CN100345988C

CN100345988C - 高强度铜合金导电丝材及生产方法

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Publication number: CN100345988C
Application number: CNB2005101230092A
Authority: CN
Inventors: 徐玉松; 张超; 吕伟刚
Original assignee: Jiangsu University of Science and Technology
Current assignee: Jiangsu University of Science and Technology
Priority date: 2005-12-13
Filing date: 2005-12-13
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2025-12-13
Also published as: CN1804073A

Abstract

本发明属于铜合金技术领域，可作为Cu-Cd合金线材的替代材料用于制造能够频繁经受拖拉、踩压、扭折和过热等恶劣条件下使用的特种电缆或导线。本发明所述的高强度铜合金导电丝材的化学成分：Mg0.2～0.6%、Ni0.4～0.8%、Si0.1～0.2%、Zr0.08～0.2%、Cu余量。制备方法包括固溶+沉淀+冷加工，使材料兼顾沉淀强化、固溶强化和冷加工强化的特点，尤其适应超大变形量的冷加工工艺要求。由于铜合金的成分包含了Mg、Ni、Si、Zr等合金元素。其中Mg是固溶强化元素，Ni和Si构成了Ni₂Si金属间化合物，属于沉淀强化相，而Zr可以细化金属基体、促进Ni₂Si的弥散化、提高材料的耐热性，并在熔炼过程中对合金元素Mg的含量有一定的稳定作用。

Description

高强度铜合金导电丝材及生产方法

技术领域

本发明属于铜合金技术领域，涉及一种高强度铜合金导电丝材及生产方法。

背景技术

铜及铜合金具有良好的传导性，是电力、电子及通讯领域主要的电载体材料，通常用作电线或电缆的材料主要是纯铜，如T₂、TU₁、TU₂和TUP，这类材料导电性能优良，能够在常温条件下进行大变形量的塑性加工，并获得所需尺寸和性能。上述材料的抗拉强度和耐热性都较低，在满足导电性的同时，不能满足受较大应力和高温作业等场合，因此在要求电缆或电线能频繁经受拖拉、踩压、扭折或过热等恶劣使用条件时，都使用综合性能优异的铜镉(Cu-Cd)合金导线，但是Cu-Cd合金线材在熔铸生产过程中产生的镉蒸汽，对人体和环境有严重的污染，因此大量使用Cu-Cd合金导线将对环境保护构成极大的危害。

由于Cu-Cd合金导线市场需求量大，为彻底解决该材料生产的污染问题，材料科学领域广泛开展了Cu-Cd合金导线代用材料的研究，目前市场上用于替代Cu-Cd合金线材的牌号有Cu-Fe-P、Cu-Mg、Cu-Sn、Cu-Sn-P等合金，但前三种合金线材的导电性能和力学性能都略低于Cu-Cd合金线材，Cu-Sn-P合金线材的强度与Cu-Cd合金相当、但导电性能很低，因此这些材料作为Cu-Cd合金替代材料均有明显不足。

常用高强度导电材料主要采用沉淀强化工艺，如Cu-Co-Be、Cu-Ni-Si、Cu-Cr-Zr等，这些材料的强度和导电性能都达到或超过Cu-Cd合金水平，但作为特种电缆生产的丝材尺寸要求为Φ0.1mm，这意味着材料冷加工的变形率很大，而前述材料的塑性不能满足特种电缆的成形工艺要求。

发明内容

本发明提供了一种高强度铜合金导电丝材和生产方法，其目的是作为Cu-Cd合金线材的替代材料用于制造能够频繁经受拖拉、踩压、扭折和过热等恶劣条件下使用的特种电缆或导线。

本发明所述的高强度铜合金导电丝材的化学成分(重量百分比)：Mg0.2～0.6％、Ni0.4～0.8％、Si0.1～0.2％、Zr0.08～0.2％、Cu余量。

材料的力学性能见表1。

表1 高强度铜合金导电丝材性能

合金牌号	主要性能指标(平均值)				材料加工状态
	主要性能指标(平均值)				材料加工状态	σb(Mpa)	δ10％	％IACS	单向扭转	固溶+时效+冷加工(≥90％)
	Cu-Mg-Ni-Si-Zr	765	5	62	36次	σb(Mpa)	δ10％	％IACS	单向扭转

为了使材料在产品尺寸条件下获得理想的使用性能，铜合金导电丝材的制备方法包括固溶+沉淀+冷加工，使材料兼顾沉淀强化、固溶强化和冷加工强化的特点，尤其适应超大变形量的冷加工工艺要求。具体为：

