CN115198125A - 一种无氧铜杆的制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无氧铜杆的制备方法和应用。该制备方法具体为：以低含氧量铜为原料，通过上引法制备母材，在通过1130℃‑1150℃熔炼温度并将过渡腔烘烤的干燥木炭添加到炉内，并形成厚度200‑220mm的表面覆盖，引杆速度为1.1‑1.5m/min，再对上引母材进行连续挤压，得到氧含量低于5ppm的无氧铜杆，再8mm直径下进行扭转实验，正转25转后，反断转数不低于75转。本发明的制备方法过程简单、设备适用性强、非常有利于工业化生产。同时按本发明制备得到的无氧铜杆具有优异的力学、导电性能，可以用于但不限于生产新能源汽车专用线材、风电装备用线、航空航天等高端装备用线为代表的高端产品。

Description

一种无氧铜杆的制备方法和应用

技术领域

本发明涉及铜杆技术领域，尤其涉及一种无氧铜杆的制备方法和应用。

背景技术

为了控制碳排放，各国均制定了严厉的标准法规倒逼新能源汽车行业升级转型。新能源汽车电磁装置作为核心部件，其技术发展尤为重要。新能源汽车电磁装置作为核心部件，需要在有限的布置空间内，满足汽车各个工况的动力性要求。在有限空间内，设计高效、安全、可靠的高功率密度电磁装置，是实现整车轻量化，降低汽车能量损耗，需要解决的重点问题。而高功率密度电磁装置的实现重点是高功率密度绕组扁线的实现。对于这一高端产品，其生产对所使用的原杆纯度及导电率具有更高的要求。

由于氧几乎不固溶于铜中，但是可以与铜发生反应，形成的Cu-Cu₂O共晶体会以网状组织分布在晶界上。在后续的冷变形过程中这些脆性相会与铜基体脱离，从而导致断裂现象；同时氧含量高还能导致无氧铜杆导电率下降，并且容易引起氢气病。因此制备得到超低氧(氧含量<5ppm)无氧铜杆是开发高功率密度装置绕组扁线等高端产品的首要目标。

同时，新能源汽车用绕组扁线制备方法相对传统绕组线的工艺方式有很大的区别。导体尺寸的加工要求宽高比更大，尺寸要求精度更高。绝缘要求漆膜的连续性好、均匀性高，对自动绕线时的耐磨性和自动成型时的附着性都要求极高。其中，最有产业化前景的制备方法是通过采用Ф8.0mm铜杆坯经过多道次拉拔制造。这其中对Ф8.0mm铜杆的扭转性能要求较为严格，是其能否走向产业化的主要制约因素。

发明内容

本发明公开了一种无氧铜杆的制备方法和应用，以解决现有技术的上述技术问题以及其他潜在问题中的任意问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：一种无氧铜杆的制备方法，该制备方法具体包括以下步骤：

