韓波，文姍，朱新德

（1山東大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250061；2濟(jì)南寶世達(dá)實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司，山東濟(jì)南 250061）

生產(chǎn)技術(shù)

空心銅銀導(dǎo)線制備工藝的研制開發(fā)*

韓波1，2，文姍1，朱新德1

（1山東大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250061；2濟(jì)南寶世達(dá)實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司，山東濟(jì)南 250061）

根據(jù)汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組線材的工況特點(diǎn)及性能要求，采用銅銀合金并加入微量稀土元素凈化并改善合金性能，通過熔鑄→擠壓→拉拔→退火→拉拔→退火→拉拔工序，開發(fā)了不等壁厚空心矩形銅銀合金導(dǎo)線。產(chǎn)品抗拉強(qiáng)度≮300 MPa，屈服強(qiáng)度≮250 MPa，斷后伸長率5%，布氏硬度≮85；20℃時最小電導(dǎo)率56 m/（Ω·mm2）；加熱到300℃保溫1 h后，布氏硬度最大減少10%，熱穩(wěn)定性好。

銅銀導(dǎo)線；熔鑄；擠壓；拉拔；力學(xué)性能；熱穩(wěn)定性

1 前言

銅銀空心導(dǎo)線是制造風(fēng)冷式汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組線的關(guān)鍵材料，在磁場中以2 000 r/min的轉(zhuǎn)速切割磁力線產(chǎn)生電流，工作溫度達(dá)200℃以上，不僅要求組線材料具有較高的導(dǎo)電率和良好的力學(xué)性能，而且還需要具有高溫抗蠕變性能［1］。因此，選擇品質(zhì)優(yōu)良的轉(zhuǎn)子繞組用銅銀空心導(dǎo)線，是發(fā)電機(jī)設(shè)計和制造中的一個重要內(nèi)容。

純銅的抗軟化溫度低，耐熱性能差，強(qiáng)度低，特別是高溫強(qiáng)度低。雖然通過冷加工（軋制、擠壓、鍛造、拉拔）可使純銅的強(qiáng)度達(dá)到400 MPa，但冷加工獲得的較高強(qiáng)度會因自然時效作用軟化，其強(qiáng)度很難長久保持。采用合金化提高銅合金的力學(xué)性能，特別是抗軟化性能，是當(dāng)前銅合金研究的主要方向之一［2］。

影響銅導(dǎo)電率的各元素中，銀對銅導(dǎo)電率的影響最?。?］。加入合金元素銀后，其高溫機(jī)械性能顯著提高，軟化溫度可提高到350℃以上。在銅銀熔液中加入微量稀土，銅銀合金導(dǎo)線的各項(xiàng)性能得到很大改善，不僅能去除銅液中的雜質(zhì)，而且對銅銀合金起到細(xì)化晶粒作用。本研究探討銅銀空心導(dǎo)線的關(guān)鍵制備工藝和環(huán)節(jié)。

2 空心導(dǎo)線的制備工藝

空心導(dǎo)線的加工步驟，依次包括熔鑄、擠壓、鏈拉以及拉拔過程的中間熱處理工序等。具體的流程為“熔鑄→擠壓→拉拔→退火→拉拔→退火→拉拔”，其中擠壓工序?yàn)橹圃飚a(chǎn)品的關(guān)鍵階段，在保證提高成材率的前提下提供合格的坯料；退火工序主要是為保證產(chǎn)品的力學(xué)性能、導(dǎo)電性能、晶粒度，并消除拉拔過程中產(chǎn)生的加工硬化；產(chǎn)品尺寸公差、表面粗糙度等靠拉拔工序來保證。

2.1 合金熔煉

熔煉銅銀合金所需的原料主要為陰極銅板和銀粒，其中銅純度99.99%以上，雜質(zhì)含量≯0.01%，銅板表面及邊緣不得有花瓣?duì)罨驑渲畹念w粒。采用1.5 t的半連續(xù)熔煉爐，首先將陰極銅板完全熔化后，添加約0.1%（重量百分比）顆粒狀的單質(zhì)銀以及相應(yīng)比例的稀土合金，并且使合金熔煉溫度保持在1 180～1 200℃。為了保溫、隔絕空氣和防止氧化，在銅液表面覆蓋10～20 cm厚的木炭。銅銀合金出爐溫度控制在1 200℃左右，熔煉時間約2～3 h。

