CN111411258A - 具有高强度和高电导率的Cu-Sn合金超细线材及其制备方法 - Google Patents

具有高强度和高电导率的Cu-Sn合金超细线材及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有高强度和高电导率的Cu‑Sn合金超细线材及其制备方法，所述合金线材含有复合添加合金元素及不可避免的杂质，所述复合添加的合金元素为Mg和RE元素，RE元素选自Ce、La和Y中的一种或者多种。本发明可以同时提高Cu‑Sn合金超细线材的强度和电导率，使合金超细线材具有高强度、高导电率和良好的可拉性等优良综合性能。

Description

具有高强度和高电导率的Cu-Sn合金超细线材及其制备方法
技术领域
本发明涉及高强高导电型铜合金材料领域，具体的涉及一种具有高强度和高电导率的Cu-Sn合金超细线材及其制备方法。
背景技术
超细导电铜合金线材料由于具有出色的力学、导电导热、抗腐蚀、抗疲劳等综合性能是制备高端电子产品、智能化机器人、新能源汽车及医疗器械等传输线的关键基础材料。在众多铜合金线材中，Cu-Sn合金线在成本价格、适用性等方面的综合性能受到业内人士的认可。然而，在Cu-Sn合金杆坯拉制过程中遇到的问题是：一方面，增加Sn含量能够提高合金线材强度，但是也会损害合金线材的电导率和可拉性；另一方面，降低Sn含量能够使合金线材保持较高的电导率和较好的可拉性，但是也会导致合金线材的强度降低。因此，如何在确保Cu-Sn合金超细线具有较高的导电率前提下提高Cu-Sn合金杆坯材料的强度及可拉性，是Cu-Sn合金超细线材料领域有待深入研究的一个热点。
发明内容
本发明的目的在于提出一种复合添加合金元素同时提高Cu-Sn合金超细线材强度和电导率的方法，以解决Cu-Sn合金超细线材强度与电导率和可拉性之间不能兼容之问题。为实现上述目的，本发明采用如下之技术方案：
本发明一方面涉及一种具有高强度和高电导率的Cu-Sn合金线材，其特征在于含有复合添加合金元素及不可避免的杂质，所述复合添加的合金元素为Mg和RE元素，RE元素选自Ce、La和Y中的一种或者多种，所述构成所述合金线材的合金基体中Cu占质量比例高于99.5％，其它元素所占质量百分比如下：
Sn：0.20～0.35％；
Mg：0.02～0.1％；
RE：0.02～0.10％；
且Mg与RE元素的总质量百分比在0.05～0.15％之间，不可避免的杂质的总质量低于0.05％。
在本发明的一个优选实施方式中，所述各成分所占质量比例如下：
Sn：0.25％；
Mg：0.03％；
RE：0.03％；
不可避免的杂质的总质量不超过0.03％，余量为铜。
本在本发明的一个优选实施方式中，所述合金线材在直径为0.05mm时的抗拉强度为700MPa以上，优选为705MPa以上，进一步优选为800MPa以上，更优选为850MPa以上；所述抗拉强度优选为1000MPa以下，更优选为950MPa以下。
本在本发明的一个优选实施方式中，所述合金线材的在直径为0.05mm时的导电率为80.0％IACS以上，优选为81.0％IACS以上，更优选为82.0％IACS以上，进一步优选为83.0％IACS以上；所述导电率优选为90％IACS以下，优选为88％IACS以下。
在本发明的一个优选实施方式中，所述合金线材的线径小于0.5mm，优选小于0.3mm，更优选小于0.1mm，特别优选介于0.05mm～0.025mm之间。
本发明另一方面还提供了上述高强高导合金线材的制备方法，包括如下步骤：
(1)熔炼前准备：按要求进行配料，将合金材料混合后放入真空熔炼室中，随后关闭仓门，将结晶器插入流槽中，而后将牵引铜杆一头插入结晶器中，另一头露出结晶器外并压在牵引机滚轮上；
(2)真空水平熔炼过程：打开真空系统对熔炼室和保温室分别抽取真空至-0.1MPa，随后充入氩气。加热一段时间后继续抽取真空，以进一步抽取炉料可能带来的水气，待达到真空度要求后，往熔炼室和保温室中充入氩气至0.5～1.0个大气压，在此过程中不停止加热。在1200℃～1250℃熔炼保温30～60min后，将合金熔液倒入保温室中；
