CN102034563A - 高强高导高韧铜母线及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高强高导高韧铜母线及其制备方法，材料中铜+银：99.96%-99.998%，钇稀土：0.002%-0.02%，杂质：0%-0.038%；其中银占铜+银：0.0005%-0.01%；将钇稀土铜基中间合金作为变质剂。其制备步骤为：(1)铜料熔化：将阴极铜置于工频有芯感应电炉内加热熔化成阴极铜熔液；(2)铜液的变质处理：将变质剂熔入阴极铜熔液，并充分混合；(3)上引连铸铜杆：连铸机的结晶器伸入阴极铜熔液中，阴极铜熔液在结晶器内凝结成铜杆，并经过连铸机中两对牵引辊机构把铜杆向上牵引，经导轮架进入收线机；(4)铜杆中温连续挤压及防氧化冷却；(5)拉拔成型：将铜母线坯料置于拉拔机上拉拔成型。

Description

高强高导高韧铜母线及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高强高导高韧铜母线及其制备方法。

背景技术

铜母线作为导电的元件或构件广泛应用于电子、电器、输变电、智能电网、高新技术产品等行业。铜母线呈长条，普通断面形状为矩形。铜母线在硬状态下，其主要的技术性能按照国家标准GB/T5585-2005 的要求是：导电率≥97%IACS、硬度≥65HB、弯曲≥90°。

近年来，国家加大基础产业和自主创新的投资发展力度，大型水电站、核电站、地铁、机场、高速列车、高新技术产品等大型项目的建设，对项目建设中所使用的各种电气装备导电元件的铜母线技术性能如：导电率、硬度、弯曲，导电元件的安全性能如：重量、温升、电流载荷方面都提出了更高的要求；铜母线的安全性能好坏又取决于铜母线的技术性能。一般企业生产的铜母线，其导电率、硬度、弯曲的主要技术性能按国家标准GB/T5585-2005 的要求进行生产，但这样的技术性能已经不能满足高新科技发展的需要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能提高铜母线的导电率、硬度、弯曲综合性能的高强高导高韧铜母线及其制备方法。

本发明的目的通过如下技术方案实现：其特征在于，材料中铜+银：99.96%-99.998%，钇稀土：0.002%-0.02%，杂质：0%-0.038%；其中银占铜+银：0.0005%-0.01%；将钇稀土铜基中间合金作为变质剂。

按照上述配比获得的高强高导高韧铜母线主要技术性能为：

导电率≥100%IACS，硬度≥82 HB，弯曲=120°无裂纹。

本发明主要的优点在导电率、硬度、弯曲度方面与国家标准GB/T5585.1-2005的要求相比,均有所提高。高强高导高韧铜母线由于在导电率、硬度和韧性上的优势，因此用它制作的各种电子、电器、输变电、智能电网、高新技术产品等装备，在节约材料、降低电耗、降低装备温升、提高装备技术性和安全性方面都有较好的表现。

一种高强高导高韧铜母线的制备方法，其特征在于它包括以下工艺步骤，

（1）铜料熔化：将阴极铜置于工频有芯感应电炉内加热使得阴极铜熔化成阴极铜熔液，在熔融的阴极铜熔液的表面覆盖有木炭层，使得阴极铜熔液始终与氧隔离；

（2）铜液的变质处理：将所述的变质剂熔入阴极铜熔液中，并充分混合；

（3）上引连铸铜杆：将步骤（2）所得经变质处理的阴极铜熔液，通过连铸机的结晶器伸入阴极铜熔液中，结晶器内部采用水隔套冷却，阴极铜熔液在结晶器内凝结成铜杆，并经过连铸机中两对牵引辊把铜杆向上牵引，经导轮架进入收线机；

（4）铜杆中温连续挤压及防氧化冷却：将步骤（3）所得铜杆置于连续挤压机内连续挤压成铜母线坯料，经连续挤压后将铜母线坯料进行防氧化冷却至常温；

（5）拉拔成型：将步骤（4）所得铜母线坯料置于拉拔机上拉拔成型，制成高强高导高韧铜母线。

步骤（1）中的木炭层厚度为80mm-100mm。

步骤（2）中，阴极铜料化后阴极铜熔液温度控制在1150℃-1175℃。

将步骤（2）中所述变质剂放入石墨精制的钟罩内，然后将装有变质剂的石墨钟罩压入阴极铜熔液中均匀地前后左右移动，使变质剂均匀地混合到阴极铜熔液中。

步骤（4）中连续挤压温度采用中温为470℃-500℃，防氧化冷却中的冷却液的温度25℃-45℃，所述冷却液由纯净水和分析纯无水乙醇混合组成，分析纯无水乙醇占冷却液3%-8%。

