一种利用熔铸后热旋锻技术制备铜包覆钢线材的方法
阅读：245发布：2020-05-13
专利汇可以提供一种利用熔铸后热旋锻技术制备铜包覆钢线材的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种利用熔铸后热旋锻技术制备 铜 包覆 钢 线材的方法，按以下步骤实施：根据所制线材的规格选择不同的钢芯直径；将处理好的钢芯装入 石墨 模具中，在氮气或氩气保护气氛高温炉中，加热到1050-1150℃，保温20-30min，将熔融的纯铜液注入到石墨模具中，随炉冷却即得到铜包覆钢坯料；将所制铜包覆钢坯料，在 电阻 炉里加热到380-420℃，保温10-15min，然后放到旋锻机上进行多道次的旋锻，每锻一次都要回炉 退火 ，直到符合工艺规格的外径尺寸要求；将所制铜包覆钢线材通过化学 抛光 后，用清 水 冲洗干净，烘干即成。本发明的方法能够制备各种直径的铜包覆钢线材，产品的性能稳定、 质量 高、成本低。，下面是一种利用熔铸后热旋锻技术制备铜包覆钢线材的方法专利的具体信息内容。
1.一种利用熔铸后热旋锻技术制备铜包覆钢线材的方法，其特征在于，该方法按照以下步骤实施：
步骤1、根据所制铜包覆钢线材的规格选配合适直径的钢芯，将上述选好的钢芯用质量浓度65％-70％的磷酸浸泡5-10分钟，待表面杂质清除干净后打磨光滑，再用无水乙醇冲洗后，烘干；
步骤2、熔铸铜包覆钢
将步骤1准备好的钢芯材料，装入相应通孔直径的石墨模具中，将钢芯安置在通孔中的轴心位置，在氮气或氩气保护气氛高温炉中，加热到1050-1150℃，保温20-30min，将熔融的铜液注入到石墨模具的通孔中，随炉冷却后取出，即得到铜包覆钢坯料；
步骤3、热旋锻
将步骤2所制的铜包覆钢坯料，加热到380-420℃，保温10-15min，然后放到旋锻机上，采用多副异型锻模锤锻依次加工坯料，每次锤击的加工量不超过10％，每锻一次都要回炉退火，直到符合工艺规格的外径尺寸要求；
步骤4、将步骤3获得铜包覆钢线材进行化学抛光
先是按照质量百分数分别称取72％-75％磷酸、8％-10％硫酸、8％-10％硝酸、
3％-4％尿素、4％-5％硫酸胺和0.01％-0.02％硫酸铜，六种组分质量百分数合计为
100％；
再将所称取的磷酸、硫酸、硝酸依次倒入抛光槽内，搅拌均匀；然后分别将所称取的尿素、硫酸胺、硫酸铜加入抛光槽内搅拌均匀，得到抛光液；
最后在搅拌状态下，保持抛光液温度100-200℃，将步骤3所制铜包覆钢线材放入抛光液中2-3min，用清水冲洗干净，烘干即得。
2.根据权利要求1所述的利用熔铸后热旋锻技术制备铜包覆钢线材的方法，其特征在于，所述的步骤3中，热旋锻过程中退火处理的温度350-400℃。
3.根据权利要求1所述的利用熔铸后热旋锻技术制备铜包覆钢线材的方法，其特征在于，所述的步骤4中，磷酸的摩尔浓度为14.63mol/L，硫酸的摩尔浓度为1.84mol/L，硝酸的摩尔浓度为15.55mol/L。
一种利用熔铸后热旋锻技术制备铜包覆钢线材的方法
技术领域
背景技术