(3)连续铸造过程：保温室中合金熔液温度在1160℃～1200℃范围内时，启动牵引机，牵引速度为20～30mm/s，节距为3～4mm/次，停止时间为0.3～0.6s/次，水压为0.2～0.4MPa，结晶器冷却水进温度小于35℃，出水温度小于50℃，连续制备直径为8mm合金杆材；
(4)冷拉拔变形：对直径为8mm的Cu-Sn-Mg-RE合金杆坯，无需退火热处理，直接进行冷拉拔变形，即大拉→中拉→小拉→微拉变形，分多道次逐步将杆坯冷拉制成线径为0.05～0.025mm的超细线材。
作为本发明对上述方案的优选，所述步骤(1)中Sn元素以纯金属的形式加入，Mg和RE元素以中间合金的形式加入。
作为本发明对上述方案的优选，所述步骤(4)中大拉阶段的拉丝速度为1300米/分～1500米/分，中拉阶段的拉丝速度为1000米/分～1200米/分；小拉阶段的拉丝速度为800米/分～1000米/分，微拉阶段的拉丝速度为500米/分～700米/分。
3.有益效果
(1)本发明在成分设计上，考虑到Cu-Sn二元合金是固溶强化型及加工硬化型合金，因此在保证Cu-Sn合金导电性能的前提下，综合考虑了铜合金固溶强化和加工硬化等因素，选择加入微量的Mg元素。实验结果表明，微量Mg元素的添加对Cu-Sn合金导电能力影响相对较小的同时又可以显著提高Cu-Sn合金的强度。
(2)本发明在合金元素组成成分设计上，同时也考虑到添加微量的Mg会略微降低Cu-Sn合金的导电性能。因此，本发明材料中选择添加微量的RE元素，其目的是为了净化铜合金基体，降低由杂质所引起的晶格畸变，对铜合金的导电性产生有益的影响，同时细化铜合金组织，减少或消除合金组织中粗大的树枝晶区，使铜合金的力学性能有所提高。添加RE元素有效的解决了高强高导Cu-Sn合金基体强度与导电率的矛盾。
(3)本发明所采用的真空连续熔炼铸造装置，在熔炼铸造过程中能够隔绝空气并且不使用熔剂，能够获得气孔和杂质含量等铸造缺陷较少、氧含量低(5ppm以下)的高品质Cu-Sn-Mg-RE合金杆坯，使得Cu-Sn-Mg-RE合金杆坯具有良好的可拉性能。
(4)本发明所采用的真空连续熔炼铸造装置制备出的直径为8mm的高品质铜锡镁RE合金杆坯在冷拉拔过程中未进行退火处理，制得的合金超细线材的最小线径可达0.05mm～0.025mm，具有较高的生产效率及较好的经济效益。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
一种复合添加合金元素同时提高Cu-Sn合金超细线材强度和电导率的方法，所述合金超细线材的成分包括Cu、Sn、Mg、La元素及不可避免的杂质，各元素所占质量百分比如下：
Sn：0.28％；
Mg：0.09％；
La：0.10％；
不可避免的杂质的总质量为0.03％，余量为铜。
具体地，Sn元素以纯金属的形式加入，Mg和La元素以中间合金的形式加入。
上述高强高导Cu-Sn-Mg-La合金超细线材的制备方法，包括如下步骤：
(1)熔炼前准备：将配好料的合金材料混合后放入真空熔炼室中，随后关闭仓门，将结晶器插入流槽中，而后将牵引铜杆一头插入结晶器中，另一头露出结晶器外并压在牵引机滚轮上；
(2)真空水平熔炼过程：打开真空系统对熔炼室和保温室分别抽取真空至-0.1MPa，随后充入氩气。加热一段时间后继续抽取真空，以进一步抽取炉料可能带来的水气，待达到真空度要求后，往熔炼室和保温室中充入氩气至0.6个大气压，在此过程中不停止加热。在1220℃熔炼保温35min后，将合金熔液倒入保温室中；
(3)连续铸造过程：保温室中合金熔液温度在1170℃范围内时，启动牵引机，牵引速度为25mm/s，节距为3mm/次，停止时间为0.3s/次，水压为0.3MPa，结晶器冷却水进温度为32℃，出水温度为49℃，连续制备直径为8mm合金杆材；
