專利名稱：高強(qiáng)度銅合金導(dǎo)電絲材及生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于銅合金技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種高強(qiáng)度銅合金導(dǎo)電絲材及生產(chǎn)方法。
背景技術(shù)：
銅及銅合金具有良好的傳導(dǎo)性，是電力、電子及通訊領(lǐng)域主要的電載體材料，通常用作電線或電纜的材料主要是純銅，如T2、TU1、TU2和TUP，這類材料導(dǎo)電性能優(yōu)良，能夠在常溫條件下進(jìn)行大變形量的塑性加工，并獲得所需尺寸和性能。上述材料的抗拉強(qiáng)度和耐熱性都較低，在滿足導(dǎo)電性的同時(shí)，不能滿足受較大應(yīng)力和高溫作業(yè)等場合，因此在要求電纜或電線能頻繁經(jīng)受拖拉、踩壓、扭折或過熱等惡劣使用條件時(shí)，都使用綜合性能優(yōu)異的銅鎘(Cu-Cd)合金導(dǎo)線，但是Cu-Cd合金線材在熔鑄生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的鎘蒸汽，對(duì)人體和環(huán)境有嚴(yán)重的污染，因此大量使用Cu-Cd合金導(dǎo)線將對(duì)環(huán)境保護(hù)構(gòu)成極大的危害。
由于Cu-Cd合金導(dǎo)線市場需求量大，為徹底解決該材料生產(chǎn)的污染問題，材料科學(xué)領(lǐng)域廣泛開展了Cu-Cd合金導(dǎo)線代用材料的研究，目前市場上用于替代Cu-Cd合金線材的牌號(hào)有Cu-Fe-P、Cu-Mg、Cu-Sn、Cu-Sn-P等合金，但前三種合金線材的導(dǎo)電性能和力學(xué)性能都略低于Cu-Cd合金線材，Cu-Sn-P合金線材的強(qiáng)度與Cu-Cd合金相當(dāng)、但導(dǎo)電性能很低，因此這些材料作為Cu-Cd合金替代材料均有明顯不足。
常用高強(qiáng)度導(dǎo)電材料主要采用沉淀強(qiáng)化工藝，如Cu-Co-Be、Cu-Ni-Si、Cu-Cr-Zr等，這些材料的強(qiáng)度和導(dǎo)電性能都達(dá)到或超過Cu-Cd合金水平，但作為特種電纜生產(chǎn)的絲材尺寸要求為Ф0.1mm，這意味著材料冷加工的變形率很大，而前述材料的塑性不能滿足特種電纜的成形工藝要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種高強(qiáng)度銅合金導(dǎo)電絲材和生產(chǎn)方法，其目的是作為Cu-Cd合金線材的替代材料用于制造能夠頻繁經(jīng)受拖拉、踩壓、扭折和過熱等惡劣條件下使用的特種電纜或?qū)Ь€。
本發(fā)明所述的高強(qiáng)度銅合金導(dǎo)電絲材的化學(xué)成分(重量百分比)Mg0.2～0.6％、Ni0.4～0.8％、Si0.1～0.2％、Zr0.08～0.2％、Cu余量。
材料的力學(xué)性能見表1。
表1 高強(qiáng)度銅合金導(dǎo)電絲材性能

