CN105779828A - 一种铜合金与铝合金复合线材及其制备加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铜合金与铝合金复合线材及其制备加工方法，属于有色金属材料塑性加工及热处理领域。该复合线材为铜包铝同心双金属复合结构，外层为铜合金，芯部为铝合金，铜合金占复合线材的体积分数为20％～40％。采用热挤压方法制备铜合金管坯和铝合金棒坯，铜合金管坯经冷轧、固溶热处理、再冷轧制成复合坯料外层与铝合金棒芯形成复合坯料，复合坯料经冷轧(冷拉拔)、一次热处理、再次冷拉拔、二次热处理制成成品。采用本方法制备的铜合金与铝合金复合线材具有高强、轻质的特点，在保持较好导电能力的同时还具有一定的弹性特征。

Description

一种铜合金与铝合金复合线材及其制备加工方法

技术领域

本发明涉及一种铜合金与铝合金复合线材及其制备加工方法，属于有色金属材料塑性加工及热处理技术领域。

背景技术

近年来，我国电线电缆市场发展迅速，电线电缆业的规模总量也跃居世界第一。然而，随着全球电线电缆市场日趋成熟，电线电缆制造业整体发展趋缓。虽然目前我国电线电缆生产商数量多达数千家，但主要集中在低端领域靠低价格争夺市场，而在利润空间较大的高端电线电缆领域则处于起步阶段。随着跨国电线电缆巨头的进入，低价竞争的中国线缆行业将面临严峻考验。因此，中国电线电缆行业当务之急是短时间内在高端领域的研究、开发、生产上有所突破。

航空航天工业在我国高技术领域中始终占据重要的地位，其技术、工艺、材料、产品代表了国家的最高科技水平。航空航天用电线电缆作为高端电线电缆中的一个大分支需要在极端环境中保持高可靠性。这类关键基础元器件采用的导体通常为金属材料或金属基复合材料，针对具体的应用环境，要求导体材料在具备轻质和空间占比小两种特性的同时兼具高导电性。这就使导体材料的研制分为两个方向：第一，尽量减小材料密度，在同载流量和应力场下，降低整体重量；第二，尽量提高材料强度，在同载流量和应力场下，减小体积。

铜铝复合导体，如铜包铝线等，正是第一类研究方向的典型代表。但这种导体存在的问题是相较于铜导体，力学性能与导电性能降低较多，在同载流量和应力场下，需要增大截面积以保证综合性能符合应用要求，这就限制了其减重减体积的程度。在某些特殊应用场合，如在与航空航天用接插件的压接过程中，由于航空航天元器件质量可靠性要求高，压接方法有异于普通压接工艺，要求导体材料具有一定的弹性。而普通铜包铝线材弹性差，在特殊压接工艺下极易发生变形、断裂，且抗疲劳性能差，造成元器件可靠性低。

鉴于上述情况，研究开发一种兼具轻质、高强、高弹特性于一身的导体材料是必要且具有实际意义的。

发明内容

本发明的主要目在于提出一种铜合金与铝合金复合线材及其制备加工方法，以克服现有高端电线电缆用复合导体线材的不足。

为了实现导体同时具备轻质、高强、高弹、结构稳定特性且具备较高导电性能的目标，本发明设计了如下方案：

(1)为了实现轻质目标，设计导体材料为一种铜包铝结构的双金属复合线材；

(2)为了实现高强的目标，设计方案(1)中的芯部铝材为一种铝合金材料、外层铜材为一种铜合金材料，经热处理均可具有较高强度；

(3)为了实现高弹的目标，方案(2)中采用的铜合金材料经热处理需同时具有较高弹性，且在铜铝复合结构中占有一定比例以保证复合线材整体具有弹性特征；

(4)方案(2)中设计的铜合金和铝合金材料经热处理后均具有相对较高的导电能力。

(5)为实现复合导体线材具有稳定的结构，设计一种制备加工及热处理工艺能使方案(1)中的铜包铝结构具有稳定的铜铝复合界面。

一种铜合金与铝合金复合线材，该复合线材为铜包铝同心双金属复合结构，外层为铜合金，芯部为铝合金，铜合金占复合线材的体积分数为20％～40％；

所述的铝合金中，按质量百分比，Si为0.30％～0.38％，Mg为0.50％～0.65％，B为0.02％～0.04％，杂质元素≤0.08％，余量为Al，其中镁硅质量比Mg/Si为1.67～1.70，镁硅总含量Mg+Si≤1.00％；

