CN107350304A

CN107350304A - 一种高强度铜铌复合线材及其制备方法

Info

Publication number: CN107350304A
Application number: CN201710493162.7A
Authority: CN
Inventors: 谢伟滨; 邓永芳; 罗泽宇; 汪航; 陈辉明
Original assignee: Jiangxi University of Science and Technology
Current assignee: Jiangxi University of Science and Technology
Priority date: 2017-06-26
Filing date: 2017-06-26
Publication date: 2017-11-17
Anticipated expiration: 2037-06-26
Also published as: CN107350304B

Abstract

本发明提供了一种高强度高电导率铜铌复合线材的制备方法，经过多次累积拉拔，铜铌异质界面的数量急剧增加，再加上形变强化的效果，多层包覆单芯铜铌复合棒材能达到极高的强度。材料抗拉强度大于850MPa，电导率大于65%IACS。本发明制备的单芯铜铌复合线材具有高强度和高电导率，能够满足高强磁场、高速列车导线等领域的实际应用需求。

Description

一种高强度铜铌复合线材及其制备方法

技术领域

本发明属于有色金属加工领域，涉及到一种高强度铜/铌复合线材及其制备方法。

背景技术

铜铌复合材料是一种高性能的功能结构材料，具有强度高、导热和导电性能优异等优点，广泛用于高强磁场、电子电气、国防军工等领域中。随着高新技术产业的飞速发展，对关键材料的物理力学性能提出了更为苛刻的要求。为进一步拓宽铜/铌复合材料的应用范围，基于技术优化和改进，进一步提高铜铌复合材料的综合性能一直备受关注。

迄今，已研发了多种铜铌复合材料的制备加工技术。Lee等人（ActaMaterialia，60，1747-1761）通过累积叠轧制备了铜铌复合板材；Misra等人（Philosophical Magazine，84，1021-1028）也利用物理气相沉积技术制备出了高强度的铜铌纳米薄膜。但上述两种方法分别用于制备铜铌复合板材和薄膜材料，并不适用于生产铜铌复合线材。目前，制备铜铌复合线材的方法主要有两种：传统原位拉拔和集束拉拔。邓丽萍等（Journal of Alloysand Compounds，602，331-338；重庆大学博士论文，2014）指出通过传统原位拉拔使材料内部的铌相变成纳米尺度的纤维状，极大的增加了单位体积内的铜铌异质界面面积，从而制得高强度铜铌复合线材。但传统原位拉拔技术制备的铜铌复合线材为获得高强度，必须进行极大的塑形变形，这导致材料线径较小，应用材料的尺寸受到限制。此外，集束拉拔技术也是一种制备铜铌复合线材重要手段，梁明等人（CN201110080239.0）通过多次集束拉拔和热处理制得了以铜为基体，铌芯丝为增强体的铜铌复合线材。然而，王鹏飞等人（CN201611060545.7）指出，集束拉拔制备的铜铌复合线材强度极限在800MPa-900MPa之间，很难进一步提升材料的强度。

发明内容

由上述有关铜/铌复合材料的制备技术资料可知，为制备高性能的铜铌复合线材，有待于进一步改进和优化其制备加工技术，解决其关键技术问题。基于此，本专利通过一种新方法制备铜/铌复合线材。该方法是通过多次包覆、拉拔和退火制备多层包覆的单芯铜铌复合线材，使线材中铜、铌由内至外呈交替排列，以此增大单位面积内的铜铌异质界面密度，制得高强度的铜铌复合线材。此方法操作简单且安全。

本发明的目的在于提出一种铜/铌复合线材的制备方法。该方法以纯铜和纯铌作为原材料，所制备铜铌复合线材的特点是铌和铜由内至外呈层状交替排列，包覆铌芯。通过多层包覆和反复拉拔，不但可以获得纳米尺度的铜铌层状组织，而且使得铜铌界面密度的增大。由于铜、铌相的纳米尺度效应以及材料界面强化效果的增强，使得铜/铌复合线材获得高强度。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案实现：