所述的工艺条件最佳为：

木炭层的厚度为90mm；

阴极铜熔化后阴极铜熔液温度控制在1165℃；

变质剂熔入阴极铜熔液中阴极铜熔液的温度为1160℃；

连续挤压温度为490℃；

防氧化冷却中的冷却液的温度30℃；

冷却液中分析纯无水乙醇占冷却液5%。

在阴极铜中含有银，银能提高铜的强度以及铜的再结晶温度和蠕变强度。银在铜熔体α相中能产生置换式单一固溶体银铜,随着温度的降低,银在铜中的溶解度显著降低,能促进形核,促进晶粒细化;在固溶限度内的固溶体银铜,其硬化效果好,实现固溶硬化, 强度得到提高;并显著提高铜的再结晶温度和蠕变强度, 并将铜的软化温度大约提高100℃而对其导电性能没有明显的影响。

为了降低铜母线中含氧量，使用含钇稀土铜基中间合金作为变质剂，它的化学性质活泼，与氧的亲合力强，可生成化合物，减少铜中的含氧量，也就相应减少了氧与铜中其它杂质氧化的机会。该类化合物与铜均为面心结构，晶格常数相近,错配度小，可成为铜相的异质形核核心，促进晶粒细化。

铜坯料在挤压轮的轮槽和模腔内剧烈摩擦作用下，铜坯料温度升高、压力加大进入塑性变形区，铜料就从模孔中挤出形成铜母线坯。铜坯料剧烈摩擦作用与塑性变形力大时，产生的热能相对就多，体现在挤压变形铜坯料中的温度就相对高。若连续挤压温度低于470℃，挤压成形困难，挤压力增大，容易产生充不满缺陷的质量缺陷，不利于设备正常使用；若连续挤压温度高于500℃将造成模腔、模具快速磨损和变形，并且减弱连续挤压过程晶粒的破碎细化。

防氧化冷却工艺技术，能将连续挤压后处于470-500℃的铜坯料在冷却液中快速冷却到常温，阻止挤压破碎细化的晶粒长大，还能防止在冷却液中快速冷却过程的铜料表面氧化。

较之现有技术而言，本发明还具有以下几个优点：

1、由于连续挤压时可产生大量的摩擦热，铜杆无需加热，减少了加热的能耗。                                                                                   

2、由于连续挤压是在封闭、防氧化冷却的装置中进行，使铜挤压减少了酸洗工序。

3、由于可实现“无限长”坯料的连续挤压，材料利用率达95%以上，提高了产品的成材率。

4、生产实现半自动化，降低员工劳动强度，减少现场操作人员，提高了劳动生产效率。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明内容作进一步详细说明：

实施例1：制备硬态全圆边高强高导高韧铜母线，其规格：8mm×80mm。

1、铜料熔化：

将市场上购买的阴极铜置于工频有芯感应电炉内加热使得阴极铜熔化成阴极铜熔液，在熔融的阴极铜熔液的表面覆盖有木炭层90mm，使得铜液始终与氧隔离，阴极铜熔化后阴极铜熔液温度控制在1160℃。

2、铜液的变质处理：

将步骤1所得阴极铜熔液，在阴极铜熔液温度为1160℃时，将钇稀土铜基中间合金作为变质剂放入石墨精制的钟罩内，然后将装有变质剂的石墨钟罩压入阴极铜熔液中均匀地前后左右移动，使变质剂均匀地混合到阴极铜熔液中。

3、上引连铸铜杆：

经变质处理和还原剂木炭还原之后的阴极铜熔液液体，通过连铸机的结晶器伸入阴极铜熔液中，结晶器内部采用水隔套冷却，阴极铜熔液在结晶器内凝结成直径20mm铸杆，并经过连铸机中两对牵引辊把铸杆向上牵引，经导轮架进入收线机。 

