CN107400796B - 一种耐高温高强无铍铜导线及其制备方法 - Google Patents

一种耐高温高强无铍铜导线及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种耐高温高强无铍铜导线及其制备方法，包括如下步骤：S1、将高纯铜、纯铁和覆盖剂块混合熔炼，保温搅拌，加入铜镍合金、铜锶合金、铜铟合金、镁条和稀土元素镧，升温至1230～1260℃，搅拌熔炼得到铜合金熔液；S2、对铜合金熔液进行组分检测；S3、将S2得到的铜合金溶液引流至高真空单辊旋淬与喷铸系统，加热至950～970℃进行喷铸，冷却后通入空气至平衡气压得到薄带；S4、将薄带在590～630℃条件下进行磁场连续退火均匀化，经冷轧、时效处理得到耐高温高强无铍铜导线。本发明以铁铜合金为基础，配合加入多种合金元素替代传统的铍铜合金材料，降低了成本，配以合理的制备工艺，提高了材料的综合性能。

Description

一种耐高温高强无铍铜导线及其制备方法
技术领域
本发明涉及无铍铜导线技术领域，尤其涉及一种耐高温高强无铍铜导线及其制备方法。
背景技术
目前，用于焊机电极、低压铸造模具、汽轮发电机槽楔等高强度铜导线以铍钴铜和铍镍铜系列为主，为节约铍、钴资源和降低成本开发了CuNi2SiCr等合金，但是综合性能特别是耐高温性能还存在较大的差距，进行无铍铜合金材料的合金化与加工工艺开发仍是此领域研究的热点及难点。因此，需要在传统铜合金材料的基础上，进一步通过加入合金元素，通过调节合金元素之间的合理配比和加工工艺的改进来提高铜合金的性能，尤其是耐高温性能，使其各项性能达到替代铍铜和铍镍铜系列合金的水平，降低产品的原材料成本。
发明内容
本发明提出了一种耐高温高强无铍铜导线及其制备方法，以铁铜合金为基础，配合加入多种合金元素替代传统的铍铜合金材料，降低了成本，配以合理的制备工艺，提高了材料的综合性能。
本发明提出的一种耐高温高强无铍铜导线的制备方法，包括如下步骤：
S1、将高纯铜、纯铁和覆盖剂块放入到高频感应熔炼炉中，加热至完全熔化后，保温搅拌，加入铜镍合金、铜锶合金、铜铟合金、镁条和稀土元素镧，升温至1230～1260℃，搅拌熔炼得到铜合金熔液；
S2、对铜合金熔液进行组分检测，其按重量百分比包括：Ni 0.2～0.5％，Fe 3～4.5％，Sr 0.1～0.25％，In 0.04～0.06％，Mg 0.2～0.35％，La 0.01～0.03％，余量为铜；
S3、将S2得到的铜合金溶液引流至高真空单辊旋淬与喷铸系统，通入保护气体至真空，加热至950～970℃进行喷铸，待完全冷却后停止铜辊转动，通入空气至平衡气压得到薄带；
S4、将薄带在590～630℃条件下进行磁场连续退火均匀化，经拉拔、时效处理得到耐高温高强无铍铜导线。
优选地，S1中，覆盖剂按重量百分含量包括：氟钛酸钾25～40％、碳酸稀土20～30％、碳粉15～25％、氟硼酸钾8～15％、氧化铝5～10％。
优选地，S3中，通入保护气体至真空度为4×10-5Pa～6×10-5Pa。
优选地，S3中，喷铸过程中，辊轮转速为20～35m/min。
优选地，S4中，磁场连续退火过程中所施加的磁场为低频交流磁场，磁场强度为0.3～0.5T，磁场频率为10～20Hz。
优选地，磁场连续退火具体操作为：将薄带送入磁场热处理装置中，将磁场升至目标磁场强度，然后开始升温至退火温度，升温速度为10～15℃/min，保温20～30min，去除磁场立即水淬，退火速度为60～70m/min。
优选地，S4中，冷轧的加工变形率为20～35％。
