CN110665990B - 一种铜合金线材及其制备方法和包含该线材的电缆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及合金制备技术领域，公开了一种铜合金线材及其制备方法和包含该线材的电缆，所述制备方法采用下引铸造方式进行连续铸造，然后进行连续冷轧、连续拉丝及连续退火，可适应不同批量的高品质铜合金线材的生产，不仅可显著提高生产效率，还提高了生产过程中工艺的稳定性，满足超细铜合金线材拉伸时性能稳定的需求。

Description

一种铜合金线材及其制备方法和包含该线材的电缆
技术领域
本发明涉及合金制备技术领域，具体涉及一种铜合金线材及其制备方法和包含该线材的电缆。
背景技术
随着电子工业的飞速发展，无人机、机器人、海底电缆等产品的大量出现，高性能铜及铜合金线材的需求量迅速增加，特别是线径不超过0.05mm的超细圆铜线的增长尤为迅速。电子产品的不断小型化，对超细导线的细径化提出了更高要求，不仅要求线材重量轻、直径小，还要求功率大，并且还要兼顾超细线材在使用过程中易折断的特点。因此，以铜为主体的合金线材备受关注，其不仅具有铜的所有性能，而且还具备很高的强度、韧性等特点。
目前，铜合金线材的生产方法有多种，但后端工艺一般都需要进行多道次连续拉伸，拉伸速度快至每分钟数千米，需要接触几十个模具以及几十个导轮等工具，并且拉伸过程中均浸泡在润滑乳液中。因此，现有生产方法对线坯的可拉性，特别是致密性提出了极高要求，不仅要求线材表面质量高，而且要求线材的合金成分均匀性好。
为此，现有技术公开了一种铜合金线材及其制备方法，该铜合金线材以铜为基体，添加包括锡在内的元素，其制备方法包括如下步骤：(1)将铜母材和添加元素熔融后的合金液经水平法引杆或上引法引杆铸造制备铜合金铸杆；(2)对铜合金铸杆进行变形加工，制备铜合金线坯；(3)400～800℃下再结晶热处理2～8小时；(4)依次经过大拉、中拉和小拉的冷加工，并在中拉后小拉前在200～400℃下进行光亮退火1～6小时。该方法虽然最终制得了线径0.1mm以下的铜合金线材，但其存在如下不足：(1)采用水平法引杆或上引法引杆铸造，气体气泡的上浮导致氢气残留在铸杆内部，产生气孔或裂纹，降低了铸杆密度，不利于线坯的后端加工；(2)大拉工艺中，将线径较粗的铜合金铸杆直接拉至线径2～3mm，易使铜合金铸杆产生微裂纹；(3)400～800℃下再结晶热处理2～8小时，长时间高温条件下容易使铜合金铸杆的晶粒粗大，导致铜合金铸杆的力学性能急剧下降，可拉性也随之降低。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有的超细铜合金线材的生产方法存在因铜合金铸杆可拉性能较差而无法获得质量合格的高强高导超细铜合金线材的缺陷，从而提供一种铜合金线材的制备方法。同时，本发明还提供了由所述制备方法制备得到的铜合金线材，以及包含所述铜合金线材的电缆。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种铜合金线材的制备方法，包括如下步骤：
(1)将铜母材和添加元素熔融的合金液以下引铸造方式进行连续铸造，获得铜合金铸杆；
(2)对上述铜合金铸杆进行多道次连续冷轧，获得铜合金线坯；
(3)对上述铜合金线坯依次进行连续拉丝和连续退火，即得所述铜合金线材。
进一步地，步骤(1)中，所述合金液的温度为1120～1200℃，液面高度≥500mm。
进一步地，步骤(1)中，所述铜合金铸杆的直径为8～12mm；出杆速度≤600mm/min。
更进一步地，所述下引铸造可以同时引铸一根或多根。
进一步地，所述步骤(1)在惰性气体保护的熔炼炉中进行，所述惰性气体可以为氮气、氩气、氦气或氖气中的至少一种，优选为氩气。
更进一步地，所述熔炼炉为石墨坩埚。
更进一步地，为尽量杜绝杂质元素，减少线坯内部的硬质点，提高线坯的韧性，所述铜母材及添加元素的纯度均不低于99.99％。
进一步地，步骤(2)中，所述铜合金线坯的直径为2～3mm。
进一步地，步骤(2)中，所述冷轧的单道次变形量为10～30％，总变形量＞90％。