4、铜中温连续挤压及防氧化冷却：

将步骤3所得直径20mm铜杆置于连续挤压机内连续挤压成8mm×80mm铜母线坯料。连续挤压在防氧化冷却中进行，连续挤压温度控制在中温490℃。经连续挤压后将铜母线坯料进行防氧化冷却至常温，所述冷却液由纯净水和分析纯无水乙醇混合组成，分析纯无水乙醇占冷却液5%。冷却液封存在不锈钢容器中，在冷却泵的推动下在系统内作内循环。

5、拉拔成型：

将步骤4所得8mm×80mm铜母线坯料置于拉拔机上用模具拉拔成型，制成8mm×80mm的硬态全圆边高强高导高韧铜母线。

本实施例中产品主要技术指标如下：

材质：铜+银=99.979%、钇稀土0.02%、杂质0.001%。

其中银占铜+银为：0.0025%。

导电率=100.8%IACS，硬度=85.8HB，弯曲=120°无裂纹。

 

实施例2：制备硬态高强高导高韧铜母线，其规格：8mm×60mm。

1、铜料熔化：

将市场上购买的阴极铜置于工频有芯感应电炉内加热使得阴极铜熔化成阴极铜熔液，在熔融的阴极铜熔液的表面覆盖有木炭层85mm，使得铜液始终与氧隔离，阴极铜熔化后阴极铜熔液温度控制在1150℃。

2、铜液的变质处理：

将步骤1所得阴极铜熔液，在阴极铜熔液温度为1150℃时，将钇的稀土铜基中间合金作为变质剂放入石墨精制的钟罩内，然后将装有变质剂的石墨钟罩压入阴极铜熔液中均匀地前后左右移动，使变质剂均匀地混合到阴极铜熔液中。

3、上引连铸铜杆：

经变质处理和还原剂木炭还原之后的阴极铜熔液液体，通过连铸机的结晶器伸入阴极铜熔液中，结晶器内部采用水隔套冷却，阴极铜熔液在结晶器内凝结成直径20mm铸杆，并经过连铸机中两对牵引辊把铸杆向上牵引，经导轮架进入收线机。 

4、铜中温连续挤压及防氧化冷却：

将步骤3所得直径20mm铜杆置于连续挤压机内连续挤压成8mm×60mm铜母线坯料。连续挤压在防氧化冷却中进行，连续挤压温度控制在中温485℃。经连续挤压后将铜母线坯料进行防氧化冷却至常温，所述冷却液由纯净水和分析纯无水乙醇混合组成，分析纯无水乙醇占冷却液4%。冷却液封存在不锈钢容器中，在冷却泵的推动下在系统内作内循环。

5、拉拔成型：

将步骤4所得8mm×60mm铜母线坯料置于拉拔机上用模具拉拔成型，制成8mm×60mm的硬态高强高导高韧铜母线。

本实施例中产品主要技术指标如下：

材质：铜+银=99.974%、钇稀土0.018%、杂质0.008%。

其中银占铜+银为：0.0015%。

导电率=100.5%IACS，硬度=84.8HB，弯曲=120°无裂纹。

 

实施例3：制备硬态高强高导高韧铜母线，其规格：6mm×60mm。

1、铜料熔化：

将市场上购买的阴极铜置于工频有芯感应电炉内加热使得阴极铜熔化成阴极铜熔液，在熔融的阴极铜熔液的表面覆盖有木炭层80mm，使得铜液始终与氧隔离，阴极铜熔化后阴极铜熔液温度控制在1175℃。

2、铜液的变质处理：

将步骤1所得阴极铜熔液，在阴极铜熔液温度为1175℃时，将钇稀土铜基中间合金作为变质剂放入石墨精制的钟罩内，然后将装有变质剂的石墨钟罩压入阴极铜熔液中均匀地前后左右移动，使变质剂均匀地混合到阴极铜熔液中。

3、上引连铸铜杆：

经变质处理和还原剂木炭还原之后的阴极铜熔液液体，通过连铸机的结晶器伸入阴极铜熔液中，结晶器内部采用水隔套冷却，阴极铜熔液在结晶器内凝结成直径20mm铸杆，并经过连铸机中两对牵引辊把铸杆向上牵引，经导轮架进入收线机。 