优选地，S4中，时效处理中，时效温度为420～450℃，时效时间为30～50min。
本发明提出了一种耐高温高强无铍铜导线，由所述的耐高温高强无铍铜导线的制备方法制得。
本发明以铁元素为主，配合添加镍、锶、铟、镁和稀土元素与铜基体形成铜合金材料，其中，Fe加入与Cu形成Cu-Fe合金材料，不但节约了原材料成本，而且Fe的剪切模量高，形变Fe纤维对铜基体具有极好的强化效果，配合Ni与Cu形成固溶强化相CuNi2保证了铜基体的高强度和力学性能，Sr合金元素的加入细化了材料晶粒，优化材料的金相组织，提高了材料高软化温度和高温力学性能，与In配合大大提高了铜基体的耐高温性能和高温力学性能，但是Sr和In用量过高会影响微合金的强化，Mg加入减缓熔体高温烧损，同时与稀土元素La配合大大提高了CuNi2和CuMgFe固溶合金相的性能尤其是高温性能，同时稀土元素La利于细化晶粒，起到细晶强化作用，进一步提高铜基体的强度。
配合以上合金体系，针对Fe元素易因局部富集形成裂纹生长发展引起表面起皮缺陷，本发明将纯铜和纯铁先进行熔炼，确保铁元素在铜基体中的均匀化，避免成分偏析，另外，Fe原子会引起强烈的电子散射，影响铜基体的导电率，采用喷铸工艺，快速冷凝使晶核的生长速率得到有效抑制，细化了铁原子初生晶粒，降低了铁原子扩散、富集的倾向，偏析程度降低，组织更加均匀，提高铜合金材料耐高温性能的同时，减少对导电性能的影响；覆盖剂加入对熔体具有很好的除氧、净化晶粒的作用，减少固体熔渣夹裹合金元素而造成的损耗，提高了铜基体对镍、锶、铟及稀土元素的利用率，进一步降低生产成本，提高材料综合性能；磁场连续退火均匀化配合时效处理，细小的析出相快速从过饱和的固溶体中析出，铜合金的基体得到净化，降低喷铸产生的晶格畸变程度，提高铜合金的电导率，同时析出的细小第二相在基体上弥散的分布，增加位错运动的阻碍，使铜合金的拉伸强度和高温硬度保持较高的水平，提高了材料的综合性能。
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
一种耐高温高强无铍铜导线，由如下步骤制得：
S1、将高纯铜、纯铁和覆盖剂块放入到高频感应熔炼炉中，加热至完全熔化后，保温搅拌，加入铜镍合金、铜锶合金、铜铟合金、镁条和稀土元素镧，升温至1230℃，搅拌熔炼得到铜合金熔液；
S2、对铜合金熔液进行组分检测，其按重量百分比包括：Ni 0.2％，Fe 4.5％，Sr0.1％，In 0.06％，Mg 0.2％，La 0.03％，余量为铜；
S3、将S2得到的铜合金溶液引流至高真空单辊旋淬与喷铸系统，通入保护气体至真空，加热至950℃进行喷铸，待完全冷却后停止铜辊转动，通入空气至平衡气压得到薄带；
S4、将薄带在590℃条件下进行磁场连续退火均匀化，经冷轧、时效处理得到耐高温高强无铍铜导线。
实施例2
一种耐高温高强无铍铜导线，由如下步骤制得：
S1、将高纯铜、纯铁和覆盖剂块放入到高频感应熔炼炉中，加热至完全熔化后，保温搅拌，加入铜镍合金、铜锶合金、铜铟合金、镁条和稀土元素镧，升温至1260℃，搅拌熔炼得到铜合金熔液；
S2、对铜合金熔液进行组分检测，其按重量百分比包括：Ni 0.5％，Fe 3％，Sr0.25％，In 0.04％，Mg 0.35％，La 0.01％，余量为铜；
S3、将S2得到的铜合金溶液引流至高真空单辊旋淬与喷铸系统，通入保护气体至真空度为4×10-5Pa，加热至970℃进行喷铸，辊轮转速为20m/min，待完全冷却后停止铜辊转动，通入空气至平衡气压得到薄带；
