CN105869778B - 一种高强度高电导率铜铌多芯复合线材的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高强度高电导率铜铌多芯复合线材的制备方法，包括以下步骤：一、将无氧铜箔和铌箔叠放整齐后卷绕在无氧铜棒上，得到铜铌卷绕体，然后将所述铜铌卷绕体装入第一无氧铜管中，封焊后得到铜铌复合包套；二、进行冷等静压成型，得到铜铌压制成型件；三、热挤压加工，得到铜铌挤压棒坯；四、进行多道次拉拔加工，得到铜铌单芯线材；五、依次进行定尺、剪切、矫直和酸洗处理；六、集束组装制备铜铌集束包套，然后重复步骤二至五，得到高强度高电导率铜铌多芯复合线材。本发明能够降低铌芯丝的起始加工尺寸、减少材料的加工硬化、缩短加工周期，是一种制备高强度高电导率铜铌多芯复合线材的新方法。
Description
技术领域
本发明属于高性能铜基复合材料技术领域，具体涉及一种高强度高电导率铜铌多芯复合线材的制备方法。
背景技术
高强度高电导铜铌复合材料是脉冲强磁场的主要导体材料，材料强度、电导性能的快速提升带来了高场脉冲磁体纪录的不断刷新。随着国际脉冲磁体技术的飞速发展对材料提出了更加苛刻的要求；与此同时，我国的脉冲强磁场中心在近年的快速发展中也表现出更大的材料需求。
高强高导铜铌复合线材目前主要通过集束拉拔和原位法制备技术，两者都通过多次的集束组装细化内部芯丝，最终获得具有纳米尺寸的芯丝增强铜基复合材料。以集束拉拔技术而言，经过三到四次多芯集束复合，挤压和拉拔加工，将宏观尺寸铌棒加工至纳米尺寸铌芯丝，加工周期较长，工艺过程复杂，对加工设备，加工精度的要求较高，这都增加了材料的最终材料成本和人力成本。而原位法铜铌材料制备需要经过三至四次的铜铌合金熔炼然后配以一到两次集束复合加工，其中熔炼过程对工艺技术提出了较高要求。由于铜铌两者金属单质的熔点相差近1000℃，这给材料的熔炼制造了不小的难题，需要精确控制工艺经过多次电弧炉熔炼从而获得铌枝晶均匀弥散分布的铜铌合金，然后再进行后续的集束拉拔加工。
总结上面两种方法的特点都是要通过集束拉拔加工实现内部铌芯丝的完全纳米纤维化，纯集束拉拔技术需要多次的集束复合加工，加工周期长，成本高，铌单质材料由宏观尺寸加工至纳米尺寸变形量极大，材料硬化明显，这都给材料的制备带来了诸多难题；而原位法集束则需要三到四次的电弧炉熔炼，对熔炼设备和熔炼专业技术水平要求较高，熔炼工艺引入的杂质对材料的电导也有较大影响。
因此，如何降低铌单质的起始尺寸，有效降低材料的加工硬化，同时结合集束复合实现铌纳米芯丝增强铜复合材料的的宏观制造是该类材料技术创新的关键。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种能够降低铌芯丝的起始加工尺寸、减少材料的加工硬化、缩短加工周期的高强度高电导率铜铌多芯复合线材的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种高强度高电导率铜铌多芯复合线材的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将无氧铜箔和铌箔叠放整齐后卷绕在无氧铜棒上，得到铜铌卷绕体，然后将所述铜铌卷绕体装入第一无氧铜管中，之后将第一无氧铜管的两端进行真空电子束封焊，得到铜铌复合包套；所述无氧铜箔与铌箔的形状和尺寸均相等；
步骤二、对步骤一中所述铜铌复合包套进行冷等静压成型，得到铜铌压制成型件；
步骤三、对步骤二中所述铜铌压制成型件进行热挤压加工，得到铜铌挤压棒坯；所述热挤压加工的挤压比为7.34～10.56；
步骤四、对步骤三中所述铜铌挤压棒坯进行多道次拉拔加工，得到截面形状为正六边形的铜铌单芯线材；所述正六边形的对边距为1.8mm～2.0mm；
步骤五、对步骤四中所述铜铌单芯线材依次进行定尺、剪切、矫直和酸洗处理；
