CN108779541B - 将有色金属及其合金的线材转换成高伸长率和退火状态的线的方法 - Google Patents

Abstract

一种将有色金属及其合金的线材转换成具有高伸长率和退火状态的线的方法，其中利用塑性变形过程进行从线材到线的直径减小；对经受塑性变形的金属的温度进行控制，以便在塑性变形过程结束时使线处于高于或等于再结晶温度的温度；这避免了在常规生产技术中必需的退火热处理，实现了生产成本的显著节省以及具有与经受退火的线类似的特性的线。

Description

将有色金属及其合金的线材转换成高伸长率和退火状态的线 的方法

技术领域

本发明涉及一种将有色金属及其合金的线材转换成具有高伸长率和退火状态的线的方法。为了简单起见，在下文中，线材的材料以及由其获得的线的材料将称为“金属”，无论该材料是由金属构成还是该材料由金属合金构成。

背景技术

众所周知，用于电气用途的有色金属(特别是铜或铝)线材的初始加工(通常称为粗加工步骤或简单粗加工)是使用单线和双线的多级模板，即在两个线材上同时并行工作的模板。

对于ETP或FRHC或无氧铜，粗加工模板基本上用于将直径为8mm的线材减少到直径在2-1.5mm范围内的线。

最常用的范围是直径2-1.8mm附近，因为由于机器的固有限制，更小的直径会过度减少小时生产率。

对于铝，即线材的最常见的起始直径是9.5mm，其减小到约2.5mm的最小直径。

多级模板基本上由一系列模板组成，与拉丝绞盘交替。线减小到较小的直径，因为它必须在绞盘的牵引下穿过模板的锥形孔。

由拉拔产生的冷变形减小了金属晶格的单元的尺寸，并且总是对金属产生硬化效应，即断裂载荷的增加同时显著降低了伸长百分比。

在一些情况下，追求这种效果是为了增加线的断裂负荷；然而，在大多数情况下，当线需要进行进一步的冷加工时，这种硬化效应意味着线需要经受退火的热处理，因为线在低于一定的伸长率极限时不再具有塑性和延展性且在应变下断裂并且因此不可能使其经受塑性变形过程。

拉拔之后的线的退火的必要性在用于机械用途的铝合金的加工以及用于铜的加工中比在纯铝(称为“E.C.等级”)的加工中更重要，因为这通常不会像铜那样被加工成薄的甚至毛细管直径。

为了优化生产，工业实践是在拉拔后的装配线上使用退火炉以将铝合金或铜的特性恢复到原始状态，也即恢复到具有高可加工性和延展性的条件。由于存在太多用于描述各自行为的用于机械用途的铝合金，因此尽管根据本发明的方法也可以应用于铝合金，然而本说明书主要考虑铜。

线路退火炉基本上是线的加热器和冷却器，其通常(通常通过焦耳效应)首先进入再结晶温度非常短的时间，然后通过剧烈冷却返回到环境温度。该处理在受控气氛中进行，以防止由于高温而发生的线表面的氧化。

这种热处理消除了铜在模板冷变形期间经历的硬化，使线的伸长率恢复到35-40％附近，但是它对线的生产成本具有相当大的影响。

仅举例来说，市场上最有名的现代多级单线模板之一(可以在25米/秒生产速度下将直径为8mm的ETP铜的线材转换为直径为2mm的线)需要为模板安装约350kW的功率，并为退火炉安装约220kW的功率。考虑到通常使用大约70％的安装功率，我们实际耗电量为245kWh，退火炉耗电量为154kWh。

