CN108220664A - 一种高强度铜丝的制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强度铜丝的制备工艺，包括如下步骤：S1、将电解铜和铜中间合金加入熔炼炉中，覆盖煅烧木炭，通入惰性气体；S2、将S1中得到的熔液引入到保温炉中，控制其重量按百分百包括：Cr 0.20‑0.40％、Zr 0.05‑0.20％、Ag 0.06‑0.15％、La 0.06‑0.10％、Y 0.06‑0.10％、Mg＜0.1％，余量为Cu；S3、将结晶器伸入到熔液内，经过连铸机中的牵引辊机构向上牵引得到无氧铜杆；S4、将S3中得到的无氧铜杆进行快速、低温拔丝加工，低温拔丝加工过程反复进行得到所需要的铜丝尺寸，热处理，最终获得成品高强度铜丝。本发明所述制备的铜丝不仅导电率达到90％IACS以上，而且抗拉强度也在490MPa以上。

Description

一种高强度铜丝的制备工艺
技术领域
本发明涉及一种电工用铜技术领域，尤其涉及一种高强度铜丝的制备工艺。
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丝的需求量迅速增加,铜丝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，铜丝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，而导电性对铜丝来说是最重要的性能指标。处理好两者的矛盾，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高导的铜丝材料，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度铜丝的制备工艺，所述制备的铜丝不仅导电率达到90％IACS以上，而且抗拉强度也在490MPa以上。
本发明提出的一种高强度铜丝的制备工艺，包括如下步骤：
S1、将电解铜和由铬、锆、银、镧、钇、镁形成的铜中间合金加入熔炼炉中，升温至1220-1250℃，保温至固体熔化完全后得到熔液，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；
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，控制其重量按百分百包括：Cr 0.20-0.40％、Zr 0.05-0.20％、Ag 0.06-0.15％、La 0.06-0.10％、Y0.06-0.10％、Mg＜0.1％，余量为Cu；
S3、将连铸机的结晶器伸入到铜液内，结晶器内部采用循环冷却水隔套冷却，熔液在结晶器内凝结成固体，并经过连铸机中的牵引辊机构向上牵引形成无氧铜杆；
S4、将S3中得到的无氧铜杆进行拔丝加工，在拔丝过程中，在拔丝模两端利用低温冷却使铜杆进入拔丝模前和经过拔丝模后均快速降温至-78℃至-196℃之间，低温拔丝加工过程反复进行直到所需要的铜丝尺寸，之后在150-250℃温度下进行热处理，热处理时间为1-10min，最终获得成品高强度铜丝。
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，单位为℃，t为升温时间，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，所述惰性气体的流速为0.4-0.8m3/h,通气时间为20-40min。
优选地，S2中，所述过滤挡板为石墨或碳化硅结合氧化硅形成的陶瓷过滤挡板。
优选地，S2中，所述熔液组分的铜导线中可形成强化相[Cr2Zr]＝0.25[Cr]+[Zr]-[Mg]，[Cr2Zr]为Cr2Zr在熔液中的百分含量，[Cr]为Cr在熔液中的百分含量，[Zr]为Zr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，所述结晶器伸入铜液的深度为15-20mm；循环冷却水的出水温度为25-40℃，且冷却进出水的温差≤10℃。
优选地，S3中，所述牵引辊机构的牵引速度为1000-1500mm/min；制得的铜杆直径为3-8mm。
