CN100587091C

CN100587091C - 接触线用Cu-Cr-Zr合金制备工艺

Info

Publication number: CN100587091C
Application number: CN200810121203A
Authority: CN
Inventors: 张进东; 王立天; 方攸同; 李维源; 韩士恩; 孟亮
Original assignee: YANTAI JINHUI COPPER CO Ltd; XINGTAI XINHUI COPPER INDUSTRY SPECIAL WIRE MATERIAL Co Ltd; Zhejiang University ZJU; China Railway Electrification Survey Design and Research Institute Co Ltd
Current assignee: YANTAI JINHUI COPPER CO Ltd; XINGTAI XINHUI COPPER INDUSTRY SPECIAL WIRE MATERIAL Co Ltd; Zhejiang University ZJU; China Railway Electrification Survey Design and Research Institute Co Ltd
Priority date: 2008-09-12
Filing date: 2008-09-12
Publication date: 2010-02-03
Anticipated expiration: 2028-09-12
Also published as: CN101386925A

Abstract

本发明公开了一种接触线用Cu-Cr-Zr合金制备工艺。真空感应炉中熔炼含量为Cu-(0.30～0.50)%Cr-(0.10～0.15)%Zr-(0.01～0.02)%Si合金，其中合金元素Cr、Zr及Si由中间合金加入，通过控制凝固及冷却速率，得到细小铸态晶粒和二次枝晶间距的过饱和基体组织，配合轧制、拉拔变形及退火热处理并控制变形程度和热处理参数，有机结合应变强化效应和沉淀强化效应，在简化工艺、设备及成分比较简单的条件下，使得合金具有优良的抗拉强度、电导率及抗高温软化能力，成本较低，适于工业化生产。

Description

接触线用Cu-Cr-Zr合金制备工艺

技术领域

本发明涉及一种铜基合金加工技术，尤其涉及一种接触线用Cu-Cr-Zr合金制备工艺。

背景技术

电气化铁路用接触线的作用是通过与电力机车受电弓滑板滑动摩擦直接接触向电力机车输送电流，所需导体合金要工作在电流传导、悬挂张力、运行冲击、温度变化、环境因素影响和滑板磨耗等恶劣条件下，因此要求接触线材料应具有较高的抗拉强度和电导率，并兼有较高的抗高温软化能力。随着铁路电气化的高速发展，铁路运输一再提速，对于电气化铁路用接触线性能要求越来越高。然而，导体合金的强度与导电性一般呈反函数关系，即若采用特定技术提高强度则往往以牺牲电导率为代价，或者为改善电导率则往往损失强度。因此，非常需要采用特定技术能够同时获得良好的强度和导电性能匹配水平，以满足高速铁路接触线用合金的使用性能。尤其对于时速350km以上的高速电气化列车，其抗拉强度应达到550MPa以上，相对电导率应高于75％IACS，在400℃软化退火2h后的强度仍需保持在90％以上。

目前高速电气化列车接触线采用的导体合金主要有Cu-Mg、Cu-Sn、Cu-Ag、Cu-Cd、Cu-Sn-Ag、Cu-Ag-Zr、Cu-Cr-Zr及双金属复合材料等。在这些合金中，Cu-Cr-Zr展示了更为突出的强度和电导率匹配关系。然而，在材料制备过程中，由于Cr、Zr合金元素熔点显著高于Cu，且熔化状态下极易氧化、挥发并与许多接触物质发生反应，加之熔体易吸气、偏析及杂质不易排除等因素，导致材料制备困难及实际性能难以达到理想匹配状态。另外，Cu-Cr-Zr为沉淀强化型合金，在制备过程中必须采用固溶处理工艺，增加了专用热处理设备及组织过烧等风险因素，进一步增大了材料制备难度及成本。

目前在关于接触线合金方面，专利CN02128927.1，CN200510082133.9，CN200610039986.9及CN200610048186.3分别公开了无氧铜，Cu-(0.12～0.3)％Ag-(0.01～0.05)％O，Cu-(0.15～0.35)％Sn-(0.005～0.01)％Zr-(0.005～0.02)％RE及Cu-(0.05～0.35)％Mg-(0.35～0.05)％Sn接触线合金的加工技术。这些合金主要通过熔炼和冷变形加工，工艺过程比较简单，所需加工设备较少，成本较低，但主要依赖固溶和加工优化方式强化，产品性能特别是抗拉强度不高。