在每小时生产率约2.5t/h的情况下，退火操作需要消耗150kWh附近的电功率除以2.5t/h，即每生产一吨线消耗约60kWh。

因此，总的来说，采用这种常规方法，每生产一吨线消耗约160kWh的能量。

常规生产技术中必需的退火炉的使用对生产的总成本具有相当大的影响，这是由于其摊销和由于其操作所需的能量成本，这增加了拉拔所需的能量。

发明内容

本发明的目的是设计一种将有色金属及其合金的线材转换成具有高伸长率和退火状态的线的方法，这使得可以明显降低生产的总成本。

在该目的内，本发明的目的是设计一种方法，该方法不需要退火炉，因此消除了该部件的购买成本和运行成本。

本发明的另一个目的是提供一种方法，该方法可以使用常规设备或使用可以从常规设备中进行简化的改进的设备来实现。

通过将有色金属及其合金的线材转换成具有高伸长率和退火状态的线的方法，实现了这个目的以及下面将变得更加明显的这些和其他目的，其中直径减小以便利用塑性变形过程将线材转变成线，特别地，对受到塑性变形的金属的温度进行控制，以便在塑性变形过程结束时使线的温度高于或等于再结晶温度。

附图说明

通过以下对根据本发明的方法的优选但非排他的实施例的详细描述，本发明的其他特征和优点将变得更加明显，该实施例通过附图中的非限制性示例示出，附图中：

图1是用于实施根据本发明的方法的设备的示意图；

图2a和图2b是可用于实施根据本发明的方法的一种轧机的两个连续轧制单元的轧制筒的示意性横向剖视图；

图3a和图3b是可用于实施根据本发明的方法的另一种类型的轧机的两个连续轧制单元的轧制筒的示意性横向剖视图。

具体实施方式

参考附图，根据本发明的方法基本上基于使用至少一些机械能，该机械能被提供给被加工的金属以便实现其直径的减小，并且被转换成热能以便使加工后的金属在接近加工结束时至少达到再结晶温度，以减小直径。更具体地，在根据本发明的方法中，利用塑性变形过程实现从线材到线的直径减小，并且对经受塑性变形的金属的温度进行控制，以便使得线材的温度在塑性变形过程结束时高于或等于再结晶温度。

优选地，塑性变形过程适于使线材横截面的面积减小至少85％。

尽管根据本发明的方法中的塑性变形过程也可以通过拉拔或轧制来进行，但是优选的是轧制过程，控制被轧制的金属的冷却以使其温度在轧制过程结束时至少至少达到金属的再结晶温度。

在实践中，根据本发明的方法基于开发用于将金属退火的一个或多个马达的功率，所述功率驱动轧机的轧制单元并且转换成被加工的金属内部的热。在已知技术中，通过使用由水和矿物组成的乳液或者合成油或者其中油的重量占水的重量的百分比为1％与5％之间的特殊配方，通过一般用于粗加工的模板的(或者用于轧机的轧制单元的)冷却回路完全去除该热。

相反，根据本发明的方法使用具有不同配方的液体形式的冷却剂，以及相应的冷却回路，然而该冷却回路可以通过在轧制的最后阶段升高金属的温度来控制从加工的金属中提取热。使用轧机更容易进行这种控制热(即金属的最终温度)提取的活动，因为目前使用的模板的模具设计成在低温下工作。

实质上，在根据本发明的方法中，在轧制期间，金属在比常规轧制方法更高的温度下加工，并且该温度足以在从线材到线的过渡中在接近完成其直径减小的情况下获得再结晶。

以这种方式，获得具有最小硬化并且也即具有高伸长率的线，其无需在后续加工之前退火。

更具体地说，常规轧制方法中使用的冷却剂(其也需要相对于轧制筒、垫圈和机器的其他部件具有润滑性能)通常是特定配方的水和油的乳液，其中油相对于水的含量为1％-5％(重量)。在根据本发明的方法中，冷却剂也由油和水的乳液构成，但是相对于水的量，油存在的重量百分比大于5％且高达25％。由于油具有比水低得多的比热容，这种具有高比例的油的乳液使得热的提取减少到与油的比热容和水的比热容之间的比率大致一致并且与油的百分比相对于水的百分比成比例。

用于实施根据本发明的方法的设备在图1中示意性地示出并且总体由附图标记1表示。

来自线圈3的线材2进入轧机4，在轧机中它经历直径减小直到它变成附图标记2a表示的线，并且如上所述，在轧机中它经历加热使其温度在轧制的最后阶段至少升高到再结晶温度。从轧机4输出的线2a进入具有非氧化受控气氛的腔室5，在该腔室中线跟随由滑轮6引导的部分，并且在腔室5的出口点处在管7中冷却，在管中冷却乳液高速流动。在管7的输出中，线2a以本身已知的方式通过卷取机9收集在容器8中，卷取机的速度通过传感器10与轧机4的速度同步。

