CN113385549A - 高强高导纯铜线的复合加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强高导纯铜线的复合加工方法，将ECAP‑C工艺+低温轧制与退火工艺相结合，得到一种ECAP‑C+低温轧制+退火的复合加工工艺，使材料在整个过程中既能简化加工工艺、节约成本，又能在保证较高的导电性的基础上提高材料的强度。利用本发明制备方法所得的纯铜线能兼备高强度和高导电性，组织均匀细小，价格低廉，其导电率高于80%IACS，抗拉强度大于500 MPa，能够较好的满足高速列车接触导线中纯铜导线的性能要求。

Description

高强高导纯铜线的复合加工方法
技术领域
本发明属于材料加工领域，尤其涉及一种制备高强高导纯铜线的复合加工方法。
背景技术
纯铜由于其优良的导电导热性能，良好耐腐蚀性能和加工性能被广泛应用于电力传输、电子通讯、机械制造和装饰工艺等与国民生活息息相关的各个领域。尽管纯铜优点众多，但其强度较低(σ 0.2 ≈50 MPa，σ b ≈190 MPa)，限制了其应用范围。塑性变形是一种较好改善其强度的有效方法，但是铜的加工硬化特性对塑形变形有所抑制，形成一种矛盾关系。此外采用传统方法生产的纯铜的电导率和抗拉强度无法达到某些特殊场合的使用要求。通过塑性变形复合技术(室温和低温轧制)和随后的退火处理的方法来调控铜的微观组织，进而实现其强度和导电率的协同优化。
通过对材料进行塑性变形处理进行晶粒细化是一种显著提高材料强度与塑性的方法。现有的技术主要有以下两种：
（1）卷取式等通道转角挤压工艺(ECAP-C)
该工艺是把等通道转角挤压（ECAP）与卷取式(Conform)挤压材料的工艺结合在一起从而实现连续等通道转角挤压，因此通过ECAP-C对材料进行大塑性变形不但能达到传统ECAP细化晶粒、提高材料性能的要求，并且具有过程连续、可以加工较长试样、减少材料浪费等优点，具有更好的工业应用价值和发展前景。但这种加工过程由于动态回复造成的晶粒细化的饱和，加工件上应力分布不均匀，因此得到的材料强度与塑性不能满足使用要求。
（2）ECAP-C+低温轧制复合加工工艺
该工艺是把ECAP-C与低温轧制（液氮温度）材料的工艺结合在一起，可以有效实现晶粒的进一步细化、提高材料的均匀性、增加大角度晶界的体积分数、提高材料的强度等（但同时会损害材料的延伸率和导电率）。然而，这种复合变形加工的方法会使晶体中积累高密度的缺陷，并且使材料处于不稳定的高能态，因此得到的材料导电率和延伸率不能满足使用要求。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种制备高强高导纯铜线的ECAP-C+低温轧制+退火的复合加工方法，主要解决一般工业用纯铜导线电阻率高、强度低的问题，本发明制备方法能很好的实现强度和电导率的平衡，从而满足高速铁路接触导线对材料的要求。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种高强高导纯铜线的复合加工方法，步骤如下：
（1）高强高导纯铜线用材料以高纯电解铜为原料，入炉熔铸前，严格处理表面脏物，并在预热炉中进行预热烘干；
（2）采用工频电熔炼炉熔炼得到熔融铜液；
（3）将熔炼完全后的熔融铜液经中部包容器通过结晶器进行铸锭，熔铸完成后分段切割铸锭；
（4）将切割后的纯铜铸锭通过反向挤压机水封挤压成棒状坯料；
（5）对步骤（4）制得的棒状坯料退火处理后在200℃下采用ECAP-C的Bc路径加工4道次生产铜杆；
（6）对ECAP-C后的铜杆料进行低温连续轧制，通过连轧机组，将铜杆料轧制成线坯；
（7）将连续轧制得到的线坯进行退火处理，经过拉拔机组获得铜线。
进一步，所述步骤（1）中预热烘干的温度为90-100℃。
进一步，所述步骤（2）中熔炼温度为1000℃-1100℃。
进一步，所述步骤（2）中熔炼时溶液表面用木炭覆盖，防止氧化；使用电磁搅拌装备，保证晶粒均匀并除气。
进一步，所述步骤（5）中退火处理的温度为400℃，保温时间为1 h，空冷。
进一步，所述步骤（6）中低温连续轧制的温度为液氮温度。
进一步，所述步骤（7）中退火处理是将线坯加热到200~250℃，保持30 min后随炉冷却。
本发明克服现有技术的不足，提供一种制备高强高导纯铜线的ECAP-C+低温轧制+退火的复合加工方法。在本发明中，将ECAP-C工艺+低温轧制与退火工艺相结合，得到一种ECAP-C+低温轧制+退火的复合加工工艺，使材料在整个过程中既能简化加工工艺、节约成本，又能在保证较高的导电性的基础上提高材料的强度。利用本发明制备方法所得的纯铜线能兼备高强度和高导电性，组织均匀细小，价格低廉，其导电率高于80%IACS，抗拉强度大于500 MPa，能够较好的满足高速列车接触导线中纯铜导线的性能要求。在ECAP-C前进行退火处理，降低棒胚内残余应力和硬度，减少变形与裂纹倾向，改善加工性能，保证ECAP-C加工铜杆质量。
