CN111508661A - 一种制备异构铜导线的装置及方法 - Google Patents

一种制备异构铜导线的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于金属材料制备领域，具体涉及一种制备异构铜导线的装置及方法。包括编扭单元：包括两个夹持旋转轴，用于将多个平行设置的铜/铜合金棒材编扭铰结，实现材料初步的机械结合；旋锻单元：设置在编扭单元两个夹持旋转轴之间，用于对编扭之后的棒材进行旋锻；拉丝单元：设置在编扭、旋锻单元后侧，用于对旋锻之后的棒材进行拉丝；热处理单元：位于拉丝单元后端，用于对拉丝之后的棒材进行热处理，从而获得异构铜合金导线。本申请通过连续编扭热旋锻拉丝变形结合后续热处理的方法，制得了具备不同晶粒尺度的高强高韧异构铜合金导线。

Description

一种制备异构铜导线的装置及方法
技术领域
本发明属于金属材料制备领域，具体涉及一种制备异构铜导线的装置及方法。
背景技术
随着节能减排的要求不断提高，电力科技对电线电缆等用于传输电能、传递 信息和实现电磁能量转换的产品需求量日益增加。金属导线是最常规的电线电缆 产品用材，常规的纯铜、纯铝作为导线用材能够满足导电性要求。但是，为实现 远程高效且稳定的电力输送，对于导体的力学性能也有了新的要求。一般情况下， 材料的强度与电导率难以同时兼顾。金属材料强度提高后缺陷密度提高，阻碍电 子在材料中的迁移。并且，高密度的缺陷还会导致材料的延展性下降，对电力传 送的安全性和稳定性产生不利影响。
经对现有技术的文献检索发现，戴雅康等人在《Electric Wire&Cable》 电线电缆期刊，2013,6(6)：1-6.上发表的“包覆焊接-拉拔法铜包铝线冶金结 合机理的探讨”一文中，介绍了一种制备铜-铝复合导线的方法，对包覆焊接后 拉拔成形的铜-铝复合材料进行热处理，调控材料的微观组织，改善力学性能， 获得所需力学性能的软态铜包铝线，该技术方法的特点如下：(1)铝的质量较轻， 使得铜-铝复合线材更轻质，符合环保节能的理念；(2)铜-铝复合线材充分发挥 了铝的低密度性能和铜的优良导电性能。但是，该技术也存在以下问题：(1)铜 和铝的弹性模量差异较大，两种基体的界面结合较差，使得导线的导电性能有所 下降；(2)铝的化学性质较活泼，在制备过程中易发生氧化，产生的氧化层影响 两种基体界面的结合效果。
进一步检索发现，贺飞等人在《Surface Technology》表面技术期刊，2007， 36(5):78-81上发表的“铜包钢线材及其生产工艺”一文中，介绍了一种采用 电镀法生产铜包钢线材的工艺方法，利用电沉积原理,在铜盐溶液中将钢丝表面 镀上铜层，以制得铜-钢复合线材，该技术具有以下特点：(1)铜包钢线的钢芯具 有足够的机械强度，而铜层的导电性能较好；(2)铜层与钢芯间的界面结合好， 线材性能优异。但是，该技术也存在以下问题：(1)电镀法生产铜包钢线的铜镀 层较薄，性能较脆，铜层中易混有杂质而影响导电性；(2)在传统的预镀铜液中 含有剧毒的氰化物，存在较大的生产危险性以及对环境的污染性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备异构铜导线的装置及方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种制备异构铜导线的装置，包括
编扭单元：包括两个夹持旋转轴，用于将多个平行设置的铜/铜合金棒材编 扭铰结，实现材料初步的机械结合；
旋锻单元：设置在编扭单元两个夹持旋转轴之间，用于对编扭之后的棒材进 行旋锻；
拉丝单元：设置在编扭、旋锻单元后侧，用于对旋锻之后的棒材进行拉丝；
热处理单元：位于拉丝单元后端，用于对拉丝之后的棒材进行热处理，从而 获得异构铜合金导线。
进一步的，还包括控制柜，所述控制柜与编扭单元、旋锻单元和拉丝单元连 接，用于控制编扭、旋锻和拉丝过程；所述编扭单元和旋锻单元放置于控制柜上 方。
进一步的，所述夹持旋转轴内部设有紧固胶圈，夹持旋转轴通过紧固胶圈夹 持多个平行设置的铜/铜合金棒材的两端，并旋转一端的夹持旋转轴，实现多个 平行设置的铜/铜合金棒材编扭铰结。
进一步的，所述旋锻单元包括锻压模具和旋转机构，所述锻压模具装配于相 应的旋转机构上，逐级布置不同直径的锻压模具。
进一步的，所述旋压模具内布置有加热机构，所述加热机构包括电阻丝、热 电偶和控温仪器；
