CN103695825A

CN103695825A - 一种高导电率的高强度铜铬锆合金细线导体的制备方法

Info

Publication number: CN103695825A
Application number: CN201310753703.7A
Authority: CN
Inventors: 徐睿; 蔡西川; 朱军军; 毛协民
Original assignee: Shanghai Electric Cable Research Institute
Current assignee: Shanghai Electric Cable Research Institute
Priority date: 2013-12-31
Filing date: 2013-12-31
Publication date: 2014-04-02
Anticipated expiration: 2033-12-31
Also published as: CN103695825B

Abstract

本发明涉及材料加工技术领域，特别是涉及一种高导电率的高强度铜铬锆合金细线导体的制备方法。本发明提供一种高导电率的高强度铜铬锆合金细线导体的制备方法，其主要工艺过程包括合金熔炼制坯、杆坯及线坯冷变形加工、多级固溶、时效处理等工序。本发明通过特定制备配方及熔炼工艺获得的铜铬锆合金杆坯，在多级轧制、拉拔冷加工过程中，逐级开展固溶、时效热处理工艺，以有效控制铜铬锆合金加工过程中的析出相的尺寸、形态及其分布，从而，既提高了材料的力学性能，还保持了铜基合金的良好的导电性能。

Description

一种高导电率的高强度铜铬锆合金细线导体的制备方法

技术领域

本发明涉及材料加工技术领域，特别是涉及一种高导电率的高强度铜铬锆合金细线导体的制备方法。

背景技术

电缆是由内层导体材料及外层绝缘材料组成，导体材料基本采用铜线、铜合金线、以及铝、铝合金线制成。目前，使用最为广泛的电缆导体材料为退火软态铜线和未退火的硬态铜线，相关产品标准GB/T3953《电工圆铜线》标准中，软态铜线主要性能指标为20℃的直流电阻率0.017241Ω·mm²/m，即导电率100%IACS，软态铜线很低且在使用中不受力，因此对强度不作要求，延伸率大于10%；硬态铜线主要性能指标为20℃的直流电阻率0.01777Ω·mm²/m，即导电率97%IACS，强度在270～420MPa，但伸长率只有0.5～0.7%。随着我国航天航空制造装备业的快速发展，对相关配套的电缆产品提出了高强度、高导电性、高伸长率的技术要求，常规的铜线无法满足要求。目前国内外普遍采用铜合金线材作为该类电缆的导体材料，相关的国际通行标准为美标ASTMB624-99标准，其中规定的电子用高强度高导电铜合金的最低性能需达到414MPa，导电率需不小于85%，伸长率7～9%。

目前国内实现航天航空领域内大量的线缆产品中的导体材料仍主要应用纯铜材料，国内企业尚不具备相关高强高导的高性能铜合金材料的制造能力。近几年国内企业仿制的航天航空用线缆产品，其中使用的芯线导体材料全部为进口自日本、欧洲，而所进口的芯线材料通常都是国外高性能导体材料中的中下等产品。国内企业只是进行少量的合金线坯的后道次拉拔、绞合、成缆加工，产品技术附加值及经济附加值都很低，生产出的线缆产品的性能指标与国外大型线缆企业的先进产品存在一定的差距，无法提供满足我国航天航空工业发展的需要。

要满足航天航空工业对高导高强导电材料的需要，国内外工程技术人员都在致力于铜合金导电材料的研制。固溶析出强化型的铜铬锆合金系列的导电材料的出现，使高导高强的铜合金导电材料的研究取得了突破性的进展，为满足航天航空工业需要指出了方向。专利CN1811998A公开了高强高导铜合金的制备技术，所涉及的产品性能中导电率达到77～84%IACS；专利CN101386925A公开了Cu-Cr-Zr合金制备工艺，所涉及的产品性能中导电率达到77～84%IACS；专利CN1769507A公开的一种高强度高导电铜合金及其制备方法，产品性能中导电率在75%～80%IACS，伸长率不小于5%；可以看到，以上专利所开发的产品性能与美国ASTMB624-99标准的要求相比，导电率指标还没有达到大于85%IACS的指标。专利CN11488770A公开了高强高导电铜基合金材料，其性能中导电率达到75%～90%IACS，但未涉及到线径范围在Φ0.05mm～Φ1.30mm的线材制备技术。