所述的铜合金中，按质量百分比，Ni为0.50％～0.80％，Si为0.25％～0.30％，Co为0.23％～0.38％，杂质元素≤0.05％，余量为Cu，其中镍钴与硅的质量比(Ni+Co)/Si为3.50～4.00，镍、硅和钴总含量Ni+Si+Co≤1.50％。

为使上述铜合金与铝合金复合线材具备优异的综合性能，本发明提出一种适用于该铜合金与铝合金复合线材的制备加工方法，采用热挤压方法制备铜合金管坯和铝合金棒坯，铜合金管坯经冷轧、固溶热处理、再冷轧制成复合坯料外层与铝合金棒芯形成复合坯料，复合坯料经冷轧(冷拉拔)、一次热处理、再次冷拉拔、二次热处理制成成品。

一种铜合金与铝合金复合线材的制备加工方法，包括如下步骤：

(1)采用热挤压方法制备具有上述成分的铜合金管坯；

(2)将步骤(1)中制备的铜合金管坯轧制成一定尺寸规格的铜合金管材；

(3)将步骤(2)中制备的铜合金管材进行固溶热处理；

(4)将步骤(3)中热处理后的铜合金管材二次轧制至一定尺寸规格，作为复合坯料外层材料；

(5)采用热挤压方法制备一定尺寸规格具有上述成分的铝合金棒材，作为复合坯料芯部材料；

(6)将步骤(5)中制备的铝合金棒材插入步骤(4)制备的铜合金管材中，得到复合坯料；

(7)将步骤(6)中制成的复合坯料轧制或拉拔成一定尺寸的复合杆或线；

(8)将步骤(7)中制成的复合杆或线进行第一次热处理；

(9)将步骤(8)中第一次热处理后的复合杆或线拉拔成具有成品尺寸规格的复合线材；

(10)将步骤(9)中制成的复合线材进行第二次热处理，得到最终成品。

步骤(1)中，铜合金管坯的热挤压方法，其工艺参数为挤压温度870～910℃，挤压比为10～70，出口速度为60～100m/min，挤压后的铜合金管坯再进行矫直、铣面和酸洗。

步骤(2)中，铜合金管坯轧制为冷轧，冷轧道次变形量为15％～30％。

步骤(3)中，铜合金管材的固溶热处理方法，其工艺参数为铜合金管坯的固溶温度为960～980℃，保温时间为1～2h；所述的热处理工艺过程在真空条件下进行，采取气淬方式出炉。

步骤(4)中，铜合金管坯二次轧制为冷轧，冷轧道次变形量为15％～30％。

步骤(5)中，铝合金棒材的热挤压方法，其工艺参数为挤压温度为460～500℃，挤压比为15～60，出口速度为30～50m/min。

步骤(6)中，作为芯部的铝合金棒材的直径比作为外层的铜合金管材的内径小0.5～1mm，铝合金棒材表面和铜合金管材内、外壁进行预处理，至呈洁净、光滑状态。

步骤(7)中，所述的复合坯料的轧制或拉拔工艺为冷轧或冷拉拔，其道次变形量为10％～20％。

步骤(8)中，所述的复合杆或线的第一次热处理方法，其工艺参数为热处理温度为520～550℃，保温时间为1～2h；所述的热处理工艺过程在真空条件下进行，采取气淬方式出炉。