用于实施根据本发明的方法的轧机由具有成直线(即依次)排列的多个轧制单元的轧机构成，轧机优选地为适于轧制小直径≤2mm的多级精密轧机，例如但非排他地为由Continuus-Properzi S.p.A.(康迪纽斯-普罗佩兹公司)制造的微型轧机。

图2a和图2b示出了可用于执行根据本发明的方法的轧机的两个轧制单元，轧制单元沿着在轧制期间金属所遵循的路径相对于彼此依次布置。在每个轧制单元中，每个单元三个并且围绕线材2的轴线分布的轧制筒11通过齿轮12连接到驱动轴13，驱动轴13则通过接头15连接到齿轮传动装置14。齿轮传动装置14连接到驱动各种轧制单元的马达，该马达是常规的并且为了简单起见未示出。可以看出，图2a中所示的轧制单元的轧制筒的轮廓形成为使得对于线材2获得具有倒圆顶点的三角形横截面，而图2b中所示的轧制单元的轧制筒的轮廓形成为使得对于线材2获得环形或圆形横截面。轧机的轧制单元布置成使得线材的横截面以三角形-圆形-三角形直到最后的圆形的顺序逐渐变形。

图3a和图3b示出了也用于执行根据本发明的方法的轧机的两个不同类型的轧制单元，轧制单元沿着在轧制期间金属所遵循的路径彼此依次布置。在这种情况下，每个轧制单元由两个彼此相对的轧制筒21a、21b组成，使线材2在这两个轧制筒之间通过。在图3a所示的轧制单元中，轧制筒21a通过齿轮22a相互连接，并通过接头23a连接到齿轮传动装置25a，齿轮传动装置25a则连接到马达24a。在图3b所示的轧制单元中，轧制筒21b通过齿轮22b连接到驱动轴25b，驱动轴25b则通过接头23b连接到相应的马达24b。可以看出，在这种情况下，图3a中所示的轧制单元的轧制筒的轮廓形成为使得对于线材2获得椭圆形横截面，而图3b所示的轧制单元的轧制筒的轮廓成为使得对于线材2获得环形或圆形横截面。轧机的轧制单元布置成使得线材的横截面以椭圆形-圆形-椭圆形直到最后的圆形的顺序逐渐变形。

冷却剂在各种轧制单元中的分布最小化并且可以是脉冲的和/或正弦的，即乳液的流速可以从零调节到最大值并且可以沿着时间间隔随意变化。例如，它可以在2秒内从零变为最大值，然后在另外2秒内返回到零，从而使单元时间内乳液的平均流速减半。这种趋势使得有可能不损坏轧制筒，无论它们是由钢或碳化物或陶瓷和/或其他机械部件制成，并且同时在各种可能性下随意减少从金属提取的热。给定C＝K·P·ΔT，其中C是去除的卡路里，P是乳液的流速，ΔT是在输送点的乳液和输出点的乳液之间的温度升高，并且K是乳液的比热容，有必要通过相对于已知技术增加乳液中油的百分比并使其流速最小化来降低K，如前所述。

乳液分配的第二种方法是在各个轧制单元之间以不同的方式进行控制；例如，在第一轧制单元中使用较高流速的乳液并在最终轧制单元中将流速减少到最小，反之亦然。

以这种方式，通过确保致动轧制单元的一个或多个马达的大部分功率有助于提高正在加工的金属的温度，可以获得乳液的足够的润滑作用，同时使冷却作用最小化。

控制由乳液提供的冷却在大于或等于250℃的所需再结晶温度下在最后一个轧制单元之后可以产生直径为2mm的线，所述冷却与输出速度(在优选实施例中为25米/秒至30米/秒)相关并且与马达吸收的功率相关。

