CN103966475B

CN103966475B - 一种铜铬钛合金接触线及其制备方法

Info

Publication number: CN103966475B
Application number: CN201410204712.5A
Authority: CN
Inventors: 张建波; 李勇; 钟明龙; 许方; 段志涛; 李兆海; 朱峰; 张光伟; 官珊丹; 刘耀; 朱映玉
Original assignee: Jiangxi University of Science and Technology; Ganzhou Jiangwu La Farga High Speed Railway Copper Materials Co Ltd
Current assignee: Jiangxi University of Science and Technology; Ganzhou Jiangwu La Farga High Speed Railway Copper Materials Co Ltd
Priority date: 2014-05-15
Filing date: 2014-05-15
Publication date: 2015-12-02
Anticipated expiration: 2034-05-15
Also published as: CN103966475A

Abstract

本发明公开了一种铜铬钛合金接触线及其制备方法，各合金元素含量为Cu-(0.15～0.35)%Cr-(0.10～0.23)%Ti-(0～0.05)%Mg-(0～0.02)%Si，杂质总量不大于0.1%的铜合金，通过大气熔炼、上引连续铸造、连续挤压、热处理和轧制拉拔等工艺，制备铜铬钛合金接触线，在工艺简化、设备及合金成分较为简单的情况下，可实现大规模工业化生产，接触线的具有较高的抗拉强度、优良的导电性能和抗软化性能以及良好的电滑动磨损性能。

Description

一种铜铬钛合金接触线及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种接触线及其制备方法，特别涉及一种铜铬钛合金接触线及其制备方法。

背景技术

随着高速铁路朝着高效快捷、环保节能方向的快速发展，要求高速铁路用的接触线具有较高抗拉强度、优良的导电性能和较高的抗软化温度等综合性能。铜合金是应用最广泛的高速铁路接触线材，国外高速电气化铁路几乎全部采用铜合金接触导线。但长期以来，在铜合金接触线的研究和制备中存在着高强度和高导电性之间的矛盾，强度的提高必须以合金元素的添加为前提，任何溶质原子的存在都会导致晶格畸变，从而造成合金导电性能的降低。选择在铜中固溶较低的元素，特别是固溶度随温度降低而剧烈降低的元素，并借助加工硬化、细晶强化和沉淀强化等手段，在稍微降低合金电导率和牺牲一定塑性的前提下，提高合金的强度是目前研究高强高导铜合金接触线的重要方法。

按导电性能与力学性能，铜合金接触导线可分为以下几类：

(1)高导电中强度铜合金：导电率70％～98％IACS，抗拉强度350～600MPa。如银铜、镁铜、锡铜、铬锆铜等。

(2)中导电高强度铜合金：导电率30％～70％IACS，抗拉强度600～900MPa，如银铬铜合金。

(3)低导电高强度铜合金：导电率10％～30％IACS，抗拉强度大于900MPa，如铍铜、钛铜等。

纯铜接触线具有良好的导电性，机械强度较低，经过冷加工强度可达350MPa，其表面和内部硬化程度不均匀，内、外磨损不一致，加工率为10％时，软化温度约为250℃，冷加工率达到93％时，软化温度则降至100℃左右。纯铜接触线的整体软化会使接触线整体机械强度下降，在与受电弓滑板接触的磨损面处的局部软化会导致磨损的加剧，只适合在速度低于200km/h的低速铁路上使用。

铜银合金接触线是为改善纯铜接触线耐高温软化特性而开发的一种接触线，导电性良好96.5％IACS左右，机械强度350MPa左右，软化温度达300℃，软化后强度降低4～6％，延伸率提高0.7～1.2％。随着速度的提高，接触线的张力增加，铜银合金的抗拉强度无法满足接触线大张力的要求，只适用于速度为250km/h以下的线路。

铜镁合金接触线的强度和抗软化温度比铜银接触线显著提高，但是导电性较低，电导率62～77％IACS，机械强度420～490MPa，软化温度约为365℃，再结晶温度范围在350℃～400℃，软化后强度降低11.4％，延伸率提高5.4％。铜锡CuSn_0.04-0.6接触线具有良好导电性60～93.2％IACS，机械强度367～460MPa，工作温度150℃，软化后强度降低8.15％，延伸率提高2～6％。

