摘要：利用上引連鑄生產(chǎn)線，進(jìn)行新能源電動汽車充電樁用易切削高導(dǎo)碲銅合金的鑄桿生產(chǎn)工業(yè)試驗(yàn)，對合金的熔煉與上引鑄造工藝技術(shù)進(jìn)行探索和優(yōu)化，摸索了出碲銅合金的大氣熔煉與鑄造技術(shù)的相關(guān)工藝，結(jié)果表明優(yōu)化后的熔煉和上引工藝可穩(wěn)定銅液中合金成分，實(shí)現(xiàn)含Te量0.3%~0.7 %Cu-Te合金的上引法連鑄坯桿。

關(guān)鍵詞：新能源電動汽車充電樁；用易切削高導(dǎo)碲銅合金；上引連鑄；連續(xù)熔煉與鑄造工藝；工業(yè)試驗(yàn)

中圖分類號：TG249 文章編號：1009-3842（2021）01-0019-03

1.引言

高導(dǎo)碲銅合金具有優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，抗腐蝕性、電弧性能優(yōu)越特點(diǎn)，國內(nèi)現(xiàn)有生產(chǎn)方法采用半連續(xù)鑄錠+熱擠壓+拉拔進(jìn)行生產(chǎn)，該生產(chǎn)工藝生產(chǎn)效率和成品率低，不能提供連續(xù)長度的坯料，無法適應(yīng)現(xiàn)今新能源汽車和充電樁工業(yè)的自動化生產(chǎn)需要。利用上引連鑄方法，先后進(jìn)行三次碲銅合金工業(yè)試驗(yàn)，成功研制出連續(xù)長碲銅合金鑄桿，本文主要是對三次工業(yè)試驗(yàn)進(jìn)行技術(shù)總結(jié)，希望能為上引法規(guī)模化生產(chǎn)碲合金桿提供寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

2.碲銅合金生產(chǎn)使用新趨勢

高導(dǎo)碲銅合金具有優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，抗腐蝕性、電弧性能優(yōu)越等特點(diǎn)，是高導(dǎo)精密接插件的理想材料，在新能源汽車充電樁領(lǐng)域?qū)⒂袕V闊的應(yīng)用前景。然而目前，國內(nèi)現(xiàn)有的充電樁主要使用黃銅，而黃銅導(dǎo)電率低導(dǎo)致充電時(shí)間長。另一方面，碲銅合金是一款有著60年歷史的很古老的合金，到目前為止，由于應(yīng)用需求、材料和生產(chǎn)成本等因素，卻沒有得到廣泛的應(yīng)用，故而市場上的易切削銅合金主要由鉛黃銅及無鉛黃銅（導(dǎo)電率在20%IACS左右）占據(jù)市場。因此，國內(nèi)外大型銅加工企業(yè)幾乎沒有研究和大規(guī)模生產(chǎn)碲銅合金的實(shí)績。國內(nèi)碲銅合金棒線材主要由一些小型的銅加工廠采用半連續(xù)鑄錠+熱擠壓+拉拔進(jìn)行生產(chǎn)，該生產(chǎn)工藝流程較為復(fù)雜，能耗高，投資大，建設(shè)周期長，生產(chǎn)效率和成品率低，無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)［1］，不能滿足現(xiàn)今新能源汽車和充電樁工業(yè)的自動化生產(chǎn)需要。

3.試驗(yàn)研究

3.1試驗(yàn)的主要內(nèi)容

針對碲銅合金的熔煉特性，本試驗(yàn)著重控制碲成份均勻的關(guān)鍵技術(shù)及工藝裝備研制。碲金屬昂貴且易揮發(fā)，在熔化過程中，開發(fā)獨(dú)特的碲金屬加料裝置及攪拌裝置，確保碲在銅液中的含量均勻；同時(shí)在鑄造過程中，設(shè)計(jì)氮?dú)獗Ｗo(hù)裝置減少碲的揮發(fā)用。同時(shí)優(yōu)化上引連鑄工藝，完成碲銅的連續(xù)鑄桿。上引連鑄的主要特點(diǎn)是可直接從熔融的銅液中制取連續(xù)的銅棒，可有效避免傳統(tǒng)的鐵模鑄造工藝的上述缺點(diǎn)，上引連鑄法雖然在純銅類得到應(yīng)用，但在銅合金特別是碲銅合金上的使用，國內(nèi)外尚屬***。