电阻丝包覆在旋锻模具外侧，热电偶布于电阻丝之间便于测温，控温仪器位 于最外侧通过电线与热电偶和电阻丝相连，便于实现对温度的监测和调控。
进一步的，所述编扭和旋锻单元后端通过定滑轮连接拉丝单元，旋锻之后的 棒材经过定滑轮导向之后进入拉丝单元。
进一步的，所述拉丝单元包括拉丝模具、位移传感器、变频器、张力架和卷 绕机构；
所述拉丝模具为多个位于中间部位，根据规格大小贯穿拉丝组件始终，相邻 的两个拉丝模具之间设有导向轮；位移传感器分布在每两道模具之间，变频器位 于拉丝单元最下方，与位移传感器和拉丝模具之间通过电线连接；张力架位于最 后一道次的后方，所述卷绕机构位于张力架的后方。
一种利用上述的装置制备异构铜导线的方法，选用两种或多种具有不同再结 晶温度的铜合金，进行混料；混料后进行编扭绞结变形；随后进行热旋锻变形， 获得致密的多组元异构铜合金棒材；再经过多道次的拉丝变形，形成多组元的异 构铜合金线材；经过后续热处理，实现异构铜合金线材中不同组元的晶粒细化过 程，获得多晶粒尺度的异构铜合金导线。
进一步的，所述方法具体包括如下步骤：
步骤(1)：混料：提前处理铜/铜合金棒材的表面，去除油污和氧化膜，打 磨至暴露出光亮的金属基体；并对长度相同的异种铜/铜合金棒材按照周向交替 排列的方式进行集束式排列，集束的截面直径与编扭变形模具的进口通道相匹配， 并对铜合金细棒束的首尾进行捆扎；
步骤(2)：编扭变形：将捆扎固定好的铜合金细棒束送入装置中，两端与装 置对齐，启动编扭单元，紧固细棒束的两端一端保持固定，另一端的夹持旋转轴 驱动细棒束绕中心轴编扭变形，绞结异种铜合金细棒束，实现材料的初步机械混 合；
步骤(3)：热旋锻变形：关掉编扭单元的开关，打开加热机构的开关进行加 热，打开旋锻单元的开关，驱动旋锻模具合模并对铜合金细棒束施以旋锻变形， 逐级布置不同直径的旋锻模具；
步骤(4)：拉丝变形：将旋锻变形后的棒材通过定滑轮(6)改变方向，送 入拉丝模具中，经过20-50道次的拉丝，获得异构铜合金导线；
步骤(5)：热处理：对得到的铜合金导线进行真空退火处理，获得的材料为 具有不同晶粒尺度的异构铜合金导线。
进一步的，所述步骤(2)中的编扭变形，进料速率控制在0.1～10m/min， 旋转轴转速控制在0.1～10rpm，旋转角度控制在30～720°；
所述步骤(3)中的热旋锻变形，变形温度控制在100～300℃，旋锻速率控 制在2～20m/min，总变形量控制在40～60％；
所述步骤(4)中的拉丝变形，拉丝速率控制在1～10m/min，总变形量控制 在70～95％；
所述步骤(5)中的热处理，退火温度控制在200～300℃，退火时间控制在 1～5h。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)本发明通过编扭-热旋锻-拉丝的组合工艺，可以制备出高强高韧的异 构铜合金导线，微观结构设计具有极大的灵活性和指向性，可根据实际需求，调 整合金的配比，可供选择的材料有纯铜和Cu-10Zn、纯铜和Cu-20Zn等合金成分。
(2)本发明可以制备出晶粒尺度在轴向和径向交替分布的高强高韧铜合金 导线，三维上获得软硬两相，实现铜合金导线强度和塑性的协同提升。
(3)本发明在生产过程中不涉及化学药品的使用，工作环境相对安全，大 大降低了对环境的污染程度，所制得的材料含杂质极少，可操作性和实用性较强。
(4)本发明采用具有不同的细晶强化效果的铜合金制备异构铜合金导线， 其特点是所选材料的弹性模量相近，使所制得材料的异质界面匹配度高，降低其 在变形过程中的失效率。
附图说明
图1为本发明的制备异构铜导线的装置整体示意图。
图2为本发明的变形过程示意图；其中图(a)为编扭变形前后示意图图(b) 为旋锻变形剖视图。
图3为本发明的热处理示意图；其中图(a)为热处理装置示意图，图(b) 为热处理前材料的微观结构示意图(左侧为轴向结构示意图，右侧为径向结构示 意图)，图(c)为热处理后材料的微观结构示意图(左侧为轴向结构示意图，右 侧为径向结构示意图)。
附图标记说明：
1-纯铜棒材，2-铜合金棒材，3-夹持旋转轴，4-旋锻模具，5-旋锻后的异构 铜合金棒材，6-定滑轮，7-拉丝单元，8-卷绕机构，9-控制柜。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
