CN101531149B - 一种超长Cu-Cr-Zr合金接触线的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超长Cu-Cr-Zr合金接触线的制备方法。感应炉中熔炼含量为Cu-(0.30～0.60)％Cr-(0.10～0.15)％Zr-(0.01～0.02)％Si合金，通过连续铸造铸、挤压、热处理、冷拉拔及轧制等工艺，制备公称截面积为110～150mm2的接触线，在简化工艺、设备及合金成分比较简单的条件下，使得单根成品长度达到1000～1500m的接触线具有优良的抗拉强度、电导率及抗高温软化能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种铜基合金加工，尤其是涉及一种超长Cu-Cr-Zr合金接触线的制备方法。
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满足铁路实际架线要求并具有良好使用性能的接触线用合金。
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Cu包钢、Al包钢等双金属复合材料等。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。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。另外，铁路实际架线要求线材具有连续长度，在此长度范围内，要严格保持材料成分、组织及性能的稳定性，进一步增大了材料制备难度及成本。
专利CN02128927.1公开了再结晶接触线杆坯的制造方法，采用上引(或水平连铸)及连续挤压等工序，可生产重1500kg的Φ16mm无氧杆坯，成本及能源消耗较低。CN200510082133.9公开了Cu-(0.12～0.3)％Ag-(0.01～0.05)％O电车架空线的制造方法，采用连续铸造及热、冷加工等工艺得到标称截面积为80～170mm2的线材，强度和电导率高于400MPa及97％IACS。CN200610039986.9公开了通过上引连铸、加热连续挤压及拉拔等过程生产Cu-(0.15～0.35)％Sn-(0.005～0.01)％Zr-(0.005～0.02)％RE接触线的制造方法，可获得高于430MPa的抗拉强度及低于0.0225Ω·mm2/m的电阻率，300℃软化后强度仍高于390MPa。CN200610048186.3公开了Cu-(0.05～0.35)％Mg-(0.35～0.05)％Sn并添加(0.003～0.025)％RE(Ce或Ce+La)的接触线加工技术，主要工艺过程为熔炼、上引连铸、挤压、冷轧或拉拔等。上述合金主要通过熔炼和压力变形加工，工艺过程比较简单，所需加工设备较少，成本较低，但主要依赖合金元素的固溶强化和加工硬化方式强化，产品性能特别是抗拉强度难以达到很高水平，不能满足时速350km以上高速电气化列车接触线的性能要求。
CN200410060463.3公开了Cu-(0.02～0.4)％Zr-(0.04～0.16)％Ag合金的制备技术，CN200510017889.5及CN200510043073.X在上述合金系统中又增加了一定量的稀土元素。这些合金加工的主要工序为真空熔炼、Ar保护浇注、锻造、固溶水冷、冷拉拔变形、时效处理及再次冷变形等，强度可达到500～600MPa，电导率可保持在80％IACS以上。这种制备技术必须利用真空感应炉熔炼、锻造开坯以及固溶处理等方法，需要控制后续冷变形加工程度与配合，在超长单根接触线的实际生产中较难实施。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。
CN200410025886.1，CN200510096378.7及CN200510124589.7公开了Cu-(0.20～0.40)％Cr-(0.05～0.15)％Ag-(0～0.09)％RE，Cu-(0.42～0.64)％Cr-(0.05～0.15)％Ag-(0～0.09)％RE及Cu-(0.2～0.72)％Cr-(0.07～0.15)％Ag接触线制备方法，可在大气条件下熔炼，但仍含昂贵的Ag元素，并需要固溶处理等。CN200610019238.4公开了Cu-(0.4～1.1)％Cr-(0.02～0.08)％Nd合金制备工艺，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，也必须采用真空熔铸。
对于Cu-Cr-Zr合金系统，CN03135758.X公开了采用真空熔炼、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，无法在制造超长接触线中实际应用。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，两种合金均需要真空熔炼和专门的固溶处理。
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，也未涉及导电性能。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左右。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超长Cu-Cr-Zr合金接触线的制备方法。通过在液面保护下的大气熔炼、上引连铸、冷变形及热处理等工艺环节的相互作用，可制备出具有良好强度、电导率及抗软化性能的超长Cu-Cr-Zr合金线材，化学成分简单，不含昂贵的合金元素，设备投资较少，成本较低，易于工业化生产。
