权利要求

1.高品质无氧铜材料的制备方法，其特征在于，包括：

(1)将金属铜原料和用作脱氧剂的Cu-5B中间合金进行表面酸洗;

(2)在中频感应加热炉中将金属铜原料加热熔化，然后在铜液表面覆盖石墨粉与细碎木炭块的混合物，中频感应加热炉加热到1190-1230℃;

(3)对步骤(2)得到的铜液进行电磁搅拌，加入用作脱氧剂的Cu-5B中间合金，使用空心石墨吹管向铜液内通入氩气，同时进行搅拌10-15min;

(4)抽出空心石墨吹管，停止电磁搅拌，在氩气保护气氛下随炉冷却，得到无氧铜材料。

2.根据权利要求1所述的高品质无氧铜材料的制备方法，其特征在于，所述空心石墨管包括管径和多个接头，所述管径的一端通入氩气，另一端排出氩气，所述排出氩气的一端设有多个侧孔，所述管径的底部为实心，所述排出氩气的一端还与多个空心接头连接，并与多个空心接头呈角度设置，所述多个空心接头用于将从侧孔排出的氩气气体向铜液内部的不同方向排出，使得氩气能够向不同方向排出。

3.根据权利要求2所述的高品质无氧铜材料的制备方法，其特征在于，多个水平方向的空心接头的长度不同。

4.根据权利要求2所述的高品质无氧铜材料的制备方法，其特征在于，所述管径的内径为3-5mm，吹入氩气流量为500-700ml/min，侧孔的孔径为1-2mm，所述空心石墨管的转速为2-5r/s。

5.根据权利要求1所述的高品质无氧铜材料的制备方法，其特征在于，向电磁搅拌的装置的线圈中通入三相交流电，所述频率为50-100Hz。

6.根据权利要求1所述的高品质无氧铜材料的制备方法，其特征在于，所述金属铜原料的氧含量为100-200ppm，所述金属铜原料与脱氧剂Cu-5B中间合金的质量比为100：(1-1.6)。

7.根据权利要求1所述的高品质无氧铜材料的制备方法，其特征在于，所述中频感应加热炉的功率为5-10kW。

8.一种高品质无氧铜材料，通过根据权利要求1-7任一项所述的高品质无氧铜材料的制备方法制备得到。

9.根据权利要求8所述的高品质无氧铜材料，其特征在于，所述高品质无氧铜材料的氧含量为6-10ppm，电导率保持在100-101%IACS，无氧铜材料的伸长率保持在50-55%。

说明书

技术领域

[0001]本发明属于铜材料制备领域，具体涉及一种高品质无氧铜材料及其制备方法。

背景技术

[0002]铜及其合金因兼具良好的导电和导热性能，加工性能等优势，广泛应用于集成电路，航空航天，交通运输等高端科技领域。其中，无氧铜具有很高的导电率和出色的导热性能，高导电性有助于减少电能传输过程中的损耗，提高能源利用效率，这使其在电子、电气等领域中得到广泛应用。出色的导热性能能够使其快速传递热量，这一特性使得无氧铜在需要高效散热的场合中表现出色，如新能源汽车的电控系统、电子设备等。另外，无氧铜还具有良好的加工和焊接性能，可通过各种加工方式制成所需的形状和尺寸，并且可与多种材料进行焊接，形成牢固的接头。

[0003]公开号为CN118389894A的发明专利申请公开了一种无氧铜微合金化材料的制备方法。该发明通过加入稀土净化剂、复合氧化剂与高纯阴极铜体进行熔炼，并利用干燥处理后的木炭作为覆盖剂，在感应炉底部通过透气装置吹入氮气等除氢气体，使除氢气体覆盖铜合金熔体表面并保压，得到无氧铜合金熔体;接着对无氧铜合金熔体进行浇注和多次冷轧，得到无氧铜微合金化材料，最后将得到的无氧铜微合金化材料通过多道次室温拉拔、连续退火工艺，得到无氧铜合金微细丝。该发明方法制备的无氧铜微细丝，避免了拉拔成形过程中的频繁断丝现象，有利于合金微细丝的加工与生产，拓宽了无氧铜材料的应用范围。但该制备方法制得的铜合金仍然无法将氧含量降低到较低的水平。

