铜、铝杆加工工艺设计资料

...wd......wd......wd...铜、铝杆整理完资料第二章原材料第一节电工用铝一电工用铝铝是银白色的金属，熔点为658℃，比重为2.7g/cm3，作为电线电缆导电线芯应采用铝含量为99.7％以上的电工用铝，其化学成分应符合GB12768-91(表2-1)中的规定。表2-1二，铝的主要性能及影响其性能的因素l铝的导电性能导电性是指金属材料传导电流的性能。各种金属的导电性能各不一样。金属的导电性愈好，则电流通过时所产生的热量就愈小，从而在输电过程中的电能损失就较小。导电性是衡量电线电缆导电线芯的主要指标。金属的导电性用电导率来表示，也可用电导率的倒数——电阻率来表示。电阻率可以用实测值表示，也可用相对值表示，在电线电缆技术中，常用电阻率来表示金属线材的导电性。根据电阻定律，对于线性导体，在温度不变时，其电阻与导体在电流方向上的长度成正比，与导体的电流方向垂直的截面成反比。即有以下关系：式中为比例系数，也称导体的电阻率。有时也用表示应当指出，公式(2-1)所计算的电阻为导体的直流电阻。在电线电缆技术中，为比拟金属电阻的大小，往往采用导电率的相对值表示。即国际电工番品会rmr、拇定：在温度20℃时，比重导体电阻为0.0172410时的软铜导电率为100%IACS〔软铜国际标准导电率〕。其它各种导电金属和合金的导电率常以与标准铜相比的百分率表示：铝的电阻率为IACS，导电性能较好。影响导电率的各种因素：(1)杂质对铝导电性能的影响。铝的纯度对导电率的影响较为明显，如99.95%铝的导电率为63%IACS，99.99%的高纯度铝的导电率为65%IACS。铝中所含杂质对导电率的影响如图2-1所示。通过对铝中可能存在的十三种杂质元素的研究发现Mn、Cr、V、Ti对铝导电率的影响较为明显。图2-1杂质对铝导电率的影响对于电工用铝，Fe和Si是主要杂质，其含量与相比照例对铝的各种性能都有很大的影响。为确保铝的导电率应严格控制Fe和Si的含量及其比例。研究结果说明铁与硅含量比在1.42.5之间，铝杆的性能较好。我国铝矿的含硅量较高，造成铝导体导电率低，不符合电工用铝导体的要求。但在含硅较高的铝中参加稀土，稀土元素以置换固溶方式与硅一起溶人杂质相，减少铝固溶体中硅的含量，降低了硅对铝导体的不良影响。为解决我国电工用铝缺乏的局面，上海电缆研究所通过多年努力，采用稀土优化综合处理技术对硅含量在0.09~0.13%的铝锭进展处理，使其各项性能指标到达电工用铝的要求。并在二十世纪八十年代中期实现了在铝连铸连轧的工业化生产条件下用稀土处理含硅较高的非电工用铝。这种电工铝导体性能优良，可到达国内、外同类标准的要求，具有很高的技术经济效益。(2)冷变形对铝导电率的影响。铝在发生冷变形时，导电率下降不多，当压缩率达95—98%时，铝的导电率仅下降1.2%。导体金属经冷变形后，电阻增大，而在一定温度下进展退火时，电阻可以恢复到变形前的水平。(3)温度对铝导电率的影响。金属的导电性随着温度的升高而下降，即金属的电阻随着温度的升高而增大，当温度在绝对零度与熔点之间时，电阻和电阻率与温度呈以下线性关系：式中R2和ρ2一温度为t2℃时的电阻和电阻率；R1和ρ1一温度为t1℃时的电阻和电阻率。在计算电线电缆导体随温度变化的电阻时，往往将试验温度t℃测得的数值换算到标准温度20℃，电阻、电阻率分别写成R20、ρ20。2．铝的机械性能。(1)铝的主要机械性能电线电缆所用铝导体应具有较好的机械性能，包括抗拉强度、塑性、韧性等。1)抗拉强度。强度是指金属材料在载荷作用下抵抗变形和破裂的能力，可以通过试验来测定。金属材料的强度越高，说明它抵抗载荷作用的能力越大。电线电缆技术中最常用的强度是抗拉强度。