為了使材料在產(chǎn)品尺寸條件下獲得理想的使用性能，銅合金導(dǎo)電絲材的制備方法包括固溶+沉淀+冷加工，使材料兼顧沉淀強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化和冷加工強(qiáng)化的特點(diǎn)，尤其適應(yīng)超大變形量的冷加工工藝要求。具體為(1)合金熔鑄銅合金采用工頻有芯感應(yīng)爐熔煉，熔煉時(shí)先放入經(jīng)烘烤的硼砂作熔劑，將0.4～0.78wt％的鎳、0.12～0.24wt％的硅和98.5～99.5wt％的電解銅，依次分層置入爐內(nèi)并優(yōu)先熔化，合金全部熔化后進(jìn)行扒渣，再用經(jīng)過烘烤的木炭覆蓋，精煉1小時(shí)后在爐溫升至1200～1300℃時(shí)，將熔融金屬倒入保溫爐，在木炭覆蓋條件下加入Cu-Mg和Cu-Zr中間合金，為了確保合金的導(dǎo)電性能和加工塑性，鑄造工藝實(shí)施前可在合金內(nèi)繼續(xù)添加0.01～0.2wt％的B或稀土作為工藝元素，并使合金液恒溫在1160～1220℃左右條件下進(jìn)行水平連鑄，鑄坯直徑為Ф12～40mm，鑄坯在拉-停-拉狀態(tài)下從結(jié)晶器引出，在冷卻水溫度≤35℃、水壓為0.12Mpa時(shí)，其引出速度控制在0.10～0.18m/min。
(2)鑄坯的軋制與拉拔水平連鑄的坯料尺寸大于Ф16mm時(shí)，采用熱軋工藝制成盤元，合金開軋溫度為820～860℃，終軋溫度為600～650℃，小于Ф16mm的鑄坯可以直接拉拔。線坯表面存在一定的缺陷時(shí)，采用剝皮模對(duì)線坯進(jìn)行冷拉去除缺陷，然后在井式爐內(nèi)進(jìn)行560℃×2h的退火，退火后的線坯以每道次10～15％的變形率冷拉成形，線材初拉時(shí)如殘留毛刺等缺陷可以修磨后再拉，單次退火后總變形量控制在80％以內(nèi)。線材固溶處理前的拉制尺寸為Ф1.2mm。
(3)固溶處理銅合金固溶處理工藝為850℃×0.5h+水淬。高強(qiáng)度銅合金導(dǎo)電絲材的強(qiáng)化機(jī)制是固溶+沉淀+冷加工的復(fù)合型強(qiáng)化，材料的固溶處理是獲取材料性能的基本條件，在該工藝中部分處于顯微偏析下的Mg、原生的第二相顆粒Ni2Si和Zr能充分溶解于銅基體，這為隨后的冷加工及時(shí)效處理工藝奠定了基礎(chǔ)。
(4)冷拉及時(shí)效處理合金線材固溶處理后要進(jìn)行酸洗處理，然后繼續(xù)冷拉成形，線材直徑達(dá)到0.4mm時(shí)進(jìn)行時(shí)效處理，時(shí)效時(shí)材料在保護(hù)氣氛(或真空條件)下實(shí)施，合金時(shí)效工藝為450℃×1h爐冷，在該條件下合金材料的導(dǎo)電性能和塑性最佳、力學(xué)性能水平適中，為進(jìn)一步提高材料的強(qiáng)度，時(shí)效處理后繼續(xù)將線材冷拉至Ф0.1mm的成品尺寸，該工序合金絲材變形量大于90％，這時(shí)材料的電學(xué)性能接近Cu-Cd合金線材的水平，力學(xué)性能超過了Cu-Cd合金線材的指標(biāo)。
本發(fā)明具有以下特點(diǎn)1、經(jīng)理論分析計(jì)算和反復(fù)工藝及性能試驗(yàn)，銅合金的成分包含了Mg、Ni、Si、Zr等合金元素。其中Mg是固溶強(qiáng)化元素，Ni和Si構(gòu)成了Ni2Si金屬間化合物，屬于沉淀強(qiáng)化相，而Zr可以細(xì)化金屬基體、促進(jìn)Ni2Si的彌散化、提高材料的耐熱性，并在熔煉過程中對(duì)合金元素Mg的含量有一定的穩(wěn)定作用。
