无氧铜的熔炼工艺

无氧铜（oxygen-free copper）

根据含氧量和杂质含量，无氧铜又分为一号和二号无氧铜。一号无氧铜纯度达到99.97%，氧含量不大于0.003%，杂质总含量不大于0.03%；二号无氧铜纯度达到99.95%，氧含量不大于0.005%，杂质总含量不大于0.05%。

无氧铜无氢脆现象，导电率高，加工性能和焊接性能、耐蚀性能和低温性能均好。各国对于含氧量的标准也不*相同，存在一定的差异。

OFC（无氧铜）：纯度为99.995% 的金属铜。一般用于音响器材、真空电子器件、电缆等电工电子应用之中。其中无氧铜中又有 LC-OFC（线形结晶无氧铜或结晶无氧铜）：纯度在99.995%以上和OCC（单晶无氧铜）：纯度最高，在99.996%以上，又分为PC-OCC和UP-OCC 等。

采用UP-OCC技术（Ultra Pure Copper by Ohno Continuous Casting Process）制造的单结晶无氧铜，无方向性、高纯度、防腐蚀、极低的电气阻抗使得线材适合高速优质的传输信号。 [1] 

严格区分，无氧铜应分为普通无氧铜和高纯无氧铜。普通无氧铜可以在工频有铁心感应电炉中进行熔炼，高纯无氧铜的熔炼则应该在真空感应电炉中进行。

采用半连续铸造方式时，熔体在熔炼炉和保温炉内的精炼过程可以不受时间约束。连续铸造则不同，铜液的质量不仅依赖于熔炼炉和保温炉的精炼质量，更重要的是还需要依赖于整个系统和全过程的稳定性。

为了不使熔体被污染，无氧铜熔炼一般不采用任何添加剂的方式熔炼和精炼，熔池表面覆盖木炭以及所形成的还原性气氛是普遍采用的熔炼气氛。

熔炼无氧铜的感应电炉应该具有良好的密封性。

熔炼无氧铜应该以优质阴极铜作为原料。熔炼高纯无氧铜，应该以高纯阴极铜作为原料。阴极铜在进入炉膛之前，如果先经过干燥和预热，可以除去其表面可能吸附的水分或潮湿空气。

熔炼无氧铜时炉内熔池表面上覆盖的木炭层厚度，应该比熔炼普通纯铜时加倍，并需要及时更新木炭。木炭覆盖尽管有许多优点，例如保温、隔绝空气和还原作用，然而它同时存在一定的缺点。例如木炭容易吸附潮湿空气，甚至直接吸收水分，从而成为可能使铜液大量吸收氢的渠道。

木炭或一氧化碳对氧化亚铜具有还原作用，但对于氢则*无能为力。因此，木炭在加入炉内之前，应该进行仔细挑选和煅烧。

在熔炼、转注、保温以及整个铸造过程中，对熔体采取全面的保护是无氧铜生产的必要条件。许多现代化的无氧铜熔炼铸造生产线，不仅熔炼，包括炉料的干燥预热、转注流槽、浇注室等都采取了全面的保护。

现代化的大型无氧铜生产线，有些是以发生炉煤气作为保护性气体，而煤气发生炉则大都以天然气为原料。

国外普遍采用的一种保护性气体的制造方法是：首先使硫含量比较低的天然气和94%～96%甲烷用理论值空气进行燃烧，以氧化镍为媒介除去氢，制成的气体主要由氮和碳酸气组成。然后，通过热木炭使碳酸气变成一氧化碳，得到含一氧化碳为20%～30%，其余为氮的无氧气体。

除发生炉煤气外，也有采用氮、一氧化碳或氩等气体作为无氧铜熔体保护或精炼用介质材料。 [2] 

真空熔炼应该是熔炼高品质无氧铜的最好选择。

真空熔炼不仅可以使氧含量大大降低，同时也可以使氢以及某些其他杂质元素的含量亦同时大大降低。

在真空中频无芯感应炉内熔炼时，多采用石墨坩埚和选用经过两次精炼的高纯阴极铜或重熔铜作为原料。与阴极铜一起装入炉内的，还包括用以脱氧的鳞片状石墨粉。其实，脱氧主要是通过石墨坩埚材料中的碳进行。碳的消耗量，可以通过计算得知，例如1 kg铜消耗100 g碳。经验表明，开始时铜液中氧含量越高，熔炼初期脱氧反应进行得越迅速。

通过真空熔炼获得的无氧铜，其氧含量可以低于0.0005%，氢含量低于0.0001%～0.0003%。实际上，只有在一定的真空度下熔炼和铸造的铜，才可能获得*不含氧和其他气体的铸件，因此生产电子管用铜材所用真空炉的真空度应在10-6以上。[2] 