(4)冷拉拔变形：对直径为8mm的Cu-Sn-Mg-La合金杆坯直接进行多道次冷拉拔变形，即大拉→中拉→小拉→微拉变形，拉制前后无须进行退火热处理。大拉至直径为2.6mm，拉丝速度为1500米/分；中拉至直径为0.8mm，拉丝速度为1200米/分；小拉至直径为0.2mm,拉丝速度为1000米/分；微拉至0.05mm，拉丝速度为700米/分，
(5)经检测直径为0.05mm的Cu-Sn-Mg-La合金超细线材的抗拉强度为705MPa,导电率为86.8％IACS，具有较高的强度和电导率。
实施例2：
一种复合添加合金元素同时提高Cu-Sn合金超细线材强度和电导率的方法，所述合金超细线材的成分包括Cu、Sn、Mg、Ce元素及不可避免的杂质，各元素所占质量百分比如下：
Sn：0.25％；
Mg：0.04％；
Ce：0.028％；
不可避免的杂质的总质量为0.035％，余量为铜。
具体地，Sn元素以纯金属的形式加入，Mg和Ce元素以中间合金的形式加入。
上述高强高导Cu-Sn-Mg-Ce合金超细线材的制备方法，包括如下步骤：
(1)熔炼前准备：将配好料的合金材料混合后放入真空熔炼室中，随后关闭仓门，将结晶器插入流槽中，而后将牵引铜杆一头插入结晶器中，另一头露出结晶器外并压在牵引机滚轮上；
(2)真空水平熔炼过程：打开真空系统对熔炼室和保温室分别抽取真空至-0.1MPa，随后充入氩气。加热一段时间后继续抽取真空，以进一步抽取炉料可能带来的水气，待达到真空度要求后，往熔炼室和保温室中充入氩气至0.5个大气压，在此过程中不停止加热。在1230℃熔炼保温40min后，将合金熔液倒入保温室中；
(3)连续铸造过程：保温室中合金熔液温度在1180℃范围内时，启动牵引机，牵引速度为23mm/s，节距为3mm/次，停止时间为0.4s/次，水压为0.5MPa，结晶器冷却水进温度为33℃，出水温度为48℃，连续制备直径为8mm合金杆材；
(4)冷拉拔变形：对直径为8mm的Cu-Sn-Mg-Ce合金杆坯直接进行多道次冷拉拔变形，即大拉→中拉→小拉→微拉变形，拉制前后无须进行退火热处理。大拉至直径为2.6mm，拉丝速度为1400米/分；中拉至直径为0.8mm，拉丝速度为1100米/分；小拉至直径为0.2mm,拉丝速度为950米/分；微拉至0.032mm，拉丝速度为600米/分，
(5)经检测直径为0.032mm的Cu-Sn-Mg-Ce合金超细线材的抗拉强度为811MPa,导电率为82.3％IACS，具有较高的强度和电导率。
实施例3：
一种复合添加合金元素同时提高Cu-Sn合金超细线材强度和电导率的方法，所述合金超细线材的成分包括Cu、Sn、Mg、Y元素及不可避免的杂质，各元素所占质量百分比如下：
Sn：0.26％；
Mg：0.03％；
Y：0.025％；
不可避免的杂质的总质量为0.035％，余量为铜。
具体地，Sn元素以纯金属的形式加入，Mg和Y元素以中间合金的形式加入。
上述高强高导Cu-Sn-Mg-Y合金超细线材的制备方法，包括如下步骤：
(1)熔炼前准备：将配好料的合金材料混合后放入真空熔炼室中，随后关闭仓门，将结晶器插入流槽中，而后将牵引铜杆一头插入结晶器中，另一头露出结晶器外并压在牵引机滚轮上；
(2)真空水平熔炼过程：打开真空系统对熔炼室和保温室分别抽取真空至-0.1MPa，随后充入氩气。加热一段时间后继续抽取真空，以进一步抽取炉料可能带来的水气，待达到真空度要求后，往熔炼室和保温室中充入氩气至0.8个大气压，在此过程中不停止加热。在1240℃熔炼保温40min后，将合金熔液倒入保温室中；
(3)连续铸造过程：保温室中合金熔液温度在1190℃范围内时，启动牵引机，牵引速度为26mm/s，节距为4mm/次，停止时间为0.3s/次，水压为0.4MPa，结晶器冷却水进温度为34℃，出水温度为46℃，连续制备直径为8mm合金杆材；