因此，以固溶和加工硬化为主要强化方法的银铜、镁铜等铜合金接触线应用广泛，可以通过减少合金元素含量提高导电性，可以通过提高加工率可以获得较高的强度，但是很难获得优良的抗软化性能。在目前的铜合金接触线中，Cu-Cr-Zr合金可综合加工硬化和时效强化获得较高的强度，可通过时效沉淀减少过饱和溶质原子浓度以提高电导率，并能通过抑制合金的再结晶过程提高抗软化性能，成为较理想的接触线材料。日本开发研制的OMCL-1型Cu-Cr-Zr系合金，抗拉强度达到592-608MPa，电导率达到82.7％IACS，延伸率介于4.1-7.0％，再结晶温度高于500℃。但是，由于Zr元素性质活泼，容易烧损，很难实现Cu-Cr-Zr合金的大气熔炼，从而限制了该材料的大规模应用。

随着高速铁路的不断进步和成熟，我国已经逐渐从一个高速铁路技术进口国转变为出口国，对于高强高导接触线材料有大量的需求，高速铁路的发展进入了关键时期。因此，研发具有独立知识产权的高速铁路用接触线十分紧迫。

发明内容

针对现有技术中所存在的问题，本发明的首要目的在于提供一种铜铬钛合金接触线，次要目的在于提供一种铜铬钛合金接触线的制备方法。通过在电解铜中加入铬、钛、镁和硅等元素，经过大气熔炼、上引连续铸造、连续挤压、轧制拉拔和固溶淬火时效等工序制备合金接触线，具有高抗拉强度，高导电率、良好的高温抗软化性能和良好的电磨损性能，化学成分简单，无昂贵合金元素，成本低且易于工业化生产。

为实现上述目的，本发明一种铜铬钛合金接触线，铜铬钛合金接触线按重量百分比为：0.15～0.35％的铬、0.10～0.23％的钛、0～0.05％的镁和0～0.02％的硅，杂质总量不大于0.1％，余量为铜。

进一步，所述铜铬钛合金接触线抗拉强度为465～545MPa，电导率为76～85％IACS，延伸率大于5％，软化温度为450～490℃。

进一步，电流为I＝30A时，所述铜铬钛合金接触线的电滑动磨损率为0.0041-0.0064mg/m。

在同等条件下，Cu-Ag等铜合金接触线的电滑动磨损率为0.01mg/m至0.1mg/m，甚至更高，本发明通过添加和调整铜基接触线中铬、钛、镁及硅元素，并结合上引连铸、连续挤压等工艺方法，将电滑动磨损率大大降低，在适用于更高时速的高速铁路通电、通讯需要的同时，提高了接触线的使用寿命。

一种铜铬钛合金接触线制备方法，包括以下步骤：

(1)感应炉升温至1250±10℃保证电解铜熔化，添加铜铬、铜钛、铜镁中间合金和纯硅，采用煅烧木炭和鳞片石墨覆盖；

(2)在1230±10℃搅拌并保温30分钟以上，以保证中间合金充分熔化和合金元素分布均匀，并通氩气或氮气进行精炼；

(3)上引连铸毛坯杆，上引连铸温度为1220±10℃，上引速率为200±15mm/min，上引毛坯杆规格为Φ16～22mm；

(4)对步骤(3)中所得到的所述毛坯杆进行固溶处理，处理温度为950±10℃，时间1～2h，保温后进行淬火；

(5)淬火态毛坯杆连续挤压：挤压后所得到的挤压杆规格为Φ24～31mm；

(6)对挤压杆进行双级时效处理：500～600℃下时效处理0.1-1.5h，后再在温度400～490℃时效2-6h。

(7)将挤压杆轧制拉拔成为成品接触线。

进一步，所述成品接触线的截面具有对称沟槽。

进一步，所述步骤(1)中的熔炼为大气熔炼。

进一步，所述步骤(1)中的所述电解铜，以及铜铬、铜钛、铜镁中间合金和纯硅按设定的质量比配料；所述配料中铬质量百分比为0.15～0.35％，钛质量百分比为0.10～0.23％，镁的质量百分比为0～0.05％，硅的质量百分比为0～0.02％，杂质总量不大于0.1％，余量为铜。

进一步，所述步骤(1)中，铜铬、铜钛、铜镁中间合金的成分分别为Cu-5％Cr、Cu-15％Ti、Cu-10％Mg。

进一步，所述步骤(4)中所述淬火后的毛坯杆的维氏硬度小于60HV，以保证步骤(5)的顺利进行。

进一步，所述步骤(7)中所述轧制拉拔具体为：将步骤(6)双级时效处理后的所述挤压杆进行冷变形加工，得到Φ16～18mm的圆杆坯，根据接触线截面尺寸，经过4～6道次的孔型拉拔，得到高强高导铜铬钛合金接触线。