氧铜杆和无氧铜杆由于制造方法的不同，致使存在差别，具有各自的特点。

1）关于氧的吸入和脱去以及它的存在状态

生产铜杆的阴极铜的含氧量一般在10～50ppm，在常温下氧在铜中的固溶度约2ppm。低氧铜杆的含氧量一般在200（175）～400（450）ppm，因此氧的进入是在铜的液态下吸入的，而上引法无氧铜杆则相反，氧在液态铜下保持相当时间后，被还原而脱去，通常这种杆的含氧量都在10～50ppm以下，可达1～2ppm，从组织上看，低氧铜中的氧，以氧化铜状态，存在于晶粒边界附近，这对低氧铜杆而言可以说是常见的但对无氧铜杆则很少见。氧化铜以夹杂形式在晶界出现对材料的韧性产生负面影响。而无氧铜中的氧很低，所以这种铜的组织是均匀的单相组织对韧性有利。在无氧铜杆中的多孔性是不常见的，而在低氧铜杆中则是常见的一种缺陷。

2）热轧组织和铸造组织的区别

低氧铜杆由于经过热轧，所以其组织属热加工组织，原来的铸造组织已经破碎，在8mm的杆时已有再结晶的形式出现，而无氧铜杆属铸造组织，晶粒粗大，这是为什么，无氧铜的再结晶温度较高，需要较高退火温度的固有原因。这是因为，再结晶发生在晶粒边界附近，无氧铜杆组织晶粒粗大，晶粒尺寸甚至能达几个毫米，因而晶粒边界少，即使通过拉制变形，但晶粒边界相对低氧铜杆还是较少，所以需要较高的退火功率。对无氧铜成功的退火要求是：由杆经拉制，但尚未铸造组织的线时的第一次退火，其退火功率应比同样情况的低氧铜高10～15%。经继续拉制，在以后阶段的退火功率应留有足够的余量和对低氧铜和无氧铜切实区别执行不同的退火工艺，以保证在制品和成品导线的柔软性。

3）夹杂，氧含量波动，表面氧化物和可能存在的热轧缺陷的差别

无氧铜杆的可拉性在所有线径里与低氧铜杆相比都是*的，除上述组织原因外，无氧铜杆夹杂少，含氧量稳定，无热轧可能产生的缺陷，杆表氧化物厚度可达≤15A。在连铸连轧生产过程中如果工艺不稳定，对氧监控不严，含氧量不稳定将直接影响杆的性能。如果杆的表面氧化物能在后工序的连续清洗中得以弥补外，但比较麻烦的是有相当多的氧化物存在于“皮下"，对拉线断线影响更直接，故而在拉制微细线，超微细线时，为了减少断线，有时要对铜杆采取不得已的办法——剥皮，甚至二次剥皮的原因所在，目的要除去皮下氧化物。

4）低氧铜杆和无氧铜杆的韧性有差别

两者都可以拉到0.015mm，但在低温超导线中的低温级无氧铜，其细丝间的间距只有0.001mm.

5）从制杆的原材料到制线的经济性有差别。

制造无氧铜杆要求质量较高的原材料。一般，拉制直径>1mm的铜线时，低氧铜杆的优点比较明显，而无氧铜杆显得更为*的是拉制直径<0.5mm的铜线。

6）低氧铜杆的制线工艺与无氧铜杆的有所不同。

低氧铜杆的制线工艺不能照搬到无氧铜杆的制线工艺上来，至少两者的退火工艺是不同的。因为线的柔软性深受材料成份和制杆，制线和退火工艺的影响，不能简单地说低氧铜或无氧铜谁软谁硬。 [3] 

铜具有高的电导率和热导率、良好的可焊性、优良的塑性和延展性、的冷加工性能且无磁性，而弥散无氧铜又克服了退火后屈服强度较低和高温下抗蠕变差的缺点，具有高温、高强度和高热导率的特性，受到电子材料专家的高度重视。铜及其合金已在电子工业中得到广泛应用，在真空电子器件中，无氧铜已居该领域中七大结构材料中用量。

含氧量是无氧铜最重要的性能之一，由于氧和铜固熔量很小，因而无氧铜中之氧，实际是以Cu2O形式而存在。在高温下，氢以很大的速度在铜中扩散，遇到Cu2O并将其还原，产生大量的水蒸气。水蒸气的数量比例于铜的含氧量。例如，0.01%含氧量的铜，退火后，在100g铜中会形成14cm3的水蒸气，该水蒸气不能经致密铜而扩散，因而在存在Cu2O的地方，会产生几千兆帕压力，从而使铜破坏并产生脆裂和失去真空致密。因而，对氧含量必须进行严格限制。