一种高强度高导电铜银合金线材的制备方法

摘要

本发明公开了一种高强度高导电铜银合金线材的制备方法，该合金主要由0.2‑8.0 wt.%Ag，杂质总量不大于0.1%，余量为Cu。其制备方法的步骤为：真空熔炼—真空连续铸造—时效——多道次拉拔。通过本工艺能很好地控制合金中固溶Ag原子的含量，同时析出纳米Ag，提高合金的位错密度，使合金获得最大的析出强化和位错强化效果。本发明的制备方法较传统先固溶再时效的方法，不仅保证了Cu‑Ag合金的力学性能的同时，还能获得更高的导电性能，制得的铜银合金线力学性能和导电性能得到了良好的匹配，缩短了工艺流程、降低了生产成本。

权利要求

1.一种高强度高导电铜银合金线材的制备方法，其特征在于，原料组分为4.5‑8.0wt.%的Ag，杂质总量不大于0.1%，余量为Cu；包括如下步骤：‑1

1）将原料加入到真空连续熔炼与铸造炉内，对熔炼炉、保温炉进行抽真空到＜10 Pa后，充入氩气至炉内气压0.85‑0.95Mpa；

在熔炼炉内进行熔炼，熔炼温度1130‑1180℃；待完全熔化后倒入保温炉内进行保温，保温温度为1130‑1180℃，熔体中氧含量＜10ppm；

2）通过水平连续铸造设备牵引、制备得到Cu‑Ag合金杆坯，牵引温度为1130‑1180℃；

3）对Cu‑Ag合金杆坯进行时效处理；

4）对Cu‑Ag合金杆坯进行多道次拉拔；Cu‑Ag合金的多道次拉拔总加工率＞90%。

2.如权利要求1所述的高强度高导电铜银合金线材的制备方法，其特征在于，原料中所述Ag和所述Cu的纯度为质量百分比均不小于99.95%。

3.如权利要求1所述的高强度高导电铜银合金线材的制备方法，其特征在于，步骤1）中加料室、熔炼室、保温室均采用独立腔室，加工过程中分别对所述独立腔室进行抽真空到＜‑1

10 Pa，充入氩气至室内气压0.85‑0.95MPa的降氧处理，缩短加料过程、熔炼过程、保温过程和铸造过程的转换时间。

4.如权利要求1所述的高强度高导电铜银合金线材的制备方法，其特征在于，所述熔炼‑1

室至少进行两次抽真空到＜10 Pa，充入氩气至室内气压0.85‑0.95MPa的降氧处理。

5.如权利要求1所述的高强度高导电铜银合金线材的制备方法，其特征在于，步骤3）中，合金的时效温度为350℃‑450℃，保温时间为30‑600min。

6.如权利要求1所述的高强度高导电铜银合金线材的制备方法，其特征在于，步骤2）中，水平牵引速度1‑12mm/s，节距2‑6mm，停顿时间0.1‑0.5s，冷却水流量50‑300L/min，冷却水入口温度25℃‑40℃，水平连续铸造制备的Cu‑Ag合金杆材直径为8mm‑20mm，杆坯的氧含量＜10ppm。

7.如权利要求1所述的高强度高导电铜银合金线材的制备方法，其特征在于，步骤4）中，道次变形量控制在10%‑50%。

说明书

一种高强度高导电铜银合金线材的制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于有色金属加工领域，具体涉及一种高强度高导电铜银合金线材的制备方法。

背景技术

[0002] 随着信息化、智能化社会的发展，电磁线在电子、医疗产品领域的需求越来越大。Cu合金有很高的导电率和延伸率，但是强度太低无法满足绕组线圈及拉丝过程中的质量要
求。微合金化是合金强化的重要方式，向Cu合金添加Ag可以大幅提高合金的强度，同时保留
合金的高导电率。由于运用于强磁场、强磁体的线圈材料，在使用过程中需要承受很强的洛
仑磁力，因此要求电磁线必须拥有很高的抗拉强度。而为了避免产生大量的焦耳热，同时电
磁线材料导电率必须大于60%IACS。目前Cu‑Ag合金线与其他材料相比具有更加的强度和导
电率的匹配关系，是一种运用较为广泛的电磁线材料。然而，为了获得高的强度，目前对性
能要求高的电磁线使用的都是银含量＞8wt.%的Cu‑Ag合金，甚至银含量更高的Cu‑Ag复合
材料，其主要就是为了在Cu‑Ag合金中获得大量Ag相，在配以大的变形量，从而使Ag相形成
细小的Ag纤维，形成一种双相复合强化效果，以获得大的合金强度。而当Ag含量低于8wt.%
时，合金中的Ag相非常少，变形后不足以形成复合强化的效果，合金强度无法满足电磁线高
强度的使用要求。而且Ag价格昂贵，导致高性能Cu‑Ag电磁线的生产成本非常高。