(4)冷拉拔变形：对直径为8mm的Cu-Sn-Mg-Ce合金杆坯直接进行多道次冷拉拔变形，即大拉→中拉→小拉→微拉变形，拉制前后无须进行退火热处理。大拉至直径为2.6mm，拉丝速度为1300米/分；中拉至直径为0.8mm，拉丝速度为1000米/分；小拉至直径为0.2mm,拉丝速度为800米/分；微拉至0.025mm，拉丝速度为500米/分，
(5)经检测直径为0.025mm的Cu-Sn-Mg-Y合金超细线材的抗拉强度为900MPa,导电率为83.7％IACS，具有较高的强度和电导率。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求范围内。

Claims (8)

1.一种具有高强度和高电导率的Cu-Sn合金线材，其特征在于含有复合添加合金元素及不可避免的杂质，所述复合添加的合金元素为Mg和RE元素，RE元素选自Ce、La和Y中的一种或者多种，所述构成所述合金线材的合金基体中Cu占质量比例高于99.5％，其它元素所占质量百分比如下：
Sn：0.20～0.35％；
Mg：0.02～0.1％；
RE：0.02～0.10％；
且Mg与RE元素的总质量百分比在0.05～0.15％之间，不可避免的杂质的总质量低于0.05％。
2.根据权利要求1所述的合金线材，所述各成分所占质量比例如下：
Sn：0.25％；
Mg：0.03％；
RE：0.03％；
不可避免的杂质的总质量不超过0.03％，余量为铜。
3.根据权利要求1所述的合金线材，所述合金线材在直径为0.05mm时的抗拉强度为700MPa以上，优选为705MPa以上，进一步优选为800MPa以上，更优选为850MPa以上；所述抗拉强度优选为1000MPa以下，更优选为950MPa以下。
4.根据权利要求1所述的合金线材，所述合金线材的在直径为0.05mm时的导电率为80.0％IACS以上，优选为81.0％IACS以上，更优选为82.0％IACS以上，进一步优选为83.0％IACS以上；所述导电率优选为90％IACS以下，优选为88％IACS以下。
5.根据权利要求1～4任意一项所述的合金线材，所述合金线材的线径小于0.5mm，优选小于0.3mm，更优选小于0.1mm，特别优选介于0.05mm～0.025mm之间。
6.权利要求1～5任意一项所述合金线材的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)熔炼前准备：按要求进行配料，将合金材料混合后放入真空熔炼室中，随后关闭仓门，将结晶器插入流槽中，而后将牵引铜杆一头插入结晶器中，另一头露出结晶器外并压在牵引机滚轮上；
(2)真空水平熔炼过程：打开真空系统对熔炼室和保温室分别抽取真空至-0.1MPa，随后充入氩气。加热一段时间后继续抽取真空，以进一步抽取炉料可能带来的水气，待达到真空度要求后，往熔炼室和保温室中充入氩气至0.5～1.0个大气压，在此过程中不停止加热。在1200℃～1250℃熔炼保温30～60min后，将合金熔液倒入保温室中；
(3)连续铸造过程：保温室中合金熔液温度在1160℃～1200℃范围内时，启动牵引机，牵引速度为20～30mm/s，节距为3～4mm/次，停止时间为0.3～0.6s/次，水压为0.2～0.4MPa，结晶器冷却水进温度小于35℃，出水温度小于50℃，连续制备直径为8mm合金杆材；
(4)冷拉拔变形：对直径为8mm的Cu-Sn-Mg-RE合金杆坯，无需退火热处理，直接进行冷拉拔变形，即大拉→中拉→小拉→微拉变形，分多道次逐步将杆坯冷拉制成线径为0.05～0.025mm的超细线材。
7.根据权利要求6所述的制备方法，所述步骤(1)中Sn元素以纯金属的形式加入，Mg和RE元素以中间合金的形式加入。
8.根据权利要求6所述的制备方法，所述步骤(4)中大拉阶段的拉丝速度为1300米/分～1500米/分，中拉阶段的拉丝速度为1000米/分～1200米/分；小拉阶段的拉丝速度为800米/分～1000米/分，微拉阶段的拉丝速度为500米/分～700米/分。
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