如图1-2所示，本申请制备异构铜导线的编扭锻拉丝装置包括：编扭单元、 加热机构、旋锻模具、拉丝单元及热处理单元；
其中编扭单元位于装有电机和电线等物品的控制柜上方分居两侧，由紧固胶 圈和夹持旋转轴3组成，紧固胶圈直接与待加工样品接触，其外侧装配可连续旋 转的夹持旋转轴3；
旋锻模具4位于控制柜上方的编扭单元内侧，由锻压模具和旋转装置组成， 锻压模具装配到旋转装置上，可在旋转装置的带动下实现转动；加热机构包覆在 旋锻模具组件外侧，包括电阻丝、热电偶和控温仪器，电阻丝包覆在旋锻模具外 侧，热电偶布于电阻丝之间便于测温，控温仪器位于最外侧通过电线与热电偶和 电阻丝相连，便于实现对温度的监测和调控；
拉丝单元7与编扭热旋锻变形组之间通过定滑轮6连接，定滑轮6用于改变 丝材的传输方向，拉丝单元7由拉丝模具、位移传感器、变频器和张力架组成， 拉丝模具是拉丝单元7的主体，位于中间部位，根据规格大小贯穿拉丝组件始终， 位移传感器分布在每两道模具之间，变频器位于拉丝组件最下方，与位移传感器 和拉丝模具之间通过电线连接，张力架位于最后一道次的后方，保证线材缠绕的 紧密有序，最终变形加工好的异构铜合金线材缠绕在线圈上，以便运输、加工和 储存。
热处理单元：位于拉丝单元后端，用于对拉丝之后的棒材进行热处理，从而 获得异构铜合金导线。
本发明的制备方法包括以下步骤：
第一步，对铜合金细棒的表面进行打磨和清洗，去除表面的油污和氧化层， 取若干长度和直径均相同的两种铜合金细棒，按照图1所示的异种材料周向交替 排列的方式混编，确保混编后的细棒束的总截面直径近似等于第一道模具进口通 道的直径，并对混编好的铜合金细棒首尾进行捆扎固定；
第二步，将捆扎固定好的铜合金细棒束送入装置中，两端与装置对齐如图1 所示，启动该装置的编扭变形装置，紧固细棒束的两端，并驱动其中一端以3～10 rpm的速率均匀旋转，旋转角度为30～720°；
第三步，待编扭变形过程结束后，关闭编扭变形装置，以5～20℃/min的速 率使管内温度升至100至300℃，保温10～30min，启动旋锻变形装置，对棒材施 以热旋锻变形，旋锻速率为2～20m/min，变形量为40～60％；
第四步，将旋锻变形所制得的材料送到拉丝模具中，对棒材施以拉丝变形， 拉丝速率为1～10m/min，变形量为70～95％；
第五步，退火处理，退火温度的范围为200～300℃，时间为1～5h。
实施例1
(1)选取10根长度为1.5m、直径为5mm的黄铜金属棒和9根同样尺寸的纯 铜金属棒，进行表面处理，去除其表面的油污和氧化膜，打磨至表面呈光亮状的 金属棒。
(2)将处理好的两种铜合金细棒按照周向交替排列的方式堆放好，排列方式 如图1所示，坯料首尾用铜丝捆扎，固定金属细棒束，防止松散混乱。
(3)将捆扎好的金属细棒束送到编扭热旋锻拉丝变形组中，两侧对齐，如图1 所示，启动编扭装置的开关，紧固铜合金细棒束的两端，控制启动一端的旋转轴 转动360°，如图2。
(4)关掉编扭装置的开关，打开加热装置的开关加热到200℃并保温20min， 打开旋锻装置的开关，驱动旋锻模具对铜合金细棒束施以旋锻变形，旋锻速率为 8m/min，三道次的旋锻模具直径依次设置为20mm、16mm和12.8mm。
(5)将旋锻变形后的铜合金棒材通过定滑轮6改变方向，送入拉丝模具中， 经过30道次的拉丝，变形量为80％，获得异构铜合金导线。对得到的铜合金导 线进行真空退火处理，如图3，其中退火温度为250℃，时间为2h，获得的材料 则为具有不同晶粒尺度的异构铜合金导线。
获得的多晶粒尺度异构铜合金材料的微观结构如图3所示，晶粒尺度在轴向 和径向均呈现交替分布。由于经大变形后的纯铜和Cu-10Zn在250℃下退火处理 时，纯铜没有达到再结晶温度，基体中的晶粒发生不同程度的长大，而Cu-10Zn 则发生明显的再结晶过程，晶粒得到细化。在热处理后，两种合金的晶粒尺度具 有较大差异，从而导致两种基体具有较大的强度差异，软硬两相交替分布形成异 构铜合金。因此，本专利通过上述的连续编扭热旋锻拉丝变形结合后续热处理的 方法，成功制得了具备不同晶粒尺度的高强高韧异构铜合金导线。

Claims (10)

1.一种制备异构铜导线的装置，其特征在于，包括
编扭单元：包括两个夹持旋转轴，用于将多个平行设置的铜/铜合金棒材编扭铰结，实现材料初步的机械结合；
旋锻单元：设置在编扭单元两个夹持旋转轴之间，用于对编扭之后的棒材进行旋锻；
