CN111118334A - 一种电缆用耐疲劳铜合金线材的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电缆用耐疲劳铜合金线材的制备方法，铜合金线材按照重量百分比计，银0.01～0.015％，锡0.005～0.007％，镁0.005～0.007％，铟0.005～0.007％；银含量与锡含量的比值为2：1，锡含量、镁含量、铟含量的比值为1：1：1；铜、银、锡、镁、铟等元素的含量之和大于99.995％；制备方法是包括高纯铜熔炼、定向凝固、多道次扒皮、多道次连续挤压、多道次轧制、退火、拉丝等工序；制备的铜合金线材的耐疲劳性能优异。

Description

一种电缆用耐疲劳铜合金线材的制备方法
技术领域
本发明涉及一种有色金属材料的制备方法，尤其涉及一种电缆用耐疲劳铜合金线材的制备方法。
背景技术
高性能特种电线电缆主要用于新能源、信息产业、航天航空、轨道交通、海洋工程、电子微电子、机器人、医疗机械等领域。所谓特种电线电缆表现在“导体要特”和“绝缘材料要特”。对于内导体而言，需要满足高强、高导、超细等方面。随着我国及世界电子工业、医疗、航空航天等高端领域迅猛发展，对高性能铜线材的需求迫切。一架波音或空中客车的长程飞机要用超过250km的航空导线约2.5吨的导体，要用超过1万个连接器；一架短程的喷气机要用70km的航空导线，而一架小型直升机需用30km航空导线。所用的线缆主要有单根电话线、多芯电缆、高温电缆、同轴电缆、数据传输电缆等。因此，制备出高性能铜线材以满足信息工业和国防事业的需求具有重要意义，同时也具有广阔的市场价值和开发价值。
高性能铜线材导体一般满足以下要求：高纯、高导、耐疲劳、良好的加工性，容易加工成细丝，并且可以保证其大长度需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种电缆用耐疲劳铜合金线材的制备方法。
本发明所述的电缆用耐疲劳铜合金线材按照重量百分比计，银0.01～0.015％，锡0.005～0.007％，镁0.005～0.007％，铟0.005～0.007％；银含量与锡含量的比值为2：1，锡含量、镁含量、铟含量的比值为1：1：1；铜、银、锡、镁、铟等元素的含量之和大于99.995％。
本发明所述的制备方法是：高纯铜熔炼—定向凝固—第一次扒皮—第一次连续挤压—第二次扒皮—第二次连续挤压—第三次扒皮—第三次连续挤压—第一次轧制—第一次退火—第二次轧制—第二次退火—拉丝。
(1)高纯铜熔铸：以A级阴极铜为原料，采用真空电子束熔炼、凝固，去除杂质元素；制备的高纯铜铸锭的成分组成为：铜含量大于99.999％，氧含量≤0.0005％，导电率≥102.5％IACS；所述的真空电子束熔炼时的电子枪工作真空度小于2×10-3Pa，熔炼室真空度小于2×10-2Pa，加速电压50KV；冷却水流量为大于1000l/h，牵引速度为5mm/min-50mm/min。
(2)定向凝固：高纯铜铸锭和纯银、纯锡、铜镁中间合金、铜铟中间合金等原料，放入定向凝固装置中进行熔化，采用木炭、石墨鳞片覆盖铜液表面，采用牵引机组水平牵引铜杆；所述的熔炼装置包括定向凝固结晶器、熔炼炉和保温炉，定向凝固结晶器的出水温度为小于28℃，熔炼炉的温度为1155℃，保温炉的温度为1150℃；熔炼炉采用烘干的木炭覆盖，木炭的粒度为30mm-50mm，覆盖厚度为150mm-180mm，保温炉采用石墨鳞片覆盖，覆盖厚度为30mm-50mm；铜杆的牵引速度为20mm/min-100mm/min，牵引铜杆直径为Ф20mm；制备的铜杆中银含量0.01～0.015％，锡含量0.005～0.007％，镁含量0.005～0.007％，铟含量0.005～0.007％，同时银含量与锡含量的比值为2：1，锡含量、镁含量、铟含量的比值为1：1：1；铜、银、锡、镁、铟等元素的含量之和大于99.995％，氧含量≤0.0005％，导电率≥101％IACS。制备的铜杆为柱状晶粒组织，柱状晶粒的个数为2-10个。
