一种上引连续ecap拉拔制备纳米高强度铜扁线的方法
【专利摘要】本发明涉及一种制备高强度铜扁线的方法，把冶炼和高效的上引连铸工艺结合，通过连续等通道弯角挤压工艺的复合工艺流程，最后通过拉拔工艺获取高强度纳米铜扁线。把冶炼?上引制备的粗晶粒铜杆坯料，利用辊轮提供驱动动力，推进铜杆坯料咬入连续ECAP模具，铜杆坯料在连续ECAP驱动辊轮驱动下穿过连续等通道模具型腔，在坯料穿过模具型腔时，材料发生纯剪切变形，在没有改变材料横截面积的情况下，实现了材料剧烈塑性变形的高强化和纳米化，并且可以通过增加连续ECAP型腔的个数实现等效应变的累积，可以生产不同晶粒细化程度纳米等轴组织的高强度纳米铜扁线。
【专利说明】
一种上引连续ECAP拉拔制备纳米高强度铜扁线的方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种制备高强度铜扁线的方法，把冶炼和高效的上引连铸工艺结合，通过连续等通道弯角挤压工艺的复合工艺流程，最后通过拉拔工艺获取高强度纳米铜扁线。
【背景技术】
[0002]我国高速铁路建设进入快速发展时期，从2004年起步到2015年底为止，运营里程已达1.9万公里，已经成为世界第一。因而，高铁的快速发展对我国接触网导线的力学性能提出了更高的要求。由于铜导线料性能优良，在很多方面作为首选材料。另外，高速列车的牵引变压器绕组对铜扁线提出了更高的要求，导致铜合金扁线的获取成为了研究热点。目前生产高铁用高强度铜扁线坯料有两种不同的思路，主要有合金化法和复合材料法两大类。合金化法是通过添加一定的合金元素，形成固溶体，以获得高强度高导电的铜扁线。另外符复合材料法人为向铜中加入第二相的颗粒、晶须或纤维对铜基体进行强化，或依靠强化相本身的强度来增大材料强度的方法。但是两种方法在运用中，受到很大限制，首先第一种方案，由于合金元素的添加，成本提高。另外，添加一些微量元素，或其他杂质的加入，都会不同程度降低铜的导电、导热性能。而第二种方案是通过加入第二相颗粒，工艺复杂，不利于批量生产。而目前高铁常用的铜扁线生产工艺是上引连铸+冷乳+连续挤压+拉拔以及水平连铸+冷拉。
[0003]上引法工频炉本来没有精炼程序，因而一般情况下，金属冶炼过程以后，上引法所使用的溶液需根据需要再溶解精炼，这种传统工艺方法不仅造成能源浪费，还大幅度降低了企业生产效率。而本发明直接通过冶炼精炼获取满足要求的溶液，然后和上引工艺结合，连铸获得铜杆。本发明通过熔炼+上引+连续ECAP工艺+拉拔精整复合工艺生产高铁用高强度纳米铜扁线。其中上引法作为一种生产无氧铜杆新工艺。其具有先进的工艺技术，优良的产品质量，单位能耗低，生产品种及规格灵活多样，适应性强，没有三废污染，投资少等特点。ECAP工艺的使用使铜扁线的晶粒度可达纳米级，实现了细晶强化，在没有改变材料导电导热性能的情况下，改善了材料力学性能，保证了铜线具有良好的塑性和较高强度。除此之夕卜，通过熔炼上引一体化，实现了短流程生产，节约了成本，提高了生产效率。相较于传统的连续挤压工艺相比，连续ECAP工艺可获得高强度、塑性好的铜导线，也解决了传统铜连续挤压技术对于小截面(<6mm2)，大宽窄比(>1:15)铜扁线产品很难挤压的缺点。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是:针对上述存在的技术问题，本发明提出了一种多工艺复合的生产方法，通过熔炼和上引工艺的结合，实现了短流程生产粗晶粒铜杆坯料，将获得的粗晶粒铜杆坯料，通过连续ECAP挤压制备纳米高强度铜线，实现材料的晶粒等轴纳米化，提高铜扁线的力学性能。进而，保证铜线即拥有良好的塑性，同时具有高强度、高导电和导热性的优良性能。最终通过拉拔工艺获得纳米高强度铜扁线。
