一种高性能铜导线及其制备方法
【专利摘要】本发明公开一种高性能铜导线的制备方法，包括如下步骤：S1将电解铜和木炭加入熔炼炉中得到铜液，通入惰性气体；S2向铜液中加入铜铬中间合金，再加入锆丝、镁条、纯碲、纯砷和稀土金属镧、钇，得到铜合金熔液；S3检测铜合金熔液的组分包括：Cr 0.45?0.55％，Zr 0.3?0.4％，Te 0.1?0.15％，La 0.07?0.12％，Y 0.05?0.09％，As 0.02?0.04％，Mg≤0.10％，余量为Cu；S4将铜合金溶液中真空上引，经连续挤压后，得到所述高性能铜导线。本发明所述制备得到的铜导线不仅导电率达到95％IACS以上，而且抗拉强度也在550MPa以上。
【专利说明】
一种高性能铜导线及其制备方法
技术领域
[0001]本发明涉及电工用铜技术领域，尤其涉及一种高性能铜导线及其制备方法。【背景技术】
[0002]随着电工产业的发展，市场对电缆、导线、开关出头及供配电设备用铜导线的需求量迅速增加。铜导线之所以能引起重视并得到推广，是与其高导电、高导热性能是分不开的，随着集成电路向高密度、多功能、小型化、低成本方向发展，特别是封装形式由传统的陶瓷封装向塑料封装转变，与塑料封装相匹配的铜导线必将大有用武之地。
[0003]铜导线目前存在的主要问题是强度较低，有必要通过加入合金元素来大幅度提高其强度，如日本开发的Cu-N1-Si系铜合金材料强度虽已达到550MPa以上，但合金强化往往伴随导电性的降低，而导电性对铜导线来说是最重要的性能指标。处理好两者的矛盾，研制出一种导电性接近纯铜而强度较纯铜提高一倍甚至以上的高强高导的铜导线材料，对于现有电工产业发展具有重要的意义。
【发明内容】
[0004]基于【背景技术】存在的技术问题，本发明提出了一种高性能铜导线及其制备方法， 所述制备得到的铜导线不仅导电率达到95% IACS以上，而且抗拉强度也在550MPa以上。
[0005]本发明提出的一种高性能铜导线的制备方法，包括如下步骤:
[0006]S1、将电解铜和木炭加入熔炼炉中升温融化得到铜液，向铜液中通入惰性气体，惰性气体的流量为〇.2-0.6m3/h，通气时间为25-45min;
[0007]S2、向S1得到的铜液中加入铜铬中间合金，再加入锆丝、镁条、纯碲、纯砷和稀土金属镧、钇，升温至1190-12HTC，电磁搅拌至熔体成分均匀，得到铜合金熔液；
[0008]S3、将S2得到的铜合金熔液引入到保温炉中，在熔炼炉和保温炉之间的流槽中设有陶瓷过滤板，保温炉的温度为1200-1240°C，向保温炉中的铜合金熔液表面加入高纯石墨碳粉形成覆盖层，检测铜合金熔液的组分，其按重量百分比包括:Cr 0.45-0.55%，Zr0.3-0.4%，Te 0.1-0.15%，La 0.07-0.12%，Y 0.05-0.09%，As 0.02-0.04%，Mg彡0.10%，余量为Cu;
[0009]S4、将中空结晶器伸入到S3得到的铜合金溶液中，用牵引机组离合式真空上引得到无氧铜杆，所述无氧铜杆经连续挤压后，再经真空防氧化管及水槽冷却、吹干至常温，得到所述高性能铜导线。[0〇1〇]优选地，S1中，所述木炭为煅烧木炭，其通过将粒径大小为20-40mm的木炭，在惰性气体的保护条件下，以15-20°C的升温速率升至700-800°C，保温煅烧3-5h得到；优选地，所述木炭的用量为电解铜质量的0.4-0.8%。[〇〇11 ] 优选地，S1中，所述惰性气体为N2、Ar、N2+Ar、N2+C0、Ar+C0或者N2+Ar+C0中的一种。