一种高强度铜铌复合线材的制备方法，包括如下步骤：

1)以纯铌圆棒为棒芯，将棒芯放入无氧铜圆管中；对组装后铜铌复合棒进行拉拔加工，加工率不低于50%，得到一次复合单芯铜铌棒材；

2)将复合单芯铜铌棒材置于氮气保护的加热炉中，在400℃温度下保温1h，以消除材料的加工硬化效果；

3)将步骤2）所述的铜铌复合棒依次进行剪切、矫直和酸洗处理；随后，将酸洗后的铜铌复合棒脱水并烘干；

4)以清洗后的铜铌复合棒作为棒芯，先将棒芯放入纯铌管中，随后将组合后的棒芯和纯铌管装入无氧铜管中；对组装后的铜铌复合棒进行拉拔加工，得到二次复合单芯铜铌棒材；

5)将二次复合铜铌棒材置于氢气或氮气保护的加热炉中，在200-600℃温度下保温1-2h，以消除材料的加工硬化效果，便于后续拉拔；

6)对热处理后的二次复合铜铌棒材依次进行剪切、矫直和酸洗处理；随后，将酸洗后的铜铌复合棒脱水并烘干；

7)重复步骤4）至步骤6）的操作若干次，通过累积拉拔以制备多次复合单芯铜铌棒材；将所述多次复合铜铌棒材进行拉拔，加工率不低于80%，拉拔至成品尺寸；

8)将经拉拔后的铜铌复合棒材放在氢气或氮气保护的退火炉中，在200℃-900℃条件下保温30-180min后，冷却至室温取出；

9)将热处理后的铜铌复合棒材依次进行剪切、矫直和酸洗处理；随后，将酸洗后的铜铌复合棒脱水并烘干，即制成铜、铌交替包覆铌芯的高强度铜铌复合线材。

进一步，所述铜管尺寸为外径10mm-60mm，壁厚5mm-30mm；所述铌管尺寸为外径20mm-40mm，壁厚2mm-10mm。

进一步，所述高强度铜铌复合线材的拉拔的总加工率为70%-99%。

进一步，所述铜管、铌棒和铌管质量纯度均不低于99. 9%。

进一步，拉拔态复合材料棒芯的直径应略小于铌管的内径，铌管的外径应略小于铜管的内径。

进一步，所述高强度铜铌复合线材拉拔的次数大于8次。

进一步，步骤1）和步骤4）中所述棒芯的直径大于外层无氧铜管直径的10%。

本发明还公开了一种高强度铜铌复合线材，复合线材的中心为铌芯，所述铌芯外间隔包覆若干层铜层管和铌层管。

进一步，内层所述铜层管和铌层管的壁厚小于外层铜层管和铌层管的壁厚。

进一步，最外层所述铜层管和铌层管的壁厚之和大于复合材料半径的20%。

进一步，所述铌芯的直径大于复合材料直径的10%。

进一步，拉拔态复合材料棒芯的直径应略小于铌管的内径（差值不大于0.5mm），铌管的外径应略小于铜管的内径（差值不大于0.5mm）。

进一步，所述酸洗试剂为稀硝酸，硝酸的体积百分数均为10%-25 %。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

本发明通过多次装配-拉拔制备单芯多层包覆铜铌复合材料，实现了材料内部中交替排列铜、铌包覆层的纳米化，同时促使铜铌异质界面的数量急剧增多，从而提高材料强度。该方法操作方便，实施简单。经试验验证，本申请提供的铜/铌复合线材，其抗拉强度可达到650～1000MPa，电导率为50～75%IACS，可用作脉冲磁体的导体材料。

附图说明

图1为本发明的制备方法流程图；

图2为本发明材料制备加工示意图；

图3为本发明铜铌复合材料拉拔后的横截面组织示意图。

图中：1、铌层；2、铜层。

具体实施方式

下面利用实施例对本发明进行更全面的说明。本发明可以体现为多种不同形式，并不应理解为局限于这里叙述的示例性实施例。

实施例1

规格为Φ5mm的铜铌单芯复合棒材的制备：

如图1、图2所示，铜铌单芯复合棒材的制备，具体按以下步骤实施：

1）以直径为Φ10mm、长度为2000mm的纯铌棒为芯棒，将铌棒坯放入外径Φ25mm、壁厚7.5mm、长度为2000mm的无氧铜管中；铌棒坯与无氧铜管间隙配合。对组装后铜铌复合棒进行拉拔加工，得到直径为Φ5mm一次复合单芯铜铌棒材。为了保证复合棒材的强度，该步骤中纯铌棒的芯棒直径至少应大于无氧铜管外径的10%。