S4、将薄带送入磁场热处理装置中，将磁场升至0.3T，磁场频率为20Hz，开始升温至630℃，升温速度为15℃/min，退火速度为70m/min，保温20min去除磁场立即水淬，冷轧，冷轧的加工变形率为20％，在温度为420℃条件下时效处理50min得到耐高温高强无铍铜导线；
其中，覆盖剂按重量百分含量包括：氟钛酸钾40％、碳酸稀土20％、碳粉25％、氟硼酸钾10％、氧化铝5％。
实施例3
一种耐高温高强无铍铜导线，由如下步骤制得：
S1、将高纯铜、纯铁和覆盖剂块放入到高频感应熔炼炉中，加热至完全熔化后，保温搅拌，加入铜镍合金、铜锶合金、铜铟合金、镁条和稀土元素镧，升温至1250℃，搅拌熔炼得到铜合金熔液；
S2、对铜合金熔液进行组分检测，其按重量百分比包括：Ni 0.3％，Fe 3.5％，Sr0.15％，In 0.05％，Mg 0.25％，La 0.02％，余量为铜；
S3、将S2得到的铜合金溶液引流至高真空单辊旋淬与喷铸系统，通入保护气体至真空度为6×10-5Pa，加热至950℃进行喷铸，辊轮转速为35m/min，待完全冷却后停止铜辊转动，通入空气至平衡气压得到薄带；
S4、将薄带送入磁场热处理装置中，将磁场升至0.5T，磁场频率为10Hz，开始升温至590℃，升温速度为10℃/min，退火速度为60m/min，保温30min去除磁场立即水淬，冷轧，冷轧的加工变形率为35％，在温度为450℃条件下时效处理30min得到耐高温高强无铍铜导线；
其中，覆盖剂按重量百分含量包括：氟钛酸钾25％、碳酸稀土30％、碳粉20％、氟硼酸钾15％、氧化铝10％。
实施例4
一种耐高温高强无铍铜导线，由如下步骤制得：
S1、将高纯铜、纯铁和覆盖剂块放入到高频感应熔炼炉中，加热至完全熔化后，保温搅拌，加入铜镍合金、铜锶合金、铜铟合金、镁条和稀土元素镧，升温至1250℃，搅拌熔炼得到铜合金熔液；
S2、对铜合金熔液进行组分检测，其按重量百分比包括：Ni 0.4％，Fe 4.0％，Sr0.20％，In 0.05％，Mg 0.30％，La 0.02％，余量为铜；
S3、将S2得到的铜合金溶液引流至高真空单辊旋淬与喷铸系统，通入保护气体至真空度为5×10-5Pa，加热至960℃进行喷铸，辊轮转速为30m/min，待完全冷却后停止铜辊转动，通入空气至平衡气压得到薄带；
S4、将薄带送入磁场热处理装置中，将磁场升至0.4T，磁场频率为15Hz，开始升温至610℃，升温速度为15℃/min，退火速度为65m/min，保温25min去除磁场立即水淬，冷轧，冷轧的加工变形率为25％，在温度为430℃条件下时效处理40min得到耐高温高强无铍铜导线；
其中，覆盖剂按重量百分含量包括：氟钛酸钾30％、碳酸稀土30％、碳粉25％、氟硼酸钾8％、氧化铝7％。
实施例5
一种耐高温高强无铍铜导线，由如下步骤制得：
S1、将高纯铜、纯铁和覆盖剂块放入到高频感应熔炼炉中，加热至完全熔化后，保温搅拌，加入铜镍合金、铜锶合金、铜铟合金、镁条和稀土元素镧，升温至1250℃，搅拌熔炼得到铜合金熔液；
S2、对铜合金熔液进行组分检测，其按重量百分比包括：Ni 0.4％，Fe 4.0％，Sr0.20％，In 0.05％，Mg 0.30％，La 0.02％，余量为铜；
S3、将S2得到的铜合金溶液引流至高真空单辊旋淬与喷铸系统，通入保护气体至真空度为5×10-5Pa，加热至960℃进行喷铸，辊轮转速为30m/min，待完全冷却后停止铜辊转动，通入空气至平衡气压得到薄带；