S1)选取低含氧的铜为原料，进行熔炼，并进行脱氧处理，得到无氧铜熔体；

S2)对S1)处理的无氧铜合金熔体采用上引法进行连铸，得到无氧铜杆母材；

S3)对S2)得到无氧铜杆母材进行挤压，冷却后得到氧含量低于5ppm的无氧铜杆。

进一步，所述S1)的具体工艺为：

S1.1)选取Cu wt％>99.9％的阴极铜为原料，投入至上引熔炼炉中；

S1.2)在1130℃-1150℃温度下进行熔炼，熔炼完成后保温，将过渡腔烘烤的干燥木炭添加到炉内，在铜合金熔体上均匀铺满木炭层及鳞片石墨。

进一步，所述木炭层的厚度为180-200mm，鳞片石墨覆与木炭层之上，厚度为20-40mm。

进一步，所述S2)中的上引法进行连铸的引杆速度为1.1-1.5m/min。

进一步，所述S3)的具体工艺为：

S3.1)将S2)得到到无氧铜杆母材进行预热；

S3.2)将对预热后的坯料母材进行挤压；

S3.3)对挤压机挤压得到的产品进行还原性冷却，连续收线，即得到氧含量低于5ppm 的无氧铜杆。

进一步，所述S3.1)中的预热温度为300-450℃，预热时间为30-90min；

所述S3.2)中挤压轮转数为5-9转/分钟；

所述S3.3)中的还原性冷却液为浓度为1％-25％的乙醇水溶液或乙二醇水溶液。

进一步，所述方法制备得到的无氧铜杆的直径为8-10mm，其抗拉强度不低于250MPa、伸长率不低于40％。

进一步，所述方法制备得到的无氧铜杆组织呈现典型的再结晶组织，晶粒尺寸为10-15μm，且在8mm直径下进行扭转实验，正转25转后，反断转数不低于75转。

一种无氧铜杆，所述无氧铜杆采用上述的制备方法制备得到。

一种上述的制备方法制备得到的无氧铜杆应用于电子线材、新能源汽车专用线材、风电装备用线或航空航天领域。

由于木炭和鳞片石墨都是常用的铜熔炼覆盖剂，相比较而言，鳞片石墨比木炭具有更好的致密性，因此其隔氧效果较好，但其还原除氧效果较差。因此本发明创新地引入木炭 +鳞片石墨双层覆盖方式，先采用将木炭覆盖与铜液表面，及时将熔体内的氧消除，随后再将鳞片石墨覆盖与木炭层之上以达到隔氧的效果。最后通过调控上引连铸工艺中的木炭及鳞片石墨覆盖层厚度、溶液纯净度及上引速度等关键技术，可以连续稳定制备得到氧含量低于5ppm的优质无氧铜杆母材。通过对母材采用连续挤压进一步地对其进行加工，可以制备得到性能优异的适用于高端漆包线、扁线等领域的拉丝母坯。

与现有相关拉丝用铜杆相比，具有以下优势特点：

1、相比于SCR铜杆，两者的抗拉强度及伸长率相当，但是本发明制备的铜杆的扭转性能更为优异，反转转数达到了SCR铜杆的1.5倍以上；

2、相比于传统上引无氧铜杆，无论是抗拉强度、伸长率等力学性能还是扭转等使用性能方面本发明制备的无氧铜杆都具有明显优势。其抗拉强度为传统的1.5倍以上、反转转数为传统无氧铜杆的3.5倍以上。

附图说明

图1为本发明一种无氧铜杆的制备方法的流程框图。

图2为采用本发明制备方法的实施例1中得到上引铜杆与SCR的组织对比示意图，其中图2中的(a)、图2中的(b)上引杆中心及边部；图2中的(c)、图2中的(d)SCR杆中心及边部。

图3为采用本发明制备方法的实施例2中的挤压轮转速为7rpm时制备得到的无氧铜杆的组织示意图。

具体实施方式

为便于对本发明进一步理解，以下结合具体实施例作出进一步详细描述说明。

如图1所示，本发明一种无氧铜杆的制备方法，该制备方法具体包括以下步骤：

S1)选取低含氧的铜为原料，进行熔炼，并进行脱氧处理，得到无氧铜熔体；

S2)对S1)处理的无氧铜合金熔体采用上引法进行连铸，得到无氧铜杆母材；

S3)对S2)得到无氧铜杆母材进行挤压，冷却后得到氧含量低于5ppm的无氧铜杆。

所述S1)的具体工艺为：

S1.1)选取Cu wt％>99.9％的阴极铜为原料，投入至上引熔炼炉中；

S1.2)在1130℃-1150℃温度下进行熔炼，熔炼完成后保温，将过渡腔烘烤的干燥木炭添加到炉内，在铜合金熔体上均匀铺满木炭层及鳞片石墨。

所述木炭层的厚度为180-200mm，鳞片石墨覆与木炭层之上，厚度为20-40mm。

所述S2)中的上引法进行连铸的引杆速度为1.1-1.5m/min。

所述S3)的具体工艺为：

S3.1)将S2)得到无氧铜杆母材进行预热；

S3.2)将对预热后的坯料母材进行挤压；

S3.3)对挤压机挤压得到的产品进行还原性冷却，连续收线，即得到氧含量低于5ppm 的无氧铜杆。

所述S3.1)中的预热温度为300-450℃，预热时间为30-90min；

所述S3.2)中挤压轮转数为5-9转/分钟；

所述S3.3)中的还原性冷却液为浓度为1％-25％的乙醇水溶液或乙二醇水溶液。

所述方法制备得到的无氧铜杆的直径为8-10mm，其抗拉强度不低于249MPa、伸长率不低于41％。

所述方法制备得到的无氧铜杆组织呈现典型的再结晶组织，晶粒尺寸为10-15μm，且在8mm直径下进行扭转实验，正转25转后，反断转数不低于75转。

一种无氧铜杆，所述无氧铜杆采用上述的制备方法制备得到。

一种上述的制备方法制备得到的无氧铜杆应用于电子线材、新能源汽车专用线材、风电装备用线或航空航天领域。

实施例1

一种无氧铜杆的制备方法，具体包括以下步骤：

S1.1)使用的熔炼温度为1140℃；

S1.2)中木炭的厚度为180mm，鳞片石墨层厚度为20mm。

S2.1)中的上引速度为1.5m；

S3.1)的预热温度为450℃，预热时间为60min；

S3.2)挤压轮转数为3转/分钟；S3.3)挤压轮转数为9转/分钟；

S3.4)使用5％乙醇作为冷却液；最终制备得到的杆径为8mm，含氧量为4.93ppm的无氧铜杆，其抗拉强度为259MPa、伸长率为41％。

将得到的无氧铜杆采用正转25转后，反断转数为82转。

将采用上引连铸的无氧铜杆与SCR的组织对比图，其中图2中(a)、图2中(b)上引杆中心及边部；图2(c)、图2中(d)SCR杆中心及边部。从图2(a)、(b)可以看出，上引铜杆的横截面心部组织为向中心汇聚型的柱状晶组织，中部为柱状晶，而边部为柱状晶+等轴晶的晶粒组织，平均晶粒尺寸为198.1μm。图2(c)、(d)为SCR工艺制备的铜杆的金相组织，从中可以看出SCR铜杆为典型的等轴晶，且心部、中部和边部的晶粒尺寸相差不大，大约均为11.3μm。

