CN106916997B

CN106916997B - 一种用于高速铁路接触线的铜合金及其制备方法

Info

Publication number: CN106916997B
Application number: CN201710217631.2A
Authority: CN
Inventors: 王宏涛; 刘嘉斌; 方攸同
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2017-04-05
Filing date: 2017-04-05
Publication date: 2019-03-08
Anticipated expiration: 2037-04-05
Also published as: CN106916997A

Abstract

本发明公开了一种用于高速铁路接触线的铜合金，所述铜合金含有Ni、Al或Si、以及Cu，其中Ni重量百分比为0.6%~1.2%、Al或Si为0.1%~0.2%，余量为铜；且Al或者Si与Ni结合形成Ni₃Al或者Ni₃Si化合物；该化合物与Cu基体存在cube‑on‑cube位向关系，且两者的相界面为全共格相界面。本发明还提供了所述铜合金的制备方法，通过水平连铸系统进行熔化铸造形成铸棒、然后进行热挤压、退火，制得所述铜合金。本发明制得的铜合金具有高强高导特点，强度能达到550 MPa以上，可以用作时速在400公里以上的高速铁路接触线材料。

Description

一种用于高速铁路接触线的铜合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种Cu合金及其制备方法，尤其是一种可用作高速铁路尤其是时速400公里以上高速铁路接触线材料的铜合金及其制备方法。

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进一步提高强度和电导率，必须开发新型高性能合金以适应高速铁路的持续提速发展。

发明内容

本发明的目的拟提供一种用于高速铁路接触线的高强高导铜合金及其制备方法，该铜合金可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。

制备本发明的高强高导铜合金的构思如下：在Cu基体中引入大量弥散分布的纳米析出相，特别强调的是，这些纳米析出相与Cu基体存在cube-on-cube位向关系（也即析出相的<110>晶向与Cu基体的<110>晶向平行且析出相的{111}晶面与Cu基体的{111}晶面平行），且这些纳米析出相与Cu基体的相界面为全共格相界面，不存在错配位错。这些弥散分布的纳米析出相能够有效提高Cu基体的位错运动阻力，尤其是当位错切过这些析出相会由于化学有序效应产生背应力而强烈拖拽位错线，从而显著提高合金的强度实现高强的目的；另一方面，相比常规CuSn、CuCrZr体系中非共格或者半共格相界面处点阵畸变很大、对电子波散射严重，本发明的纳米析出相与Cu基体的相界面为全共格相界面，界面处的点阵畸变非常小，对电子波散射作用微弱，从而保障了电子波在合金内部的快速传导，达到高导的目的。本发明的纳米析出相之所以能够与Cu基体产生全共格相界面是基于析出相晶体点阵结构的大数据计算，且通过科学选择合金元素，合理搭配元素比例并采用科学制备工艺实现。

为实现上述发明目的，实现其技术效果，本发明采用如下技术方案：

本发明提供了一种用于高铁接触线的铜合金，该铜合金含有重量百分比为0.6%~1.2%的Ni、以及0.1%~0.2%的Al或者0.1%~0.2%的Si，且Ni与Al或者Ni与Si的原子比为3:1，合金余量为铜；该铜合金以长棒或者线的形式存在，其中Al或者Si与Ni结合形成Ni₃Al或者Ni₃Si化合物；且所形成的Ni₃Al或者Ni₃Si化合物以纳米颗粒形式嵌在Cu基体，且所述Ni₃Al或者Ni₃Si化合物纳米颗粒的直径分布范围为1~50 nm，颗粒间距范围为5~100 nm；该化合物纳米颗粒与Cu基体存在cube-on-cube位向关系，且该化合物纳米颗粒与Cu基体的相界面为全共格相界面，不存在错配位错。

本发明还提供了制备上述铜合金的方法，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，按照所需配比投料，在水平连铸系统双联炉体的熔炼炉熔化，之后转移到保温炉。熔化温度为1200~1300 ^oC，保温炉温度为1100~1200 ^oC，熔炼炉和保温炉表面覆盖一层木炭；