(1)合金熔铸

铜合金采用工频有芯感应炉熔炼，熔炼时先放入经烘烤的硼砂作熔剂，将0.4～0.78wt％的镍、0.12～0.24wt％的硅和98.5～99.5wt％的电解铜，依次分层置入炉内并优先熔化，合金全部熔化后进行扒渣，再用经过烘烤的木炭覆盖，精炼1小时后在炉温升至1200～1300℃时，将熔融金属倒入保温炉，在木炭覆盖条件下加入Cu-Mg和Cu-Zr中间合金，为了确保合金的导电性能和加工塑性，铸造工艺实施前可在合金内继续添加0.01～0.2wt％的B或稀土作为工艺元素，并使合金液恒温在1160～1220℃左右条件下进行水平连铸，铸坯直径为Φ12～40mm，铸坯在拉-停-拉状态下从结晶器引出，在冷却水温度≤35℃、水压为0.12Mpa时，其引出速度控制在0.10～0.18m/min。

(2)铸坯的轧制与拉拔

水平连铸的坯料尺寸大于Φ16mm时，采用热轧工艺制成盘元，合金开轧温度为820～860℃，终轧温度为600～650℃，小于Φ16mm的铸坯可以直接拉拔。线坯表面存在一定的缺陷时，采用剥皮模对线坯进行冷拉去除缺陷，然后在井式炉内进行560℃×2h的退火，退火后的线坯以每道次10～15％的变形率冷拉成形，线材初拉时如残留毛刺等缺陷可以修磨后再拉，单次退火后总变形量控制在80％以内。线材固溶处理前的拉制尺寸为Φ1.2mm。

(3)固溶处理

铜合金固溶处理工艺为850℃×0.5h+水淬。高强度铜合金导电丝材的强化机制是固溶+沉淀+冷加工的复合型强化，材料的固溶处理是获取材料性能的基本条件，在该工艺中部分处于显微偏析下的Mg、原生的第二相颗粒Ni₂Si和Zr能充分溶解于铜基体，这为随后的冷加工及时效处理工艺奠定了基础。

(4)冷拉及时效处理

合金线材固溶处理后要进行酸洗处理，然后继续冷拉成形，线材直径达到0.4mm时进行时效处理，时效时材料在保护气氛(或真空条件)下实施，合金时效工艺为450℃×1h炉冷，在该条件下合金材料的导电性能和塑性最佳、力学性能水平适中，为进一步提高材料的强度，时效处理后继续将线材冷拉至Φ0.1mm的成品尺寸，该工序合金丝材变形量大于90％，这时材料的电学性能接近Cu-Cd合金线材的水平，力学性能超过了Cu-Cd合金线材的指标。

本发明具有以下特点：

1、经理论分析计算和反复工艺及性能试验，铜合金的成分包含了Mg、Ni、Si、Zr等合金元素。其中Mg是固溶强化元素，Ni和Si构成了Ni₂Si金属间化合物，属于沉淀强化相，而Zr可以细化金属基体、促进Ni₂Si的弥散化、提高材料的耐热性，并在熔炼过程中对合金元素Mg的含量有一定的稳定作用。

2、本发明设计的Cu-Mg-Ni-Si-Zr合金，可以在常规工业化条件下生产，其生产过程不产生有害物质，与Cu-Cd合金相比具有环保效应；

3、本发明设计的Cu-Mg-Ni-Si-Zr合金与Cu-Fe-P、Cu-Mg、Cu-Sn、Cu-Sn-P等合金相比具有更好的综合性能，更符合Cu-Cd合金的性能要求；

4、本发明设计的Cu-Mg-Ni-Si-Zr合金虽然比Cu-Co-Be、Cu-Ni-Si、Cu-Cr-Zr等沉淀强化合金的综合性能稍低，但该材料塑性比前者好，适合采用大变形工艺生产超细丝材。

具体实施方式

实施例1

采用前述工艺生产的成分为Mg：0.41％、Ni：0.45％、Si：0.12％、Zr：0.09％、铜为余量的合金。该合金熔化结束后，在1220℃恒温条件下以0.17m/min速度连铸Φ16mm线坯，经剥皮、退火、冷拔、固溶处理(Φ1.2mm、850℃×0.5h)、冷拔、时效处理(Φ0.4mm、450℃×1h)和冷拔，在Φ0.1mm的成品尺寸时性能为σ_b：770MPa，δ₁₀：6.5％，％IACS：63，单向扭转：36次；

