CN106282645A - 一种高强高导电铜合金及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高强高导电铜合金的加工方法，包括：S1将Mg0.3‑0.4％，Ag0.05‑0.1％，Te0.1‑0.2％，Y0.03‑0.06％，La0.01‑0.03％，B0.04‑0.08％，Nb0.01‑0.05％，余量为无氧铜混合后进行真空熔炼得到熔液；S2将熔液进行水平电磁连铸，引铸得到杆坯；S3将杆坯进行热轧加工，后进行冷轧加工，再退火处理得到线坯；S4将线坯进行固溶处理，水淬后再进行时效处理；S5将线材进行多道次拉拔，并进行中间连续退火，得到所述高强高导电铜合金。本发明提出的一种高强高导电铜合金及其加工方法，其加工得到的电铜合金具有高导电率的同时，还具有优良的强度、和延伸性能。
Description
技术领域
本发明涉及电铜合金技术领域，尤其涉及一种高强高导电铜合金及其加工方法。
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材的需求量迅速增加。铜材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材必将大有用武之地。
铜材目前存在的主要问题是强度较低，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550MPa以上，但合金强化往往伴随导电性的降低，而导电性对铜材导体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，而强度较纯铜提高一倍甚至以上的高强的电铜合金材料，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导电铜合金及其加工方法，其加工得到的电铜合金具有高导电率的同时，还具有优良的强度、和延伸性能。
本发明提出的一种高强高导电铜合金的加工方法，包括如下步骤：
S1、按重量百分含量将Mg 0.3-0.4％，Ag 0.05-0.1％，Te 0.1-0.2％，Y0.03-0.06％，La 0.01-0.03％，B 0.04-0.08％，Nb 0.01-0.05％，余量为纯度≥99.99％的无氧铜混合后进行真空熔炼，当熔炼炉内真空度≤1×10-2Pa时开始加热，升温至1260-1290℃，保温至熔化完全得到熔液；
S2、将S1中得到的熔液流引流至真空保温炉中，通入惰性气体，控制保温炉温度为1210-1220℃，进行水平电磁连铸，所述熔液在水平电磁连铸系统中引铸得到直径为5-20mm的杆坯，并采用循环喷淋式结晶器进行多层冷却处理；
S3、将S2中得到的杆坯加热到850-880℃后进行热轧加工，终轧温度为630-650℃，铣面去除氧化皮后进行冷轧加工，再在570-600℃的退火温度下退火处理2-4min，得到线坯；
S4、将S3中得到的线坯进行固溶处理，固溶处理时加热至最终固溶温度900-990℃，保温20-60min，水淬，再进行时效处理，时效处理时加热达到最终时效温度350-550℃，保温60-100min；
S5、将经S4处理后的线材进行多道次拉拔，并在不同道次拉拔之间进行中间连续退火，退火温度为430-470℃，退火时间为5-15min，得到所述高强高导电铜合金。
优选地，S1中，([Mg]+[Ag]):[Te]＝2.5-3，[Mg]为Mg在熔液的中的重量百分含量，[Ag]为Ag在熔液的中的重量百分含量，[Te]为Te在熔液的中的重量百分含量。
优选地，S2中，进行水平电磁连铸过程中，电磁场频率为20-60Hz，磁场电流为30-100A，引铸速度为220-380mm/min。
