CN106251926B - 一种高强高韧铜导线的制备工艺 - Google Patents

一种高强高韧铜导线的制备工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种高强高韧铜导线的制备工艺，包括如下步骤：S1将电解铜、铜中间合金和磷铜合金加入熔炼炉中，覆盖煅烧木炭，通入惰性气体；S2熔液按重量百分比包括：Fe0.25‑0.35％，Sn 0.05‑0.15％，Zn0.15‑0.25％，P0.05‑0.08％，Ti0.05‑0.15％，La0.07‑0.09％，Y0.03‑0.05％，Ag0.07‑0.12％，Mg＜0.1％，余量为Cu；S3将结晶器伸入熔液中后凝结成固体，向上牵引，进行连续挤压，再多道次拉拔，得到所述铜导线。本发明提出的一种高强高韧铜导线的制备工艺，所述铜导线具备高强度和导电性的同时，可满足实际工程中对导线的高韧性需求。

Description

一种高强高韧铜导线的制备工艺
技术领域
本发明涉及电工用铜技术领域，尤其涉及一种高强高韧铜导线的制备工艺。
背景技术
随着电工产业的发展，市场对电缆、导线、开关出头及供配电设备用铜导线的需求量迅速增加。铜导线之所以能引起重视并得到推广，是与其高导电、高导热性能是分不开的，随着集成电路向高密度、多功能、小型化、低成本方向发展，特别是封装形式由传统的陶瓷封装向塑料封装转变，与塑料封装相匹配的铜导线必将大有用武之地。
铜导线目前存在的主要问题是强度和韧性都较低，有必要通过加入合金元素来大幅度提高其强度，如日本开发的Cu-Ni-Si系铜合金材料强度虽然已达到850MPa以上，但合金强化往往伴随导电性的降低，而导电性对铜导线来说是最重要的性能指标。处理好三者的矛盾，研制出一种导电性接近纯铜，而强度、韧性都较纯铜提高一倍甚至以上的高强高韧的铜导线材料，对于现有电工产业发展具有重要的意义。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种高强高韧铜导线的制备工艺，所述铜导线具备高强度和导电性的同时，可满足实际工程中对导线的高韧性需求。
本发明提出的一种高强高韧铜导线的制备工艺，包括如下步骤：
S1、将电解铜加入熔炼炉中，再加入由铁、锡、锌、钛、银、镁、镧和钇形成的铜中间合金，将熔炼炉的温度升至1220-1250℃，保温至固体熔化完全后得到熔液，再向熔液中加入磷铜合金，降温至1150-1170℃，在熔液表面覆盖一层厚度为150-200mm的煅烧木炭，同时向熔液中通入惰性气体，惰性气体的流速为0.4-0.8m3/h，通气时间为15-35min；
S2、将S1中得到的熔液引入到保温炉中，在熔炼炉和保温炉之间的流槽中设有过滤挡板，保温炉的温度为1220-1240℃，保温炉中的熔液表面覆盖有一层由高纯石墨碳粉形成的覆盖层，检测熔液组成，其按重量百分比包括：Fe0.25-0.35％，Sn 0.05-0.15％，Zn0.15-0.25％，P 0.05-0.08％，Ti 0.05-0.15％，La0.07-0.09％，Y 0.03-0.05％，Ag 0.07-0.12％，Mg＜0.1％，余量为Cu；
S3、将中空结晶器伸入到S2中得到的熔液中，结晶器内部采用循环水隔套冷却，熔液在结晶器内凝结成固体，并经过牵引机构向上牵引形成无氧铜杆，将无氧铜杆进行连续挤压形成铜母线，经防氧化冷却至常温，再将铜母线进行多道次拉拔，并在不同道次拉拔之间进行中间连续退火，最终得到所述铜导线。
优选地，S1中，将熔炼炉升温至1220-1250℃过程中，升温过程符合T＝et-3，T为升温温度，T的单位为℃，t为升温时间，t的单位为min。
优选地，S1中，所述惰性气体为N2、Ar、N2+Ar、N2+CO、Ar+CO或者N2+Ar+CO中的一种。
优选地，S2中，所述过滤挡板为石墨或碳化硅结合氮化硅形成的陶瓷过滤挡板。
