空心铜银导线制备工艺的研制开发*

韩波，文姗，朱新德

（1山东大学材料科学与工程学院，山东济南 250061；2济南宝世达实业发展有限公司，山东济南 250061）

生产技术

空心铜银导线制备工艺的研制开发*

韩波1，2，文姗1，朱新德1

（1山东大学材料科学与工程学院，山东济南 250061；2济南宝世达实业发展有限公司，山东济南 250061）

根据汽轮发电机转子绕组线材的工况特点及性能要求，采用铜银合金并加入微量稀土元素净化并改善合金性能，通过熔铸→挤压→拉拔→退火→拉拔→退火→拉拔工序，开发了不等壁厚空心矩形铜银合金导线。产品抗拉强度≮300 MPa，屈服强度≮250 MPa，断后伸长率5%，布氏硬度≮85；20℃时最小电导率56 m/（Ω·mm2）；加热到300℃保温1 h后，布氏硬度最大减少10%，热稳定性好。

铜银导线；熔铸；挤压；拉拔；力学性能；热稳定性

1 前言

铜银空心导线是制造风冷式汽轮发电机转子绕组线的关键材料，在磁场中以2 000 r/min的转速切割磁力线产生电流，工作温度达200℃以上，不仅要求组线材料具有较高的导电率和良好的力学性能，而且还需要具有高温抗蠕变性能［1］。因此，选择品质优良的转子绕组用铜银空心导线，是发电机设计和制造中的一个重要内容。

纯铜的抗软化温度低，耐热性能差，强度低，特别是高温强度低。虽然通过冷加工（轧制、挤压、锻造、拉拔）可使纯铜的强度达到400 MPa，但冷加工获得的较高强度会因自然时效作用软化，其强度很难长久保持。采用合金化提高铜合金的力学性能，特别是抗软化性能，是当前铜合金研究的主要方向之一［2］。

影响铜导电率的各元素中，银对铜导电率的影响最小［3］。加入合金元素银后，其高温机械性能显著提高，软化温度可提高到350℃以上。在铜银熔液中加入微量稀土，铜银合金导线的各项性能得到很大改善，不仅能去除铜液中的杂质，而且对铜银合金起到细化晶粒作用。本研究探讨铜银空心导线的关键制备工艺和环节。

2 空心导线的制备工艺

空心导线的加工步骤，依次包括熔铸、挤压、链拉以及拉拔过程的中间热处理工序等。具体的流程为“熔铸→挤压→拉拔→退火→拉拔→退火→拉拔”，其中挤压工序为制造产品的关键阶段，在保证提高成材率的前提下提供合格的坯料；退火工序主要是为保证产品的力学性能、导电性能、晶粒度，并消除拉拔过程中产生的加工硬化；产品尺寸公差、表面粗糙度等靠拉拔工序来保证。

2.1 合金熔炼

熔炼铜银合金所需的原料主要为阴极铜板和银粒，其中铜纯度99.99%以上，杂质含量≯0.01%，铜板表面及边缘不得有花瓣状或树枝状的颗粒。采用1.5 t的半连续熔炼炉，首先将阴极铜板完全熔化后，添加约0.1%（重量百分比）颗粒状的单质银以及相应比例的稀土合金，并且使合金熔炼温度保持在1 180～1 200℃。为了保温、隔绝空气和防止氧化，在铜液表面覆盖10～20 cm厚的木炭。铜银合金出炉温度控制在1 200℃左右，熔炼时间约2～3 h。

研究表明，稀土的加入量以0.08%为宜。当稀土含量＜0.02%时，稀土主要起净化作用，减少杂质对电子的散射，从而降低铜的电阻率；随稀土含量增多，对铜晶粒细化作用增强，使铜晶界增多，对电子的散射作用增强，因而使铜的电阻率增大；当稀土含量超过0.08%时，由于稀土残留量过多，在铜银合金中形成不均匀分布的大块状稀土金属间化合物，使合金的电阻率增大，导电性下降［4］。

