CN102888525A - 一种高强韧高导电铜镁合金的加工方法 - Google Patents

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一种高强韧高导电铜镁合金的加工方法,包括如下步骤:1)以电解铜和纯镁为原料,配制成镁含量为0.1%~0.4%的铜镁合金,采用上引连铸技术和连续热挤压加工,获得平均晶粒在5~10μm的铜镁合金杆坯;2)对步骤1)得到的铜镁合金杆坯进行连续等通道转角挤压加工,挤压温度为273K~573K,模具内等通道转角为90°~120°,最终获得的铜镁合金,其平均晶粒尺寸小于500nm、抗拉强度≧560MPa、延伸率≧20%、导电率≧80%IACS,可用于高速铁路接触线材料,本发明提供的加工方法可显著细化铜镁合金晶粒,明显提高铜镁合金的强韧性,并且加工工艺简单,无需后续处理。

Description

一种高强韧高导电铜镁合金的加工方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种高强韧高导电铜镁合金的加工方法,属于有色合金加工技术领域。
背景技术
[0002] 高强高导铜合金是一种具有优良综合物理性能和力学性能的结构功能材料,广泛应用于电气化铁路的接触线材料中。接触线作为电气化铁路弓网关系中的重要介质,其作用是确保列车在高速运行时能够持续不断地从牵引供电系统中得到电能,由于工作环境比较恶劣(需要承受冲击、振动、温差变化和极大的工作张力),接触线力学性能和导电性能的优劣将直接影响到高速列车的安全稳定运行。针对纯铜导线强度低之先天不足,人们通过添加Ag、Sn、Mg、Cr等成分来提高其机械强度和耐磨性,但因此也导致了合金导电率的不同程度降低。目前最具市场潜力为超细晶强化型铜镁合金,其经固溶强化、冷作硬化和细晶强·化后强度达560MPa,导电率65%IACS以上。此外,国内正在研发析出强化型铜合金接触线(Cu-Cr-Zr合金),以期满足强度600MPa以上、导电率80%IACS以上的高端需求,但这种析出强化型接触线生产工艺复杂,必须进行热处理,很难实现规模化生产。因此,探索铜合金复合高强高导技术,简化生产工艺,降低生产成本,相关基础研究和应用开发工作受到了各国研究者和政府的广泛重视。
[0003]目前,晶粒细化是公认的改善金属材料综合使用性能的有效方法,从铜合金的组织超细化和加工工艺入手,有望改善其微观组织结构,从而提高其强韧性并保持良好的导电性。目前,制备新型超细晶或纳米晶铜合金的主要方法有机械合金化、真空熔炼-快速凝固、球磨-压制、非晶晶化、高能球磨法等,而新发展起来的、具有广泛实用前景的为大塑性变形(Sro)加工法(如:等通道转角挤压,即ECAP ;高压扭转,即HPT Conform连续挤压法)。
[0004] Conform连续挤压法是由英国原子能局(UKAEA)斯普林菲尔德研究所的格林(D.Green)于1971首先提出的,该工艺的开发使挤压生产真正实现了连续化加工,获得了广泛的实际应用。目前,利用Conform加冷拔制备的铜镁合金接触线抗拉强度可达到550MPa,但导电率小于70%IACS。这主要是由于Conform加工过程中,挤压腔产生很高的温度,导致晶粒细化效果有限。而后续冷拔加工虽然能明显提高铜镁合金的抗拉强度,但在冷拔过程中会产生大量位错和晶体缺陷,降低合金导电性能。