可以看到，对于铜铬锆合金材料简单地采用一次固溶-时效处理往往很难做到强度与导电率二项指标兼顾的同时获得更高导电性能的目的，提高了强度，就无法得到导电率的高指标。刘平等（《新型铜铬系合金近期制备技术》，科学出版社，北京，2007年，p277-282）提出了热处理与冷加工相结合的处理方法，并采用二级变形时效的技术实现了较好的高强度和高导电率的兼顾，但未考虑进行二次固溶处理，材料性能中抗拉强度在500MPa以上，但导电率仍只达到80-85%IACS。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明提供了一种在冷加工过程中采用多级固溶、时效处理的材料加工方法，获得高导电率和优良的抗拉强度、延伸性能的一种铜铬锆合金细线导体，其导电性能接近纯铜水平，抗拉强度优于硬态纯铜的指标，并达到了美国ASTM B624-99标准的要求。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明第一方面提供一种高导电率的高强度铜铬锆合金细线导体的制备方法，通过特定制备配方及熔炼工艺获得的铜铬锆合金杆坯，在多级轧制、拉拔冷加工过程中，逐级开展固溶、时效热处理工艺，以有效控制铜铬锆合金加工过程中的析出相的尺寸、形态及其分布，从而在提高了材料的力学性能，还保持了铜基合金的良好的导电性能。

优选的，在所述高导电率的高强度铜铬锆合金细线导体的制备方法中，当铜铬锆合金细线导体成形达到最终尺寸后，再进行二次最终时效处理，使细线产品的导电、力学性能达到二者兼顾的目标，满足美国ASTMB624-99标准的要求。

优选的，所述高导电率的高强度铜铬锆合金细线导体的制备方法，其主要工艺过程包括合金熔炼制坯、杆坯及线坯冷变形加工、多级固溶、时效处理等工序，包括如下步骤：

1）按照质量百分数采用电解铜板、Cu-Cr中间合金和Cu-Zr中间合金进行配料，按原料总质量计，Cr含量为0.10～0.75%，Zr含量为0.01～0.10%，其余为Cu；

2）将电解铜板置于真空感应熔炼炉坩埚内，在真空条件下加热熔化电解铜板，铜液温度加热到1200～1250℃时，将Cu-Cr中间合金、Cu-Zr中间合金投入铜液中，保温静置；

3）在真空条件下将铜合金液倒入真空保温炉内，在保温炉内冲入惰性气体，进行水平连续铸造，铸造速度在250-350mm/min，得到φ6-20mm的连续铸杆；

优选的，铸造速度在300mm/min，得到φ8或16mm的连续铸杆；

4）将步骤（3）所得铸杆分别进行变形量≥40%的一级冷加工，变形量≥40%的二级冷加工及变形量≥60%的三级冷加工，在各道次冷加工之间共进行2次固溶处理和2次时效处理，固溶处理的温度为900～980℃，保温时间≤4h，时效处理的温度为360～490℃，保温时间≤6h，制得线坯；

优选的一级冷加工采用轧制方式进行，二级、三级冷加工采用拉拔方式进行；

5）将步骤（4）所得线坯采用拉拔的方式变形，制得铜铬锆合金细线；将制得的铜铬锆合金细线进行最终时效处理，温度360～490℃，保温不超过6h，最终获得高导电率的高强度铜铬锆合金成品细线导体。

优选的，所述步骤（1）中，所述电解铜板的铜含量≥99.95wt%，所述Cu-Cr中间合金成分为：Cu-8～12wt%Cr，所述Cu-Zr中间合金成分为：Cu-35～45wt%Zr。

更优选的，所述Cu-Cr中间合金成分为：Cu-10wt%Cr，所述Cu-Zr中间合金成分为：Cu-40wt%Zr。

优选的，所述步骤（2）中，电解铜板投料前，进行切条和烘干处理。

优选的，所述步骤（2）和（3）中，真空条件为：真空度≤1×10^-2Pa。

优选的，所述步骤（2）中，Cu-Cr中间合金、Cu-Zr中间合金投料前，进行切块和烘干处理。

优选的，所述步骤（2）中，将Cu-Cr中间合金、Cu-Zr中间合金投入铜液中后，保温静置时间为15～30分钟。

优选的，所述步骤（3）中，在真空条件下将铜合金液倒入真空保温炉内时，下方落差≥0.5m。

优选的，所述步骤（3）中，惰性气体选自氮气或氩气。所述氮气优选为高纯氮气，所述氩气优选为高纯氩气。

优选的，所述步骤（4）中，固溶处理和时效处理的具体顺序为：在一级冷加工后进行固溶处理，在二级冷加工后进行时效和固溶热处理，在三级冷加工后进行时效处理。

优选的，所述步骤（5）所得铜铬锆合金细线的直径为φ1.30-0.05mm；优选为φ1.05-0.079mm。

本发明第二方面提供所述高导电率的高强度铜铬锆合金细线导体的制备方法在电缆导体材料制备领域的用途。

本发明所提供的高导电率的高强度铜铬锆合金细线的制备方法可以制备获得线径范围在Φ0.050mm～Φ1.30mm，导电率达到90～95%IACS，抗拉强度达到414～450MPa，断裂伸长率8～12%的铜铬锆合金细线导体，该制备方法实现了铜铬锆合金制成的细线作为导体材料时，具有接近于纯铜材料的导电性能（达90%IACS以上），同时具有较高的抗拉强度和良好的延伸性能，有效地降低使用时的电能损耗，保证使用中的运行安全性。

