CN111261317B - 一种特种电缆用高性能抗氧化铜导体材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种特种电缆用高性能抗氧化铜导体材料及其制备方法，涉及电缆用的导体材料技术领域，解决了现有的特种电缆用铜导体可加工性能较低，面对高温、高氧等极端工况下无法持续保持铜导体的抗氧化性能的问题。包括如下步骤：S1放线：选取铜线置于放线盘；S2退火：对铜线进行退火处理；S3酸洗：将铜线牵引入酸洗槽进行酸洗处理；S4镀锡银：将铜线牵引入锡银炉进行镀锡银处理；S5压力加工：将铜线牵引入拉丝模，进一步拉丝处理；S6性能热处理：将铜线牵引入电感热处理隧道炉进行性能热处理；S7收线：将铜线牵引入收线盘，冷却后得到成品。达到了使该方法制备的铜线具有优异的力学性能、抗氧化性能和导电性能的效果。
Description
技术领域
本发明涉及电缆用的导体材料技术领域，特别涉及一种特种电缆用高性能抗氧化铜导体材料的制备方法。
背景技术
在实际生产应用中，铜暴露在空气中易被氧化形成铜绿，铜绿的导电性较差，会导致铜导体的电阻增加，对铜线镀锡可以有效防止绝缘橡皮发粘和铜线线芯发黑变脆，并提高铜线可焊性能。因此应用上用于传输电能的电线大多数都是镀锡铜导体。然而，电缆镀锡铜导体材料在生产过程中需要面临着多步骤加工，在应用过程中需要面对较为苛刻使用工况，这就要求铜导体具备优异的可加工和抗氧化性能。
目前，我国生产的电缆镀锡铜导体与发达国家的产品尚存在一定的差距，其主要问题一方面在于可加工性能较低，无法对特种电缆用铜导体进行更精细加工；另一方面在于铜导体在面对高温、高氧等极端工况下无法持续保持铜导体的抗氧化性能。因此，开发特种电缆用高性能抗氧化的铜导体是电缆领域亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种特种电缆用高性能抗氧化铜导体材料的制备方法，其制备的铜导体表层具有梯度分布Cu-Sn-Ag金属化合物层，且该化合物层中由表及里分别分布着β-Sn、Cu3Sn、Cu5Sn金属化合物的特殊结构，使其具有优异的力学性能、抗氧化性能和导电性能。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种特种电缆用高性能抗氧化铜导体材料的制备方法，制备出的铜导体表层设有梯度分布的Cu-Sn-Ag金属层，且其中由表及里分别分布着β-Sn、Cu3Sn、Cu5Sn金属化合物；该制备方法包括如下步骤：
S1、放线：选取铜线置于放线盘；
S2、退火：对S1中牵引进来的铜线进行退火处理；
S3、酸洗：将S2中退火后的铜线牵引入酸洗槽进行酸洗处理；
S4、镀锡银：将S3中酸洗后的铜线牵引入锡银炉进行镀锡银处理，镀锡银的温度为330~460℃，时间50~70min；
S5、压力加工：将S4镀锡银后的铜线牵引入拉丝模，进一步拉丝处理，拉丝过程中，铜线变形率为50%，拉丝温度为280~340℃；
S6、性能热处理：将S5压力加工后的铜线牵引入电感热处理隧道炉进行性能热处理，处理温度为460~620℃，时间50~70min；
S7、收线：将S6中处理完的铜线牵引入收线盘，冷却后得到成品。
更进一步的，所述步骤S2中，采用电感热处理隧道炉进行退火处理，退火温度350~550℃，时间50~70min。
更进一步的，所述步骤S3中，酸洗液成分包括盐酸6~8mol/L、氯化锡60~80g/L、氟化钠30~75g/L、氯化锌90~102g/L、草酸铜120~155g/L，酸洗温度50~60℃，时间50~70min。
更进一步的，所述步骤S4中，锡银炉中锡银液成分原子百分比为7.6~11.8%的银和92.4~88.2%的锡。
更进一步的，所述步骤S7中的冷却方式为自然冷却。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1、导体表层的梯度结构：本发明专利通过放线-退火-酸洗-镀锡银-压力加工-性能热处理-收线七步处理获得了在铜导体表层具有梯度分布Cu-Sn-Ag金属化合物层中由表及里分别分布着β-Sn、Cu3Sn、Cu5Sn金属化合物的特殊结构。其中Cu3Sn和Cu5Sn金属化合物相形成激活能非常大，常规手段无法获得。本发明专利中采用280~340℃下的压力加工方式，为铜导体提供温度的同时，还提供高变形压力，使镀锡银层的组织具备Cu3Sn相的形成能力，进而形成一层Cu3Sn组织。进一步的，通过后继460~620℃、50~70min的性能热处理，使大量表层的Sn和Ag向内扩散，促使最里层的Cu3Sn组织进一步转变成Cu5Sn相；
