CN102625857B - 铜合金及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种具有与以往相比更低的电阻和更高的拉伸强度的铜合金及其制造方法。铜合金的特征在于,在1200~1250℃的温度范围内的高温环境下向熔化的铜中添加0.01~0.6wt%范围内的规定量的碳而得。
Description
技术领域
本发明涉及一种铜合金,详细地说,本发明涉及一种通过在铜材料中加碳而得的加碳铜合金。
背景技术
在普通金属中,铜材料具有导电率高的特性,加工性也优良,已知包括电线等在内的多种铜合金。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本专利特开2007-92176号公报。
发明内容
发明要解决的课题
例如输送电力的电线中,即使只是少量地降低电线的电阻来进行改良,由于输电距离长,因此降低焦耳损耗的效果也非常大。因此,始终要求具有更低电阻的铜材料。此外,作为电线等中所用的铜材料,仅仅只是具有低电阻是不够的,还需要加工性优良,例如具有高拉伸强度等。
但是,现有的铜材料存在具有高电阻和低拉伸强度的问题。
此外,关于欲尝试在铜材料中添加碳时、能够添加何种程度的重量比(wt%)的碳量并且是有益的、以及能够通过何种方法来添加这一点,尚无明确记载。
解决课题用的手段
本发明基于发明人的下述发现,即:能够将碳添加至铜中,尤其是能将六方晶系的石墨型碳添加至铜中,使其以能达到实用性要求的程度均匀地分布。
本发明的目的是解决上述现有技术的问题,提供一种具有与以往相比更低的电阻和更高的拉伸强度的铜合金及其制造方法。
为了达到上述目的,本发明的铜合金的特征在于,在高温环境下向熔化的铜中添加0.01~0.6wt%范围内的规定量的碳。
其特征还在于,所述高温环境在1200~1250℃的温度范围内。
其特征还在于,所述碳是六方晶系的石墨型。
其特征还在于,和所述碳一起添加加碳促进剂(炭素添加促進剤),该加碳促进剂用于促进所述碳混入至处于所述高温环境下的铜中。
其特征还在于,所述规定量的碳更优选在0.03~0.3wt%的范围内。
此外,本发明的铜合金的制造方法的特征在于,包括:
熔化工序,该熔化工序中,将投入有铜材料的高温用金属熔化炉加热至高温环境,除去所述铜材料中的氧并且使所述铜材料熔化;
加碳工序,该加碳工序中,向通过所述熔化工序被熔化而处于所述高温环境下的铜中添加规定量的碳;
搅拌工序,该搅拌工序中,对所述铜材料和所述碳进行搅拌;
冷却工序,该冷却工序中,将通过所述搅拌工序搅拌好的所述铜材料和所述碳的混合物浇注入模具,使所述混合物冷却凝固。
其特征还在于,所述加碳工序中,和所述碳一起添加加碳促进剂,该加碳促进剂用于促进所述碳混入至处于所述高温环境下的铜中。
其特征还在于,所述高温环境在1200~1250℃的温度范围内。
其特征还在于,所述规定量的碳量在0.01~0.6wt%的范围内。
其特征还在于,所述规定量的碳更优选在0.03~0.3wt%的范围内。
其特征还在于,所述高温用金属熔化炉包括:投入所述铜材料和所述碳的窑部;在所述窑部的上方位置形成密闭加热空间的加热空间部;将加热燃料供给至所述密闭加热空间内来对所述密闭加热空间和所述窑部加热的加热部;形成于所述加热空间部的排气口。
其特征还在于,所述熔化工序中,调节加热燃料的供给量,使得从所述高温用金属熔化炉的所述排气口排出的氧量为0。
附图说明
图1是表示高温用金属熔化炉的俯视图。
图2是表示高温用金属熔化炉的剖视图。
图3是表示电阻率的测定结果的图。
图4是表示拉伸试验的结果的图。
图5是表示图4中的屈服应力(MPa)及拉伸强度(MPa)的值的图。
具体实施方式
下面对本发明的实施方式进行说明。
本实施方式的铜合金是在高温环境下向熔化的铜中添加0.01~0.6wt%范围内的规定量的碳而构成的铜合金。
