CN103273271B - 一种高强高导铜铬锆合金长导线的制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高强高导铜铬锆合金领域，具体地说是一种高强高导铜铬锆合金长导线的制备工艺。本发明通过对铜铬锆合金棒（线）材闪光对接焊后进行连续挤压处理细化焊缝及基体晶粒，之后进行冷变形及时效处理。该工艺能同时提高铜铬锆合金基体和焊缝的力学性能，并且使得焊缝力学性能及电学性能接近基体，解决铜铬锆合金焊接后性能降低的问题，进而制备性能优良的铜铬锆合金长导线。本发明所适用的条件为高强高导铜铬锆合金，用于连接的铜铬锆合金棒（线）材的直径范围为10-40mm。
Description
技术领域
本发明涉及高强高导铜铬锆合金领域，具体地说是一种高强高导铜铬锆合金长导线的制备工艺。
背景技术
铜铬锆合金是一种析出强化型铜合金，由于具有高的强度和良好的导电、导热性能及抗氧化性能，且抗软化温度高，耐磨性好等优点而广泛应用于电子和机械领域，并有望作为新型电气化铁路接触线材料。随着不同领域对铜铬锆合金需求的进一步发展，铜铬锆合金的焊接研究工作显得尤为重要和迫切。尤其对于接触线和电排线等对长度有较高要求的应用环境，由于铜铬锆合金需要真空冶炼，难以利用上引法等进行连续棒（线）材的生产，要满足长度要求则必须采用焊接工艺。然而，由于铜铬锆合金导热系数大及易氧化等缺点导致合金焊接性能很差，经普通焊接工艺处理后铜铬锆合金性能显著降低。
发明内容
本发明的目的是提供一种高强高导铜铬锆合金长导线的制备工艺，克服该合金在焊接后力学性能下降的缺点，使其满足服役条件的要求。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种高强高导铜铬锆合金长导线的制备工艺，具体步骤如下：
（1）采用闪光对接焊对铜铬锆合金棒材或线材进行焊接处理；
（2）在940-980℃之间固溶处理0.5-2h，水淬至室温；
（3）合金棒材或线材进行连续挤压处理，挤压比为0.6-1.2，水冷至室温；
（4）连续挤压后，合金棒材或线材经过加工率为60-80%的冷拉拔处理；
（5）合金棒材或线材在400-500℃时效处理1-3h。
所述的高强高导铜铬锆合金长导线的制备工艺，铜铬锆合金铸锭利用热挤压制备CuCrZr合金棒材或线材，热挤压温度800-900℃，保温时间1-3h。
所述的高强高导铜铬锆合金长导线的制备工艺，闪光对接焊的工艺参数为：闪光时间1-3s；闪光速度10-15mm/s；顶锻压力：150-200MPa；顶锻留量10-15mm。
所述的高强高导铜铬锆合金长导线的制备工艺，铜铬锆合金的化学成分为，0<Cr≤0.60%；0<Zr≤0.20%；Cu余量。
所述的高强高导铜铬锆合金长导线的制备工艺，用于连接的铜铬锆合金棒材或线材的直径范围为10-40mm。
所述的高强高导铜铬锆合金长导线的制备工艺，连续挤压处理后，铜铬锆合金基体及焊缝晶粒显著细化，晶粒尺寸范围为0.5-5μm。
所述的高强高导铜铬锆合金长导线的制备工艺，经过冷拉拔变形和时效处理后，焊缝力学性能与基体接近，导电性能没有明显降低，屈服强度范围为460-500MPa，抗拉强度范围为500-530MPa，导电率70-80%IACS。
所述的高强高导铜铬锆合金长导线的制备工艺，在连续挤压过程中，挤压轮的的转速控制在4-8rpm，模具初始温度400-450℃，铜铬锆合金在模具出口处的温度为450-600℃。
本发明的优点在于：
1、本发明通过采用连续挤压及冷变形时效处理，使得铜铬锆合金焊缝力学性能与基体接近，并且导电率没有显著降低。
2、本发明通过对铜铬锆合金焊接后进行连续挤压、冷变形及时效处理，得到焊缝性能与基体接近的合金棒（线）材，可以解决该高强高导铜铬锆合金焊接后性能降低的问题。
3、本发明在铜铬锆合金闪光电阻焊后进行连续挤压处理，连续挤压处理后，铜铬锆合金基体及焊缝晶粒显著细化，缓解了电阻焊后微米析出相偏析引起的应力集中，从而提高铜铬锆合金焊缝的力学性能。
4、本发明铜铬锆合金连续挤压后进行冷变形时效处理，使得连续挤压过程中未析出的铬和锆原子进一步析出，通过析出强化提高合金的力学及电学性能，经过冷变形和时效处理后，焊缝力学性能与基体接近，导电性能没有明显降低，从而满足其服役条件的要求。
5、本发明所适用的条件为高强高导铜铬锆合金，用于连接的铜铬锆合金棒（线）材的直径范围为10-40mm，所制备铜铬锆合金长导线的长度可不受限制。