步骤(9)中，所述的第一次热处理后的复合杆或线的拉拔工艺为冷拉拔，道次变形量为8％～15％。

步骤(10)中，所述的复合线材的第二次热处理方法，其工艺参数为热处理温度为160～180℃，保温时间为4～8h；所述的热处理工艺过程在真空条件下或在惰性气体保护条件下进行，出炉后自然冷却。

本发明的优点：热挤压制成的铜合金经一定的冷变形使组织中的大晶粒破碎并形成大量缺陷，有利于在高温下实现铜合金过饱和固溶体的形成，固溶态的铜合金再经冷变形得以硬化，便于与铝合金棒结合；铜铝复合坯经大冷变形量加工可以实现铜铝界面的初步复合，再经过后续520～550℃的热处理能够进一步增强复合界面的结合强度；520～550℃热处理的另一个目的就是既能使芯部铝合金形成过饱和固溶体，又能作为外层铜合金的时效处理条件，时效后的铜合金强度、弹性、导电性都有较大提升；一次热处理后的复合线杆再经冷变形加工至成品尺寸，经160～180℃的二次热处理可以为外层铜合金去应力退火，同时可作为芯部铝合金的时效强化条件，时效后的铝合金导电性大幅提高同时保持较高的强度，进而获得综合性能优异的铜合金铝合金复合线材。

本发明制备的铜合金铝合金复合线材，其强度可达350～450MPa、延伸率6％～20％、导电率55～63％IACS、弹性模量95～98GPa。

采用本发明方法制备的铜合金与铝合金复合线材具有高强、轻质的特点，在保持较好导电能力的同时还具有一定的弹性特征。

具体实施方式

本发明的铜合金与铝合金复合线材，具有如下特点：

(1)该铜合金与铝合金复合线材为铜包铝同心双金属复合结构，外层为铜合金，芯部为铝合金，铜合金占复合线材的体积分数为20％～40％；

(2)芯部铝合金中，按质量百分比，Si含量为0.30％～0.38％，Mg含量为0.50％～0.65％，B含量为0.02％～0.04％，杂质元素总含量≤0.08％，余量为Al，其中镁硅质量比Mg/Si为1.67～1.70，镁硅总含量Mg+Si≤1.00％；

(3)外层铜合金中，按质量百分比，Ni含量为0.50％～0.80％，Si含量为0.25％～0.30％，Co含量为0.23％～0.38％，杂质元素总含量≤0.05％，余量为Cu，其中镍钴与硅的质量比(Ni+Co)/Si为3.50～4.00，合金元素总含量Ni+Si+Co≤1.50％。

以下通过具体实例对本发明的技术方案作进一步描述，但并不意味着对本发明保护范围的限制。

实施例1：

采用的复合线材结构与成分见表1中的实施例1。

具体工艺路线为：

直径为95mm的铜合金锭经热挤压成外径50mm、壁厚10mm的管坯，管坯经5个道次冷轧至外径25mm、壁厚5mm，进行固溶热处理，而后经个1个道次二次冷轧至外径23mm、壁厚4mm，矫直、铣面、酸洗。

