CN109434052A - 一种小直径铜银合金超声连铸工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种小直径铜银合金超声连铸工艺，属于金属材料加工技术领域。本发明首先将电解铜在真空条件下于1100～1200℃高温下熔化为液体，然后将银加入，和铜一起熔化为铜银合金，液态合金熔炼均匀后，在结晶器的冷却作用下凝固，通过引锭装置连铸出小直径连铸坯料，在结晶器出口的下端装有超声振动装置，用以对连铸坯料进行超声振动，超声振动的能量通过连铸坯向上传递，使铜银合金的熔体接受超声振动的能量，达到连铸时氧化物夹杂上浮、细化晶粒和避免银元素凝固时生成银富集脆性相的目的。本发明的连铸坯料经过拉拔测试，可以直接拉拔到直径小于0.05mm的微细丝不断裂，同时微细丝抗拉强度大于400MPa，完全达到了高强高导铜银合金微细丝的要求。

Description

一种小直径铜银合金超声连铸工艺
技术领域
本发明涉及一种小直径铜银合金超声连铸工艺，属于金属材料加工技术领域。
背景技术
高强度、高导电性铜合金微细丝材广泛应用于在大规模集成电路、尖端数字通讯设备、继电器、微特电机、电子变压器、电磁阀、航空航天和国防装备等电子元器件中，此类材料要求直径小于0.05mm，同时要求抗拉强度大于400MPa以承受绕制线圈的拉力和强洛仑兹力，又必须兼有80％IACS以上的相对电导率，以避免产生高的焦耳热，目前常用材料为添加1～4％银的铜合金，常规纯铜材料无法满足这种特殊场合的要求。
我国已经成为继电器、微特电机和电子变压器等电子元器件的最大生产国和使用国，2017年铜合金微细丝材用量超过4万吨，产值超300亿元。但是由于在材料制备核心技术方面与发达国家的差距，我国仅能生产附加值较低的纯铜微细丝，对于高强度、高导电性铜合金微细丝，我国大量厂家只能高价进口直径1mm左右的母材，然后再拉拔成直径0.05mm以下的微细丝，由此造成国外母材供应商赚取了大量的垄断利润，而留给我国厂家的只剩微薄的加工费。
出现上述问题的根本原因在于，国产的高强度、高导电性铜合金微细丝母材不能达到最佳的成分及显微结构要求。主要原因有两个：
(1)银在铜中的富集析出，铜银合金相图如图1所示，在高温液态情况下，铜和银可以无限混溶，但是在常温状态下，银在铜中的溶解度小于0.5％，因此多余的银在铜在约600℃(Tc点)以上时容易富集析出形成富集相，富集相为脆性相，如图2所示，在微丝拉拔时极易造成断丝现象；
(2)液态铜银中的气体和夹杂物较多，在微丝拉拔时容易造成断丝，如图3所示。
目前，我国高强度、高导电性铜合金微细丝制备工艺是先进行真空熔炼，在真空环境下除去铜和银中的气体和夹杂物，铸成直径约为100mm的铸锭；再均匀化退火，消除银的偏析并固溶处理；然后经过挤压机在600℃以上的温度，挤成直径40mm左右的棒坯；在经过热轧和冷轧工序轧制成直径5mm的盘圆，拉拔到直径约1mm制备成母材；最后拉拔成直径0.05mm以下的高强度、高导电性铜合金微细丝。上述工艺总体而言工序繁琐，所需设备复杂，耗能较高，而且很难完全去除合金的中氧化物和夹杂物，在微细丝材拉拔时极易发生断线。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种小直径铜银合金的超声连铸工艺，首先在高纯石墨坩埚内将电解铜在真空条件下于1100～1200℃高温下熔化为液体，然后通过二次加料装置将银加入坩埚和铜一起熔化为铜银合金，液态合金熔炼均匀后，经过导流管在结晶器的冷却作用下凝固，通过引锭装置连铸出小直径连铸坯料，在结晶器出口的下端装有超声振动装置，用以对连铸坯料进行超声振动，超声振动的能量通过连铸坯向上传递，使铜银合金的熔体接受超声振动的能量，达到连铸时氧化物夹杂上浮、细化晶粒和避免银元素凝固时生成银富集脆性相的目的。
本发明的第一个目的是提供一种小直径铜银合金超声连铸工艺，包括如下步骤：
(1)在真空条件下，将铜熔化为液体；
(2)将银加入到步骤(1)的液体中，熔化为铜银合金，并将液态铜银合金熔炼均匀；
(3)将步骤(2)熔炼均匀后的液态铜银合金进行冷却凝固，然后通过引锭装置进行铜银合金连铸，形成连铸坯料；
其中，在连铸过程中，对形成的连铸坯料进行超声震动处理，通过连铸坯料将超声振动的能量传递至液态铜银合金。
进一步地，在步骤(1)中，将铜熔化的温度为1100～1200℃。
进一步地，在步骤(1)中，真空度低于0.01Pa。
进一步地，所述的铜为电解铜，所述的银为纯银。
进一步地，在步骤(2)中，所述的银占铜和银总质量1～8％。
