CN105039883A - 一种Cu-Cr-Zr合金接触线的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种Cu-Cr-Zr合金接触线的制备方法，属于铜合金的加工制备技术领域。本发明所述方法通过熔炼、喷射沉积连续挤压、行星轧制、时效、拉拔等工艺制备横截面为110～150mm2的接触线；本发明所述方法在同一工艺下完成对制品组织性能和外形尺寸的控制；采用喷射沉积连续挤压方法制备得到的Cu-Cr-Zr合金接触线具有较高的强度、较好的导电率以及良好的抗高温软化能力；本发明所述制备方法工艺流程短、材料利用率高、保证产品性能的同时又能降低生产成本，并且产品理论长度为任意长,适合工业化应用。
Description
技术领域
本发明公开一种Cu-Cr-Zr合金接触线的制备方法，属于铜合金的加工制备技术领域。
背景技术
接触线的作用是通过与电力机车受电弓相连接，为电力机车输送电能。接触线要在电流传输、悬挂张力、运行冲击、温差变化等恶劣环境下工作，所以对接触线的抗拉强度、电导率、抗高温软化能力等有较高的要求，一方面要有较高的导电率，以减小电流传输过程中导线内的欧姆热耗及电压降；另一方面要有较高的力学强度，以适应大跨距敷设及减少敷设费用。但是导体的强度与导电性却不易兼得，即提高导线的强度势必会影响其导电性，改善其导电性又会影响其强度。所以就必须采用特定的加工技术在提高强度的同时又能保证其导电率达到要求，以保证高速列车正常运行。此外，为了延长使用寿命，减少维护费用，还要具有优良的耐磨性能。
目前国内外普遍采用铜合金作为接触线用材，铜合金接触线主要有Cu—Mg、Cu—Sn、Cu—Ag、Cu—Sn—Ag、Cu—Ag—Zr、Cu—Cr—Zr等。在这些合金中高导高强的Cu—Cr—Zr系合金能够较好的将强度与导电率结合起来，是一种比较理想的接触线材料。但是由于Cr、Zr的熔点显著高于Cu，且熔化条件下极易氧化、挥发并与许多接触物质反应，加之熔体吸气、杂质不易排出、偏析等因素，导致实际产品很难达到理想状态。目前，我国正由高铁技术进口国转向高铁技术出口国家，总理李克强于2014年8月22日在考查铁路总公司时也表态“推销高铁我很有底气”，所以必须加快高性能接触线的研发，为高速铁路的发展提供稳定、持续、强大的动力。
目前在接触线生产领域，CN200910097340.X公开了一种Cu—Cr—Zr合金接触线生产方法，经过大气熔炼、上引连铸、挤压、退火、拉拔（轧制）生产出单根长度为1000—1500m的接触线制品，抗拉强度最高为600MPa，导电率最高为84%IACS。专利号CN200810121203.0公开的一种Cu—Cr—Zr合金接触线生产方法，采用大气熔炼、铸锭、轧制、退火—拉拔（拉拔—退火—拉拔）的方法生产的接触线制品强度最高达到640MPa，导电率最高达到84%IACS。这两种方法都采用了大气熔炼的方法，采用冷变形在提高强度的同时又增加弥散析出的驱动力，不含昂贵元素，化学成分简单，成本较低。但是工艺流程长，所需设备多，能耗高。专利号CN200610039986.9，200610048186.3，CN200610048186.3分别公开了Cu—Ag，Cu—Sn—Zr—RE，Cu—Mg—Sn接触线的生产方法，通过添加合金元素熔炼，后进行压力加工进行生产。虽然需要设备少、成本低，但是仅依靠合金元素固溶强化以及加工硬化所达到的抗拉强度不高，很难达到时速大于350Km/h列车的要求。并且生产过程中需进行多次降温升温，能耗浪费严重。专利号CN200610017523.2，CN02148648分别公开了Cu—（0.05～0.40）％Cr—（0.05～0.20）％Zr合金与Cu—（0.01～1.0）％Cr—（0.01～0.6）％Zr合金的制备技术。此两种制备方法可以将导电率与强度较好的结合起来，并且耐磨性与耐热性良好。但是由于加入合金元素过多，化学成分复杂，需要真空冶炼和专门的固溶设备，不能大规模工业化应用。国外的专利也涉及了Cu—Cr—Zr合金的制备技术。美国的US667995公开的Cu—Cr—Zr合金制备技术依靠快速凝固、固溶、形变热处理来达到硬化效果，但加入Ag只注重了传热性而未注重传导性。US68812817关于Cu—（0.05～1.0）％Cr—（0.05～0.25）％Zr合金的制备技术中需严格控制固溶参数来调节S的浓度，实际生产中很难达到。
