CN114959351A - 一种铜银合金线材及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于冶金和压延加工技术领域，具体涉及一种铜银合金线材及其制备方法与应用。本发明的铜银合金线材中铜和银总含量≥99.995wt.％，银含量0.05～0.1wt.％，氧含量≤5ppm。本发明采用上引冷型连铸‑连轧‑连拉‑真空保护气氛退火的制备工艺，不仅优化了线材的微观组织，而且还能保证线材整个断面组织与性能的均匀性，从而确保线材在使用过程中的稳定性，最终获得力学与导电性能优异且使用寿命更长的铜银合金线材，满足超高压、特高压变压器等领域对电磁线导体的需求。

Description

一种铜银合金线材及其制备方法与应用

技术领域

本发明属于冶金和压延加工技术领域，具体涉及一种铜银合金线材及其制备方法与应用。

背景技术

随着大电网的快速发展，加大了电网安全运行风险，变压器作为电力系统中的重要设备之一，其安全运行对于保证电网安全意义重大。而特高压变压器因其高电压、大容量的特性，在正常运行时，在电磁场的作用下其线圈承受着较高的机械力，一旦突发短路，线圈还将要承受较大的变形应力。因此，在绕制线圈时需要选用高屈服强度的铜线，才能满足特高压变压器的要求。但目前为止，针对超/特高压变压器用高强高导铜合金材料的开发和生产，鲜有相关的研究报道，国际上只有在阿尔斯通和西门子等变压器制造商的技术要求中提及过，而国内各大变压器制造商尚无相关技术要求。

对于传统的铜合金导电材料而言，其强度与导电性存在此消彼长的关系，一般很难兼备高导电性与高强度。由于金属铜和金属银具有优良的导电性以及它们在常温下互不固溶，因此是实现高强高导的理想候选材料。现有技术公开了一种铜银合金带材的生产工艺，该工艺通过上引连续铸造技术制得上引铜杆，再对上引铜杆进行连续挤压得到铜带坯，之后对铜带坯进行冷轧-退火-冷轧-退火-冷轧处理，最终制得高强高导的铜银合金带材。上述工艺采用连续挤压技术对上引连铸铜银杆进行塑性变形时，虽然可以实现铜银合金的组织细化，但遗憾的是，由于挤压技术主要是依靠挤压轮槽与铜银杆之间的摩擦力作为驱动力，导致在模具变形区，铜银杆的边部、上下面和心部的金属流动产生很大差异，从而使得制品组织在心部、边部以及上下面的组织极为不均匀，造成制品的力学和物理性能在不同的区域产生显著的差异，而且后续的塑性加工很难消除上述的不均匀性，导致最终产品在使用过程中材料内部产生内应力，产生局部失稳而导致材料过早的失效。因此，如何提高高强高导铜银合金制品的组织均匀性，从而保证制品在使用过程中的稳定性，延长使用寿命，是当前亟需解决的一个技术难题。

发明内容

鉴于此，本发明的首要目的是提供一种高纯铜银合金线材，以满足目前超高压、特高压变压器等领域对电磁线导体的需求。

本发明的另一目的是解决现有的高强高导铜银合金制品所存在的合金组织不均匀的缺陷，进而提供一种可提高组织均匀性的铜银合金线材的制备工艺。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一方面，本发明提供了一种铜银合金线材，以重量百分比计，所述铜银合金线材中铜和银的含量之和≥99.995wt.％，且银的含量为0.05-0.1wt.％，氧的含量≤5ppm。