[0004]目前，国内使用的单组分脱氧剂主要有镁、锂、硼、磷、稀土元素等，产品氧含量可以降到30 ppm以下。铜熔炼时的脱氧剂一般以中间合金的形式加入。金属镁作为一种很强的脱氧剂，对铜的导电率以及导热性能的影响较小，但是镁的脱氧产物为粘性夹杂，在铜液中去除较难。锂也是一种很强的脱氧剂，而且脱氧后残余的锂不会影响铜的导电性，但锂的价格昂贵，化学性质活泼，不易储存和使用。目前，磷是国内工厂中应用最多，而且成本较低的脱氧剂，反应生成气态的P2O5直接从铜液中逸出，但残余的磷会使明显降低铜的导电率明显降低，并且残余磷含量过高对铜的加工和使用性能也造成很大的影响。此外，硼也是一种较强的脱氧剂，硼脱氧产生熔点低，密度小且不溶于铜液的B2O3，便于上浮排出，且脱氧后的残余硼对铜的导电性能影响很小，有研究表明，微量硼还可以作为微合金化元素来改善铜的导电率、塑性和抗拉强度等性能。加入适量的硼可以细化铜合金晶粒，提高其强度，硬度等。

[0005]在铜熔体中加入硼脱氧，并用石墨粉与细碎木炭块儿作为覆盖剂，可以发现铜硼合金具有较强的脱氧能力，当硼的加入量超过氧含量的46%，含氧量就可以降到20 ppm左右。由此可见，硼可作为铜液深度脱氧的理想材料。此外还可以向铜熔体中吹入氩气，利用氩气泡内外的氧分压差来促使铜熔体中的氧进入氩气泡中上浮排出，从而降低氧含量。如今，将氧含量稳定控制在10ppm以下仍是一个需解决的难题，因此，探求一种新型制备无氧铜材料的方法具有重要的应用价值和工程意义。

发明内容

[0006]本发明提供了一种高品质无氧铜材料的制备方法，该制备方法能够使氧含量降低到6-10ppm。

[0007]本发明提供的高品质无氧铜材料的制备方法，包括：

(1)将金属铜原料和用作脱氧剂的Cu-5B中间合金进行表面酸洗;

(2)在中频感应加热炉中将金属铜原料加热熔化，然后在铜液表面覆盖石墨粉与细碎木炭块的混合物，中频感应加热炉加热到1190-1230℃;覆盖的石墨粉与细碎木炭块儿可以有效地隔绝空气，提供有利于脱氧的气氛。

[0008](3)对步骤(2)得到的铜液进行电磁搅拌，加入用作脱氧剂的Cu-5B中间合金，使用空心石墨吹管向铜液内通入氩气，同时进行搅拌10-15min;将气流打散成多股细小、分散的气泡流，增加脱氧效率，保持一定时间。

[0009](4)抽出空心石墨吹管，停止电磁搅拌，在氩气保护气氛下随炉冷却，得到无氧铜材料。

[0010]对于在铜液中使用的吹气装置，空心石墨吹管在“高温稳定性”、“化学惰性”、“耐热冲击”和“可加工性”这四个核心要求上取得了很好的平衡。它既能保护氩气顺畅地导入铜液深处(促进夹杂物上浮、均匀成分温度)，又能确保自身不污染熔体、不轻易损坏，是经济、可靠且高效的选择。应将空心石墨吹管放置在铜液中心，这有利于在旋转吹气过程中将气泡更加均匀的输送到铜液各处。

[0011]与使用稀土元素脱氧的案例相比，硼具有脱氧产物低熔点、易于聚集上浮的优势。液态的B2O3能够有效润湿和吸附熔体中细小、分散的固态氧化亚铜(Cu2O)，将它们“溶解”或“聚集”在一起，形成的低密度液态渣滴(B2O3及其中溶解的Cu2O等)在熔体中具有很好的流动性，能迅速聚集长大并上浮至熔体表面形成覆盖渣层。这种上浮分离过程高效，能显著降低熔体中夹杂物的总体数量，从而获得洁净度更高的铜熔体。