根据要求，乳液可以分配到所有的轧制单元或仅分配给它们的一部分。此外，乳液可以雾化形式分布。

可选地，用于控制经受轧制的金属的温度的乳液可以添加有一定百分比(以乳液的总重量计为1％至3％)的乙醇或甲醇或异丙醇，以便利用这些醇与氧结合的性质，因此在线由铜制成的情况下化学溶解线表面的氧化。

在进行的试验中，还发现线必须保持在至少等于再结晶温度的温度下，持续获得足够的再结晶所需的时间，以确保线在冷却之前具有35％或更高的伸长率。所需时间至少为1/5秒，并且通过使线在非氧化受控气氛下在位于腔室5中的传动滑轮6之间行进而获得。

从具有受控气氛5的腔室输出的线最后通过乳液在管7中冷却，该乳液可以由用于控制轧机4中的温度的相同乳液构成。通过管7中的冷却，使得线的温度低于氧化温度。

如果为了美观而不是出于技术原因出售所生产的线，可以通过轧制来获得等于±1％的圆度公差，然后在冷却后仍然在生产线上，可以以小于5％的面积的百分比略微减小进行表皮光轧，以便在极小的伸长率降低的情况下获得优异的表面光洁度。

仅作为示例，下面是与常规方法相比的执行根据本发明的方法的两个示例，常规方法是使用现代多级单线模板执行，用于在25米/秒的生产速度下将由ETP铜制成的直径为8mm的线材转换直径为2mm的线。

示例1：

使用图1所示类型的设备进行根据本发明的方法的第一次应用测试，使用由意大利米兰的Continuus-Properzi S.p.A.生产的微轧机作为轧机，该轧机配备有线材开卷机、冷却乳液的回路、用于致动轧机的250kW单马达以及用于收集线的Niehoff卷取机。

所用类型的轧机具有八个轧制单元，每个轧机单元具有理论直径为170mm的三个筒。轧制顺序接受直径为8mm的铜线材，并采用三角形-圆形-三角形步骤将其减小至2mm的输出直径。使用在欧洲市场上购买的直径8mm的标准ETP铜线材。

在来自轧机的输出中，一系列六个传动滑轮使线在具有非氧化受控气氛的腔室中沿着约6m的路径行进，之后进入由与轧机相同的冷却乳液供给的冷却管。然后以已知方式卷绕线。

经过一些稳定操作的测试后，轧制直径为8mm的线材，在25米/秒的速度下，相当于约2,500千克/小时，最终直径为2mm，乳液交替提供给所有奇数轧制单元且在两秒后提供给偶数轧制单元；即，每个轧制单元以10升/分钟的速率接收乳液2秒，在没有乳液的情况下交替2秒。用于形成乳液的水中合成油的百分比保持在10％至11％之间。收集在卷取机中的线的伸长率始终保持高于40％，而对于类似的常规模板加工，在退火之前将获得≤5％的伸长率。

如上所述，根据制造商提出的数据以及所收集的操作数据，模板加退火炉的总能耗(即使用常规类型的方法)在每吨生产的线为160kW附近。

使用轧机的微轧机模型进行的新方法使得在测试期间节约的平均能量约50％，因为每吨生产的线的消耗仅为83-85kWh。

示例2：

在使用与实施例1中使用的相同设备进行的第二次测试中，以与实施例1中相同的速度轧制相同的线材并且使其具有相同的最终直径。在该第二次试验中，乳液均匀地分布在所有的轧制单元中，但是在高压下并使用适当将乳液进行适当雾化的喷雾器。达到了在2mm直径的线与40％伸长率下产生的平衡点(如在第一个试验中)，其中八个轧制单元中的乳液总流速等于45升/分钟。在后四个轧制单元中使用了高温轴承。

在该第二试验中，也发现相对于现有技术的方法的总能量消耗仍然是非常有利的，稳定在每吨生产的线约85kWh。

在实践中已经发现，根据本发明的方法完全实现了设定目的，因为通过消除使用退火炉的需要，可以明显降低线的生产成本。

利用根据本发明的方法，不仅节省了退火炉的功率，而且在金属的塑性变形过程中也获得了节省，因为由轧制带来的变形比通过一系列模具需要更少的能量(这是由于两种变形中金属晶体的变形的内在差异所导致)，并且还因为提高金属的温度意味着在轧制期间变形所需的能量较少。