2）将复合单芯铜铌棒材置于氮气保护的加热炉中，在400℃温度下保温1h，以消除材料的加工硬化效果。

3）将步骤2）所述的铜铌复合棒进行剪切，截取长度为2000mm的铜铌复合棒并对其进行矫直。随后，在稀硝酸中进行酸洗处理，并将酸洗处理后的铜铌复合棒脱水并烘干。

4）以清洗后直径为Φ5mm的铜铌复合棒作为棒芯，先将棒芯放入外径为Φ10mm、壁厚2.5mm、长度为2000mm的纯铌管中；铜铌复合棒与纯铌管之间为间隙配合。随后，将组合后的棒芯和纯铌管装入外径Φ25mm、壁厚7.5mm、长度为2000mm的无氧铜管中；纯铌管与无氧铜管之间也是间隙配合。对组装后的铜铌复合棒进行拉拔加工，得到直径为Φ5mm的二次复合单芯铜铌棒材。棒芯的直径需要大于无氧铜管直径的10%；本实施例中棒芯的直径为无氧铜管直径的20%。本实施例中纯铌管的壁厚大于无氧铜管壁厚的30%；为了获得足够的强度，纯铌管的壁厚应至少大于无氧铜管壁厚的10%。

5）将二次复合铜铌棒材置于氮气保护的加热炉中，在400℃温度下保温1h，以消除材料的加工硬化效果。

6）对热处理后的二次复合铜铌棒材依次进行剪切、矫直和酸洗处理，并将酸洗后直径为Φ5mm、长度为2000mm的铜铌复合棒脱水并烘干。

7）重复步骤4）至步骤6）的操作，重复操作的次数为8次，通过累积拉拔以制备出直径为Φ5mm的多层包覆单芯铜铌复合棒材。为表达方便，图3中示出的是经初始拉拔和3次嵌套拉拔的结果。

步骤8）将拉拔后的铜铌复合棒材依次进行剪切、矫直和酸洗处理。并将酸洗后的铜铌复合棒脱水并烘干，即制成直径为Φ5mm的如图3所示的多层铜、铌交替包覆铌单芯复合棒材。经测定材料的平均强度为696MPa，常温下电导率为76.5%IACS。最外层的铜层和铌层的壁厚之和为2mm，超过复合棒材半径的75%。

实施例2

与实施例1基本相同，区别为：

步骤7）重复步骤4）至步骤6）的操作，重复操作的次数为9次，最后一次，将多层包覆单芯铜铌复合棒材拉拔至直径为Φ1mm。

步骤8）将拉拔后的铜铌复合棒材依次进行剪切、矫直和酸洗处理，并将酸洗后的铜铌复合棒脱水并烘干，即制成直径为Φ1mm的多层铜、铌交替包覆铌单芯复合棒材。经测定材料的平均强度为836MPa，常温下电导率为71.3%IACS。

实施例3

与实施例2基本相同，区别为：

步骤8）将经步骤7）处理的铜铌复合棒材放在氮气保护的退火炉中，在300℃条件下保温60min，然后冷却至室温取出。

步骤9）将成品退火后的铜铌复合棒材依次进行剪切、矫直和酸洗处理，并将酸洗后的铜铌复合棒脱水并烘干，即制成直径为Φ1mm的多层铜、铌交替包覆铌单芯复合棒材。经测定材料的平均强度为776MPa，常温下电导率为74.9%IACS。

实施例4

与实施例3基本相同，区别为：

步骤8）将经步骤7）处理的铜铌复合棒材放在氮气保护的退火炉中，在600℃条件下保温60min，然后冷却至室温取出。

步骤9）将成品退火后的铜铌复合棒材依次进行剪切、矫直和酸洗处理，并将酸洗后的铜铌复合棒脱水并烘干，即制成直径为Φ1mm的多层铜、铌交替包覆铌单芯复合棒材。经测定材料的平均强度为748MPa，常温下电导率为75.6%IACS。

实施例5

与实施例3基本相同，区别为：

步骤7）重复步骤4）至步骤6）的操作，重复操作的次数为15次，通过累积拉拔以制备直径为Φ5mm的多层包覆单芯铜铌复合棒材。

步骤8）将多次复合铜铌棒材进行拉拔，拉拔至直径为Φ1mm。

步骤9）将经步骤8）处理的铜铌复合棒材放在氮气保护的退火炉中，在300℃条件下保温60min，然后冷却至室温取出。

步骤10）将成品退火后的铜铌复合棒材依次进行剪切、矫直和酸洗处理，并将酸洗后的铜铌复合棒脱水并烘干，即制成直径为Φ1mm的多层铜、铌交替包覆铌单芯复合棒材。经测定材料的平均强度为849MPa，常温下电导率为70.6%IACS。