优选地，S3中，热轧加工的变形量为65-85％，热轧速度为1000-1200mm/min；冷轧加工的变形量为25-45％，冷轧速度为2000-3000mm/min。
优选地，S4中，固溶处理时加热至最终固溶温度的加热过程遵循T＝t2的曲线关系，T为加热温度，T的单位为℃，t为加热时间，t的单位为min。
优选地，S4中，时效处理时加热达到最终时效温度的加热过程遵循T＝et-5的曲线关系，T为加热温度，T的单位为℃，t为加热时间，t的单位为min。
优选地，S5中，在进行中间连续退火过程中通入氮气和氢气的混合气体，氮气和氢气的体积比为4-6:1。
一种高强高导电铜合金，采用上述高强高导电铜合金的加工方法加工而成。
本发明提出的一种高强高导电铜合金及其加工工艺，一方面，在高纯真空条件下，向高纯无氧铜中加入合金进行熔炼，通过控制合理的配比，在铜熔液中引入了合金元素Mg、Ag、Te、Y、La、B和Nb，其中Mg在电铜合金中是以固溶体形式存在，起固溶强化作用，Ag的加入除了利用本身具有优良的导电性，提高电铜合金的电导率以外，并且由于Ag对铜的强化作用，从而使点铜合金的强度同时得到提高，Te可显著提高铜的抗电弧能力和易切削性，为生成高导电铜合金提供可能，但由于铜碲合金的强度偏低，同时加入Mg、Ag则不仅可以改善合金的高温性能，也使合金时效过程中的析出化合物更加弥散，强化效果增强，因此，三者复配加入对于提高铜及铜合金的力学性能、导电性能具有明显效果，但由于Mg、Ag相对Te过量将会使得铜合金的加工性能和导电性能的恶化，而过少将难以达到沉淀强化的目的，因此控制Mg、Ag、Te的含量及相关比例对于电铜合金的综合性能有非常重要的影响；此外，La、Y稀土元素由于与铜的原子大小及价电子的差别，因此合金化后对铜合金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合金的热强性，并显著改变铜导线的强度、延伸率等性能，与此同时B元素与氧的亲和力虽然不及稀土，且没有除氢能力，但B在铜和铜合金中有比稀土更显著的细化晶粒作用，从而提高铜及铜合金的力学性能以及导电性能，因此稀土La、Y和B三者复配能够更加有效的发挥净化、微晶化等的作用，使铜中杂质减少，晶格畸变减弱，电子散射几率减少，对于改善铜合金的导电性效果显著；微量Nb的加入则可明显提高铜的抗氧化能力，对铜有脱氧作用，因此电铜合金的防氧化作用显著。
另一方面，本发明中为了进一步改善铜合金的力学和导电性能，首先在对上述成分铜合金进行熔炼中，选择高纯真空熔炼工艺，这种工艺使得熔炼过程中不与空气接触，因此能够获含氧和其他气体极少的电铜合金；其次在利用连铸法制备铜合金杆坯中，通过引入电磁场，磁场所产生电磁力可以抵消一部分熔液所产生压力，减小杆坯与结晶器之间的摩擦力，从而减少杆坯表面的铸造缺陷，并且由于电磁力的搅拌作用，使晶粒细化、均匀化，能有效均匀熔体中的温度场和溶质场，阻止溶质元素在枝晶间及枝晶臂根部的富集，减少溶质宏观偏析；此后在对杆坯进行热轧、冷轧，同时结合固溶、时效工艺时，热轧工艺使得合金中的固溶体能够均匀、弥散分布在基体中，接着进行冷轧工艺时，固溶颗粒的被压扁、拉长，形成一些短条带状以及部分长线状分布，与此同时热轧和冷轧还使得合金中的气孔、微裂纹等铸造缺陷消失，并由粗大的柱状晶变为细小均匀的等轴晶，再对热轧和冷轧后的合金进行固溶、时效处理时，变形组织逐渐消失，晶粒多边化，并通过控制固溶和失效处理过程中的温度随时间的变化趋势，使得合金将处于完全再结晶状态，细小的等轴晶粒取代了轧制以后产生的纤维状变形组织，因此，上述经过热轧、冷轧的连续加工的合金，再结合固溶、时效工艺，得到的线坯合金的形变强化、固溶强化以及细晶强化效果明显，对于提高合金的综合性能具有显著的效果，有利于获得高强度的合金制品；最后对线材进行多次拉拔并退火时，进一步将合金转变为细小均匀、致密的再结晶组织，再在惰性气体保护下进行退火时，消除残余应力，降低位错、空位等缺陷，合金的导电性能亦得到改善，最终制备出所述高强高导电铜合金。
