CN108796298A

CN108796298A - 一种铜硅合金材料及其电渣重熔制备方法与铜硅合金丝材

Info

Publication number: CN108796298A
Application number: CN201810403170.2A
Authority: CN
Inventors: 杨帆; 姜骁箐; 张新法; 吴彬; 董君伟
Original assignee: New Mstar Technology Ltd In Shenyang
Current assignee: New Mstar Technology Ltd In Shenyang
Priority date: 2018-04-28
Filing date: 2018-04-28
Publication date: 2018-11-13

Abstract

本发明公开了一种铜硅合金材料及其电渣重熔制备方法与铜硅合金丝材，属于有色合金技术领域。采用电渣重溶工艺制备了铜硅合金材料，其化学成分为：Si 1.85‑2.65％，Mn 0.6‑1.0％，Ni 0.2‑0.3％，Ag 0.08‑0.2％，余量为Cu。制备过程中采用高纯NaF的含量为25.5～28wt.％的CaF₂‑NaF二元渣系；所述铜硅合金铸锭经轧制和拉丝工艺，制得拉伸性能优异的铜硅合金丝材；该丝材耐折性好、熔断性好、电阻率稳定。

Description

一种铜硅合金材料及其电渣重熔制备方法与铜硅合金丝材

技术领域

本发明涉及有色合金技术领域，具体涉及一种铜硅合金材料及其电渣重熔制备方法与铜硅合金丝材。

背景技术

发热电缆，是制成电缆结构，以电力为能源，利用合金电阻丝进行通电发热，来达到采暖或者保温的效果。发热电缆通电后，合金电阻丝发热，并在40～60℃的温度间运行，埋设在填充层内的发热电缆，将热能通过热传导(对流)的方式和发出的8-13um的远红外线辐射方式传给受热体。发热电缆以其安全、高效、易控、易安装(可成任意形状安装)、寿命长、投资少等诸多特点，使用范围广泛。

目前，铜、镍、铬合金为广泛使用的合金电阻丝材料；单根的合金丝能承受的温度最高为2000℃；温度对热阻的影响小；保持恒定输出，寿命长达50年以上。其中最常用的是铜镍合金丝。铜镍合金丝是由铜镍合金锭经多次拉伸而成，用于拉丝的铜镍合金锭要求其成分均匀、加工性能好，易于拉丝。制备的铜镍合金丝用于加热电缆时，要求其耐折性好、电阻率稳定。但目前市场上的铜镍合金丝普遍存在耐折性差及电阻率不稳定等问题，严重影响发热电缆质量及应用领域。

因此，研发一种具有优异耐折性和稳定电阻率的合金材料及其丝材，是目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铜硅合金材料及其电渣重熔制备方法与铜硅合金丝材，通过优化的合金成分与制备工艺，获得的铜硅合金材料成分均匀、加工性好，拉伸后得到的铜硅合金丝材耐折性及熔断性好，且电阻率稳定。

实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种铜硅合金材料，其特征在于：按重量百分含量计，该铜硅合金材料的化学成分为：Si 1.85-2.65％，Mn 0.6-1.0％，Ni 0.2-0.3％，Ag 0.08-0.2％，余量为Cu。该合金材料的化学成分中：Si含量优选为2.0-2.65wt.％，Mn含量优选为0.8-1.0wt.％。

该合金材料的化学成分中，限定杂质的含量为：Mg≤0.2wt.％，Al≤0.2wt.％。

所述的铜硅合金材料的电渣重熔制备方法，是采用真空感应炉熔炼的铜硅合金铸锭作为原材料，进行表面车削加工后得到自耗电极，通过电渣重熔方法制备铜硅合金电渣锭，即所述铜硅合金材料；该方法具体包括如下步骤：

(1)电极准备：将自耗电极与假电极进行可靠装配，可靠装配通过采用机械方法加工出规格匹配的螺母和螺栓来实现；所述自耗电极在进行电渣重熔前进行表面处理；

(2)电渣重熔渣系设计和烘干处理：电渣重熔渣料采用CaF₂-NaF二元渣系，该渣系的熔点低于铜硅合金熔点120～180℃；所述电渣重熔渣料进行烘干处理后待用；

(3)电渣重熔：电渣重熔过程中，电压为28-30V，电流为3000-3200A，熔速通过调节电压和电流进行控制，熔炼气氛采用氩气保护。

所述铜硅合金铸锭的化学成分与铜硅合金电渣锭的化学成分相同；所述假电极的材质为304不锈钢。

上述步骤(1)中，自耗电极与假电极的具体装配方式为：假电极连接端加工出螺母，自耗电极连接端加工出与螺母相适应的螺栓，螺母和螺栓的直径为自耗电极直径的0.5-0.6倍，螺母和螺栓的长度根据假电极连接的自耗电极重量确定。