2、优异的力学性能：本发明专利中通过制备工艺在铜导体表面由表及里分别分布着β-Sn、Cu3Sn、Cu5Sn金属化合物的特殊结构。其中，Cu3Sn和Cu5Sn具有良好的综合力学性能，其分布于铜导体表层，能增强铜导体的综合力学性能；
3、优异的抗氧化性能：本发明专利中通过制备工艺在铜导体表面由表及里分别分布着β-Sn、Cu3Sn、Cu5Sn金属化合物的特殊结构。β-Sn、Cu3Sn和Cu5Sn层具备良好的抗氧化的特性，能提高铜导体的整体抗氧化能力；
4、优异的导电性能：铜导体表层大量固溶的Ag原子促使导体的导电性能得到明显提升。此外，Cu3Sn和Cu5Sn相具备较高的核外自由电子层，能够进一步提高铜导体的导电性能。
附图说明
图1是本发明中铜导体材料的微观组织图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明，本实施例不构成对本发明的限制。
本发明提供了一种特种电缆用高性能抗氧化铜导体材料，如图1所示，铜导体表层设有梯度分布的Cu-Sn-Ag金属层；该梯度分布的Cu-Sn-Ag金属化合物层中，由表及里分别分布着β-Sn、Cu3Sn、Cu5Sn金属化合物。
本发明还提供了一种特种电缆用高性能抗氧化铜导体材料的制备方法，通过如下几个具体的实施例对本其予以说明：
实施例1：
本实施例1提供了一种特种电缆用高性能抗氧化铜导体材料的制备方法，包括如下步骤：
S1、放线：选取直径为0.42mm符合国家标准要求的铜线置于放线盘；
S2、退火：采用电感热处理隧道炉对S1中牵引进来的铜线进行退火处理，处理条件为：温度350℃，时间70min；
S3、酸洗：将S2中退火后的铜线牵引入酸洗槽进行酸洗处理，酸洗条件为：温度50℃，时间70min，酸洗液成分为：盐酸6mol/L，氯化锡60g/L，氟化钠30g/L，氯化锌90g/L，草酸铜120g/L；
S4、镀锡银：将S3中酸洗后的铜线牵引入锡银炉进行镀锡银处理，镀锡银条件为：温度330℃，时间70min，锡银炉中锡银液成分按原子百分比为11.8%的银和88.2%的锡；
S5、压力加工：将S4镀锡银后的铜线牵引入直径为0.21mm的拉丝模中（即铜线变形率为50%），进一步拉丝处理，拉丝温度为280℃；
S6、性能热处理：将S5压力加工后的铜线牵引入电感热处理隧道炉进行性能热处理，处理条件为：温度460℃，时间70min；
S7、收线：将S6中处理完的铜线牵引入收线盘，自然冷却后得到成品。
实施例2：
本实施例2提供了一种特种电缆用高性能抗氧化的铜导体材料制造方法：包括如下步骤：
S1、放线：选取直径为0.42mm符合国家标准要求的铜线置于放线盘；
S2、退火：采用电感热处理隧道炉对S1中牵引进来的铜线进行退火处理，处理条件为：温度450℃，时间60min。；
S3、酸洗：将S2中退火后的铜线牵引入酸洗槽进行酸洗处理，酸洗条件为：温度55℃，时间60min，酸洗液成分为：盐酸7mol/L，氯化锡70g/L，氟化钠55g/L，氯化锌96g/L，草酸铜135g/L；
S4、镀锡银：将S3中酸洗后的铜线牵引入锡银炉进行镀锡银处理，镀锡银条件为：温度400℃，时间60min，锡银炉中锡银液成分按原子比为10%的银和90%的锡；
S5、压力加工：将S4镀锡银后的铜线牵引入直径为0.21mm的拉丝模中（即铜线变形率为50%），进一步拉丝处理，拉丝温度为300℃；
S6、性能热处理：将S5压力加工后的铜线牵引入电感热处理隧道炉进行性能热处理，处理条件为：温度500℃，时间60min；
S7、收线：将S6中处理完的铜线牵引入收线盘，自然冷却后得到成品。
实施例3：
本实施例3提供了一种特种电缆用高性能抗氧化的铜导体材料制造方法：包括如下步骤：
S1、放线：选取直径为0.42mm符合国家标准要求的铜线置于放线盘；
S2、退火：采用电感热处理隧道炉对S1中牵引进来的铜线进行退火处理，处理条件为：温度550℃，时间50min；
S3、酸洗：将S2中退火后的铜线牵引入酸洗槽进行酸洗处理，酸洗条件为：温度60℃，时间50min，酸洗液成分为：盐酸8mol/L，氯化锡80g/L，氟化钠75g/L，氯化锌102g/L，草酸铜155g/L；
S4、镀锡银：将S3中酸洗后的铜线牵引入锡银炉进行镀锡银处理，镀锡银条件为：温度460℃，时间50min，锡银炉中锡银液成分按原子百分比为7.6%的银和92.4%的锡；
S5、压力加工：将S4镀锡银后的铜线牵引入直径为0.21mm的拉丝模中（即铜线变形率为50%），进一步拉丝处理，拉丝温度为340℃；
S6、性能热处理：将S5压力加工后的铜线牵引入电感热处理隧道炉进行性能热处理，处理条件为：温度620℃，时间50min；
S7、收线：将S6中处理完的铜线牵引入收线盘，自然冷却后得到成品。
对比例1：
本对比例提供了一种特种电缆用高性能抗氧化的铜导体材料制造方法，其步骤方法与实施例3大致相同，区别在于，将步骤S4中的锡银液换成纯锡液。