[0002] 在通信电缆、建筑布电线、轻质电磁线和其他电线电缆导体等领域广泛的应用着铜包覆钢线材，铜包覆钢线是钢芯上同心均匀地覆盖着一层铜，它兼有钢的高强度，又有铜的优异导电和抗腐蚀性能。铜包铁线与纯铜线相比具有很多优点，在相同截面和状态(硬态)下，铜包覆钢线的强度是实心铜线的两倍，能承受大的冲击和负荷，在环境条件比较苛刻、移动比较频繁的场所使用时，具有较高的可靠性和抗疲劳强度，使用寿命比较长；铜包覆钢线以钢代铜，大大减少了纯铜的消耗量，从而降低成本，减小密度，节省了宝贵的铜资源；铜包覆钢线高频下衰减小于纯铜线，在高频下传输信号损耗小、传输效率高；铜包覆钢线可以制成具有不同抗拉强度和电导率的导线，可以说，铜包覆钢线在通信电缆、建筑布电线、轻质电磁线和其他电线电缆导体等领域具有广泛的应用前景。
[0003] 针对线材的几种常用加工方法，如拉伸、辊拉、轧制等，它们在加工中的应力特点是：拉伸、辊拉为二向压应力、一向拉应力，对塑性较好的金属线材有利，而对低塑性有色金属材料不利，后者加工时易出现拉裂或拉断现象，造成生产中断甚至无法加工；轧制法应力为三向压应力，对塑性较好或低塑性金属线材都有利，但型辊加工昂贵，轧机维护费用高，因此，克服现有技术中的不足，全面提升铜包覆钢线材的综合性能，成为一个急需解决的技术问题。
发明内容
[0004] 本发明的目的是提供一种利用熔铸后热旋锻技术制备铜包覆钢线材的方法，解决了现有技术制备该类材料工艺复杂，综合性能差、制作成本高的问题。
[0005] 本发明所采用的技术方案是，一种利用熔铸后热旋锻技术制备铜包覆钢线材的方法，该方法按照以下步骤实施：
[0007] 步骤2、熔铸铜包覆钢
[0008] 将步骤1准备好的钢芯材料，装入相应通孔直径的石墨模具中，将钢芯安置在通孔中的轴心位置，在氮气或氩气保护气氛高温炉中，加热到1050-1150℃，保温20-30min，将熔融的铜液注入到石墨模具的通孔中，随炉冷却后取出，即得到铜包覆钢坯料；
[0009] 步骤3、热旋锻
[0010] 将步骤2所制的铜包覆钢坯料，加热到380-420℃，保温10-15min，然后放到旋锻机上，采用多副异型锻模锤锻依次加工坯料，每次锤击的加工量不超过10％，每锻一次都要回炉退火，直到符合工艺规格的外径尺寸要求；
[0011] 步骤4、将步骤3获得铜包覆钢线材进行化学抛光
[0013] 再将所称取的磷酸、硫酸、硝酸依次倒入抛光槽内，搅拌均匀；然后分别将所称取的尿素、硫酸胺、硫酸铜加入抛光槽内搅拌均匀，得到抛光液；
[0014] 最后在搅拌状态下，保持抛光液温度100-200℃，将步骤3所制铜包覆钢线材放入抛光液中2-3min，用清水冲洗干净，烘干即得。
[0015] 本发明的优异效果是，工艺简单，操作方便，制作成本降低，同时还具有：(1)线材加工变形量大，旋锻工艺的变形程度远大于拉伸和辊模拉拔；(2)线材变形均匀，材料内部处于三个方向压应力状态，周向均匀压缩，不会因变形不均匀导致材料形成裂口和裂纹，且线材也较少发生扭曲；(3)所需变形力小，工具、模具使用寿命提高；(4)设备所需的驱动力较小，采用小功率的电机作为动力源，运转成本低。附图说明
[0016] 图1是本发明方法中使用的石墨模具结构示意图；
[0017] 图2是图1的俯视图。
[0018] 图中，1.石墨模具，2.通孔，3.钢芯，4.工艺孔。
具体实施方式