附图说明
图1本发明高强高导铜铬锆合金连接工艺流程图。
图2（a）-（d）为铜铬锆合金闪光对接焊后焊缝显微组织照片。其中，图2（a）焊缝宏观组织；图2（b）焊缝中心微观组织；图2（c）过渡区微观组织；图2（d）基体微观组织。
图3（a）-（b）为EPMA结果显示过渡区Cr元素分布。其中，图3（a）为过渡区金相组织；图3（b）为与图3（a）对应位置的Cr元素分布。
图4（a）-（d）分别为铜铬锆合金连续挤压后焊缝显微组织照片。其中，图4（a）焊缝宏观组织；图4（b）焊缝中心微观组织；图4（c）过渡区微观组织；图4（d）基体微观组织。
具体实施方式
实施例1
采用纯铜、铜铬中间合金和纯锆等原材料进行真空冶炼，合金化学成分见表1。
表1合金的化学成分（wt.%）
| 合金 | Cr | Zr | Cu |
| Cu-0.36Cr-0.12Zr | 0.36 | 0.15 | 余量 |
具体的生产工艺如图1，实际操作步骤如下：
（1）铸锭利用热挤压制备CuCrZr合金棒（线）材，热挤压温度800-900℃，保温时间1-3h（本实施例中，热挤压温度850℃，时间2h）；
（2）采用闪光对接焊对合金棒（线）材进行焊接，闪光对接焊的工艺参数为：闪光时间1-3s；闪光速度10-15mm/s；顶锻压力：150-200MPa；顶锻留量10-15mm（本实施例中，闪光时间2s；闪光速度12mm/s；顶锻压力：180MPa；顶锻留量12mm）；
（3）在940-980℃之间固溶处理0.5-2h（本实施例中，固溶处理温度960℃，时间1h），水淬至室温；
（4）合金棒（线）材进行连续挤压处理，挤压比为0.6-1.2（本实施例中，挤压比为1），水冷至室温；
在通过连续挤压设备进行连续挤压的过程中，挤压轮的的转速控制在4rpm，模具初始温度420℃，铜铬锆合金在模具出口处的温度约为500℃。
（5）连续挤压后，合金棒（线）材经过加工率为60-80%（本实施例为75%）的冷拉拔处理；其中，加工率=（冷拉拔前截面积-冷拉拔后截面积）/冷拉拔前截面积；
（6）合金棒（线）材在400-500℃时效处理1-3h（本实施例中，时效处理温度450℃，时间2h），获得铜铬锆合金导线。
图2（a）-（d）为铜铬锆合金闪光对接焊后焊缝处显微组织，其中（a）为焊缝宏观组织，（b）、（c）和（d）分别对应焊缝中心区、过渡区和基体。从图中可以看出，焊缝中心为等轴晶组织，晶粒尺寸50μm左右，这是由闪光对接焊引起再结晶而形成。过渡区为大小晶粒混合的混晶组织，并且在局部区域发现由过烧引起的微米析出相的偏聚。基体晶粒尺寸为200μm左右，并且可以观察到发达的退火挛晶。图3（a）-（b）为过渡区Cr元素分布的电子探针结果，可以看出Cr元素在晶界处明显富集，该组织对铜铬锆合金的焊缝性能有非常不利的影响。
闪光对接焊后的铜铬锆合金经过固溶处理，再经过连续挤压，所得合金组织如图4（a）-（d）所示。其中（a）为焊缝宏观组织，（b）、（c）和（d）分别对应焊缝中心区、过渡区和基体。图4（a）中虚线显示焊缝轮廓，可以看出连续挤压后焊缝沿连续挤压方向拱出。图4（b）和图4（d）显示原本粗大的晶粒经过连续挤压已经细化至0.5-5μm左右。图4（c）为连续挤压后焊缝的过渡区，从图中仍然可以看到微米级析出相，这些析出相被尺寸为10μm左右的再结晶晶粒包围。虽然偏聚的析出相在冷变形过程中会引起应力集中，但是由于再结晶晶粒内部位错密度较低，在变形过程中会缓解析出相引起的应力集中，进而降低焊接过程对合金性能引起的不利影响。
铜铬锆合金连续挤压后进行冷变形及时效处理，表2给出该状态合金力学性能及电学性能测试结果。可以看出，经过冷变形及时效处理，铜铬锆合金焊缝屈服和抗拉强度与基体相近，并且导电率没有显著降低。
采用该发明技术对高强高导铜铬锆合金进行连接，可以使得合金焊缝力学性能、导电性能与基体相近，满足其服役条件的要求。
表2铜铬锆合金焊缝与基体力学及电学性能对比
| 屈服强度/MPa | 抗拉强度/MPa | 导电率/IACS% | |
| 焊缝 | 478.2 | 512.8 | 72.8 |
| 基体 | 490.2 | 517.6 | 77.6 |
实施例2
采用纯铜、铜铬中间合金和纯锆等原材料进行真空冶炼，合金化学成分见表3。
表3合金的化学成分（wt.%）
| 合金 | Cr | Zr | Cu |
| Cu-0.16Cr-0.12Zr | 0.16 | 0.12 | 余量 |
