CN109957677B - 一种Cu-Cr-Ag合金线材及其制备加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种Cu‑Cr‑Ag合金线材及其制备加工方法，属于有色金属材料制备加工领域。该合金线材中，以质量百分数计，Cr含量为0.31～0.45％，Ag含量为0.22～0.44％，且Cr+Ag为0.53～0.75％，余量为Cu。本发明合金经过上引连铸、大变形量冷加工、双级固溶热处理、大变形量冷加工、双级时效热处理、大冷变形冷加工、在线连续退火的工艺制成超细合金线材。得到线材的综合性能优异，既避开了铜铬锆合金非真空连续铸造难题，又可在长期工作温度低于200℃的环境内替代铜铬锆合金作为高性能电线电缆导体，具有良好的应用前景。

Description

一种Cu-Cr-Ag合金线材及其制备加工方法
技术领域
本发明涉及一种Cu-Cr-Ag合金线材及其制备加工方法，属于有色金属材料制备加工领域。
背景技术
航空航天、电气电子、能源交通等高技术领域使用的高性能电线电缆等是一种重要的电力和信号传输元器件。随着上述领域装备水平不断提升，相关设计和生产单位对包括高性能电线电缆在内的高端元器件综合性能要求越来越高。对于电线电缆，其芯部的导体既决定了信号、电力传输的稳定性和可靠性，又决定了线缆的应用范围和使用环境，导体性能的提升是提高线缆水平的关键。
国内外高性能电线电缆导体通常选用纯铝、紫铜、铜银合金、铜锡合金、铜铬合金、弥散强化铜等，其中铜铬锆合金综合性能最优，是制备高性能导体的最佳选择。但如大部分研究所示，铜铬锆合金的合金元素化学活性高，熔炼时易损失，由其是添加锆元素时，在非真空状态下锆的损失速率很快，补料量难以控制，通常只能在真空条件下制备合金，限制了产品单线的长度并造成批次间产品成分不均一。
研究发现，以银元素替代锆制备铜铬银合金同样可以使材料的综合性能保持在较高水平，而铜铬银合金可以在非真空条件下进行连续铸造，解决了铜铬锆合金无法实现大长度单线连续生产的问题。虽然铜铬银合金耐热性较铜铬锆稍差，但电线电缆的一般使用温度通常在200℃以下，远低于铜铬银合金的软化温度。因此铜铬银合金作为导体线材制备高性能电线电缆，具有重要的实用意义。
发明内容
本发明的目的是提出一种适用于制备高性能电线电缆导体线材的Cu-Cr-Ag合金以及提供制备该线材的方法，通过此方法可以连续制备大盘重导体线材，实现该材料的工业化生产，获得综合性能优异、成分均一性好的导体产品。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种Cu-Cr-Ag合金线材，其化学成分为Cr、Ag和Cu，以质量百分数计，Cr含量为0.31～0.45％，Ag含量为0.22～0.44％，且Cr+Ag为0.53～0.75％，余量为Cu。
上述Cu-Cr-Ag合金线材中，以质量百分数计，单个杂质元素含量均低于0.007％。单个杂质元素包括As、Bi、Cd、Co、Fe、Mn、Ni、P、Pb、S、Sb、Se、Si、Sn、Te、Zn等。
上述Cu-Cr-Ag合金线材的制备加工方法，包括如下步骤：
(1)采用上引连铸工艺，以石墨鳞片、硼砂和冰晶石作为覆盖剂，按质量百分比配料，先将大部分电解铜板熔化并在1160±10℃保温，将银条加入，保温10～15min；
(2)升温至1350±10℃，将纯铬颗粒用铜箔包紧，再用剩余电解铜板将铬包夹住竖直向下溶入熔体，保温4～6小时后，开始上引，制成连铸线坯；
(3)将步骤(2)所述的连铸线坯进行变形量为75％～85％的冷变形加工，而后在810～840℃保温4～6h，淬火；
(4)将步骤(3)所述的热处理后的线坯再经940～960℃保温0.5～1h，淬火；
(5)将步骤(4)所述的再次热处理后的线坯进行变形量为99％以上的冷变形加工；
(6)将步骤(5)所述的冷加工线坯在真空或惰性气体保护下进行双级时效热处理，初次时效温度为350～370℃，保温时间为6～8h，随炉冷却；二次时效温度为400～440℃，保温时间为3～5h，随炉冷却；