实施例2

采用前述工艺生产的成分为Mg：0.45％、Ni：0.43％、Si：0.1％、Zr：0.12％、铜为余量的合金。该合金熔化结束后，在1200℃恒温条件下以0.16m/min速度连铸Φ16mm线坯，经剥皮、退火、冷拔、固溶处理(Φ1.2mm、850℃×0.5h)、冷拔、时效处理(Φ0.4mm、450℃×1h)和冷拔，在Φ0.1mm的成品尺寸时性能为σ_b：760MPa，δ₁₀：5％，％IACS：65，单向扭转：35次；

实施例3

采用前述工艺生产的成分为Mg：0.2％、Ni：0.8％、Si：0.2％、Zr：0.15％、铜为余量的合金。该合金熔化结束后，在1160℃恒温条件下以0.1m/min速度连铸Φ40mm坯料，经轧制、剥皮、退火、冷拔、固溶处理(Φ1.2mm、850℃×0.5h)、冷拔、时效处理(Φ0.4mm、450℃×1h)和冷拔，在Φ0.1nm的成品尺寸时性能为σ_b：790MPa，δ₁₀：5％，％IACS：61，单向扭转：30次；

实施例4

采用前述工艺生产的成分为Mg：0.6％、Ni：0.4％、Si：0.1％、Zr：0.2％、铜为余量的合金。该合金熔化结束后，在1180℃恒温条件下以0.12m/min速度连铸Φ30mm坯料，经轧制、剥皮、退火、冷拔、固溶处理(Φ1.2mm、850℃×0.5h)、冷拔、时效处理(Φ0.4mm、450℃×1h)和冷拔，在Φ0.1mm的成品尺寸时性能为σ_b：750MPa，δ₁₀：6％，％IACS：63，单向扭转：36次；

实施例5

采用前述工艺生产的成分为Mg：0.3％、Ni：0.62％、Si：0.15％、Zr：0.15％、铜为余量的合金。该合金熔化结束后，在1200℃恒温条件下以0.16m/min速度连铸Φ16mm坯料，经剥皮、退火、冷拔、固溶处理(Φ1.2mm、850℃×0.5h)、冷拔、时效处理(Φ0.4mm、450℃×1h)和冷拔，在Φ0.1mm的成品尺寸时性能为σ_b：770MPa，δ₁₀：5.5％，％IACS：62，单向扭转：31次。

Claims

1、一种高强度铜合金导电丝材，其特征是其合金成分为重量百分比：Mg：0.2～0.6、Ni：0.4～0.8、Si：0.1～0.2、Zr：0.08～0.2、Cu余量。

2、制备权利要求1所述的一种高强度铜合金导电丝材的生产方法，其特征在于：

(1)合金熔铸

铜合金采用工频有芯感应炉熔炼，熔炼时先放入经烘烤的硼砂作熔剂，将重量百分比为0.4～0.78t％的镍、0.12～0.24％的硅和98.5～99.5％的电解铜，依次分层置入炉内并优先熔化，合金全部熔化后进行扒渣，再用经过烘烤的木炭覆盖，精炼1小时后在炉温升至1200～1300℃时，将熔融金属倒入保温炉，在木炭覆盖条件下加入Cu-Mg和Cu-Zr中间合金，并使合金液恒温1160～1220℃左右条件下进行水平连铸，铸坯直径为Φ12～40mm，铸坯在拉-停-拉状态下从结晶器引出，在冷却水温度≤35℃、水压为0.12Mpa时，其引出速度控制在0.10～0.18m/min；

(2)铸坯的轧制与拉拔

水平连铸的坯料尺寸大于Φ16mm时，采用热轧工艺制成盘元，合金开轧温度为820～860℃，终轧温度为600～650℃，小于Φ16mm的铸坯直接拉拔；线坯表面存在一定的缺陷时，采用剥皮模对线坯进行冷拉去除缺陷，然后在井式炉内进行560℃×2h的退火，退火后的线坯以每道次10～15％的变形率冷拉成形；

(3)固溶处理

铜合金固溶处理工艺为850℃×0.5h+水淬；

(4)冷拉及时效处理

合金线材固溶处理后进行酸洗处理，然后继续冷拉成形；线材直径达到0.4mm时进行时效处理，合金时效工艺为450℃×1h炉冷，时效处理后继续将线材冷拉至Φ0.1mm的成品尺寸。

3、按照权利要求2所述的高强度铜合金导电丝材的生产方法，其特征是在合金内添加重量百分比0.01～0.2％的B或稀土元素。