3.2試驗(yàn)重點(diǎn)解決的技術(shù)難題

熔煉和鑄造工藝：Te比Cu輕、容易氧化、而且揮發(fā)溫度不到1000℃（988℃），能在空氣中燃燒，生產(chǎn)TeO2［2］。如何添加Te確保Te的燒損能得到控制；合金的吸氣性強(qiáng)，如何確保熔煉、鑄造過程中熔體不吸氣，保證鑄錠內(nèi)部無氣孔、疏松等缺陷，確保棒材沒有起皮、分層等缺陷。

4.工業(yè)試驗(yàn)過程

4.1上引連鑄法碲銅合金工業(yè)試驗(yàn)的基本工藝流程

根據(jù)公司對充電樁用碲銅合金棒的總體工藝方案，本研究通過 “上引連鑄+連續(xù)擠壓+冷變形”方法，來獲得Cu-Te合金棒材。并對合金進(jìn)行變形和熱處理，分析Te元素含量、形變和熱處理等因素對合金組織和性能的影響。試驗(yàn)的技術(shù)路線和主要方法如圖 1所示在本文中主要對熔鑄過程進(jìn)行總結(jié)闡述。

本試驗(yàn)研究通過“上引連鑄+連續(xù)擠壓” 制備不同成分的碲銅合金，完善連續(xù)上引和連續(xù)擠壓制備碲銅合金中各項(xiàng)工藝參數(shù)，確定Te元素所加入的合理成分含量。本工藝技術(shù)路線加入傳統(tǒng)法做對比。試驗(yàn)的技術(shù)路線和主要方法如圖1所示［4］。

4.2上引連鑄法碲銅合金工業(yè)試驗(yàn)

試驗(yàn)采用年生產(chǎn)能力8000 t的上海清浦豪申公司上引熔鑄機(jī)組，設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)為：上引速度：600~800mm/min，h)，熔銅速率：1200kg/h，收線成圈規(guī)格：φ700mm×φ1500mm c)，鑄桿直徑：φ18mm。如圖2所示為工業(yè)試驗(yàn)現(xiàn)場。

4.2.1主要采用的試驗(yàn)參數(shù)

（1）碲銅合金成份的設(shè)計(jì)。為了優(yōu)化碲銅合金的上引工藝，得到合理的工藝參數(shù)，研究設(shè)計(jì)了6組不同成分的碲銅合金，通過不同工藝參數(shù)下制備的碲銅合金鑄桿情況，優(yōu)化了較佳工藝參數(shù)。其計(jì)算成分和實(shí)測成分如表1所示，從實(shí)測結(jié)果看，采用合理的工藝技術(shù)，在上引生產(chǎn)裝備中可以保證碲元素的穩(wěn)定。

（2）按合金成份進(jìn)行上引鑄造碲銅桿試驗(yàn)。對設(shè)計(jì)的六組不同成分碲銅合金進(jìn)行了上引連鑄試驗(yàn)，合理的上引參數(shù)能保證連續(xù)上引，并且得到表面質(zhì)量較好、性能優(yōu)異的碲銅合金。試驗(yàn)以高純銅（GB/T467-2010）和銅碲中間合金為原料，連續(xù)制備出Ф12.5 mm的碲銅合金桿坯。

（3）按不同的節(jié)距進(jìn)行上引鑄造碲銅桿試驗(yàn)。目前制備碲銅合金的上引工藝尚不成熟，無經(jīng)驗(yàn)可借鑒，為了優(yōu)化其工藝，得到工藝參數(shù)，故本項(xiàng)目研究了在上引連鑄過程中，針對不同成分的碲銅合金設(shè)計(jì)了不同的牽引參數(shù)和節(jié)距，如表2所示，7個不同的節(jié)距和7個不同的牽引速度。6組不同成分的碲銅合金分別在各個節(jié)距下使用不同的牽引速度來制備，觀察鑄桿的質(zhì)量。