(3)第一次扒皮：将定向凝固制备的铜杆表面进行扒皮，铜杆表面扒皮的尺寸为0.2～0.5mm。
(4)第一次连续挤压：以扒皮后的铜杆为原料，采用连续挤压机组制备铜棒，连续挤压机转速为7r/min，挤压轮与腔体的间隙值为1.0mm，连续挤压的挤压温度700℃-850℃，挤压压力大于1000MPa，连续挤压模具厚度为20mm，垫片厚度为80mm，连续挤压制备铜棒的直径为30mm、晶粒度为0.01-0.03mm，铜棒的抗拉强度大于220MPa，延伸率大于50％。
(5)第二次扒皮：将第一次连续挤压制备的铜棒表面进行扒皮，铜棒表面扒皮的尺寸为0.1～0.2mm。
(6)第二次连续挤压：连续挤压机转速为6r/min，挤压轮与腔体的间隙值为1.1mm，连续挤压的挤压温度720℃-850℃，挤压压力大于1100MPa，连续挤压模具厚度为30mm，垫片厚度为70mm，连续挤压制备铜棒的直径为35mm、晶粒度为0.005-0.01mm，铜棒的抗拉强度大于250MPa，延伸率大于60％。
(7)第三次扒皮：将第二次连续挤压制备的铜棒表面进行扒皮，铜棒表面扒皮的尺寸为0.1～0.2mm。
(8)第三次连续挤压：连续挤压机转速为5r/min，挤压轮与腔体的间隙值为1.2mm，连续挤压的挤压温度750℃-900℃，挤压压力大于1200MPa，连续挤压模具厚度为35mm，垫片厚度为65mm，连续挤压制备铜棒的直径为45mm、晶粒度为0.002-0.005mm，铜棒的抗拉强度大于270MPa，延伸率大于65％。
(9)第一次轧制：将直径为45mm的铜棒采用多机架的二辊轧机轧制，轧制速度0.30米/秒，轧制后铜棒的直径为20mm；轧制后铜棒直径不圆度小于0.1mm，采用椭圆-圆孔型的孔型系统，多机架单独传动变频调速，各个道次机架轧辊是由各个不同的变频电机驱动，交流变频电机30KW，轧辊：Ф300mm，轧辊材质为Cr12MoV，轧辊硬度HRC58，轧辊孔槽粗糙度不低于Ra0.1；轧制过程中对轧辊、铜棒进行乳液冷却及润滑，流量：20m3/h，乳液工作压力：2.2MPa，乳液温度：35℃，乳液浓度10％。
(10)第一次退火：采用保护气氛真空炉进行退火，退火温度为350℃，保温时间为5小时，冷却时间8小时，出炉温度小于50℃，退火后铜棒的晶粒尺寸为0.01mm-0.15mm。
(11)第二次轧制：将直径为20mm的铜棒采用多机架的二辊轧机轧制，轧制后铜线的直径为3mm；轧制后铜棒直径不圆度小于0.05mm，采用椭圆-圆孔型的孔型系统，多机架单独传动变频调速，各个道次机架轧辊是由各个不同的变频电机驱动，交流变频电机30KW，轧辊：Ф300mm，轧辊材质为Cr12MoV，轧辊硬度HRC58，轧辊孔槽粗糙度不低于Ra0.1；轧制过程中对轧辊、铜棒进行乳液冷却及润滑，流量：20m3/h，乳液工作压力：2.2MPa，乳液温度：35℃，乳液浓度10％。
(12)第二次退火：采用保护气氛真空炉进行退火，退火温度为320℃，保温时间为5小时，冷却时间8小时，出炉温度小于50℃，退火后铜棒的晶粒尺寸为0.01mm-0.15mm。
(13)拉丝：将退火后直径为3mm的铜线多道次拉丝，直径大于0.1mm时，乳液的浓度为10％～12％，温度小于35℃，拉丝过程中采用在线退火的方法，在线退火的电压为50V-60V，速度为500-800m/min；直径不大于0.1mm时，采用6％-8％乳化液进行冷却，温度小于25℃；在线退火的电压为35V～40V，速度为1000～1200m/min。
上述方法制备的电缆用铜合金线材的抗拉强度≥300MPa、伸长率≥50％、导电率≥101％IACS、耐疲劳性能是普通纯铜线材的5-10倍，铜线材的长度大于50万米，满足了医疗设备电缆、ABS电缆、话筒线圈、工业机器人、声频线圈的移动部件等领域对电缆的需求。
本发明的有益效果在于：
1.采用高纯铜熔炼、定向凝固、多道次扒皮、多道次次连续挤压、多道次轧制、多道次次退火、拉丝等工艺相结合，制备的铜合金线材耐疲劳性能是普通纯铜丝材的5-10倍。