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。
该方法的步骤如下：
1)感应炉升温至1200℃熔化电解Cu，采用木炭、石墨片保护，再添加Cu-Cr、Cu-Zr及Cu-Si中间合金；
2)充分熔化后搅拌均匀并静置15min；
3)上引连铸毛坯杆；
4)毛坯杆挤压；
5)挤压杆退火；
6)拉拔及轧制截面具有对称沟槽的成品接触线材。
所采用的中间合金成分为Cu-5％Cr、Cu-15％Zr及Cu-20％Si。
上引连铸温度为1200～1250℃，上引速率为150～250mm/min，上引毛坯杆规格为Φ16～Φ22mm。
上引毛坯杆连续挤压后的挤压杆规格为Φ24～Φ31mm。
挤压杆退火温度为450～500℃，退火时间为1～4h。
轧制或拉拔的成品接触线材公称截面积为110～150mm2。
成品接触线单根长度为1000～1500m，抗拉强度为540～600MPa，相对电导率为(75～84)％IACS，在400℃软化退火2h后强度下降不超过10％。
本发明与背景技术相比具有的有益效果是：
(1)可在大气环境采用木炭、石墨片保护熔炼及上引连铸制造线材杆坯技术，代替真空熔铸并热变形开坯技术，无需大型真空熔炼炉及热开坯设备。
(2)采用控制凝固冷速、连续挤压及强化退火等各工艺优化匹配技术，细化铸态晶粒，避免次生相粒子的先期析出，并造成直接沉淀强化效应，省略了通常的高温固溶热处理设备及复杂工序。
(3)合金系统中不含昂贵溶质元素，化学成分比较简单。
(4)在简化工艺、设备及成分的条件下，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，适于超长线材的工业化生产，成本较低。
具体实施方式
所制备的合金采用电解Cu及Cu-Cr、Cu-Zr、Cu-Si中间合金按质量百分数配料，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。
所采用的中间合金成分为：Cu-5％Cr、Cu-15％Zr及Cu-20％Si。
所采用的熔炼方式为将电解Cu置于感应炉中，采用木炭、石墨片保护，于1200℃熔化后加入Cu-Cr、Cu-Zr及Cu-Si中间合金，充分熔化后搅拌均匀并静置15min。
后续加工顺序过程如下：
上引连铸毛坯杆→毛坯杆连续挤压→退火热处理→轧制或拉拔成具有对称沟槽的公称截面积的成品线材。
具体实施控制的工艺参数为上引温度，上引速率，上引毛坯杆直径，挤压杆直径，退火温度，退火时间及成品线材公称截面积。
在不同实施例中控制的后续加工工艺参数如下表所示：
| 实施例序号 | 上引温度℃ | 上引杆直径mm | 上引速率mm/min | 挤压杆直径mm | 退火温度℃ | 退火时间h | 产品截面积mm2 |
| 1 | 1200 | 16 | 250 | 24 | 500 | 1 | 110 |
| 2 | 1200 | 22 | 200 | 31 | 500 | 1 | 120 |
| 3 | 1250 | 22 | 150 | 31 | 450 | 3 | 110 |
| 4 | 1250 | 22 | 200 | 24 | 450 | 4 | 150 |
| 5 | 1200 | 22 | 250 | 31 | 500 | 1 | 110 |
| 6 | 1250 | 16 | 150 | 31 | 450 | 2 | 150 |
上述实施例中制备的合金性能如下表：
| 实施例序号 | 抗拉强度MPa | 相对电导率％IACS | 单根线长度m | 400℃退火2h后强度MPa |
| 1 | 600 | 77.0 | 1000 | 550 |
| 2 | 575 | 82.5 | 1000 | 545 |
| 3 | 575 | 76.0 | 1500 | 540 |
| 4 | 550 | 83.0 | 1500 | 525 |
| 5 | 595 | 75.0 | 1000 | 555 |
| 6 | 540 | 84.0 | 1500 | 520 |
Claims (1)
1.一种超长Cu-Cr-Zr合金接触线的制备方法，合金成分质量百分数为含量为(0.30～0.50)％Cr，(0.10～0.15)％Zr，(0.01～0.02)％Si，其余为Cu，该方法的步骤如下：
1)感应炉升温至1200℃熔化电解Cu，采用木炭、石墨片保护，再添加Cu-Cr、Cu-Zr及Cu-Si中间合金；
2)充分熔化后搅拌均匀并静置15min；
3)上引连铸毛坯杆；
4)毛坯杆挤压；
5)挤压杆退火；
6)拉拔及轧制截面具有对称沟槽的成品接触线材；
其特征在于：制备抗拉强度为540～600MPa，相对电导率为(75～84)％IACS，在400℃软化退火2h后强度下降不超过10％的成品接触线单根长度为1000～1500m的方法：
所采用的中间合金成分为Cu-5％Cr、Cu-15％Zr及Cu-20％Si；
上引连铸温度为1200～1250℃，上引速率为150～250mm/min，上引毛坯杆规格为Φ16～Φ22mm；
上引毛坯杆连续挤压后的挤压杆规格为Φ24～Φ31mm；
挤压杆退火温度为450～500℃，退火时间为1～4h；
轧制或拉拔的成品接触线材公称截面积为110～150mm2。
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