一種高導電率的高強度銅鉻鋯合金細線導體的製備方法
2023-05-31 02:53:06 2
一種高導電率的高強度銅鉻鋯合金細線導體的製備方法
【專利摘要】本發明涉及材料加工【技術領域】，特別是涉及一種高導電率的高強度銅鉻鋯合金細線導體的製備方法。本發明提供一種高導電率的高強度銅鉻鋯合金細線導體的製備方法，其主要工藝過程包括合金熔煉製坯、杆坯及線坯冷變形加工、多級固溶、時效處理等工序。本發明通過特定製備配方及熔煉工藝獲得的銅鉻鋯合金杆坯，在多級軋制、拉拔冷加工過程中，逐級開展固溶、時效熱處理工藝，以有效控制銅鉻鋯合金加工過程中的析出相的尺寸、形態及其分布，從而，既提高了材料的力學性能，還保持了銅基合金的良好的導電性能。
【專利說明】一種高導電率的高強度銅鉻鋯合金細線導體的製備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及材料加工【技術領域】，特別是涉及一種高導電率的高強度銅鉻鋯合金細線導體的製備方法。
【背景技術】
[0002]電纜是由內層導體材料及外層絕緣材料組成，導體材料基本採用銅線、銅合金線、以及鋁、鋁合金線製成。目前，使用最為廣泛的電纜導體材料為退火軟態銅線和未退火的硬態銅線，相關產品標準GB/T3953《電工圓銅線》標準中，軟態銅線主要性能指標為20°C的直流電阻率0.017241 Q ? mm2/m,即導電率100%IACS，軟態銅線很低且在使用中不受力，因此對強度不作要求，延伸率大於10% ;硬態銅線主要性能指標為20°C的直流電阻率
0.01777 Q即導電率97%IACS,強度在270~420MPa,但伸長率只有0.5~0.7%。隨著我國航天航空製造裝備業的快速發展，對相關配套的電纜產品提出了高強度、高導電性、高伸長率的技術要求，常規的銅線無法滿足要求。目前國內外普遍採用銅合金線材作為該類電纜的導體材料，相關的國際通行標準為美標ASTMB624-99標準，其中規定的電子用高強度高導電銅合金的最低性能需達到414MPa，導電率需不小於85%，伸長率7~9%。
[0003]目前國內實現航天航空領域內大量的線纜產品中的導體材料仍主要應用純銅材料，國內企業尚不具備相關高強高導的高性能銅合金材料的製造能力。近幾年國內企業仿製的航天航空用線纜產品，其中使用的芯線導體材料全部為進口自日本、歐洲，而所進口的芯線材料通常都是國外高性能導體材料中的中下等產品。國內企業只是進行少量的合金線坯的後道次拉拔、絞合、成纜加工，產品技術附加值及經濟附加值都很低，生產出的線纜產品的性能指標與國外大型線纜企業的先進產品存在一定的差距，無法提供滿足我國航天航空工業發展的需要。
[0004]要滿足航天航空工業對高導高強導電材料的需要，國內外工程技術人員都在致力於銅合金導電材料的研製。固溶析出強化型的銅鉻鋯合金系列的導電材料的出現，使高導高強的銅合金導電材料的研究取得了突破性的進展，為滿足航天航空工業需要指出了方向。專利CN1811998A公開了高強高導銅合金的製備技術，所涉及的產品性能中導電率達到77~84%IACS ;專利CN101386925A公開了 Cu-Cr-Zr合金製備工藝，所涉及的產品性能中導電率達到77~84%IACS ;專利CN1769507A公開的一種高強度高導電銅合金及其製備方法，產品性能中導電率在75%~80%IACS，伸長率不小於5% ;可以看到，以上專利所開發的產品性能與美國ASTMB624-99標準的要求相比，導電率指標還沒有達到大於85%IACS的指標。專利CN11488770A公開了高強高導電銅基合金材料，其性能中導電率達到75%~90%IACS，但未涉及到線徑範圍在0 0.05mm~①1.30mm的線材製備技術。
[0005]可以看到，對於銅鉻鋯合金材料簡單地採用一次固溶-時效處理往往很難做到強度與導電率二項指標兼顧的同時獲得更高導電性能的目的，提高了強度，就無法得到導電率的高指標。劉平等(《新型銅鉻系合金近期製備技術》，科學出版社，北京，2007年，P277-282)提出了熱處理與冷加工相結合的處理方法，並採用二級變形時效的技術實現了較好的高強度和高導電率的兼顧，但未考慮進行二次固溶處理，材料性能中抗拉強度在500MPa以上，但導電率仍只達到80-85%IACS。