这里,高温环境是指能添加碳使其以能达到实用性要求的程度均匀地分布的环境,该高温环境在1200~1250℃的温度范围内,是高于铜的熔点温度1083℃的高温。
高温环境低于1200℃时,铜的熔化不充分,添加的碳难以在熔化的铜中均匀地扩散。特别是为了将高温用金属熔化炉内的所有铜材料均匀地熔化,需要与铜的熔点温度1083℃相比有一定程度提高的高温环境。高温环境高于1250℃时,存在添加的碳在熔化的铜中相互排斥而局部存在的倾向,难以均匀地扩散,而且存在沸腾的倾向,不适于实际制造。实际上,还需要避免构成高温用金属熔化炉的碳成分等其它成分的溶出,优选不高于1250℃。因此,虽然需要在更高温的环境下添加碳,但在1250℃以内能获得理想的碳的形态。在高于1250℃的高温环境下,即使添加了碳,为了在这样极端高温的高温环境下操作维持高温用金属熔化炉,会花费燃烧燃料成本,因而也不经济,而且为了避免杂质的混入,在管理层面上在技术上也不容易,没有很大意义。
规定量的碳量小于0.01时,具有与铜固有的电阻没有差别的电阻值,无法产生加碳的效果。大于0.6wt%时,虽然具有比铜固有的电阻更低的电阻值,但拉伸强度变得过小。而且,碳量大于0.6wt%时,非常难以使碳均匀地扩散,难以保证能达到实用性要求的品质。因此,根据实验性的考察,规定量的碳量更优选在0.03~0.3wt%的范围内。这里,因为碳的原子量比Cu小,所以即使碳量在0.01~0.6wt%的范围内,添加的碳的原子数量也未必一定较少。
因此,碳量的上限设为0.6wt%。所述规定量的碳量在0.03~0.3wt%的范围内时,确实地具备低导电率和高拉伸特性,因此更优选。
关于该碳量,可以与铜合金的用途相对应地根据所需的拉伸强度和硬度、导电率等适当决定。
添加的碳优选六方晶系的石墨型。碳为石墨时,因为碳具有柔软的特性,所以能在1200~1250℃的温度范围内的高温环境下添加碳,使其以能达到实用性要求的程度均匀地分布。与之相对,碳为立方晶系的金刚石型时,因为具有非常坚硬的特性,所以即使在1200~1250℃的温度范围内的高温环境下,也无法添加碳,使其以能达到实用性要求的程度均匀地分布。
添加的碳和加碳促进剂一起添加至所述铜中,该加碳促进剂用于促使碳不会局部存在、而是均匀地混入处于高温环境下的铜中。
接着,对本发明的铜合金的制造方法进行说明。
图1是表示高温用金属熔化炉1的俯视图,图2是表示高温用金属熔化炉1的剖视图。高温用金属熔化炉1是反射型炉,在被隔热材料壁包围的外壁部2的内侧具有作为模具形成的窑部3。在窑部3的上方位置形成有密闭加热空间4,形成密闭加热空间4的上部的部位具有圆顶(dome)形状,构成为使得密闭加热空间4的上部的辐射热反射至窑部3的部位,热量集中于窑部3中的铜材料等。高温用金属熔化炉1的前侧的外壁部2形成有燃烧器口5,从燃烧器口5用燃烧器7投入高温的气火焰(ガス炎)9,气火焰9在密闭加热空间4中形成气火焰流路9a,能对窑部3内均匀地加热。在1200~1250℃的温度范围内加热。
在外壁部2上与燃烧器口5邻接的位置形成有排气口11,能从排气口11观察窑部3内部的火焰的状态。例如,从排气口11观察到窑部3内部的火焰的状态为蓝白色,则能根据经验确认窑部3内的铜材料中的氧几乎已被除去。在高温用金属熔化炉1的顶部设置有烟囱13,通过观察从烟囱13排出的烟或火焰的颜色等状态,也能确认窑部3内的铜材料中的氧几乎已被除去。
本发明的铜合金的制造方法包括:熔化工序,该熔化工序中,将投入有铜材料的高温用金属熔化炉1加热至1200~1250℃的高温环境,使铜材料熔化;加碳工序,该加碳工序中,向通过所述熔化工序被熔化而处于所述高温环境下的铜材料中和加碳促进剂一起添加规定量的粉末状或颗粒状的碳;搅拌工序,该搅拌工序中,对铜材料、碳和加碳促进剂进行搅拌;冷却工序,该冷却工序中,将通过所述搅拌工序搅拌好的所述铜材料和所述碳的混合物浇注入模具,使所述混合物冷却凝固。