金属在均匀的拉力作用下，逐渐拉伸直至拉断时所需的负荷，称为拉断力。拉伸应力与导体受力方向的垂直截面的比值称为抗拉强度。它说明单位截面积的金属线抵抗拉伸应力破坏的最大能力。拉伸应力与拉伸强度的关系：式中。σb一拉伸强度，单位为帕斯卡(Pa)；Pb一拉伸应力，单位为牛顿(N)；Fb—垂直于拉力方向的金属线的原横截面积，单位为平方毫米〔mm2〕。2)塑性。金属材料在负荷的作用下产生变形而不破坏，当负荷去除后，仍能使变形保存下来的性能称为塑性。这种负荷去除后，能保存的永久变形称为塑性变形。金属材料的塑性是通过对试样进展拉伸试验来测定的。它用伸长率和断面收缩率这两个指标来表示。在电线电缆技术中，一般采用伸长率表示。金属材料受拉伸力直至拉断时，所拉伸的长度与原有长度的比值，称为伸长率δ，用百分率表示。伸长率可通过下式计算：式中L0一试样原标距长度；L1-试样拉断后的标距长度。伸长率可以表示金属材料的塑性大小，伸长率越大．则金属塑性越好，说明金属越柔软，富于延展性。一般将的材料称为塑性材料；将的材料称为脆性材料。电线电缆技术中一般选用标距长度为200mm，记为δ200经常使用的机械性能还有弹性、韧性、疲劳、蠕变性、硬度等。在连铸连轧工艺中经常测试的机械性能为抗拉强度和伸长率。铝的主要机械性能见表2-2。表2-2导电用铝的性能(2)影响铝机械性能的因素：1)杂质对铝机械性能的影响。铝中含有杂质可使拉伸强度增大，铁和硅都可使铝的抗拉强度增大，但伴随抗拉强度的增大，塑性将降低。2)冷变形对铝机械性能的影响。伴随冷加工的硬化现象，可极大地提高铝的拉伸强度。当变形程度为90%时，拉伸强度可提高20%，甚至更大。图2-2为铝的玲蛮形席对铝机械性能的影响。图2-2铝的冷变形度对铝机械性能的影响3)温度对铝机械性能的影响。铝在低温时，拉伸强度、硬度和弹性模量增高；延伸率和耐冲击值增高；无低温脆性。适合作低温导体。图2-3为不同温度下铝的机械性能。图2-3不同温度下铝的机械性能由于铝的蠕变极限和抗拉强度及温度有关，铝的长期使用温度不宜超过90℃，短期使用温度不宜超过120℃。冷变形后的铝线在一定温度下退火后，铝的机械性能将恢复变形前指标，因此，控制变形程度及配合退火工艺-可以制造软硬不同的线材，适合产品的不同用途。不同温度退火变化规律如图2-4所示。由图中可看出，退火温度过高会引起晶粒粗大，塑性变坏。图2-4不同退火温度对铝机械性能的影响3．铝的耐腐蚀性能金属受周围媒质作用而引起损坏的现象称为金属的腐蚀，金属抵抗腐蚀破坏的能力称为耐腐蚀性。常见的腐蚀是金属的氧化。金属在大气中，外表总会产生不同程度的氧化现象，温度越高，氧化越快。这些在金属外表生成的氧化膜具有不同的构造和性质。如生成的氧化膜完整、致密，使氧化膜内部与空气隔绝，将防止进一步氧化；如生成的氧化膜疏松、多孔，则易于剥落或脱离，使大气中的氧连续不断地与金属内层接触反响，加剧金属的腐蚀。当大气中含有易于与金属材料起化学反响的有害气体，或金属直接接触有害液体，都将与金属发生化学反响，其过程与氧化过程相似。铝的化学性质极为活泼，极易被氧化，生成氧化铝膜(A1203)．致密的氧化铝膜性质稳定，对外界侵蚀有一定的抵抗能力，保护内层的铝，防止了进一步的氧化。因此可以认为铝具有良好的抗腐蚀能力。影响铝抗腐蚀性能的因素。(1)杂质对铝抗腐蚀性能的影响。铝的纯度对抗腐蚀影响极大。如99%的铝在稀盐酸中的溶解度比99.95%的铝要快50倍。当铝中含铁量大于0.1％时，其腐蚀速度比99998%的高纯铝大160倍。硅对铝的抗腐蚀性影响与铝中铁的含量有关。当铝中不含铁时，影响不大，当铁、硅同时存在时，则显著降低铝的抗腐蚀性。导电金属的杂质中铜对铝抗腐蚀性的影响比铁、硅要严重得多，铝中含O.l%铜的腐蚀速度比含O.l%铁时大10倍。