【發明內容】
[0006]鑑於以上所述現有技術的缺點，本發明提供了一種在冷加工過程中採用多級固溶、時效處理的材料加工方法，獲得高導電率和優良的抗拉強度、延伸性能的一種銅鉻鋯合金細線導體，其導電性能接近純 銅水平，抗拉強度優於硬態純銅的指標，並達到了美國ASTMB624-99標準的要求。
[0007]為實現上述目的及其他相關目的，本發明第一方面提供一種高導電率的高強度銅鉻鋯合金細線導體的製備方法，通過特定製備配方及熔煉工藝獲得的銅鉻鋯合金杆坯，在多級軋制、拉拔冷加工過程中，逐級開展固溶、時效熱處理工藝，以有效控制銅鉻鋯合金加工過程中的析出 相的尺寸、形態及其分布，從而在提高了材料的力學性能，還保持了銅基合金的良好的導電 性能。
[0008]優選的，在所述高導電率的高強度銅鉻鋯合金細線導體的製備方法中，當銅鉻鋯合金細線導體成形達到最終尺寸後，再進行二次最終時效處理，使細線產品的導電、力學性能達到二者兼顧的目標，滿足美國ASTMB624-99標準的要求。
[0009]優選的，所述高導電率的高強度銅鉻鋯合金細線導體的製備方法，其主要工藝過程包括合金熔煉製坯、杆坯及線坯冷變形加工、多級固溶、時效處理等工序，包括如下步驟:
[0010]I)按照質量百分數採用電解銅板、Cu-Cr中間合金和Cu-Zr中間合金進行配料，按原料總質量計，Cr含量為0.10~0.75%，Zr含量為0.01~0.10%，其餘為Cu ；
[0011]2)將電解銅板置於真空感應熔煉爐坩堝內，在真空條件下加熱熔化電解銅板，銅液溫度加熱到1200~1250°C時，將Cu-Cr中間合金、Cu-Zr中間合金投入銅液中，保溫靜置；
[0012]3)在真空條件下將銅合金液倒入真空保溫爐內，在保溫爐內衝入惰性氣體，進行水平連續鑄造，鑄造速度在250-350mm/min，得到Φ6-20πιπι的連續鑄杆；
[0013]優選的,鑄造速度在300mm/min,得到Φ 8或16mm的連續鑄杆；
[0014]4)將步驟(3)所得鑄杆分別進行變形量≥40%的一級冷加工，變形量≥40%的二級冷加工及變形量> 60%的三級冷加工，在各道次冷加工之間共進行2次固溶處理和2次時效處理，固溶處理的溫度為900~980°C，保溫時間≤4h，時效處理的溫度為360~490°C，保溫時間≤6h，製得線坯；
[0015]優選的一級冷加工採用軋制方式進行，二級、三級冷加工採用拉拔方式進行；
[0016]5)將步驟(4)所得線坯採用拉拔的方式變形，製得銅鉻鋯合金細線；將製得的銅鉻鋯合金細線進行最終時效處理，溫度360~490°C，保溫不超過6h，最終獲得高導電率的高強度銅鉻鋯合金成品細線導體。
[0017]優選的，所述步驟(1)中，所述電解銅板的銅含量≥ 99.95wt%，所述Cu-Cr中間合金成分為:Cu_8~12wt%Cr,所述Cu-Zr中間合金成分為:Cu_35~45wt%Zr。
[0018]更優選的，所述Cu-Cr中間合金成分為:Cu-10wt%Cr,所述Cu-Zr中間合金成分為:Cu-40wt%Zro[0019]優選的，所述步驟(2)中，電解銅板投料前，進行切條和烘乾處理。
[0020]優選的，所述步驟(2)和(3)中，真空條件為:真空度≤lX10_2Pa。
[0021 ] 優選的，所述步驟(2 )中，Cu-Cr中間合金、Cu-Zr中間合金投料前，進行切塊和烘乾處理。
[0022]優選的，所述步驟(2)中，將Cu-Cr中間合金、Cu-Zr中間合金投入銅液中後，保溫靜置時間為15~30分鐘。
[0023]優選的，所述步驟(3)中，在真空條件下將銅合金液倒入真空保溫爐內時，下方落差≥0.5mο
[0024]優選的,所述步驟(3)中，惰性氣體選自氮氣或氬氣。所述氮氣優選為高純氮氣，所述氬氣優選為高純氬氣。