进一步地，在步骤(2)中，在将铜银合金熔炼均匀后，还包括将液态铜银合金在1100～1200℃保温处理10～20min的步骤。
进一步地，在步骤(3)中，通过结晶器对所述的液态铜银合金进行冷却凝固处理。
进一步地，所述的连铸坯料的直径为1～20mm。
进一步地，在步骤(3)中，所述的连铸的速度为40～200mm/min。
进一步地，所述的超声振动的频率为20～100kHz。
本发明的有益效果是：
(1)采用真空超声连铸工艺直接连铸出小直径的高强度、高导电性铜合金连铸坯，进而直接拉拔成直径1mm的微细丝母材，简化了生产工序，生产过程无污染，节能降耗，提高了产品质量和工作效率，所生产的铜银合金母材进过拉拔可直接最后拉拔成直径0.05mm以下的高强度、高导电性铜合金微细丝。
(2)本发明在结晶器出口的下端装有超声振动装置，用以对连铸坯料进行超声振动，超声振动的能量通过连铸坯向上传递，使铜银合金的熔体接受超声振动的能量，达到连铸时氧化物夹杂上浮、细化晶粒和避免银元素凝固时生成银富集脆性相的目的。且本发明的超声振动装置安装在结晶器出口的下端，超声头易调整。
(3)本发明可以改善铸锭组织、成分和性能的不均匀现象，也可改善铸锭表面质量，提高力学性能，进而减小制备过程中的能耗，降低产品的成本，提高成材率。
(4)本发明的连铸坯料经过拉拔测试，可以直接拉拔到直径小于0.05mm的微细丝不断裂，同时微细丝抗拉强度大于400MPa，完全达到了高强高导铜银合金微细丝的要求。
附图说明
图1是铜银合金相图；
图2是银元素富集相及成分；
图3是铜银合金微细丝在拉拔断口处的夹杂物及成分；
图4是本发明超声连铸设备的示意图，其中1、真空罩；2、抽气装置；3、加热炉；4、熔炼坩埚；5、导流管；6、结晶器；7、水冷套；8、速度传感器；9、超声振动装置；10、引锭装置；11、导杆；12、机架；13、结晶器测温仪；14、液态金属测温仪；15、二次加料装置。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例1：
结合附图4，本发明工艺所采用的铜银合金超声连铸坯设备，包括真空罩1、熔炼坩埚4、加热炉3、结晶器6、引锭装置10、超声震动装置9、和二次加料装置15；熔炼坩埚4、加热炉3、结晶器6和二次加料装置15置于真空罩内；二次加料装置15与熔炼坩埚4相连接；熔炼坩埚4通过加热炉3进行加热，本发明的加热炉3为线圈感应加热炉；熔炼坩埚4下端连接有导流管5，用于导流熔炼后的液态金属；结晶器6安装在导流管5外侧，熔炼后的液态金属经过导流管5在结晶器6的冷却作用下凝固；引锭装置10设置在结晶器6的下端，用于将经过结晶器6凝固作用后的合金连铸出连铸坯料；超声振动装置9安装在结晶器6的出口处下端，用以对连铸坯料进行超声振动。
本发明的真空罩1还连接有抽气装置2，真空罩采用厚度大于5mm的不锈钢板制成，抽气装置的真空度低于0.01Pa。
本发明的熔炼坩埚4优选石墨坩埚，直径大于100mm。石墨坩埚下端与导流管5连在一起，导流管5也是由高纯石墨制备而成，内径为1～20mm，壁厚为4～8mm。本发明的熔炼坩埚4内还设有液态金属测温仪14。液态金属测温仪14的热电偶为铂铑热电偶，外侧为刚玉管。
本发明的二次加料装置15为翻转加料装置，安装在加热炉3的上方。
本发明的结晶器6内还设有结晶器测温仪13，结晶器测温仪13的热电偶为镍铬-镍硅材料。结晶器6下端还安装有水冷套7，水冷套7也置于真空罩1内。
本发明的超声振动装置9的工作杆部分采用TC4钛合金材质，可提升换能器电声转换效率，发热量低，功率稳定性高。超声振动装置9用以对连铸坯料进行超声振动，超声频率为20～100kHz，电源输入为交流220V±10％，电流0.5～3A输出功率：30～200W，超声换能器内部过热保护小于65℃，超声振动的能量通过连铸坯向上传递，使铜银合金的熔体接受超声振动的能量，达到连铸时细化晶粒和促进银元素均匀分布的目的。
本发明的连铸坯料外侧设有速度传感器8，用于测试连铸速度。
本发明的超声连铸设备安装在机架12上。
实施例2：
(1)采用本发明的设备制备直径为8mm的，含银量为1.5％的铜银合金连铸坯：
首先将电解铜放入石墨坩埚，在真空条件下于1100℃高温下熔化为液体，然后用二次加料装置放入占电解铜质量1.5％的纯银，银和铜一起熔化为铜银合金，经感应线圈加热后将液态合金熔炼均匀，液态金属在1100℃高温下保温10分钟；熔炼均匀的后铜银合金经过导流管在结晶器的冷却作用下凝固，通过引锭装置连铸出直径为8mm的坯料；在结晶器出口的下端装有超声振动装置，用以对连铸坯料进行超声振动，超声频率为30kHz，电源输入为交流220V±10％，电流0.6A，输出功率40W，超声换能器内部过热保护60℃，超声振幅10微米；在结晶器出口的下端装有速度传感器，用于测量坯料连铸的速度，坯料连铸速度为40mm/min。