优选地，S4中，所述低温冷却的方式为液氮冷却或干冰冷却。
优选地，S4中，所述低温冷却区域在拔丝模入口端铜丝冷却长度为20mm，在拔丝模出口端铜丝冷却长度为30mm。
优选地，S4中，拔丝速度为500-1500mm/min，每次拔丝后铜杆直径缩减15-25％，最终铜丝的直径为0.1-0.5mm。
相较于现有技术，本发明提出的一种高强度铜丝的制备工艺，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，对改善合金性能具有显著效果；加入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，进而提高铜合金导电性和强度。
其次，本发明中为了获得高强度铜丝材料，通过控制合理的配比，在铜熔液中加入了合金元素Cr、Zr、Ag、La、Y和Mg，其中Cr、Zr、Mg元素的加入有利于在铜合金材料中形成适量的强化相Cr2Zr，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Cr及Zr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；Mg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；Zr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，本发明在常规的拔丝工艺基础上，在拔丝模两端附加上低温装置，实现拔丝过程在低温下进行，从而获得纳米晶；对经过低温拔丝的丝材进行热处理，使得一部分晶粒长大，从而在维持铜丝高强度的基础上提高铜丝的塑性，本发明工艺与常规拔丝工艺可以实现很好兼容，工艺容易实现。
具体实施方式
下面，通过具体实施例对本发明的技术方法进行详细说明。
实施例1
本发明提出的一种高强度铜丝的制备工艺，包括如下步骤：
S1、将电解铜和由铬、锆、银、镧、钇、镁形成的铜中间合金加入熔炼炉中，升温至1220℃，升温过程符合T＝et-3,T为升温温度，单位为℃，t为升温时间，单位为min，保温至固体熔化完全后得到熔液，降温至1170℃，在熔液表面覆盖一层厚度为150mm的煅烧木炭，同时向熔液中通入惰性气体，所述惰性气体为N2，所述惰性气体的流速为0.8m3/h,通气时间为20min；
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，控制其重量按百分百包括：Cr0.40％、Zr 0.05％、Ag 0.15％、La 0.06％、Y 0.10％、Mg＜0.1％，余量为Cu；
S3、将连铸机的结晶器伸入到铜液内，所述结晶器伸入铜液的深度为15mm，结晶器内部采用循环冷却水隔套冷却，循环冷却水的出水温度为40℃，且冷却进出水的温差≤10℃，熔液在结晶器内凝结成固体，并经过连铸机中的牵引辊机构向上牵引形成无氧铜杆，牵引辊机构的牵引速度为1000mm/min，制得的铜杆直径为8mm；
S4、将S3中得到的无氧铜杆进行拔丝加工，拔丝速度为500mm/min，在拔丝过程中，在拔丝模两端利用低温冷却使铜杆进入拔丝模前和经过拔丝模后均快速降温至-196℃，所述低温冷却的方式为液氮冷却，所述低温冷却区域在拔丝模入口端铜丝冷却长度为20mm，在拔丝模出口端铜丝冷却长度为30mm，低温拔丝加工过程反复进行直到所需要的铜丝尺寸，每次拔丝后铜杆直径缩减25％，最终铜丝的直径为0.1mm，之后在250℃温度下进行热处理，热处理时间为1min，最终获得成品高强度铜丝。
实施例2
本发明提出的一种高强度铜丝的制备工艺，包括如下步骤：
S1、将电解铜和由铬、锆、银、镧、钇、镁形成的铜中间合金加入熔炼炉中，升温至1250℃，升温过程符合T＝et-3,T为升温温度，单位为℃，t为升温时间，单位为min，保温至固体熔化完全后得到熔液，降温至1150℃，在熔液表面覆盖一层厚度为200mm的煅烧木炭，同时向熔液中通入惰性气体，所述惰性气体为N2+Ar，所述惰性气体的流速为0.4m3/h,通气时间为40min；