[0025]優選的，所述步驟(4)中，固溶處理和時效處理的具體順序為:在一級冷加工後進行固溶處理，在二級冷加工後進行時效和固溶熱處理，在三級冷加工後進行時效處理。
[0026]優選的，所述步驟(5)所得銅鉻鋯合金細線的直徑為Φ 1.30-0.05mm;優選為Φ 1.05-0.079mm。
[0027]本發明第二方面提供所述高導電率的高強度銅鉻鋯合金細線導體的製備方法在電纜導體材料製備領域的用途。
[0028]本發明所提供的高導電率的高強度銅鉻鋯合金細線的製備方法可以製備獲得線徑範圍在Φ0.050mm~Φ 1.30mm,導電率達到90~95%IACS，抗拉強度達到414~450MPa，斷裂伸長率8~12%的銅鉻鋯合金細線導體，該製備方法實現了銅鉻鋯合金製成的細線作為導體材料時，具有接近於純銅材料的導電性能(達90%IACS以上)，同時具有較高的抗拉強度和良好的延伸性能，有效地降低使用時的電能損耗，保證使用中的運行安全性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0029]圖1是製備這種高導電率的高強度銅鉻鋯合金細線的工藝流程圖。
【具體實施方式】
[0030]以下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點與功效。本發明還可以通過另外不同的【具體實施方式】加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基於不同觀點與應用，在沒有背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。
[0031 ] 須知，下列實施例中未具體註明的工藝設備或裝置均採用本領域內的常規設備或裝置；所有壓力值和範圍都是指絕對壓力。
[0032]此外應理解，本發明中提到的一個或多個方法步驟並不排斥在所述組合步驟前後還可以存在其他方法步驟或在這些明確提到的步驟之間還可以插入其他方法步驟，除非另有說明；還應理解，本發明中提到的一個或多個設備/裝置之間的組合連接關係並不排斥在所述組合設備/裝置前後還可以存在其他設備/裝置或在這些明確提到的兩個設備/裝置之間還可以插入其他設備/裝置，除非另有說明。而且，除非另有說明，各方法步驟的編號僅為鑑別各方法步驟的便利工具，而非為限制各方法步驟的排列次序或限定本發明可實施的範圍，其相對關係的改變或調整，在無實質變更技術內容的情況下，當亦視為本發明可實施的範疇。
[0033]實施例1
[0034]所製備的合金採用電解銅板及Cu-Cr、Cu-Zr中間合金按照質量百分數配料，Cr含量為0.65%, Zr含量為0.06%，其餘為Cu。
[0035]1.所採用的電解銅板的銅含量不低於99.95%，中間合金成分為:Cu_10%Cr、Cu-40%Zr。電解銅板切條、烘乾置於真空感應熔煉爐中坩堝內，將銅-鉻、銅-鋯中間合金切塊、烘乾放於投料機構中，在真空度不超過I X KT2Pa條件下，開始感應加熱熔化電解銅，銅液溫度加熱到1250°C，通過投料機構將銅-鉻、銅-鋯中間合金塊投入銅液當中，將中間合金塊溶入銅液中，保溫20分鐘。在真空狀態下將銅合金液倒入下方落差不小於0.5m的真空保溫爐內，在保溫爐內衝入高純氮氣或氬氣，進行水平連續鑄造，鑄造速度在300mm/min，得到16mm的連續鑄杆；
[0036]2.將所得鑄杆採用軋制的方法進行變形量60%的冷加工和進行固溶處理，而後採用拉拔方式進行60%冷加工和固溶+時效熱處理，而後採用拉拔方式進行變形量為85%的冷加工和時效處理獲得線坯；所述各固溶處理溫度在950~980°C，保溫I~2h，時效處理溫度400~450°C，保溫3~6h ;
[0037]3.將所得線坯採用拉拔的方式變形，製得(60.127mm成品規格的銅鉻鋯合金細線.[0038]4.將所製得(60.127_成品規格的銅鉻鋯合金細線，進行最終時效處理，溫度在490°C，保溫lh，最終獲得高導電率的高強度銅鉻鋯合金成品細線導體。