上述步骤(1)中，所述表面处理过程包括表面车削加工、清理和烘干；铜硅合金铸锭先进行表面车削加工，机床车削加工是为了实现去除表面大颗粒污染物和氧化皮，去除表面厚度1～3mm；表面车削加工后得到的自耗电极与假电极完成装配后，对自耗电极进行清理，清理是为了去除机加工和运输过程中造成的表面污染，具体是采用无水乙醇进行擦试；最后采用热风机烘干。

上述步骤(2)中，所述CaF₂-NaF二元渣系是由高纯NaF和萤石组成，高纯NaF的含量为23-30wt.％(优选25.5％～28％)；所述高纯NaF中NaF含量大于98wt.％，SiO₂含量小于0.5％；所述萤石中CaF₂含量大于98.5wt.％，SiO₂含量≤1％；所述电渣重熔渣料的烘干处理过程中：采用电阻加热炉对电渣重熔渣料烘干，烘干温度为600～800℃，保温时间为2h～6h，随炉封闭冷却。

上述步骤(3)中，采用固定式结晶器，结晶器直径为120-125mm，结晶器内注入融熔的电渣重熔渣料；自耗电极与假电极装配后，自耗电极的一端插入渣池；直径填充比(自耗电极的直径与结晶器直径的比值)为0.6-0.66，且保持至少20mm的安全间隙(自耗电极外表面到结晶器内壁的距离≥20mm)。

所述铜硅合金电渣锭经轧制和拉丝工艺，制得铜硅合金丝材；具体过程为：所述铜硅合金电渣锭经轧制和拉丝工艺后，制成直径Φ1.3-2.0mm的丝材，Φ1.3-2.0mm的丝材在620～650℃下退火后，经大拉丝机拉制成Φ0.6-1.0mm的丝材。在相同的退火工艺(620～650℃)处理下，0.6-1.0mm的丝材经中拉丝机或细拉丝机拉制成Φ0.1-0.5mm的丝材；Φ0.1-0.5mm的丝材在620℃～650℃退火，经微拉丝机得到Φ0.03-0.0.08mm的丝材。拉伸过程中，直径为Φ0.6-1.0mm的铜铁合金丝材能够实现不间断连续拉伸为Φ0.1-0.5mm丝材5000m以上；直径为Φ0.1-0.5mm丝材能够实现不间断连续拉伸为Φ0.03-0.08mm丝材150m以上。

所制备的铜硅合金丝材脆断少，成材率提高，耐折性好、熔断性好、电阻率稳定。

本发明的优点和有益效果如下：

1、本发明通过设计铜硅合金化学成分，并创新冶炼工艺等措施，成功生产出合金成分均匀，组织致密，具有优良性能的铜硅合金电渣锭。

2、本发明铜硅合金电渣锭中，调整Si含量可用于调整电阻率范围，特定含量的Mn的加入，在与规定量Si元素的协同作用下，能够提高丝材电阻率的稳定性和耐折性。在含Si和Cu的基体中加入特定含量的Ni与Ag，使制备的铜硅合金锭的化学成分均匀、组织致密，可加工性能好；同时不会影响丝材的耐折性和电阻率的稳定性。

3、本发明在电渣重熔制备铜硅合金电渣锭时，采用与铜硅合金化学成分相配合的渣料，渣系设计保证熔渣发热、保温和精炼功能，可以有效地降低合金中氧、硫等有害杂质元素和夹杂物，从而保证合金的延展性，且形成光洁的铸锭表面。

4、该铜硅合金电渣锭锭可拉伸性能好，进行拉丝最小直径可达到0.03mm，且成品率高，电阻率稳定，耐折性好，表面氧化得到有效抑制，可达到工业生产的要求。

5、制备的电渣锭在拉伸过程中，直径为Φ0.6-1.0mm的铜铁合金丝材能够实现不间断连续拉伸为Φ0.1-0.5mm丝材5000m以上；直径为Φ0.1-0.5mm丝材能够实现不间断连续拉伸为Φ0.03-0.08mm丝材150m以上。