直径为70mm的铝合金锭经热挤压成直径18mm棒材，矫直、清洁。

将铜合金管与铝合金棒复合并经11个道次冷轧至直径8mm，复合棒材经一次热处理后经24个道次拉拔至直径1.2mm，最后经二次热处理制成复合线材成品。

具体工艺参数如下：

(1)铜合金管挤压工艺：挤压温度890℃，挤压比10，出口速度100m/min；

(2)铜合金管材一次冷轧工艺：道次变形量25％；

(3)铜合金管材固溶热处理工艺：温度970℃，保温1.5h，淬火；热处理过程在真空条件下进行，采取气淬方式出炉；

(4)铜合金管材二次轧制工艺：道次变形量25％；

(5)铝合金棒挤压工艺：挤压温度460℃，挤压比15，出口速度50m/min；

(6)复合坯料冷轧工艺：道次变形量18％；

(7)复合线杆一次热处理工艺：温度530℃，保温1.5h，淬火；热处理过程在真空条件下进行，采取气淬方式出炉；

(8)复合线杆拉冷拉拔工艺：道次变形量15％；

(9)复合线材二次热处理工艺：温度170℃，保温6h，热处理工艺过程在真空条件下进行，自然冷却。

经上述工艺处理，铜合金铝合金复合线材的性能测试结果见表2中的实施例1。

实施例2：

采用的复合线材结构与成分见表1中的实施例2。

具体工艺路线为：

直径为95mm的铜合金锭经热挤压成外径40mm、壁厚10mm的管坯，管坯经7个道次冷轧至外径20mm、壁厚5mm进行固溶热处理，而后经个2个道次二次冷轧至外径18mm、壁厚4mm，矫直、铣面、酸洗。

直径为70mm的铝合金锭经热挤压成直径13mm棒材，矫直、清洁。

将铜合金管与铝合金棒复合并经11个道次冷拉拔至直径6mm，复合棒材经一次热处理后经28个道次拉拔至直径1mm，最后经二次热处理制成复合线材成品。

具体工艺参数如下：

(1)铜合金管挤压工艺：挤压温度890℃，挤压比13，出口速度90m/min；

(2)铜合金管材一次冷轧工艺：道次变形量20％；

(3)铜合金管材固溶热处理工艺：温度975℃，保温1.5h，淬火；热处理过程在真空条件下进行，采取气淬方式出炉；

(4)铜合金管材二次轧制工艺：道次变形量20％；

(5)铝合金棒挤压工艺：挤压温度470℃，挤压比29，出口速度45m/min；

(6)复合坯料冷拉拔工艺：道次变形量18％；

(7)复合线杆一次热处理工艺：温度530℃，保温2h，淬火；热处理过程在真空条件下进行，采取气淬方式出炉；

(8)复合线杆拉冷拉拔工艺：道次变形量12％；

(9)复合线材二次热处理工艺：温度175℃，保温4.5h，热处理工艺过程在惰性气体保护条件下进行，自然冷却。

经上述工艺处理，铜合金铝合金复合线材的性能测试结果见表2中的实施例2。

实施例3：

采用的复合线材结构与成分见表1中的实施例3。

具体工艺路线为：

直径为95mm的铜合金锭经热挤压成外径30mm、壁厚5mm的管坯，管坯经6个道次冷轧至外径15mm、壁厚3mm进行固溶热处理，而后经3个道次二次冷轧至外径13mm、壁厚2mm，矫直、铣面、酸洗。

直径为70mm的铝合金锭经热挤压成直径10mm棒材，矫直、清洁。

将铜合金管与铝合金棒复合并经12个道次冷拉拔至直径5mm，复合线材经一次热处理后经48个道次拉拔至直径0.404mm，最后经二次热处理制成复合线材成品。

具体工艺参数如下：

(1)铜合金管挤压工艺：挤压温度890℃，挤压比33，出口速度80m/min；

(2)铜合金管材一次冷轧工艺：道次变形量20％；

(3)铜合金管材固溶热处理工艺：温度965℃，保温1.5h，淬火；热处理过程在真空条件下进行，采取气淬方式出炉；

(4)铜合金管材二次轧制工艺：道次变形量20％；

(5)铝合金棒挤压工艺：挤压温度485℃，挤压比49，出口速度35m/min；

(6)复合坯料冷拉拔工艺：道次变形量15％；

(7)复合线材一次热处理工艺：温度540℃，保温2h，淬火；热处理过程在真空条件下进行，采取气淬方式出炉；

(8)复合线材拉冷拉拔工艺：道次变形量10％；

(9)复合线材二次热处理工艺：温度180℃，保温4h，热处理工艺过程在惰性气体保护条件下进行，自然冷却。

经上述工艺处理，铜合金铝合金复合线材的性能测试结果见表2中的实施例3。

实施例4：

采用的复合线材结构与成分见表1中的实施例4。

具体工艺路线为：

直径为95mm的铜合金锭经热挤压成外径25mm、壁厚4mm的管坯，管坯经5个道次冷轧至外径12mm、壁厚2mm进行固溶热处理，而后经1个道次二次冷轧至外径10mm、壁厚2mm，矫直、铣面、酸洗。