在普通熔铸法制备的Cu-Cr-Zr合金中，Cr和Zr的平衡浓度都比较小，使其难以满足应用高强度的要求，快速凝固中的喷射成型技术为高强高导Cu-Cr-Zr合金研发开辟了新的途径。采用喷射沉积技术制备的Cu-Cr-Zr合金具有以下特征：①晶粒显著细化；②显微偏析明显降低；③晶体缺陷大大增加；④形成新的亚稳相结构；⑤经时效处理后，铜基体中的析出相明显增加，弥散程度增大。在电导率下降不多的情况下，合金的强度得到显著提高，并改善合金的耐磨、耐蚀性能。EBatawi等用喷射成形结合多步形变热处理研制出一种抗拉强度高达800MPa、电导率大于75%IACS的Cu-Cr-Zr合金，性能远优于目前商业用的合金。RishiPSingh等用喷射成形法制得了Cu-（0.1～0.8）wt%Zr合金，这种合金的铸造组织具有等轴晶结构，无宏观偏析，在晶界处析出相之一证明是CuZr5，该相具有网状组织，能够阻碍再结晶晶粒的长大，与其他成分的合金相比，Cu-0.4wt%Zr合金经喷射成形和热机械变形后，能获得更优良的综合性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种Cu-Cr-Zr合金接触线的制备方法，通过非真空熔炼、喷射沉积连续挤压、行星轧制、时效、拉拔工艺处理，生产出高强高导超长的Cu-Cr-Zr合金接触线，具体包括以下步骤：
（1）在感应炉中将电解铜熔化，同时加入木炭、石墨片覆盖保护溶液，然后按计算量加入Cu-Cr、Cu-Zr中间合金，保温10～15min后停炉，扒渣；
（2）喷射沉积连续挤压制备接触线坯：即熔体从漏斗下的导流管流出，在惰性气体作用下雾化为液滴；飞向挤压轮槽并沉积在挤压轮槽内形成沉积坯；经连续挤压，获得接触线坯；
（3）将步骤（2）获得的接触线坯进行行星轧制；
（4）时效处理，然后拉拔得到两侧带有对称沟槽的接触线制品。
本发明所述喷射沉积连续挤压过程中：熔体雾化温度为1200～1250℃，雾化气压为0.20～0.80MPa，挤压轮转速2～10r/min。
本发明所述时效处理的条件为400～450℃，0.5～1h。
本发明的有益效果：
（1）本发明生产的接触线产品理论长度可以为任意长，抗拉强度为550～610MPa，相对导电率为70～86％IACS，400℃下软化退火2h后强度仍大于500MPa；
（2）采用喷射沉积连续挤压技术，可以通过快速凝固细化组织、减少偏析、形成亚稳定相来提高制品性能；
（3）工艺流程短、设备投资少、产品理论长度为任意长、能耗低；
（4）采用行星轧制、拉拔等工艺容易实现连续化生产；经形变热处理，相对其他制备方法制品性能大幅度提高大。
附图说明
图1本发明实施例1~3所用装置的结构示意图；
图2为流行控制器原理图。
图中：1-金属熔炼装置；2-雾化装置；3-流行控制器；4-支架；5-挤压轮；6-堵头，7-挤压机腔体，8-模具，9-挤压轮槽；10-铜盘；11-电机。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一下详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
本发明实施例1~3所用装置，包括金属熔炼装置1、雾化装置2、流行控制器3、支架4、挤压轮5、堵头6、挤压机腔体7，金属熔炼装置1固定于支架4上，雾化装置2位于熔炼装置的下面且固定于支架4上，雾化装置2的下面设有流行控制器3，流行控制器3固定于挤压机腔体7上；挤压机腔体7位于挤压轮5的外面，挤压轮5的表面设有挤压轮槽9；挤压机腔体7上设有堵头6，堵头6的一端堵住挤压轮槽9，堵头6的内部设有模具8。所述流行控制器3包括两个铜盘10和两个电机11，铜盘10和电机11连接，两个铜盘10之间呈0°~30°夹角，如图1~2所示。