可选地，所述铜银合金线材中，铁、镍、硫和磷的含量之和≤8ppm，其余杂质含量之和≤6ppm。

可选地，所述铜银合金线材的室温导电率≥98％IACS，屈服强度≥300MPa，抗拉强度≥350MPa，伸长率≥15％，软化温度≥300℃。

另一方面，本发明提供了一种制备上述铜银合金线材的工艺，包括如下步骤：

S1、采用上引冷型连铸技术制备铜银合金杆；

S2、对步骤S1制得的铜银合金杆进行多道次轧制，直至获得所需直径的轧制杆；

S3、对步骤S2制得的轧制杆进行多道次拉制，获得线材；

S4、对步骤S3制得的线材进行退火处理。

可选地，步骤S1中，原材料的熔化温度1180～1230℃，铜银合金杆的直径为12～25mm，引出速度为8～12mm/s。

可选地，步骤S1中，结晶器的进水温度为20～24℃，出水温度≤45℃。

可选地，步骤S1中，采用上引冷型连铸技术制备铜银合金杆的具体方法为：将原材料电解铜板与铜银中间合金按比例间隔均匀地投入至工频感应炉内进行熔化，熔化温度1180～1230℃，且在原材料上面覆盖木炭，其厚度为50～70mm；保温炉温度1130～1170℃，经结晶器冷却引出直径12～25mm的铜银合金杆，引出速度8～12mm/s，结晶器的进水温度为20～24℃，出水温度≤45℃。

可选地，步骤S2中，轧制时的道次变形量为15～20％，所述轧制杆的直径为6～10mm。

可选地，步骤S3中，采用7模或9模连拉机拉制成形，拉制时的道次变形量为10～18％。

可选地，步骤S4中，在保护气氛的保护作用下进行退火处理，退火温度为200～400℃，时间为0.5～2h。

第三方面，本发明还提供了一种上述铜银合金线材或者由上述的制备铜银合金线材的工艺制得的铜银合金线材作为电磁线在超高压变压器或特高压变压器中应用。

可选地，所述铜银合金线材为扁线，规格可根据需要确定，例如可以是1.70*5.00mm、1.50*4.50mm或1.20*5.50mm等。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下优点：

1、本发明提供的铜银合金线材，以重量百分比计铜和银的含量之和≥99.995wt.％，且银的含量为0.05～0.1wt.％，氧的含量≤5ppm，经测定，其室温导电率≥98％IACS，屈服强度≥300MPa，抗拉强度≥350MPa，伸长率≥15％，软化温度≥300℃，可满足超高压、特高压变压器等领域对电磁线导体的需求。

目前，超高压、特高压变压器可选用的铜线的最高屈服强度值为260MPa，而传统的纯铜导线的屈服强度一般小于100MPa，为了提高屈服强度，国内一般采用形变强化的高纯铜导线来实现这一目标，但这种方式加工出来的铜线在长期高温的工作状态下，其屈服强度会逐步降低，这给变压器长期运行带来了隐患。本发明提供的铜银合金线材，在提高了屈服强度的同时，也提高了其软化温度，从而保证超高压、特高压变压器可在其寿命周期内安全运行。

2、本发明采用上引冷型连铸-连轧-连拉-真空保护气氛退火的制备工艺，与现有技术相比，省略了连铸与连轧之间的连续挤压步骤，但增加了连续冷轧之后的连拉步骤，通过调控连轧-连拉等塑性变形及退火工艺，不仅优化了铜银合金线材的微观组织，如晶粒尺寸、织构取向和晶界特征等，而且还能保证线材的整个断面组织与性能的均匀性，从而确保线材在使用过程中的稳定性，最终获得力学与导电性能优异且使用寿命更长的铜银合金线材，满足超高压、特高压变压器等领域对电磁线导体的需求。

本发明中，铜银合金在冷轧变形后会呈现出典型的“铜型织构”：其中黄铜织构{001}<111>的比例较多，也会出现铜型织构{112}<111>，{110}<112>等。在连续拉拔后，纯铜的晶粒变形为纤维晶，沿着拉应力方向的某些晶粒会发生择优取向形成丝织构，主要是<111>变形丝织构，此外还有<001>变形丝织构、<112>变形丝织构等。进行退火处理，<111>取向的晶粒更容易向别的取向发生变化，也可能生成<001>再结晶织构。而这些不同的取向，其弹性模量、成形性能、力学性能和导电性能都会产生一定的差异。本发明在形变后进行再结晶退火，通过控制退火孪晶界(即∑3晶界)的比例，实现了晶粒尺寸、织构与退火孪晶界三种组织特性的良好匹配，有效改善了线材的电学性能和力学性能，从而使得最终产品能够满足超高压、特高压变压器用电磁线的力学性能与导电性能的要求。