综合上述，本发明从电铜合金的导电、强度性能出发，对生产杆坯的合金元素种类以及含量进行合理设计，明显改善电铜合金的强度、延伸率以及电阻率等，使其综合性能显著提高，与此同时采用合理的加工工艺来进一步改善电铜合金的强度、导电性能，对连铸，热轧，冷轧，固溶、时效处理，拉拔，退火过程中的温度以及工艺参数进行优化，使得电铜合金的导电、强度等性能都得到良好控制，整个加工方法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导电铜合金的加工方法，包括如下步骤：
S1、按重量百分含量将Mg 0.3％，Ag 0.1％，Te 0.1％，Y 0.06％，La 0.01％，B0.08％，Nb 0.01％，余量为纯度≥99.99％的无氧铜混合后进行真空熔炼，当熔炼炉内真空度≤1×10-2Pa时开始加热，升温至1290℃，保温至熔化完全得到熔液；
S2、将S1中得到的熔液流引流至真空保温炉中，通入惰性气体，控制保温炉温度为1210℃，进行水平电磁连铸，所述熔液在水平电磁连铸系统中引铸得到直径为20mm的杆坯，电磁场频率为20Hz，磁场电流为100A，引铸速度为220mm/min，并采用循环喷淋式结晶器进行多层冷却处理；
S3、将S2中得到的杆坯加热到850℃后进行热轧加工，热轧加工的变形量为85％，热轧速度为1000mm/min，终轧温度为650℃，铣面去除氧化皮后进行冷轧加工，冷轧加工的变形量为25％，冷轧速度为3000mm/min，再在570℃的退火温度下退火处理4min，得到线坯；
S4、将S3中得到的线坯进行固溶处理，固溶处理时加热至最终固溶温度900℃，加热过程遵循T＝t2的曲线关系，T为加热温度，T的单位为℃，t为加热时间，t的单位为min，保温60min，水淬，再进行时效处理，时效处理时加热达到最终时效温度350℃，加热过程遵循T＝et-5的曲线关系，T为加热温度，T的单位为℃，t为加热时间，t的单位为min，保温100min；
S5、将经S4处理后的线材进行多道次拉拔，并在不同道次拉拔之间进行中间连续退火，在进行中间连续退火过程中通入氮气和氢气的混合气体，氮气和氢气的体积比为4:1，退火温度为470℃，退火时间为5min，得到所述高强高导电铜合金。
实施例2
本发明提出的一种高强高导电铜合金的加工方法，包括如下步骤：
S1、按重量百分含量将Mg 0.4％，Ag 0.05％，Te 0.2％，Y 0.03％，La 0.03％，B0.04％，Nb 0.05％，余量为纯度≥99.99％的无氧铜混合后进行真空熔炼，当熔炼炉内真空度≤1×10-2Pa时开始加热，升温至1260℃，保温至熔化完全得到熔液；
S2、将S1中得到的熔液流引流至真空保温炉中，通入惰性气体，控制保温炉温度为1220℃，进行水平电磁连铸，所述熔液在水平电磁连铸系统中引铸得到直径为5mm的杆坯，电磁场频率为60Hz，磁场电流为30A，引铸速度为380mm/min，并采用循环喷淋式结晶器进行多层冷却处理；
S3、将S2中得到的杆坯加热到880℃后进行热轧加工，热轧加工的变形量为65％，热轧速度为1200mm/min，终轧温度为630℃，铣面去除氧化皮后进行冷轧加工，冷轧加工的变形量为45％，冷轧速度为2000mm/min，再在600℃的退火温度下退火处理2min，得到线坯；
S4、将S3中得到的线坯进行固溶处理，固溶处理时加热至最终固溶温度990℃，加热过程遵循T＝t2的曲线关系，T为加热温度，T的单位为℃，t为加热时间，t的单位为min，保温20min，水淬，再进行时效处理，时效处理时加热达到最终时效温度550℃，加热过程遵循T＝et-5的曲线关系，T为加热温度，T的单位为℃，t为加热时间，t的单位为min，保温60min；