步骤六、将547根步骤五中酸洗处理后的铜铌单芯线材集束组装于第二无氧铜管中，再将第二无氧铜管的两端进行真空电子束封焊，得到铜铌集束包套，然后将铜铌集束包套重复步骤二中所述的冷等静压成型工艺，得到铜铌多芯压制成型件，之后将铜铌多芯压制成型件重复步骤三中所述的热挤压加工工艺，得到铜铌多芯挤压棒坯，最后将铜铌多芯挤压棒坯重复步骤四中所述的多道次拉拔加工工艺，最终得到抗拉强度为1020MPa～1150MPa，电导率为69％IACS～73％IACS的高强度高电导率铜铌多芯复合线材。
上述的一种高强度高电导率铜铌多芯复合线材的制备方法，其特征在于，步骤一中所述无氧铜棒为圆柱形棒材，所述无氧铜棒的直径为5mm～8mm，长度为120mm～180mm，所述铌箔和无氧铜箔均为长方形箔材，所述铌箔和无氧铜箔的厚度均为0.08mm～0.2mm，宽度均为120mm～180mm。
上述的一种高强度高电导率铜铌多芯复合线材的制备方法，其特征在于，步骤一中所述铜铌复合包套中铜铌卷绕体的体积占铜铌复合包套总体积的85％～95％。
上述的一种高强度高电导率铜铌多芯复合线材的制备方法，其特征在于，步骤二中所述冷等静压的压强为100MPa～150MPa，所述冷等静压的时间为1h～1.5h。
上述的一种高强度高电导率铜铌多芯复合线材的制备方法，其特征在于，步骤三中所述热挤压加工的温度为600℃～630℃。
上述的一种高强度高电导率铜铌多芯复合线材的制备方法，其特征在于，步骤四中所述拉拔加工的道次加工率为15％。
上述的一种高强度高电导率铜铌多芯复合线材的制备方法，其特征在于，步骤六中所述高强度高电导率铜铌多芯复合线材中铌的体积百分含量为19.4％～23.4％。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明通过箔材卷绕加一次多芯集束复合加工，大幅降低了材料的加工周期，降低材料成本。
2、本发明选用铌箔材作为起始材料，减缓了铌单质的变形程度，避免了铌在加工过程中的多次硬化现象的出现。
3、本发明中的铌箔材相比较集束拉拔中的铌棒具有更大的表面面积(在同等尺寸条件下)，这有利于铜铌界面面积的快速增大，对材料的强度提升有很大帮助。
总之，本发明所提出的高强度高电导率铜铌多芯复合线材制备技术通过铌箔材和铜箔材的卷绕组装大幅降低了铌单质材料的起始尺寸，降低了材料的尺寸变化范围，缩短了材料的加工周期，并且通过集束拉拔技术实现了宏观尺度铜基纳米复合材料的制备。
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
具体实施方式
实施例1
本实施例高强度高电导率铜铌多芯复合线材的制备方法包括以下步骤：
步骤一、将无氧铜箔和铌箔叠放整齐后卷绕在无氧铜棒上，得到铜铌卷绕体，然后将所述铜铌卷绕体装入外径为65mm，壁厚为5mm的第一无氧铜管中，之后将第一无氧铜管的两端进行真空电子束封焊，得到铜铌复合包套；所述无氧铜棒为圆柱形棒材，所述无氧铜棒的直径为6mm，长度为170mm，所述铌箔和无氧铜箔均为长方形箔材，且二者尺寸相等；所述铌箔和无氧铜箔的厚度均为0.2mm，宽度均为170mm；所述铜铌复合包套中铜铌卷绕体的体积占铜铌复合包套总体积的90％；
步骤二、对步骤一中所述铜铌复合包套进行冷等静压成型，得到铜铌压制成型件；所述冷等静压的压强为150MPa，所述冷等静压的时间为1h；
步骤三、对步骤二中所述铜铌压制成型件在温度为630℃的条件下保温2h后进行热挤压加工，得到截面直径为24mm的铜铌挤压棒坯；所述热挤压加工的挤压比为7.34；
步骤四、对步骤三中所述铜铌挤压棒坯进行多道次拉拔加工，得到截面形状为正六边形的铜铌单芯线材；所述正六边形的对边距为2.00mm；所述拉拔加工共经过拉拔模30块，拉拔加工的道次加工率为15％；