[0012]同时，本发明更加有效的使用了氩气，如果仅将氩气用作静态覆盖来隔绝空气，属于是被动保护，仅防止空气进入，不改变熔体内部反应平衡，仅依靠夹杂物自然上浮，速度慢，对细小夹杂无效，对去氢和熔体成分均匀化无效果。

[0013]本发明则是向铜熔体内部鼓吹氩气泡，根据西塞特定律和气泡表面分压原理，当氩气泡穿过熔体时，溶解在铜液中的氧、氢(H2)等气体，会向气泡内部扩散。因为气泡内部这些气体的分压初始值接近于零，远低于它们在熔体中的溶解分压。气泡能将溶解的氧原子以气体形式(O2)带出熔体。氢是铜铸件产生“气孔”缺陷的主要原因。鼓吹氩气泡能高效地将溶解的氢带入气泡并排出，这是静置氩气氛围无法做到的。当微小、分散的固态或液态夹杂物与上浮的氩气泡碰撞时，会粘附在气泡表面。气泡作为“运输工具”，极大地增加了夹杂物的上浮速度，这种“气泡浮选”效应能深度、快速地将熔池内部各处的夹杂物带到表面渣层，气泡从熔池底部上升，搅动了整个熔体，使得各个区域的夹杂物都有机会被捕获和去除。显著提升洁净度，且净化效果均匀。操作者可以根据熔体状态(如初期强搅拌加速反应，末期弱搅拌促进夹杂上浮)灵活调整工艺。

[0014]优选地，所述空心石墨管包括管径和多个接头，所述管径的一端进入氩气，另一端排出氩气，所述排出氩气的一端设有多个侧孔，所述管径的底部为实心，所述排出氩气的一端还与多个空心接头连接，并呈角度设置，所述多个空心接头用于将从侧孔排出的氩气气体向铜液内部的不同方向排出，使得氩气能够向不同方向排出，排出量增加，去除氧气和氢气的效果更佳。

[0015]进一步优选地，多个水平方向的空心接头的长度不同。由于空心接头的长度不同，从而能够形成环状的氩气气泡阵列，氩气的排出面积进一步增大，除氧和氢气的效果更优。

[0016]进一步优选地，所述管径的内径为3-5mm，吹入氩气流量为500-700ml/min，侧孔的孔径为1-2mm，所述空心石墨管的转速为2-5r/s，该尺寸可以吹出大小合适的气泡。

[0017]优选地，向电磁搅拌的装置的线圈中通入三相交流电，所述为50-100Hz，低频磁场穿透深，产生的洛伦兹力能够作用于熔体的更大体积。

[0018]优选地，所述金属铜原料的氧含量为100-200ppm，所述金属铜原料与Cu-5B中间合金的质量比为100：(1-1.6)。

[0019]本发明首先确定铜原料的氧含量，根据比例确定所需金属铜及用作脱氧剂的中间合金质量，然后切割出适宜加入到中频感应加热炉中的适宜大小的铜块及铜硼中间金属块。

[0020]优选地，所述中频感应加热炉的功率为5-10kW。

[0021]另一方面，本发明还提供了一种高品质无氧铜材料，所述高品质无氧铜材料通过所述高品质无氧铜材料的制备方法制备得到。

[0022]优选地，所述高品质无氧铜材料的氧含量为6-10ppm，电导率保持在100-101%IACS，无氧铜材料的伸长率保持在50-55%。

[0023]与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明进行了电磁搅拌和鼓吹氩气的流场耦合，电磁搅拌产生的流场使氩气泡从中心气柱中分散，螺旋上升路径延长气泡停留时间30%-50%。同时，电磁搅拌将边缘区域的高氧铜液持续输送到中心反应区，而吹氩则将反应后的低氧铜液输送到边缘，形成“中心-边缘氧浓度循环”，使整体脱氧速度显著提高。这种电磁搅拌和鼓吹氩气泡产生的耦合流场形成更立体、更均匀的整体熔池搅拌。这几乎消除了死区，使成分和温度高度均匀。提高脱氧效率。随后在氩气气氛下随炉冷却，从而制备出高品质无氧铜。