拉丝单元：设置在编扭、旋锻单元后侧，用于对旋锻之后的棒材进行拉丝；
热处理单元：位于拉丝单元后端，用于对拉丝之后的棒材进行热处理，从而获得异构铜合金导线。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括控制柜，所述控制柜与编扭单元、旋锻单元和拉丝单元连接，用于控制编扭、旋锻和拉丝过程；所述编扭单元和旋锻单元放置于控制柜上方。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述夹持旋转轴内部设有紧固胶圈，夹持旋转轴通过紧固胶圈夹持多个平行设置的铜/铜合金棒材的两端，并旋转一端的夹持旋转轴，实现多个平行设置的铜/铜合金棒材编扭铰结。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述旋锻单元包括锻压模具和旋转机构，所述锻压模具装配于相应的旋转机构上，逐级布置不同直径的锻压模具。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述旋锻单元内布置有加热机构，所述加热机构包括电阻丝、热电偶和控温仪器；
电阻丝包覆在旋锻模具外侧，热电偶布于电阻丝之间便于测温，控温仪器位于最外侧通过电线与热电偶和电阻丝相连，便于实现对温度的监测和调控。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述编扭和旋锻单元后端通过定滑轮连接拉丝单元，旋锻之后的棒材经过定滑轮导向之后进入拉丝单元。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述拉丝单元包括拉丝模具、位移传感器、变频器、张力架和卷绕机构；
所述拉丝模具为多个，位于拉丝单元的中间部位，根据规格大小贯穿拉丝单元始终，相邻的两个拉丝模具之间设有导向轮；位移传感器分布在每两道模具之间，变频器位于拉丝单元最下方，与位移传感器和拉丝模具之间通过电线连接；张力架位于最后一道次的后方，所述卷绕机构位于张力架的后方。
8.一种利用权利要求1-7任一项所述的装置制备异构铜导线的方法，其特征在于，选用两种或多种具有不同再结晶温度的铜合金，进行混料；混料后进行编扭绞结变形；随后进行热旋锻变形，获得致密的多组元异构铜合金棒材；再经过多道次的拉丝变形，形成多组元的异构铜合金线材；经过后续热处理，实现异构铜合金线材中不同组元的晶粒细化过程，获得多晶粒尺度的异构铜合金导线。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤(1)：混料：提前处理铜/铜合金棒材的表面，去除油污和氧化膜，打磨至暴露出光亮的金属基体；并对长度相同的异种铜/铜合金棒材按照周向交替排列的方式进行集束式排列，集束的截面直径与编扭变形模具的进口通道相匹配，并对铜合金细棒束的首尾进行捆扎；
步骤(2)：编扭变形：将捆扎固定好的铜合金细棒束送入装置中，两端与装置对齐，启动编扭单元，紧固细棒束的两端一端保持固定，另一端的夹持旋转轴驱动细棒束绕中心轴编扭变形，绞结异种铜合金细棒束，实现材料的初步机械混合；
步骤(3)：热旋锻变形：关掉编扭单元的开关，打开加热机构的开关进行加热，打开旋锻单元的开关，驱动旋锻模具合模并对铜合金细棒束施以旋锻变形，逐级布置不同直径的旋锻模具；
步骤(4)：拉丝变形：将旋锻变形后的棒材通过定滑轮(6)改变方向，送入拉丝模具中，经过20-50道次的拉丝，获得异构铜合金导线；
步骤(5)：热处理：对得到的铜合金导线进行真空退火处理，获得的材料为具有不同晶粒尺度的异构铜合金导线。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，编扭变形工序，进料速率控制在0.1～10m/min，旋转轴转速控制在0.1～10rpm，旋转角度控制在30～720°；热旋锻变形工序，变形温度控制在100～300℃，旋锻速率控制在2～20m/min，总变形量控制在40～60％；拉丝变形工序，拉丝速率控制在1～10m/min，总变形量控制在70～95％；热处理工序，退火温度控制在200～300℃，退火时间控制在1～5h。
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