的组织中分布着较多杂质颗粒，电解铜的组织相对比较纯净，杂质颗粒较少。图2为4种铜杆的500倍金相组织。由高倍金相可见，2#的组织中存在较大的杂质相，尺寸达微米级，1#和3#组织中也存在一定数量的杂质颗粒，但尺寸较小，4#电解铜内的杂质最少，且基本分布于晶界上，晶粒内比较纯净。表2为4种铜杆的晶粒度，可见再生铜的晶粒尺寸明显小于电解铜的晶粒尺寸，再生铜中又以2#的晶粒尺寸最小，这主要是由于再生铜中杂质相较多，凝固过程中促进了熔体内的非均质形核，通过多质点形核抑制大晶粒生长，使铜晶粒细化，杂质相越多，晶粒越细小。

表2　4种铜杆的晶粒度

表3所示为4种样品的电性能。由表3可见，1#、3#与4#导电率相当；2#样品最差，低于100% IACS。根据研究［4］，合金电阻主要由四种散射作用引起，分别是声子、位错、固溶原子或杂质以及界面对电子的散射作用。对于组织稳定的材料，声子散射对电阻的贡献最大；对于合金化组织，固溶原子或杂质引起点阵畸变对电子的散射作用比第二相显著。因此保持晶粒内部纯净，促使固溶原子析出，可促进电导率提升。综合来说，降低杂质含量，对电导率提高有利。

表4为4种样品的显微维氏硬度值，其中再生铜杆的硬度均在100以上，远高于电解铜杆。再生铜杆中，2#铜杆硬度最低，3#铜杆硬度最高，但相互差距不大。结合铜杆的成分和结构可知，材料硬度受晶粒尺度影响显著，同时亦受晶界强度、基体性质和杂质相颗粒性质综合作用影响。

表3　4种铜杆的电性能

表4　4种铜杆的维氏硬度

3　讨 论

根据相关资料［5］和元素性质，铅不固溶于铜，微量的铅与铜形成低熔点共晶组织（Cu+Pb），共晶温度为326℃，共晶体呈黑色颗粒状分布在晶界上。铅对铜的热导率和电导率无显著影响，但是会大幅降低铜的高温塑性。氧不固溶于铜，但与铜形成高熔点脆性化合物Cu2O，含氧铜冷凝时，氧以共晶体（Cu+ Cu2O）析出，分布在晶界上，其共晶温度很高（1066℃），对热变形性能不产生影响，但Cu2O硬而脆，使冷变形产生困难。铁在铜中溶解度不大，温度下降时呈较粗大的α-Fe颗粒析出。铁能细化铜晶粒，延迟铜的再结晶过程，提高其强度与硬度，但是会降低铜的塑性、电导率与热导率。锌能大量固溶于铜，450℃固溶度可达39%，450℃以下随温度下降固溶度略有降低，含锌量在一定范围的合金组织无明显改变，可少量提高基体强度，降低电导率。

图1　4种铜杆的200倍金相组织

图2　4种铜杆的500倍金相组织

由实验结果可见，废杂铜通过精炼后，实际转化成一类微合金化的铜合金，合金元素含量低且以细小第二相的形式存在于晶界上。从位错理论的角度看，这种结构使位错滑移的阻力更大，位错运动更困难。滑移变形的过程就是位错运动的过程，如果位错不易运动，就是材料不易变形，也就是力学性能提高。第二相对铜基体的导电特性影响较小，从而维持了较高的导电性能。这种微结构特征保证基体的纯净，同时细化了晶粒，保证电导率不下降，但力学性能有所提高。

对于具有微合金化特征的再生铜，与电解铜的性能差异主要出现于深冷加工后。变形后存在着大量的相界面，强烈拉伸后铜组织中纤维的直径可细至10 nm，当界面间距与平均电子自由程属于同一个数量级时，界面对电子的散射作用变得更加显著，因此可以认为界面是深冷加工后期引起电阻率增大的主要原因。铜基体中的合金元素原子析出生成的细小第二相粒子在合金变形时对位错产生钉扎，使得合金产生明显的加工硬化效果，更重要的是，在冷变形过程中，次生相逐渐变为纤维状组织，可以显著提高合金强度水平。

4　结 论

（1）再生铜杆的硬度明显高于电解铜杆，电导率可达到电解铜杆水准。

（2）不同纯度的再生铜杆中，再生铜杆的杂质元素含量越高，电导率越低。

（3）电解铜杆中，晶粒完整，晶内组织纯净；再生铜杆中，氧以氧化物、合金元素以金属间化合物的形式分布于晶界上，数量和尺寸因含量而异。这种组织差异决定了性能差异。

［1］ 黄崇祺.废杂铜直接制杆利用的问题解析和措施［C］//中国铜加工技术与应用论坛文集.上海：中国有色金属加工工业协会，2008：17-18.

［2］ 王彤彤，余学德，郭 峰，等.废杂铜火法精炼生产光亮铜杆现状浅析［J］.有色冶金设计与研究，2012（6）：26-30.

［3］ 黄崇祺.论中国电缆工业的废杂铜直接再生制杆［J］.电线电缆，2009（1）：1-5.

［4］ Hong SI，HillMA.Mechanical stability and electrical conductivity of Cu-Ag filamentary microcomPosites［J］.Materials Science and Engineering A，1999，264（1）：151-158.

［5］ 吴承建，陈国良，强文江，等.金属材料学［M］.北京：冶金工业出版社，2009.

Study on Microstructure and Properties of Copper Rods from Recycling for Electrical Purpose

YAO Da-wei，YUAN De-hua
（Shanghai Electric Cable Research Institute，Shanghai200093，China）

CoPPer rods from recycling for electrical PurPose are tested by means ofmetallograPhic analysis，comPonent analysis，mechanical analysis and electrical analysis to research the relations between structure and ProPerty. From the research，the characteristic of thismaterial is introduced.Thatmay offer helP in insPection and quality control.

coPPer rods from recycling；microstructure；ProPerty；analysis

TM 241

A

1672-6901（2016）02-0043-04

2015-08-11

姚大伟（1984-），男，工程师.

作者地址：上海市军工路1000号［200093］.