[0012] 优选地，S3中，高纯石墨碳粉形成覆盖层的厚度彡40mm。[0〇13] 优选地，S3中，所述铜合金恪液的铜导线中可形成强化相Cu2ZrMg，Cu2ZrMg的含量符合如下公式:[Cu2ZrMg] = 0.35 [ Zr ] -[Mg]，[Cu2ZrMg]为Cu2ZrMg在铜合金恪液中的百分含量，[Zr ]为Zr在铜合金熔液中的百分含量，[Mg]为Mg在铜合金熔液中的百分含量。[〇〇14] 优选地，S4中，所述的牵引机组的引杆速度为500-1000mm/min，冷却循环出水温度为 35-50 °C。[〇〇15] 优选地，S4中，连续挤压机的转速为10-20r/min，挤出速度为5-10m/min，挤压过程中铜线的温度为400-550 °C，挤压腔内的压力为1000_1200MPa，经连续挤压后得到的铜线直径为 ￠3-08mm。
[0016]本发明提出的一种高性能铜导线，采用上述高性能铜导线的制备方法制成。
[0017]相较于现有技术，本发明提出的一种高性能铜导线的制备方法，首先，从电解铜出发，利用高温煅烧后的木炭在铜液中的还原作用，其不仅可以与铜液中的氧化物质反应以进行脱氧作用，而且由于本身的比重较轻其始终漂浮在铜液面之上，隔氧效果明显;在木炭对电解铜除氧的同时，还通过向铜液中通入惰性气体来对铜液进行除氧，由于向铜液中吹入惰性气体，有助于扩大熔融铜液中的二氧化碳与木炭的接触面积，使熔融铜液中二氧化碳的扩散速度加快，与在炉内单纯使用木炭脱氧相比，吹入一定计量的氮气以后，大量生成一氧化碳，促进了脱氧效果，上述的这种复合脱氧方式，可以使铜液中的含氧量得到大幅度降低，极大增强了其制备的铜导线的导电率。
[0018]其次，为了获得增强导线材料的强度等力学性能，本发明中通过控制合理的配比， 在铜液中加入金元素〇、21~、16、1^、￥、48和1%，其中0、]\^元素的加入有利于在导线中形成适量的强化相Cu2ZrMg，其不仅可以大幅度提高铜导线材料的强度，而且对铜导线导电率影响最小;此外铜液中加入的La、Y稀土元素则使得熔体晶粒得到细化，由于其与铜的原子大小及价电子的差别，使晶界与稀土原子之间的相互作用力增强，再结晶温度提高l〇〇°C以上，从而较好地提高了铜的热强性，并确保了导电用铜材的导电率，显著改变导线的导电性能、强度、拉伸和加工性能等;Te、As的加入则作为辅助元素，其促进了 La、Y与铜合金的融合，使得后者在后续上引铸造无氧铜杆时的晶粒全部为细等轴晶组织，因此较好地消除了铸坯的柱状晶区，从而有效地改善无氧铜杆乃至铜导线的导电率、延伸率、强度极限等性能。[〇〇19]最后，本发明对铜合金熔液进行上引连铸，为避免吸氧，通过在铜合金熔液表面设置由高纯石墨碳粉形成的隔氧层，避免了二次吸氧过程，同时对上引过程中铜合金熔液温度、以及结晶器冷却水的温度和上引速度进行约束，使获得的无氧铜杆的晶体组织均匀性的加工韧性上得到了良好的保障;此后本发明采用连续挤压技术，将上引连铸铜杆经过动态再结晶，使粗大的铸造组织，转变为细小均匀、致密的再结晶组织，晶粒尺寸小于0.005-0.015_，组织细小致密具有良好的屈服强度和加工韧性，也为后续铜导线的加工变形提供保证，最终制备出所述高性能的铜导线。
[0020]综合上述，本发明从铜导线的导电和强度性能出发，对生产铜杆的铜合金熔液的有害元素含量和合金元素种类含量进行合理设计，明显改善铜导线的抗拉强度、屈服强度、 延伸率以及电阻率，使其综合性能显著提高，与此同时采用合理的脱氧操作来保证铜导线的导电性能，结合上引、挤压过程中的温度以及操作进行优化，使得铜导线的导电、强度、塑性等都得到良好控制，使得整个铜导线的制备过程形成相互配合的整体。【具体实施方式】
