热管用高性能无氧铜管的研发

汤晓水，李 华

（1.江西铜业加工事业部，江西 南昌 330096，2.江西省江铜耶兹铜箔有限公司，江西 南昌 330096）

1 引言

热管是利用介质在热端蒸发后在冷端冷凝的相变过程，使热量快速传导，它具有极高的导热性、良好的等温性，以及冷热两端的传热面积可任意改变，可远距离传热、可控制温度等优点。它主要应用于电气设备散热、CPU 和电子器件冷却、半导体原件以及大规模集成电路板的散热领域以及航空航天、军工等行业，比如笔记本电脑、智能手机、5G 基站、新能源汽车以及大功率LED 灯等散热。相比于传统金属散热器，热管散热器具备结构紧凑、流体阻损小、有利于控制露点腐蚀、低噪声、高效能等技术优势，应用范围将不断扩大［5］。热管一般由管壳、吸液芯和端盖组成，而热管用无氧铜管是用于制作热管管壳的主要材料之一，包括热管平滑管和沟槽管。所以，热管用高性能无氧铜管将成为未来铜管行业市场新的增长点，也是铜管行业生产技术新的发展方向。热管用无氧铜管的生产设备、工艺流程与空调制冷用铜管基本一致，其关键是管坯熔铸时氧含量的控制、行星轧制工艺制定以及沟槽管齿肋成形模具参数的设计。

当前江西铜业加工事业部铜管厂主要生产制造精密空调与制冷用磷铜合金高效传热内螺纹铜管和光面铜管等TP2 铜管产品，产品结构较为单一，产品市场定位于制冷行业，主要的客户是国内空调生产企业，存在市场淡旺季非常明显、客户过于集中，由于现有产品工艺技术成熟，导致产品利润较低、账期较长的特点。因而，要围绕加工事业部转型升级发展目标为主线，重点推进高质量项目新产品的研发，加大对新能源汽车、5G、航空航天、军工、电子等领域新产品的研发力度，推动铜加工产品迈向高精尖［1］。加快对热管用高性能无氧铜管新产品的研发，增加铜管新品种和新技术储备，提升公司生产技术水平和行业竞争力，提高产品的市场占有率，推动产业向价值链中高端发展。

2 热管用高性能无氧铜管的研究内容、方法和技术路线

通过研究热管用铜管铸坯成分的控制与熔铸工艺、无氧铜管大变形量行星轧制工艺、内沟槽热管用铜管旋压成形工艺以及退火工艺对热管用铜管的组织和性能的影响等关键技术，开发一套热管用高性能铜管的生产工艺。其技术目标是能连续生产并确保产品性能满足以下要求：

（1）小批量生产热管用高性能无氧铜管，如热管平滑管8×0.2、6×0.2、5×0.1 等；热管沟槽管8×0.20×0.10、6×0.20×0.10、6×0.30×0.12 等，其成分要求为C10100（TU0），其中氧含量要求较高，氧含量成分≤10ppm。并形成一套热管用高性能铜管生产工艺技术规范。

（2）热管产品的尺寸公差、力学性能、机械性能等的各项性能指标符合《GB/T17791-2017 空调与制冷设备用铜及铜合金无缝管》国家标准［2］；齿形填充效果佳，断管率低，且产品在加工成热管过程中没有弯曲表面橘皮和压扁凹陷等缺陷出现。

热管用高性能无氧铜管的研究方法：采用工艺试验的方法，选择合适的无氧铜管水平连续铸造工艺、氧含量控制方法、行星轧制工艺等；采用内螺纹成形模具先进设计软件，开发内沟槽铜管旋压成形模具参数；采用3D 金相显微镜测量齿形参数，分析热管用内螺纹铜管的成齿质量；采用工艺试验的方法，分析不同的成形速度、旋模比以及成形模具参数对成齿质量的影响，不同成品退火工艺对铜管组织性能影响；跟踪客户的使用及反馈情况，有针对性地对成形工艺进行分析、优化。

热管用高性能无氧铜管的技术路线：充分了解客户对热管的技术要求→调整熔铸、轧制、盘拉等工艺技术参数→根据理论及实践经验，设计加工盘拉成形模具→将设计好的模具和芯头应用于盘拉成型工序→小试、中试和规模生产试验→热管产品检测合格后发客户试用验证→形成工艺技术规范→固化工艺技术参数。其生产工艺路线图如图1 所示。