[0005] ECAP法是由俄罗斯科学家VM Segal于20世纪80年代发明的,具有加工方便、被加工材料尺寸改变小、可多道次持续加工等特点。它是利用试验材料在两个等径通道的相交区域发生的近似理想的剪切变形以及在加工过程中存在的加工硬化、动态回复和再结晶等来控制材料微观组织,从而达到细化晶粒和提高材料性能的目的。90年代后,ECAP逐渐发展为一种制备块状、致密、超细晶块体金属材料的有效方法。近年来,已有研究者将该工艺应用于铜合金的组织细化和微观结构改善,如Kun Xia Wei等人利用ECAP加工的方法对铸态的Cu-0. 5%Cr合金进行8道加工后,其抗拉强度达到了 484MPa,再经冷轧加工后,抗拉强度达到了 579MPa,但导电率仅为35%IACS,为了提高导电率,试样需经过较高温度的退火处理。因此Cu-Cr合金的加工方法比较烦琐,对加工工艺的要求也较为严格。而Cu-Mg系合金加工方法则较为简单,目前Cu-Mg合金的加工法主要有上引连铸加拉拔和上引连铸连挤加拉拔,但这两种加工方法制备的Cu-Mg合金虽然具有较好的抗拉强度(500MPa〜550MPa),但导电率却小于70%IACS。利用ECAP加工的方法制备高强韧高导电率Cu-Mg合金的研究却未见报道。
发明内容
[0006] 本发明的目的是提供一种高强韧高导电铜镁合金的加工方法,采用连续等通道转角挤压方法,工艺操作与设备要求简单,藉此在不改变试件形状和尺寸的情况下提高合金的抗拉强度和塑性,保持其良好的导电性能,并且可与现有接触线生产线良好结合。
[0007] 本发明的特征在于结合了现有铜镁合金接触线的生产加工工艺,在此基础上采用多道次连续等通道转角挤压加工技术,通过组织的超细化实现其强韧性的提高,并保持良好的导电性能。具体技术方案如下:
一种高强韧高导电铜镁合金的加工方法,包括如下步骤:I)、以电解铜和纯镁为原料,配制成镁含量为O. 19Γ0. 4%的铜镁合金,采用上引连铸技术和连续热挤压加工,获得平均晶粒在5〜10 μ m的铜镁合金杆坯;2)、对步骤I)得到的铜镁合金杆坯进行连续等通道转角挤压加工,挤压温度为273K〜573K,模具内等通道转角为90°〜120°,最终获得的铜镁合金,其平均晶粒尺寸小于500nm、抗拉强度兰560MPa、延伸率兰20%、导电率兰80%IACS。
[0008] 步骤2)所述温度为273K〜573K。根据铜镁系二元合金相图,确定连续等通道挤压温度273K〜573K。若温度过高,合金的动态再结晶速率较大,晶粒不易细化,同时模具容易软化变形;若温度过低,铜镁合金杆易开裂。
[0009] 步骤2)所述连续等通道转角挤压加工2道次〜16道次。若加工道次低于2道次,则合金的强度达不到较大程度的提高,而加工道次大于16道次以上,则降低了合金的加工效率。
[0010] 与其它高强高导铜合金的加工方法相比,本发明提供的加工方法具有以下优点:通过对热挤压后的铜镁合金进行多道次连续等通道挤压加工,可显著细化铜镁合金晶粒(平均粒径小于500nm),明显提高铜镁合金的强韧性。而且经此加工的铜镁合金无需经过后续的再加工和热处理就能获得较高的强度,因此与其它合金相比具有加工工艺简单,无需后续处理等优点。同时,由于超细晶中特殊的微观组织结构特征,能很好地保持材料的导电性。所得到的铜镁合金平均晶粒尺寸小于500nm、抗拉强度3 560MPa、延伸率3 20%、导电率兰80%IACS。而且由于是采用连续等通道转角挤压加工技术,可实现大规模工业化生产。所获得的铜镁合金适用于高速铁路接触线材料,工业应用前景广阔。
附图说明
[0011] 图I热挤压态Cu-o. 2wt%Mg合金室温金相组织;
图2在573K下Cu-0. 2wt%Mg连续ECAP加工16道次后金相组织;
图3在573K温度下连续ECAP加工16道次后Cu_0. 2wt%Mg合金的TEM图,其中(a)为晶粒和位错等微观结构,(b)为孪晶形貌;