冷却工序中,将通过所述搅拌工序搅拌好的所述铜材料和所述碳的混合物从设置于高温用金属熔化炉1底部的取出口浇注入高温用金属熔化炉1外部的模具,进行冷却。
这里,加碳促进剂是具有粉末状或颗粒状的形状、防止粉末状或颗粒状的碳相互凝聚、具有促进碳混入至处于高温环境下的铜中的作用的物质。加碳促进剂和碳混合供给,供给的加碳促进剂相对于碳的量以重量比计是碳的1倍~2倍范围内的量。
加碳促进剂和粉末状或颗粒状的碳一起添加至通过熔化工序被熔化而处于高温环境下的铜材料中,因而碳附着于加碳促进剂的小块,碳保持于加碳促进剂。保持着碳的加碳促进剂的小块在熔化的铜材料中对流而上下运动,在此过程中能使碳分散在熔化的铜材料中。接着,碳从加碳促进剂中分离,只有碳均匀地混合在铜材料中。然后,完成了使碳均匀地混合在熔化的铜材料中这一任务的加碳促进剂上浮至熔化的铜材料表面。从加碳促进剂和碳一起添加至熔化的铜材料中开始到上浮至熔化的铜材料表面为止的时间例如为数分钟,例如为2分钟这样的短时间。
完成了使碳均匀地混合在熔化的铜材料中这一任务后上浮至熔化的铜材料表面的加碳促进剂用耐高温性的舀子道具回收。
也可以不用舀子道具回收,而是如下所述回收加碳促进剂。即,将上浮至熔化的铜材料表面的加碳促进剂和熔化的铜材料一起从设置于高温用金属熔化炉1底部的取出口浇注入模具,进行冷却。接着,通过用锤子敲击冷却的加碳促进剂以及所述铜材料和所述碳的混合物,能将固化的加碳促进剂从固化的所述铜材料和所述碳的混合物中分离。
不使用加碳促进剂而仅依赖搅拌作用时,存在碳相互凝聚而无法均匀地分散在铜材料中的倾向,因此更优选添加加碳促进剂。
所述熔化工序中,从高温用金属熔化炉1的排气口11观察到窑部3内部或密闭加热空间4的火焰的状态为蓝白色,则调节气体燃烧器7的加热燃料的供给量,使得从排气口11排出的氧量为0。藉此,能防止添加至窑部3内的铜材料中的碳被氧化而阻碍其混入至铜材料中。
接着,对通过上述制造方法制成的本发明的实施方式的铜合金的电阻和拉伸强度的测定结果进行说明。
图3所示为通过四探针法测定电阻率的结果。作为试样,使用纯铜材料(a)、添加有0.03wt%碳的铜合金(b)、添加有0.3wt%碳的铜合金(c)。测定的结果是,纯铜材料(a)的情形为1.97(×10-8Ωm)。添加有0.03wt%碳的铜合金(b)的情形为1.89(×10-8Ωm),添加有0.3wt%碳的铜合金(c)的情形为1.71(×10-8Ωm),可以确认与纯铜材料(a)的情形相比电阻率均有所降低,可以确认具有优良的电阻率。
可以确认,即使添加的碳量大于0.3wt%时,只要在0.6wt%以内,就能享有低电阻率,并且能使碳在熔化的铜材料中均匀地扩散,能保证能达到实用性要求的品质。还可以确认,即使添加的碳量小于0.03wt%时,只要在0.01wt%以上,就能享有与纯铜相比明显更低的电阻率。如上所述,通过实验可以获得如下结论:只要添加的碳量在0.01~0.6wt%的范围内,就能实现该低电阻率。
图4所示为拉伸试验的结果。作为试样,使用纯铜材料(a)、添加有0.03wt%碳的铜合金(b)、添加有0.3wt%碳的铜合金(c)。作为测定器,使用岛津制作所制AGS-500D。制成长26mm、宽3.0mm、厚0.23mm的平板状试样,沿长度方向施加应力(MPa),测定作为变形量的应变(%)。
图4(a)、(b)、(c)的任一者中,如果从零开始逐渐增加应力(MPa),则应力(MPa)与应变(%)的关系最初为线性变化,之后应力(MPa)与应变(%)的关系成为缓慢变化的关系,如果进一步施加应力(MPa),则在某个应变(%)值处应力(MPa)急剧下降。应力(MPa)与应变(%)的关系线性变化的区域为弹性变形区域,应力(MPa)与应变(%)的关系缓慢变化的区域表示塑性变形区域。从弹性变形区域向塑性变形区域转变的应力(MPa)值表示屈服应力(MPa)。在某个应变(%)值处急剧下降的应力(MPa)值表示拉伸强度(MPa)。