(7)将步骤(6)所述的双级时效后的线坯进行90％以上变形量的连续拉拔，至成品尺寸；
(8)将步骤(7)所述的成品尺寸线材在惰性气体保护的管式炉中，在350～400℃连续退火，线材经过炉体均温区的时间为10～15s，得到成品。
步骤(1)中，覆盖剂中，石墨鳞片、硼砂、冰晶石的重量比为1:1:1。大部分电解铜板的重量占铜总重量的90％以上。
步骤(2)中，当合金中Cr的质量百分比为0.31～0.38％时，采用三高石墨作为结晶器材质；当合金中Cr的质量百分比为0.39～0.45％时，采用氮化硼陶瓷作为结晶器材质。
步骤(2)中，上引速度为0.6～0.8m/min，制成连铸线坯的直径为20±1mm。
上述制备加工方法中，投料采用的原料为电解铜板、银条和纯铬颗粒。其中银条的厚度≤3mm，宽度≤20mm，纯铬颗粒的平均颗粒尺寸≤5mm。
按合金配比补料时，补料方式为同时加入电解铜、银条和铜铬中间合金棒。其中电解铜板尺寸小于300×50×20mm，银条尺寸小于300×20×3mm，铜铬中间合金棒尺寸小于直径Φ20×200mm。
所述的铜铬中间合金中，Cr的质量百分比为4.0％～6.0％，余量为Cu。
本方法得到的Cu-Cr-Ag合金线材成品的直径为0.07～0.30mm。
本发明方法的优点：本发明设计一种能够由非真空连续铸造工艺制备的Cu-Cr-Ag合金，通过特定的加料方式保证熔体的均匀性，确保上引杆化学成分稳定；通过特定的覆盖剂保护熔体，既隔绝空气又能有效净化熔体；根据Cu-Cr-Ag合金的特点，采用特定结晶器配合低速连铸工艺确保上引杆顺利引出，并具有优良的表面质量；经大冷变形制造高密度缺陷为合金溶质与基体间开辟通道，经两步固溶热处理分别使初生铬相和二次铬相充分溶解在铜基体中，同时消除晶体内各种缺陷；再经较大程度的冷变形重新制造大量缺陷，大幅度提高合金强度的同时为铬相析出提供通道，使后续的双级时效组织中更容易产生细小且弥散分布的析出相，使强度小幅降低而导电性能大幅提高；采用在线连续加工退火工艺制备合金线材成品，工艺简单、退火时间短，节约材料和能源的同时保证了线材的质量稳定性。用该方法制备的Cu-Cr-Ag合金线材强度可达450～600MPa、延伸率大于6％、导电率80％～90％IACS，能满足高性能电线电缆导体的使用要求。
具体实施方式
本发明的Cu-Cr-Ag合金线材，其化学成分为Cr的质量分数为0.31～0.45％，Ag的质量分数为0.22～0.44％，余量为Cu，其中Cr+Ag为0.53～0.75％，其余单个杂质元素含量均低于0.007％。
Cu-Cr-Ag合金线材的制备加工方法包括如下步骤：
步骤1.采用上引连铸工艺，以1:1:1的石墨鳞片+硼砂+冰晶石作为覆盖剂，按质量百分比配料，先将大部分电解铜熔化并在1160±10℃保温，将厚度≤3mm、宽度≤20mm的银条全部加入，保温10～15min；升温至1350±10℃，将平均颗粒尺寸≤5mm的纯铬颗粒用铜箔包紧，再将剩余电解铜板将铬包紧紧夹住竖直向下缓慢溶入熔体，保温4～6小时后，开始上引，上引速度为0.6～0.8m/min，最终制成直径20±1mm的连铸线坯。
步骤1中，当Cr的质量百分比为0.31～0.38％时，采用三高石墨作为结晶器材质。
步骤1中，当Cr的质量百分比为0.39～0.45％时，采用氮化硼陶瓷作为结晶器材质。
步骤1中，按合金配比补料，补料方式为同时加入电解铜、银条和铜铬中间合金棒，其中电解铜板尺寸小于300×50×20mm、银条尺寸小于300×20×3mm铜铬中间合金棒尺寸小于Φ20×200mm，铜铬中间合金中铬的质量百分比为4.0％～6.0％。
步骤2.将Φ20±1mm连铸线坯经75％～85％冷变形加工至一定尺寸，而后在810～840℃保温4～6h，淬火。
步骤3.将热处理后的线坯再经940～960℃保温0.5～1h，淬火。
步骤4.将步骤3制得的线坯经99％以上的冷变形加工至一定尺寸。