步骤五、对步骤四中所述铜铌单芯线材依次进行定尺、剪切、矫直和酸洗处理；
步骤六、将547根步骤五中酸洗处理后的铜铌单芯线材集束组装于外径为65mm，壁厚为5.5mm的第二无氧铜管中，再将第二无氧铜管的两端进行真空电子束封焊，得到铜铌集束包套，然后将铜铌集束包套重复步骤二中所述的冷等静压成型工艺，得到铜铌多芯压制成型件，之后将铜铌多芯压制成型件重复步骤三中所述的热挤压加工工艺，得到铜铌多芯挤压棒坯，最后将铜铌多芯挤压棒坯重复步骤四中所述的多道次拉拔加工工艺，最终得到高强度高电导率铜铌多芯复合线材。
本实施例所制备的高强度高电导率铜铌多芯复合线材中铌的体积百分含量为22.0％，线材的抗拉强度为1020MPa，电导率为70％IACS。
实施例2
本实施例高强度高电导率铜铌多芯复合线材的制备方法包括以下步骤：
步骤一、将无氧铜箔和铌箔叠放整齐后卷绕在无氧铜棒上，得到铜铌卷绕体，然后将所述铜铌卷绕体装入外径为65mm，壁厚为5mm的第一无氧铜管中，之后将第一无氧铜管的两端进行真空电子束封焊，得到铜铌复合包套；所述无氧铜棒为圆柱形棒材，所述无氧铜棒的直径为8mm，长度为180mm，所述铌箔和无氧铜箔均为长方形箔材，且二者尺寸相等；所述铌箔和无氧铜箔的厚度均为0.15mm，宽度均为180mm；所述铜铌复合包套中铜铌卷绕体的体积占铜铌复合包套总体积的95％；
步骤二、对步骤一中所述铜铌复合包套进行冷等静压成型，得到铜铌压制成型件；所述冷等静压的压强为130MPa，所述冷等静压的时间为1.5h；
步骤三、对步骤二中所述铜铌压制成型件在温度为600℃的条件下保温2h后进行热挤压加工，得到截面直径为22mm的铜铌挤压棒坯；所述热挤压加工的挤压比为8.73；
步骤四、对步骤三中所述铜铌挤压棒坯进行多道次拉拔加工，得到截面形状为正六边形的铜铌单芯线材；所述正六边形的对边距为1.98mm；所述拉拔加工共经过拉拔模29块，拉拔加工的道次加工率为15％；
步骤五、对步骤四中所述铜铌单芯线材依次进行定尺、剪切、矫直和酸洗处理；
步骤六、将547根步骤五中酸洗处理后的铜铌单芯线材集束组装于外径为65mm，壁厚为7mm的第二无氧铜管中，再将第二无氧铜管的两端进行真空电子束封焊，得到铜铌集束包套，然后将铜铌集束包套重复步骤二中所述的冷等静压成型工艺，得到铜铌多芯压制成型件，之后将铜铌多芯压制成型件重复步骤三中所述的热挤压加工工艺，得到铜铌多芯挤压棒坯，最后将铜铌多芯挤压棒坯重复步骤四中所述的多道次拉拔加工工艺，最终得到高强度高电导率铜铌多芯复合线材。
本实施例所制备的高强度高电导率铜铌多芯复合线材中铌的体积百分含量为19.4％，线材的抗拉强度为1098MPa，电导率为71％IACS。
实施例3
本实施例高强度高电导率铜铌多芯复合线材的制备方法包括以下步骤：
步骤一、将无氧铜箔和铌箔叠放整齐后卷绕在无氧铜棒上，得到铜铌卷绕体，然后将所述铜铌卷绕体装入外径为65mm，壁厚为5mm的第一无氧铜管中，之后将第一无氧铜管的两端进行真空电子束封焊，得到铜铌复合包套；所述无氧铜棒为圆柱形棒材，所述无氧铜棒的直径为5mm，长度为120mm，所述铌箔和无氧铜箔均为长方形箔材，且二者尺寸相等；所述铌箔和无氧铜箔的厚度均为0.1mm，宽度均为120mm；所述铜铌复合包套中铜铌卷绕体的体积占铜铌复合包套总体积的85％；
步骤二、对步骤一中所述铜铌复合包套进行冷等静压成型，得到铜铌压制成型件；所述冷等静压的压强为100MPa，所述冷等静压的时间为1h；
步骤三、对步骤二中所述铜铌压制成型件在温度为620℃的条件下保温1.5h后进行热挤压加工，得到截面直径为22mm的铜铌挤压棒坯；所述热挤压加工的挤压比为8.73；
步骤四、对步骤三中所述铜铌挤压棒坯进行多道次拉拔加工，得到截面形状为正六边形的铜铌单芯线材；所述正六边形的对边距为1.83mm；所述拉拔加工共经过拉拔模30块，拉拔加工的道次加工率为15％；
