CN106086504A

CN106086504A - 作为时速400公里以上高速铁路接触线材料应用的超强高导铜合金

Info

Publication number: CN106086504A
Application number: CN201610319172.4A
Authority: CN
Inventors: 刘嘉斌; 徐雨晴; 王宏涛; 方攸同; 孟亮; 王立天; 田雨
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2016-05-16
Filing date: 2016-05-16
Publication date: 2016-11-09
Anticipated expiration: 2036-05-16
Also published as: US20180363101A1; WO2017198128A1; US10801087B2; CN106086504B

Abstract

作为时速400公里以上高速铁路接触线材料应用的超强高导铜合金，该铜合金含有重量百分比为3%~20%的铌，0.01~1%的铬，0.01~0.5%的锆，0.01~0.2%的钛，其余为铜；该铜合金以长条棒或线的形式存在，其中铌以纳米纤维和固溶原子的形式分布在铜基体中，大部分铌纳米纤维在铜基体中近似平行排列，这些纤维轴向与铜合金棒或线轴向大致平行；铬以纳米颗粒和固溶原子的形式分布在铌纤维周围及铜基体中，锆以铜锆化合物纳米颗粒和固溶原子的形式分布在铌纤维周围及铜基体中，钛以铜钛GP区和固溶原子形式分布在铜基体中；铜合金中所包含的铌、铬、锆固溶原子的总量小于0.2%；部分铬和铜锆化合物纳米颗粒钉扎在铌纳米纤维和铜基体的相界面上。

Description

作为时速400公里以上高速铁路接触线材料应用的超强高导铜合金

技术领域

本发明涉及一种Cu合金及其作为高速铁路尤其是时速400公里以上高速铁路接触线材料的应用。

背景技术

从2009年起我国高速电气化铁路(以下简称高铁)得到实质的飞跃式发展，京津线、京沪线和京广线相继开通，高铁稳定运行速度为300公里/小时。高速电气化铁路的发展对其关键部件—接触线—产生巨大的市场需求和苛刻的性能要求。要求用作接触线的材料同时具备以下特性：高强度、低线密度、良好的导电性、良好的耐磨擦性、良好的耐腐蚀性等，尤其强度和电导率是最核心指标。

目前高铁接触线采用的导体材料主要有Cu-Mg, Cu-Sn, Cu-Ag, Cu-Sn-Ag, Cu-Ag-Zr, Cu-Cr-Zr等系列Cu合金，其中Cu-Cr-Zr显示了更为优异的强度和电导率综合性能。专利CN200410060463.3及CN200510124589.7公开了Cu-(0.02~0.4)%Zr-(0.04~0.16)%Ag及Cu-(0.2~0.72)%Cr-(0.07~0.15)%Ag两种合金的制备技术。通过熔炼、铸造、热变形、固溶、冷变形、时效及再次冷变形等工艺制备成品。专利CN03135758.X公开了采用快速凝固制粉、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、高温温度及抗软化性能。专利CN200610017523.2公开了Cu-(0.05~0.40)%Cr-(0.05~0.2)%Zr-<0.20%(Ce+Y)合金成分及其制备技术，通过熔炼、锻造、固溶、变形、时效获得高强高导综合性能以及较好的耐热性和耐磨性。专利CN02148648.4公开了Cu-(0.01~1.0)%Cr-(0.01~0.6)%Zr-(0.05~1.0)%Zn-(0.01~0.30)%(La+Ce)合金成分及制备技术，通过熔炼、热轧、固溶、冷轧、时效、终轧等过程可获得较高的强度和电导率。

随着高速电气化铁路的持续发展，国家“十三五”规划明确提出在2020年需建成时速在400公里以上的高速铁路系统。这意味着与之相匹配的接触线材料性能也必须提高至强度>680 MPa，电导率>78%IACS且400度退火2h强度下降率<10%水平。如此苛刻的性能标准使得目前所使用的Cu-Mg, Cu-Sn, Cu-Ag, Cu-Sn-Ag, Cu-Ag-Zr, Cu-Cr-Zr合金均无法满足时速在400公里以上的高速铁路系统对接触线材料性能的最低要求。必须开发新型高性能合金以适应高铁的持续提速发展。

发明内容

本发明的目的是提供一种超强高导铜合金及其作为高速铁路尤其是时速在400公里以上的高速铁路接触线材料的应用。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供了一种铜合金，该铜合金含有重量百分比为3%~20%的铌，0.01~1%的铬，0.01~0.5%的锆，0.01~0.2%的钛，其余为铜；该铜合金以长条棒或线的形式存在，其中铌以纳米纤维和固溶原子的形式分布在铜基体中，大部分铌纳米纤维在铜基体中近似平行排列，这些纤维轴向与铜合金棒或线轴向大致平行；铬以纳米颗粒和固溶原子的形式分布在铌纤维周围及铜基体中，锆以铜锆化合物纳米颗粒和固溶原子的形式分布在铌纤维周围及铜基体中，钛以铜钛GP区和固溶原子形式分布在铜基体中；铜合金中所包含的铌、铬、锆固溶原子的总量小于0.2%；部分铬和铜锆化合物纳米颗粒钉扎在铌纳米纤维和铜基体的相界面上。