步骤5.在真空或惰性气体保护情况下进行双级时效热处理，初次时效温度为350～370℃，保温时间为6～8h，随炉冷却，二次时效温度为400～440℃，保温时间为3～5h，随炉冷却。
步骤6.将步骤5制成的线坯经90％以上变形量，连续拉拔至成品尺寸。
步骤7.将步骤6制成的Cu-Cr-Ag合金线材经惰性气体保护的管式炉在350～400℃连续退火，线材经过炉体均温区的时间为10～15s，收线制成最终成品，成品为直径0.07～0.30mm的合金线材。
以下通过具体实例对本发明的技术方案作进一步描述，但并不意味着对本发明保护范围的限制。
实施例1：
设计一种Cu-0.31％Cr-0.22％Ag(质量比)合金线材，以A级电解铜板、平均颗粒尺寸3mm的纯铬颗粒、300×20×3mm的纯银条为原料按比例配料，总量4吨，以重量比为1:1:1的石墨鳞片+硼砂+冰晶石作为覆盖剂，先将大部分电解铜熔化并在1160℃保温1小时，加入银条保温12分钟，而后升温至1350℃。将铬颗粒用铜箔包裹，用两块电解铜板夹紧铬包，缓慢竖直加入熔炉，保温5小时。采用三高石墨材质结晶器在1350℃开始上引连铸，连铸速度为0.8m/min，制备直径20mm的连铸线坯。以尺寸小于300×50×20mm的电解铜板、小于300×20×3mm的银条和小于Φ20×200mm的Cu-5％Cr(质量比)中间合金棒为原料按比例配制补充料，缓慢加入熔炉中。将Φ20mm连铸线坯冷拉拔至Φ7.75mm，在820℃保温4h，淬火，再经940℃保温40min，淬火。将高温热处理线坯冷拉拔至Φ0.75mm，采用真空退火炉在350℃保温6h，随炉冷却，再经400℃保温3h，随炉冷却。将热处理后的线坯连续冷拉拔至Φ0.13mm，置于经惰性气体保护的20m管式炉中350℃连续退火，走线速度为1.7m/s，收线成盘，包装。
制备的Cu-0.31％Cr-0.22％Ag合金线材抗拉强度为466MPa、延伸率为7.5％、导电率为87％IACS。
实施例2：
设计一种Cu-0.45％Cr-0.30％Ag(质量比)合金线材，以A级电解铜板、平均颗粒尺寸4mm的纯铬颗粒、300×20×3mm的纯银条为原料按比例配料，总量4吨，以重量比为1:1:1的石墨鳞片+硼砂+冰晶石作为覆盖剂，先将大部分电解铜熔化并在1160℃保温1小时，加入银条保温15分钟，而后升温至1350℃。将铬颗粒用铜箔包裹，用两块电解铜板夹紧铬包，缓慢竖直加入熔炉，保温6小时。采用氮化硼陶瓷材质结晶器在1350℃开始上引连铸，连铸速度为0.6m/min，制备直径20mm的连铸线坯。以尺寸小于300×50×20mm的电解铜板、小于300×20×3mm的银条和小于Φ20×200mm的Cu-5％Cr(质量比)中间合金棒为原料按比例配制补充料，缓慢加入熔炉中。将Φ20mm连铸线坯冷拉拔至Φ10mm，在840℃保温6h，淬火，再经960℃保温1小时，淬火。将高温热处理线坯冷拉拔至Φ0.9mm，采用氮气保护的退火炉在370℃保温8h，随炉冷却，再经440℃保温5h，随炉冷却。将热处理后的线坯连续冷拉拔至Φ0.2mm，置于经惰性气体保护的20m管式炉中400℃连续退火，走线速度为1.4m/s，收线成盘，包装。
制备的Cu-0.45％Cr-0.30％Ag合金线材抗拉强度为572MPa、延伸率为8.9％、导电率为81％IACS。
实施例3：
设计一种Cu-0.31％Cr-0.44％Ag(质量比)合金线材，以A级电解铜板、平均颗粒尺寸4mm的纯铬颗粒、300×20×3mm的纯银条为原料按比例配料，总量4吨，以重量比为1:1:1的石墨鳞片+硼砂+冰晶石作为覆盖剂，先将大部分电解铜熔化并在1160℃保温1小时，加入银条保温15分钟，而后升温至1350℃。将铬颗粒用铜箔包裹，用两块电解铜板夹紧铬包，缓慢竖直加入熔炉，保温5.5小时。采用三高石墨材质结晶器在1350℃开始上引连铸，连铸速度为0.7m/min，制备直径20mm的连铸线坯。以尺寸小于300×50×20mm的电解铜板、小于300×20×3mm的银条和小于Φ20×200mm的Cu-5％Cr(质量比)中间合金棒为原料按比例配制补充料，缓慢加入熔炉中。将Φ20mm连铸线坯冷拉拔至Φ8.9mm，在830℃保温5h，淬火，再经950℃保温45min，淬火。将高温热处理线坯冷拉拔至Φ0.85mm，采用真空退火炉在360℃保温7h，随炉冷却，再经420℃保温4h，随炉冷却。将热处理后的线坯连续冷拉拔至Φ0.16mm，置于经惰性气体保护的20m管式炉中350℃连续退火，走线速度为2m/s，收线成盘，包装。