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氧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，控制其重量按百分百包括：Cr 0.20％、Zr 0.20％、Ag0.06％、La 0.10％、Y 0.06％、Mg＜0.1％，余量为Cu；
S3、将连铸机的结晶器伸入到铜液内，所述结晶器伸入铜液的深度为20mm，结晶器内部采用循环冷却水隔套冷却，循环冷却水的出水温度为25℃，且冷却进出水的温差≤10℃，熔液在结晶器内凝结成固体，并经过连铸机中的牵引辊机构向上牵引形成无氧铜杆，牵引辊机构的牵引速度为1500mm/min，制得的铜杆直径为3mm；
S4、将S3中得到的无氧铜杆进行拔丝加工，拔丝速度为1500mm/min，在拔丝过程中，在拔丝模两端利用低温冷却使铜杆进入拔丝模前和经过拔丝模后均快速降温至-78℃，所述低温冷却的方式为干冰冷却，所述低温冷却区域在拔丝模入口端铜丝冷却长度为20mm，在拔丝模出口端铜丝冷却长度为30mm，低温拔丝加工过程反复进行直到所需要的铜丝尺寸，每次拔丝后铜杆直径缩减15％，最终铜丝的直径为0.5mm，之后在150℃温度下进行热处理，热处理时间为10min，最终获得成品高强度铜丝。
实施例3
本发明提出的一种高强度铜丝的制备工艺，包括如下步骤：
S1、将电解铜和由铬、锆、银、镧、钇、镁形成的铜中间合金加入熔炼炉中，升温至1235℃，升温过程符合T＝et-3,T为升温温度，单位为℃，t为升温时间，单位为min，保温至固体熔化完全后得到熔液，降温至1150-1170℃，在熔液表面覆盖一层厚度为175mm的煅烧木炭，同时向熔液中通入惰性气体，所述惰性气体为Ar+CO，所述惰性气体的流速为0.6m3/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，所述过滤挡板为石墨过滤挡板，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，控制其重量按百分百包括：Cr0.3％、Zr 0.13％、Ag 0.11％、La 0.08％、Y 0.08％、Mg＜0.1％，余量为Cu；
S3、将连铸机的结晶器伸入到铜液内，所述结晶器伸入铜液的深度为18mm，结晶器内部采用循环冷却水隔套冷却，循环冷却水的出水温度为33℃，且冷却进出水的温差≤10℃，熔液在结晶器内凝结成固体，并经过连铸机中的牵引辊机构向上牵引形成无氧铜杆，牵引辊机构的牵引速度为1250mm/min，制得的铜杆直径为6mm；
S4、将S3中得到的无氧铜杆进行拔丝加工，拔丝速度为1000mm/min，在拔丝过程中，在拔丝模两端利用低温冷却使铜杆进入拔丝模前和经过拔丝模后均快速降温至-137℃，所述低温冷却的方式为液氮冷却，所述低温冷却区域在拔丝模入口端铜丝冷却长度为20mm，在拔丝模出口端铜丝冷却长度为30mm，低温拔丝加工过程反复进行直到所需要的铜丝尺寸，每次拔丝后铜杆直径缩减20％，最终铜丝的直径为0.3mm，之后在200℃温度下进行热处理，热处理时间为5min，最终获得成品高强度铜丝。
实施例4
本发明提出的一种高强度铜丝的制备工艺，包括如下步骤：
S1、将电解铜和由铬、锆、银、镧、钇、镁形成的铜中间合金加入熔炼炉中，升温至1220℃，升温过程符合T＝et-3,T为升温温度，单位为℃，t为升温时间，单位为min，保温至固体熔化完全后得到熔液，降温至1150℃，在熔液表面覆盖一层厚度为150mm的煅烧木炭，同时向熔液中通入惰性气体，所述惰性气体为N2+Ar+CO，所述惰性气体的流速为0.4m3/h,通气时间为20min；
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氧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，控制其重量按百分百包括：Cr 0.20％、Zr 0.05％、Ag0.06％、La 0.06％、Y 0.06％、Mg＜0.1％，余量为Cu；
S3、将连铸机的结晶器伸入到铜液内，所述结晶器伸入铜液的深度为15mm，结晶器内部采用循环冷却水隔套冷却，循环冷却水的出水温度为25℃，且冷却进出水的温差≤10℃，熔液在结晶器内凝结成固体，并经过连铸机中的牵引辊机构向上牵引形成无氧铜杆，牵引辊机构的牵引速度为1000mm/min，制得的铜杆直径为3mm；