2.通过多道次扒皮，将铜棒表面清理干净，避免表面的污染物带入铜材内部，避免铜线在拉丝过程中断裂，保证铜丝的长度大于50万米。
3.通过控制铜合金线材的成分，优化铜、银、锡、镁、铟等元素含量，提高铜丝的力学性能和导电性能。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步描述。
本发明所述的电缆用耐疲劳铜合金线材按照重量百分比计，银0.01％，锡0.005％，镁0.005％，铟0.005％；铜、银、锡、镁、铟等元素的含量之和大于99.995％。
本发明所述的制备方法是：高纯铜熔炼—定向凝固—第一次扒皮—第一次连续挤压—第二次扒皮—第二次连续挤压—第三次扒皮—第三次连续挤压—第一次轧制—第一次退火—第二次轧制—第二次退火—拉丝。
(1)高纯铜熔铸：以A级阴极铜为原料，采用真空电子束熔炼、凝固，去除杂质元素；制备的高纯铜铸锭的成分组成为：铜含量大于99.999％，氧含量≤0.0005％，导电率≥102.5％IACS；所述的真空电子束熔炼时的电子枪工作真空度小于2×10-3Pa，熔炼室真空度小于2×10-2Pa，加速电压50KV；冷却水流量为大于1000l/h，牵引速度为5mm/min-50mm/min。
(2)定向凝固：高纯铜铸锭和纯银、纯锡、铜镁中间合金、铜铟中间合金等原料，放入定向凝固装置中进行熔化，采用木炭、石墨鳞片覆盖铜液表面，采用牵引机组水平牵引铜杆；所述的熔炼装置包括定向凝固结晶器、熔炼炉和保温炉，定向凝固结晶器的出水温度为小于28℃，熔炼炉的温度为1155℃，保温炉的温度为1150℃；熔炼炉采用烘干的木炭覆盖，木炭的粒度为30mm-50mm，覆盖厚度为150mm-180mm，保温炉采用石墨鳞片覆盖，覆盖厚度为30mm-50mm；铜杆的牵引速度为20mm/min-100mm/min，牵引铜杆直径为Ф20mm；制备的铜杆中银含量0.01％，锡含量0.005，镁含量0.005％，铟含量0.005％；铜、银、锡、镁、铟等元素的含量之和大于99.995％，氧含量≤0.0005％，导电率≥101％IACS。制备的铜杆为柱状晶粒组织，柱状晶粒的个数为5个。
(3)第一次扒皮：将定向凝固制备的铜杆表面进行扒皮，铜杆表面扒皮的尺寸为0.2mm。
(4)第一次连续挤压：以扒皮后的铜杆为原料，采用连续挤压机组制备铜棒，连续挤压机转速为7r/min，挤压轮与腔体的间隙值为1.0mm，连续挤压的挤压温度700℃-850℃，挤压压力大于1000MPa，连续挤压模具厚度为20mm，垫片厚度为80mm，连续挤压制备铜棒的直径为30mm、晶粒度为0.01-0.03mm，铜棒的抗拉强度大于220MPa，延伸率大于50％。
(5)第二次扒皮：将第一次连续挤压制备的铜棒表面进行扒皮，铜棒表面扒皮的尺寸为0.1mm。
(6)第二次连续挤压：连续挤压机转速为6r/min，挤压轮与腔体的间隙值为1.1mm，连续挤压的挤压温度720℃-850℃，挤压压力大于1100MPa，连续挤压模具厚度为30mm，垫片厚度为70mm，连续挤压制备铜棒的直径为35mm、晶粒度为0.005-0.01mm，铜棒的抗拉强度大于250MPa，延伸率大于60％。
(7)第三次扒皮：将第二次连续挤压制备的铜棒表面进行扒皮，铜棒表面扒皮的尺寸为0.1mm。
(8)第三次连续挤压：连续挤压机转速为5r/min，挤压轮与腔体的间隙值为1.2mm，连续挤压的挤压温度750℃-900℃，挤压压力大于1200MPa，连续挤压模具厚度为35mm，垫片厚度为65mm，连续挤压制备铜棒的直径为45mm、晶粒度为0.002-0.005mm，铜棒的抗拉强度大于270MPa，延伸率大于65％。
(9)第一次轧制：将直径为45mm的铜棒采用多机架的二辊轧机轧制，轧制速度0.30米/秒，轧制后铜棒的直径为20mm；轧制后铜棒直径不圆度小于0.1mm，采用椭圆-圆孔型的孔型系统，多机架单独传动变频调速，各个道次机架轧辊是由各个不同的变频电机驱动，交流变频电机30KW，轧辊：Ф300mm，轧辊材质为Cr12MoV，轧辊硬度HRC58，轧辊孔槽粗糙度不低于Ra0.1；轧制过程中对轧辊、铜棒进行乳液冷却及润滑，流量：20m3/h，乳液工作压力：2.2MPa，乳液温度：35℃，乳液浓度10％。