制备的Cu-0.31％Cr-0.44％Ag合金线材抗拉强度为525MPa、延伸率为8.4％、导电率为84％IACS。
实施例4：
设计一种Cu-0.45％Cr-0.22％Ag(质量比)合金线材，以A级电解铜板、平均颗粒尺寸4mm的纯铬颗粒、300×20×3mm的纯银条为原料按比例配料，总量4吨，以重量比为1:1:1的石墨鳞片+硼砂+冰晶石作为覆盖剂，先将大部分电解铜熔化并在1155℃保温1小时，加入银条保温13分钟，而后升温至1350℃。将铬颗粒用铜箔包裹，用两块电解铜板夹紧铬包，缓慢竖直加入熔炉，保温6小时。采用氮化硼陶瓷材质结晶器在1350℃开始上引连铸，连铸速度为0.7m/min，制备直径20mm的连铸线坯。以尺寸小于300×50×20mm的电解铜板、小于300×20×3mm的银条和小于Φ20×200mm的Cu-5％Cr(质量比)中间合金棒为原料按比例配制补充料，缓慢加入熔炉中。将Φ20mm连铸线坯冷拉拔至Φ9.4mm，在835℃保温5.5h，淬火，再经955℃保温50min，淬火。将高温热处理线坯冷拉拔至Φ0.9mm，采用真空退火炉在365℃保温7h，随炉冷却，再经430℃保温4.5h，随炉冷却。将热处理后的线坯连续冷拉拔至Φ0.26mm，置于经惰性气体保护的20m管式炉中390℃连续退火，走线速度为1.4m/s，收线成盘，包装。
制备的Cu-0.45％Cr-0.22％Ag合金线材抗拉强度为561MPa、延伸率为7.2％、导电率为83％IACS。
实施例5：
设计一种Cu-0.38％Cr-0.33％Ag(质量比)合金线材，以A级电解铜板、平均颗粒尺寸3mm的纯铬颗粒、300×20×3mm的纯银条为原料按比例配料，总量4吨，以重量比为1:1:1的石墨鳞片+硼砂+冰晶石作为覆盖剂，先将大部分电解铜熔化并在1160℃保温1小时，加入银条保温14分钟，而后升温至1350℃。将铬颗粒用铜箔包裹，用两块电解铜板夹紧铬包，缓慢竖直加入熔炉，保温5小时。采用三高石墨材质结晶器在1350℃开始上引连铸，连铸速度为0.7m/min，制备直径20mm的连铸线坯。以尺寸小于300×50×20mm的电解铜板、小于300×20×3mm的银条和小于Φ20×200mm的Cu-5％Cr(质量比)中间合金棒为原料按比例配制补充料，缓慢加入熔炉中。将Φ20mm连铸线坯冷拉拔至Φ8mm，在830℃保温5.5h，淬火，再经950℃保温50min，淬火。将高温热处理线坯冷拉拔至Φ0.7mm，采用真空退火炉在355℃保温7h，随炉冷却，再经430℃保温4h，随炉冷却。将热处理后的线坯连续冷拉拔至Φ0.08mm，置于经惰性气体保护的20m管式炉中380℃连续退火，走线速度为1.8m/s，收线成盘，包装。
制备的Cu-0.38％Cr-0.33％Ag合金线材抗拉强度为515MPa、延伸率为6.5％、导电率为85％IACS。
本发明合金经过上引连铸、大变形量冷加工、双级固溶热处理、大变形量冷加工、双级时效热处理、大冷变形冷加工、在线连续退火的工艺制成超细合金线材。得到线材的综合性能优异，既避开了铜铬锆合金非真空连续铸造难题，又可在长期工作温度低于200℃的环境内替代铜铬锆合金作为高性能电线电缆导体，具有良好的应用前景。

Claims (10)

1.一种Cu-Cr-Ag合金线材，其特征在于：以质量百分数计，Cr含量为0.31～0.45％，Ag含量为0.22～0.44％，且Cr+Ag为0.53～0.75％，余量为Cu；
所述Cu-Cr-Ag合金线材的制备加工方法，包括如下步骤：