[0019] 下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0020] 本发明提供的一种利用熔铸后热旋锻技术制备铜包覆钢线材的方法，该方法使用的高密度、高强度、高导电石墨模具结构如图1、图2所示，在石墨模具1顶端均匀开有一圈工艺孔4(工艺孔4指的是在石墨模具1的上端开的大孔或槽，主要是放置待融化的铜块，并起到熔池的作用)，石墨模具1中部及下部开有通孔2，加工过程中将钢芯3安置在通孔2中的轴心上，并上下定位。
[0021] 本发明方法利用上述的石墨模具，按照以下步骤实施：
[0022] 步骤1、根据所制铜包覆钢线材的规格选配合适直径的钢芯，钢芯材质选用铁丝或者钢丝，具体如下表1所示。将上述选好的钢芯用质量浓度65％-70％的磷酸浸泡5-10分钟，待表面杂质清除干净后用纱布打磨光滑，再用无水乙醇冲洗后，用温度小于80℃的烘干机烘干。
[0023] 表1是根据所制线材的规格选择不同的钢芯直径对照表
[0024]所制线材的规格(毫米) 选用的钢丝或铁丝直径(毫米)
＜Φ2 Φ1
Φ2-Φ4 Φ1-Φ2
Φ4-Φ6 Φ2-Φ4
＞Φ7 Φ5
＜Φ2 Φ1
Φ2-Φ4 Φ1-Φ2
Φ4-Φ6 Φ2-Φ4
＞Φ7 Φ5
[0025] 步骤2、熔铸铜包覆钢，将步骤1准备好的钢芯材料，按图1所示装入相应通孔直径的石墨模具1中，将钢芯3安置在通孔2中的轴心位置，并固定牢靠，在氮气或氩气保护气氛高温炉中，加热到1050-1150℃，保温20-30min，将熔融的铜液从工艺孔4注入到石墨模具1的通孔2中(图1所示的箭头方向)，随炉冷却后取出，即得到铜包覆钢坯料。
[0026] 步骤3、热旋锻，将步骤2所制的铜包覆钢坯料，经过切掉多余边角料以及对其表面进行光滑处理后，在箱式电阻炉里加热到380-420℃，保温10-15min，然后放到旋锻机上，通过锻模之间产生往复相对运动，对加工材料施加压应力，产生锻击，施加压应力的辊子随主传动轴围绕锤头转动，旋锻时主传动轴每转动一周，每个锤头被4个辊子分别锻击一次，从而将动力由锤头传至锻模，直到作用在坯料上，完成对加工材料的数次锤击。由于主传动轴高速旋转，每个道次的加工量通过数十甚至上百次锻击完成，采用数十副异型锻模锤锻依次加工坯料，每次锤击的加工量不超过10％(半径方向的变化量)，加工坯料每次都受到均匀分布在周向上的压缩变形，直到符合工艺规格的外径尺寸要求，从而消除加工坯料内部的气孔、空洞缺陷，破碎粗大的晶粒，改变材料的组织结构。
[0027] 在本步骤中，对加工坯料每旋锻一次都要回炉退火，退火温度为350-400℃，用于消除坯料加工过程产生的加工应力，减少加工缺陷，提高成材率。
[0028] 步骤4、将步骤3获得铜包覆钢线材进行化学抛光，
[0029] 先是按照质量百分数分别称取72％-75％磷酸、8％-10％硫酸、8％-10％硝酸、3％-4％尿素、4％-5％硫酸胺和0.01％-0.02％硫酸铜，六种组分质量百分数合计为
100％；
100％；
[0030] 其中的磷酸的摩尔浓度为14.63mol/L、硫酸的摩尔浓度为1.84mol/L、硝酸的摩尔浓度为15.55mol/L；
[0031] 再将磷酸、硫酸、硝酸依次倒入抛光槽内，搅拌均匀；然后分别将尿素、硫酸胺、硫酸铜加入抛光槽内搅拌均匀，得到抛光液；在搅拌状态下，保持抛光液温度100-200℃，将步骤3所制铜包覆钢线材放入抛光液中2-3min，用清水冲洗干净，并用温度小于80℃的烘干机烘干，即得。