3、本发明提供的铜银合金线材的制备工艺，采用上引冷型连铸技术制备铜银合金杆，通过直接对结晶器进行冷却，控制冷却强度，可以实现完全的等轴晶组织，具有各向同性的特点，能够更好地提高铜银合金的力学性能如强度和延伸率，在后续的冷轧-连拉过程中具有良好的变形协调性，有利于产品的塑性成形及组织性能控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例1中高纯铜银合金扁线的典型微观组织形貌；

图2为实施例1中高纯铜银合金扁线的硬度随温度的变化图；

图3为实施例2中高纯铜银合金扁线的典型微观组织形貌；

图4为实施例3中高纯铜银合金扁线的典型微观组织形貌。

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。

本发明提供了一种铜银合金线材，以重量百分比计，铜和银的含量之和≥99.995wt.％，且银的含量为0.05-0.1wt.％，氧的含量≤5ppm，铁、镍、硫和磷的含量之和≤8ppm，其余杂质含量之和≤6ppm。

经测定，本发明的铜银合金线材的室温导电率≥98％IACS，屈服强度≥300MPa，抗拉强度≥350MPa，伸长率≥15％，软化温度≥300℃。本发明在提高铜银合金线材的屈服强度的同时，也提高了其软化温度，从而保证超高压、特高压变压器可在其寿命周期内安全运行。

本发明提供了一种制备上述铜银合金线材的工艺，包括如下步骤：

S1、采用上引冷型连铸技术制备铜银合金杆，具体方法为，将原材料按比例间隔均匀地投入至工频感应炉内进行熔化，熔化温度1180～1230℃，且在原材料上面覆盖木炭，其厚度为50～70mm；保温炉温度1130～1170℃，经结晶器冷却引出直径12～25mm的铜银合金杆，引出速度8～12mm/s，结晶器的进水温度为20～24℃，出水温度≤45℃；

S2、对步骤S1制得的铜银合金杆进行多道次轧制，道次变形量为15～20％，直至获得所需直径如6～10mm的轧制杆；

S3、采用7模或9模连拉机对步骤S2制得的轧制杆进行多道次拉制，道次变形量为10～18％，获得线材；

S4、在保护气氛的保护作用下，对步骤S3制得的线材进行退火处理，退火温度为200～400℃，时间为0.5～2h。

本发明的制备工艺通过调控连轧-连拉等塑性变形及退火工艺，不仅优化了铜银合金线材的微观组织，如晶粒尺寸、织构取向和晶界特征等，而且还能保证线材的整个断面组织与性能的均匀性，从而确保线材在使用过程中的稳定性，最终获得力学与导电性能优异且使用寿命更长的铜银合金线材，满足超高压、特高压变压器等领域对电磁线导体的需求。

实施例1

(1)将原材料电解铜板与铜银中间合金按比例间隔均匀地投入至工频感应炉内进行熔化，熔化温度为1230℃，并在原材料上面覆盖木炭，其厚度为70mm，保温炉温度为1170℃，经结晶器冷却引出直径为25mm的铜银合金杆，引出速度8mm/s，结晶器的进水温度为20℃，出水温度不超过45℃；

(2)对铜银合金杆进行连轧，经多道次轧制，道次变形量16％，获得直径为8mm的轧制杆；

(3)采用9模连拉机将轧制杆连拉成形，道次变形量为15％，获得1.70*5.00mm规格的铜银合金扁线；

(4)将铜银合金扁线放置在充有氮气保护的加热炉中，加热至200℃并保温1.5h后，获得满足应用的铜银合金扁线。

本实施例制得的铜银合金扁线的化学成分及其含量、性能分别如表1、表2所示。

表1实施例1中铜银合金扁线的化学成分及其含量

表2实施例1中铜银合金扁线的性能

图1示出了本实施例制得的铜银合金扁线的典型微观组织形貌，该图代表了本实施例的扁线各位置的组织特征，可证明该扁线具有均匀性组织。由图1可知，本实施例制得的铜银合金扁线的平均晶粒尺寸为6.5μm，尺寸分布集中在2～15μm，∑3晶界的比例高达40％左右，织构取向为<111>和<001>混合织构，其中<001>织构占比为70％左右。