(1)采用上引连铸工艺，以石墨鳞片、硼砂和冰晶石作为覆盖剂，按质量百分比配料，先将大部分电解铜板熔化并在1160±10℃保温，将银条加入，保温10～15min；
(2)升温至1350±10℃，将纯铬颗粒用铜箔包紧，再用剩余电解铜板将铬包夹住竖直向下溶入熔体，保温4～6小时后，开始上引，制成连铸线坯；
(3)将所述的连铸线坯进行变形量为75％～85％的冷变形加工，而后在810～840℃保温4～6h，淬火；
(4)将热处理后的线坯再经940～960℃保温0.5～1h，淬火；
(5)将再次热处理后的线坯进行变形量为99％以上的冷变形加工；
(6)将冷加工线坯在真空或惰性气体保护下进行双级时效热处理，初次时效温度为350～370℃，保温时间为6～8h，随炉冷却；二次时效温度为400～440℃，保温时间为3～5h，随炉冷却；
(7)将双级时效后的线坯进行90％以上变形量的连续拉拔，至成品尺寸；
(8)将成品尺寸线材在惰性气体保护的管式炉中，在350～400℃连续退火，线材经过炉体均温区的时间为10～15s，得到成品。
2.根据权利要求1所述的Cu-Cr-Ag合金线材，其特征在于：所述Cu-Cr-Ag合金线材中，以质量百分数计，单个杂质元素含量均低于0.007％。
3.根据权利要求1或2所述的Cu-Cr-Ag合金线材的制备加工方法，包括如下步骤：
(1)采用上引连铸工艺，以石墨鳞片、硼砂和冰晶石作为覆盖剂，按质量百分比配料，先将大部分电解铜板熔化并在1160±10℃保温，将银条加入，保温10～15min；
(2)升温至1350±10℃，将纯铬颗粒用铜箔包紧，再用剩余电解铜板将铬包夹住竖直向下溶入熔体，保温4～6小时后，开始上引，制成连铸线坯；
(3)将所述的连铸线坯进行变形量为75％～85％的冷变形加工，而后在810～840℃保温4～6h，淬火；
(4)将热处理后的线坯再经940～960℃保温0.5～1h，淬火；
(5)将再次热处理后的线坯进行变形量为99％以上的冷变形加工；
(6)将冷加工线坯在真空或惰性气体保护下进行双级时效热处理，初次时效温度为350～370℃，保温时间为6～8h，随炉冷却；二次时效温度为400～440℃，保温时间为3～5h，随炉冷却；
(7)将双级时效后的线坯进行90％以上变形量的连续拉拔，至成品尺寸；
(8)将成品尺寸线材在惰性气体保护的管式炉中，在350～400℃连续退火，线材经过炉体均温区的时间为10～15s，得到成品。
4.根据权利要求3所述的Cu-Cr-Ag合金线材的制备加工方法，其特征在于：所述的覆盖剂中，石墨鳞片、硼砂、冰晶石的重量比为1:1:1。
5.根据权利要求3所述的Cu-Cr-Ag合金线材的制备加工方法，其特征在于：当合金中Cr的质量百分比为0.31～0.38％时，采用三高石墨作为结晶器材质。
6.根据权利要求3所述的Cu-Cr-Ag合金线材的制备加工方法，其特征在于：当合金中Cr的质量百分比为0.39～0.45％时，采用氮化硼陶瓷作为结晶器材质。
7.根据权利要求3所述的Cu-Cr-Ag合金线材的制备加工方法，其特征在于：上引速度为0.6～0.8m/min，制成连铸线坯的直径为20±1mm。
8.根据权利要求3所述的Cu-Cr-Ag合金线材的制备加工方法，其特征在于：投料采用的原料为电解铜板、银条和纯铬颗粒；银条的厚度≤3mm，宽度≤20mm，纯铬颗粒的平均颗粒尺寸≤5mm。
9.根据权利要求3所述的Cu-Cr-Ag合金线材的制备加工方法，其特征在于：按合金配比补料时，补料方式为同时加入电解铜、银条和铜铬中间合金棒；电解铜板尺寸小于300×50×20mm，银条尺寸小于300×20×3mm，铜铬中间合金棒尺寸小于直径Φ20×200mm；所述的铜铬中间合金中，Cr的质量百分比为4.0％～6.0％，余量为Cu。
10.根据权利要求3所述的Cu-Cr-Ag合金线材的制备加工方法，其特征在于：得到的Cu-Cr-Ag合金线材成品的直径为0.07～0.30mm。
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