4.2.2 不同節(jié)距和速度鑄桿的表面質(zhì)量試驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)前期研究結(jié)論，為了提高生產(chǎn)效率，節(jié)距和牽引速度的選取原則是在能連續(xù)生產(chǎn)出高質(zhì)量的碲銅合金的前提下，節(jié)距和牽引速度越大越好。以Cu-0.7Te合金為例，首先固定節(jié)距為2.0 mm，嘗試8組不同的牽引速度，確定在該節(jié)距下***佳的牽引速度。然后依次在節(jié)距為2.5 mm、2.8 mm、3.0 mm、3.5mm、4.0 mm和4.5 mm下，使用不同的牽引速度，來確定***佳的工藝參數(shù)。如果節(jié)距和牽引速度過大，會導(dǎo)致結(jié)晶器內(nèi)循環(huán)冷卻水冷卻強(qiáng)度過低，容易造成上引桿表面氧化、顏色發(fā)紅、發(fā)暗，如圖3所示。

在一定的冷卻強(qiáng)度以及合理的引鑄溫度下，采用不同的節(jié)距、配合合理的牽引速度，正是體現(xiàn)了對結(jié)晶器內(nèi)凝固前沿加大冷卻強(qiáng)度的措施。試驗(yàn)表明，碲銅合金的上引工藝中，對冷卻強(qiáng)度這一參數(shù)尤為敏感。

4.2.3 不同的“節(jié)間”與“節(jié)上”鑄桿的微觀組織

為了進(jìn)一步觀察上引連鑄狀態(tài)下的碲銅合金組織，尤其是了解碲元素的分布情況，對鑄桿進(jìn)行微觀組織觀察。此外，由于Cu-Te合金上引制備出來的坯料，每個節(jié)距之間能看到較為明顯的痕跡，如圖4 （a）黃色箭頭處，而Te元素銅中容易產(chǎn)生偏析，故選取Te含量較高的Cu-0.3Te合金鑄桿，在鑄桿的“節(jié)”間與“節(jié)”上分別取樣，進(jìn)行金相組織觀察，如圖4（b）和圖4 （c）所示。從圖中可見節(jié)上組織比節(jié)間組織存在更多的黑色顆粒，推測其可能是Te冷卻結(jié)晶時(shí)，容易在節(jié)上偏聚，使得節(jié)距之間能看到較為明顯的痕跡［5］

4.2.4 高導(dǎo)碲銅合金桿上引連鑄參數(shù)

經(jīng)過多次試驗(yàn)，Te含量在0.3%~0.7%的碲銅合金桿，節(jié)距控制在2.0~2.5mm，牽引速度控制在250~300 mm/min；Te含量在0.1%~0.3%的碲銅合金桿，節(jié)距控制在2.5~3.0mm，牽引速度控制在350~450 mm/min之間；Te含量在0.02%~0.1%的碲銅合金桿，節(jié)距控制在3.0~4.0 mm，牽引速度控制在550~650mm/min之間，能連續(xù)不斷的制備出性能優(yōu)異的碲銅合金上引鑄桿。如圖5所示為：Te含量為0.30%，不同節(jié)距和不同牽引速度的碲銅合金（0.3%Te）鑄桿［6］。

5.小結(jié)

（1）采用合適的熔鑄工藝，可實(shí)現(xiàn)不同成分碲銅合金的連續(xù)上引，為下一步連續(xù)擠壓提供合格的連續(xù)坯料，提供了碲銅合金制備新工藝；

（2）碲銅合金上引對冷卻強(qiáng)度和這一參數(shù)尤為敏感，對牽引節(jié)距需要著重控制。

來源：中國知網(wǎng)  作者：魏安祥