S4、将薄带送入磁场热处理装置中，将磁场升至0.4T，磁场频率为15Hz，开始升温至610℃，升温速度为15℃/min，退火速度为65m/min，保温25min去除磁场立即水淬，冷轧，冷轧的加工变形率为25％，在温度为430℃条件下时效处理40min得到耐高温高强无铍铜导线；
其中，覆盖剂按重量百分含量包括：氟钛酸钾40％、碳酸稀土25％、碳粉15％、氟硼酸钾10％、氧化铝10％。
将实施例2-5制得的耐高温高强无铍铜导线进行性能测试，测试结果如下表所示：
性能参数 软化温度/℃ 硬度/Hv 延伸率/％ 拉伸强度/MPa 电导率/％IACS
实施例2 565 172 6.5 615 67
实施例3 560 170 6.4 598 75
实施例4 550 168 6.6 604 63
实施例5 562 171 6.5 593 72
从测试数据可以看出，本发明采用以铁铜合金为基础，配合加入多种合金元素替代传统的铍铜合金材料，降低了成本的同时，提高了铜合金的耐高温性能，软化温度在550℃，同时材料具备很好的力学强度和导电性能，提高了无铍铜合金材料的综合性能。
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 (7)

1.一种耐高温高强无铍铜导线的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将高纯铜、纯铁和覆盖剂块放入到高频感应熔炼炉中，加热至完全熔化后，保温搅拌，加入铜镍合金、铜锶合金、铜铟合金、镁条和稀土元素镧，升温至1230～1260℃，搅拌熔炼得到铜合金熔液；
S2、对铜合金熔液进行组分检测，其按重量百分比包括：Ni 0.2～0.5％，Fe 3～4.5％，Sr 0.1～0.25％，In 0.04～0.06％，Mg 0.2～0.35％，La 0.01～0.03％，余量为铜；
S3、将S2得到的铜合金熔液 引流至高真空单辊旋淬与喷铸系统，通入保护气体至真空，加热至950～970℃进行喷铸，待完全冷却后停止铜辊转动，通入空气至平衡气压得到薄带；
S4、将薄带在590～630℃条件下进行磁场连续退火均匀化，经冷轧、时效处理得到耐高温高强无铍铜导线；
磁场连续退火具体操作为：将薄带送入磁场热处理装置中，将磁场升至目标磁场强度，然后开始升温至退火温度，升温速度为10～15℃/min，保温20～30min，去除磁场立即水淬，退火速度为60～70m/min；
S4中，时效处理中，时效温度为420～450℃，时效时间为30～50min。
2.根据权利要求1所述的耐高温高强无铍铜导线的制备方法，其特征在于，S1中，覆盖剂按重量百分含量包括：氟钛酸钾25～40％、碳酸稀土20～30％、碳粉15～25％、氟硼酸钾8～15％、氧化铝5～10％。
3.根据权利要求1或2所述的耐高温高强无铍铜导线的制备方法，其特征在于，S3中，通入保护气体至真空度为4×10-5Pa～6×10-5Pa。
4.根据权利要求1或2所述的耐高温高强无铍铜导线的制备方法，其特征在于，S3中，喷铸过程中，辊轮转速为20～35m/min。
5.根据权利要求1或2所述的耐高温高强无铍铜导线的制备方法，其特征在于，S4中，磁场连续退火过程中所施加的磁场为低频交流磁场，磁场强度为0.3～0.5T，磁场频率为10～20Hz。
6.根据权利要求1或2所述的耐高温高强无铍铜导线的制备方法，其特征在于，S4中，冷轧的加工变形率为20～35％。
7.一种耐高温高强无铍铜导线，其特征在于，由权利要求1-6任一项所述的耐高温高强无铍铜导线的制备方法制得。
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