[0032] 实施例1
[0033] 制备钢芯直径2毫米、线材外径4毫米，长度不限的铜包覆钢线材。
[0034] 步骤1、准备原材料，根据所指线材的规格裁剪事先准备好的直径2毫米的钢丝。将钢丝用70％的磷酸溶液浸泡6分钟，待表面杂质清除干净后用280、320、400号纱布依次打磨光滑，再用无水乙醇冲洗后用温度小于80℃的烘干机烘干，得到待用钢芯材料。
[0035] 步骤2、熔铸铜包覆钢，将步骤1处理好的钢芯装入通孔直径为6毫米石墨模具中，在氮气保护气氛高温炉中，加热到1100℃，保温30min，将熔融的铜液(T2)注入到石墨模具1的通孔2中，随炉冷却后取出，即得到直径6毫米铜包覆钢的坯料。
[0036] 步 骤 3、热 旋 锻，将 步 骤 2所 制 一 定 直 径 的 铜 包 覆 钢 坯 料，经过车 削切 掉多 余边 角 料以 及对 其表 面进 行光 滑 处理 后，放 入箱 式电阻炉 里 加热 到380 ℃，保温 10min，然 后 放到 精 密 旋锻 机 上依 次 按 直径的变化程度进行热旋锻，每锻一次都要加热到380℃，保温10min回炉退火，得到直径4毫米铜包覆钢复合线材毛料。
[0037] 步骤4、抛光剪裁，将步骤3所制铜包覆钢线材毛料通过化学抛光，按照质量百分数分别称取75％磷酸(14.63mol/L)、8.8％硫酸(1.84mol/L)和8.8％硝酸(15.55mol/L)，逐渐依次倒入抛光槽内，搅拌均匀；再分别称取3.18％尿素、4.2％硫酸胺、0.02％硫酸铜加入槽内搅拌均匀；然后在搅拌状态下，调节上述抛光液至温度150℃，将所制线材搁置抛光液中3min，清水冲洗干净，并在小于80℃的烘干机烘干，按要求的具体尺寸剪裁即得铜包覆钢线材。
[0038] 实施例2
[0039] 制备钢芯直径3.4毫米、线材外径5毫米、长度不限的铜包覆钢线材。
[0040] 步骤1、准备原材料，根据所指线材的规格裁剪直径3.4毫米的钢丝，将钢丝用65％的磷酸溶液浸泡10分钟，待表面杂质清除干净后用280、320、400号纱布依次纱布打磨光滑，再用无水乙醇冲洗后用温度小于80℃的烘干机烘干，得待用钢芯。
[0041] 步骤2、熔铸铜包覆钢，将步骤1处理好的钢芯装入通孔直径为9毫米石墨模具的通孔中，在氮气保护气氛高温炉中，加热到1150℃，保温20min，将熔融的铜液(T2)注入到石墨模具1的通孔2中，随炉冷却后取出，即得到直径9毫米铜包覆钢的坯料。
[0043] 步 骤 3、热 旋 锻，将 步 骤 2所 制 一 定 直 径 的 铜 包 覆 钢 坯 料，经过车 削切 掉多 余边 角 料以 及对 其表 面进 行光 滑 处理 后，放 入箱 式电阻炉 里 加热 到400 ℃，保温 12min，然 后 放到 精 密 旋锻 机 上依 次 按 直径的变化进行热旋锻，每锻一次都要加热到400℃，保温12min回炉退火，直到得到直径5毫米铜包覆钢线材毛料。
[0044] 步骤4、抛光剪裁，将步骤3所制铜包覆钢线材毛料通过化学抛光，按照质量百分数分别称取72％磷酸(14.63mol/L)、10％硫酸(1.84mol/L)和10％硝酸(15.55mol/L)，逐渐依次倒入抛光槽内，搅拌均匀；再分别称取3.99％尿素、4％硫酸胺、0.01％硫酸铜加入槽内搅拌均匀；然后在搅拌状态下，调节上述抛光液至温度200℃，将所制线材搁置抛光液中2min，再经清水冲洗干净，并在小于80℃的烘干机烘干，按要求的具体尺寸剪裁即得铜包覆钢线材。