6、本发明制备的铜硅合金丝可用于低电阻发热电缆，成功解决汽车加热坐垫中热阻丝的选材问题，目前已经开始在部分汽车企业应用并正在做进一步推广。

附图说明

图1为本发明实施例1的自耗电极和假电极之间装配连接示意图；图中，1-假电极，2-自耗电极；

图2为本发明实施例1采用的Cu-Si相图；

图3为本发明实施例1采用的CaF2-NaF相图；

图4为本发明实施例1确定渣池深度所依据结晶器直径和渣池深度系数关系曲线图；

图5为耐折性测试实验机。

具体实施方式

以下结合附图和实施例详述本发明。

本发明以通过感应炉真空熔炼和真空浇铸制备的铜硅母合金锭为原料，制备电渣重熔合金锭，主要制备过程为：电极准备→渣系设计和准备→电渣重熔。具体实施步骤：

1、电极准备

(1)本发明实施例中假电极1采用304不锈钢，直径为80mm，长度1000～1200mm，假电极下端机械加工出直径为35mm、深为30mm的螺母。

(2)用作电渣重熔的自耗电极的母合金锭为铜硅合金，化学组成为(wt％)：Si1.85-2.65％，Mn 0.6-1.0％，Ni 0.2-0.3％，Ag 0.08-0.2％；Mg≤0.2％；Al≤0.2％；余量为Cu。

(3)用作电渣重熔的自耗电极的母合金锭，首先进行表面车削加工，加工量约1mm。

(4)用作与假电极匹配的母合金锭连接端加工出规格匹配的螺栓。

(5)将上述假电极1、自耗电极2进行装配连接，装配连接方式见图1。

(6)在电渣重熔15min前用无水乙醇对自耗电极表面进行擦拭，并用热风机吹干。

2、渣料的开发和准备：

(1)通过Cu-Si二元相图(图2)计算铜硅合金的熔点，再根据CaF2-NaF二元相图(图3)配置相应成份的渣料，确定渣系配比为：高纯NaF的质量百分含量为25.5％～30％，余量为萤石。高纯NaF中NaF含量大于98％，SiO2含量小于0.5％。萤石中CaF2质量百分含量不低于98.5％，SiO2质量百分含量低于1％。

(2)采用半球法测定配制渣料的熔点，连续测试3次，取平均温度值和铜硅合金的熔点温度值对比，确定优选的渣组成配备为：NaF的质量百分含量为26～28％，余量为萤石。

(3)在电渣重熔前将萤石和NaF试剂充分混合，并置于电阻炉中烘干，烘干温度设定值为600℃，保温时间为4h～6h，随炉封闭冷却。

3、电渣重熔

(1)电渣重熔采用固定式结晶器，结晶器直径为120mm～125mm。

(2)电渣重熔生产前，对生产设备进行检查，重点检查结晶器内壁和底板是否渗水、漏水，安全供水的高位水箱水位是否达到设定值。

(3)将装配好的电极对中，电极夹持器和假电极的连接牢固。

(4)电渣重熔用熔渣总质量根据熔炼渣池深度确定，渣池深度满足Hs＝fsDm±20mm，fs为渣深系数，fs值通过结晶器直径和渣池深度系数的关系曲线(图4)确定；实际采用的渣量1.748±0.520kg。

(5)电渣重熔熔炼设定的电压值为28～30V，电流值为3000～3200A，根据熔速变化及时调整。

(6)熔炼气氛为氩气保护气氛。

以下通过实施例详述本发明。以下实施例中，铜硅合金电渣锭，经轧制和拉丝工艺制备丝材，具体过程为：

(1)轧制和粗拉：

初轧：电炉加热温度850℃，保温90分钟后，轧制成直径为50mm棒材，然后车光至直径48mm棒材；二次轧制：电炉加热温度850℃，保温70分钟后，轧制至直径8.5mm棒材；冷加工及真空退火：将直径8.5mm的棒材依次进行盘圆、退火(退火温度640℃)和冷拉拔处理，重复该过程几次，获得直径1.5mm丝材(硬态)。