实施例2

一种无氧铜杆的制备方法，具体包括以下步骤：

S1.1)使用的熔炼温度为1130℃；

S1.2)中木炭的厚度为200mm，鳞片石墨层厚度为20mm。

S2.1)中的上引速度为1.5m；

S3.1)的预热温度为300℃，预热时间为90min；

S3.2)挤压轮转数为4转/分钟；

S3.3)挤压轮转数为7转/分钟；当挤压轮转速为7rpm时，回复再结晶的程度进一步加大，显微组织趋于均匀。这是因为随着挤压轮转速的提高，挤压温度随之升高，位错的攀移和交滑移更容易，亚晶界容易迁移长大，亚晶也容易转动、聚合，并发展为动态再结晶的核心从而使热变形时的形核率增大，使动态再结晶可以更加充分，晶粒越来越均匀，如图3所示。

S3.4)使用15％乙醇作为冷却液；最终制备得到的杆径为10mm，含氧量为4.53ppm的无氧铜杆，其抗拉强度为251MPa、伸长率为42.2％、正转25转后反断转数为80转。

实施例3

一种无氧铜杆的制备方法，具体包括以下步骤：

S1.1)使用的熔炼温度为1140℃；

S1.2)中木炭的厚度为180mm，鳞片石墨层厚度为40mm。

S2.1)中的上引速度为1.1m；

S3.1)的预热温度为300℃，预热时间为90min；

S3.2)挤压轮转数为4转/分钟；S3.3)挤压轮转数为9转/分钟；S3.4)使用1％乙醇作为冷却液；最终制备得到的杆径为10mm，含氧量为4.66ppm的无氧铜杆，其抗拉强度为249MPa、伸长率为43％、正转25转后反断转数79转；所制备的无氧铜杆与其他工艺扭转性能对比。上引连铸的扭转性能最低，只有22.9转；SCR杆的为59.1转；上引连铸+ 连续挤压铜杆最高，为80.5转，如表1所示：

制备工艺	正转25转后反转转数
		上引连铸	22.9
SCR连铸连轧	59.1
		上引连铸+连续挤压	80.5

以上对本申请实施例所提供的一种无氧铜杆的制备方法和应用，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。

Claims (10)

1.一种无氧铜杆的制备方法，其特征在于，该制备方法具体包括以下步骤：

S1)选取低含氧的铜为原料，进行熔炼，并进行隔离氧处理，得到无氧铜熔体；

S2)对S1)处理的无氧铜熔体采用上引法以设定的引杆速度进行连铸，进一步降低氧含量，得到无氧铜杆母材；

S3)对S2)得到无氧铜杆母材进行挤压，冷却后得到具有再结晶组织，且氧含量低于5ppm的无氧铜杆。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述S1)的具体工艺为：

S1.1)选取Cu wt％>99.9％的阴极铜为原料，投入至上引熔炼炉中；

S1.2)在1130℃-1150℃温度下进行熔炼，熔炼完成后保温，将过渡腔烘烤的干燥木炭添加到炉内，在铜合金熔体上均匀铺满木炭层和鳞片石墨。

3.根据权利要求2所述制备方法，其特征在于，所述木炭层的厚度为180-200mm，鳞片石墨覆与木炭层之上，厚度为20-40mm。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S2)中的上引法进行连铸的引杆速度为1.1-1.5m/min。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S3)的具体工艺为：

S3.1)将S2)得到无氧铜杆母材进行预热；

S3.2)将S3.1)对预热后的坯料母材进行挤压；

S3.3)对挤压机挤压得到的产品进行还原性冷却，连续收线，即得到氧含量低于5ppm的无氧铜杆。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，

所述S3.1)中的预热温度为300-450℃，预热时间为30-90min；

所述S3.2)中挤压轮转数为5-9转/分钟；

所述S3.3)中的还原性冷却液为浓度为1％-25％的乙醇水溶液或乙二醇水溶液。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述方法制备得到的无氧铜杆的直径为8-10mm，其抗拉强度不低于250MPa、伸长率不低于40％。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述方法制备得到的无氧铜杆组织呈现再结晶组织，晶粒尺寸为10-15μm，且在8mm直径下进行扭转实验，正转25转后，反断转数不低于75转。

9.一种无氧铜杆，其特征在于，所述无氧铜杆采用权利要求1-8任意一项所述的制备方法制备得到。

10.一种如权利要求1-8任意一项所述的制备方法制备得到的无氧铜杆应用于新能源汽车专用线材、风电装备用线或航空航天领域。

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