S4、将S3中得到的无氧铜杆进行拔丝加工，拔丝速度为500mm/min，在拔丝过程中，在拔丝模两端利用低温冷却使铜杆进入拔丝模前和经过拔丝模后均快速降温至-78℃，所述低温冷却的方式为干冰冷却，所述低温冷却区域在拔丝模入口端铜丝冷却长度为20mm，在拔丝模出口端铜丝冷却长度为30mm，低温拔丝加工过程反复进行直到所需要的铜丝尺寸，每次拔丝后铜杆直径缩减15％，最终铜丝的直径为0.1mm，之后在150℃温度下进行热处理，热处理时间为1min，最终获得成品高强度铜丝。
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 (10)

1.一种高强度铜丝的制备工艺，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将电解铜和由铬、锆、银、镧、钇、镁形成的铜中间合金加入熔炼炉中，升温至1220-1250℃，保温至固体熔化完全后得到熔液，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；
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，控制其重量按百分百包括：Cr 0.20-0.40％、Zr 0.05-0.20％、Ag0.06-0.15％、La 0.06-0.10％、Y 0.06-0.10％、Mg＜0.1％，余量为Cu；
S3、将连铸机的结晶器伸入到铜液内，结晶器内部采用循环冷却水隔套冷却，熔液在结晶器内凝结成固体，并经过连铸机中的牵引辊机构向上牵引形成无氧铜杆；
S4、将S3中得到的无氧铜杆进行拔丝加工，在拔丝过程中，在拔丝模两端利用低温冷却使铜杆进入拔丝模前和经过拔丝模后均快速降温至-78℃至-196℃之间，低温拔丝加工过程反复进行直到所需要的铜丝尺寸，之后在150-250℃温度下进行热处理，热处理时间为1-10min，最终获得成品高强度铜丝。
2.根据权利要求1所述高强度铜丝的制备工艺，其特征在于，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，单位为℃，t为升温时间，单位为min。
3.根据权利要求1或2所述高强度铜丝的制备工艺，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，所述惰性气体的流速为0.4-0.8m3/h,通气时间为20-40min。
4.根据权利要求1-3任一项所述高强度铜丝的制备工艺，其特征在于，S2中，所述过滤挡板为石墨或碳化硅结合氧化硅形成的陶瓷过滤挡板。
5.根据权利要求1-4任一项所述高强度铜丝的制备工艺，其特征在于，S2中，所述熔液组分的铜导线中可形成强化相[Cr2Zr]＝0.25[Cr]+[Zr]-[Mg]，[Cr2Zr]为Cr2Zr在熔液中的百分含量，[Cr]为Cr在熔液中的百分含量，[Zr]为Zr在熔液中的百分含量，[Mg]为Mg在熔液中的百分含量。
6.根据权利要求1-5任一项所述高强度铜丝的制备工艺，其特征在于，S3中，所述结晶器伸入铜液的深度为15-20mm；循环冷却水的出水温度为25-40℃，且冷却进出水的温差≤10℃。
7.根据权利要求1-6任一项所述高强度铜丝的制备工艺，其特征在于，S3中，所述牵引辊机构的牵引速度为1000-1500mm/min；制得的铜杆直径为3-8mm。
8.根据权利要求1-7任一项所述高强度铜丝的制备工艺，其特征在于，S4中，所述低温冷却的方式为液氮冷却或干冰冷却。
9.根据权利要求1-8任一项所述高强度铜丝的制备工艺，其特征在于，S4中，所述低温冷却区域在拔丝模入口端铜丝冷却长度为20mm，在拔丝模出口端铜丝冷却长度为30mm。
10.根据权利要求1-9任一项所述高强度铜丝的制备工艺，其特征在于，S4中，拔丝速度为500-1500mm/min，每次拔丝后铜杆直径缩减15-25％，最终铜丝的直径为0.1-0.5mm。
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