CN200410060463.3及CN200510124589.7公开了Cu-(0.02～0.4)％Zr及Cu-(0.2～0.72)％Cr两种合金的制备技术。两种合金中均另添加(0.04～0.16)％和(0.07～0.15)％的Ag，通过熔炼、铸造、热变形、固溶、冷变形、时效及再次冷变形等工序制备成品。这种制备技术必须利用固溶过程为时效强化提供条件，并且需要控制后续冷变形加工程度与之配合，工艺及所需设备比较复杂。CN200410025886.1，CN200510017889.5，CN200510043073.X及CN200510096378.7在上述合金系统中又增加了一定量的稀土元素，进一步改善了显微组织和材料性能，但仍然需要高温固溶过程并匹配合适的冷变形。另外，这些合金中均含有昂贵的Ag元素，且需额外添加稀土元素，提高了材料成本和成分的复杂性。CN200610019238.4在Cu-(0.4～1.1)％Cr合金中添加了(0.02～0.08)％Nd稀土元素，在加工过程中无需专门的固溶处理，但Cr含量较高，且熔炼时需以纯Cr方式加入，成分均匀性难以保证。

对于Cu-Cr-Zr合金系统，CN03135758.X公开了采用快速凝固制粉、压坯、烧结、挤压获得Cu-(0.01～2.5)％Cr-(0.01～2.0)％Zr-(0.01～2.0)％(Y，La，Sm)合金棒材或片材的制备方法，可以获得良好的导电、导热、高温强度及抗软化性能，但由于受加工技术特点的限制，况且合金元素含量较高，只适用于制造尺寸较小的电阻焊电极及引线框架等产品，无法在制造上千米长的接触线中实际应用。CN200610017523.2和CN02148648.分别公开了Cu-(0.05～0.40)％Cr-(0.05～0.20)％Zr-≤0.20％(Ce+Y)及Cu-(0.01～1.0)％Cr-(0.01～0.6)％Zr-(0.05～1.0)％Zn-(0.01～0.30)％(La+Ce)两种合金成分及制备技术，可以获得较高的强度和电导率，耐热性及耐磨性优良，但需要额外添加稀土元素净化合金和改善组织，其中一种合金除要另添加Zn外，还要进一步添加Co、Fe、Ti等辅助元素保证性能，化学成分复杂。另外，两种合金均需要专门的固溶处理。