图1 热管用高性能铜管生产工艺路线图

3 热管用高性能无氧铜管的工艺研究

3.1 热管用高性能无氧铜管铸坯成分控制与熔铸工艺技术

3.1.1 关键技术难点

（1）熔炼温度控制。

熔炼温度是一个重要参数，在一定温度范围内，温度愈高，金属液的粘度愈小，流动性越好，充型能力越好；反之，则充型能力差。但是，温度过高，金属液吸气多，氧化严重，使铸坯晶粒粗大，容易出现缩孔、疏松与气孔等缺陷。温度太低，将阻碍铜液内非金属杂质的上浮，不利于铜液的净化。同时，温度降低，铜液粘度增大，降低铜液流动性。因此选择合适的熔炼温度就显得非常重要［3］。一般熔化炉正常设定温度1175℃，保温炉正常温度设定1160℃。

（2）氧（O）含量控制。

热管用高性能无氧铜管其成分要求为C10100（TU0），其中对氧含量要求较高，要求氧含量成分控制在10ppm 以下。而氧几乎不固溶于铜，氧含量超标严重影响热管的表面质量，因为氧含量与热管的传热效率相关，氧含量越低，热管传热效率越高。

氧含量高的原因：熔化炉和铸造炉均在大气氛围下进行熔炼，空气中的氧会进去铜熔体中。

解决问题的办法：在向熔化炉加料后，当铜液液面达到标准液位，向液面加入高纯度石墨粉脱氧剂或者在铜熔体表面覆盖较厚一层木碳；对保温炉加热后，同时向保温炉液面加盖脱氧剂。木炭覆盖厚度为100～200mm，严禁铜液裸露，并间隔一定时间换新木炭，即扩散还原脱氧，其化学反应式是Cu2O + CCu + CO2。

（3）磷（P）含量控制。

磷在铜中的最大溶解度（714℃共晶温度时）为1.75%，室温时几乎为零。在TP2 铜合金管中，磷元素的加入能显著降低其电导率及热导率，而导热性能是热管的关键性能，因此，磷含量的控制有助于保证热管的导热性能。此外，磷含量较高导致热管烧结弯曲后的表面粗糙度的提高，影响热管加工后的表面质量。因而热管的磷含量必须控制在10ppm 以下。

磷含量高的原因：由于热管无氧管熔铸使用的是熔炼TP2 铜合金（P 含量150～400ppm）炉子，在熔化炉和铸造炉炉腔内有保留较多TP2 铜合金熔体，同时炉壁及其缝隙里也有TP2 铜合金铜熔体大量残留。

解决问题的办法：先对熔化炉、铸造炉扒掉熔体表面碳覆盖层，将熔体表面暴露在空气中进行熔炼，让空气中的氧不断与熔体表层中的磷反应，最后生成氧化磷浮渣，从而达到非常好的除磷效果，即扩散氧化烧磷，其化学反应式是P + O2P2O5。

3.1.2 试验结果

（1）P、O 含量控制结果。

磷（P）含量在熔化炉中：2.8～15.4 ppm；铸造炉中：6.2～19.8 ppm；铸坯中：8.5～11.2 ppm。磷含量控制在20ppm 以下，达到了热管用无氧铜管磷含量技术要求；

氧（O）含量在熔化炉中：1.1～6.1 ppm；铸造炉中：3.1～7.3 ppm；铸坯中：3.0～9.3 ppm。氧含量控制啊10ppm 以下，达到热管用无氧铜管氧含量技术要求。

（2）铸坯金相组织。

取铸坯金相分析，铸坯组织晶粒细小均匀，满足后续热管用高性能无氧铜管的轧制工艺加工要求，具体如图2 所示。

3.2 热管用高性能无氧铜管铸坯大变形量行星轧制工艺

3.2.1 行星轧制力分析

水平连铸无氧铜管铸坯经过铣面工序后，进入三辊行星轧制。轧件的总体变形是由三个轧辊依次碾压轧件所引起的变形的积累。每一瞬时，轧辊与轧件的接触并非线接触，而是一条狭长的带，如图3 所示。

图2 铸坯金相组织图

图3 轧制件变形过程图

轧制过程为进给向前的旋转碾压，即轧制过程中，轧件上A 点向E 点移动，B 点向F 点移动，以此达到减径轧制的效果。但每一瞬时，轧辊蘑菇头上如图3 所示的周向环状微元碾压轧件可看成是圆柱轧辊碾压轧件。现在追踪轧制变形区轧件上的某一点，在假设轧件与轧辊接触处不打滑的情况下，此点的轨迹可看作轧辊上该点的运动轨迹［4］。如图4 所示。

图4 轧制过程受力分析图

在管材行星轧制过程中，轧制变形主要为减径变形，三辊行星轧的机铜管坯轧件变形量很大，但轧制力矩却很小。由于电动机功率与轧制力矩成正比，所以与挤压相比，行星轧制的能耗是很低的。通过轧机轧辊的自转与公转，可以实现金属大的变形量；铜管的扭曲运动可以通过修正辅助驱动速度控制，能提供一定的推进量，使轧管在变形区内受到强烈的三向压应力作用。根据轧制过程受力分析理论，最后得出轧制力计算方程如下，该方程需要计算机辅助完成结果计算［7］。