进一步，所述铜合金通过包括如下步骤的制备方法制得：

（1）以单质和/或中间合金为原料，在真空感应熔炼炉中熔化并快速浇铸于水冷铜模中，冷却速度大于20℃/s；

（2）将步骤（1）所得铸锭在室温下进行多道次拉拔，单次拉拔变形量小于0.3，最终达到3.5以上拉拔变形量；

（3）将拉拔变形的铜合金棒或线于375~575℃退火1~100 h；

（4）将退火后的铜合金再次进行室温拉拔，单次拉拔变形量在0.1~0.2之间，拉拔变形量为0.5~1.0；

（5）将上述铜合金置于液氮冷冻处理12~72 h，之后缓慢升温到室温，升温速率小于10℃/min，得到所述铜合金。

更进一步，步骤（1）中，中间合金可以是Cu-(10%~25%)Nb中间合金，Cu-(5%~13%)Cr中间合金，Cu-(5%~7%)Zr中间合金，Cu-(3%~10%)Ti中间合金等。

更进一步，步骤（1）中，冷却速度优选为30~100℃/s。

更进一步，步骤（2）中，优选单次拉拔变形量为0.1~0.2，最终达到4~6拉拔量。

更进一步，步骤（3）中，退火温度优选为400~500℃，退火时间优选为4~64 h。

更进一步，所述制备方法由步骤（1）~步骤（5）组成。

本发明公开的这种铜合金强度达到800 MPa以上，电导率达到78%IACS以上且400℃退火2h强度下降率<10%，达到了时速400公里以上的高速铁路系统对接触线材料的要求。故本发明进一步提供了所述铜合金作为高速铁路尤其是时速400公里以上的高速铁路接触线材料的应用。

与现有技术相比，本发明的铜合金具有以下有益效果：

1、本发明利用Nb元素所形成的高密度纳米纤维有效阻碍位错运动而产生巨大的纳米纤维强化效果，提升合金整体强度水平，使得铜合金强度能达到800 MPa以上；

2、利用纤维轴向与合金棒或线轴向大致平行，减少电子波在相界面的散射，保证合金电导率保持在较高水平，达到78%IACS以上；

3、利用纳米颗粒钉扎在纤维和铜基体的相界面上，阻止纳米纤维在退火过程中的球化趋势，保障合金具有很高的抗软化温度，使得其400℃退火2h强度下降率<10%。

4、利用铜钛条幅分解整体强化了铜基体，进一步提升合金强度。

5、利用液氮低温处理，使Nb、Cr、Zr、Ti原子均尽可能脱溶，形成沉淀相，既提高了合金强度，又净化了铜基体，减少固溶原子散射效应，提高合金电导率。

附图说明

图1为本发明实施例2所获得的铜合金微观结构的扫描电镜照片。

图2为本发明实施例1所获得的铜合金的铜基体能谱所测试成分结果，表明基体含有极少量的Nb、Zr、Cr元素。

具体实施方式

下面以具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明，但本发明的保护范围不限于此：

实施例1：

以纯铜，Cu-25%Nb中间合金，Cu-13%Cr中间合金，Cu-7%Zr中间合金，Cu-10%Ti中间合金为原料，在真空感应熔炼炉中熔化并快速浇铸于水冷铜模中，冷却速度30℃/s，获得Cu-3%Nb-1%Cr-0.5%Zr-0.2%Ti铸锭。将铸锭在室温下进行多道次拉拔，单次拉拔变形量0.15，最终达到5.5拉拔变形量。将拉拔变形的铜合金棒或线于375 ℃退火100 h。将退火后的铜合金再次进行室温拉拔，拉拔变形量为0.5。将上述铜合金置于液氮冷冻处理72 h，之后缓慢升温到室温，升温速率5℃/min。采用标准拉伸试验测试合金的抗拉强度，采用标准四点法测试合金的室温电导率，对合金进行400℃退火2 h的软化试验并测试强度下降率。

实施例2：

以纯铜，Cu-10%Nb中间合金，Cu-5%Cr中间合金，Cu-5%Zr中间合金，Cu-3%Ti中间合金为原料，在真空感应熔炼炉中熔化并快速浇铸于水冷铜模中，冷却速度50℃/s，获得Cu-10%Nb-0.5%Cr-0.3%Zr-0.1%Ti铸锭。将铸锭在室温下进行多道次拉拔，单次拉拔变形量0.1，最终达到6.0拉拔变形量。将拉拔变形的铜合金棒或线于450℃退火10 h。将退火后的铜合金再次进行室温拉拔，拉拔变形量为0.5。将上述铜合金置于液氮冷冻处理48 h，之后缓慢升温到室温，升温速率2℃/min。采用标准拉伸试验测试合金的抗拉强度，采用标准四点法测试合金的室温电导率，对合金进行400℃退火2 h的软化试验并测试强度下降率。