根据本发明的方法还带来环境优势；实际上，冷却乳液的工业水回路和相应的冷却塔也向环境释放一定量的热，相对于具有模板和退火炉的设备，该热量实际上减半。

根据本发明的方法的另一个优点是其使得可以更紧凑和更安静的设备进行有色金属线材的粗加工。

尽管已经主要参考铜的加工描述了本发明，但是它也可以通过控制金属的温度来加工铝合金，以便在金属的塑性变形过程结束时获得，以便从线材获得具有所需直径的线，线的温度大于或等于被加工金属的再结晶温度。

如此构思的方法易于进行多种修改和变化，所有这些修改和变化都在所附权利要求的范围内。因此例如，代替使用电动轧制筒，可以使用空转筒与夹带正在加工的线的电动绞盘交替使用。为了在从线材到线的过渡中获得所需的直径减小的金属的塑性变形最终也可以用模板实现，只要它们相对于常规模板是修改的，它们设计成在低温下工作，以便在塑性变形温度的最后步骤中达到至少等于被加工金属的再结晶温度。

此外，所有细节可以由其他技术上等效的元素代替。

本申请要求优先权的意大利专利申请No.102016000031451(UA2016A002023)中的公开内容通过引用结合于此。

在任何权利要求中提到的技术特征后面附有参考标记的情况下，包括那些参考标记的唯一目的是增加权利要求的可理解性，因此，这些参考标记对以示例的方式由这些参考标记标识的每个元素的解释没有任何限制作用。

Claims (17)

1.一种将有色金属及其合金的线材转换成具有高伸长率和退火状态的线的方法，所述方法不使用退火炉，其中利用塑性变形过程进行从线材到线的直径减小，并且其中被提供给被加工的金属以实现其直径的减小的机械能中的至少一些机械能被转换成用于使金属退火的热能，其中，对经受塑性变形的金属的温度进行控制，以使所述线在所述塑性变形过程结束时处于高于或等于再结晶温度的温度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述塑性变形过程适于使所述线材的横截面的面积减小至少85％。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用轧制过程进行从线材到线的直径减小，控制所轧制的金属的冷却使得所述金属的温度在所述轧制过程结束时至少等于所述金属的再结晶温度。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，经受所述塑性变形过程的所述线材由ETP或FRHC或无氧铜制成，并且所述线的温度在所述塑性变形过程结束时为至少250℃。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，经受所述塑性变形过程的所述线材由铝或铝合金制成，并且所述线的温度在所述塑性变形过程结束时为至少等于构成所述线材的材料的再结晶温度。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，通过在所述轧制过程中将合成可乳化油和水的乳液用作冷却剂来控制所轧制的金属的冷却，所述乳液中的所述合成可乳化油相对于水量的重量百分比为5％至25％。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述轧制过程通过由连续布置的多个轧制单元组成的轧机(4)进行，所述乳液分配到所有的所述轧制单元。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述轧制过程通过由连续布置的多个轧制单元组成的轧机(4)进行，所述乳液分配到部分的所述轧制单元。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述乳液以脉冲方式分配到至少部分的所述轧制单元。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述乳液以具有可变脉冲周期的脉冲方式分配到至少部分的所述轧制单元。

11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述乳液以雾化形式分配到至少部分的所述轧制单元。

12.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述轧制过程之后，所述线在非氧化气氛中保持预定的时间。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，在所述轧制过程之后，所述线在非氧化气氛中保持的时间为至少1/5秒。

14.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述轧制过程之后，所述线经受冷却以使其温度低于氧化温度。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，在所述轧制过程之后，所述线经受表面精加工拉拔步骤。

16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，在所述轧制过程之后，通过与用于控制所轧制金属的冷却相同的乳液进行所述线的冷却。

17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述乳液补充有以所述乳液的总重量计的重量百分比为1％至3％的乙醇或甲醇或异丙醇。

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