所述步骤(6)中，采用双级时效制度，第一级时效通过高温处理获得大量析出相的前驱相，通过短时处理降低组织再结晶程度，第二级时效通过较低的温度和较长的时间，保证过饱和溶质原子的充分析出以提高电导率和强度，并确保合金的组织继续保持连续挤压超细特征。

步骤(4)、(5)和(6)工序间涉及的固溶温度时间、连续挤压变形量和一级、二级时效温度时间的协调配合是获得优良综合性能的保证。

另外，本发明所采用的铜铬钛合金采用上引连铸及连续挤压等工艺方法制备接触线，属于本领域的开拓性发明，制备时仅靠参照现有工艺参数及标准都无法实现本发明目的。本发明是熔炼、铸造、冷加工及时效处理等众多因素相互协同、综合作用的结果，为了得到合格的接触线，在参照已有技术和实践经验基础上，还需要做大量的实验和研究工作，以使各个因素良好配合。正因如此，试验摸索的工作量巨大。

本发明根据铜自身特性，添加铬、钛、镁和硅等合金元素的铜合金经过合理的冷加工和热处理工艺能在保持较高导电性的同时，获得较高的强度。在铜中添加入铬和钛两种金属，构成铜铬钛合金，并通过大气熔炼-上引连续铸造-固溶淬火-连续挤压-时效处理-轧制拉拔，成品铜铬钛接触线抗拉强度465～545MPa，延伸率大于5％，电导率76～85％IACS，软化温度450～490℃，电流为I＝30A时，电滑动磨损率为0.0041-0.0064mg/m。该工艺简单易行、成本较低、具有很好的经济效益。

本发明的工艺特点是，对于所述的合金成分范围，该合金可采用大气熔炼和上引连续铸造，得到的成分均匀、晶粒细小的线材杆坯，通过固溶淬火和连续挤压可实现冷加工大变形，获得晶粒尺寸达到纳米级的细化组织，并通过后续的时效处理和轧制拉拔制备高强高导铜铬钛合金接触线，克服铜合金接触线力学性能和导电性能相互矛盾的缺陷。

附图说明

图1为本发明制备方法流程图。

具体实施方式

以下结合图1所示制备方法流程图对本发明的具体实施例作进一步的说明。

实施例1：

将电解铜置于感应炉进行大气熔炼，采用煅烧木炭和鳞片石墨覆盖，电解铜熔化后依次加入Cu-5％Cr和Cu-15％Ti中间合金，加入的成分按总重量的百分比为0.15％的铬、0.10％的钛，并对合金熔液进行精炼，熔炼温度为1250±10℃，然后对合金进行除渣。

对精炼除渣后的合金进行上引连续铸造，上引温度为1220±10℃，上引速率为200±15mm/min，上引杆规格为Φ16-22mm，随后进行固溶处理，温度为950±10℃，时间为90min，室温水淬。

对淬火态合金进行连续挤压加工，挤压杆直径为Φ24～31mm，随后进行双级时效处理，时效温度为520℃，处理1.5h，后再在温度490℃时效2h。

再继续进行冷变形加工，得到Φ16～18mm的圆杆坯，根据接触线截面尺寸，经过4～6道次的孔型拉拔，得到高强高导铜铬钛合金接触线。该接触线产品的抗拉强度可达440MPa，电导率可达85.0％IACS，伸长率可达8.7％，软化温度450℃，电滑动磨损率0.0058mg/m。

连续挤压过程中，挤压比及挤压速度的协调配合使用非常重要，其不仅关系到生产效率，更重要的是关系到接触线的质量，以及挤压工序是否能够正常进行。单纯地参照现有技术中某个或几个参数，将无法保证接触线的质量要求。

本实施例通过上引连铸以及固溶处理后连续挤压，大大提高了接触线的生产速度。与传统工艺方法相比，本制备方法的生产效率提高了30-50％。由于上引连铸及连续挤压，克服了接触线杆坯内部硬度、变形不均匀，以及金属晶体大小、分布不均匀，以及应力集中等缺陷。通过采用双级时效处理，首先通过高温处理获得大量析出相的前驱相，通过短时处理降低组织再结晶程度，第二级时效通过较低的温度和较长的时间，保证过饱和溶质原子的充分析出以提高电导率和强度，并确保合金的组织继续保持连续挤压超细特征。

