CN105483582A - 一种高速铁路电网接触线用高强高导铬锆铜合金的制备方法 - Google Patents

一种高速铁路电网接触线用高强高导铬锆铜合金的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高速铁路电网接触线用高强高导铬锆铜合金的制备方法，包括：固溶处理、等径角挤压变形、时效处理、等径角挤压变形和深过冷处理。本发明在传统固溶时效工艺基础上，采用多级冷变形技术结合超低温处理技术对铬锆铜合金进行处理，与未进行此工艺处理的样件相对比，不仅可以保持良好的导电性还可以大幅提高其强度、耐磨性及延长使用寿命。本发明所制铜合金其抗拉强度大于580MPa，HRB硬度大于85，且导电率在80％IACS以上，优于未采用此法处理的铜合金。此发明方法工艺简单，成本低廉，性能提升效果好，利用本发明方法制备得到的高强高导铬锆铜合金适合在工业化生产的高速铁路电网接触线中使用。

Description

一种高速铁路电网接触线用高强高导铬锆铜合金的制备方法
技术领域
本发明涉及有色金属加工技术领域，具体涉及一种高速铁路电网接触线用高强高导铬锆铜合金的制备方法。
背景技术
随着国民经济的飞速发展，电气化铁路运行已经向准高速、高速发展。提高列车的运行速度，将使得列车输出功率增大，其实质是要提高接触线的载流量，将会增加接触线的损耗，浪费大量电能，因此电接触线用材料的发展水平就决定了电气化铁路提速的进程。在诸多材料中，析出强化型铬锆铜合金由于优良的导电导热能力以及合适的强度，作为电气化铁路接触导线的应用需求也日益旺盛。由于机车受电弓滑板与接触线之间的高速摩擦、接触线自身的热效应都将产生大量热量，为避免温度过高而产生软化现象，材料应具有良好的导电导热能性；同时由于架线张力的作用以及电弓与接触线的高速滑动摩擦，要求材料具有良好的强度与耐磨性，良好的寿命。
铬锆铜合金作为典型的析出强化型合金，通过固溶时效工艺可以提高强度的同时可以保持一定的导电性，但依然难以满足苛刻的性能需求，因此如何在保持优良导电性的同时尽可能地提升强度、耐磨性和寿命就具有十分重要的意义。
目前铬锆铜合金棒材的通常制备技术为真空感应熔炼，但仅通过熔炼而得的合金性能远无法满足要求，需要进一步的工艺来提升性能。而通常所使用的固溶、冷轧(或热轧)与时效组合的工艺虽然可以保持铬锆铜合金一定的导电率的同时提高强度，但是轧制配套工艺所需步骤复杂耗时(冷轧为例)：如酸洗、轧制、脱脂、退火；另一方面轧制极易造成氧化物片化恶化机械性能以及产生强烈织构，织构在后续的退火过程中也极易长大，工艺不易控制，造成晶粒过大，弱化硬化效果；且轧制工艺变形量不够大，强化效果有限。因此需要研究使用更加方便有效的剧烈塑性冷变形手段，保证导电率不降低、强度提升的同时，通过开发简单可行、易于工业生产的配套工艺来进一步提高耐磨性及使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种在传统固溶时效工艺的基础上采用多级冷变形技术对铬锆铜合金进行处理，并以深过冷处理作为最终处理，得到性能优异、工艺简单、可实现工业化生产的制备高速铁路电网接触线用高强高导铬锆铜合金的工艺方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种高速铁路电网接触线用高强高导铬锆铜合金的制备方法，包括下述步骤：
(1)固溶处理
将铬锆铜合金原始铸锭棒材进行固溶退火处理，固溶温度为800℃～1000℃，时间为1～3小时，空冷至室温；
(2)等径角挤压
将固溶处理后的样件进行等径角转角挤压，挤每次挤压后试样按同一方向旋转90°后进入下一道次；在室温下将样件进行1～5道次挤压，切掉挤压毛刺与棒材挤压尾料，得到挤压后的样件；
(3)时效处理
对经过固溶、挤压后的铬锆铜合金棒材进行时效处理，时效温度为430℃～530℃，时效时间为2～4小时，空冷至室温；
(4)等径角挤压