[0003] 在传统的Cu‑Ag合金线材生产过程中，为了获得析出强化和纤维强化的双重强化效果，必须先在700℃‑720℃保温均匀化后进行固溶处理。而后，在拉拔过程中，为了提高线
材的可拉性和获得时效析出强化效果，再进行450℃时效处理，即其工艺流程为：铸态—均
匀化—固溶—拉拔—时效—拉拔。这种工艺存在以下三个不足：①固溶处理会导致基体中
获得大量的固溶Ag原子，而且后期时效过程中并不能完全把固溶原子析出。因而，固溶处理
导致的Ag原子固溶原子大量剩余，将恶化后期Cu‑Ag合金线材导电率。②在拉拔过程中为了
提高线材的可拉相和提高合金的时效析出强化效果而进行的时效处理，并不能完全将固溶
处理的固溶Ag原子析出，导致时效后合金仍有较高的固溶度，在后期大变形过程中容易导
致合金形变储能升高从而发生再结晶，不利于合金线材强度的提升。③在拉拔变形后再进
行时效处理，会导致形变储能大的Cu‑Ag合金发生部分的回复和再结晶，从而造成合金线材
强度的降低，影响了线材的最终性能。

[0004] 因此，为了实现高强度、高导电率的Cu‑Ag合金高效、规模化生产，本专利开发了一种低Ag含量的Cu‑Ag合金线材的制备工艺及方法。

发明内容

[0005] 本发明的目的是提供一种低Ag含量的Cu‑Ag合金线材的制备工艺及方法，该方法能有效降低Ag含量，并获得高Ag含量Cu‑Ag合金的抗拉强度，且导电率更高；该方法能在保
证合金性能的前提下，降低Ag含量，降低生产成本；该方法使Cu‑Ag合金线材的制备工艺流
程更短，节能降耗。具体技术方案为：

[0006] 一种高强度高导电铜银合金线材的制备方法，所述的Cu‑Ag合金的组分为：0.2‑8.0wt.%的Ag，杂质总量不大于0.1%，余量为Cu；其制备方法包括如下步骤：

[0007] 1）按合金配比进行配料，其中Ag采用纯银，Cu采用高纯阴极铜；将原料加入到真空‑1
连续熔炼与铸造炉内，对熔炼炉、保温炉进行抽真空到＜10 Pa后，充入氩气至炉内气压
0.85‑0.95MPa。在熔炼炉内进行熔炼，熔炼温度1130‑1180℃；待完全熔化后倒入保温炉内
进行保温，保温温度为1130‑1180℃；

[0008] 2）通过水平连续铸造设备牵引、制备得到Cu‑Ag合金杆坯，牵引温度为1130‑1180℃；

[0009] 3）对Cu‑Ag合金杆坯使用ICP、氧氮分析仪等检测设备进行合金成分检测；

[0010] 4）对Cu‑Ag合金杆坯进行时效处理；

[0011] 5）对Cu‑Ag合金杆坯进行多道次拉拔。

[0012] 进一步，步骤1）中纯Ag、纯Cu的质量百分比均不小于99.95%。

[0013] 进一步，步骤1）中加料室、熔炼室、保温室是独立腔室，可独立对各个室抽真空到‑1
＜10 Pa后，充入氩气至室内气压0.85‑0.95MPa，实现加料过程、熔炼过程、保温过程和铸造
过程的连续。

[0014] 进一步，步骤1）中熔炼室可进行重复多次“独立抽真空到＜10‑1Pa后，并充入氩气至室内气压0.85‑0.95MPa”，使熔体中氧含量＜10ppm。

[0015] 进一步，步骤2）中，水平牵引速度1‑12mm/s，节距2‑6mm，停顿时间0.1‑0.5s，冷却水流量50‑300L/min，冷却水入口温度25℃‑40℃，水平连续铸造制备的Cu‑Ag合金杆材直径
为8mm‑20mm，杆坯的氧含量＜10ppm。