优选地，S2中，所述熔液中可形成强化相Fe2Ti，Fe2Ti的含量符合如下公式：[Fe2Ti]＝0.2[Fe]+[Ti]-[Mg]，[Fe2Ti]为Fe2Ti在熔液中的百分含量，[Fe]为Fe在熔液中的百分含量，[Ti]为Ti在熔液中的百分含量，[Mg]为Mg在熔液中的百分含量。
优选地，S3中，所述结晶器深入熔液深度为15-20mm；循环冷却水的出水的温度为25-40℃，且循环冷却进出水的温差≤10℃；牵引机构的牵引速度为1000-1500mm/min。
优选地，S3中，连续挤压的温度为470-500℃；连续挤压形成的铜母线直径为5-10mm；防氧化冷却中的冷却液温度为25-45℃，所述冷却液由水和乙醇混合形成，乙醇占冷却液重量的5-12％。
优选地，S3中，将铜母线进行多道次拉拔过程中，先大拉至直径为1-3mm，接着小拉至直径为0.1-0.5mm，再微拉至直径为0.01-0.05mm。
优选地，在不同道次拉拔之间进行中间连续退火的温度为540-560℃，退火时间为20-340min。
相较于现有技术，本发明提出的一种高强高韧铜导线的制备工艺，首先，从电解铜出发，加入各种合金进行熔融，控制合金熔融过程中的升温速率，以适配各合金元素的溶解度规律，从而可以调整铜基体中的溶质分布，对改善合金导电性具有显著效果；此后，在所得到的合金熔液中加入铜磷合金，为溶液引入适量磷元素的同时，还可与后续加入的煅烧木炭同时作为还原剂对熔液进行脱氧，同时由于木炭本身的比重较轻，其始终漂浮在铜液面之上，因此隔氧效果明显；上述木炭在对电解铜除氧的同时，还通过向铜液中通入惰性气体来对铜液进行进一步除氧，这是由于向铜液中通入惰性气体，有助于扩大熔融铜液中的二氧化碳与木炭的接触面积，使熔融铜液中二氧化碳的扩散速度加快，与在炉内单纯使用木炭脱氧相比，通入一定计量的惰性气体以后，大量生成一氧化碳，促进了脱氧效果，上述的这种联合脱氧方式，使铜液中的含氧量得到大幅度降低，极大增强了所述制备的铜导线的导电率。
其次，本发明中为了获得高强度和高韧性的铜导线材料，通过控制合理的配比，在铜熔液中加入了合金元素Fe、Sn、Zn、P、Ti、La、Y、Ag和Mg，其中Fe、Ti、Mg元素的加入有利于在铜合金材料中形成适量的强化相Fe2Ti，其不仅可以大幅度提高最终形成的导线材料的强度，而且对铜线的导电率影响最小；Ag的加入，除了利用本身具有优良的导电性，可以提高铜导线的电导率以外，并且由于Ag对铜的强化作用，从而使铜合金导线的强度、韧性同时得到提高，此外Ag还可以使得铜基体基本处于饱和状态，促使铜基体内的Fe及P元素进一步析出，增加了合金中第二颗粒析出相的数量，其提高铜合金强度的同时，对导电性的影响却较小；此外熔液中加入的La、Y稀土元素由于其与铜的原子大小及价电子的差别，因此合金化后对铜导体的电导率基本没有影响，确保了导电用铜材的导电率，并且二者的协同加入可使得熔体晶粒得到细化，晶界与稀土元素之间的相互作用力增强，使再结晶温度提高100℃以上，从而较好地提高了铜导体的热强性，并显著改变铜导线的强度、延伸率等性能；Zn、Sn则作为辅助元素，不仅促进了La、Y与铜合金的融合，还使得后者在后续上引铸造无氧铜杆时的晶粒全部为细等轴晶组织，因此较好地消除了铸坯的柱状晶区，从而有效地改善无氧铜杆乃至铜导线的导电率、延伸率、强度极限等性能；Ti在铜合金中可起到固溶强化的作用，使铜合金进一步得到强化，同时铜基体的晶格畸变减小，电导率和硬度大幅上升。
最后，本发明中对铜合金熔液进行上引连铸，为避免吸氧，通过在铜液表面设置由高纯石墨碳粉形成的隔氧层，铜液避免了二次吸氧过程，同时对上引过程中铜液温度、以及结晶器冷却水的温度和上引速度进行约束，使获得的无氧铜杆得晶体组织的均匀性加工韧性上得到了良好的保障；且采用连续挤压技术和多次拉拔，将上引连铸铜杆经过动态再结晶，使粗大的铸造组织，转变为细小均匀、致密的再结晶组织，晶粒尺寸小于0.005-0.015mm，组织细小致密具有良好的屈服强度和加工韧性，最终制备出所述高强高韧铜导线。