(10)第一次退火：采用保护气氛真空炉进行退火，退火温度为350℃，保温时间为5小时，冷却时间8小时，出炉温度小于50℃，退火后铜棒的晶粒尺寸为0.01mm-0.15mm。
(11)第二次轧制：将直径为20mm的铜棒采用多机架的二辊轧机轧制，轧制后铜线的直径为3mm；轧制后铜棒直径不圆度小于0.05mm，采用椭圆-圆孔型的孔型系统，多机架单独传动变频调速，各个道次机架轧辊是由各个不同的变频电机驱动，交流变频电机30KW，轧辊：Ф300mm，轧辊材质为Cr12MoV，轧辊硬度HRC58，轧辊孔槽粗糙度不低于Ra0.1；轧制过程中对轧辊、铜棒进行乳液冷却及润滑，流量：20m3/h，乳液工作压力：2.2MPa，乳液温度：35℃，乳液浓度10％。
(12)第二次退火：采用保护气氛真空炉进行退火，退火温度为320℃，保温时间为5小时，冷却时间8小时，出炉温度小于50℃，退火后铜棒的晶粒尺寸为0.01mm-0.15mm。
(13)拉丝：将退火后直径为3mm的铜线多道次拉丝，直径大于0.1mm时，乳液的浓度为10％～12％，温度小于35℃，拉丝过程中采用在线退火的方法，在线退火的电压为50V-60V，速度为500-800m/min；直径不大于0.1mm时，采用6％-8％乳化液进行冷却，温度小于25℃；在线退火的电压为35V～40V，速度为1000～1200m/min。
上述方法制备的电缆用铜合金线材的抗拉强度≥300MPa、伸长率≥50％、导电率≥101％IACS、耐疲劳性能是普通纯铜线材的5-10倍，铜线材的长度大于20万米，满足了医疗设备电缆、ABS电缆、话筒线圈、工业机器人、声频线圈的移动部件等领域对电缆的需求。
上述实施例仅用于解释说明本发明的发明构思，而非对本发明权利保护的限定，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应落入本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种电缆用耐疲劳铜合金线材的制备方法，其特征在于：所述的电缆用耐疲劳铜合金线材按照重量百分比计，银0.01～0.015％，锡0.005～0.007％，镁0.005～0.007％，铟0.005～0.007％；银含量与锡含量的比值为2：1，锡含量、镁含量、铟含量的比值为1：1：1；铜、银、锡、镁、铟等元素的含量之和大于99.995％；所述的制备方法是：高纯铜熔炼—定向凝固—第一次扒皮—第一次连续挤压—第二次扒皮—第二次连续挤压—第三次扒皮—第三次连续挤压—第一次轧制—第一次退火—第二次轧制—第二次退火—拉丝；所述的制备方法的具体步骤是：
(1)高纯铜熔铸：以A级阴极铜为原料，采用真空电子束熔炼、凝固，去除杂质元素；制备的高纯铜铸锭的成分组成为：铜含量大于99.999％，氧含量≤0.0005％，导电率≥102.5％IACS；所述的真空电子束熔炼时的电子枪工作真空度小于2×10-3Pa，熔炼室真空度小于2×10-2Pa，加速电压50KV；冷却水流量为大于1000l/h，牵引速度为5mm/min-50mm/min；
(2)定向凝固：将高纯铜铸锭和纯银、纯锡、铜镁中间合金、铜铟中间合金等原料，放入定向凝固装置中进行熔化，采用木炭、石墨鳞片覆盖铜液表面，采用牵引机组水平牵引铜杆；所述的熔炼装置包括定向凝固结晶器、熔炼炉和保温炉，定向凝固结晶器的出水温度为小于28℃，熔炼炉的温度为1155℃，保温炉的温度为1150℃；熔炼炉采用烘干的木炭覆盖，木炭的粒度为30mm-50mm，覆盖厚度为150mm-180mm，保温炉采用石墨鳞片覆盖，覆盖厚度为30mm-50mm；铜杆的牵引速度为20mm/min-100mm/min，牵引铜杆直径为Ф20mm；制备的铜杆中银含量0.01～0.015％，锡含量0.005～0.007％，镁含量0.005～0.007％，铟含量0.005～0.007％，同时银含量与锡含量的比值为2：1，锡含量、镁含量、铟含量的比值为1：1：1；铜、银、锡、镁、铟等元素的含量之和大于99.995％，氧含量≤0.0005％，导电率≥101％IACS；制备的铜杆为柱状晶粒组织，柱状晶粒的个数为2-10个；