2、本發(fā)明設(shè)計(jì)的Cu-Mg-Ni-Si-Zr合金，可以在常規(guī)工業(yè)化條件下生產(chǎn)，其生產(chǎn)過程不產(chǎn)生有害物質(zhì)，與Cu-Cd合金相比具有環(huán)保效應(yīng)；3、本發(fā)明設(shè)計(jì)的Cu-Mg-Ni-Si-Zr合金與Cu-Fe-P、Cu-Mg、Cu-Sn、Cu-Sn-P等合金相比具有更好的綜合性能，更符合Cu-Cd合金的性能要求；4、本發(fā)明設(shè)計(jì)的Cu-Mg-Ni-Si-Zr合金雖然比Cu-Co-Be、Cu-Ni-Si、Cu-Cr-Zr等沉淀強(qiáng)化合金的綜合性能稍低，但該材料塑性比前者好，適合采用大變形工藝生產(chǎn)超細(xì)絲材。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1采用前述工藝生產(chǎn)的成分為Mg0.41％、Ni0.45％、Si0.12％、Zr0.09％、銅為余量的合金。該合金熔化結(jié)束后，在1220℃恒溫條件下以0.17m/min速度連鑄Ф16mm線坯，經(jīng)剝皮、退火、冷拔、固溶處理(Ф1.2mm、850℃×0.5h)、冷拔、時(shí)效處理(Ф0.4mm、450℃×1h)和冷拔，在Ф0.1mm的成品尺寸時(shí)性能為σb770MPa，δ106.5％，％IACS63，單向扭轉(zhuǎn)36次；
實(shí)施例2采用前述工藝生產(chǎn)的成分為Mg0.45％、Ni0.43％、Si0.1％、Zr0.12％、銅為余量的合金。該合金熔化結(jié)束后，在1200℃恒溫條件下以0.16m/min速度連鑄Ф16mm線坯，經(jīng)剝皮、退火、冷拔、固溶處理(Ф1.2mm、850℃×0.5h)、冷拔、時(shí)效處理(Ф0.4mm、450℃×1h)和冷拔，在Ф0.1mm的成品尺寸時(shí)性能為σb760MPa，δ105％，％IACS65，單向扭轉(zhuǎn)35次；實(shí)施例3采用前述工藝生產(chǎn)的成分為Mg0.2％、Ni0.8％、Si0.2％、Zr0.15％、銅為余量的合金。該合金熔化結(jié)束后，在1160℃恒溫條件下以0.1m/min速度連鑄Ф40mm坯料，經(jīng)軋制、剝皮、退火、冷拔、固溶處理(Ф1.2mm、850℃×0.5h)、冷拔、時(shí)效處理(Ф0.4mm、450℃×1h)和冷拔，在Ф0.1mm的成品尺寸時(shí)性能為σb790MPa，δ105％，％IACS61，單向扭轉(zhuǎn)30次；實(shí)施例4采用前述工藝生產(chǎn)的成分為Mg0.6％、Ni0.4％、Si0.1％、Zr0.2％、銅為余量的合金。該合金熔化結(jié)束后，在1180℃恒溫條件下以0.12m/min速度連鑄Ф30mm坯料，經(jīng)軋制、剝皮、退火、冷拔、固溶處理(Ф1.2mm、850℃×0.5h)、冷拔、時(shí)效處理(Ф0.4mm、450℃×1h)和冷拔，在Ф0.1mm的成品尺寸時(shí)性能為σb750MPa，δ106％，％IACS63，單向扭轉(zhuǎn)36次；實(shí)施例5采用前述工藝生產(chǎn)的成分為Mg0.3％、Ni0.62％、Si0.15％、Zr0.15％、銅為余量的合金。該合金熔化結(jié)束后，在1200℃恒溫條件下以0.16m/min速度連鑄Ф16mm坯料，經(jīng)剝皮、退火、冷拔、固溶處理(Ф1.2mm、850℃×0.5h)、冷拔、時(shí)效處理(Ф0.4mm、450℃×1h)和冷拔，在Ф0.1mm的成品尺寸時(shí)性能為σb770MPa，δ105.5％，％IACS62，單向扭轉(zhuǎn)31次。
