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Sì. La lavorazione a freddo solitamente riduce la conducibilità elettrica del rame ad alta conducibilità, aumentandone al contempo la resistenza e la durezza. L'entità della variazione dipende dal grado del rame, dalla deformazione e dal successivo trattamento termico. Per le barre collettrici, specificare il temperamento finale e la conducibilità, non semplicemente “laminato a caldo” o “laminato a freddo”. Una differenza di conducibilità non è una riduzione universale della corrente nominale.
A cura del team editoriale VIOX. Questa è una spiegazione dei materiali basata sulle fonti; le misurazioni storiche, le illustrazioni concettuali e il calcolo illustrativo sottostante non sono risultati di test sui prodotti VIOX.
Perché la lavorazione a freddo modifica la conducibilità del rame
La laminazione a freddo, la trafilatura e la formatura deformano permanentemente il rame al di sotto delle condizioni necessarie per una ricristallizzazione sostanziale. “Freddo” descrive il processo metallurgico, non necessariamente una temperatura ambiente insolitamente bassa. La deformazione modifica la struttura del grano e introduce difetti, comprese le dislocazioni. Queste modifiche possono ostacolare il trasporto degli elettroni rendendo al contempo più difficile un'ulteriore deformazione plastica.
Il compromesso pratico è un aumento della resistenza allo snervamento e della durezza con una certa perdita di conducibilità. L'aumento della resistenza non deve essere confuso con un aumento proporzionale del modulo elastico: una barra di rame più resistente può resistere meglio alla deformazione permanente senza diventare proporzionalmente più rigida elasticamente.
Il Guida al temperamento laminato a freddo della Copper Development Association spiega l'aumento della resistenza a trazione e del carico di snervamento. La sua discussione sulla conducibilità identifica anche una leggera riduzione della conducibilità associata al lavoro a freddo residuo.
Microstruttura concettuale, non un'immagine al microscopio o un confronto misurato della dimensione dei grani. Il diagramma illustra la deformazione; non quantifica la variazione di conducibilità.
Perché la Riduzione Non È una Percentuale Fissa
L'effetto dipende dalla composizione, dalla microstruttura iniziale, dalla quantità e direzione della deformazione e da qualsiasi trattamento termico successivo. Una leggera operazione di finitura e un filo fortemente trafilato non mantengono necessariamente lo stesso stato.
Né la conducibilità è garantita a diminuire monotonicamente attraverso ogni possibile programma di deformazione. Uno studio primario del 2021 su fili di rame a basso tenore di ossigeno ha riportato una diminuzione seguita da un aumento con una sollecitazione di trazione nelle sue condizioni investigate. I bordi dei grani, la tessitura e la ricristallizzazione hanno contribuito alla risposta. Tale esperimento è un avvertimento contro una regola universale, non una procedura consigliata per la lavorazione delle barre collettrice.
Per l'approvvigionamento, una conduttività minima dichiarata per il grado e la tempra finale specificati è più utile di una deduzione presunta da un valore generico di “rame puro”. Per le unità e la base di riferimento, vedere conduttività, resistività e %IACS spiegati.
Rame laminato a caldo vs rame laminato a freddo: confronto dello stato finale
Laminazione a caldo e laminazione a freddo descrivono i percorsi di lavorazione. Ricotto, semiduro e duro descrivono le condizioni del materiale. Le etichette rispondono a domande diverse e un prodotto di rame può attraversare più di un percorso prima della consegna.
La lavorazione a caldo consente il recupero o la ricristallizzazione in condizioni di lavorazione adeguate. Ciò può ridurre l'effetto di incrudimento residuo, ma laminato a caldo non è sinonimo di completamente ricotto. La finitura successiva, la deformazione e la storia termica contano ancora. Al contrario, un prodotto laminato a freddo può essere ricotto successivamente. La guida della Copper Development Association sulla tempra ricotta descrive esplicitamente la ricottura dopo la lavorazione a freddo.
Il seguente confronto presuppone lo stesso grado e composizione del rame, con la conducibilità valutata alla stessa temperatura di riferimento. Fornisce aspettative qualitative, non limiti di accettazione.
| Condizione di fornitura | Ciò che stabilisce l'etichetta del processo | Interpretazione elettrica | Interpretazione meccanica |
|---|---|---|---|
| Rame laminato a caldo | Si è verificata una laminazione ad alta temperatura | L'etichetta da sola non stabilisce la conduttività né dimostra la superiorità rispetto a un altro prodotto consegnato | Verificare la tempra e la resistenza del materiale consegnato; non dare per scontata una condizione completamente ricotta |
| Rame laminato a freddo con incrudimento residuo | La deformazione di laminazione rimane senza sufficiente ricottura successiva per eliminarne l'effetto | La conduttività può essere inferiore rispetto allo stesso materiale in uno stato opportunamente ricotto | La resistenza allo snervamento e la durezza generalmente aumentano; la formabilità può diminuire |
| Rame laminato a freddo, quindi adeguatamente ricotto | La laminazione a freddo è stata seguita da un trattamento termico che ha modificato lo stato residuo | La conducibilità può recuperare verso il valore ricotto del grado; verificare il risultato effettivo | La resistenza dovuta all'incrudimento può essere ridotta e la duttilità ripristinata |
Solo mappa di stato del processo. Le frecce descrivono la sequenza di produzione, non il cablaggio elettrico, la conducibilità misurata o una ricetta di produzione esatta.