2.2 挤压工序

采用1 800 t卧式双动水封式挤压机进行空心导线的挤压，设备主要由挤压垫、穿孔针和挤压模具组成。挤压过程中，首先将铜锭墩粗，然后通过穿孔针打孔（根据壁厚不同采用不同的穿孔针）。为了保证产品的表面质量，需要进行脱皮挤压，所以挤压垫和挤压筒之间保持2 mm的间隙；铜锭加热温度800～850℃；挤压压力20 MPa。从挤压筒中出来的工件进入水封，水封是通过喷水在工件上方形成一层水膜，使工件隔绝空气，防止氧化。其中，挤压模尺寸为49.2 mm×43.8 mm，穿孔针的尺寸为Φ35 mm。本工艺制成的铜银导线截面是一种不等壁厚的空心矩形，横截面短边厚度是长边厚度1.5～3倍。挤压温度控制在（910±5）℃。

2.3 拉拔及中间热处理

拉拔工艺过程在10 t液压拉拔机上完成，生产中进行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头拉伸，且每道次的变形量均保持在20%左右。拉拔的工艺流程及变形参数为：过渡拉伸（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）。

每两次拉伸后在卧式真空炉中进行真空退火处理，避免氧化退火后酸洗造成表面质量不佳［5］。在拉伸前要进行制头处理，然后在拉伸模中进行一道空拉。再结晶退火处理工艺为：二道次拉伸后退火，加热到520℃并保温1.5 h，随炉冷却；4道次拉伸后退火，加热到400℃并保温1 h，随炉冷却。

3 空心导线的成分、性能和规格

制备出的铜银空心导线化学成分：银含量为0.08%～0.12%，磷含量为0.001%～0.007%，其余为铜，允许导线的不纯度最大为0.05%。

导线的力学性能：抗拉强度≮300 MPa，屈服强度≮250 MPa，断后伸长率为5%，布氏硬度≮85。物理性能：20℃时电导率最小为56 m/（Ω·mm2），比重为8 940 kg/mm2。热稳定性：加热到300℃保温1 h后，布氏硬度最大减少10%。

产品外形和尺寸：成品导线必须平直，且端面与导线垂直，剖面为方形，没有毛刺，长度公差为±5 mm。翘度：在纵向方向上，无论是宽边还是窄边，在1 m长的范围内不得超过0.5 mm的偏差。扭度：侧面扭度每米不超过0.5 mm的偏差。常见的空心铜导线截面示意图见图1。

图1 两种不同截面形状的空心铜导线示意图

4 结语

铜银空心导线的生产工艺为“铸锭→挤压→拉拔→退火→拉拔”，根据现有的生产工艺已经进行了批量化生产，制成的转子绕组已在发电机中稳定运行，而且成品质量也得到了使用者的肯定。由于铜银空心导线实际生产中，挤压工序采用半连续挤压机，相对于铸造、拉拔工序，挤压工序的成材率较低，这对导线总的成材率影响很大。因此优化挤压工艺是铜银空心导线生产的关键。稀土合金有净化和改善导线性能的作用，稀土合金的加入种类与加入量是决定铸坯质量的重要因素；优化拉伸过程的中间退火可以消除加工硬化并提高塑性，有利于后续变形。

［1］吕殿泉.空心导线的拉制技术［J］.电线电缆，1989（4）：53-54. ［2］李来军.连续定向凝固技术制备Cu-Ag、Cu-Cr合金线材及其组织和性能的研究［D］.兰州：兰州理工大学，2004.

［3］肖世玲.Cu-Ag-Zr合金组织与性能［D］.长沙：中南大学，2004.

［4］仲伟深，孙跃军，张伟强，等.提高铜银合金电气化铁路接触线导电性途径的研究［J］.铸造，2001，50（10）：611-613.

［5］王宏君，于丙宏.紫铜空心导线成型工艺研制［J］.中国高新技术企业，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

*山东省自主创新重大专项项目（2013CXB60201）；山东省科技攻关项目（2014GGX102003）。

韩波，男，1980年生，2003年毕业于济南大学机械学院机械设计及自动化专业。现为济南宝世达实业发展有限公司技术部经理，山东大学材料科学与工程学院工程材料专业在职在读工程硕士，从事铜及铜合金加工等工作。