一些美国专利也涉及了Cu-Cr-Zr合金的制备技术。US6679955公开了Cu-(3～20)％Ag-(0.5～1.5)％Cr-(0.05～0.5)％Zr合金的制备技术，此合金依靠快速凝固获得过饱和固溶体经形变热处理沉淀硬化，但需有Ag元素的联合作用，况且注重的是热传导性能的提高而未涉及导电性能。US7172665公开了Cu-(2～6)％Ag-(0.5～0.9)％Cr合金的制备技术，此合金也可以再添加(0.05～0.2)％Zr，工艺中包括均匀化处理、热变形及固溶处理等复杂过程，同样有昂贵的Ag元素，也注重的是热传导性能，但未涉及导电性能。US6881281提供了一种具有优良疲劳及中温性能的高强高导Cu-(0.05～1.0)％Cr-(0.05～0.25)％Zr合金，其中含有一定尺寸的Zr及Cu-Zr化合物粒子，这些粒子可以与杂质S结合而降低晶界S浓度，进而改善了合金在250～550℃的晶界强度。然而，此合金除需要固溶处理外，尚需严格控制固溶处理参数以调节S的浓度。US5210441和US5341025公布了一种集成电路引线框架用Cu-(0.1～1)％Cr-(0.01～0.5)％Zr合金，主要提出了Zr粒子脱溶及分布控制，所描述的技术仅适用于制备带材或箔材等型材，不适用于制备接触线型材。US40677501提供了改善Cu-(0.05～1.25)％Cr-(0.01～1.0)％Zr-(0.01～1.0)％V合金强度和电导率的加工工艺，依靠热轧及固溶提高Cu基体的溶质溶解度，便于后续的变形及时效过程产生有效的强化效应，但需要热、冷变形的合理匹配和较大的变形量来保证性能水平，同样仅适用于生产板材而不适于生产线材。US2002/0189729A1(公告号)提出了一些Cu合金的动态再结晶细化晶粒技术，其中包括Cu-(0.02～0.40)％Cr-(0.1～0.25)％Zr合金，通过冷轧及随后的去应力退火可获得直径小于1μm的动态再结晶细晶粒，有较高的强度和良好的延伸率，但此技术也只适用于生产带材和箔材而不适于生产线材，并且未涉及导电性能和高温抗软化性能。US6767643及US6093499公开了Cu-(0.01～2.0)％Cr-(0.01～1.0)％Zr及Cu-(0.01～0.4)％Cr-(0.01～0.2)％Zr-(0.02～2.0)％Zn的制备技术，后者尚视实际需要还要再添加Fe，Ti，Ni，Sn，In，Mn，P，Mg，Al，B，As，Cd，Co，Te，Ag及Hf等辅助元素，仅适于制备层状复合材料使用的箔材，合金元素含量范围过大或比较复杂，性能难以控制，而且电导率也较低，仅约50％IACS。

发明内容

本发明目的在于提供一种接触线用Cu-Cr-Zr合金制备工艺。通过合理控制熔炼、冷变形及退火等环节的相互作用，可制备出具有良好强度、电导率及抗软化性能的Cu-(0.30～0.50)％Cr-(0.10～0.15)％Zr-(0.01～0.02)％Si合金线材，合金成分简单，省略了固溶处理，设备投资较少，易于工业化生产，成本较低。

本发明达到上述目的所采用的技术方案如下：

将电解Cu及Cu-Cr、Cu-Zr、Cu-Si中间合金按所制备合金成分质量百分数配料，其中Cr含量为(0.30～0.50)％，Zr含量为(0.10～0.15)％，Si含量为(0.01～0.02)％，其余为Cu。

所采用的中间合金元素含量分别为：Cu-(4～10)％Cr、Cu-(12～20)％Zr、Cu-(15～20)％Si。

先将电解Cu置于真空感应炉中，在0.01～0.1Pa大气压下熔化，在1250℃下静置除气后向炉内充Ar至30kPa，加入Cu-Cr中间合金，熔化后再加入Cu-Zr及Cu-Si中间合金，电磁搅拌均匀并静置5～15min。

采用水冷铜模在1200℃浇注成锭，控制凝固速率≥3℃/s，凝固后冷却速率≥2℃/s

铸锭表面切削去除缺陷表层后，常温下轧制变形，变形程度用η＝ln(A₀/A)表征，其中A₀和A分别为变形前后试样横截面积。道次变形程度控制在η＞0.3，总轧制变形程度为η＝1.8。

对轧制变形后的合金采用两种工艺进行后续加工：

(1)退火-拉拔工艺：在450～500℃退火1～4h后拉拔变形η＝2.0～3.0，道次变形程度控制在η＝0.3～0.5。

(2)拉拔-退火-拉拔工艺：在常温下拉拔变形η＝2.0，道次变形程度控制在η＝0.3～0.5，在400～450℃退火1～2h，继续拉拔变形η＝0.6～1.2，道次变形程度控制在η＜0.2。

经上述工艺制备的合金抗拉强度可达到580～640MPa，相对电导率可达到(77～84)％IACS。在400℃软化退火2h后强度仍能保持在≥540MPa。

本发明与背景技术相比具有的有益效果是：

(1)采用控制条件下的快速凝固和冷却，造成了细小的铸态晶粒和二次枝晶间距，避免了次生相粒子的先期析出，优化了铸态显微组织，并为沉淀强化提供了过饱和基体条件。

(2)对过饱和基体直接退火，形成类似时效处理的沉淀强化效应，省略了通常的固溶过程。

(3)在退火前后应用拉拔变形控制技术与退火工艺相结合，进一步提高了过饱和组织内部弥散析出的驱动力，同时提供了适当的应变强化效应，加强了热处理效果，有利于线材成形。