直径为45mm的铝合金锭经热挤压成直径7mm棒材，矫直、清洁。

将铜合金管与铝合金棒复合并经15个道次冷拉拔至直径3mm，复合线材经一次热处理后经65个道次拉拔至直径0.203mm，最后经二次热处理制成复合线材成品。

具体工艺参数如下：

(1)铜合金管挤压工艺：挤压温度900℃，挤压比49，出口速度75m/min；

(2)铜合金管材一次冷轧工艺：道次变形量25％；

(3)铜合金管材固溶热处理工艺：温度965℃，保温2h，淬火；热处理过程在真空条件下进行，采取气淬方式出炉；

(4)铜合金管材二次轧制工艺：道次变形量25％；

(5)铝合金棒挤压工艺：挤压温度485℃，挤压比41，出口速度35m/min；

(6)复合坯料冷拉拔工艺：道次变形量15％；

(7)复合线材一次热处理工艺：温度540℃，保温2h，淬火；热处理过程在真空条件下进行，采取气淬方式出炉；

(8)复合线材拉冷拉拔工艺：道次变形量8％；

(9)复合线材二次热处理工艺：温度180℃，保温8h，热处理工艺过程在真空条件下进行，自然冷却。

经上述工艺处理，铜合金铝合金复合线材的性能测试结果见表2中的实施例4。

实施例5：

采用的复合线材结构与成分见表1中的实施例5。

具体工艺路线为：

直径为95mm的铜合金锭经热挤压成外径20mm、壁厚4mm的管坯，管坯经7个道次冷轧至外径12mm、壁厚1mm进行固溶热处理，而后经2个道次二次冷轧至外径8mm、壁厚1mm，矫直、铣面、酸洗。

直径为45mm的铝合金锭经热挤压成直径6mm棒材，矫直、清洁。

将铜合金管与铝合金棒复合并经16个道次冷拉拔至直径3mm，复合线材经一次热处理后经60个道次拉拔至直径0.127mm，最后经二次热处理制成复合线材成品。

具体工艺参数如下：

(1)铜合金管挤压工艺：挤压温度910℃，挤压比63，出口速度65m/min；

(2)铜合金管材一次冷轧工艺：道次变形量25％；

(3)铜合金管材固溶热处理工艺：温度980℃，保温1h，淬火；热处理过程在真空条件下进行，采取气淬方式出炉；

(4)铜合金管材二次轧制工艺：道次变形量25％；

(5)铝合金棒挤压工艺：挤压温度495℃，挤压比56，出口速度30m/min；

(6)复合坯料冷拉拔工艺：道次变形量12％；

(7)复合线材一次热处理工艺：温度540℃，保温2h，淬火；热处理过程在真空条件下进行，采取气淬方式出炉；

(8)复合线材拉冷拉拔工艺：道次变形量10％；

(9)复合线材二次热处理工艺：温度175℃，保温7h，热处理工艺过程在惰性气体保护条件下进行，自然冷却。

经上述工艺处理，铜合金铝合金复合线材的性能测试结果见表2中的实施例5。

表1实施例1-5的复合线材结构与成分

表2实施例1-5中铜合金铝合金复合线材的综合性能

编号	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	实施例5
						抗拉强度/MPa	361	432	368	415	373
延伸率/％	18	9	14	7	8
						导电率/％IACS	61	58	62	60	62
弹性模量/GPa	96	98	96	97	96

本发明制备的铜合金与铝合金复合线材，经性能测试，其抗拉强度为361～432MPa、延伸率为7％～18％、导电率为58～62％IACS、弹性模量为96～98GPa。同时，铜合金与铝合金的复合界面的结合强度高，外层铜合金强度、弹性、导电性等性能均有较大提高；芯部铝合金的导电性大幅提高同时保持较高的强度，进而获得综合性能优异的铜合金与铝合金复合线材。