进一步地，所述冷轧采用全机械油喷淋式润滑，所述全机械油的温度≤50℃。
更进一步地，采用孔型轧机进行所述冷轧，所述孔型轧机为两辊孔型或多辊孔型，优选为Y型三辊冷轧机。
更进一步地，所述轧机的各对轧辊均采用伺服电机单独驱动，并根据张力感应自动调节转速，以保证轧制过程各道次的金属秒流量一致。
进一步地，步骤(3)中，所述拉丝为多模拉丝，拉丝速度≤500m/min。
更进一步地，将所述铜合金线坯在微滑动多模拉丝机上进行连续拉伸变形至线径为1.0～1.2mm。
更进一步地，所述多模拉丝机中的模具使用天然金刚石为模芯材料，粗糙度Ra＜0.4μm。
更进一步地，所述多模拉丝机采用全机械油喷淋式润滑，所述全机械油的温度≤50℃。
进一步地，步骤(3)中，采用直通电流的方式对拉丝后的铜合金线坯进行在线退火，形成平均晶粒度≤10μm的完全再结晶组织的铜合金线材。
本发明还提供了一种铜合金线材，其根据上述制备方法制备得到。
本发明还提供了一种铜合金电缆，在上述铜合金线材构成的单股线材或绞线线材的周围设置绝缘层。
本发明的技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的铜合金线材的制备方法，采用下引铸造方式进行连续铸造，然后进行连续冷轧、连续拉丝及连续退火，可适应不同批量的高品质铜合金线材的生产，不仅可显著提高生产效率，还提高了生产过程中工艺的稳定性，满足超细铜合金线材拉伸时性能稳定的需求。采用下引铸造的方法，顺应合金熔体重力向下拉制，最大限度地增强铸杆的密度和精度，使铸杆内部的孔隙控制在最低极限，避免缩孔或空洞的产生。这样的铸造方法不但大大提高生产效率，更是使生产出来的铜合金铸杆密度高，表面精亮，无气孔，有利于提高铜合金铸杆的可拉性。
2.本发明提供的铜合金线材的制备方法，控制合金液的液面高度不低于500mm，可确保合金液产生的有效静压不低于0.14MPa，以实现压力铸造，有利于提高铜合金铸杆的致密度；采用连续等速的方式连续牵引出杆，与其它连铸的“拉-停-拉”或“拉-停-反推-拉”等方式不同，其彻底杜绝“停”带来的组织和成分不均匀的缺陷，避免传统连铸方法无法避免的“节痕”，提高了铜合金铸杆的可拉性和表面质量。
3.本发明提供的铜合金线材的制备方法，采用惰性气体保护可防止金属氧化及烧损，使铜合金铸杆表面更加光亮，生产的铜合金铸杆基本无气孔，提高了产品的表面质量；采用石墨坩埚熔炼炉，可以大幅降低合金熔体氧的含量
4.本发明提供的铜合金线材的制备方法，采用大变形量的连续冷轧方式对铜合金铸杆进行减径变形，轧制时，变形状态为三向压应力，金属变得更加密实，即使有偶然存在的微裂纹也会被压实，该方法可充分实现对线材的深入变形及晶粒破碎，提高线材的致密度，有利于提升最终产品的力学性能。
5.本发明提供的铜合金线材的制备方法，采用直通电流的方式进行在线连续退火，保证了退火的均匀性及退火后产品性能的一致性。
6.本发明提供的铜合金线材，延伸率高达35％，抗拉强度高达300MPa，导电率高达98.2％IACS，采用常规工艺对本发明的铜合金线材进行微拉，即可得到线径0.03mm的极细铜合金导线，且后续拉丝的断残率小于1次/10万米，完全可满足制作高端无人机线束的需求。
具体实施方式
提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。
实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。
实施例1
本实施例提供了一种含银量为1wt％的线径为1.1mm的铜银合金线材的制备方法，包括如下步骤：
(1)选择纯度不低于99.99％的无氧铜杆和银条为原料，将原料切成小段并充分干燥后，投入氩气保护的高纯石墨坩埚熔炼炉中，根据初始加料计算合金液在坩埚中的液面高度为600mm，熔化炉正下方装有一根线径为12mm的结晶器，完成引铸的安装准备。待合金熔化完全后，使用石墨棒进行充分搅拌1分钟，然后静置20分钟，同时在静置过程中将合金液的温度加热和保温至1200℃。待静置结束后，启动下引连铸机，以400mm/min的速度均匀连续引出线径为12mm的铜银合金铸杆。随着连铸的进行，坩埚内的液位下降，待液面高度下降至接近550mm后，按比例慢慢补充上述无氧铜杆和银条，使液位恢复到600mm左右，依此反复。