其中所述单质为金属Cu、Ni或Al；

所述中间合金为Cu-Ni或Cu-Al或Cu-Si合金；

所述配比为0.6%~1.2%的Ni、以及0.1%~0.2%的Al或者0.1%~0.2%的Si，且Ni与Al或者Ni与Si的原子比为3:1，余量为铜；

（2）采用水平连铸方式引出铸棒，铸棒直径为10~100 mm，引出速度为60~600 mm/min，结晶器采用水冷方式冷却，冷却长度为10~500 mm；

（3）将铸棒进行连续热挤压并轧制为直径为15~20 mm圆棒，热挤压温度为800~1000^oC并通以惰性气体保护；

（4）将圆棒于375~575^oC退火1~100 h，得到所述铜合金。

本发明通过选择铜合金含有Ni，Al或者Si元素，且控制Ni与Al或者Si的原子比为3:1，使后续工艺工程中通过温度等工艺参数控制Ni与Al或者Ni与Si形成能够Ni₃Al或者Ni₃Si。其中，Cu、Ni₃Al和Ni₃Si均为面心立方晶系，且三者的点阵常数分别为0.3615 nm、0.3572 nm和0.3506 nm。Ni₃Al和Ni₃Si与Cu的点阵常数相差不超过0.5%，达到可形成全共格相界面的基础条件，从而通过形成工艺控制关键工艺参数，使合金形成cube-on-cube位向和对应的全共格相界面，实现本发明的技术目的。

为了避免Ni₃Al或者Ni₃Si在热挤压阶段提前析出，本发明控制热挤压温度，优选在800~1000 ^oC，以保障Ni₃Al或者Ni₃Si在后续的时效过程中可控地以纳米析出相形式弥散分布在Cu基体，获得优异的强化效果。而为了避免在热挤压阶段的高温下样品表面严重氧化，采用惰性气体进行保护。

与现有技术相比，本发明提供的铜合金及其制备方法具有以下有益效果：

1）、本发明采用水平连铸方式，能够获得大锚段长度的铜合金棒；

2）、本发明制得的铜合金具有独特的微结构和高强度和高导电性性能：

3)、本发明利用Ni和Al或者Si形成Ni₃Al或者Ni₃Si化合物，有效净化Cu基体，保障Cu基体良好的导电性能；并利用Ni₃Al或者Ni₃Si化合物与Cu基体形成全共格相界面，避免了常规铜合金中相界面的大点阵畸变，保障电子波在相界面受到微弱散射，使合金具有高电导率；

4）利用高密度纳米析出相对位错线的钉扎作用，以其化学有序产生的背应力效果，提升合金整体强度水平，使得铜合金强度能达到550 MPa以上，可以应用于时速在400公里以上的高速铁路接触线材料。

附图说明

图1 为实施例1所获得的Ni₃Al的纳米析出相透射电镜中心暗场像。

图2为实施例2所获得的Ni₃Si的纳米析出相透射电镜中心暗场像。

图3为实施例2所获得的Ni₃Si的纳米析出相高分辨透射电镜图像。

图4 为对比例5所获得的Ni₃Al的析出相透射电镜中心明场像。

具体实施方式

下面以具体的实施例对本发明做进一步的说明。

实施例1：

（1）以阴极电解铜、Ni单质和Cu-Al中间合金为原料，按照重量百分比为0.6%的Ni，0.1%的Al，其余为铜的配比投料，在水平连铸系统双联炉体的熔炼炉以1200 ^oC熔化，之后转移到保温炉，保温炉温度为1200 ^oC，熔炼炉和保温炉表面覆盖一层木炭；

（2）采用水平连铸方式引出铸棒，铸棒直径为10 mm，引出速度为600 mm/min，结晶器采用水冷方式冷却，冷却长度为500 mm；

（3）将铸棒进行连续热挤压并轧制为直径为15 mm圆棒，热挤压温度为800 ^oC并通以惰性气体保护；

（4）将圆棒于375 ℃退火100 h，得到所述铜合金。

实施例2

与实施例1的区别在于步骤（1）中Al元素为Si元素替换，熔炼温度为1300 ^oC，保温温度为1100 ^oC，其他参数相同。

实施例3

与实施例1的区别在于步骤（1）中Ni元素重量百分比为1.2%，Al元素为0.2%，其他参数相同。

实施例4

与实施例1的区别在于步骤（1）中Ni元素重量百分比为0.9%，Al元素替换为Si元素，且Si元素重量百分比为0.15%，熔炼温度为1300 ^oC，保温温度为1100 ^oC，其他参数相同。