(2)周围媒质条件对铝抗腐蚀性能的影响。在沿海地区，大气中盐雾所含有的氯离子凝集在铝的外表，易在外表的杂质和缺陷周围引起局部腐蚀，形成孔洞、裂纹。因此需要采用较高纯度的铝或采取特殊的防蚀措施。4铝的工艺性能。金属材料的工艺性能是指在加工过程中所表现出来的的加工难易程度。铝属面心立方晶格，可塑性好，可进展各种形式的压力加工；铝的焊接性能良好，但切削性能不好。三．导电铝合金为抑制纯铝的缺点，扩大铝导体的应用，开发了导电铝合金。导电铝合金是在尽量不降低或少降低铝导电率的前提下，提高铝的抗拉强度和耐热性。1．导电铝合金的种类(1)铝镁硅合金。铝中加人镁和硅，通过固溶处理及后续的人工时效或自然时效，析出起强化作用的Mg2Si，可使铝的强度显著提高。铝镁硅合金适于制造架空线。该合金耐腐蚀性良好，焊接区的耐腐蚀性能不变；在合金中参加少量的铁，可使晶粒细化，有利于提高合金的耐热性。(2)铝镁合金。铝镁合金中镁的含量为1%以下，参加镁可起到周溶强化作用，再结合冷加工硬化可使铝的强度提高，铝镁合金的成分简单，加工方便，焊接性、耐腐蚀性均较好，是用途较广的铝合金。硬态的适用于制造架空导线，软态的适用于制造导电线芯。在该类合金中参加稀土元素，不仅可以细化晶粒，改善加工性能，而且能提高抗拉强度、疲劳强度、耐热和耐腐蚀等性能。3)铝锫合金铝中参加少量的锫，可显著提高耐热性，如参加01%的话时，铝的再结晶温度可提高到320℃以上，导电率下降3.5—4%IACS。为减少电阻率的降低，可适当减少锫的参加量，再添加微量的钇。铝锆合金的耐热性较好，因此铝锫合金的工作温度大幅度提高，长期使用温度为150℃，短时可达180~200℃。2．铝合金的开展动态受多方面因素影响，导电铝合金的开展较为缓慢。据资料介绍，仅有耐热铝合金的开发较为成功，其中具有代表性的是日本住友电工研制的小弧垂架空线用的超耐热铝合金。传统的铝合金制造工艺，需要进展淬火周溶和时效处理，工序繁杂，产品本钱较高，影响了铝合金的使用推广。随着连铸连轧生产工艺的的开展，在生产过程中采用了连续淬火工序，改良了原来工艺中轧制后的铝合金需要进展重新加热、分批淬火工序，在节约能量及工时上都取得了很大的效益，但拉制的线材仍需进展时效处理后才能进展绞制。采用CHTA工艺解决了这个问题。在连铸连轧生产过程中，利用控制轧制的温度，使合金在生产过程中经历淬火和时效处理。采用CHTA工艺生产铝合金线的经济效益显著，可节约30%的生产费用。该工艺的生产的合金线性能稳定，且优于常规生产工艺制造的产品。第二节铜电线电缆产品导电线芯，除了铝导体外，还有铜导体。铜的熔炼在电线电缆制造中是第一道工序，其质量的好坏，直接影响到电缆成品的质量；但铜在熔炼过程中，不能减少铜液内的金属杂质含量，因此，入炉所用原材料要求用高质量的阴极铜。一．阴极铜1阴极铜的标准要求：阴极铜也称电解铜，是电解精炼出的一种最纯的铜。它的技术要求必须符合标准中的规定。(1)化学成分：阴极铜按化学成分可分为高纯阴极铜和标准阴极铜两个牌号，作为电线电缆材料用铜，其杂质含量不得高于标准阴极铜的规定。如表2-3表2-3标准阴极铜化学成分(2)外观要求：1)阴极铜外表应干净，无污泥、油褥等各种外来物。2)高纯阴极铜外表应无硫酸铜；标准阴极铜外表〔包括吊耳局部〕的绿色附着物总面积应不大于单面面积的3%。但由于潮湿空气的作用，使阴极铜外表氧化而生成一层暗绿色者不作废品。3〕阴极铜外表及边缘不得有呈花瓣状或树枝状的结粒〔允许修整〕。4)标准阴极铜外表高5mm以上圆头密集结粒的总面积不得大于单面面积的10%(允许修整)。(3)其他要求：1)阴极铜以整块供给。经供需双方协商，也可供应切块。2)阴极铜块应经受普通装卸而不脆断。3)单块阴极铜的重量应不小于15kg或中心部位厚度不小于5mm。