(2)将步骤(1)制备的铜银合金铸杆在Y型三辊连续冷轧机上进行12道次的连续冷轧，得到线径为3mm的铜银合金线坯，总变形量为93.75％，平均道次变形量为20.6％。所述冷轧过程采用全机械油喷淋式润滑，润滑油温度保持在40℃以内；所述连续轧机的各对轧辊均采用伺服电机单独驱动，根据张力感应自动调节转速。
(3)将上述线径为3mm的铜银合金线坯在13模微滑动式多模拉线机上进行连续拉伸变形至线径为1.1mm，拉拔总变形量为86.5％。模具材料的模芯为金刚石，模套为不锈钢材质，金刚石模芯工作带部位的粗糙度Ra≤0.2μm。所述多模拉丝采用喷淋式全油润滑，润滑介质的温度不超过50℃，拉线速度不大于500m/min。
(4)采用直通电流的方式，将连续拉伸后的铜银合金线进行在线连续退火，并在通电段使用水蒸汽进行气氛保护，调节电流大小和走线速度，使线坯为完全再结晶组织，且平均晶粒度≤10μm，即得所述铜银合金线材。
以上述工艺制备的线径为1.1mm的铜银合金线材，其延伸率达到35％以上，平均抗拉强度300MPa以上，导电率达98.2％IACS，该产品用于后续制备线径为0.03mm以下规格的超细铜银合金线，后续拉丝的断线率<1次/10万米。
实施例2
本实施例提供了一种锡量为0.3wt％的线径为0.9mm的铜锡合金线材的制备方法，包括如下步骤：
(1)选择纯度不低于99.99％的无氧铜杆和锡条为原料，将原料切成小段并充分干燥后，投入氩气保护的的高纯石墨坩埚熔炼炉中，根据初始加料计算合金在坩埚中的液面高度为550mm，熔化炉正下方装有四根线径为8mm的结晶器，完成引铸的安装准备。待合金熔化完全后，使用石墨棒进行充分搅拌一分钟，然后静置20分钟，同时在静置过程中将合金液的温度加热和保温至1120℃。待静置结束后，启动下引连铸机，以600mm/min的速度均匀连续引出线径为8mm的铜锡合金铸杆。随着连铸的进行，坩埚内的液位下降，待液面高度下降至接近520mm后，按比例慢慢补充上述无氧铜杆和锡条，使液位恢复到550mm左右，依此反复。
(2)将步骤(1)制备的铜锡合金铸杆在Y型三辊连续冷轧机上进行12道次的连续冷轧，得到线径为2.0mm的铜锡合金线坯，总变形量为93.75％，平均道次变形量为20.6％。所述冷轧过程采用全机械油喷淋式润滑，润滑油温度保持在50℃以内；所述连续轧机的各对轧辊均采用伺服电机单独驱动，根据张力感应自动调节转速。
(3)将上述线径为2mm铜锡合金线坯在11模微滑动式多模拉线机上进行连续拉伸变形至线径为0.9mm，拉拔总变形量为79.75％。模具材料的模芯为金刚石，模套为不锈钢材质，金刚石模芯工作带部位的粗糙度Ra≤0.2μm。所述多模拉丝采用喷淋式全油润滑，润滑介质的温度不超过50℃，拉线速度为不大于500m/min。
(4)采用直通电流的方式，将连续拉伸后的铜锡合金线进行在线连续退火，并在通电段使用水蒸汽进行气氛保护，调节电流大小和走线速度，使线坯为完全再结晶组织，且平均晶粒度≤5μm，即得所述铜银合金线材。
以上述工艺制备的线径为1.1mm的铜锡合金线材，其延伸率达到32％以上，平均抗拉强度300MPa以上，导电率达95.8％IACS，该产品用于后续制备线径为0.03mm及以下规格的超细铜锡合金线，后续拉丝的断线率<1次/10万米。
对比例1
本对比例提供了一种含银量为1wt％的线径为1.1mm的铜银合金线材的制备方法，其制备方法基本同实施例1，不同之处在于，本对比例中，在制备铜合金铸杆时采用上引铸造方式进行。
以上工艺制备的线径为1.1mm的铜银合金线材，其延伸率约为24％，平均抗拉强度256MPa，导电率94.1％IACS，该产品在用于后续制备线径0.08mm规格的铜银合金线过程中，即出现大量断线现象，无法继续拉伸得到0.06mm甚至更细规格的铜银合金线，这可能与通过上引铸造方式得到的合金铸杆成分不均一的原因有关。
对比例2
本对比例提供了一种含银量为1wt％的线径为1.1mm的铜银合金线材的制备方法，其制备方法基本同实施例1，不同之处在于，本对比例中，在制备铜合金铸杆时采用水平引杆铸造方式进行。