本实施例将制得的铜银合金扁线在不同温度下保温1h后，测量其硬度变化，并绘制如图2所示的硬度随温度的变化图。从图2可以看出，当线材的硬度达到原始状态硬度的80％时，其对应的温度即为软化温度为320℃，远高于目前变压器用纯铜线的软化温度，这说明本发明的铜银合金扁线能够确保超高压、特高压变压器长期运行的安全性。

实施例2

(1)将原材料电解铜板与铜银中间合金按比例间隔均匀地投入至工频感应炉内进行熔化，熔化温度为1180℃，并在原材料上面覆盖木炭，其厚度为50mm，保温炉温度为1130℃，经结晶器冷却引出直径15mm的铜银合金杆，引出速度为10mm/s，结晶器进水温度为22℃，出水温度不超过45℃；

(2)对铜银合金杆进行连轧，经多道次轧制，道次变形量为17％，获得直径为6mm的轧制杆；

(3)采用7模连拉机将轧制杆拉制成形，道次变形量为18％，获得1.50*4.50mm规格的铜银合金扁线；

(4)将铜银合金扁线放置在充有氮气保护的加热炉中，加热至350℃并保温0.5h后，获得满足应用的铜银合金扁线。

本实施例制得的铜银合金扁线中银含量为0.05wt.％，铜加银总含量为99.997wt.％，氧含量为2.3ppm，主要杂质铁、镍、硫和磷的含量分别为1.5ppm、1.2ppm、1.0ppm和0.4ppm。经测定，本实施例制得的铜银合金扁线的导电率为98.9％IACS，屈服强度为310MPa，抗拉强度为350MPa，伸长率为20％，软化温度为310℃。

图3示出了本实施例制得的铜银合金扁线的典型微观组织形貌，由图3可知，本实施例制得的铜银合金扁线的平均晶粒尺寸为10μm，尺寸分布集中在5～20μm，∑3晶界的比例高达45％左右，织构取向为<111>和<001>混合织构，其中<001>织构占比为80％左右。

实施例3

(1)将原材料电解铜板与铜银中间合金按比例间隔均匀地投入至工频感应炉内进行熔化，熔化温度1200℃，并在原材料上面覆盖木炭，其厚度为65mm，保温炉温度为1150℃，经结晶器冷却引出直径20mm的铜银合金杆，引出速度为10mm/s，结晶器进水温度为20℃，出水温度不超过45℃；

(2)对铜银合金杆进行连轧，经多道次轧制，道次变形量为20％，获得直径为10mm的轧制杆；

(3)采用7模连拉机对轧制杆进行连拉成形，道次变形量为18％，获得1.20*5.50mm规格的铜银合金扁线；

(4)将铜银合金扁线放置在充有氮气保护的加热炉中，加热至320℃并保温1h后，获得满足应用的铜银合金扁线。

本实施例制得的铜银合金扁线中银含量为0.1wt.％，铜加银总含量纯度为99.995wt.％，氧含量为1.6ppm，主要杂质铁、镍、硫和磷的含量分别为2.5ppm、1.8ppm、2.0ppm和0.8ppm。经测定，本实施例制得的铜银合金扁线的导电率为98.0％IACS，屈服强度为350MPa，抗拉强度为400MPa，伸长率为15％，软化温度为340℃。

图4示出了本实施例制得的铜银合金扁线的典型微观组织形貌，由图4可知，本实施例制得的铜银合金扁线的平均晶粒尺寸为3.5μm，尺寸分布集中在1～10μm，∑3晶界的比例高达38％左右，织构取向为<111>和<001>混合织构，其中<001>织构占比为60％左右。