S5、将经S4处理后的线材进行多道次拉拔，并在不同道次拉拔之间进行中间连续退火，在进行中间连续退火过程中通入氮气和氢气的混合气体，氮气和氢气的体积比为6:1，退火温度为430℃，退火时间为15min，得到所述高强高导电铜合金。
实施例3
本发明提出的一种高强高导电铜合金的加工方法，包括如下步骤：
S1、按重量百分含量将Mg 0.35％，Ag 0.07％，Te 0.15％，Y 0.04％，La 0.02％，B0.06％，Nb 0.03％，余量为纯度≥99.99％的无氧铜混合后进行真空熔炼，当熔炼炉内真空度≤1×10-2Pa时开始加热，升温至1270℃，保温至熔化完全得到熔液；
S2、将S1中得到的熔液流引流至真空保温炉中，通入惰性气体，控制保温炉温度为1215℃，进行水平电磁连铸，所述熔液在水平电磁连铸系统中引铸得到直径为10mm的杆坯，电磁场频率为40Hz，磁场电流为60A，引铸速度为300mm/min，并采用循环喷淋式结晶器进行多层冷却处理；
S3、将S2中得到的杆坯加热到870℃后进行热轧加工，热轧加工的变形量为75％，热轧速度为1100mm/min，终轧温度为640℃，铣面去除氧化皮后进行冷轧加工，冷轧加工的变形量为35％，冷轧速度为2500mm/min，再在580℃的退火温度下退火处理3min，得到线坯；
S4、将S3中得到的线坯进行固溶处理，固溶处理时加热至最终固溶温度940℃，加热过程遵循T＝t2的曲线关系，T为加热温度，T的单位为℃，t为加热时间，t的单位为min，保温40min，水淬，再进行时效处理，时效处理时加热达到最终时效温度450℃，加热过程遵循T＝et-5的曲线关系，T为加热温度，T的单位为℃，t为加热时间，t的单位为min，保温80min；
S5、将经S4处理后的线材进行多道次拉拔，并在不同道次拉拔之间进行中间连续退火，在进行中间连续退火过程中通入氮气和氢气的混合气体，氮气和氢气的体积比为5:1，退火温度为450℃，退火时间为10min，得到所述高强高导电铜合金。
实施例4
本发明提出的一种高强高导电铜合金的加工方法，包括如下步骤：
S1、按重量百分含量将Mg 0.36％，Ag 0.08％，Te 0.16％，Y 0.05％，La 0.02％，B0.05％，Nb 0.04％，余量为纯度≥99.99％的无氧铜混合后进行真空熔炼，当熔炼炉内真空度≤1×10-2Pa时开始加热，升温至1280℃，保温至熔化完全得到熔液；
S2、将S1中得到的熔液流引流至真空保温炉中，通入惰性气体，控制保温炉温度为1218℃，进行水平电磁连铸，所述熔液在水平电磁连铸系统中引铸得到直径为8mm的杆坯，电磁场频率为50Hz，磁场电流为70A，引铸速度为280mm/min，并采用循环喷淋式结晶器进行多层冷却处理；
S3、将S2中得到的杆坯加热到860℃后进行热轧加工，热轧加工的变形量为70％，热轧速度为1150mm/min，终轧温度为635℃，铣面去除氧化皮后进行冷轧加工，冷轧加工的变形量为30％，冷轧速度为2800mm/min，再在590℃的退火温度下退火处理3min，得到线坯；
S4、将S3中得到的线坯进行固溶处理，固溶处理时加热至最终固溶温度950℃，加热过程遵循T＝t2的曲线关系，T为加热温度，T的单位为℃，t为加热时间，t的单位为min，保温50min，水淬，再进行时效处理，时效处理时加热达到最终时效温度420℃，加热过程遵循T＝et-5的曲线关系，T为加热温度，T的单位为℃，t为加热时间，t的单位为min，保温70min；