相比于现有技术，本发明的有益效果为：（1）通过本发明制备方法得到的纯铜导线晶粒尺寸均匀细小，通常可达1 μm以下，在大幅度提高材料强度的同时也保证材料具有较高的导电性和塑性；（2）本发明制备方法得到的纯铜导线，能兼备导电性和抗拉强度（导电率高于80 %IACS，抗拉强度大于500 MPa），能适应高速列车接触导线要求；（3）本发明制备方法还具有工艺坚定、成本低廉、设计合理的优点。
附图说明
图1是本发明高强高导纯铜线的复合加工方法的工艺流程图。
图2为本发明高强高导纯铜线的复合加工方法制得的铜线的微观组织。
图3为本发明高强高导纯铜线的复合加工方法制得的铜线的晶粒尺寸分布。
图4为本发明高强高导纯铜线的复合加工方法制得的铜线的拉伸应力应变曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围，该领域的技术熟练人员可以根据上述发明的内容作出一些非本质的改进和调整。
实施例1
本实施例高强高导纯铜线的复合加工方法如下：
（1）高强高导纯铜线用材料以高纯电解铜为原料；
（2）入炉熔铸前，严格处理表面脏物（水、油、渣料及其他表面附属杂物），并在预热炉中进行预热烘干，温度控制在至90-100℃之间；
（3）采用工频电磁熔炼炉熔炼，熔炼温度控制在1000℃-1100℃范围之内为佳，溶液表面是用木炭覆盖，防止氧化；使用电磁搅拌装备，保证晶粒均匀并除气；
（4）将熔炼完全后的熔融铜液经中部包容器通过结晶器进行铸锭，结晶器水压0.2MPa，结晶器出水温度控制在25℃左右；熔铸完成后分段切割铸锭；
（5）将切割后的纯铜铸锭通过反向挤压机水封挤压成圆形坯料；
（6）对坯料退火处理后在200℃下采用ECAP-C的Bc路径加工4道次生产铜杆；退火处理的温度为400℃，保温时间为1 h，空冷；
（7）对ECAP-C后的铜杆料在液氮温度下进行低温连续轧制，通过连轧机组，将铜杆料轧制成线坯；
（8）将连续轧制的线坯进行退火处理，加热到200~250℃，保持30 min后随炉冷却，经过拉拔机组获得铜线。
通过ECAP-C+低温轧制+退火的复合加工工艺可获得平均晶粒尺寸约为0.83 μm的超细晶纯铜线材，其屈服强度高达505 MPa，延伸率为9.5 %， 导电率为90.2 ±0.2 %IACS。
表1为实施例1制得的铜线的力学性能。
表1
晶粒尺寸 (μm) 屈服强度 (MPa) 延伸率 (%) IACS(%)
0.83 505 9.5 90.2±0.2
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种高强高导纯铜线的复合加工方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）高强高导纯铜线用材料以高纯电解铜为原料，入炉熔铸前，严格处理表面脏物，并在预热炉中进行预热烘干；
（2）采用工频电熔炼炉熔炼得到熔融铜液；
（3）将熔炼完全后的熔融铜液经中部包容器通过结晶器进行铸锭，熔铸完成后分段切割铸锭；
（4）将切割后的纯铜铸锭通过反向挤压机水封挤压成棒状坯料；
（5）对步骤（4）制得的棒状坯料退火处理后在200℃下采用ECAP-C的Bc路径加工4道次生产铜杆；
（6）对ECAP-C后的铜杆料进行低温连续轧制，通过连轧机组，将铜杆料轧制成线坯；
（7）将连续轧制得到的线坯进行退火处理，经过拉拔机组获得铜线。
2.根据权利要求1所述的高强高导纯铜线的复合加工方法，其特征在于：所述步骤（1）中预热烘干的温度为90-100℃。
3.根据权利要求1所述的高强高导纯铜线的复合加工方法，其特征在于：所述步骤（2）中熔炼温度为1000℃-1100℃。
4.根据权利要求1所述的高强高导纯铜线的复合加工方法，其特征在于：所述步骤（2）中熔炼时溶液表面用木炭覆盖，防止氧化；使用电磁搅拌装备，保证晶粒均匀并除气。
5.根据权利要求1所述的高强高导纯铜线的复合加工方法，其特征在于：所述步骤（5）中退火处理的温度为400℃，保温时间为1 h，空冷。
6.根据权利要求1所述的高强高导纯铜线的复合加工方法，其特征在于：所述步骤（6）中低温连续轧制的温度为液氮温度。
7.根据权利要求1所述的高强高导纯铜线的复合加工方法，其特征在于：所述步骤（7）中退火处理是将线坯加热到200~250℃，保持30 min后随炉冷却。
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