[0021]下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。[〇〇22] 实施例1
[0023]本发明提出的一种高性能铜导线的制备方法，包括如下步骤:[〇〇24] S1、将电解铜和木炭加入熔炼炉中升温融化得到铜液，向铜液中通入N2，N2的流量为0.2m3/h，通气时间为45min，其中所述木炭为煅烧木炭，其通过将粒径大小为20mm的木炭，在惰性气体的保护条件下，以20°C的升温速率升至700°C，保温煅烧5h得到，且所述木炭的用量为电解铜质量的0.4% ;[〇〇25]S2、向S1得到的铜液中加入铜铬中间合金，再加入锆丝、镁条、纯碲、纯砷和稀土金属镧、钇，升温至1190°C，电磁搅拌至熔体成分均匀，得到铜合金熔液；
[0026]S3、将S2得到的铜合金熔液引入到保温炉中，在熔炼炉和保温炉之间的流槽中设有陶瓷过滤板，保温炉的温度为1200°C，向保温炉中的铜合金熔液表面加入高纯石墨碳粉形成厚度40mm的覆盖层，检测铜合金熔液的组分，其按重量百分比包括:Cr 0.55%，Zr 0.3%，Te 0.15%，La 0.07%，Y 0.09%，As 0.02%，Mg 0.10%，余量为Cu;
[0027]S4、将中空结晶器伸入到S3得到的铜合金溶液中，用牵引机组离合式真空上引得到无氧铜杆，所述的牵引机组的引杆速度为500mm/min，冷却循环出水温度为50°C，所述无氧铜杆经连续挤压后，连续挤压机的转速为l〇r/min，挤出速度为10m/min，挤压过程中铜线的温度为400°C，挤压腔内的压力为1200MPa，经连续挤压后得到的铜线直径为〇3mm，再经真空防氧化管及水槽冷却、吹干至常温，得到所述高性能铜导线。[〇〇28] 实施例2
[0029]本发明提出的一种高性能铜导线的制备方法，包括如下步骤:
[0030]S1、将电解铜和木炭加入熔炼炉中升温融化得到铜液，向铜液中通入Ar，Ar的流量为0.6m3/h，通气时间为25min，其中所述木炭为煅烧木炭，其通过将粒径大小为40mm的木炭，在惰性气体的保护条件下，以15°C的升温速率升至800°C，保温煅烧3h得到，且所述木炭的用量为电解铜质量的0.8% ;
[0031]S2、向S1得到的铜液中加入铜铬中间合金，再加入锆丝、镁条、纯碲、纯砷和稀土金属镧、钇，升温至1210°C，电磁搅拌至熔体成分均匀，得到铜合金熔液；
[0032]S3、将S2得到的铜合金熔液引入到保温炉中，在熔炼炉和保温炉之间的流槽中设有陶瓷过滤板，保温炉的温度为1240°C，向保温炉中的铜合金熔液表面加入高纯石墨碳粉形成厚度50mm的覆盖层，检测铜合金熔液的组分，其按重量百分比包括:Cr 0.45%，Zr 0.4%，Te 0.1%，La 0.12%，Y 0.05%，As 0.04%，Mg 0.09%，余量为Cu;
[0033]S4、将中空结晶器伸入到S3得到的铜合金溶液中，用牵引机组离合式真空上引得到无氧铜杆，所述的牵引机组的引杆速度为l〇〇〇mm/min，冷却循环出水温度为35°C，所述无氧铜杆经连续挤压后，连续挤压机的转速为20r/min，挤出速度为5m/min，挤压过程中铜线的温度为550°C，挤压腔内的压力为lOOOMPa，经连续挤压后得到的铜线直径为〇8mm，再经真空防氧化管及水槽冷却、吹干至常温，得到所述高性能铜导线。[〇〇34] 实施例3
[0035]本发明提出的一种高性能铜导线的制备方法，包括如下步骤:
[0036]S1、将电解铜和木炭加入熔炼炉中升温融化得到铜液，向铜液中通入他+Ar的混合气体，N2+Ar的混合气体的流量为0.4m3/h，通气时间为35min，其中所述木炭为煅烧木炭，其通过将粒径大小为30mm的木炭，在惰性气体的保护条件下，以18°C的升温速率升至750°C， 保温煅烧4h得到，且所述木炭的用量为电解铜质量的0.6%;[〇〇37]S2、向S1得到的铜液中加入铜铬中间合金，再加入锆丝、镁条、纯碲、纯砷和稀土金属镧、钇，升温至1200°C，电磁搅拌至熔体成分均匀，得到铜合金熔液；
[0038]S3、将S2得到的铜合金熔液引入到保温炉中，在熔炼炉和保温炉之间的流槽中设有陶瓷过滤板，保温炉的温度为1220°C，向保温炉中的铜合金熔液表面加入高纯石墨碳粉形成厚度60mm的覆盖层，检测铜合金熔液的组分，其按重量百分比包括:Cr 0.5%，Zr 0.35%，Te 0.12%，La 0.09%，Y 0.07%，As 0.03%，Mg 0.08%，余量为Cu;
[0039]S4、将中空结晶器伸入到S3得到的铜合金溶液中，用牵引机组离合式真空上引得到无氧铜杆，所述的牵引机组的引杆速度为700mm/min，冷却循环出水温度为40°C，所述无氧铜杆经连续挤压后，连续挤压机的转速为15r/min，挤出速度为7m/min，挤压过程中铜线的温度为450°C，挤压腔内的压力为llOOMPa，经连续挤压后得到的铜线直径为〇5mm，再经真空防氧化管及水槽冷却、吹干至常温，得到所述高性能铜导线。
[0040]实施例4
[0041]本发明提出的一种高性能铜导线的制备方法，包括如下步骤:[〇〇42]S1、将电解铜和木炭加入熔炼炉中升温融化得到铜液，向铜液中通AN2+Ar+⑶的混合气体，N2+Ar+C0的混合气体的流量为0.3m3/h，通气时间为30min，其中所述木炭为煅烧木炭，其通过将粒径大小为25mm的木炭，在惰性气体的保护条件下，以16°C的升温速率升至 780°C，保温煅烧3.5h得到，且所述木炭的用量为电解铜质量的0.5% ;
[0043]S2、向S1得到的铜液中加入铜铬中间合金，再加入锆丝、镁条、纯碲、纯砷和稀土金属镧、钇，升温至1195°C，电磁搅拌至熔体成分均匀，得到铜合金熔液；
[0044]S3、将S2得到的铜合金熔液引入到保温炉中，在熔炼炉和保温炉之间的流槽中设有陶瓷过滤板，保温炉的温度为1210°C，向保温炉中的铜合金熔液表面加入高纯石墨碳粉形成厚度50mm的覆盖层，检测铜合金熔液的组分，其按重量百分比包括:Cr 0.48%，Zr 0.36%，Te 0.13%，La 0.1%，Y 0.06%，As 0.03%，Mg 0.85%，余量为Cu;
[0045]S4、将中空结晶器伸入到S3得到的铜合金溶液中，用牵引机组离合式真空上引得到无氧铜杆，所述的牵引机组的引杆速度为800mm/min，冷却循环出水温度为45°C，所述无氧铜杆经连续挤压后，连续挤压机的转速为16r/min，挤出速度为8m/min，挤压过程中铜线的温度为500°C，挤压腔内的压力为llOOMPa，经连续挤压后得到的铜线直径为〇6mm，再经真空防氧化管及水槽冷却、吹干至常温，得到所述高性能铜导线。