S5、将经S4处理后的线材进行多道次拉拔，并在不同道次拉拔之间进行中间连续退火，在进行中间连续退火过程中通入氮气和氢气的混合气体，氮气和氢气的体积比为4.5:1，退火温度为460℃，退火时间为8min，得到所述高强高导电铜合金。
本发明提出的一种高强高导电铜合金，采用实施例1-4所述高强高导电铜合金的加工方法加工而成。
对上述实施例1-4中得到的电铜合金进行测试，其测试结果满足抗拉强度≥360MPa，屈服强度≥320MPa，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 (8)
1.一种高强高导电铜合金的加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、按重量百分含量将Mg 0.3-0.4％，Ag 0.05-0.1％，Te 0.1-0.2％，Y 0.03-0.06％，La 0.01-0.03％，B 0.04-0.08％，Nb 0.01-0.05％，余量为纯度≥99.99％的无氧铜混合后进行真空熔炼，当熔炼炉内真空度≤1×10-2Pa时开始加热，升温至1260-1290℃，保温至熔化完全得到熔液；
S2、将S1中得到的熔液流引流至真空保温炉中，通入惰性气体，控制保温炉温度为1210-1220℃，进行水平电磁连铸，所述熔液在水平电磁连铸系统中引铸得到直径为5-20mm的杆坯，并采用循环喷淋式结晶器进行多层冷却处理；
S3、将S2中得到的杆坯加热到850-880℃后进行热轧加工，终轧温度为630-650℃，铣面去除氧化皮后进行冷轧加工，再在570-600℃的退火温度下退火处理2-4min，得到线坯；
S4、将S3中得到的线坯进行固溶处理，固溶处理时加热至最终固溶温度900-990℃，保温20-60min，水淬，再进行时效处理，时效处理时加热达到最终时效温度350-550℃，保温60-100min；
S5、将经S4处理后的线材进行多道次拉拔，并在不同道次拉拔之间进行中间连续退火，退火温度为430-470℃，退火时间为5-15min，得到所述高强高导电铜合金。
2.根据权利要求1所述高强高导电铜合金的加工方法，其特征在于，S1中，([Mg]+[Ag]):[Te]＝2.5-3，[Mg]为Mg在熔液的中的重量百分含量，[Ag]为Ag在熔液的中的重量百分含量，[Te]为Te在熔液的中的重量百分含量。
3.根据权利要求1或2所述高强高导电铜合金的加工方法，其特征在于，S2中，进行水平电磁连铸过程中，电磁场频率为20-60Hz，磁场电流为30-100A，引铸速度为220-380mm/min。
4.根据权利要求1-3任一项所述高强高导电铜合金的加工方法，其特征在于，S3中，热轧加工的变形量为65-85％，热轧速度为1000-1200mm/min；冷轧加工的变形量为25-45％，冷轧速度为2000-3000mm/min。
5.根据权利要求1-4任一项所述高强高导电铜合金的加工方法，其特征在于，S4中，固溶处理时加热至最终固溶温度的加热过程遵循T＝t2的曲线关系，T为加热温度，T的单位为℃，t为加热时间，t的单位为min。
6.根据权利要求1-5任一项所述高强高导电铜合金的加工方法，其特征在于，S4中，时效处理时加热达到最终时效温度的加热过程遵循T＝et-5的曲线关系，T为加热温度，T的单位为℃，t为加热时间，t的单位为min。
7.根据权利要求1-6任一项所述高强高导电铜合金的加工方法，其特征在于，S5中，在进行中间连续退火过程中通入氮气和氢气的混合气体，氮气和氢气的体积比为4-6:1。
8.一种高强高导电铜合金，其特征在于，采用权利要求1-7中任一项所述高强高导电铜合金的加工方法加工而成。
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