实施例3：

以纯铜，Cu-20%Nb中间合金，Cu-10%Cr中间合金，Cu-6%Zr中间合金，Cu-5%Ti中间合金为原料，在真空感应熔炼炉中熔化并快速浇铸于水冷铜模中，冷却速度100℃/s，获得Cu-20%Nb-0.1%Cr-0.1%Zr-0.05%Ti铸锭。将铸锭在室温下进行多道次拉拔，单次拉拔变形量0.2，最终达到4拉拔变形量。将拉拔变形的铜合金棒或线于575℃退火1 h。将退火后的铜合金再次进行室温拉拔，拉拔变形量为0.5。将上述铜合金置于液氮冷冻处理12 h，之后缓慢升温到室温，升温速率8℃/min。采用标准拉伸试验测试合金的抗拉强度，采用标准四点法测试合金的室温电导率，对合金进行400℃退火2 h的软化试验并测试强度下降率。

对上述实施例所获得的合金采用高分辨能谱测试铜基体中Nb、Cr和Zr固溶原子的含量，Ti固溶原子由于在能谱中无法与铜钛GP区进行区分，故其含量无法测定，但从性能结果反推，其含量应该极低，具体结果见表1.

表1实施例合金中铜基体Nb、Cr和Zr固溶原子的含量

合金	Nb固溶原子含量(%)	Cr固溶原子含量(%)	Zr固溶原子含量(%)
				Cu-3%Nb-1%Cr-0.5%Zr-0.2%Ti	0.04	0.05	0.04
Cu-10%Nb-0.5%Cr-0.3%Zr-0.1%Ti	0.05	0.03	0.03
				Cu-20%Nb-0.1%Cr-0.1%Zr-0.05%Ti	0.05	0.02	0.02

表2合金主要性能对比

合金	强度(MPa)	电导率(%IACS)	400度退火2h强度下降率
				Cu-3%Nb-1%Cr-0.5%Zr-0.2%Ti	800	81	8%
Cu-10%Nb-0.5%Cr-0.3%Zr-0.1%Ti	850	79	5%
				Cu-20%Nb-0.1%Cr-0.1%Zr-0.05%Ti	880	78	3%
对比合金CuCrZrZnCoTiLa*	608.2	70	无

*对比合金CuCrZrZnCoTiLa数据来自于专利CN1417357A。

Claims

1.一种铜合金，其特征在于：该铜合金含有重量百分比为3%~20%的铌，0.01~1%的铬，0.01~0.5%的锆，0.01~0.2%的钛，其余为铜；该铜合金以长条棒或线的形式存在，其中铌以纳米纤维和固溶原子的形式分布在铜基体中，大部分铌纳米纤维在铜基体中近似平行排列，这些纤维轴向与铜合金棒或线轴向大致平行；铬以纳米颗粒和固溶原子的形式分布在铌纤维周围及铜基体中，锆以铜锆化合物纳米颗粒和固溶原子的形式分布在铌纤维周围及铜基体中，钛以铜钛GP区和固溶原子形式分布在铜基体中；铜合金中所包含的铌、铬、锆固溶原子的总量小于0.2%；部分铬和铜锆化合物纳米颗粒钉扎在铌纳米纤维和铜基体的相界面上。

2.如权利要求1所述的铜合金，其特征在于：所述铜合金强度达到800 MPa以上，电导率达到78%IACS以上且400℃退火2h强度下降率<10%。

3.如权利要求1或2所述的铜合金，其特征在于：所述铜合金通过包括如下步骤的制备方法制得：

（3）将拉拔变形的铜合金棒或线于375~575℃退火1~100 h；

4.如权利要求3所述的铜合金，其特征在于：步骤（1）中，中间合金是Cu-(10%~25%)Nb中间合金，Cu-(5%~13%)Cr中间合金，Cu-(5%~7%)Zr中间合金，Cu-(3%~10%)Ti中间合金中的一种或几种。

5.如权利要求3所述的铜合金，其特征在于：步骤（1）中，冷却速度为30~100℃/s。

6.如权利要求3所述的铜合金，其特征在于：步骤（2）中，单次拉拔变形量为0.1~0.2，最终达到4~6拉拔量。

7.如权利要求3所述的铜合金，其特征在于：步骤（3）中，退火温度为400~500℃，退火时间为4~64 h。

8.如权利要求3所述的铜合金，其特征在于：所述制备方法由步骤（1）~步骤（5）组成。

9.如权利要求1所述的铜合金作为高速铁路接触线材料的应用。

10.如权利要求9所述的应用，其特征在于：所述高速铁路时速在400公里以上。