[0046]本发明提出的一种高性能铜导线，采用上述实施例1-4中所述高性能铜导线的制备方法制成。[〇〇47] 对上述实施例1-4中得到的铜导线进行测试，其不仅导电率达到95%IACS以上，而且抗拉强度也在550MPa以上。[〇〇48]以上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种高性能铜导线的制备方法，其特征在于，包括如下步骤:51、将电解铜和木炭加入熔炼炉中升温融化得到铜液，向铜液中通入惰性气体，惰性气 体的流量为0.2-0.6m3/h，通气时间为25-45min;52、向S1得到的铜液中加入铜铬中间合金，再加入锆丝、镁条、纯碲、纯砷和稀土金属 镧、钇，升温至1190-12HTC，电磁搅拌至熔体成分均匀，得到铜合金熔液；53、将S2得到的铜合金熔液引入到保温炉中，在熔炼炉和保温炉之间的流槽中设有陶 瓷过滤板，保温炉的温度为1200-1240°C，向保温炉中的铜合金熔液表面加入高纯石墨碳粉 形成覆盖层，检测铜合金熔液的组分，其按重量百分比包括:Cr 0.45-0.55%，Zr0.3-0.4%，Te 0.1-0.15%，La 0.07-0.12%，Y 0.05-0.09%，As 0.02-0.04%，Mg彡0.10%，余 量为Cu;54、将中空结晶器伸入到S3得到的铜合金溶液中，用牵引机组离合式真空上引得到无 氧铜杆，所述无氧铜杆经连续挤压后，再经真空防氧化管及水槽冷却、吹干至常温，得到所 述高性能铜导线。2.根据权利要求1所述高性能铜导线的制备方法，其特征在于，S1中，所述木炭为煅烧 木炭，其通过将粒径大小为20-40_的木炭，在惰性气体的保护条件下，以15-20 °C的升温速 率升至700-800°C，保温煅烧3-5h得到；优选地，所述木炭的用量为电解铜质量的0.4-0.8%〇3.根据权利要求1或2所述高性能铜导线的制备方法，其特征在于，S1中，所述惰性气体 为 N2、Ar、N2+Ar、N2+CO、Ar+CO 或者 N2+Ar+CO 中的一种。4.根据权利要求1-3任一项所述高性能铜导线的制备方法，其特征在于，S3中，高纯石 墨碳粉形成覆盖层的厚度多40mm。5.根据权利要求1-4任一项所述高性能铜导线的制备方法，其特征在于，S3中，所述铜 合金恪液的铜导线中可形成强化相Cu2ZrMg，Cu2ZrMg的含量符合如下公式:[Cu2ZrMg]= 0.35[Zr]-[Mg]，[Cu2ZrMg]为Cu2ZrMg在铜合金熔液中的百分含量，[Zr]为Zr在铜合金熔液 中的百分含量，[Mg]为Mg在铜合金熔液中的百分含量。6.根据权利要求1-5任一项所述高性能铜导线的制备方法，其特征在于，S4中，所述的 牵引机组的引杆速度为500-1000mm/min，冷却循环出水温度为35-50°C。7.根据权利要求1-6任一项所述高性能铜导线的制备方法，其特征在于，S4中，连续挤 压机的转速为10_20r/min，挤出速度为5-10m/min，挤压过程中铜线的温度为400-550°C，挤 压腔内的压力为1000_1200MPa，经连续挤压后得到的铜线直径为〇3-〇8mm。8.—种高性能铜导线，其特征在于，采用权利要求1-7中任一项所述的高性能铜导线的 制备方法制成。
【文档编号】C22C1/03GK106086511SQ201610649436
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月10日 公开号201610649436.2, CN 106086511 A, CN 106086511A, CN 201610649436, CN-A-106086511, CN106086511 A, CN106086511A, CN201610649436, CN201610649436.2
【发明人】潘加明
【申请人】安徽晋源铜业有限公司