步骤五、对步骤四中所述铜铌单芯线材依次进行定尺、剪切、矫直和酸洗处理；
步骤六、将547根步骤五中酸洗处理后的铜铌单芯线材集束组装于外径为65mm，壁厚为7.5mm的第二无氧铜管中，再将第二无氧铜管的两端进行真空电子束封焊，得到铜铌集束包套，然后将铜铌集束包套重复步骤二中所述的冷等静压成型工艺，得到铜铌多芯压制成型件，之后将铜铌多芯压制成型件重复步骤三中所述的热挤压加工工艺，得到铜铌多芯挤压棒坯，最后将铜铌多芯挤压棒坯重复步骤四中所述的多道次拉拔加工工艺，最终得到高强度高电导率铜铌多芯复合线材。
本实施例所制备的高强度高电导率铜铌多芯复合线材中铌的体积百分含量为19.7％，线材的抗拉强度为1050MPa，电导率为73％IACS。
实施例4
本实施例高强度高电导率铜铌多芯复合线材的制备方法包括以下步骤：
步骤一、将无氧铜箔和铌箔叠放整齐后卷绕在无氧铜棒上，得到铜铌卷绕体，然后将所述铜铌卷绕体装入外径为65mm，壁厚为6mm的第一无氧铜管中，之后将第一无氧铜管的两端进行真空电子束封焊，得到铜铌复合包套；所述无氧铜棒为圆柱形棒材，所述无氧铜棒的直径为5mm，长度为130mm，所述铌箔和无氧铜箔均为长方形箔材，且二者尺寸相等；所述铌箔和无氧铜箔的厚度均为0.08mm，宽度均为130mm；所述铜铌复合包套中铜铌卷绕体的体积占铜铌复合包套总体积的90％；
步骤二、对步骤一中所述铜铌复合包套进行冷等静压成型，得到铜铌压制成型件；所述冷等静压的压强为150MPa，所述冷等静压的时间为1h；
步骤三、对步骤二中所述铜铌压制成型件在温度为630℃的条件下保温2h后进行热挤压加工，得到截面直径为20mm的铜铌挤压棒坯；所述热挤压加工的挤压比为10.56；
步骤四、对步骤三中所述铜铌挤压棒坯进行多道次拉拔加工，得到截面形状为正六边形的铜铌单芯线材；所述正六边形的对边距为1.80mm；所述拉拔加工共经过拉拔模29块，拉拔加工的道次加工率为15％；
步骤五、对步骤四中所述铜铌单芯线材依次进行定尺、剪切、矫直和酸洗处理；
步骤六、将547根步骤五中酸洗处理后的铜铌单芯线材集束组装于外径为65mm，壁厚为5mm的第二无氧铜管中，再将第二无氧铜管的两端进行真空电子束封焊，得到铜铌集束包套，然后将铜铌集束包套重复步骤二中所述的冷等静压成型工艺，得到铜铌多芯压制成型件，之后将铜铌多芯压制成型件重复步骤三中所述的热挤压加工工艺，得到铜铌多芯挤压棒坯，最后将铜铌多芯挤压棒坯重复步骤四中所述的多道次拉拔加工工艺，最终得到高强度高电导率铜铌多芯复合线材。
本实施例所制备的高强度高电导率铜铌多芯复合线材中铌的体积百分含量为21.2％，线材的抗拉强度为1120MPa，电导率为70％IACS。
实施例5
本实施例高强度高电导率铜铌多芯复合线材的制备方法包括以下步骤：
步骤一、将无氧铜箔和铌箔叠放整齐后卷绕在无氧铜棒上，得到铜铌卷绕体，然后将所述铜铌卷绕体装入外径为65mm，壁厚为5mm的第一无氧铜管中，之后将第一无氧铜管的两端进行真空电子束封焊，得到铜铌复合包套；所述无氧铜棒为圆柱形棒材，所述无氧铜棒的直径为5mm，长度为150mm，所述铌箔和无氧铜箔均为长方形箔材，且二者尺寸相等；所述铌箔和无氧铜箔的厚度均为0.1mm，宽度均为150mm；所述铜铌复合包套中铜铌卷绕体的体积占铜铌复合包套总体积的95％；
步骤二、对步骤一中所述铜铌复合包套进行冷等静压成型，得到铜铌压制成型件；所述冷等静压的压强为110MPa，所述冷等静压的时间为1.2h；
步骤三、对步骤二中所述铜铌压制成型件在温度为630℃的条件下保温2h后进行热挤压加工，得到截面直径为20mm的铜铌挤压棒坯；所述热挤压加工的挤压比为10.56；
步骤四、对步骤三中所述铜铌挤压棒坯进行多道次拉拔加工，得到截面形状为正六边形的铜铌单芯线材；所述正六边形的对边距为1.80mm；所述拉拔加工共经过拉拔模29块，拉拔加工的道次加工率为15％；