关于纯铜材料(a)、添加有0.03wt%碳的铜合金(b)、以及添加有0.3wt%碳的铜合金(c)的样品,图4所示的屈服应力(MPa)和拉伸强度(MPa)的值示于图5。
如图5所示,与纯铜材料(a)的情形相比,像添加有0.03wt%碳的铜合金(b)和添加有0.3wt%碳的铜合金(c)那样添加有碳时,可以确认能获得更高的屈服应力(MPa)和拉伸强度(MPa),可以确认能获得更优良的铜材料。
如上所述,可以确认添加有0.03wt%碳的铜合金(b)的情形和添加有0.3wt%碳的铜合金(c)的情形与纯铜材料(a)的情形相比具有更坚固的材料特性,加工性更好。此外,通过实验可以获得如下结论:只要添加的碳量在0.01~0.6wt%的范围内,就能实现上述的坚固的材料特性。
添加的碳量大于0.6wt%时,无法在每次制造过程中始终稳定地确认到与纯铜材料(a)的情形相比显示出更低的电阻率的铜合金的存在,推测其原因在于,难以、无法使碳均匀地分散在铜材料中。添加的碳量小于0.01时,与纯铜材料相比未能观察到拉伸特性的显著变化。
Claims (8)
1.一种铜合金,其特征在于,在1200~1250℃的温度范围内的高温环境下向熔化的铜中添加0.01~0.6wt%范围内的规定量的碳而得,所述碳是六方晶系的石墨型,
将加碳促进剂和所述碳一起添加到所述熔化的铜中,
该加碳促进剂用于促进所述碳混入至处于所述高温环境下的铜中,
碳附着且保持于所述加碳促进剂,保持着碳的加碳促进剂在所述熔化的铜中对流而上下运动,使碳分散在所述熔化的铜中。
2.权利要求1所述的铜合金,其特征在于,所述规定量的碳在0.03~0.3wt%的范围内。
3.一种铜合金的制造方法,其特征在于,包括:
熔化工序,该熔化工序中,将投入有铜材料的高温用金属熔化炉加热至在1200~1250℃的温度范围内的高温环境,除去所述铜材料中的氧并且使所述铜材料熔化;
加碳工序,该加碳工序中,向通过所述熔化工序被熔化而处于所述高温环境下的铜中添加规定量的碳;
搅拌工序,该搅拌工序中,对所述铜材料和所述碳进行搅拌;
冷却工序,该冷却工序中,将通过所述搅拌工序搅拌好的所述铜材料和所述碳的混合物浇注入模具,使所述混合物冷却凝固,
所述碳是六方晶系的石墨型,
所述规定量的碳在0.01~0.6wt%的范围内,
所述加碳工序中,将加碳促进剂和所述碳一起添加到所述熔化的铜中,该加碳促进剂用于促进所述碳混入至处于所述高温环境下的铜中,碳附着且保持于所述加碳促进剂,保持着碳的加碳促进剂在所述熔化的铜中对流而上下运动,使碳分散在所述熔化的铜中。
4.权利要求3所述的铜合金的制造方法,其特征在于,所述加碳促进剂上浮至在所述高温用金属熔化炉中熔化的所述铜材料的表面,从而被回收。
5.权利要求3所述的铜合金的制造方法,其特征在于,所述冷却工序中,将所述加碳促进剂与所述铜材料和所述碳的混合物一起从设置于所述高温用金属熔化炉底部的取出口浇注入模具,冷却后敲击,将所述加碳促进剂从所述混合物中分离。
6.权利要求3所述的铜合金的制造方法,其特征在于,所述规定量的碳量在0.03~0.3wt%的范围内。
7.权利要求3所述的铜合金的制造方法,其特征在于,所述高温用金属熔化炉包括:投入所述铜材料和所述碳的窑部;在所述窑部的上方位置形成密闭加热空间的加热空间部;将加热燃料供给至所述密闭加热空间内来对所述密闭加热空间和所述窑部加热的加热部;形成于所述加热空间部的排气口。
8.权利要求7所述的铜合金的制造方法,其特征在于,所述熔化工序中,调节加热燃料的供给量,使得从所述高温用金属熔化炉的所述排气口排出的氧量为0。
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