[0016] 进一步，步骤4）中，合金的时效温度为350℃‑450℃，保温时间为30‑600min，已获得细小、弥散的纳米Ag析出相。

[0017] 进一步，步骤5）中，Cu‑Ag合金的多道次拉拔总加工率＞90%，以使纳米Ag相成纳米Ag纤维，是基体组织中获得大量的位错缠结和大的位错密度。

[0018] 本发明通过“真空熔炼—真空连续铸造—时效——多道次拉拔”的工艺制备Cu‑Ag合金线材，在铜中仅添加银，实现了高强度高导电Cu‑Ag合金线材的短流程、高性价比的连
续制备和生产。（1）通过真空熔炼与真空连续铸造技术制备Cu‑Ag合金杆材，避免了熔炼过
程中氧化物等夹杂带入合金基体中，影响Cu‑Ag合金线材的稳定拉制；（2）通过真空熔炼与
真空连续铸造技术制备Cu‑Ag合金杆材，能很好地将合金熔体中的氧含量浓度控制在＜
10ppm以内，提高了合金的纯度和合金的导电率；（3）通过控制真空连续铸造Cu‑Ag合金的冷
却强度，能获得合适的固溶Ag原子的含量，同时获得离异型共晶组织中的单质Ag颗粒；（4）
通过对铸态的Cu‑Ag合金直接时效， 使Cu‑Ag合金铸造过程中形成的固溶Ag原子析出形成
细小的纳米Ag颗粒，能有效降低固溶Ag原子的浓度，提高合金的强度和导电率，最大限度减
小了固溶Ag原子对合金导电率的影响；（5）时效后直接冷拉拔至所需规格的Cu‑Ag合金线
材，不仅能是铸造过程中形成的细小单质Ag相被拉长形成细小的Cu+Ag的两相纤维强化相，
同时能将细小的析出纳米Ag颗粒拉成宽度更细的纳米长条形纳米Ag相，增大了纳米相与基
体的接触面积，大大提高了析出相的析出强化效果。（6）本发明Cu‑Ag合金线材的工艺制备
方案，将固溶Ag原子的浓度通过工艺控制的形式降低至最小，并将固溶Ag原子最大限度地
析出形成更为细小的析出Ag相，最大限度的弱化了对合金导电率的影响。并充分利用了Cu、
Ag晶格类型一样、晶格参数相近具有很好的协同变形的特性，避免了拉拔过程中的时效，实
现了Cu‑Ag合金线材的连续冷拉拔，保证了合金的强度。

附图说明

[0019] 图1为真空连续铸造Cu‑Ag合金中的单质Ag颗粒状态；

[0020] 图2为时效后，铸态的Cu‑Ag合金中的纳米Ag颗粒；

[0021] 图3为时效后直接冷拉拔形成纳米长条形纳米Ag相；

[0022] 图4为产品中形成大量的位错缠结。

[0023] 图中1、单质Ag颗粒；2、纳米Ag相颗粒；3、纤维状的共晶Ag相；4、纳米析出Ag纤维。

具体实施方式

[0024] 下面利用实施例对本发明进行更全面的说明。本发明可以体现为多种不同形式，并不应理解为局限于这里叙述的示例性实施例。

[0025] 为了易于说明，在这里可以使用诸如“上”、“下”“左”“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中
示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的
装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因
此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位（旋转90度或位于
其他方位），这里所用的空间相对说明可相应地解释。

[0026] 实施例1

[0027] 步骤1.按合金组分为4.5 wt.%的Ag、余量为Cu进行配料，其中Ag、Cu的纯度均为99.95wt.%以上。将原料放入加料仓、真空熔炼炉内，将加料时、熔炼室、保温室进行抽真空
到0.08Pa，充入氩气至0.9MPa后，启动熔炼炉电源进行熔炼，熔炼温度为1150℃±10℃。待
完全熔化后倒入保温炉内进行保温，保温温度为1150℃±5℃。