Per un confronto di barre, chiedere: I prodotti sono dello stesso grado? Sono stati testati alla stessa temperatura? Qual è il trattamento termico finale? Quale conducibilità minima e quali proprietà meccaniche garantisce ciascun fornitore?
L'aspetto superficiale non è una risposta a queste domande. Una barra laminata a freddo, liscia e brillante, non è automaticamente meno conduttiva, e una superficie lavorata a caldo non è prova di una maggiore conducibilità. La condizione superficiale è importante in una giunzione, ma è distinta dalla proprietà del materiale sfuso.
Cosa mostrano i dati storici di ricottura e trafilatura a freddo
l'articolo di Wolff e Dellinger del 1911, La conducibilità elettrica del rame commerciale, confrontava fili di rame commerciali ricotti e trafilati a freddo.
Questi nella Tabella II significano utilizzare il primo gruppo di campioni del produttore, con una media di tre letture per dimensione del filo anziché utilizzare la media aggregata ricotta stampata. Le differenze vengono calcolate prima dell'arrotondamento.
| Dimensione filo B&S | Media ricotta, base originale di conducibilità percentuale | Media trafilata a freddo, base originale di conducibilità percentuale | Differenza, punti percentuali |
|---|---|---|---|
| N. 6 | 100.18% | 97.78% | 2.40 |
| N. 12 | 100.32% | 97.48% | 2.84 |
| N. 18 | 100.19% | 97.10% | 3.09 |
Il documento abbina le letture dello stesso lotto di materiale. Avverte che le prove N. 6 e N. 18 erano limitate e le pratiche di disegno hanno influenzato la tendenza delle dimensioni. Ciò non stabilisce una regola intrinseca sul diametro del filo.
Due limiti di interpretazione sono essenziali. Primo, sottrarre due letture di conducibilità percentuale produce punti percentuali, non automaticamente la perdita percentuale relativa. Secondo, la tabella utilizza il riferimento storico di resistività di massa del documento a 20 gradi Celsius. Precede il riferimento IACS stabilito nel 1913, quindi queste letture non devono essere semplicemente etichettate come IACS moderni. È un confronto tra filo ricotto e filo trafilato a freddo, non un test di sbarre laminate a caldo rispetto a quelle laminate a freddo.
Cosa significa una variazione di conducibilità per le perdite delle barre collettrice
La conducibilità influisce sulla resistenza di massa attraverso la lunghezza e la sezione trasversale del conduttore:
R = L / (sigma x A)
P = I^2 x RQui, R è la resistenza in ohm, L è la lunghezza in metri, sigma è la conducibilità elettrica volumetrica in siemens per metro, Un è l'area della sezione trasversale in metri quadrati, e P è la perdita di potenza resistiva in watt alla corrente I in ampere.
Esempio illustrativo DC: 100% vs 97% IACS
Supponiamo due conduttori in rame, rettilinei e uniformi, con geometria identica, entrambi valutati a 20 gradi Celsius:
- Lunghezza: 1 metro.
- Sezione trasversale: 100 millimetri quadrati, ovvero
0,0001 m^2. - Corrente: 200 A DC.
- Conduttore A: un ipotetico
58 MS/m, approssimativamente 100% IACS. - Conduttore B: un ipotetico
0,97 x 58 = 56,26 MS/m, approssimativamente 97% IACS.
Questi sono input di calcolo dichiarati, non valori VIOX misurati o una ricostruzione della tabella storica. Rappresentano la scala di una differenza di conducibilità discussa nell'indipendente guida Copper for Busbars, sezione 1.2.2.1.2.
R_A = 1 / (58.000.000 x 0,0001)
= 0,000172414 ohm
R_B = 1 / (56.260.000 x 0,0001)
= 0,000177746 ohm
R_B / R_A = 100 / 97 = 1,03093| Quantità calcolata | Conduttore A | Conduttore B |
|---|---|---|
| Resistenza di massa | 172,41 microohm | 177,75 microohm |
| Perdita di potenza a 200 A | 6,90 W | 7,11 W |
| Caduta di tensione a 200 A | 34,48 mV | 35,55 mV |
In base a tali presupposti, il conduttore B presenta approssimativamente 3,09% in più di resistenza e perdite resistive, un aumento di circa 0,21 W sulla sezione di un metro. La conducibilità e la resistività sono grandezze reciproche, quindi l'aumento di resistenza non corrisponde esattamente alla differenza di conducibilità del tre percento.
Questo esempio isola il comportamento del materiale sfuso. Esclude giunzioni, fori, sezioni trasversali variabili, effetti pelle e di prossimità AC e l'aumento di resistenza dovuto al riscaldamento dei conduttori. Non è una previsione della temperatura operativa, un calcolo dell'aumento di temperatura ammissibile o una valutazione validata di 200 A.