实施例3：
(2)采用本发明的设备制备直径为10mm的，含银量为2.5％的铜银合金连铸坯：
首先将电解铜放入石墨坩埚，在真空条件下于1150℃高温下熔化为液体，然后用二次加料装置放入占电解铜质量2.5％的纯银，银和铜一起熔化为铜银合金，经感应线圈加热后将液态合金熔炼均匀，液态金属在1150℃高温下保温15分钟；熔炼均匀的后铜银合金经过导流管在结晶器的冷却作用下凝固，通过引锭装置连铸出直径为10mm的坯料；在结晶器出口的下端装有超声振动装置，用以对连铸坯料进行超声振动，超声频率为50kHz，电源输入为交流220V±10％，电流0.8A，输出功率60W，超声换能器内部过热保护62℃，超声振幅20微米；在结晶器出口的下端装有速度传感器，用于测量坯料连铸的速度，坯料连铸速度为50mm/min。
实施例4：
(3)采用本发明的设备制备直径为12mm的，含银量为4％的铜银合金连铸坯：
首先将电解铜放入石墨坩埚，在真空条件下于1200℃高温下熔化为液体，然后用二次加料装置放入占电解铜质量4％的纯银，银和铜一起熔化为铜银合金，经感应线圈加热后将液态合金熔炼均匀，液态金属在1200℃高温下保温20分钟；熔炼均匀的后铜银合金经过导流管在结晶器的冷却作用下凝固，通过引锭装置连铸出直径为2mm的坯料；在结晶器出口的下端装有超声振动装置，用以对连铸坯料进行超声振动，超声频率为100kHz，电源输入为交流220V±10％，电流1.5A，输出功率100W，超声换能器内部过热保护63℃，超声振幅30微米；在结晶器出口的下端装有速度传感器，用于测量坯料连铸的速度，坯料连铸速度为60mm/min。
本发明的连铸坯料经过拉拔测试，可以直接拉拔到直径小于0.05mm的微细丝不断裂，同时微细丝抗拉强度大于400MPa，完全达到了高强高导铜银合金微细丝的要求。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种小直径铜银合金超声连铸工艺，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在真空条件下，将铜熔化为液体；
(2)将银加入到步骤(1)的液体中，熔化为铜银合金，并将液态铜银合金熔炼均匀；
(3)将步骤(2)熔炼均匀后的液态铜银合金进行冷却凝固，然后通过引锭装置进行铜银合金连铸，形成连铸坯料；
其中，在连铸过程中，对形成的连铸坯料进行超声震动处理，通过连铸坯料将超声振动的能量传递至液态铜银合金。
2.根据权利要求1所述的一种小直径铜银合金超声连铸工艺，其特征在于，在步骤(1)中，铜熔化的温度为1100～1200℃。
3.根据权利要求1所述的一种小直径铜银合金超声连铸工艺，其特征在于，在步骤(1)中，真空度低于0.01Pa。
4.根据权利要求1所述的一种小直径铜银合金超声连铸工艺，其特征在于，所述的铜为电解铜，所述的银为纯银。
5.根据权利要求1所述的一种小直径铜银合金超声连铸工艺，其特征在于，在步骤(2)中，所述的银占铜和银总质量的1～8％。
6.根据权利要求1所述的一种小直径铜银合金超声连铸工艺，其特征在于，在步骤(2)中，在将铜银合金熔炼均匀后，还包括将液态铜银合金在1100～1200℃保温处理10～20min的步骤。
7.根据权利要求1所述的一种小直径铜银合金超声连铸工艺，其特征在于，在步骤(3)中，通过结晶器对所述的液态铜银合金进行冷却凝固处理。
8.根据权利要求1所述的一种小直径铜银合金超声连铸工艺，其特征在于，所述的连铸坯料的直径为1～20mm。
9.根据权利要求1所述的一种小直径铜银合金超声连铸工艺，其特征在于，在步骤(3)中，所述的连铸的速度为40～200mm/min。
10.根据权利要求1所述的一种小直径铜银合金超声连铸工艺，其特征在于，所述的超声振动的频率为20～100kHz。
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PB01 Publication
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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RJ01 Rejection of invention patent application after publication
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