[0028] 步骤2.采用水平连续铸造装置进行水平连续铸造φ8mm的 Cu‑Ag合金杆，牵引温度为1150℃±5℃，水平牵引速度10mm/s，节距5mm，停顿时间0.2s，冷却水流量100L/min，冷
却水入口温度37℃。如图1所示，通过控制真空连续铸造Cu‑Ag合金的冷却强度，能获得合适
的固溶Ag原子的含量，同时获得离异型共晶组织中的单质Ag颗粒1。

[0029] 步骤3.经成分测试杆坯的氧含量为3.4ppm，Ag含量为4.48 wt.%。

[0030] 步骤4.对Cu‑Ag合金在450℃保温6小时进行时效处理，抗拉强度253MPa，导电率98.4%IACS，此时合金内固溶Ag原子的浓度为1.12 at.%。如图2所示，通过对铸态的Cu‑Ag合
金直接时效，使Cu‑Ag合金铸造过程中形成的固溶Ag原子析出形成细小的纳米Ag颗粒2。

[0031] 步骤5.将φ8mm的Cu‑Ag合金杆拉伸至1.1mm,道次变形量控制在10%‑40%，总变形量为98.1%。如图3所示，时效后直接冷拉拔至所需规格的Cu‑Ag合金线材，不仅能使铸造过
程中形成的细小单质Ag相被拉长形成细小的纤维状的共晶Ag相3（Cu+Ag的两相纤维强化
相）；同时能将细小的析出纳米Ag颗粒拉成宽度更细的纳米析出Ag纤维4（纳米长条形纳米
Ag相），如图4所示，经过上述工艺处理，增大了纳米相与基体的接触面积，在冷变形过程中
阻碍位错运用，形成大量的位错缠结，大大提高了析出相的析出强化效果。经过拉拔后φ
1.1mm的Cu‑Ag合金线材的抗拉强度760.8 MPa，85.2 %IACS，合金线材的位错密度达到2.38
15 ‑2
×10  mm 。

[0032] 实施例2

[0033] 步骤1.按合金组分为8.0 wt.%的Ag、余量为Cu进行配料，其中Ag、Cu的纯度均为99.95wt.%以上。将原料放入加料仓、真空熔炼炉内，将加料时、熔炼室、保温室进行抽真空
到0.1Pa，充入氩气至0.95MPa后，启动熔炼炉电源进行熔炼，熔炼温度为1140℃±10℃。待
完全熔化后倒入保温炉内进行保温，保温温度为1140℃±5℃。熔体熔化后在倒入保温炉之
前，对熔炼室进行“独立抽真空到0.1Pa，充入氩气至0.95MPa”2个循环操作。

[0034] 步骤2.采用水平连续铸造装置进行水平连续铸造φ20 mm的 Cu‑Ag合金杆，牵引温度为1140℃±5℃，水平牵引速度2 mm/s，节距2 mm，停顿时间0.5s，冷却水流量280L/
min，冷却水入口温度27℃。

[0035] 步骤3.经成分测试杆坯的氧含量为1.2 ppm，Ag含量为8.01 wt.%。

[0036] 步骤4.对Cu‑Ag合金在450℃保温1小时进行时效处理，抗拉强度289MPa，导电率97.2%IACS，此时合金内固溶Ag原子的浓度为1.36 at.%。

[0037] 步骤5.将φ20mm的Cu‑Ag合金杆拉伸至0.8mm,道次变形量控制在10%‑50%，总变形量为99.84%。经过拉拔后φ0.8mm的Cu‑Ag合金线材的抗拉强度1108 MPa，81.2 %IACS，合金
15 ‑2
线材的位错密度达到4.37×10  mm 。

[0038] 实施例3

[0039] 步骤1.按合金组分为2.0 wt.%的Ag、余量为Cu进行配料，其中Ag、Cu的纯度均为99.95wt.%以上。将原料放入加料仓、真空熔炼炉内，将加料时、熔炼室、保温室进行抽真空
到0.05Pa，充入氩气至0.85MPa后，启动熔炼炉电源进行熔炼，熔炼温度为1170℃±10℃。待
完全熔化后倒入保温炉内进行保温，保温温度为1160℃±5℃。熔体熔化后在倒入保温炉之
前，对熔炼室进行“独立抽真空到0.05Pa，充入氩气至0.85MPa”1个循环操作。