研究表明，稀土的加入量以0.08%為宜。當(dāng)稀土含量＜0.02%時，稀土主要起凈化作用，減少雜質(zhì)對電子的散射，從而降低銅的電阻率；隨稀土含量增多，對銅晶粒細(xì)化作用增強(qiáng)，使銅晶界增多，對電子的散射作用增強(qiáng)，因而使銅的電阻率增大；當(dāng)稀土含量超過0.08%時，由于稀土殘留量過多，在銅銀合金中形成不均勻分布的大塊狀稀土金屬間化合物，使合金的電阻率增大，導(dǎo)電性下降［4］。

2.2 擠壓工序

采用1 800 t臥式雙動水封式擠壓機(jī)進(jìn)行空心導(dǎo)線的擠壓，設(shè)備主要由擠壓墊、穿孔針和擠壓模具組成。擠壓過程中，首先將銅錠墩粗，然后通過穿孔針打孔（根據(jù)壁厚不同采用不同的穿孔針）。為了保證產(chǎn)品的表面質(zhì)量，需要進(jìn)行脫皮擠壓，所以擠壓墊和擠壓筒之間保持2 mm的間隙；銅錠加熱溫度800～850℃；擠壓壓力20 MPa。從擠壓筒中出來的工件進(jìn)入水封，水封是通過噴水在工件上方形成一層水膜，使工件隔絕空氣，防止氧化。其中，擠壓模尺寸為49.2 mm×43.8 mm，穿孔針的尺寸為Φ35 mm。本工藝制成的銅銀導(dǎo)線截面是一種不等壁厚的空心矩形，橫截面短邊厚度是長邊厚度1.5～3倍。擠壓溫度控制在（910±5）℃。

2.3 拉拔及中間熱處理

拉拔工藝過程在10 t液壓拉拔機(jī)上完成，生產(chǎn)中進(jìn)行5道次拉伸，除一道次采用空拉外，其余4道次的拉拔均采用固定芯頭拉伸，且每道次的變形量均保持在20%左右。拉拔的工藝流程及變形參數(shù)為：過渡拉伸（模具44 mm×25 mm）→2次拉伸（外模41 mm×20.4 mm，芯球28.8 mm×12.8 mm）→3次拉伸（外模39 mm×15.7 mm，芯球27.6 mm×9.5 mm）→4次拉伸（外模37.2 mm×12.4 mm，芯球26.4 mm×7.2 mm）→5次拉伸（外模35.4 mm×9.3 mm，芯球25.2 mm×5.3 mm）。

每兩次拉伸后在臥式真空爐中進(jìn)行真空退火處理，避免氧化退火后酸洗造成表面質(zhì)量不佳［5］。在拉伸前要進(jìn)行制頭處理，然后在拉伸模中進(jìn)行一道空拉。再結(jié)晶退火處理工藝為：二道次拉伸后退火，加熱到520℃并保溫1.5 h，隨爐冷卻；4道次拉伸后退火，加熱到400℃并保溫1 h，隨爐冷卻。

3 空心導(dǎo)線的成分、性能和規(guī)格

制備出的銅銀空心導(dǎo)線化學(xué)成分：銀含量為0.08%～0.12%，磷含量為0.001%～0.007%，其余為銅，允許導(dǎo)線的不純度最大為0.05%。

導(dǎo)線的力學(xué)性能：抗拉強(qiáng)度≮300 MPa，屈服強(qiáng)度≮250 MPa，斷后伸長率為5%，布氏硬度≮85。物理性能：20℃時電導(dǎo)率最小為56 m/（Ω·mm2），比重為8 940 kg/mm2。熱穩(wěn)定性：加熱到300℃保溫1 h后，布氏硬度最大減少10%。