權(quán)利要求
1.一種高強(qiáng)度銅合金導(dǎo)電絲材，其特征是其合金成分為Mg0.2～0.6wt％、Ni0.4～0.8wt％、Si0.1～0.2wt％、Zr0.08～0.2wt％、Cu余量。
2.制備權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)方法，其特征在于(1)合金熔鑄銅合金采用工頻有芯感應(yīng)爐熔煉，熔煉時(shí)先放入經(jīng)烘烤的硼砂作熔劑，將0.4～0.78wt％的鎳、0.12～0.24wt％的硅和98.5～99.5wt％的電解銅，依次分層置入爐內(nèi)并優(yōu)先熔化，合金全部熔化后進(jìn)行扒渣，再用經(jīng)過烘烤的木炭覆蓋，精煉1小時(shí)后在爐溫升至1200～1300℃時(shí)，將熔融金屬倒入保溫爐，在木炭覆蓋條件下加入Cu-Mg和Cu-Zr中間合金，并使合金液恒溫1160～1220℃左右條件下進(jìn)行水平連鑄，鑄坯直徑為Φ12～40mm，鑄坯在拉-停-拉狀態(tài)下從結(jié)晶器引出，在冷卻水溫度≤35℃、水壓為0.12Mpa時(shí)，其引出速度控制在0.10～0.18m/min；(2)鑄坯的軋制與拉拔水平連鑄的坯料尺寸大于Φ16mm時(shí)，采用熱軋工藝制成盤元，合金開軋溫度為820～860℃，終軋溫度為600～650℃，小于Φ16mm的鑄坯直接拉拔；線坯表面存在一定的缺陷時(shí)，采用剝皮模對(duì)線坯進(jìn)行冷拉去除缺陷，然后在井式爐內(nèi)進(jìn)行560℃×2h的退火，退火后的線坯以每道次10～15％的變形率冷拉成形；(3)固溶處理銅合金固溶處理工藝為850℃×0.5h+水淬；(4)冷拉及時(shí)效處理合金線材固溶處理后進(jìn)行酸洗處理，然后繼續(xù)冷拉成形；線材直徑達(dá)到0.4mm時(shí)進(jìn)行時(shí)效處理，合金時(shí)效工藝為450℃×1h爐冷，時(shí)效處理后繼續(xù)將線材冷拉至Φ0.1mm的成品尺寸。
3.按照權(quán)利要求2所述的高強(qiáng)度銅合金導(dǎo)電絲材的生產(chǎn)方法，其特征是在合金內(nèi)添加0.01～0.2wt％的B或稀土元素。
全文摘要
本發(fā)明屬于銅合金技術(shù)領(lǐng)域，可作為Cu－Cd合金線材的替代材料用于制造能夠頻繁經(jīng)受拖拉、踩壓、扭折和過熱等惡劣條件下使用的特種電纜或?qū)Ь€。本發(fā)明所述的高強(qiáng)度銅合金導(dǎo)電絲材的化學(xué)成分Mg 0.2～0.6％、Ni 0.4～0.8％、Si 0.1～0.2％、Zr 0.08～0.2％、Cu余量。制備方法包括固溶+沉淀+冷加工，使材料兼顧沉淀強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化和冷加工強(qiáng)化的特點(diǎn)，尤其適應(yīng)超大變形量的冷加工工藝要求。由于銅合金的成分包含了Mg、Ni、Si、Zr等合金元素。其中Mg是固溶強(qiáng)化元素，Ni和Si構(gòu)成了Ni
文檔編號(hào)B21B37/74GK1804073SQ200510123009
公開日2006年7月19日 申請(qǐng)日期2005年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月13日
發(fā)明者徐玉松, 張超, 呂偉剛 申請(qǐng)人:江蘇科技大學(xué)