综合上述，本发明从铜导线的导电、强度和韧性性能出发，对生产铜杆的铜液的有害元素含量和合金元素种类含量进行合理设计，明显改善铜导线的抗拉强度、屈服强度、延伸率以及电阻率，使其综合性能显著提高，与此同时通过采用合理的脱氧操作来保证铜导线的导电性能，结合上引、挤压、拉拔过程中的温度以及操作进行优化，使得铜导线的导电、强度、韧性等都得到良好控制，使得整个铜导线的制备过程形成相互配合的整体。
具体实施方式
下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例1
本发明提出的一种高强高韧铜导线的制备工艺，包括如下步骤：
S1、将电解铜加入熔炼炉中，再加入由铁、锡、锌、钛、银、镁、镧和钇形成的铜中间合金，将熔炼炉的温度升至1220℃，升温过程符合T＝et-3，T为升温温度，T的单位为℃，t为升温时间，t的单位为min，保温至固体熔化完全后得到熔液，再向熔液中加入磷铜合金，降温至1170℃，在熔液表面覆盖一层厚度为150mm的煅烧木炭，同时向熔液中通入N2，N2的流速为0.8m3/h，通气时间为15min；
S2、将S1中得到的熔液引入到保温炉中，在熔炼炉和保温炉之间的流槽中设有过滤挡板，所述过滤挡板为石墨结合氮化硅形成的陶瓷过滤挡板，保温炉的温度为1220℃，保温炉中的熔液表面覆盖有一层由高纯石墨碳粉形成的覆盖层，检测熔液组成，其按重量百分比包括：Fe 0.35％，Sn 0.05％，Zn 0.25％，P0.05％，Ti 0.15％，La 0.07％，Y 0.05％，Ag 0.07％，Mg＜0.1％，余量为Cu；
S3、将中空结晶器伸入到S2中得到的熔液中，所述结晶器深入熔液深度为15mm，结晶器内部采用循环水隔套冷却，循环冷却水的出水的温度为40℃，且循环冷却进出水的温差≤10℃，熔液在结晶器内凝结成固体，并经过牵引机构向上牵引形成无氧铜杆，牵引速度为1000mm/min，将无氧铜杆进行连续挤压形成直径为10mm的铜母线，连续挤压的温度为470℃，经防氧化冷却至常温，防氧化冷却中的冷却液温度为45℃，所述冷却液由水和乙醇混合形成，乙醇占冷却液重量的5％，再将铜母线进行多道次拉拔，先大拉至直径为3mm，接着小拉至直径为0.1mm，再微拉至直径为0.05mm，并在不同道次拉拔之间进行中间连续退火，中间连续退火的温度为540℃，退火时间为40min，最终得到所述铜导线。
实施例2
本发明提出的一种高强高韧铜导线的制备工艺，包括如下步骤：
S1、将电解铜加入熔炼炉中，再加入由铁、锡、锌、钛、银、镁、镧和钇形成的铜中间合金，将熔炼炉的温度升至1250℃，升温过程符合T＝et-3，T为升温温度，T的单位为℃，t为升温时间，t的单位为min，保温至固体熔化完全后得到熔液，再向熔液中加入磷铜合金，降温至1150℃，在熔液表面覆盖一层厚度为200mm的煅烧木炭，同时向熔液中通入Ar，Ar的流速为0.4m3/h，通气时间为35min；
S2、将S1中得到的熔液引入到保温炉中，在熔炼炉和保温炉之间的流槽中设有过滤挡板，所述过滤挡板为碳化硅结合氮化硅形成的陶瓷过滤挡板，保温炉的温度为1240℃，保温炉中的熔液表面覆盖有一层由高纯石墨碳粉形成的覆盖层，检测熔液组成，其按重量百分比包括：Fe 0.25％，Sn 0.15％，Zn 0.15％，P 0.08％，Ti 0.05％，La 0.09％，Y0.03％，Ag 0.12％，Mg＜0.1％，余量为Cu；