对经过固溶、挤压、时效处理后的样件再次进行等径角转角挤压；每次挤压后试样按同一方向旋转90°，进入下一道次；在室温下将样件进行1～5道次挤压，切掉挤压毛刺与棒材挤压尾料，得到第二次挤压后的样件；
(5)深过冷处理
最终将经过固溶、挤压、时效处理、挤压的样件进行深过冷处理，即通过液氮使样件冷却到-100℃～-190℃，并保持1～5小时，随后置于大气中使其恢复至室温，得到组织均匀、性能稳定、耐磨性提高、寿命延长的高强高导铬锆铜合金。
进一步，所述高强高导铬锆铜合金的抗拉强度大于580MPa，硬度大于HRB85，且导电率在80％IACS以上。
进一步，所述铬锆铜合金中成份的重量百分比为：铬0.25～0.65％，锆0.08～0.2％，其余为铜。
进一步，固溶处理采用箱式电阻热丝加热炉进行，大气环境下，升温至800℃～1000℃的时间为60分钟。
进一步，将所述铬锆铜合金固溶处理后加工为Φ19.5×150mm棒料，采用石墨纸润滑，利用10吨液压机对其进行等径角挤压变形，变形速度为30mm/min。
进一步，所述等径角挤压的挤压通道为直径为20mm，外角为30°，内角为90°。
进一步，所述时效处理采用箱式电阻热丝加热炉进行，大气环境下，升温至430℃～530℃的时间为30分钟。
进一步，所述深过冷处理将样件置于深冷设备中冷却到-100℃～-190℃的降温速度为10℃/min。
进一步，所使用深冷处理设备的工作腔有效尺寸为Φ215×220mm、壁厚为10mm的真空夹层不锈钢罐体；液氮经喷嘴喷出后在工作腔内直接汽化降温，通过控制通入的液氮的量控制深冷箱的温度。
本发明方法制备的高强高导铬锆铜合金可以作为高速铁路电网接触导线，以其良好的强度与耐磨性在高速铁路电网接触线中应用，使用该高强高导铬锆铜合金能够延长接触导线的寿命。
与现有技术相比，本发明具有以下技术优势：
1、本发明选择在传统的固溶时效基础上，对铬锆铜合金采用多级冷变形技术并以深过冷工艺作为最终处理，不仅使铬锆铜合金的强度大幅提高，导电性不降低，由于深冷的作用还可以提高耐磨性、延长使用寿命；
2、本发明所制得的铜合金性能优于未采用本法处理制得的铜合金性能，本法获得的铜合金的抗拉强度大于580MPa，HRB硬度大于85，且导电率在80％IACS以上；
3、本发明采用多级冷变形技术结合超低温处理技术对铬锆铜合金进行处理，工艺简单、操作方便、成本低廉，具有良好的工业应用前景。
附图说明
图1为制备高速铁路电网接触线用高强高导铜合金工艺流程图。
图2为等径角挤压方式示意图。
图3为实施例1中高强高导铜合金的金相组织照片。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
如图1所示，本发明一种高速铁路电网接触线用高强高导铬锆铜合金的制备方法，包括下述步骤：
第一步：固溶处理
将铬锆铜合金铸锭，在箱式电阻热丝加热炉中进行固溶处理，大气环境下，固溶温度为800℃～1000℃，升温时间为60min，时间为1～3小时，空冷至室温；所述铬锆铜合金中成份的重量百分比为铬0.25～0.65％、锆0.08～0.2％，其余为铜。
第二步：等径角挤压
将固溶处理后的铜合金加工为Φ19.5×150mm棒料，石墨纸润滑，利用10吨液压机对其进行等径角挤压变形，挤压过程见图2所示，变形速度为30mm/min；挤压通道为直径为20mm，外角为30°，内角为90°，挤每次挤压后试样按同一方向旋转90°后进入下一道次；在室温下将样件进行1～5道次挤压，切掉挤压毛刺与棒材挤压尾料，得到挤压后的样件。
第三步：时效处理
对经过固溶、等径角挤压后的铬锆铜合金棒材在箱式电阻热丝加热炉中进行时效处理，大气环境下，时效温度为430℃～530℃，升温时间为30min，保温时间为2～4小时，空冷至室温。
第四步：等径角挤压
对经过固溶、挤压、时效处理后的样件再次进行等径角转角挤压。将铬锆铜合金加工为Φ19.5×150mm棒料，石墨纸润滑，利用10吨液压机对其进行等径角挤压变形，变形速度为30mm/min。挤压通道为直径为20mm，外角为30°，内角为90°，每次挤压后试样按同一方向旋转90°，进入下一道次；在室温下将样件进行1～5道次挤压，切掉挤压毛刺与棒材挤压尾料，获得二次挤压后的样件。