4、铜中温连续挤压及防氧化冷却：

将步骤3所得直径20mm铜杆置于连续挤压机内连续挤压成6mm×60mm铜母线坯料。连续挤压在防氧化冷却中进行，连续挤压温度控制在中温470℃。经连续挤压后将铜母线坯料进行防氧化冷却至常温，所述冷却液由纯净水和分析纯无水乙醇混合组成，分析纯无水乙醇占冷却液6%。冷却液封存在不锈钢容器中，在冷却泵的推动下在系统内作内循环。

5、拉拔成型：

将步骤4所得6mm×60mm铜母线坯料置于拉拔机上用模具拉拔成型，制成6mm×60mm的硬态高强高导高韧铜母线。

本实施例中产品主要技术指标如下：

材质：铜+银=99.97%、钇稀土0.011%、杂质0.019%。

其中银占铜+银为：0.0075%。

导电率=100.6%IACS，硬度=84.8HB，弯曲=120°无裂纹。

 

实施例4：制备硬态高强高导高韧铜母线，其规格：10mm×80mm。

1、铜料熔化：

将市场上购买的阴极铜置于工频有芯感应电炉内加热使得阴极铜熔化成阴极铜熔液，在熔融的阴极铜熔液的表面覆盖有木炭层95 mm，使得铜液始终与氧隔离，阴极铜熔化后阴极铜熔液温度控制在1170℃。

2、铜液的变质处理：

将步骤1所得阴极铜熔液，在阴极铜熔液温度为1170℃时，将钇稀土铜基中间合金作为变质剂放入石墨精制的钟罩内，然后将装有变质剂的石墨钟罩压入阴极铜熔液中均匀地前后左右移动，使变质剂均匀地混合到阴极铜熔液中。

3、上引连铸铜杆：

经变质处理和还原剂木炭还原之后的阴极铜熔液液体，通过连铸机的结晶器伸入阴极铜熔液中，结晶器内部采用水隔套冷却，阴极铜熔液在结晶器内凝结成直径20mm铸杆，并经过连铸机中两对牵引辊把铸杆向上牵引，经导轮架进入收线机。 

4、铜中温连续挤压及防氧化冷却：

将步骤3所得直径20mm铜杆置于连续挤压机内连续挤压成10mm×80mm铜母线坯料。连续挤压在防氧化冷却中进行，连续挤压温度控制在中温495℃。经连续挤压后将铜母线坯料进行防氧化冷却至常温，所述冷却液由纯净水和分析纯无水乙醇混合组成，分析纯无水乙醇占冷却液3%。冷却液封存在不锈钢容器中，在冷却泵的推动下在系统内作内循环。

5、拉拔成型：

将步骤4所得10mm×80mm铜母线坯料置于拉拔机上用模具拉拔成型，制成10mm×80mm的硬态高强高导高韧铜母线。

本实施例中产品主要技术指标如下：

材质：铜+银=99.968%、钇稀土0.008%、杂质0.024%。

其中银占铜+银为：0.01%。

导电率=100.5%IACS，硬度=84.6HB，弯曲=120°无裂纹。

 

实施例5：制备硬态高强高导高韧铜母线，其规格：10mm×60mm。

1、铜料熔化：

将市场上购买的阴极铜置于工频有芯感应电炉内加热使得阴极铜熔化成阴极铜熔液，在熔融的阴极铜熔液的表面覆盖有木炭层100mm，使得铜液始终与氧隔离，阴极铜熔化后阴极铜熔液温度控制在1165℃。

2、铜液的变质处理：

将步骤1所得阴极铜熔液，在阴极铜熔液温度为1165℃时，将钇稀土铜基中间合金作为变质剂放入石墨精制的钟罩内，然后将装有变质剂的石墨钟罩压入阴极铜熔液中均匀地前后左右移动，使变质剂均匀地混合到阴极铜熔液中。

3、上引连铸铜杆：

经变质处理和还原剂木炭还原之后的阴极铜熔液液体，通过连铸机的结晶器伸入阴极铜熔液中，结晶器内部采用水隔套冷却，阴极铜熔液在结晶器内凝结成直径20mm铸杆，并经过连铸机中两对牵引辊把铸杆向上牵引，经导轮架进入收线机。 