[0039]這種銅鉻鋯合金成品細線導體的主要性能指標可達到:20°C的導電率達到95.0%IACS，抗拉強度達到416MPa，斷裂伸長率達到8%。
[0040]實施例2
[0041]所製備的合金採用電 解銅板及Cu-Cr、Cu-Zr中間合金按照質量百分數配料，Cr含量為0.16%, Zr含量為0.09%，其餘為Cu。
[0042]1.所採用的電解銅板的銅含量不低於99.95%，中間合金成分為:Cu_8%Cr、Cu-35%Zr0電解銅板切條、烘乾置於真空感應熔煉爐中坩堝內，將銅-鉻、銅-鋯中間合金切塊、烘乾放於投料機構中，在真空度不超過IXlO-2Pa條件下，開始感應加熱熔化電解銅，銅液溫度加熱到1200°C，通過投料機構將銅-鉻、銅-鋯中間合金塊投入銅液當中，將中間合金塊溶入銅液中，保溫30分鐘。在真空狀態下將銅合金液倒入下方落差不小於0.5m的真空保溫爐內，在保溫爐內衝入高純氮氣或氬氣，進行水平連續鑄造，鑄造速度在350mm/min，得到4>8mm的連續鑄杆；
[0043]2.將所得鑄杆採用軋制的方法進行變形量40%的冷加工和固溶處理，而後採用拉拔方式進行45%冷加工後和時效+固溶熱處理，而後採用拉拔方式進行變形量為60%的冷加工後進行時效處理獲得線坯；所述各固溶處理溫度在900~950°C，保溫2~4h，時效處理溫度450~490°C，保溫I~3h ;
[0044]3.將所得線坯採用拉拔的方式變形，製得(60.5mm成品規格的銅鉻鋯合金細線；
[0045]4.將所製得(60.5mm成品規格的銅鉻鋯合金細線，進行最終時效處理，溫度在3800C，保溫6h，最終獲得高導電率的高強度銅鉻鋯合金成品細線導體。
[0046]實施例2中所得銅鉻鋯合金成品細線導體的主要性能指標可達到:20°C的導電率達到92.4%IACS，抗拉強度達到454MPa，斷裂伸長率達到8.4%。
[0047]實施例3
[0048]所製備的合金採用電解銅板及Cu-Cr、Cu_Zr中間合金按照質量百分數配料,Cr含量為0.7%，Zr含量為0.01%，其餘為Cu。
[0049]1.所採用的電解銅板的銅含量不低於99.95%，中間合金成分為:Cu_12%Cr、Cu-45%Zr。電解銅板切條、烘乾置於真空感應熔煉爐中坩堝內，將銅-鉻、銅-鋯中間合金切塊、烘乾放於投料機構中，在真空度不超過I X KT2Pa條件下，開始感應加熱熔化電解銅，銅液溫度加熱到1230°C，通過投料機構將銅-鉻、銅-鋯中間合金塊投入銅液當中，將中間合金塊溶入銅液中，保溫15分鐘。在真空狀態下將銅合金液倒入下方落差不小於0.5m的真空保溫爐內，在保溫爐內衝入高純氮氣或氬氣，進行水平連續鑄造，鑄造速度在250mm/min，得到Φ 16mm的連續鑄杆；
[0050]2.將所得鑄杆採用軋制的方法進行變形量50%的冷加工和固溶處理，而後採用拉拔方式進行60%冷加工和時效處理+固溶處理，而後採用拉拔方式進行變形量為80%的冷加工和時效處理獲得線坯；所述各固溶處理溫度在930~960°C，保溫1~2h，時效處理溫度360~400°C，保溫5~6h ;
[0051]3.將所得線坯採用拉拔的方式變形，製得Φ 1.03mm成品規格的銅鉻鋯合金細線；
[0052]4.將所製得Φ 1.03mm成品規格的銅鉻鋯合金細線，進行最終時效處理，溫度在460°C，保溫3h，最終獲得高導電率的高強度銅鉻鋯合金成品細線導體。
[0053]實施例3中所得銅鉻鋯合金成品細線導體的主要性能指標可達到:20°C的導電率達到94.0%IACS，抗拉強度達到420MPa，斷裂伸長率達到12%。
[0054]綜上所述，本發明有效克服了現有技術中的種種缺點而具高度產業利用價值。
[0055]上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及範疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬【技術領域】中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。