具体步骤如下：
（1）铸锭利用热挤压制备CuCrZr合金棒（线）材，热挤压温度840℃，保温时间3h；
（2）采用闪光对接焊对合金棒（线）材进行焊接，闪光对接焊的工艺参数为：闪光时间3s；闪光速度10mm/s；顶锻压力：150MPa；顶锻留量10mm；
（3）在950℃固溶处理2h，水淬至室温；
（4）合金棒（线）材进行连续挤压处理，挤压比为0.64，水冷至室温；
在通过连续挤压设备进行连续挤压的过程中，挤压轮的的转速控制在6rpm，模具初始温度450℃，铜铬锆合金在模具出口处的温度约为550℃。
（5）连续挤压后，合金棒（线）材经过加工率为65%的冷拉拔处理；
（6）合金棒（线）材在475℃时效处理1h，获得铜铬锆合金导线。
铜铬锆合金闪光对接焊后焊缝处显微组织，焊缝中心为等轴晶组织，晶粒尺寸50μm左右，这是由闪光对接焊引起再结晶而形成。过渡区为大小晶粒混合的混晶组织，并且在局部区域发现由过烧引起的微米析出相的偏聚。基体晶粒尺寸为200μm左右，并且可以观察到发达的退火挛晶。
闪光对接焊后的铜铬锆合金经过固溶处理，再经过连续挤压，所得合金组织具有微米级析出相，这些析出相被尺寸为10μm左右的再结晶晶粒包围。虽然偏聚的析出相在冷变形过程中会引起应力集中，但是由于再结晶晶粒内部位错密度较低，在变形过程中会缓解析出相引起的应力集中，进而降低焊接过程对合金性能引起的不利影响。
铜铬锆合金连续挤压后进行冷变形及时效处理，表4给出该状态合金力学性能及电学性能测试结果。可以看出，经过冷变形及时效处理，铜铬锆合金焊缝屈服和抗拉强度与基体相近，并且导电率没有显著降低。
采用该发明技术对高强高导铜铬锆合金进行连接，可以使得合金焊缝力学性能、导电性能与基体相近，满足其服役条件的要求。
表4铜铬锆合金焊缝与基体力学及电学性能对比
| 屈服强度/MPa | 抗拉强度/MPa | 导电率/IACS% | |
| 焊缝 | 472 | 509 | 73.6 |
| 基体 | 481 | 518 | 76.8 |
实施例结果表明，本发明对铜铬锆合金棒（线）材焊接工艺改进，通过对铜铬锆合金棒（线）材闪光电阻焊后进行连续挤压处理细化焊缝及基体晶粒，之后进行冷变形和时效处理，该工艺能同时提高铜铬锆合金基体和焊缝的力学性能，并且使得焊缝力学性能及电学性能接近基体，解决合金焊接后性能降低的问题。
Claims (5)
1.一种高强高导铜铬锆合金长导线的制备工艺，其特征在于，具体步骤如下：
（1）采用闪光对接焊对铜铬锆合金棒材或线材进行焊接处理；闪光对接焊的工艺参数为：闪光时间1-3s；闪光速度10-15mm/s；顶锻压力：150-200MPa；顶锻留量10-15mm；
（2）在940-980℃之间固溶处理0.5-2h，水淬至室温；
（3）合金棒材或线材进行连续挤压处理，挤压比为0.6-1.2，水冷至室温；连续挤压处理后，铜铬锆合金基体及焊缝晶粒显著细化，晶粒尺寸范围为0.5-5μm；
（4）连续挤压后，合金棒材或线材经过加工率为60-80%的冷拉拔处理；
（5）合金棒材或线材在400-500℃时效处理1-3h；
经过冷拉拔变形和时效处理后，焊缝力学性能与基体接近，导电性能没有明显降低，屈服强度范围为460-500MPa，抗拉强度范围为500-530MPa，导电率70-80%IACS。
2.按照权利要求1所述的高强高导铜铬锆合金长导线的制备工艺，其特征在于，铜铬锆合金铸锭利用热挤压制备CuCrZr合金棒材或线材，热挤压温度800-900℃，保温时间1-3h。
3.按照权利要求1所述的高强高导铜铬锆合金长导线的制备工艺，其特征在于，铜铬锆合金的化学成分为，0<Cr≤0.60wt%；0<Zr≤0.20wt%；Cu余量。
4.按照权利要求1所述的高强高导铜铬锆合金长导线的制备工艺，其特征在于，用于连接的铜铬锆合金棒材或线材的直径范围为10-40mm。
5.按照权利要求1所述的高强高导铜铬锆合金长导线的制备工艺，其特征在于，在连续挤压过程中，挤压轮的的转速控制在4-8rpm，模具初始温度400-450℃，铜铬锆合金在模具出口处的温度为450-600℃。
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| CN103273271A (zh) | 2013-09-04 |
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