图4在573K下连续ECAP加工16道次后Cu_0. 2wt%Mg合金应力-应变图;图5在573K下ECAP加工I〜16道次后Cu_0. 2wt%Mg合金导电率变化图;
图6热挤压态Cu-0. 4wt%Mg合金室温金相组织;
图7在273K下连续ECAP加工8道次后Cu_0. 4wt%Mg合金金相组织;
图8在273K下连续ECAP加工8道次后Cu_0. 4wt%Mg合金应力-应变图;
图9在273K下连续ECAP加工I〜16道次后Cu_0. 4wt%Mg合金导电率变化图。
具体实施方式
[0012] 下面结合具体实例对本发明的技术方案进行进一步说明。本发明所述的多道次连续等通道转角挤压加工技术,以提高铜镁合金的抗拉强度和塑性,并使之具有良好的导电性,该方法不只局限于该具体实例。 [0013] 实施例I :
选择电解铜和纯镁为原料,配制成镁含量为O. 2%的铜镁合金,采用上引连铸技术和连续热挤压加工,得到热变形态Cu-0. 2wt%Mg合金即铜镁合金杆坯,其中的镁主要以固溶形式存在镁基体中,平均晶粒尺寸为51 μ m(见图1),晶粒形貌呈等轴状。在573K温度下连续等通道转角挤压16道次后,模具内等通道转角为90°,合金组织显著细化,晶粒呈带状分布,晶粒长约为I μ m、宽约200nm(见图2和图3),其晶粒内部位错密度较低,且有部分孪晶。由于超细晶铜镁合金中特殊的微观结构特点,显著提高了合金的抗拉强度和塑性。同时低的位错密度和孪晶减少了对电子的散射,使合金保持了较好的导电性能。具体为:抗拉强度584MPa,延伸率37. 9% (见图4),导电率达到了 84. 5%IACS (见图5)。与现有Conform-冷拔加工铜镁合金相比(抗拉强度550MPa,导电率=70%IACS),抗拉强度和导电率显著提高。
[0014] 实施例2 :
选择电解铜和纯镁为原料,制成镁含量为O. 4%的铜镁合金,采用上引连铸技术和连续热挤压加工,得到热变形态Cu-0. 4wt%Mg合金即铜镁合金杆坯,其中的镁主要以固溶形式存在镁基体中,平均晶粒尺寸为8〜10 μ m(见图6),晶粒形貌呈等轴状。在273K温度下连续等通道转角挤压8道次后,模具内等通道转角为120°,合金组织明显细化,晶粒呈带状分布(见图7)。与Cu-0. 2wt%Mg合金相比,镁含量的提高增加了固溶强化的效果,因此在273K温度下连续等通道转角挤压8道次后其抗拉强度达到了 589MPa,延伸率达到了 21. 5% (见图8),导电率为80. 5%IACS (见图9)。
[0015] 实施例3:
实施例3与实施例I的区别仅在于:选择电解铜和镁为原料,制成镁含量为O. 1%的铜镁合金,挤压温度为473K,模具内等通道转角为100°,其余操作同实施例I。

Claims (2)

1. 一种高强韧高导电铜镁合金的加工方法,包括如下步骤: 1)、以电解铜和纯镁为原料,配制成镁含量为O. 19Π). 4%的铜镁合金,采用上引连铸技术和连续热挤压加工,获得平均晶粒在5〜10 μ m的铜镁合金杆坯; 2)、对步骤I)得到的铜镁合金杆坯进行连续等通道转角挤压加工,挤压温度为273K〜573K,模具内等通道转角为90°〜120°,获得铜镁合金,其平均晶粒尺寸小于500nm、抗拉强度兰560MPa、延伸率兰20%、导电率兰80%IACS。
2.根据权利要求I所述的高强韧高导电铜镁合金的加工方法,其特征在于,步骤2)所述连续等通道转角挤压加工2道次〜16道次。
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