实施例1
（1）在感应炉中将20kg电解铜（纯度为99.9%）熔化，同时加入木炭、石墨片覆盖保护溶液，然后加入1.69kgCu-10%Cr、0.3kgCu-20%Zr中间合金，保温10min后停炉，扒渣。
（2）喷射沉积连续挤压制备接触线坯：在流型控制器3的作用下将雾化后的合金溶液喷射沉积到挤压轮轮槽9里，在轧挤力的作用下通过预热后的模具8续挤压挤出接触线坯，熔体雾化温度为1250℃，雾化气压为0.20MPa，挤压轮转速2r/min，流行控制器中电机的转速为1000r/min。
（3）将步骤（2）获得的接触线坯进行行星轧制，轧制变形量为2.0。
（4）在400℃下时效处理0.5h，然后拉拔得到两侧带有对称沟槽的接触线制品。
本实施例制备得到的接触线制品截面积为150mm2抗拉强度550MPa，相对导电率70%IACS，400℃软化退火两小时后强度为500MPa。
实施例2
（1）在感应炉中将20kg电解铜（纯度为99.9%）熔化，同时加入木炭、石墨片覆盖保护溶液，然后加入1.1kgCu-10%Cr、0.23kgCu-20%Zr中间合金，保温12min后停炉，扒渣。
（2）喷射沉积连续挤压制备接触线坯：在流型控制器的作用下将雾化后的合金溶液喷射沉积到挤压轮轮槽9里，在轧挤力的作用下通过预热后的模具8续挤压挤出接触线坯；熔体雾化温度为1200℃，雾化气压为0.6MPa，挤压轮转速10r/min，流行控制器中电机的转速为1500r/min。
（3）将步骤（2）获得的接触线坯进行行星轧制轧制变形量为2.0。
（4）在425℃下时效处理0.8h，然后拉拔得到两侧带有对称沟槽的接触线制品。
本实施例制备得到的接触线制品截面积为120mm2抗拉强594MPa，相对导电率78%IACS，400℃软化退火两小时后强度为530MPa。
实施例3
（1）在感应炉中将20kg电解铜（纯度为99.9%）熔化，同时加入木炭、石墨片覆盖保护溶液，然后加入2.2kgCu-10%Cr、0.9kgCu-20%Zr中间合金，保温15min后停炉，扒渣。
（2）喷射沉积连续挤压制备接触线坯：在流型控制器的作用下将雾化后的合金溶液喷射沉积到挤压轮的轮槽9里，在轧挤力的作用下通过预热后的模具8续挤压挤出接触线坯；熔体雾化温度为1225℃，雾化气压为0.80MPa，挤压轮转速5r/min，流行控制器中电机的转速为1200r/min。
（3）将步骤（2）获得的接触线坯进行行星轧制轧制变形量为2.0。
（4）在450℃下时效处理1h，然后拉拔得到两侧带有对称沟槽的接触线制品。
本实施例制备得到的接触线制品截面积为110mm2抗拉强610MPa，相对导电率70%IACS，400℃软化退火两小时后强度为550MPa。
Claims (4)
1.一种Cu-Cr-Zr合金接触线的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
（1）将电解铜、Cu-Cr、Cu-Zr中间合进行熔炼；
（2）用喷射沉积连续挤压法制备接触线坯；
（3）将步骤（2）获得的接触线坯进行行星轧制；
（4）将步骤（3）得到的产品进行时效处理，然后拉拔得到两侧带有对称沟槽的接触线制品。
2.根据权利要求1所述Cu-Cr-Zr合金接触线的制备方法，其特征在于：熔炼的具体过程为：在感应炉中将电解铜熔化，同时加入木炭、石墨片覆盖保护溶液，然后按计算量加入Cu-Cr、Cu-Zr中间合金，保温10～15min后停炉，扒渣。
3.根据权利要求1所述Cu-Cr-Zr合金接触线的制备方法，其特征在于：喷射沉积连续挤压过程中：熔体雾化温度为1200～1250℃，雾化气压为0.20～0.80MPa，挤压轮转速2～10r/min。
4.根据权利要求1所述Cu-Cr-Zr合金接触线的制备方法，其特征在于：时效处理的条件为400～450℃，0.5～1h。
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