[0040] 步骤2.采用水平连续铸造装置进行水平连续铸造φ16 mm的 Cu‑Ag合金杆，牵引温度为1160℃±5℃，水平牵引速度6 mm/s，节距4 mm，停顿时间0.5s，冷却水流量220L/
min，冷却水入口温度30℃。

[0041] 步骤3.经成分测试杆坯的氧含量为0.92 ppm，Ag含量为1.98 wt.%。

[0042] 步骤4.对Cu‑Ag合金在450℃保温8小时进行时效处理，抗拉强度263MPa，导电率99.5%IACS，此时合金内固溶Ag原子的浓度为0.97 at.%。

[0043] 步骤5.将φ16mm的Cu‑Ag合金杆拉伸至0.5mm,道次变形量控制在10%‑45%，总变形量为99.90%。经过拉拔后φ0.5mm的Cu‑Ag合金线材的抗拉强度937 MPa，88.5 %IACS，合金
15 ‑2
线材的位错密度达到3.28×10  mm 。

[0044] 实施例4

[0045] 步骤1.按合金组分为0.2 wt.%的Ag、余量为Cu进行配料，其中Ag、Cu的纯度均为99.95wt.%以上。将原料放入加料仓、真空熔炼炉内，将加料时、熔炼室、保温室进行抽真空
到0.1Pa，充入氩气至0.95MPa后，启动熔炼炉电源进行熔炼，熔炼温度为1170℃±10℃。待
完全熔化后倒入保温炉内进行保温，保温温度为1170℃±5℃。

[0046] 步骤2.采用水平连续铸造装置进行水平连续铸造φ12 mm的 Cu‑Ag合金杆，牵引温度为1170℃±5℃，水平牵引速度8 mm/s，节距6 mm，停顿时间0.4s，冷却水流量250L/
min，冷却水入口温度28℃。

[0047] 步骤3.经成分测试杆坯的氧含量为6. 2 ppm，Ag含量为0.2 wt.%。

[0048] 步骤4.对Cu‑Ag合金在350℃保温10小时进行时效处理，抗拉强度235MPa，导电率99.8%IACS，此时合金内固溶Ag原子的浓度为0.05 at.%。

[0049] 步骤5.将φ12mm的Cu‑Ag合金杆拉伸至1.5mm,道次变形量控制在10%‑42%，总变形量为98.44%。经过拉拔后φ1.5mm的Cu‑Ag合金线材的抗拉强度737 MPa，94.5 %IACS，合金
15 ‑2
线材的位错密度达到1.97×10  mm 。

[0050] 实施例5

[0051] 步骤1.按合金组分为6.0 wt.%的Ag、余量为Cu进行配料，其中Ag、Cu的纯度均为99.95wt.%以上。将原料放入加料仓、真空熔炼炉内，将加料时、熔炼室、保温室进行抽真空
到0.9Pa，充入氩气至0.90MPa后，启动熔炼炉电源进行熔炼，熔炼温度为1145℃±10℃。待
完全熔化后倒入保温炉内进行保温，保温温度为1140℃±5℃。

[0052] 步骤2.采用水平连续铸造装置进行水平连续铸造φ16mm的 Cu‑Ag合金杆，牵引温度为1140℃±5℃，水平牵引速度6 mm/s，节距4 mm，停顿时间0.3s，冷却水流量270L/min，
冷却水入口温度25℃。

[0053] 步骤3.经成分测试杆坯的氧含量为4.2 ppm，Ag含量为6.02 wt.%。

[0054] 步骤4.对Cu‑Ag合金在450℃保温2小时进行时效处理，抗拉强度281MPa，导电率97.8%IACS，此时合金内固溶Ag原子的浓度为1.15 at.%。

[0055] 步骤5.将φ16mm的Cu‑Ag合金杆拉伸至0.45mm,道次变形量控制在10%‑45%，总变形量为99.92%。经过拉拔后φ0.45mm的Cu‑Ag合金线材的抗拉强度1216 MPa，93.1%IACS，合
15 ‑2
金线材的位错密度达到4.42×10  mm 。

[0056] 上述示例只是用于说明本发明，除此之外，还有多种不同的实施方式，而这些实施方式都是本领域技术人员在领悟本发明思想后能够想到的，故，在此不再一一列举。