附图说明

图1是制备这种高导电率的高强度铜铬锆合金细线的工艺流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

须知，下列实施例中未具体注明的工艺设备或装置均采用本领域内的常规设备或装置；所有压力值和范围都是指绝对压力。

此外应理解，本发明中提到的一个或多个方法步骤并不排斥在所述组合步骤前后还可以存在其他方法步骤或在这些明确提到的步骤之间还可以插入其他方法步骤，除非另有说明；还应理解，本发明中提到的一个或多个设备/装置之间的组合连接关系并不排斥在所述组合设备/装置前后还可以存在其他设备/装置或在这些明确提到的两个设备/装置之间还可以插入其他设备/装置，除非另有说明。而且，除非另有说明，各方法步骤的编号仅为鉴别各方法步骤的便利工具，而非为限制各方法步骤的排列次序或限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容的情况下，当亦视为本发明可实施的范畴。

实施例1

所制备的合金采用电解铜板及Cu-Cr、Cu-Zr中间合金按照质量百分数配料，Cr含量为0.65%，Zr含量为0.06%，其余为Cu。

1.所采用的电解铜板的铜含量不低于99.95%，中间合金成分为：Cu-10%Cr、Cu-40%Zr。电解铜板切条、烘干置于真空感应熔炼炉中坩埚内，将铜-铬、铜-锆中间合金切块、烘干放于投料机构中，在真空度不超过1×10^-2Pa条件下，开始感应加热熔化电解铜，铜液温度加热到1250℃，通过投料机构将铜-铬、铜-锆中间合金块投入铜液当中，将中间合金块溶入铜液中，保温20分钟。在真空状态下将铜合金液倒入下方落差不小于0.5m的真空保温炉内，在保温炉内冲入高纯氮气或氩气，进行水平连续铸造，铸造速度在300mm/min，得到φ16mm的连续铸杆；

2.将所得铸杆采用轧制的方法进行变形量60%的冷加工和进行固溶处理，而后采用拉拔方式进行60%冷加工和固溶+时效热处理，而后采用拉拔方式进行变形量为85%的冷加工和时效处理获得线坯；所述各固溶处理温度在950～980℃，保温1～2h，时效处理温度400～450℃，保温3～6h；

3.将所得线坯采用拉拔的方式变形，制得φ0.127mm成品规格的铜铬锆合金细线；

4.将所制得φ0.127mm成品规格的铜铬锆合金细线，进行最终时效处理，温度在490℃，保温1h，最终获得高导电率的高强度铜铬锆合金成品细线导体。

这种铜铬锆合金成品细线导体的主要性能指标可达到：20℃的导电率达到95.0%IACS，抗拉强度达到416MPa，断裂伸长率达到8%。

实施例2

所制备的合金采用电解铜板及Cu-Cr、Cu-Zr中间合金按照质量百分数配料，Cr含量为0.16%，Zr含量为0.09%，其余为Cu。

1.所采用的电解铜板的铜含量不低于99.95%，中间合金成分为：Cu-8%Cr、Cu-35%Zr。电解铜板切条、烘干置于真空感应熔炼炉中坩埚内，将铜-铬、铜-锆中间合金切块、烘干放于投料机构中，在真空度不超过1×10^-2Pa条件下，开始感应加热熔化电解铜，铜液温度加热到1200℃，通过投料机构将铜-铬、铜-锆中间合金块投入铜液当中，将中间合金块溶入铜液中，保温30分钟。在真空状态下将铜合金液倒入下方落差不小于0.5m的真空保温炉内，在保温炉内冲入高纯氮气或氩气，进行水平连续铸造，铸造速度在350mm/min，得到φ8mm的连续铸杆；

2.将所得铸杆采用轧制的方法进行变形量40%的冷加工和固溶处理，而后采用拉拔方式进行45%冷加工后和时效+固溶热处理，而后采用拉拔方式进行变形量为60%的冷加工后进行时效处理获得线坯；所述各固溶处理温度在900～950℃，保温2～4h，时效处理温度450～490℃，保温1～3h；