(2)拉伸处理：将1.5mm丝材依次拉伸至所需要规格丝材，中间退火温度为600-700℃。

实施例1

本实施例采用电渣重熔制备高性能铜硅合金材料的过程如下：

(1)采用化学组成为(wt％)：Si＝2.1％，Mn＝0.82％，Ni＝0.23％，Ag＝0.1％；Mg＝0.1％，Al＝0.1％，余量为Cu的铜硅母合金锭为原料；渣系配比为：高纯NaF的质量百分含量为26％，余量为萤石。高纯NaF中NaF含量大于98％，SiO2含量小于0.5％。萤石中CaF2质量百分含量不低于98.5％且二氧化硅质量百分含量低于1％，制备的铜铁合金电渣重熔锭除去表面渣壳后铸锭表面光洁。

(2)采用电渣重熔制备的合金锭车光后，经轧制、拉丝工艺，制成Φ1.5mm的丝材。

(3)Φ1.5mm的丝材在620～650℃下退火，经大拉丝机可拉制成Φ0.6-1.0mm的丝材。在相同的退火工艺处理下，Φ0.80mm的丝材经中拉丝机或细拉丝机可得到Φ0.1-0.6mm的丝材。Φ0.15mm的丝材在620℃下退火，经微拉丝机得到Φ0.03-0.1mm的丝材。不同规格的铜硅丝材满足了不同客户的需求。上述拉丝过程中，Φ0.8mm的丝材可不间断拉丝生产Φ0.1-0.6mm丝材5000m以上，Φ0.15mm的丝材继续拉伸，可不间断拉丝生产Φ0.03-0.1mm丝材150m以上。

(4)采用电渣重熔制备的合金锭经特定的拉丝工艺处理，脆断更少，成材率大大提高，可实现规模化生产。能耗更少，降低了产品的成本。按照本工艺生产的矽青铜丝材具有稳定的电阻率，耐折性好，可用作低电阻发热线缆，具体性能见表1。

表1 实施例1制备的部分丝材的性能及用于汽车坐垫发热丝时的性能

注：裸丝线径以规定的米电阻为准。

实施例2

(1)采用化学组成为(wt％)：Si＝2.42％，Mn＝0.90％，Ni＝0.25％％，Ag＝0.1％；Mg＝0.1％；Al＝0.1％；余量为Cu的矽青铜母合金锭为原料；渣系配比为：高纯NaF的质量百分含量为27％，余量为萤石。高纯NaF中NaF含量大于98％，SiO2含量小于0.5％。萤石中CaF2质量百分含量不低于98.5％且二氧化硅质量百分含量低于1％，制备的铜铁合金电渣重熔锭除去表面渣壳后铸锭表面光洁。

(2)采用电渣重熔制备的合金锭车光后，经特定的轧制、拉丝工艺，制成Φ1.5mm的丝材。

(3)Φ1.5mm的丝材在620～650℃下退火，经大拉丝机可拉制成Φ0.6-1.0mm的丝材。在相同的退火工艺处理下，Φ0.80mm的丝材经中拉丝机或细拉丝机可得到Φ0.1-0.6mm的丝材。Φ0.15mm的丝材在620℃下退火，经微拉丝机得到Φ0.03-0.1mm的丝材。上述拉丝过程中，Φ0.8mm的丝材可不间断拉丝生产Φ0.1-0.6mm丝材5000m以上，Φ0.15mm的丝材继续拉伸，可不间断拉丝生产Φ0.03-0.1mm丝材150m以上。

(4)按照本工艺生产的矽青铜丝材具有稳定的电阻率，耐折性好，可用作低电阻发热线缆。

以上实施例1-2中，所制备的直径合金丝(0.08mm)其他性能如下：

1、电性能：电阻率(20℃)为0.15±3％Ω.mm²/mm。

2、合金丝制备的汽车坐垫的耐折性达到20-30万次。

3、线材断口致密，无缩尾、气孔、分层和夹杂。

4、线材表面光滑、清洁、无裂纹、起皮、起刺、粗拉道、折叠和夹杂等。无氧化色，允泽一致。

上述性能测试中，对合金丝材耐折性的测试采用图5所示的试验机进行，包括两项测试：

1、扭动摩擦测试合金丝的耐磨性和耐折性：试验机上设有假臀，假臀在合金丝产品上以90°的旋转幅度进行旋转扭动，过程中通过自身重力向合金丝产品放加的压力为50kg。测试结果：旋转扭动20000次合金线不折。