【權利要求】
1.一種高導電率的高強度銅鉻鋯合金細線導體的製備方法，通過特定製備配方及熔煉工藝獲得的銅鉻鋯合金杆坯，在多級軋制、拉拔冷加工過程中，逐級開展固溶、時效熱處理工藝，以有效控制銅鉻鋯合金加工過程中的析出相的尺寸、形態及其分布，從而在提高了材料的力學性能，還保持了銅基合金的良好的導電性能。
2.如權利要求1所述的一種高導電率的高強度銅鉻鋯合金細線導體的製備方法，其特徵在於，當銅鉻鋯合金細線導體成形達到最終尺寸後，再進行最終時效處理，使細線產品的導電、力學性能達到二者兼顧的目標，滿足美國ASTMB624-99標準的要求。
3.如權利要求2所述的一種高導電率的高強度銅鉻鋯合金細線導體的製備方法，其特徵在於，所述製備方法具體包括如下步驟: 1)按照質量百分數採用電解銅板、Cu-Cr中間合金和Cu-Zr中間合金進行配料，按原料總質量計，Cr含量為0.10~0.75%，Zr含量為0.01~0.10%，其餘為Cu ； 2)將電解銅板置於真空感應熔煉爐坩堝內，在真空條件下加熱熔化電解銅板，銅液溫度加熱到1200~1250°C時，將Cu-Cr中間合金、Cu-Zr中間合金投入銅液中，保溫靜置； 3)在真空條件下將銅合金液倒入真空保溫爐內，在保溫爐內衝入惰性氣體，進行水平連續鑄造，鑄造速度在250-350mm/min，得到Φ6-20πιπι的連續鑄杆； 4)將步驟(3)所得鑄杆分別進行變形量>40%的一級冷加工，變形量> 40%的二級冷加工及變形量> 60%的三級冷加工，在各道次冷加工之間共進行2次固溶處理和2次時效處理，固溶處理的溫度為900~980°C，保溫時間≤4h，時效處理的溫度為360~490°C，保溫時間≤6h，製得線坯； 5)將步驟(4)所得線坯採用拉拔的方式變形，製得銅鉻鋯合金細線；將製得的銅鉻鋯合金細線進行最終時效處理，溫度360~490°C，保溫< 6h，最終獲得高導電率的高強度銅鉻鋯合金成品細線導體。
4.如權利要求3所述的一種高導電率的高強度銅鉻鋯合金細線導體的製備方法，其特徵在於，所述步驟(1)中，所述電解銅板的銅含量> 99.95wt%,所述Cu-Cr中間合金成分為:Cu-8~12wt%Cr,所述Cu-Zr中間合金成分為:Cu_35~45wt%Zr。
5.如權利要求3所述的一種高導電率的高強度銅鉻鋯合金細線導體的製備方法，其特徵在於，所述步驟(2)中，電解銅板投料前，進行切條和烘乾處理。
6.如權利要求3所述的一種高導電率的高強度銅鉻鋯合金細線導體的製備方法，其特徵在於，所述步驟(2)和(3)中，真空條件為:真空度≤lX10_2Pa。
7.如權利要求3所述的一種高導電率的高強度銅鉻鋯合金細線導體的製備方法，其特徵在於，所述步驟(2)中，Cu-Cr中間合金、Cu-Zr中間合金投料前，進行切塊和烘乾處理。
8.如權利要求3所述的一種高導電率的高強度銅鉻鋯合金細線導體的製備方法，其特徵在於，所述步驟(2)中，將Cu-Cr中間合金、Cu-Zr中間合金投入銅液中後，保溫15~30分鐘。
9.如權利要求3所述的一種高導電率的高強度銅鉻鋯合金細線導體的製備方法，其特徵在於，所述步驟(3)中，在真空條件下將銅合金液倒入真空保溫爐內時，下方落差^ 0.5m。
10.如權利要求3所述的一種高導電率的高強度銅鉻鋯合金細線導體的製備方法，其特徵在於，所述步驟(3)中，惰性氣體選自氮氣或氬氣。
11.如權利要求1-10任一權利要求所述的高導電率的高強度銅鉻鋯合金細線導體的製備方法在電纜 導體材料製備領域的用途。
【文檔編號】H01B13/00GK103695825SQ201310753703
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月31日 優先權日:2013年12月31日
【發明者】徐睿, 蔡西川, 朱軍軍, 毛協民 申請人:上海電纜研究所