產(chǎn)品外形和尺寸：成品導(dǎo)線必須平直，且端面與導(dǎo)線垂直，剖面為方形，沒有毛刺，長度公差為±5 mm。翹度：在縱向方向上，無論是寬邊還是窄邊，在1 m長的范圍內(nèi)不得超過0.5 mm的偏差。扭度：側(cè)面扭度每米不超過0.5 mm的偏差。常見的空心銅導(dǎo)線截面示意圖見圖1。

圖1 兩種不同截面形狀的空心銅導(dǎo)線示意圖

4 結(jié)語

銅銀空心導(dǎo)線的生產(chǎn)工藝為“鑄錠→擠壓→拉拔→退火→拉拔”，根據(jù)現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝已經(jīng)進(jìn)行了批量化生產(chǎn)，制成的轉(zhuǎn)子繞組已在發(fā)電機(jī)中穩(wěn)定運(yùn)行，而且成品質(zhì)量也得到了使用者的肯定。由于銅銀空心導(dǎo)線實(shí)際生產(chǎn)中，擠壓工序采用半連續(xù)擠壓機(jī)，相對于鑄造、拉拔工序，擠壓工序的成材率較低，這對導(dǎo)線總的成材率影響很大。因此優(yōu)化擠壓工藝是銅銀空心導(dǎo)線生產(chǎn)的關(guān)鍵。稀土合金有凈化和改善導(dǎo)線性能的作用，稀土合金的加入種類與加入量是決定鑄坯質(zhì)量的重要因素；優(yōu)化拉伸過程的中間退火可以消除加工硬化并提高塑性，有利于后續(xù)變形。

［1］呂殿泉.空心導(dǎo)線的拉制技術(shù)［J］.電線電纜，1989（4）：53-54. ［2］李來軍.連續(xù)定向凝固技術(shù)制備Cu-Ag、Cu-Cr合金線材及其組織和性能的研究［D］.蘭州：蘭州理工大學(xué)，2004.

［3］肖世玲.Cu-Ag-Zr合金組織與性能［D］.長沙：中南大學(xué)，2004.

［4］仲偉深，孫躍軍，張偉強(qiáng)，等.提高銅銀合金電氣化鐵路接觸線導(dǎo)電性途徑的研究［J］.鑄造，2001，50（10）：611-613.

［5］王宏君，于丙宏.紫銅空心導(dǎo)線成型工藝研制［J］.中國高新技術(shù)企業(yè)，2013（11）：35-37.

Molding Process of Silver Copper Hollow Conductor

HAN Bo1,2,WEN Shan1,ZHU Xinde1

（1 School of Material Science and Engineering,Shandong University,Jinan 250061,China; 2 Jinan Baoshida Industrial Development Co.,Ltd.,Jinan 250061,China）

According to the working characteristics and performance of the steam turbine generator rotor winding wire,using copper silver alloy and adding trace rare earth elements to purify and improve alloy properties,different wall thickness rectangular hollow copper silver alloy wires was developed by means of casting,extrusion,drawing,annealing,drawing,annealing and drawing process. As product,tensile strength≮300 MPa,yield strength≮250 MPa,break elongation is 5 percent,Brinell hardness≮85.The minimum conductivity was 56 m/（Ω·mm2）at room temperature.When it was heated to 300℃and kept heating one hour,its Brinell hardness decreased by 10%and has good thermal stability.

silver copper wire;casting;extrusion;drawing;mechanical property;thermal stability

TG146.1；TG356

B

1004-4620（2015）03-0018-02

2015-04-29

*山東省自主創(chuàng)新重大專項(xiàng)項(xiàng)目（2013CXB60201）；山東省科技攻關(guān)項(xiàng)目（2014GGX102003）。

韓波，男，1980年生，2003年畢業(yè)于濟(jì)南大學(xué)機(jī)械學(xué)院機(jī)械設(shè)計及自動化專業(yè)?，F(xiàn)為濟(jì)南寶世達(dá)實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司技術(shù)部經(jīng)理，山東大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院工程材料專業(yè)在職在讀工程碩士，從事銅及銅合金加工等工作。