实施例6

与实施例5基本相同，区别为：

步骤7）重复步骤4）至步骤6）的操作，重复操作的次数为20次，通过累积拉拔以制备直径为Φ5mm的多层包覆单芯铜铌复合棒材。

步骤10）将成品退火后的铜铌复合棒材依次进行剪切、矫直和酸洗处理，并将酸洗后的铜铌复合棒脱水并烘干，即制成直径为Φ1mm的多层铜、铌交替包覆铌单芯复合棒材。经测定材料的平均强度为947MPa，常温下电导率为69.1%IACS。

实施例7

与实施例6基本相同，区别为：

步骤1）以直径为Φ15mm长度为2000mm的纯铌棒为芯棒，将铌棒坯放入外径Φ30mm、壁厚7.5mm、长度为2000mm的无氧铜管中。对组装后铜铌复合棒进行拉拔加工，得到直径为Φ10mm一次复合单芯铜铌棒材。

步骤4）以清洗后直径为Φ10mm的铜铌复合棒作为棒芯，先将棒芯放入外径为Φ15mm、壁厚2.5mm、长度为2000mm的纯铌管中。随后，将组合后的棒芯和纯铌管装入外径Φ30mm、壁厚7.5mm、长度为2000mm的无氧铜管中。对组装后的铜铌复合棒进行拉拔加工，得到直径为Φ10mm的二次复合单芯铜铌棒材。

步骤7）重复步骤4）至步骤6）的操作，重复操作次数为15次，通过累积拉拔以制备直径Φ10mm、长度2000mm的多层包覆单芯铜铌复合棒材。

步骤8）将多次复合铜铌棒材进行拉拔，拉拔至直径为Φ1mm。

步骤9）将经步骤7）处理的铜铌复合棒材放在氮气保护的退火炉中，在300℃条件下保温60min，然后冷却至室温取出。

步骤10）将成品退火后的铜铌复合棒材依次进行剪切、矫直和酸洗处理，并将酸洗后的铜铌复合棒脱水并烘干，即制成直径为Φ1mm的多层铜、铌交替包覆铌单芯复合棒材。经测定材料的平均强度为923MPa，常温下电导率为72.2%IACS。最外层的铜层和铌层的壁厚之和为0.33mm，超过复合棒材半径的60%。

实施例8

与实施例7基本相同，区别为：

步骤8）以清洗后直径为Φ10mm的铜铌复合棒作为棒芯，先将棒芯放入外径为Φ25mm、壁厚7.5mm、长度为2000mm的纯铌管中。随后，将组合后的棒芯和纯铌管装入外径Φ40mm、壁厚7.5mm、长度为2000mm的无氧铜管中。对组装后的铜铌复合棒进行拉拔加工，得到直径为Φ10mm的二次复合单芯铜/铌棒材。

步骤9）将二次复合铜/铌棒材置于氮气保护的加热炉中，在400℃温度下保温1h，以消除材料的加工硬化效果。

步骤10）对热处理后的二次复合铜/铌棒材依次进行剪切、矫直和酸洗处理，并将酸洗后直径为Φ10mm、长度为2000mm的铜铌复合棒脱水并烘干。

步骤11）重复步骤8)至步骤10)的操作，重复操作次数为20次，通过累积拉拔以制备直径Φ10mm、长度2000mm的多层包覆单芯铜/铌复合棒材。

步骤12）以清洗后直径为Φ10mm的铜铌复合棒作为棒芯，先将棒芯放入外径为Φ15mm、壁厚2.5mm、长度为2000mm的纯铌管中。随后，将组合后的棒芯和纯铌管装入外径Φ30mm、壁厚7.5mm、长度为2000mm的无氧铜管中。对组装后的铜铌复合棒进行拉拔加工，得到直径为Φ10mm的二次复合单芯铜/铌棒材。