其中边界条件为：

3.2.2 实验结果

根据三辊行星轧制受力分析理论计算结果可知，三辊行星轧制过程中，热管无氧铜铸坯的轧制力比TP2 铜管铸坯的轧制力大，因此，需要降低无氧铜铸坯的轧制速度，以便减小轧机的负荷，否则壁厚很难控制。针对轧制无氧铜铸坯时轧辊易粘铜打滑的问题，由于无氧铜的特性决定这现象比较突出，采用TP2铸坯与无氧铜铸坯交替轧制，效果更好。最终确定热管无氧铜的轧制工艺如表1所示。

表1 无氧铜和TP2 铜管轧制工艺

3.3 热管用Φ6×0.2 平滑管盘拉成形工艺

3.3.1 Φ6×0.2 平滑管盘拉成形工艺

依据管坯硬化原理设计热管用高性能无氧铜管的拉拔工艺与生产道次。此外，热管用平滑管对椭圆度要求很高，为此，将最后一道盘拉道次调整至内螺纹成型机上进行，最终确定热管用Φ6×0.2平滑管盘拉成形工艺如表2 所示。

3.3.2 实验结果

（1）各项性能测试结果。

外径（6±0.03）：5.98mm，壁厚（0.2±0.02）：0.203mm；抗拉强度（≥260）：360MPa，延伸率δ（5）%：56%，维氏硬度（90-110）：106.8HV，铜含量（≥99.97%）：99.992%，氧含量（≤10ppm）：6.5ppm。各项性能指标均满足客户的技术标准。

（2）客户试用结果。

热管用Φ6×0.2 平滑管样品送往华盈电子科技有限公司和江苏启祥电子科技有限公司进行了热管制备小批量试用试验（填粉、烧结、弯曲和压扁等），各项性能均满足客户需求，试用合格。

表2 热管用Φ6.0×0.2 平滑管盘拉成形工艺

3.4 热管用Φ8×0.20×0.10 沟槽管成形工艺

3.4.1 Φ8×0.20×0.10 沟槽管成形工艺

根据客户的技术要求，采用逆推法结合内螺纹设计软件对沟槽管成形工艺与成形模具进行优化设计并计算。逆推法即根据内螺纹管规格，如D0×S0×H0（外径×底壁厚×齿高），从定径模开始，从后向前，依次计算出钢球、旋压环、螺纹芯头、减径模、管坯等参数［6］。先经成型机旋压和预定径成Φ9.52，再重新上成型机定径空拉至Φ8，成功试制出满足客户技术标准的热管用Φ8×0.20×0.10-110 沟槽管，从而最终确定Φ8×0.20×0.10 沟槽管成形工艺如表3 所示。

表3 热管用Φ8×0.20×0.10 沟槽管成形工艺

3.4.2 实验结果

（1）各项性能测试结果。

外径（8±0.03）：8.01mm，壁厚（0.2±0.02）：0.202mm；抗拉强度（≥260）：340MPa，维氏硬度（90～110）：102.7HV， 铜 含 量（ ≥99.97%）：99.99%， 氧 含 量（ ≤10ppm）：7.5ppm， 齿 高（0.20±0.2）：0.216mm，齿数（110）:110，螺旋角（0±2°）：0°，齿顶角（5～25°）：15～20°。各项性能指标均满足客户华盈电子科技有限公司的产品技术标准。

（2）客户试用结果。

热管用Φ8×0.20×0.10 沟槽管样品送往华盈电子科技有限公司进行了热管制备小批量试用，各项性能满足客户需求，并且产品在后续加工成热管过程中没有弯曲表面橘皮和压扁凹陷等缺陷出现，试用合格。

4 结语

通过对热管用高性能无氧铜管的研究与开发，成功开发了利用现有TP2 熔铸炉设备制备热管用无氧铜管铸坯的熔铸工艺，实现关键元素P、O 成分含量的稳定控制，获得了成分、组织均合格的高品质热管用无氧铜铸坯，形成高性能热管Φ6×0.20 平滑管和Φ8×0.20×0.10-110 沟槽管生产工艺技术规范。成功实现热管Φ6×0.2 平滑管和 Φ8×0.20×0.10 沟槽管小批量生产，且控制氧含量≤10ppm，产品的尺寸公差、力学性能、机械性能等的各项性能指标完全符合《GB/T17791-2017 空调与制冷设备用铜及铜合金无缝管》国家标准及客户要求。目前已在瑞声科技、华盈电子和江苏启祥电子科技有限公司等客户小批量供货，标志着加工事业部新产品研发达到了一个新的水平，并通过调整产品结构实现铜管产品的转型升级。