(4)在简化工艺和设备及成分系统比较简单的条件下，可获得强度和电导率具有高匹配水平的电气化列车接触线合金材料，成本较低，并适于工业化生产。

具体实施方式

下述为实施例1～6的统一描述：

在真空感应炉中熔炼并浇注Cu-Cr、Cu-Zr及Cu-Si中间合金铸锭，成分分别为Cu-(4～10)％Cr、Cu-(12～20)％Zr及Cu-(15～20)％Si。

铸锭表面切削去除缺陷表层后，常温下轧制变形。道次变形程度控制在η＞0.3，总轧制变形程度为η＝1.8。

对轧制变形后的合金采用两种方式进行后续加工。

第一种方式为退火-拉拔工艺，参数如下表：

第二种方式为拉拔-退火-拉拔工艺，参数如下表：

上述6个实施例所用合金均按照Cu-(0.30～0.50)％Cr-(0.10～0.15)％Zr-(0.01～0.02)％Si成份配比，在实施例所用工艺条件下，均达到如下性能平均值：

序号	抗拉强度MPa	相对电导率％IACS	400℃/2h退火后抗拉强度MPa
序号	抗拉强度MPa	相对电导率％IACS	400℃/2h退火后抗拉强度MPa	实施例1	640	77.0	550
实施例2	635	82.5	545	实施例1	640	77.0	550
实施例2	635	82.5	545	实施例3	590	78.6	540
实施例4	635	77.6	550	实施例3	590	78.6	540
实施例4	635	77.6	550	实施例5	595	80.6	565
实施例6	580	84.0	545	实施例5	595	80.6	565

Claims

1.一种接触线用Cu-Cr-Zr合金制备工艺，其特征在于：

1)将电解Cu及Cu-Cr、Cu-Zr、Cu-Si中间合金按所制备合金成分质量百分数配料，其中Cr含量为(0.30～0.50)％，Zr含量为(0.10～0.15)％，Si含量为(0.01～0.02)％，其余为Cu；

2)将电解Cu置于真空感应炉中，在0.01～0.1Pa大气压下熔化，在1250℃下静置除气后向炉内充Ar至30kPa，加入Cu-Cr中间合金，熔化后再加入Cu-Zr及Cu-Si中间合金，电磁搅拌均匀并静置5～15min；

3)采用水冷铜模在1200℃浇注成锭；

4)铸锭表面切削去除缺陷表层后，常温下轧制变形；在常温下轧制变形的道次变形程度控制在η＞0.3，总轧制变形程度为η＝1.8；

5)对轧制变形后的合金采用退火-拉拔或拉拔-退火-拉拔工艺进行后续加工：对轧制变形后合金采用退火-拉拔的工艺过程为：450～500℃退火1～4h后拉拔变形η＝2.0～3.0，道次变形程度控制在η＝0.3～0.5；对轧制变形后合金采用拉拔-退火-拉拔的工艺过程为：在常温下拉拔变形η＝2.0，道次变形控制在η＝0.3～0.5，在400～450℃退火1～2h，继续拉拔变形η＝0.6～1.2，道次变形程度控制在η＜0.2。

2.根据权利要求1所述的一种接触线用Cu-Cr-Zr合金制备工艺，其特征在于：所采用的中间合金元素含量分别为Cu-(4～10)％Cr、Cu-(12～20)％Zr及Cu-(15～20)％Si。

3.根据权利要求1所述的一种接触线用Cu-Cr-Zr合金制备工艺，其特征在于：在1200℃浇注凝固速率≥3℃/s，凝固后冷却速率≥2℃/s。

4.根据权利要求1所述的一种接触线用Cu-Cr-Zr合金制备工艺，其特征在于：经受所述工艺制备的合金抗拉强度达到580～640MPa，相对电导率达到(77～84)％IACS，在400℃软化退火2h后强度仍能保持在≥540MPa。