以上工艺制备的线径为1.1mm的铜银合金线材，其延伸率约为26％，平均抗拉强度267MPa，导电率94.4％IACS，该产品在用于后续制备线径0.06mm规格的铜银合金线过程中，有较多量断线现象发生，无法继续拉伸得到0.05mm甚至更细规格的铜银合金线。
对比例3
本对比例提供了一种含银量为1wt％的线径为1.1mm的铜银合金线材的制备方法，其制备方法基本同实施例1，不同之处在于：
将铜银合金铸杆在Y型三辊连续冷轧机上进行12道次的连续冷轧，得到线径为8mm的铜银合金线坯；然后将该铜合金线坯依次进行大拉和中拉，具体工艺过程为：以10m/s拉伸速度大拉至线径为3mm左右，12m/s拉伸速度中拉至线径为1mm左右，再采用直通电流的方式，将连续拉伸后的铜锡合金线进行在线连续退火，即得所述铜银合金线材。
以上工艺制备的线径为1.1mm的铜银合金线材，其延伸率约为30％，平均抗拉强度为275MPa，导电率95.0％IACS，该产品在用于后续制备线径0.05mm规格的铜银合金线过程中，有大量断线现象发生，无法继续拉伸得到本发明方法得到0.03mm的超细铜银合金线。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种铜合金线材的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将铜母材和添加元素熔融的合金液以下引铸造方式进行连续铸造，获得铜合金铸杆；
(2)对上述铜合金铸杆进行多道次连续冷轧，获得铜合金线坯；
(3)对上述铜合金线坯依次进行连续拉丝和连续退火，即得所述铜合金线材；
步骤(1)中，所述合金液的温度为1120～1200℃，液面高度≥500mm；
步骤(2)中，所述冷轧的单道次变形量为10～30％，总变形量＞90％；
步骤(3)中，采用直通电流的方式对拉丝后的铜合金线坯进行在线退火，形成平均晶粒度≤10μm的完全再结晶组织的铜合金线材。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述铜合金铸杆的直径为8～12mm；出杆速度≤600mm/min。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)在惰性气体保护的熔炼炉中进行。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述熔炼炉为石墨坩埚。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述铜合金线坯的直径为2～3mm。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述拉丝为多模拉丝，拉丝速度≤500m/min。
7.一种铜合金线材，其特征在于，根据权利要求1-6任一项所述的制备方法制备得到。
8.一种铜合金电缆，其特征在于，在根据权利要求1-6任一项所述的制备方法制备得到的铜合金线材或权利要求7所述的铜合金线材构成的单股线材或绞线线材的周围设置绝缘层。
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Denomination of invention: A copper alloy wire and its preparation method, as well as a cable comprising the wire

Granted publication date: 20200911

Pledgee: Agricultural Bank of China Limited Yingtan branch

Pledgor: Jiangxi HuiGao conductor Technology Co.,Ltd.

Registration number: Y2024980008678

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