4、铜中温连续挤压及防氧化冷却：

将步骤3所得直径20mm铜杆置于连续挤压机内连续挤压成10mm×60mm铜母线坯料。连续挤压在防氧化冷却中进行，连续挤压温度控制在中温500℃。经连续挤压后将铜母线坯料进行防氧化冷却至常温，所述冷却液由纯净水和分析纯无水乙醇混合组成，分析纯无水乙醇占冷却液8%。冷却液封存在不锈钢容器中，在冷却泵的推动下在系统内作内循环。

5、拉拔成型：

将步骤4所得10mm×60mm铜母线坯料置于拉拔机上用模具拉拔成型，制成10mm×60mm的硬态高强高导高韧铜母线。

本实施例中产品主要技术指标如下：

材质：铜+银=99.98%、钇稀土0.002%、杂质0.018%。

其中银占铜+银为：0.0005%。

导电率=100.4%IACS，硬度=84.5HB，弯曲=120°无裂纹。

 

表1：本发明实施例与传统产品方法生产产品的技术指标对比如下：  

	导电率（%IACS）	硬度（HB）	弯曲（°）
				实施例1	100.8	85.8	120
实施例2	100.5	84.9	120
				实施例3	100.6	84.8	120
实施例4	100.5	84.6	120
				实施例5	100.4	84.5	120
传统方法	98	75	90

本发明的各项指标优于传统方法的指标，在导电率、硬度、弯曲度方面均有不同程度的提高。在制备过程中，材料利用率达95%以上，提高了产品的成材率；在铜杆连续挤压过程无需加热，减少了加热的能耗。

Claims (8)

1.一种高强高导高韧铜母线，其特征在于，材料中铜+银：99.96%-99.998%，钇稀土：0.002%-0.02%，杂质：0%-0.038%；其中银占铜+银：0.0005%-0.01%；将钇稀土铜基中间合金作为变质剂。

2.根据权利要求1所述的高强高导高韧铜母线的制备方法，其特征在于它包括以下工艺步骤，

（1）铜料熔化：将阴极铜置于工频有芯感应电炉内加热使得阴极铜熔化成阴极铜熔液，在熔融的阴极铜熔液的表面覆盖有木炭层；

（2）铜液的变质处理：将所述的变质剂熔入阴极铜熔液中，并充分混合；

（3）上引连铸铜杆：将步骤（2）所得经变质处理的阴极铜熔液，通过连铸机的结晶器伸入阴极铜熔液中，结晶器内部采用水隔套冷却，阴极铜熔液在结晶器内凝结成铜杆，并经过连铸机中两对牵引辊机构把铜杆向上牵引，经导轮架进入收线机；

（4）铜杆中温连续挤压及防氧化冷却：将步骤（3）所得铜杆置于连续挤压机内连续挤压成铜母线坯料，经连续挤压后将铜母线坯料进行防氧化冷却至常温；

（5）拉拔成型：将步骤（4）所得铜母线坯料置于拉拔机上拉拔成型，制成高强高导高韧铜母线。

3.根据权利要求2所述的高强高导高韧铜母线的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述木炭层厚度为80mm-100mm。

4.根据权利要求2所述的高强高导高韧铜母线的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，阴极铜熔化后阴极铜熔液温度控制在1150℃-1175℃。

5.根据权利要求4所述的高强高导高韧铜母线的制备方法，其特征在于：步骤（2）中的阴极铜熔液温度为1150℃-1175℃。

6.根据权利要求2所述的高强高导高韧铜母线的制备方法，其特征在于：将步骤（2）中所述变质剂放入石墨钟罩内，然后将石墨钟罩压入阴极铜熔液中，使变质剂均匀地混合到阴极铜熔液中。

7.根据权利要求2所述的高强高导高韧铜母线的制备方法，其特征在于：步骤（4）中连续挤压温度为470℃-500℃，防氧化冷却中的冷却液的温度25℃-45℃，所述冷却液由纯净水和分析纯无水乙醇混合组成，分析纯无水乙醇占冷却液3%-8%。

8.根据权利要求2-7所述的高强高导高韧铜母线的制备方法，其特征在于，所述的工艺条件最佳为：

木炭层的厚度为90mm；

阴极铜熔化后阴极铜熔液温度控制在1165℃；

变质剂熔入阴极铜熔液中阴极铜熔液的温度为1160℃；

连续挤压温度为490℃；

防氧化冷却中的冷却液的温度30℃；

冷却液中分析纯无水乙醇占冷却液5%。