2阴极铜的检验(1)阴极铜应由供方技术监视部门进展检验，保证产品质量符合CB/T467-1997的规定，并填写质量保证书。(2)需方收到产品后也应进展检验，其检验方法如下：从同一天，同一循环系统，同一电流密度的阴极铜中随机取出6—10个样块，用直径为10nuu一20mm的钻头，在距阴极铜四周100mm的矩形中，以棋盘行列布置钻孔假设干处。钻取时，不许用任何润滑剂，钻速以样块不氧化为宜，外表钻屑应去掉，钻孔深度应大于样块厚度的二分之一。将所得的钻屑混匀，用磁铁除净加工时带入的铁屑，并缩分至不少于600g。(3)将取得的钻屑，按GB/T5121<铜及铜合金的化学分析方法〕的规定进展检验，如果检验结果与标准CB/T467-1997规定不符，可在收到产品之日起一个月内向供方提出，由供需双方协商解决。只有检验结果与标准相符时，才能准许使用此批阴极铜。阴极铜进人工厂后，工厂按要求标识好同批阴极铜的进货时间，生产厂家和生产日期。操作者也要明确阴极铜的质量检验情况，并将使用的阴极铜按年批次的标识，记录在〔生产作业方案表〕中，注明阴极铜的名称、厂家、生产日期。为以后产品的可追溯性提供理论依据。二、铜的性能及影响其性能的因素纯铜是玫瑰红色，外表生成氧化铜膜后呈紫色，又称为紫铜，其物理性能见下表2-4。表2-4纯铜的物理性能铜具有良好的导电、导热性，耐蚀性好，机械性能高，塑性好，易焊接，无磁性等特性。但由于各种因素的影响，其性能也有较大的变化。下面就铜的性能及影响其性能的因素具体介绍如下：1铜的导电性铜的导电性好，仅次于银而居第二位。高纯阴极铜〔含铜量在99.99%以上〕，导电率是很高的，在20'C时电导率可达相对导电而无氧铜的导电率可达102%IACS。但有许多因素会显著影响铜的导电性能，常见的有：(1)杂质对铜导电性的影响在电线电缆制造工艺中，铜作为导体，起着传输电能的作用，因此，导电性能是铜的主要性能。杂质对铜导电性的影响见图2-5。图2-5杂质对铜导电性能的影响图2-5表示了铜中所含杂质对其导电性的影响。从图中可以看出，杂质对铜的导电性影响是很大的，一切杂质元素或成心参加的合金元素，都会降低铜的导电性能，降低的程度因杂质含量的不同而不同。对铜导电性影响最显著的杂质有磷、铁、砷、铋等，因此在铜中应尽量减少这些元素的含量。微量的银、镉、镁等对铜的导电性影响不大，可作为铜合金参加元素，提高铜的机械强度和耐蚀性。在非金属杂质中值得注意的是氧的影响，当含量甚微时，氧在铜中可氧化一些杂质，铜的导电率略有提高(无氧铜的导电率可达102%IACS)，降低了杂质对铜电导率的影响；但随着含氧量增加，氧在铜中的氧化物增多，导电率会显著下降，增加其冷脆和热脆性。(2)冷加工和热处理对铜导电性的影响铜导线可以经拉伸后使用〔硬铜线〕，拉伸变形对铜的导电率有一定的影响，当变形不大时，导电率下降不超过2010；但随着变形程度增大，导电率降低，当变形度到达97.5%时，导电率可下降6.2%。为了消除铜的冷作硬化，可以将铜线进展退火，退火后可以恢复铜线的导电率，图2-6和图2-7所示分别为铜的冷加工变形度和退火温度对铜的导电性的影响。图2-6纯铜的电阻率与变形度的关系图2-7铜的退火温度对导电率的影响(3)温度对铜导电性的影响铜在熔点以下时，其电阻率随温度升高而增大，从固态到液态时，出现电阻率的突增。经过冷变形的铜材在退火时，导电率得到恢复。不同退火温度对硬铜线的导电率影响见图2-7。2．铜的机械性能铜的机械性能较好，有较高的抗拉强度和伸长率。影响铜机械性能的因素有：(1)杂质对铜机械性能的影响一般情况下，外来元素进入铜中，均会增加铜的抗拉强度，但某些元素在增加铜的抗拉强度的同时也增加了铜的硬度，甚至使铜产生臆性而恶化了铜的加工性能，并导致导电率下降。