附图说明

[0024]图1为本发明具体实施例提供的高品质无氧铜材料的制备流程图;

图2为本发明实施例1提供的空心石墨吹管示意图;

图3为本发明实施例1提供的电磁搅拌装置示意图。

具体实施方式

[0025]以下结合实施例对本发明进行进一步说明：

实施例1

本实施例提供了一种高品质无氧铜材料的制备流程，如图1所示。包括中频感应加热炉、电磁搅拌装置、石墨吹管、旋转调速装置、氩气控流装置等。电磁搅拌器示意图见图3，包括铁芯和线圈，通过吹管(见图2a、图2b)将氩气泡从侧孔(而非底部中心)喷出，底部为实心，天然地将气流打散成多股细小、分散的气泡流，接头数量为2，4，6个。电磁搅拌和鼓吹氩气产生的流场进行耦合，电磁搅拌产生的流场使氩气泡从中心气柱中分散。同时，电磁搅拌将边缘区域的高氧铜液持续输送到中心，而吹氩则将反应后的低氧铜液输送到边缘，形成“中心-边缘氧浓度循环”。这种电磁搅拌和鼓吹氩气泡产生的耦合流场形成更立体、更均匀的整体熔池搅拌。这几乎消除了死区，使成分和温度高度均匀。提高脱氧效率。随后在氩气气氛下随炉冷却，从而制备出高品质无氧铜。

[0026]本发明具体实施例所用装置可通过调节参数实现更精细化的过程控制，以适应不同大小的熔体处理需求。

[0027]制备无氧铜材料的流程包括以下步骤：

1)准备金属铜原料及用作脱氧剂的中间合金等金属原料，通过打磨抛光的方式去除表面氧化物及油污，金属铜原料的质量为1000g，用作脱氧剂的中间合金Cu-5B中间合金的质量为13g。

[0028]2)通过中频感应加热炉熔炼出纯铜熔体，覆盖上石墨粉与细碎木炭块的混合物，加热到1200℃。

[0029]3)打开电磁搅拌装置，加入Cu-5B中间合金进行化学脱氧，并使用空心石墨吹管向铜液中吹入氩气，并使石墨吹管旋转，将气流打散成多股细小、分散的气泡流，增加脱氧效率，该空心石墨管包括管径和多个接头，该管径的一端通入氩气，另一端排出氩气，该排出氩气的一端设有多个侧孔，底部为实心，该排出氩气的一端还与多个空心接头连接，该多个空心接头与管径呈水平设置，多个空心接头用于将从侧孔排出的氩气气体向铜液内部的不同方向排出，使得氩气能够向不同方向排出，排出量增加，去除氧气和氢气的效果更佳。该管径的内径为4mm，侧孔的尺寸为1mm，侧孔的个数为4-6个。

[0030]4)吹入氩气流量为500ml/min，吹管转速为2r/s，保持氩气吹入12min左右，进行脱氧。

[0031]5)抽出石墨吹管，关闭中频感应加热炉，关闭电磁搅拌，在氩气保护气氛下随炉冷却。

[0032]当空心石墨管内径的接头数量为4个时，本实施例制备的无氧铜材料氧含量均稳定降低到7ppm，导电率保持在100.4%IACS的高水平，拉伸片伸长率能保持在52%，氧含量低，导电率高，塑性好，综合性能优异。

[0033]当空心石墨管内径的接头数量为6个时，盛放铜液容器的尺寸内径为60mm，高200mm，本实施例制备的无氧铜材料氧含量均稳定降低到6ppm，导电率保持在100.7%IACS的高水平，拉伸片伸长率能保持在54%，氧含量低，导电率高，塑性好，综合性能优异。

[0034]最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

说明书附图(3)