S3、将中空结晶器伸入到S2中得到的熔液中，所述结晶器深入熔液深度为20mm，结晶器内部采用循环水隔套冷却，循环冷却水的出水的温度为25℃，且循环冷却进出水的温差≤10℃，熔液在结晶器内凝结成固体，并经过牵引机构向上牵引形成无氧铜杆，牵引速度为1500mm/min，将无氧铜杆进行连续挤压形成直径为5mm的铜母线，连续挤压的温度为500℃，经防氧化冷却至常温，防氧化冷却中的冷却液温度为25℃，所述冷却液由水和乙醇混合形成，乙醇占冷却液重量的12％，再将铜母线进行多道次拉拔，先大拉至直径为1mm，接着小拉至直径为0.5mm，再微拉至直径为0.01mm，并在不同道次拉拔之间进行中间连续退火，中间连续退火的温度为560℃，退火时间为20min，最终得到所述铜导线。
实施例3
本发明提出的一种高强高韧铜导线的制备工艺，包括如下步骤：
S1、将电解铜加入熔炼炉中，再加入由铁、锡、锌、钛、银、镁、镧和钇形成的铜中间合金，将熔炼炉的温度升至1235℃，升温过程符合T＝et-3，T为升温温度，T的单位为℃，t为升温时间，t的单位为min，保温至固体熔化完全后得到熔液，再向熔液中加入磷铜合金，降温至1160℃，在熔液表面覆盖一层厚度为175mm的煅烧木炭，同时向熔液中通入N2+Ar的混合气体，N2+Ar的混合气体的流速为0.6m3/h，通气时间为25min；
S2、将S1中得到的熔液引入到保温炉中，在熔炼炉和保温炉之间的流槽中设有过滤挡板，所述过滤挡板为石墨结合氮化硅形成的陶瓷过滤挡板，保温炉的温度为1230℃，保温炉中的熔液表面覆盖有一层由高纯石墨碳粉形成的覆盖层，检测熔液组成，其按重量百分比包括：Fe 0.3％，Sn 0.1％，Zn 0.2％，P 0.06％，Ti 0.1％，La 0.08％，Y 0.04％，Ag0.09％，Mg＜0.1％，余量为Cu；
S3、将中空结晶器伸入到S2中得到的熔液中，所述结晶器深入熔液深度为17mm，结晶器内部采用循环水隔套冷却，循环冷却水的出水的温度为30℃，且循环冷却进出水的温差≤10℃，熔液在结晶器内凝结成固体，并经过牵引机构向上牵引形成无氧铜杆，牵引速度为1250mm/min，将无氧铜杆进行连续挤压形成直径为7mm的铜母线，连续挤压的温度为480℃，经防氧化冷却至常温，防氧化冷却中的冷却液温度为35℃，所述冷却液由水和乙醇混合形成，乙醇占冷却液重量的8％，再将铜母线进行多道次拉拔，先大拉至直径为2mm，接着小拉至直径为0.3mm，再微拉至直径为0.03mm，并在不同道次拉拔之间进行中间连续退火，中间连续退火的温度为550℃，退火时间为30min，最终得到所述铜导线。
实施例4
本发明提出的一种高强高韧铜导线的制备工艺，包括如下步骤：
S1、将电解铜加入熔炼炉中，再加入由铁、锡、锌、钛、银、镁、镧和钇形成的铜中间合金，将熔炼炉的温度升至1240℃，升温过程符合T＝et-3，T为升温温度，T的单位为℃，t为升温时间，t的单位为min，保温至固体熔化完全后得到熔液，再向熔液中加入磷铜合金，降温至1155℃，在熔液表面覆盖一层厚度为180mm的煅烧木炭，同时向熔液中通入N2+CO的混合气体，N2+CO的混合气体的流速为0.5m3/h，通气时间为30min；
S2、将S1中得到的熔液引入到保温炉中，在熔炼炉和保温炉之间的流槽中设有过滤挡板，所述过滤挡板为碳化硅结合氮化硅形成的陶瓷过滤挡板，保温炉的温度为1225℃，保温炉中的熔液表面覆盖有一层由高纯石墨碳粉形成的覆盖层，检测熔液组成，其按重量百分比包括：Fe 0.28％，Sn 0.09％，Zn 0.21％，P 0.07％，Ti 0.09％，La 0.08％，Y0.04％，Ag 0.1％，Mg＜0.1％，余量为Cu；
S3、将中空结晶器伸入到S2中得到的熔液中，所述结晶器深入熔液深度为18mm，结晶器内部采用循环水隔套冷却，循环冷却水的出水的温度为35℃，且循环冷却进出水的温差≤10℃，熔液在结晶器内凝结成固体，并经过牵引机构向上牵引形成无氧铜杆，牵引速度为1300mm/min，将无氧铜杆进行连续挤压形成直径为8mm的铜母线，连续挤压的温度为490℃，经防氧化冷却至常温，防氧化冷却中的冷却液温度为30℃，所述冷却液由水和乙醇混合形成，乙醇占冷却液重量的9％，再将铜母线进行多道次拉拔，先大拉至直径为1.5mm，接着小拉至直径为0.4mm，再微拉至直径为0.02mm，并在不同道次拉拔之间进行中间连续退火，中间连续退火的温度为555℃，退火时间为25min，最终得到所述铜导线。