Perché questo non stabilisce una riduzione di corrente ammissibile
La corrente ammissibile di una barra colletttrice dipende dalla generazione e dalla dissipazione del calore, dai limiti di temperatura operativa, dalle dimensioni, dalle condizioni dell'involucro e dai collegamenti. La conducibilità del materiale è un input. Una variazione di conducibilità di tre punti non può essere trasformata in una riduzione universale del tre percento della corrente nominale.
Anche la resistenza meccanica è importante. Una condizione morbida scelta solo per la conducibilità potrebbe non soddisfare la resistenza alla deformazione permanente o i vincoli di formatura del progetto. Una condizione più dura potrebbe essere utile, a condizione che le prove elettriche e meccaniche supportino l'assemblaggio. Le prestazioni in caso di cortocircuito richiedono la valutazione dell'intero sistema, non un'etichetta di tempra.
Per la distribuzione modulare, il Guida alla selezione delle barre collettrici per interruttori magnetotermici (MCB) copre la compatibilità e le caratteristiche dei dispositivi. Tali controlli rimangono necessari anche quando la conducibilità del rame è nota.
Specificare lo stato del materiale, quindi verificare la barra collettrice
Per barre colletttrice in rame, barre di terra o neutre in rame e parti di morsetti in rame, richiedere prove che identifichino la condizione di fornitura. Un utile registro del materiale dovrebbe includere:
| Prove da richiedere | Domanda a cui risponde |
|---|---|
| Grado del rame e specifica del materiale applicabile | Le parti confrontate sono effettivamente dello stesso materiale, anziché essere entrambe descritte come rame? |
| Stato finale o designazione della condizione di consegna concordata | Il lavoro a freddo è mantenuto, parzialmente alleviato o seguito da ricottura? |
| Conducibilità minima o resistività massima, con temperatura di riferimento | Quale proprietà elettrica è garantita per questa qualità e condizione? |
| Proprietà meccaniche appropriate per il pezzo | Lo stato fornito soddisfa i requisiti pertinenti di resistenza e formatura? |
| Dimensioni finite e tolleranze pertinenti | La sezione conduttrice effettiva corrisponde al calcolo della resistenza? |
| Metodo di prova, base di campionamento e tracciabilità dei lotti | La proprietà dichiarata può essere collegata al materiale consegnato? |
Una superficie lucidata o una lettura di durezza da sole non stabiliscono la conducibilità elettrica. Allo stesso modo, un certificato di materia prima non può di per sé verificare l'innalzamento di temperatura della barra collettrice finita, la compatibilità dei morsetti o le prestazioni di cortocircuito dell'assemblaggio.
Mantenere separata la resistenza del bulk e quella del giunto. Se il riscaldamento è concentrato in una connessione, cambiare la tempra del rame non sostituisce il controllo di tale interfaccia. Il surriscaldamento del giunto della barra collettrice in rame affronta la pressione di contatto, il degrado e gli effetti della temperatura; tali meccanismi sono diversi dalla variazione di conducibilità in una barra integra.
Non riscaldare una barra collettrice installata per cercare di recuperare la conducibilità. Un trattamento termico del materiale può alterare le proprietà meccaniche, le dimensioni, la placcatura e l'isolamento adiacente. Qualsiasi ricottura necessaria appartiene a una specifica di produzione controllata, seguita dalla verifica del pezzo finito.
Per un contesto di sistema più ampio, utilizzare la panoramica delle barre collettrrici. Durante la valutazione delle barre collettrrici VIOX MCB, richiedere la documentazione esatta del materiale e del prodotto del modello specifico anziché assegnare una conduttività o una corrente nominale da questo esempio.
La specifica dovrebbe descrivere quanto viene consegnato: grado del rame, tempra finale, proprietà elettriche e requisiti meccanici. “Laminato a caldo” e “laminato a freddo” sono informazioni utili sul processo, ma nessuno dei due sostituisce tale prova.
Fonti
- Wolff, F. A., e Dellinger, J. H. (1911), La conducibilità elettrica del rame commerciale, Tabella II e discussione di abbinamenti campione, pratiche di disegno e conducibilità percentuale.
- Copper Development Association / European Copper Institute (2014), Copper for Busbars: Guidance for Design and Installation, conducibilità, proprietà meccaniche e principi di capacità di trasporto di corrente. Questa edizione costituisce uno sfondo tecnico, non una dichiarazione dei requisiti di progetto obbligatori attuali.
- Yang e colleghi (2021), Effect of cold drawing strain on the microstructure, mechanical properties and electrical conductivity of low-oxygen copper wires, ricerca primaria sulle condizioni di lavorazione del filo investigate.
- Copper Development Association, Tempre Ricotte, Tempre Laminate a Freddo, e Discussione sulla Conducibilità.
- Copper Development Association (2006), Leghe ad Alto Contenuto di Rame, sezione Conducibilità/Resistività Elettrica, solo per la data di riferimento IACS e la base di 58 MS/m.