如氧、氢等都可以使铜的机械强度显著下降。，1)氧氧进入铜是来自熔炼过程中，氧在液态铜中可无限溶解，而在固态铜中溶解的很少，并随温度的降低溶解度减少。在铜凝固过程中，氧以氧化亚铜〔Cu2O〕和铜(Cu)的共晶体的形式分布在铜的晶界上，在含氧量较高的情况下，铜的塑性降低，恶化了铜的压力加工性能，亦增加了铜的焊接困难；在拉伸线材时，使铜线外表发毛，易断裂，同时也降低了铜的耐蚀性。2)氢氢在铜中的溶解度如图2-8，当氢含量超过溶解度时，则有气体析出。假设与氧共存在铜水中，在铜凝固过程中，氢、氧的溶解度减少，析出氢、氧，随着氢氧浓度的增大，可发生以下几种情况：①氢浓度到达溶解度时，析出氢气泡，产生傲气孔。②氧浓度到达共晶浓度(0.39％)时，与铜生成CU20粒子，使铜产生脆性。③氢、氧结合产生水气，析出H20气泡，产生气孔。以上三种情况，均降低铜的机械性能。图2-8氢在铜中的溶解度(2)冷变形对铜机械性能的影响经过拉伸．铜的机械强度可提高到450MN/m2，．经过退火软化后，铜的机械强度可恢复到拉伸前的水平，圈2-6中说明了玲变形对铜机械性能的影响。图2-9退火温度对铜机械性能的影响(3)温度对铜机械性能的影响铜的机械性能与退火温度有关，图2-9所示，铜的抗拉强度随温度升高而降低，当温度高于200℃时，抗拉强度急剧下降，在500~600℃时，延伸率和断面收缩率急剧下降，“出现低塑性区〞，如图2-9。因此，铜在热加工时，必须避开这个温度范围。3铜的耐蚀性铜的耐蚀性较好，它与盐酸或稀硫酸的作用甚微，在于燥的空气中具有较好的耐蚀性，但在潮湿的空气中外表易生成有毒的铜绿。影响铜耐蚀性的因素有：(1)大气对铜耐蚀性的影响铜耐大气侵蚀，可与大气中的硫化物〔主要是硫化氢和二氧化硫〕作用，外表生成一层由组成的深绿色保护膜，使腐蚀速度减慢。但在含有大量二氧化硫、硫化氢、硝酸、氨和氯等气体的情况下，会引起强烈腐蚀，其中以氯最为严重，在沿海地区，由于大气中存在盐雾，经多年长期使用后，铜线外表会出现一层细微的溃伤斑点，使铜线强度下降。(2)温度对铜耐蚀性的影响铜在室温枯燥的空气中几乎不氧化。当温度到达100℃时，外表生成黑色的氧化铜膜(Cu0)。在300℃以下时氧化缓慢，温度再高，氧化速度增加，铜外表生成红色的氧化亚铜膜高于600℃时，铜会强烈氧化，并使接触电阻增大，严重时将导致连接处局部烧熔。为防止氧化，必要时可在铜线外表镀覆一层锡或银、镍、铬等。铜在许多物质如淡水、海水、有机酸和非氧化性盐类溶液中比拟稳定，但在各种含氧或氧化性的酸、盐溶液以及氨盐中极易氧化。4．铜的塑性变形能力铜具有面心立方晶格，有很好的塑性变形能力。热加工时，首次压力加工量可达30～40%。但杂质对铜的塑性变形能力影响极大，这主要取决于铜与杂质元素的相互作用。(1)铋和铅铋和铅能在铜的晶界上形成低熔点的共晶体，当压力加工温度超过铋或铅的熔点时，会沿晶界面发生断裂，因而使铜的热加工性能变坏，成为热脆性。因此对铜中杂质铋和铅的含量应严格限制，铋的含量不得超过0.0006%，铅的含量不得超过0.002%。(2)铁铁使铜的强度升高，但降低了铜的塑性，恶化铜的加工性能，降低铜的导电性及耐蚀性，并推迟铜的再结晶温度。〔3〕硫和氧铜中杂后硫和氢，能与铜形成化合物这两种化合物硬而脆，致使铜产生“冷脆〞，使铜的冷变形困难。因此，铜中氧硫的含量也要加以限制。(4)硒和碲硒和碲能提高铜的切削加工性能，但对焊接不利。三、铜合金为了改善铜的机械性能，提高铜的耐磨性、耐蚀性等，研究制造了各种铜合金，在电线电缆行业中主要用作导体。1银铜合金铜中参加少量银，可以显著提高软化温度和耐蠕变能力，对导电率影响不大。电线电缆用银铜合金通常含银量为O.l—0.2%。银铜合金具有很好的耐磨性、电接触性、耐蚀性，一