对比例2：
本对比例提供了一种特种电缆用高性能抗氧化的铜导体材料制造方法，其步骤方法与实施例3大致相同，区别在于，除了删除步骤S5。
对比例3：
本对比例提供了一种特种电缆用高性能抗氧化的铜导体材料制造方法，其步骤方法与实施例3大致相同，区别在于，步骤S6中热处理条件变为：温度300℃，时间80min。
对比例4：
本对比例提供了一种特种电缆用高性能抗氧化的铜导体材料制造方法，其步骤方法与实施例3大致相同，区别在于，步骤S6中热处理条件变为：温度650℃，时间40min。
对比例5：
本对比例提供一种市售镀锡铜导线（上海易初电线电缆有限公司，型号UL1015，货号2018212210）。
将上述实施例和对比例所述铜导体材料进行力学性能、电阻率和抗氧化性能测试，其中，力学性能参照GB/T 10623-2008 金属材料力学性能试验公开的测定方法；电阻率参照GB/T3956-2008 电缆的导体中公开的测定方法；抗氧化性测试条件为氧气环境下150℃保温250h后测量氧化增重。
经过上述制备方法获得特种电缆用高性能抗氧化的铜导体材料综合性能数据对比，如下表1：
表1 铜导体材料的综合性能数据对比
由表1可知：
（1）对比实施例1-3和对比例1-5可以看出，实施例1-3采用的本发明所制备获得的特种电缆用高性能抗氧化的铜导体材料，具备优异的力学性能、导电性能和抗氧化性能；
（2）对比实施例3和对比例1、5可以看出，相比镀锡铜导体，镀锡银铜导体的导电性能和抗氧化性能更优异；
（3）对比实施例3和对比例2可以看出，经过压力加工后的铜导体材料的导电性能、力学性能和抗氧化性能更优异；
（4）对比实施例3和对比例3、4可以看出，在本发明的性能热处理范围内所获得的铜导体导电性能、力学性能和抗氧化性能更优异；
（5）对比实施例3和对比例5可以看出，本发明所制备获得的特种电缆用高性能抗氧化的铜导体材料，比市售的同类材料铜导体导电性能、力学性能和抗氧化性能更优异。
综上，本发明获得的产品具备优异的力学性能、导电性能和抗氧化性能，能克服现有技术的不足，可以解决特种电缆的加工性能和抗氧化性能的问题。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，不用于限制本发明，本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明技术方案的保护范围内。
Claims (5)
1.一种特种电缆用高性能抗氧化铜导体材料的制备方法，其特征在于：制备出的铜导体表层设有梯度分布的Cu-Sn-Ag金属层，且其中由表及里分别分布着β-Sn、Cu3Sn、Cu5Sn金属化合物；该制备方法包括如下步骤：
S1、放线：选取铜线置于放线盘；
S2、退火：对S1中牵引进来的铜线进行退火处理；
S3、酸洗：将S2中退火后的铜线牵引入酸洗槽进行酸洗处理；
S4、镀锡银：将S3中酸洗后的铜线牵引入锡银炉进行镀锡银处理，镀锡银的温度为330~460℃，时间50~70min；
S5、压力加工：将S4镀锡银后的铜线牵引入拉丝模，进一步拉丝处理，拉丝过程中，铜线变形率为50%，拉丝温度为280~340℃；
S6、性能热处理：将S5压力加工后的铜线牵引入电感热处理隧道炉进行性能热处理，处理温度为460~620℃，时间50~70min；
S7、收线：将S6中处理完的铜线牵引入收线盘，冷却后得到成品。
2.根据权利要求1所述的一种特种电缆用高性能抗氧化铜导体材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中，采用电感热处理隧道炉进行退火处理，退火温度350~550℃，时间50~70min。
3.根据权利要求1所述的一种特种电缆用高性能抗氧化铜导体材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中，酸洗液成分包括盐酸6~8mol/L、氯化锡60~80g/L、氟化钠30~75g/L、氯化锌90~102g/L、草酸铜120~155g/L，酸洗温度50~60℃，时间50~70min。
4.根据权利要求1或3所述的一种特种电缆用高性能抗氧化铜导体材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S4中，锡银炉中锡银液成分原子百分比为7.6~11.8%的银和92.4~88.2%的锡。
5.根据权利要求1所述的一种特种电缆用高性能抗氧化铜导体材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S7中的冷却方式为自然冷却。
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