第五步：深过冷处理
最终将经过固溶、挤压、时效、挤压的样件进行深过冷处理，深冷设备其工作腔有效尺寸为Φ215×220mm、壁厚为10mm的真空夹层不锈钢罐体；液氮经喷嘴喷出后在工作腔内直接汽化降温，通过控制通入的液氮的量控制深冷箱的温度。通过该深冷设备使样件冷却到-100℃～-190℃，降温速度为10℃/min，并保持1～5小时，随后置于大气中恢复至室温，得到组织均匀、性能稳定、耐磨性提高、寿命延长的高强高导铬锆铜合金，其抗拉强度大于580MPa，HRB硬度大于85，且导电率在80％IACS以上。
下面给出具体实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1
将铬锆铜合金(重量百分比组成为铬0.45％、锆0.1％，其余为铜)的原始铸锭，在箱式电阻炉中进行固溶处理，大气环境下，升温时间为60min，固溶温度为960℃，保温2小时，随后空冷至室温；将固溶处理后的铜合金加工为Φ19.5×150mm棒料，石墨纸润滑，利用10吨液压机对其进行等径角挤压变形，变形速度为30mm/min；挤压通道为直径为20mm，外角为30°，内角为90°，每次挤压后试样按同一方向旋转90°，进入下一道次；在室温下将样件进行3道次挤压，切掉挤压毛刺与棒材挤压尾料；将上一步得到的铬锆铜合金棒料在箱式电阻热丝加热炉中进行460℃、4小时的时效处理，升温时间为30min，空冷至室温。将时效后的样件再一次进行3道次的等径角挤压，切掉挤压毛刺与棒材挤压尾料；将第二次挤压后的样件在深冷设备中进行深过冷处理，温度为-170℃，3个小时，随后置于大气中使其恢复至室温温度。所述工艺流程如图1所示。
最终获得高强高导铬锆铜合金样件，样件的微观组织如图3所示，如图所示大量Cr颗粒弥散分布在基体上，且Cr颗粒尺寸在5um以下。所得的样件的抗拉强度为582.9MPa，HRB硬度达到85，导电率达到84.2％IACS。与原始铸锭状态下铜合金性能对比见表1所示。
实施例2
将铬锆铜合金(重量百分比组成为铬0.25％、锆0.2％，其余为铜)的原始铸锭，在箱式电阻炉中进行固溶处理，大气环境下，升温时间为60min，固溶温度为800℃，保温3小时，随后空冷至室温；将固溶处理后的铜合金加工为Φ19.5×150mm棒料，石墨纸润滑，利用10吨液压机对其进行等径角挤压变形，变形速度为30mm/min；挤压通道为直径为20mm，外角为30°，内角为90°，每次挤压后试样按同一方向旋转90°，进入下一道次；在室温下将样件进行3道次挤压，切掉挤压毛刺与棒材挤压尾料；将上一步得到的铬锆铜合金棒料在箱式电阻热丝加热炉中进行430℃、4小时的时效处理，升温时间为30min，空冷至室温。将时效后的样件再一次进行5道次的等径角挤压，切掉挤压毛刺与棒材挤压尾料；将第二次挤压后的样件在深冷设备中进行深过冷处理，温度为-100℃，5个小时，随后置于大气中使其恢复至室温温度。
实施例3
将铬锆铜合金(重量百分比组成为铬0.65％、锆0.08％，其余为铜)的原始铸锭，在箱式电阻炉中进行固溶处理，大气环境下，升温时间为60min，固溶温度为1000℃，保温1小时，随后空冷至室温；将固溶处理后的铜合金加工为Φ19.5×150mm棒料，石墨纸润滑，利用10吨液压机对其进行等径角挤压变形，变形速度为30mm/min；挤压通道为直径为20mm，外角为30°，内角为90°，每次挤压后试样按同一方向旋转90°，进入下一道次；在室温下将样件进行3道次挤压，切掉挤压毛刺与棒材挤压尾料；将上一步得到的铬锆铜合金棒料在箱式电阻热丝加热炉中进行530℃、2小时的时效处理，升温时间为30min，空冷至室温。将时效后的样件再一次进行1道次的等径角挤压，切掉挤压毛刺与棒材挤压尾料；将第二次挤压后的样件在深冷设备中进行深过冷处理，温度为-190℃，1个小时，随后置于大气中使其恢复至室温温度。