实施例2：

将电解铜置于感应炉进行大气熔炼，采用煅烧木炭和鳞片石墨覆盖，加入Cu-5％Cr、Cu-15％Ti、Cu-10％Mg中间合金及纯硅，加入的成分按总重量的百分比为0.15％的铬、0.10％的钛、0.05％Mg和0.02％Si，并对合金熔液进行精炼，熔炼温度为1250±10℃，然后对合金进行除渣。

对精炼除渣后的合金进行上引连续铸造，上引温度为1220±10℃，上引速率为200±15mm/min，上引毛坯杆规格为Φ16-22mm，随后进行固溶处理，温度为950±10℃，时间为90min，室温水淬。

对淬火态毛坯杆进行连续挤压加工，挤压杆直径为Φ24～31mm，随后进行双级时效处理，时效温度为530℃，处理1.2h，后再在温度470℃时效3h。

再继续进行冷变形加工，得到Φ16～18mm的圆杆坯，根据接触线截面尺寸，经过4～6道次的孔型拉拔，得到高强高导铜铬钛合金接触线。该接触线产品的抗拉强度可达476MPa，电导率可达83.1％IACS，伸长率可达6.8％，软化温度465℃，电滑动磨损率0.0064mg/m。

实施例3：

将电解铜置于感应炉进行大气熔炼，采用煅烧木炭和鳞片石墨覆盖，电解铜熔化后依次加入Cu-5％Cr和Cu-15％Ti中间合金，加入的成分按总重量的百分比为0.25％的铬、0.17％的钛，并对合金熔液进行精炼，熔炼温度为1250±10℃，然后对合金进行除渣。

对淬火态毛坯杆进行连续挤压加工，挤压杆直径为Φ24～31mm，随后进行双级时效处理，时效温度为550℃，处理1.0h，后再在温度450℃时效4h。

再继续进行冷变形加工，得到Φ16～18mm的圆杆坯，根据接触线截面尺寸，经过4～6道次的孔型拉拔，得到高强高导铜铬钛合金接触线。该接触线产品的抗拉强度可达482MPa，电导率可达83.4％IACS，伸长率可达7.3％，软化温度460℃，电滑动磨损率0.0045mg/m。

实施例4：

将电解铜置于感应炉进行大气熔炼，采用煅烧木炭和鳞片石墨覆盖，加入Cu-5％Cr、Cu-15％Ti、Cu-10％Mg中间合金及纯硅，加入的成分按总重量的百分比为0.25％的铬、0.17％的钛、0.05％Mg和0.02％Si，并对合金熔液进行精炼，熔炼温度为1250±10℃，然后对合金进行除渣。

对淬火态毛坯杆进行连续挤压加工，挤压后挤压杆直径为Φ24～31mm；

随后进行双级时效处理，时效温度为570℃，处理0.8h，后再在温度440℃时效6h。

再继续进行冷变形加工，得到Φ16～18mm的圆杆坯，根据接触线截面尺寸，经过4～6道次的孔型拉拔，得到高强高导铜铬钛合金接触线。该接触线产品的抗拉强度可达512MPa，电导率可达81.9％IACS，伸长率可达5.2％，软化温度480℃，电滑动磨损率0.0041mg/m。

实施例5：

将电解铜置于感应炉进行大气熔炼，采用煅烧木炭和鳞片石墨覆盖，电解铜熔化后依次加入Cu-5％Cr和Cu-15％Ti中间合金，加入的成分按总重量的百分比为0.35％的铬、0.23％的钛，并对合金熔液进行精炼，熔炼温度为1250±10℃，然后对合金进行除渣。

对淬火态毛坯杆进行连续挤压加工，挤压杆直径为Φ24-31mm，随后进行时效处理，时效温度为580℃，处理0.3h，后再在温度420℃时效5h。

再继续进行冷变形加工，得到Φ16～18mm的圆杆坯，根据接触线截面尺寸，经过4～6道次的孔型拉拔，得到高强高导铜铬钛合金接触线。该接触线产品的抗拉强度可达528MPa，电导率可达78.5％IACS，伸长率可达6.7％，软化温度470℃，电滑动磨损率0.0052mg/m。

实施例6：

将电解铜置于感应炉进行大气熔炼，采用煅烧木炭和鳞片石墨覆盖，加入Cu-5％Cr、Cu-15％Ti、Cu-10％Mg中间合金及纯硅，加入的成分按总重量的百分比为0.35％的铬、0.23％的钛、0.05％Mg和0.02％Si，并对合金熔液进行精炼，熔炼温度为1250±10℃，然后对合金进行除渣。