对上述实施例1-4中得到的铜导线材料进行测试，其半硬态测试结果满足抗拉强度≥260MPa，屈服强度≥220MPa，伸长率≥25％，电阻率为0.01691-0.01719Ωmm2/m(电导率≥98％IACS)。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高强高韧铜导线的制备工艺，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将电解铜加入熔炼炉中，再加入由铁、锡、锌、钛、银、镁、镧和钇形成的铜中间合金，将熔炼炉的温度升至1220-1250℃，保温至固体熔化完全后得到熔液，再向熔液中加入磷铜合金，降温至1150-1170℃，在熔液表面覆盖一层厚度为150-200mm的煅烧木炭，同时向熔液中通入惰性气体，惰性气体的流速为0.4-0.8m3/h，通气时间为15-35min；
S2、将S1中得到的熔液引入到保温炉中，在熔炼炉和保温炉之间的流槽中设有过滤挡板，保温炉的温度为1220-1240℃，保温炉中的熔液表面覆盖有一层由高纯石墨碳粉形成的覆盖层，检测熔液组成，其按重量百分比包括：Fe 0.25-0.30％，Sn 0.05-0.15％，Zn 0.15-0.25％，P 0.05-0.08％，Ti 0.05-0.15％，La 0.07-0.09％，Y 0.03-0.05％，Ag 0.07-0.12％，Mg＜0.1％，余量为Cu；
S3、将中空结晶器伸入到S2中得到的熔液中，结晶器内部采用循环水隔套冷却，熔液在结晶器内凝结成固体，并经过牵引机构向上牵引形成无氧铜杆，将无氧铜杆进行连续挤压形成铜母线，经防氧化冷却至常温，再将铜母线进行多道次拉拔，并在不同道次拉拔之间进行中间连续退火，最终得到所述铜导线；
S1中，将熔炼炉升温至1220-1250℃过程中，升温过程符合T＝et-3，T为升温温度，T的单位为℃，t为升温时间，t的单位为min；
S2中，所述熔液组分可形成强化相Fe2Ti，Fe2Ti的含量符合如下公式：[Fe2Ti]＝0.2[Fe]+[Ti]-[Mg]，[Fe2Ti]为Fe2Ti在熔液中的百分含量，[Fe]为Fe在熔液中的百分含量，[Ti]为Ti在熔液中的百分含量，[Mg]为Mg在熔液中的百分含量；
S3中，所述结晶器深入熔液深度为15-20mm；循环冷却水的出水的温度为25-40℃，且循环冷却进出水的温差≤10℃；牵引机构的牵引速度为1000-1300mm/min。
2.根据权利要求1所述高强高韧铜导线的制备工艺，其特征在于，S1中，所述惰性气体为N2、Ar、N2+Ar、N2+CO、Ar+CO或者N2+Ar+CO中的一种。
3.根据权利要求1或2所述高强高韧铜导线的制备工艺，其特征在于，S2中，所述过滤挡板为石墨或碳化硅结合氮化硅形成的陶瓷过滤挡板。
4.根据权利要求1或2所述高强高韧铜导线的制备工艺，其特征在于，S3中，连续挤压的温度为470-500℃；连续挤压形成的铜母线直径为5-10mm；防氧化冷却中的冷却液温度为25-45℃，所述冷却液由水和乙醇混合形成，乙醇占冷却液重量的5-12％。
5.根据权利要求1或2所述高强高韧铜导线的制备工艺，其特征在于，S3中，将铜母线进行多道次拉拔过程中，先大拉至直径为1-3mm，接着小拉至直径为0.1-0.5mm，再微拉至直径为0.01-0.05mm。
6.根据权利要求5所述高强高韧铜导线的制备工艺，其特征在于，在不同道次拉拔之间进行中间连续退火的温度为540-560℃，退火时间为20-40min。
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