下述表1给出了本发明方法制备的铬锆铜合金实施例与现有铬锆铜合金棒材状态性能对比。
表1
从上述铬锆铜合金性能对比可以看出，经本发明方法制备的铬锆铜合金其导电率达84.2％IACS，抗拉强度达582.9MPa，硬度达85HRB以上，上述技术参数均有大幅度的提高。提高了铬锆铜合金的耐磨性，并延长了其使用寿命，该制备工艺得到的铬锆铜合金能够用于高速铁路电网接触线，具有良好的工业应用前景。
可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可以利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种高速铁路电网接触线用高强高导铬锆铜合金的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：
(1)固溶处理
将铬锆铜合金原始铸锭棒材进行固溶退火处理，固溶温度为800℃～1000℃，时间为1～3小时，空冷至室温；
(2)等径角挤压
将固溶处理后的样件进行等径角转角挤压，挤每次挤压后试样按同一方向旋转90°后进入下一道次；在室温下将样件进行1～5道次挤压，切掉挤压毛刺与棒材挤压尾料，得到挤压后的样件；
(3)时效处理
对经过固溶、挤压后的铬锆铜合金棒材进行时效处理，时效温度为430℃～530℃，时效时间为2～4小时，空冷至室温；
(4)等径角挤压
对经过固溶、挤压、时效处理后的样件再次进行等径角转角挤压；每次挤压后试样按同一方向旋转90°，进入下一道次；在室温下将样件进行1～5道次挤压，切掉挤压毛刺与棒材挤压尾料，得到第二次挤压后的样件；
(5)深过冷处理
最终将经过固溶、挤压、时效处理、挤压的样件进行深过冷处理，即通过液氮使样件冷却到-100℃～-190℃，并保持1～5小时，随后置于大气中使其恢复至室温，得到高强高导铬锆铜合金。
2.根据权利要求1所述的高速铁路电网接触线用高强高导铬锆铜合金的制备方法，其特征在于，所述高强高导铬锆铜合金的抗拉强度大于580MPa，硬度大于HRB85，且导电率在80％IACS以上。
3.根据权利要求1所述的高速铁路电网接触线用高强高导铬锆铜合金的制备方法，其特征在于，所述铬锆铜合金中成份的重量百分比为：铬0.25～0.65％，锆0.08～0.2％，其余为铜。
4.根据权利要求1所述的高速铁路电网接触线用高强高导铬锆铜合金的制备方法，其特征在于，固溶处理采用箱式电阻热丝加热炉进行，大气环境下，升温至800℃～1000℃的时间为60分钟。
5.根据权利要求1所述的高速铁路电网接触线用高强高导铬锆铜合金的制备方法，其特征在于，将所述铬锆铜合金固溶处理后加工为Φ19.5×150mm棒料，采用石墨纸润滑，利用10吨液压机对其进行等径角挤压变形，变形速度为30mm/min。
6.根据权利要求1所述的高速铁路电网接触线用高强高导铬锆铜合金的制备方法，其特征在于，所述等径角挤压的挤压通道为直径为20mm，外角为30°，内角为90°。
7.根据权利要求1所述的高速铁路电网接触线用高强高导铬锆铜合金的制备方法，其特征在于，所述时效处理采用箱式电阻热丝加热炉进行，大气环境下，升温至430℃～530℃的时间为30分钟。
8.根据权利要求1所述的高速铁路电网接触线用高强高导铬锆铜合金的制备方法，其特征在于，所述深过冷处理将样件置于深冷设备中冷却到-100℃～-190℃的降温速度为10℃/min。
9.根据权利要求8所述的高速铁路电网接触线用高强高导铬锆铜合金的制备方法，其特征在于，所使用深冷处理设备的工作腔有效尺寸为Φ215×220mm、壁厚为10mm的真空夹层不锈钢罐体；液氮经喷嘴喷出后在工作腔内直接汽化降温，通过控制通入的液氮的量控制深冷箱的温度。
10.根据权利要求1-9任一项所述的高强高导铬锆铜合金的制备方法，其特征在于，所述高强高导铬锆铜合金在高速铁路电网接触线中应用。
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