对淬火态毛坯杆进行连续挤压加工，挤压杆直径为Φ24-31mm，随后对挤压杆进行双级时效处理，时效温度为600℃，处理0.1h，后再在温度400℃时效5h。

再继续进行冷变形加工，得到Φ16～18mm的圆杆坯，根据接触线截面尺寸，经过4～6道次的孔型拉拔，得到高强高导铜铬钛合金接触线。该接触线产品的抗拉强度可达545MPa，电导率可达76.3％IACS，伸长率可达5.0％，软化温度490℃，电滑动磨损率0.0047mg/m。

上述实施例中接触线的合金化学成分及性能指标表1所示。

表1本发明的合金化学成分及性能指标

本发明的工艺特点是，对于上述的合金成分范围，该合金可采用大气熔炼，通过上引连续铸造实现该类合金大长度线材杆坯的生产，通过连续挤压获得超细晶粒组织，应用本发明制备的铜合金接触线，具有良好的电导率、耐磨性、高温抗软化性能和良好的电磨损性能，克服了力学性能和导电性能相互矛盾的缺陷，其综合性能能够满足高速铁路接触线的性能要求。

以上结合附图仅描述了本申请的几个优选实施例，但本申请不限于此，凡是本领域普通技术人员在不脱离本申请的精神下，做出的任何改进和/或变形，均属于本申请的保护范围。

Claims

1.一种铜铬钛合金接触线，其特征在于，铜铬钛合金接触线按重量百分比为：0.15～0.35%的铬、0.10～0.23%的钛、0～0.05%的镁和0～0.02%的硅，杂质总量不大于0.1%，余量为铜；所述铜铬钛合金接触线抗拉强度为465～545MPa，电导率为76～85%IACS，延伸率大于5%，软化温度为450～490℃；电流为I=30A时，所述铜铬钛合金接触线的电滑动磨损率为0.0041-0.0064mg/m。

2.如权利要求1所述铜铬钛合金接触线的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）感应炉升温至1250±10℃保证电解铜熔化，添加铜铬、铜钛、铜镁中间合金和纯硅，采用煅烧木炭和鳞片石墨覆盖；

（2）在1230±10℃搅拌并保温30分钟以上,以保证中间合金充分熔化和合金元素分布均匀，并通氩气或氮气进行精炼；

（3）上引连铸毛坯杆，上引连铸温度为1220±10℃，上引速率为200±15mm/min，上引毛坯杆规格为Φ16～22mm；

（4）对步骤（3）中所得到的所述毛坯杆进行固溶处理，处理温度为950±10℃，时间1~2h，保温后进行淬火；

（5）淬火态毛坯杆连续挤压：挤压后所得到的挤压杆规格为Φ24～31mm；

（6）对挤压杆进行双级时效处理：500～600℃下时效处理0.1-1.5h，后再在温度400～490℃时效2-6h；

（7）将挤压杆轧制拉拔成为成品接触线。

3.如权利要求2所述的铜铬钛合金接触线的制备方法，其特征在于，所述成品接触线的截面具有对称沟槽。

4.如权利要求2所述的铜铬钛合金接触线的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中的熔炼为大气熔炼。

5.如权利要求2所述的铜铬钛合金接触线的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中的所述电解铜，以及铜铬、铜钛、铜镁中间合金和纯硅按设定的质量比配料；所述配料中铬质量百分比为0.15～0.35%，钛质量百分比为0.10～0.23%，镁的质量百分比为0～0.05%，硅的质量百分比为0～0.02%，杂质总量不大于0.1%，余量为铜。

6.如权利要求2所述的铜铬钛合金接触线的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，铜铬、铜钛、铜镁中间合金的成分分别为Cu-5%Cr、Cu-15%Ti、Cu-10%Mg。

7.如权利要求2所述的铜铬钛合金接触线的制备方法，其特征在于，所述步骤（4）中所述淬火后的毛坯杆的维氏硬度小于60HV。

8.如权利要求2所述的铜铬钛合金接触线的制备方法，其特征在于，所述步骤（7）中所述轧制拉拔具体为：将步骤（6）双级时效处理后的所述挤压杆进行冷变形加工，得到Φ16～18mm的圆杆坯，根据接触线截面尺寸，经过4～6道次的孔型拉拔，得到高强高导铜铬钛合金接触线。