[0045] 实施例3
[0046] 制备钢芯直径4毫米、线材外径6毫米、长度不限的铜包覆钢线材。
[0047] 步骤1、准备原材料，根据所指线材的规格裁剪事先准备好的直径4毫米的钢丝。将钢丝用68％的磷酸溶液浸泡8分钟，待表面杂质清除干净后用280、320、400号纱布依次纱布打磨光滑，再用无水乙醇冲洗后用温度小于80℃的烘干机烘干，得待用钢芯。
[0048] 步骤2、熔铸铜包覆钢，将步骤1处理好的钢芯装入通孔直径为10毫米石墨模具中，在氮气或氩气保护气氛高温炉中，加热到1050℃，保温30min，将熔融的铜液(T2)注入到石墨模具1的通孔2中，随炉冷却后取出，即得到直径10毫米铜包覆钢的坯料。
[0049] 步 骤 3、热 旋 锻，将 步 骤 2所 制 一 定 直 径 的 铜 包 覆 钢 坯 料，经过车 削切 掉多 余 边角 料以 及对 其表 面进 行 光滑 处理 后，放 入箱 式电阻炉 里 加热 到420 ℃，保 温10min，然 后 放 到精 密 旋锻 机 上 依次 按 直径的变化进行热旋锻，每锻一次都要420℃回炉退火，直到得到直径6毫米铜包覆钢线材毛料。
[0050] 步骤4、抛光剪裁，将步骤3所制铜包覆钢线材毛料通过化学抛光，即按照质量百分数分别称取74％磷酸(14.63mol/L)、9％硫酸(1.84mol/L)和9％硝酸(15.55mol/L)，逐渐依次倒入抛光槽内，搅拌均匀；再分别称取3％尿素、4.98％硫酸胺、0.02％硫酸铜加入槽内搅拌均匀；然后在搅拌状态下，调节上述抛光液至温度100℃，将所制线材搁置抛光液中3min，再经清水冲洗干净，并在小于80℃的烘干机烘干，按要求的具体尺寸剪裁即得铜包覆钢线材。上述三个实施例，采用复合熔铸-旋煅法，分别制得钢芯直径为的铜包覆线材，抗拉强度分别是：260.629MPa、368.83MPa、419.12MPa，超过铜的而接近钢的10-6Ω.Cm 10-6Ω.Cm 10-6Ω.Cm
强度；电阻率分别是：1.981× ，1.976× ，2.035× ，电阻率近于纯铜，说明铜包覆钢线材强韧性、导电性良好。
强度；电阻率分别是：1.981× ，1.976× ，2.035× ，电阻率近于纯铜，说明铜包覆钢线材强韧性、导电性良好。
[0051] 本发明方法，采用旋锻时所受的应力状态为三向压应力，三向压应力可提高材料塑性，而拉应力则使塑性降低，而且旋锻加工在工艺上兼有多向锻打和脉冲锻打的特点，每次锤击的加工量比较小，加工坯料每次都受到均匀分布在周向上的压缩变形，从而消除加工坯料内部的气孔、空洞等缺陷，破碎粗大的晶粒，改变材料的组织结构。这在对两种有明显界面的材料，不仅避免了材料的大量浪费，在降低材料直径的同时，大大的提高线材的致密度、强度和电导率。
[0052] 本发明方法能够制备各种直径的铜包覆钢线材，产品的性能稳定、质量高、成本低，整个制备过程操作简单，长度不限，成品率高。
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