CN103572091B - 铜合金材料、其制备方法以及由其制备的铜导线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铜合金材料、其制备方法以及由其制备的铜导线。按重量百分比计，铜合金材料包括0.02%～0.72%的稀土元素以及余量的Cu。本发明通过采用稀土元素复合铜材料，从而得到了一种具有高强度、高韧性和高电导率等综合性能优异的铜合金材料，不仅满足了铜导线高强高导的使用需求，还可广泛应用于其它零部件中。
Description
技术领域
本发明涉及合金制备技术领域，具体而言，涉及一种铜合金材料、其制备方法以及由其制备的铜导线。
背景技术
纯铜导线具有优良的导电性能、耐腐蚀性能及工艺性能，可广泛用于电器装备用的电线、通信电缆、电磁线和高保真导线等。但随着社会的进步，纯铜导线由于强度较低且加热时强化效果容易消失，越来越不能满足工业发展的需要。因此，目前急需一种新型的高强高导铜导线来替代目前的纯铜导线。
发明内容
本发明旨在提供一种铜合金材料、其制备方法以及由其制备的铜导线，该铜合金材料具有优异力学和电导性能。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种铜合金材料，按重量百分比计，铜合金材料包括0.02%～0.72%的稀土元素以及余量的Cu。
进一步地，稀土元素选自La、Y、Te和Zr中的一种或多种。
进一步地，按重量百分比计，铜合金材料还包括0.001～0.02%的Ag。
进一步地，按重量百分比计，铜合金材料包括以下组分：La0.01～0.07%，Y0.002～0.05%，Te0.003～0.55%，Zr0.005～0.05%，Ag0～0.02%，余量Cu以及不可避免的杂质。
进一步地，按重量百分比计，铜合金材料包括以下组分：La0.03～0.05%，Y0.01～0.03%，Te0.01～0.35%，Zr0.02～0.04%，Ag0.005～0.01%，余量Cu以及不可避免的杂质。
进一步地，按重量百分比计，铜合金材料包括以下组分：La0.04%，Y0.02%，Te0.02%，Zr0.02%，Ag0.01%，余量Cu以及不可避免的杂质。
根据本发明的另一方面，提供了上述任一种铜合金材料的制备方法，包括备料、配料、熔炼、铸锭、切割、热挤压或热轧制、退火以及冷拔或冷轧制的步骤。
根据本发明的又一方面，提供了一种铜导线，该铜导线是采用上述任一种铜合金材料制备而成。
应用本发明的技术方案，通过采用稀土元素复合铜材料，从而得到了一种具有高强度、高韧性和高电导率等综合性能优异的铜合金材料，不仅满足了铜导线对高强高导的使用需求，还可广泛应用于其它零部件中。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合实施例来详细说明本发明。
为了解决现有技术中的纯铜导线材料强度、韧性以及电导率综合性能差的问题，本发明提供了一种铜合金材料，按重量百分比计，铜合金材料包括0.02%～0.72%的稀土元素以及余量的Cu。本发明通过采用稀土复合铜材料，从而得到了一种具有高强度、高韧性和高电导率的铜合金材料，不仅满足了铜导线对高强高导的使用需求，还可广泛应用于其它零部件中。
优选地，稀土元素选自La、Y、Te和Zr中的一种或多种。基于改善目前基体铜较低的强度，本发明优选采用上述稀土元素作为添加剂，主要是考虑到稀土元素La和Y的加入能够使铜合金铸造组织枝晶网格变细小，变形退火后晶粒组织明显细化，明显改变杂质的形态，提高其力学和高温抗氧化性能。Y对合金的强化作用明显大于La，但是La最外层电子排布分别为5d16s2，含有较多的自由电子，合金化后对铜合金的电导率基本没有影响。因此选择Y和La复配添加，通过调节Y和La添加的复配比例，使两者具有更好的协同作用。
Te在铜合金中主要起沉淀强化作用，因为Te在合金中析出的第二相Cu2Te为软质相，对位错滑移产生的阻力较小，碲铜合金具有极好的易切削性能和优良的导电、导热性能，以及抗腐蚀性能。
Zr在铜合金中主要起到固溶强化的作用，在铜合金退火过程中过饱和固溶的Zr原子向晶界处扩散析出，使得晶界进一步得到强化，同时铜基体的晶格畸变减小，使得铜合金的电导率和硬度大幅上升。而且Zr可以黏结Cu合金中易熔的金属杂质如Pb、Sb或Bi，消除其有害作用。
根据本发明的一种优选实施方式，按重量百分比计，铜合金材料还包括0.001～0.02%的Ag。由于Ag具有优良导电性，其中Ag在铜合金中所起的作用主要是提高电导率，可见，本发明以工业纯铜为基体，通过添加适量的La、Y、Te、Zr和Ag元素复合得到了高强、高韧以及高电导率的铜合金材料。除了银之外，本发明的铜合金材料中不可避免地包括了一些杂质，如铁、铋、锡、砷、铌等，这些杂质的总含量低于0.01%。
一定范围内的La、Y、Te和Zr元素的复合加入能够使铜材料具有较高的力学性能以及优良的电导率，明显改善铜合金的抗拉强度、屈服强度、延伸率以及电阻率，使其综合性能显著提高。根据本发明的一种典型实施方式，按重量百分比计，铜合金材料包括以下组分：La0.01～0.07%，Y0.002～0.05%，Te0.003～0.55%，Zr0.005～0.05%，Ag0～0.02%，余量Cu以及不可避免的杂质。如果La的添加量低于0.01%，电阻率变化不大，如果La的添加量高于0.07%，将使得铜合金材料的电导率反而降低；同样，如果Y的添加量低于0.002%，会导致电阻率增加缓慢；如果Y的添加量高于0.05%，会导致电导率缓慢降低。如果Te的添加量低于0.003%，则无法显著地提高抗拉强度，如果Te的添加量高于0.55%，则会导致电导率有所下降。