[0005]本发明专利的技术方案是:本发明是冶炼上引连续ECAP拉拔工艺制备纳米铜扁线的方法。工艺过程包括原料的熔炼，然后通过上引法铸就铜杆，然后通过连续ECAP工艺模具，最后冷拉拔铜扁线成形过程，共三个相应的阶段。
[0006]冶炼-上引制备铜杆坯料:将铜液的熔炼、精炼与上引法相结合，首先对铜矿石进行水洗清理、烘干前处理，进行熔炼精炼，获得铜溶液，然后按照Mg: 2.5%-3.3%余量为Cu的含量进行配置，获得要求的铜熔液，采用上引工艺获得铜杆坯料。通过熔炼和上引工艺的结合，实现了短流程生产粗晶粒铜杆坯料，符合绿色生产思想，显著提高生产效率。
[0007]连续ECAP挤压制备纳米高强度铜扁线工艺:把冶炼-上引制备的粗晶粒铜杆坯料，利用辊轮提供驱动动力，推进铜杆坯料咬入连续ECAP模具，铜杆坯料在连续ECAP驱动辊轮驱动下穿过连续等通道模具型腔，通过辊乳机和剧烈塑性变形型腔这两个主要组成部分，连续ECAP工艺过程实现了自动化，既可以为坯料提供驱动力，并且辊乳机的使用也保证了材料尺寸精度。另外，在坯料穿过模具型腔时，材料发生纯剪切变形，在没有改变材料横截面积的情况下，实现了材料剧烈塑性变形的高强化和纳米化，并且可以根据需要增添等通道型腔的个数。这样也就可以生产实现不同晶粒度的高强的高铁用铜接触线。
[0008]拉拔工艺获得纳米高强度铜扁线:利用专用的电力铜线牵引机械，通过拉拔口模，生产不同规格的铜扁线，可避免线出现波浪弯的现象，提高了产品质量，获取了所需的高强度纳米铜扁线。
[0009]采用此方案，不仅仅能够实现了铜扁线短流程生产，而且可以获得高强度纳米铜扁线，因为线通过等通道转交挤压，材料发生了剧烈塑性，并利用其良好的塑性解决了传统连续挤压无法生产宽窄比较大的铜扁线的情况。
[0010]作为本发明的一种改进，对连续ECAP挤压制备纳米高强度铜扁线工艺，通过增加连续ECAP型腔的个数实现等效应变的累积，可以生产不同晶粒细化程度纳米等轴组织的高强度纳米铜扁线。
[0011]本发明的有益效果是:本次工艺方案是建立在实际生产之上提出来的生产新型纳米高性能铜扁线的工艺方法，通过冶炼和上引方法的结合，实现了短流程生产，减少了能源浪费，提高了企业效益。同时使用连续ECAP工艺，变形过程由驱动乳辊和进料乳辊提供动力，先后通过两次连续ECAP变形，最终获得纳米高强度铜扁线。在保证高导热、导电性的情况下，可以获得平均晶粒度为10nm尺寸以内的高强度且具备良好塑性的铜线，并且实现了自动生产，提高了生产效率，最后通过拉拔工艺可获得所需规格的铜扁线。
【附图说明】
[0012]下面是结合附图和实施例对本发明的具体实施方案进行详细地说明。
[0013]图1是本发明冶炼及上引复合工艺图；
图2为本发明连续ECAP挤压制备纳米高强度铜扁线工艺图；
图3是本发明铜扁线拉拔口模工艺图。
[0014]上述图中的标记为:
图1为本发明的冶炼及上引复合工艺图1.烟气出口，2.反应炉，3.炉渣，4.精炼溶液出口，5.冷却套，6.进水孔，7.出水孔，8.铜杆，9.石墨模，10.铜溶液。
[0015]图2为本发明的连续ECAP挤压制备纳米高强度铜扁线工艺图的1.驱动乳辊，2.第一次连续ECAP挤压模具，3.进料乳辊，4.粗晶粒铜杆，5.驱动乳辊，6.牵引乳辊，7.纳米高强度铜线，8.第二次连续ECAP挤压模具。