实施例4

一种特高压变压器用绕组线，由本发明实施例1中的工艺制备而成。

对比例1

除下述内容外，其余内容与实施例1相同。

步骤(2)中对铜银合金杆进行连轧时的道次变形量为22％。

经测定，本对比例制得的铜银合金扁线的导电率为97.4％IACS，屈服强度为340MPa，抗拉强度为395MPa，伸长率为13％，软化温度为285℃。本对比例制得的铜银合金扁线的平均晶粒尺寸为15μm，尺寸分布集中在10～40μm，∑3晶界的比例为28％左右，织构取向为<111>和<001>混合织构，其中<001>织构占比为63％左右。相对于实施例1，本对比例制得的铜银合金扁线的强度得到了提高，但伸长率、导电率和软化温度均不满足要求。

对比例2

除下述内容外，其余内容与实施例1相同。

步骤(3)中对轧制杆进行连拉时的道次变形量为8％。

本对比例制得的铜银合金扁线的导电率为98.6％IACS，屈服强度为278MPa，抗拉强度为334MPa，伸长率为16％，软化温度为292℃。本对比例制得的铜银合金扁线的平均晶粒尺寸为18μm，尺寸分布集中在14～36μm，∑3晶界的比例为45％左右，织构取向为<111>和<001>混合织构，其中<001>织构占比为67％左右。相对于实施例1，本对比例制得的铜银合金扁线的导电率有所提高，但强度和软化温度均不满足要求。

对比例3

除下述内容外，其余内容与实施例1相同。

步骤(4)中退火温度为410℃。

本对比例制得的铜银合金扁线的导电率为99.1％IACS，屈服强度为265MPa，抗拉强度为310MPa，伸长率为30％，软化温度为258℃。本对比例制得的铜银合金扁线的平均晶粒尺寸为12μm，尺寸分布集中在9～32μm，∑3晶界的比例为34％左右，织构取向为<111>和<001>混合织构，其中<001>织构占比为72％左右。相对于实施例1，本对比例扁线的导电率和伸长率均获得提高，但强度和软化温度均不满足要求。

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 (10)

1.一种铜银合金线材，其特征在于，以重量百分比计，所述铜银合金线材中铜和银的含量之和≥99.995wt.％，且银的含量为0.05-0.1wt.％，氧的含量≤5ppm。

2.根据权利要求1所述的铜银合金线材，其特征在于，所述铜银合金线材中，铁、镍、硫和磷的含量之和≤8ppm，其余杂质含量之和≤6ppm。

3.根据权利要求1或2所述的铜银合金线材，其特征在于，所述铜银合金线材的室温导电率≥98％IACS，屈服强度≥300MPa，抗拉强度≥350MPa，伸长率≥15％，软化温度≥300℃。

4.一种制备权利要求1～3任一项所述的铜银合金线材的工艺，其特征在于，包括如下步骤：

S1、采用上引冷型连铸技术制备铜银合金杆；

S2、对步骤S1制得的铜银合金杆进行多道次轧制，直至获得所需直径的轧制杆；

S3、对步骤S2制得的轧制杆进行多道次拉制，获得线材；

S4、对步骤S3制得的线材进行退火处理。

5.根据权利要求4所述的制备铜银合金线材的工艺，其特征在于，步骤S1中，原材料的熔化温度1180～1230℃，铜银合金杆的直径为12～25mm，引出速度为8～12mm/s。

6.根据权利要求4或5所述的制备铜银合金线材的工艺，其特征在于，步骤S1中，结晶器的进水温度为20～24℃，出水温度≤45℃。

7.根据权利要求4所述的制备铜银合金线材的工艺，步骤S2中，轧制时的道次变形量为15～20％，所述轧制杆的直径为6～10mm。

8.根据权利要求4或7所述的制备铜银合金线材的工艺，其特征在于，步骤S3中，拉制时的道次变形量为10～18％。

9.根据权利要求4或7所述的制备铜银合金线材的工艺，其特征在于，步骤S4中，在保护气氛的保护作用下进行退火处理，退火温度为200～400℃，时间为0.5～2h。

10.权利要求1～3任一项所述的铜银合金线材或者由权利要求4～9任一项所述的制备铜银合金线材的工艺制得的铜银合金线材在超高压变压器或特高压变压器中应用。

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