所以综合考虑，本发明将微合金化元素La、Y、Te和Zr的添加量限定在上述范围内，可以充分发挥稀土元素以及Zr和Te元素对铜合金材料的影响，促进各组分之间的协同作用，进而有效地调整铜合金材料的力学及电学性能，使其与纯铜材料相比具有较高的抗拉强度、电导率等优势。虽然采用本发明的铜合金材料成本稍有上升，按每吨铜合金材料计，其比纯铜材料的涨幅不超过一千元人民币。
进一步优选地，按重量百分比计，铜合金材料包括以下组分：La0.01～0.07%，Y0.002～0.05%，Te0.003～0.55%，Zr0.005～0.05%，余量Cu以及不可避免的杂质。最优选地，按重量百分比计，铜合金材料包括以下组分：La0.04%，Y0.02%，Te0.02%，Zr0.02%，Ag0.01%，余量Cu以及不可避免的杂质。
根据本发明的另一方面，还提供了上述任一种铜合金材料的制备方法，主要由铜合金化和熔炼挤压两部分组成，本发明的铜合金化的部分是制备二元或多元铜中间合金，即将欲添加的元素的一种或者多种按计算好的比例制备成二元或多元铜合金，该方法与常规的将欲添加元素直接以单质形式加入纯铜溶液中相比，优点在于可以有效减少偏析和避免稀土元素在熔炼过程中氧化和烧损，精确控制终产物铜合金组分。
本发明的熔炼挤压部分主要包括备料、配料、熔炼、铸锭、切割、热挤压或热轧制、退火以及冷拔或冷轧制的步骤。
根据本发明的又一方面，提供了一种铜导线，该铜导线是采用上述任一种铜合金材料制备而成。
对本发明的铜合金材料进行测试，其半硬态测试结果在满足抗拉强度≥260MPa，屈服强度≥220MPa的条件下，伸长率≥25%，电阻率为0.01697～0.01719Ωmm2/m（电导率≥99%IACS），说明该铜合金材料性能优良，能够满足铜导线高强高导的使用需求，可广泛应用于铜导线及其它零部件中。
下面结合具体实施例和对比例进一步说明本发明的有益效果。
实施例1～7
铜合金原料中各组分的重量百分比具体见表1，其中La和Y的纯度为99～99.9%，Te、Zr和Ag的纯度为99.9～99.99%，铜为一般工业纯铜及不可避免的杂质。制备工艺如下：按照表1中的配方称取纯铜和La、Y、Te、Zr等元素，两个或多个组合制备出Cu-Te、Cu-Zr、Cu-La、Cu-Y或Cu-Zr-Te、Cu-Y-La中间合金，称取纯铜和中间合金，在熔铸采用ZG-10B真空感应熔炼炉，熔铸功率25-30KW，时间25分钟，精炼5分钟，冷却至浇注温度后快速浇注。采用上述工艺制备出铜合金锭，车去铜锭表层杂质及缺陷，然后放入电炉中于835℃保温1小时，挤压模具550℃保温，采用300吨立式油压机挤压成铜合金杆，经酸洗去除表面氧化层和油污，经多道次冷拉至直径为5.15mm的铜合金圆棒。依照GB/T228-2010测试，主要性能指标数据见表2。
表1
表2
表3.半硬铜导体的性能指标
从表2中可以看出，其半硬态测试结果在满足抗拉强度≥260MPa，屈服强度≥220MPa的条件下，可以达到伸长率≥25%，电阻率为0.01690～0.01719Ω-mm2/m(导电率≥99%IACS)的优良性能。将采用本发明的铜合金材料制备铸造出的铜合金圆棒与GB/T7673.1--2008附录A（规范性附录）半硬铜导体的性能指标（见表3）相比较，将表3中的规定非比例延伸强度与表2中的抗拉强度数据进行对比，以及断后伸长率和电阻率进行对比，可以看出采用本发明的配方能够在显著提高铜合金抗拉强度和屈服强度的同时保持高导电水平。
从以上的描述中，可以看出本发明采用稀土元素复合铜材料，并将铜合金中的各组分控制在一定的范围内，从而得到了一种高强、高韧和高电导率的铜合金材料，不仅满足了铜导线对高强高导的使用需求，还可广泛应用于其它零部件中。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种铜合金材料，其特征在于，按重量百分比计，所述铜合金材料包括以下组分：La0.03～0.05％，Y0.01～0.03％，Te0.01～0.35％，Zr0.02～0.04％，Ag0.005～0.01％，余量Cu以及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的铜合金材料，其特征在于，按重量百分比计，所述铜合金材料包括以下组分：La0.04％，Y0.02％，Te0.02％，Zr0.02％，Ag0.01％，余量Cu以及不可避免的杂质。
3.一种权利要求1或2所述的铜合金材料的制备方法，其特征在于，包括备料、配料、熔炼、铸锭、切割、热挤压或热轧制、退火以及冷拔或冷轧制的步骤。
4.一种铜导线，其特征在于，所述铜导线是采用权利要求1或2所述的铜合金材料制备而成。
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