步骤五、对步骤四中所述铜铌单芯线材依次进行定尺、剪切、矫直和酸洗处理；
步骤六、将547根步骤五中酸洗处理后的铜铌单芯线材集束组装于外径为65mm，壁厚为4.7mm的第二无氧铜管中，再将第二无氧铜管的两端进行真空电子束封焊，得到铜铌集束包套，然后将铜铌集束包套重复步骤二中所述的冷等静压成型工艺，得到铜铌多芯压制成型件，之后将铜铌多芯压制成型件重复步骤三中所述的热挤压加工工艺，得到铜铌多芯挤压棒坯，最后将铜铌多芯挤压棒坯重复步骤四中所述的多道次拉拔加工工艺，最终得到高强度高电导率铜铌多芯复合线材。
本实施例所制备的高强度高电导率铜铌多芯复合线材中铌的体积百分含量为23.4％，线材的抗拉强度为1150MPa，电导率为69％IACS。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (7)
1.一种高强度高电导率铜铌多芯复合线材的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将无氧铜箔和铌箔叠放整齐后卷绕在无氧铜棒上，得到铜铌卷绕体，然后将所述铜铌卷绕体装入第一无氧铜管中，之后将第一无氧铜管的两端进行真空电子束封焊，得到铜铌复合包套；所述无氧铜箔与铌箔的形状和尺寸均相等；
步骤二、对步骤一中所述铜铌复合包套进行冷等静压成型，得到铜铌压制成型件；
步骤三、对步骤二中所述铜铌压制成型件进行热挤压加工，得到铜铌挤压棒坯；所述热挤压加工的挤压比为7.34～10.56；
步骤四、对步骤三中所述铜铌挤压棒坯进行多道次拉拔加工，得到截面形状为正六边形的铜铌单芯线材；所述正六边形的对边距为1.8mm～2.0mm；
步骤五、对步骤四中所述铜铌单芯线材依次进行定尺、剪切、矫直和酸洗处理；
步骤六、将547根步骤五中酸洗处理后的铜铌单芯线材集束组装于第二无氧铜管中，再将第二无氧铜管的两端进行真空电子束封焊，得到铜铌集束包套，然后将铜铌集束包套重复步骤二中所述的冷等静压成型工艺，得到铜铌多芯压制成型件，之后将铜铌多芯压制成型件重复步骤三中所述的热挤压加工工艺，得到铜铌多芯挤压棒坯，最后将铜铌多芯挤压棒坯重复步骤四中所述的多道次拉拔加工工艺，最终得到抗拉强度为1020MPa～1150MPa，电导率为69％IACS～73％IACS的高强度高电导率铜铌多芯复合线材。
2.根据权利要求1所述的一种高强度高电导率铜铌多芯复合线材的制备方法，其特征在于，步骤一中所述无氧铜棒为圆柱形棒材，所述无氧铜棒的直径为5mm～8mm，长度为120mm～180mm，所述铌箔和无氧铜箔均为长方形箔材，所述铌箔和无氧铜箔的厚度均为0.08mm～0.2mm，宽度均为120mm～180mm。
3.根据权利要求1所述的一种高强度高电导率铜铌多芯复合线材的制备方法，其特征在于，步骤一中所述铜铌复合包套中铜铌卷绕体的体积占铜铌复合包套总体积的85％～95％。
4.根据权利要求1所述的一种高强度高电导率铜铌多芯复合线材的制备方法，其特征在于，步骤二中所述冷等静压的压强为100MPa～150MPa，所述冷等静压的时间为1h～1.5h。
5.根据权利要求1所述的一种高强度高电导率铜铌多芯复合线材的制备方法，其特征在于，步骤三中所述热挤压加工的温度为600℃～630℃。
6.根据权利要求1所述的一种高强度高电导率铜铌多芯复合线材的制备方法，其特征在于，步骤四中所述拉拔加工的道次加工率为15％。
7.根据权利要求1所述的一种高强度高电导率铜铌多芯复合线材的制备方法，其特征在于，步骤六中所述高强度高电导率铜铌多芯复合线材中铌的体积百分含量为19.4％～23.4％。
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