2、耐折性测试：对合金丝产品(如汽车坐垫)进行弯折，具体是在产品平面上设置一折线，位于折线一侧的部分相对另一部分作180°的往复弯折，计算合金丝断裂时的弯折次数。测试结果：弯折20000次合金线不折。

Claims

1.一种铜硅合金材料，其特征在于：按重量百分含量计，该铜硅合金材料的化学成分为：Si 1.85-2.65％，Mn 0.6-1.0％，Ni 0.2-0.3％，Ag 0.08-0.2％，余量为Cu。

2.根据权利要求1所述的铜硅合金材料，其特征在于：该合金材料的化学成分中：Si为2.0-2.65wt.％，Mn为0.8-1.0wt.％。

3.根据权利要求1或2所述的铜硅合金材料，其特征在于：该合金材料的化学成分中：Mg≤0.2wt.％，Al≤0.2wt.％。

4.根据权利要求1所述的铜硅合金材料的电渣重熔制备方法，其特征在于：该方法是采用真空感应炉熔炼的铜硅合金铸锭作为自耗电极，通过电渣重熔方法制备铜硅合金电渣锭，即所述铜硅合金材料；该方法具体包括如下步骤：

(1)电极准备：将自耗电极与假电极进行可靠装配，装配方式为：假电极连接端加工出螺母，自耗电极连接端加工出与螺母相适应的螺栓，螺母和螺栓的直径为自耗电极直径的0.5-0.6倍；所述自耗电极在进行电渣重熔前进行表面处理；

(2)电渣重熔渣系设计和烘干处理：电渣重熔渣料采用CaF₂-NaF二元渣系，该渣系的熔点低于铜硅合金熔点120～180℃；所述CaF₂-NaF二元渣系是由高纯NaF和萤石组成，高纯NaF的含量为23-30wt.％；所述电渣重熔渣料进行烘干处理后待用；

5.根据权利要求4所述的铜硅合金材料的电渣重熔制备方法，其特征在于：所述铜硅合金铸锭的化学成分与铜硅合金电渣锭的化学成分相同；所述假电极的材质为304不锈钢。

6.根据权利要求4所述的铜硅合金材料的电渣重熔制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述CaF₂-NaF二元渣系中，高纯NaF的含量为25.5～28wt.％；所述高纯NaF中NaF含量大于98wt.％，SiO₂含量小于0.5％；所述萤石中CaF₂含量大于98.5wt.％，SiO₂含量≤1％；所述电渣重熔渣料的烘干处理过程中：采用电阻加热炉对电渣重熔渣料烘干，烘干温度为600～800℃，保温时间为2h～6h，随炉封闭冷却。

7.根据权利要求4所述的铜硅合金材料的电渣重熔制备方法，其特征在于：步骤(3)中，采用固定式结晶器，结晶器直径为120-125mm，结晶器内注入融熔的电渣重熔渣料；自耗电极与假电极装配后，自耗电极的一端插入渣池；直径填充比为0.6-0.66，且保持至少20mm的安全间隙。

8.一种利用权利要求1所述的铜硅合金材料制备的铜硅合金丝材，其特征在于：所述铜硅合金电渣锭经轧制和拉丝工艺，制得铜硅合金丝材；直径为Φ0.6-1.0mm的铜铁合金丝材能够实现不间断连续拉伸为Φ0.1-0.5mm丝材5000m以上；直径为Φ0.1-0.5mm丝材能够实现不间断连续拉伸为Φ0.03-0.08mm丝材150m以上。

9.根据权利要求11所述的铜硅合金材料制备的铜硅合金丝材，其特征在于：所述铜硅合金电渣锭经轧制和拉丝工艺后，制成直径Φ1.3-2.0mm的丝材，Φ1.3-2.0mm的丝材在620～650℃下退火后，经大拉丝机拉制成Φ0.6-1.0mm的丝材。在620～650℃退火后，0.6-1.0mm的丝材经中拉丝机或细拉丝机拉制成Φ0.1-0.5mm的丝材；Φ0.1-0.5mm的丝材在620℃～650℃退火，经微拉丝机得到Φ0.03-0.08mm的丝材。

10.根据权利要求11所述的铜硅合金材料制备的铜硅合金丝材，其特征在于：该丝材耐折性好、熔断性好、电阻率稳定。