(3)第一次扒皮：将定向凝固制备的铜杆表面进行扒皮，铜杆表面扒皮的尺寸为0.2～0.5mm；
(4)第一次连续挤压：以扒皮后的铜杆为原料，采用连续挤压机组制备铜棒，连续挤压机转速为7r/min，挤压轮与腔体的间隙值为1.0mm，连续挤压的挤压温度700℃-850℃，挤压压力大于1000MPa，连续挤压模具厚度为20mm，垫片厚度为80mm，连续挤压制备铜棒的直径为30mm、晶粒度为0.01-0.03mm，铜棒的抗拉强度大于220MPa，延伸率大于50％；
(5)第二次扒皮：将第一次连续挤压制备的铜棒表面进行扒皮，铜棒表面扒皮的尺寸为0.1～0.2mm；
(6)第二次连续挤压：连续挤压机转速为6r/min，挤压轮与腔体的间隙值为1.1mm，连续挤压的挤压温度720℃-850℃，挤压压力大于1100MPa，连续挤压模具厚度为30mm，垫片厚度为70mm，连续挤压制备铜棒的直径为35mm、晶粒度为0.005-0.01mm，铜棒的抗拉强度大于250MPa，延伸率大于60％；
(7)第三次扒皮：将第二次连续挤压制备的铜棒表面进行扒皮，铜棒表面扒皮的尺寸为0.1～0.2mm；
(8)第三次连续挤压：连续挤压机转速为5r/min，挤压轮与腔体的间隙值为1.2mm，连续挤压的挤压温度750℃-900℃，挤压压力大于1200MPa，连续挤压模具厚度为35mm，垫片厚度为65mm，连续挤压制备铜棒的直径为45mm、晶粒度为0.002-0.005mm，铜棒的抗拉强度大于270MPa，延伸率大于65％；
(9)第一次轧制：将直径为45mm的铜棒采用多机架的二辊轧机轧制，轧制速度0.30米/秒，轧制后铜棒的直径为20mm；轧制后铜棒直径不圆度小于0.1mm，采用椭圆-圆孔型的孔型系统，多机架单独传动变频调速，各个道次机架轧辊是由各个不同的变频电机驱动，交流变频电机30KW，轧辊：Ф300mm，轧辊材质为Cr12MoV，轧辊硬度HRC58，轧辊孔槽粗糙度不低于Ra0.1；轧制过程中对轧辊、铜棒进行乳液冷却及润滑，流量：20m3/h，乳液工作压力：2.2MPa，乳液温度：35℃，乳液浓度10％；
(10)第一次退火：采用保护气氛真空炉进行退火，退火温度为350℃，保温时间为5小时，冷却时间8小时，出炉温度小于50℃，退火后铜棒的晶粒尺寸为0.01mm-0.15mm；
(11)第二次轧制：将直径为20mm的铜棒采用多机架的二辊轧机轧制，轧制后铜线的直径为3mm；轧制后铜棒直径不圆度小于0.05mm，采用椭圆-圆孔型的孔型系统，多机架单独传动变频调速，各个道次机架轧辊是由各个不同的变频电机驱动，交流变频电机30KW，轧辊：Ф300mm，轧辊材质为Cr12MoV，轧辊硬度HRC58，轧辊孔槽粗糙度不低于Ra0.1；轧制过程中对轧辊、铜棒进行乳液冷却及润滑，流量：20m3/h，乳液工作压力：2.2MPa，乳液温度：35℃，乳液浓度10％；
(12)第二次退火：采用保护气氛真空炉进行退火，退火温度为320℃，保温时间为5小时，冷却时间8小时，出炉温度小于50℃，退火后铜棒的晶粒尺寸为0.01mm-0.15mm；
(13)拉丝：将退火后直径为3mm的铜线多道次拉丝，直径大于0.1mm时，乳液的浓度为10％～12％，温度小于35℃，拉丝过程中采用在线退火的方法，在线退火的电压为50V-60V，速度为500-800m/min；直径不大于0.1mm时，采用6％-8％乳化液进行冷却，温度小于25℃；在线退火的电压为35V～40V，速度为1000～1200m/min；
上述方法制备的铜合金线材的抗拉强度≥300MPa、伸长率≥50％、导电率≥101％IACS、耐疲劳性能是普通纯铜线材的5-10倍，铜合金线材的长度大于50万米。
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