李雪亮 韩秋水 郑逢泰 段四华
广东龙丰精密铜管有限公司 广东珠海519000）
摘要：本文就电子用散热器热管的工作特性及原理，结合现有的制冷用铜管设备做出适当工艺改进调整，根据对热管用高性能无氧铜管市场发展需求，通过对现有规格和工艺的改良，提供一种新的产品方案适应市场需求。
关键词：热管 ；稀土；水平连铸 ；轧制 ；成型 ；沟槽管
1、引言
热管，又叫超导管或热导管。热管（heat pipe）技术以前被广泛应用在宇航、军工等行业，自从被引入散热器制造行业，主要应用在电脑CPU散热器和显卡散热器，摆脱了单纯依靠高风量电机来获得更好散热效果的单一散热模式，采用热管技术使得散热器即便采用低转速、低风量电机，同样可以得到满意效果，使得困扰风冷散热的噪音问题得到良好解决，开辟了散热行业新天地。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。
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，其材质要求为无氧铜C1020，供货状态为半硬态，包括热管平滑管和沟槽管。平滑管又叫烧结管，其和沟槽管制作的热管工作过程和原理是一样的。在热管制作方面，烧结管的制程要复杂与沟槽管，成本上要高于沟槽管，在传导功率上要优于沟槽管。但在导热稳定性上沟槽管不同的工况条件下要优于烧结管。所以，根据客户的产品整体设计使用和成本要求，如何设计和优化改善出更高性能无氧铜沟槽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和成分的控制、行星轧制工艺制定以及沟槽管齿肋成形模具参数的设计。
2.热管用高性能无氧铜管管坯的生产工艺、方法
根据热管用无氧铜的研究，对比进口材料的分析。管材的材质要求一是材料的技术性能，二是工艺性能。技术性能主要是导热性好、传热功率高（>30w）、高温中运行不熔爆、使用寿命长（>5年）；工艺性能主要是烧结管母管经980℃高温烧结后，折弯和打扁不起皱不凹陷，依然保持管材表面平整。沟槽管表现在导热效率高，液体阻力小，回流快，有足够的毛细力，弯管后性能依旧不变。
影响技术性能的关键在于成分的控制，影响工艺性能的关键在于晶粒的控制。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，优化开发一套热管用高性能铜管的生产工艺。我司从2005年开始研制高纯无氧铜材料，实际生产时能够从TP2铜管的生产线快速转换成无氧铜管的生产线。
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生产热管用无氧铜管沟槽管的生产工艺（如图一），依次包括如下步骤：熔炼、水平连铸、铣面、三行星轧制、二联拉伸、盘拉、在线退火、精整、退火、空拉、校直切割、包装入库。其特征在于，相比于在传统的制冷用内螺纹的生产工艺的基础上改良增加退火工序后软态铜管通过空拉和矫直锯切工序，实现满足客户需求的半硬态直管打包入库。
所述熔炼、水平连铸、内螺纹成型、中间退火、空拉和矫直锯切工序具体如下：
1)、熔炼：a、原材料：采用江铜、贵冶等高品质厚铜板，此种铜板纯度高。对铜板进行预处理，清除氧化物，切边；b、在TP2铜液中持续加入高纯度的电解铜板，同时连续牵铸铸坯对炉体进行清洗，以此稀释降低铜液中的P含量。c、添加稀土，稀土的加入对铜液有明显的的脱氧和除氢作用。稀土与铜液中多种杂质元素发生反应，形成高熔点稀土稀土化合物，并作为熔渣清除掉，已达到净化精炼的作用，同时改善铸坯的晶粒，有助于细化；d、采用优质木炭，覆盖。
2)、水平连铸：a、提高铸造温度至1130～1180℃，提高铜液的流动性；b、对石墨结晶器的进液孔进行改造，进液孔位置由端部转移到结晶器外壁，实现铜液的旋转流动，一方面使铜液凝固时的温度和成分更加均匀，另一方面也细化铸坯晶粒，使铸坯的组织更均匀；c、控制一次冷却水进出水温差，通过调节一次冷却水的流量使冷却水进出水温差控制在≤25℃，铸坯表面均匀；d、降低铸坯的拉伸速度；
3)、内螺纹成型：选择转速为20000r/min的高速电机，拉拔速度控制在21～27m/min，旋模比(二者的比值)控制在800～900之间；
4)、中间退火：经精整分盘后采用辊底式退火炉进行热处理，退火温度为380℃，退火过程中炉内充氮气保护铜管；
5)、空拉：在铜管内部不放入芯头的情况下直接将铜管经减径模拉伸减径，减径量一般为15～18％，经空拉后无氧铜管的硬度上升至95～105HV之间，由软态变为半硬态；
6)、校直切割：将空拉后的无氧铜管经校直切割，获得定长的直管。
3.热管用高性能无氧铜管的铸坯成分控制、熔铸工艺技术与产品优化
3.1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 1170℃，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，向液面加入稀土并在铜熔体表面覆盖较厚一层木碳 。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+C Cu+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+O2=P2O5。
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 ：3.0~9.3ppm。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。
3.4热管用沟槽管成形工艺
3.4.1 Φ6×0.30×0.25 沟槽管成形工艺
为了实现沟槽管更好的吸水导热效果，达到足够大的毛细力和足够小的流动阻力，通过改进和优化现有常用产品Φ6×0.30×0.25×55齿验证，从而进一步提高市场竞争力满足客户需求。影响沟槽管导热性能的齿形参数主要涉及底壁厚、齿高、齿条数、沟槽直度和槽底宽。
表1 龙丰Φ6*0.30*0.25*55齿沟槽管齿形参数
外径 6mm
底壁厚 0.30mm
尺高 0.25mm
齿条数 55
沟槽直度 0.2°
槽底宽 0.18mm
表2 优化后沟槽管成型工艺
铜管管坯/mm Φ10.5*0.43
外模/mm 9.38
游动芯头/mm 8.42/9.46
旋压环/mm 34.38
钢球/mm 12.7*5
螺纹芯头/mm Φ8.4*0.23*5*18*68*Φ4*R
预定径模/mm 8.28
定径模/mm 8.05
拉拔速度/（m/min） 40
旋模比 650
通过从定径模开始优化设计，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。先经成型机旋压和预定径成 Φ8.28，再重新上成型机定径空拉至 Φ6，成功试制出优化后的沟槽管，从而最终确定Φ6×0.30×0.25×68齿沟槽管成形工艺如表 3 所示。
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3.4.2实验结果
（1）各项性能测试结果。
外径（6±0.03）：6.01mm，壁厚（0.3±0.02）：0.298mm ；抗拉强度（≥ 260）：293MPa，维氏硬度（90~110）：105HV， 铜 含 量（ ≥ 99.97%）：99.999%， 氧 含 量（ ≤ 10ppm）：5.2ppm， 齿 高（0.25±0.2）：0.246mm，齿数（68）:68，螺旋角（0±2°）：0°，齿顶角（10~20°）：17°。该型参数的产品经成品检测其原材吸水率明细加快，提高了成品导热效率和工作功率。
4.结语
本工艺将原有TP2铜管的生产线通过增加“洗炉降磷”、“水平连铸”、“内螺纹成型”、“中间退火”、“空拉”、“矫直锯切”等制程，即可快速转换为生产TU铜管的生产线，对于铜管生产厂而言，可在同一生产线上同时生产两种产品，大大节约生产成本，提高生产效率。并且还能获得高品质的热管素材铜管。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Φ6×0.30×0.25-68 沟槽管生产工艺技术规范。
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