Claims (10)

1.一种铜合金与铝合金复合线材，其特征在于：该复合线材为铜包铝同心双金属复合结构，外层为铜合金，芯部为铝合金，铜合金占复合线材的体积分数为20％～40％；

所述的铝合金中，按质量百分比，Si为0.30％～0.38％，Mg为0.50％～0.65％，B为0.02％～0.04％，杂质元素≤0.08％，余量为Al，其中Mg/Si为1.67～1.70，Mg+Si≤1.00％；

所述的铜合金中，按质量百分比，Ni为0.50％～0.80％，Si为0.25％～0.30％，Co为0.23％～0.38％，杂质元素≤0.05％，余量为Cu，其中(Ni+Co)/Si为3.50～4.00，Ni+Si+Co≤1.50％。

2.如权利要求1所述的铜合金与铝合金复合线材的制备加工方法，包括如下步骤：

(1)采用热挤压方法制备铜合金管坯；

(2)将制备的铜合金管坯轧制成铜合金管材；

(3)将制备的铜合金管材进行固溶热处理；

(4)将热处理后的铜合金管材二次轧制，作为复合坯料外层材料；

(5)采用热挤压方法制备铝合金棒材，作为复合坯料芯部材料；

(6)将制备的铝合金棒材插入制备的铜合金管材中，得到复合坯料；

(7)将复合坯料轧制或拉拔成复合杆或线；

(8)将所述的复合杆或线进行第一次热处理；

(9)将第一次热处理后的复合杆或线拉拔成复合线材；

(10)将所述的复合线材进行第二次热处理，得到成品。

3.如权利要求2所述的铜合金与铝合金复合线材的制备加工方法，其特征在于：所述的铜合金管坯的热挤压方法中，挤压温度为870～910℃，挤压比为10～70，出口速度为60～100m/min，挤压后的铜合金管坯再进行矫直、铣面和酸洗。

4.如权利要求2所述的铜合金与铝合金复合线材的制备加工方法，其特征在于：所述的铜合金管材的固溶热处理中，固溶温度为960～980℃，保温时间为1～2h；所述的热处理过程在真空条件下进行，采取气淬方式出炉。

5.如权利要求2所述的铜合金与铝合金复合线材的制备加工方法，其特征在于：所述的铜合金管坯轧制或铜合金管坯二次轧制均为冷轧，冷轧道次变形量为15％～30％。

6.如权利要求2所述的铜合金与铝合金复合线材的制备加工方法，其特征在于：所述的铝合金棒材的热挤压方法中，挤压温度为460～500℃，挤压比为15～60，出口速度为30～50m/min。

7.如权利要求2所述的铜合金与铝合金复合线材的制备加工方法，其特征在于：作为芯部的铝合金棒材的直径比作为外层的铜合金管材的内径小0.5～1mm，铝合金棒材表面和铜合金管材内、外壁进行预处理，至洁净、光滑。

8.如权利要求2所述的铜合金与铝合金复合线材的制备加工方法，其特征在于：所述的复合杆或线的第一次热处理中，热处理温度为520～550℃，保温时间为1～2h；所述的热处理过程在真空条件下进行，采取气淬方式出炉。

9.如权利要求2所述的铜合金与铝合金复合线材的制备加工方法，其特征在于：所述的复合坯料的轧制或拉拔为冷轧或冷拉拔，其道次变形量为10％～20％；所述的第一次热处理后的复合杆或线的拉拔为冷拉拔，道次变形量为8％～15％。

10.如权利要求2所述的铜合金与铝合金复合线材的制备加工方法，其特征在于：所述的复合线材的第二次热处理方法中，热处理温度为160～180℃，保温时间为4～8h；所述的热处理过程在真空条件下或在惰性气体保护条件下进行，出炉后自然冷却。