[0016]图3为本发明的铜扁线拉拔口模工艺图的1.纳米高强度铜线，2.铜扁线拉拔口模，3.预应力套圈，4.纳米高强度铜扁线。
[0017]本发明并不局限于上述的具体实施形式，凡本领域技术人员不经过创造性劳动所能得到的改进，均属于本发明的保护范围内。
【具体实施方式】
[0018](I)冶炼过程:对铜矿石进行水洗清理、烘干前处理，然后如图1所示，进行熔炼精炼，获得铜溶液，然后按照Mg: 2.5%-3.3%余量为Cu的含量进行配置，获得要求的铜熔液。上弓丨法制备铜杆坯料:把步骤(I)获取的铜熔液，通过图一中熔液出口4引入到熔池10中，选取标准的石墨模，制备圆形横截面直径为17.15_的的铜杆坯料。
[0019](2)连续ECAP挤压制备纳米高强度铜扁线工艺:把步骤(I)制备的圆形横截面直径为17.15mm的的铜杆坯料，使用铜线连乳机，并利用乳辊摩擦作为驱动力，使坯料进入连续ECAP挤压过程，其模具如图2中2所示，连续ECAP模具型腔横截面呈矩形结构I Imm X 21mm，辊车L4的驱动速度为20r/min，变形温度设定为室温25°C。由图可看出坯料在此过程中，首先粗晶粒铜杆坯料进入初始驱动乳辊，乳辊提供动力，坯料进入第一次连续ECAP挤压模型腔2，材料发生剧烈塑性变形，晶粒得到一次细化。随后坯料进入中间驱动乳辊5，在此驱动乳辊5的驱动力下，坯料进入第二次连续ECAP挤压模型腔等通道模具型腔8，晶粒再一次得到细化，达到纳米晶粒尺寸，最后在后牵引乳辊6作用下，获得纳米高强度铜扁线。
[0020](3)冷拉拔工艺:把步骤(2)制备的纳米高强度铜扁线I，在200KN的牵引力下，通过图3中拉拔口模2进行拉拔精整形，拉拔口模入口横截面呈矩形结构I Imm X 21mm，出口横截面呈矩形结构1mmX 20mm，通过拉拔精整形获可连续获得得横截面呈矩形结构1mmX 20mm的高铁用纳米高强度铜扁线。
【主权项】
1.一种上引连续ECAP拉拔制备纳米高强度铜扁线的方法，可以通过剧烈塑性变形细化晶粒，提高铜扁线的力学性能，其特征是:把冶炼-上引制备的粗晶粒铜杆坯料，利用辊轮提供驱动动力，推进铜杆坯料咬入连续ECAP模具，铜杆坯料在连续ECAP驱动辊轮驱动下穿过连续等通道模具型腔，在坯料穿过模具型腔时，材料发生纯剪切变形，在没有改变材料横截面积的情况下，实现了材料剧烈塑性变形的高强化和纳米化，并且可以通过增加连续ECAP型腔的个数实现等效应变的累积，可以生产不同晶粒细化程度纳米等轴组织的高强度纳米铜扁线。2.根据权利要求1所述的一种上引连续ECAP拉拔制备纳米高强度铜扁线的方法，其特征是:通过熔炼和上引工艺的结合，实现了短流程生产粗晶粒铜杆坯料，将获得的粗晶粒铜杆坯料，通过连续ECAP挤压制备纳米高强度铜线，最终通过拉拔工艺获得纳米高强度铜扁线。3.根据权利要求1所述的一种上引连续ECAP拉拔制备纳米高强度铜扁线的方法，其特征是:铜杆坯料的直径为17.15mm，辊轮的驱动速度为20r/min，变形温度设定为室温25°C，变形过程由驱动乳辊和进料乳辊提供动力，先后通过两次连续ECAP变形，连续ECAP模具型腔横截面呈矩形结构IlmmX 21mm，通过牵引乳辊牵引，最终获得得横截面呈矩形结构1mmX 20_的高铁用纳米高强度铜扁线。
【文档编号】H01B13/00GK106098246SQ201610426530
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月16日
【发明人】徐淑波, 张小东, 徐爱青, 刘鹏, 范小红, 林晓娟
【申请人】山东建筑大学