步骤13）将二次复合铜/铌棒材置于氮气保护的加热炉中，在400℃温度下保温1h，以消除材料的加工硬化效果。

步骤14）对热处理后的二次复合铜/铌棒材依次进行剪切、矫直和酸洗处理，并将酸洗后直径为Φ10mm、长度为2000mm的铜铌复合棒脱水并烘干。

步骤15）重复步骤12）至步骤14）的操作，重复操作次数为5次，通过累积拉拔以制备直径Φ10mm、长度2000mm的多层包覆单芯铜/铌复合棒材。

步骤16）将多次复合铜/铌棒材进行拉拔，拉拔至直径为Φ1mm。

步骤17）将经步骤15处理的铜/铌复合棒材放在氮气保护的退火炉中，在300℃条件下保温60min，然后冷却至室温取出。

步骤18）将成品退火后的铜/铌复合棒材依次进行剪切、矫直和酸洗处理，并将酸洗后的铜铌复合棒脱水并烘干，即制成直径为Φ1mm的多层铜、铌交替包覆铌单芯复合棒材。经测定材料的平均强度为987MPa，常温下电导率为74.6%IACS。

上述示例只是用于说明本发明，除此之外，还有多种不同的实施方式，而这些实施方式都是本领域技术人员在领悟本发明思想后能够想到的，故，在此不再一一列举。

Claims

1.一种高强度铜铌复合线材的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）以纯铌圆棒为棒芯，将棒芯放入无氧铜圆管中；对组装后铜铌复合棒进行拉拔加工，加工率不低于50%，得到一次复合单芯铜铌棒材；

2）将复合单芯铜铌棒材置于氮气保护的加热炉中，在400℃温度下保温1h，以消除材料的加工硬化效果；

3）将步骤2）所述的铜铌复合棒依次进行剪切、矫直和酸洗处理；随后，将酸洗后的铜铌复合棒脱水并烘干；

4）以清洗后的铜铌复合棒作为棒芯，先将棒芯放入纯铌管中，随后将组合后的棒芯和纯铌管装入无氧铜管中；对组装后的铜铌复合棒进行拉拔加工，得到二次复合单芯铜铌棒材；

5）将二次复合铜铌棒材置于氢气或氮气保护的加热炉中，在200-600℃温度下保温1-2h，以消除材料的加工硬化效果，便于后续拉拔；

6）对热处理后的二次复合铜铌棒材依次进行剪切、矫直和酸洗处理；随后，将酸洗后的铜铌复合棒脱水并烘干；

7）重复步骤4）至步骤6）的操作若干次，通过累积拉拔以制备多次复合单芯铜铌棒材；将所述多次复合铜铌棒材进行拉拔，加工率不低于80%，拉拔至成品尺寸；

8）将经拉拔后的铜铌复合棒材放在氢气或氮气保护的退火炉中，在200℃-900℃条件下保温30-180min后，冷却至室温取出；

9）将热处理后的铜铌复合棒材依次进行剪切、矫直和酸洗处理；随后，将酸洗后的铜铌复合棒脱水并烘干，即制成铜、铌交替包覆铌芯的高强度铜铌复合线材。

2.如权利要求1所述的高强度铜铌复合线材的制备方法，其特征在于，所述铜管尺寸为外径10mm-60mm，壁厚5mm-30mm；所述铌管尺寸为外径20mm-40mm，壁厚2mm-10mm。

3.如权利要求1所述的高强度铜铌复合线材的制备方法，其特征在于，所述高强度铜铌复合线材的拉拔的总加工率为70%-99%。

4.如权利要求1所述的高强度铜铌复合线材的制备方法，其特征在于，所述铜管、铌棒和铌管质量纯度均不低于99. 9%。

5.如权利要求1所述的高强度铜铌复合线材的制备方法，其特征在于，拉拔态复合材料棒芯的直径应略小于铌管的内径，铌管的外径应略小于铜管的内径。

6.如权利要求1所述的高强度铜铌复合线材的制备方法，其特征在于，所述高强度铜铌复合线材拉拔的次数大于8次。

7.如权利要求1所述的高强度铜铌复合线材，其特征在于，步骤1）和步骤4）中所述棒芯的直径大于外层无氧铜管直径的10%。

8.一种高强度铜铌复合线材，其特征在于，复合线材的中心为铌芯，所述铌芯外间隔包覆若干层铜层管和铌层管。

9.如权利要求8所述的高强度铜铌复合线材，其特征在于，内层所述铜层管和铌层管的壁厚小于外层铜层管和铌层管的壁厚。

10.如权利要求8所述的高强度铜铌复合线材，其特征在于，最外层所述铜层管和铌层管的壁厚之和大于复合材料半径的20%。