3.将所得线坯采用拉拔的方式变形，制得φ0.5mm成品规格的铜铬锆合金细线；

4.将所制得φ0.5mm成品规格的铜铬锆合金细线，进行最终时效处理，温度在380℃，保温6h，最终获得高导电率的高强度铜铬锆合金成品细线导体。

实施例2中所得铜铬锆合金成品细线导体的主要性能指标可达到：20℃的导电率达到92.4%IACS，抗拉强度达到454MPa，断裂伸长率达到8.4%。

实施例3

所制备的合金采用电解铜板及Cu-Cr、Cu-Zr中间合金按照质量百分数配料，Cr含量为0.7%，Zr含量为0.01%，其余为Cu。

1.所采用的电解铜板的铜含量不低于99.95%，中间合金成分为：Cu-12%Cr、Cu-45%Zr。电解铜板切条、烘干置于真空感应熔炼炉中坩埚内，将铜-铬、铜-锆中间合金切块、烘干放于投料机构中，在真空度不超过1×10^-2Pa条件下，开始感应加热熔化电解铜，铜液温度加热到1230℃，通过投料机构将铜-铬、铜-锆中间合金块投入铜液当中，将中间合金块溶入铜液中，保温15分钟。在真空状态下将铜合金液倒入下方落差不小于0.5m的真空保温炉内，在保温炉内冲入高纯氮气或氩气，进行水平连续铸造，铸造速度在250mm/min，得到φ16mm的连续铸杆；

2.将所得铸杆采用轧制的方法进行变形量50%的冷加工和固溶处理，而后采用拉拔方式进行60%冷加工和时效处理+固溶处理，而后采用拉拔方式进行变形量为80%的冷加工和时效处理获得线坯；所述各固溶处理温度在930～960℃，保温1～2h，时效处理温度360～400℃，保温5～6h；

3.将所得线坯采用拉拔的方式变形，制得φ1.03mm成品规格的铜铬锆合金细线；

4.将所制得φ1.03mm成品规格的铜铬锆合金细线，进行最终时效处理，温度在460℃，保温3h，最终获得高导电率的高强度铜铬锆合金成品细线导体。

实施例3中所得铜铬锆合金成品细线导体的主要性能指标可达到：20℃的导电率达到94.0%IACS，抗拉强度达到420MPa，断裂伸长率达到12%。

综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种高导电率的高强度铜铬锆合金细线导体的制备方法，通过特定制备配方及熔炼工艺获得的铜铬锆合金杆坯，在多级轧制、拉拔冷加工过程中，逐级开展固溶、时效热处理工艺，以有效控制铜铬锆合金加工过程中的析出相的尺寸、形态及其分布，从而在提高了材料的力学性能，还保持了铜基合金的良好的导电性能。

2.如权利要求1所述的一种高导电率的高强度铜铬锆合金细线导体的制备方法，其特征在于，当铜铬锆合金细线导体成形达到最终尺寸后，再进行最终时效处理，使细线产品的导电、力学性能达到二者兼顾的目标，满足美国ASTMB624-99标准的要求。

3.如权利要求2所述的一种高导电率的高强度铜铬锆合金细线导体的制备方法，其特征在于，所述制备方法具体包括如下步骤：

5）将步骤（4）所得线坯采用拉拔的方式变形，制得铜铬锆合金细线；将制得的铜铬锆合金细线进行最终时效处理，温度360～490℃，保温≤6h，最终获得高导电率的高强度铜铬锆合金成品细线导体。

4.如权利要求3所述的一种高导电率的高强度铜铬锆合金细线导体的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，所述电解铜板的铜含量≥99.95wt%，所述Cu-Cr中间合金成分为：Cu-8～12wt%Cr，所述Cu-Zr中间合金成分为：Cu-35～45wt%Zr。

5.如权利要求3所述的一种高导电率的高强度铜铬锆合金细线导体的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中，电解铜板投料前，进行切条和烘干处理。

6.如权利要求3所述的一种高导电率的高强度铜铬锆合金细线导体的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）和（3）中，真空条件为：真空度≤1×10^-2Pa。

7.如权利要求3所述的一种高导电率的高强度铜铬锆合金细线导体的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中，Cu-Cr中间合金、Cu-Zr中间合金投料前，进行切块和烘干处理。

8.如权利要求3所述的一种高导电率的高强度铜铬锆合金细线导体的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中，将Cu-Cr中间合金、Cu-Zr中间合金投入铜液中后，保温15～30分钟。

9.如权利要求3所述的一种高导电率的高强度铜铬锆合金细线导体的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中，在真空条件下将铜合金液倒入真空保温炉内时，下方落差≥0.5m。

10.如权利要求3所述的一种高导电率的高强度铜铬锆合金细线导体的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中，惰性气体选自氮气或氩气。

11.如权利要求1-10任一权利要求所述的高导电率的高强度铜铬锆合金细线导体的制备方法在电缆导体材料制备领域的用途。