实施例5

与实施例1的区别在于步骤（2）中铸棒直径为100 mm，引出速度为60 mm/min，其他参数相同。

实施例6

与实施例1的区别在于步骤（2）中铸棒直径为20 mm，引出速度为120 mm/min，冷却长度为10 mm，其他参数相同。

实施例7

与实施例1的区别在于步骤（3）中轧制直径为20 mm，热挤压温度为1000 ^oC，其他参数相同。

实施例8

与实施例1的区别在于步骤（4）中退火温度为575 ^oC，时间为1 h，其他参数相同。

对比例1

与实施例1的区别在于步骤（1）中Ni元素重量百分比为1.2%，其他参数相同。

对比例2

与实施例1的区别在于步骤（1）中Ni元素重量百分比为0.2%，其他参数相同。

对比例3

与实施例1的区别在于步骤（1）中Al元素为Si替代，熔炼温度为1100 ^oC，保温温度为1000 ^oC，其他参数相同。

对比例4

与实施例1的区别在于步骤（3）中热挤压温度为600 ^oC，其他参数相同。

对比例5

与实施例1的区别在于步骤（4）中退火温度为650 ^oC，其他参数相同。

采用透射电子显微镜观察上述实施例和对比例所获得样品的微观组织，并采用中心暗场像拍摄并测量析出相尺寸与间距，采用选区电子衍射花样分析析出相与Cu基体的位向关系，采用高分辨透射电镜技术观察析出相与Cu基体的相界面结构，判断是否为全共格相界面。另外参考国标GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》测试样品的抗拉强度；参考GB/T 351-1995《金属材料电阻系数测量方法》测量样品的室温电导率。如图1实施例1所获得的Ni₃Al的纳米析出相透射电镜中心暗场像，图2为实施例2所获得的Ni₃Si的纳米析出相透射电镜中心暗场像，图3为实施例2所获得的Ni₃Si的纳米析出相高分辨透射电镜图像；可以看到Ni₃Al或者Ni₃Si化合物纳米颗粒的直径分布范围为1~50 nm，且所述颗粒间距范围为5~100 nm；对比例5所获得的Ni₃Al的析出相透射电镜中心明场像，其中Ni₃Al粒子已经明显粗化。具体以上所有测试的结果详述如表1。

表1 实施例和对比例制得的铜合金的微结构特征和性能

	析出相平均直径(nm)	析出相平均间距(nm)	析出相与Cu基体位向关系	析出相与Cu基体界面结构	抗拉强度(MPa)	电导率(%IACS)
							实施例1	8.1	50	Cube-on-cube	全共格	550	84
实施例2	8.8	58	Cube-on-cube	全共格	570	83
							实施例3	7.4	19	Cube-on-cube	全共格	650	77
实施例4	8.1	30	Cube-on-cube	全共格	600	80
							实施例5	8.3	55	Cube-on-cube	全共格	580	84
实施例6	8.1	55	Cube-on-cube	全共格	570	84
							实施例7	8.5	50	Cube-on-cube	全共格	570	82
实施例8	9.8	62	Cube-on-cube	全共格	540	86
							对比例1	6.2	113	Cube-on-cube	全共格	520	68
对比例2	7.1	167	Cube-on-cube	全共格	460	62
							对比例3	/	/	/	/	450	78
对比例4	87	128	/	/	480	77
							对比例5	200	320	/	/	425	87

从上表结果可以看出实施例1~8所获得的样品均体现出良好的强度与电导率匹配，其根本原因在于样品中存在大量弥散分布的纳米析出相，且纳米析出相与Cu基体存在cube-on-cube位向关系，其相界面为全共格界面，点阵错配小，对电子散射弱。

比较分析实施例1和对比例1和2可见Ni与Al的比例对于合金性能具有重要影响，当Ni与Al原子比明显偏离3:1关系时，将出现Ni元素或者Al元素剩余，所产生的固溶效应强烈地损害合金导电性。

比较分析实施例1和对比例3可见熔炼与保温温度的选择很关键，当所用温度偏低时难以充分熔化高熔点的Si元素，无法获得合乎比例的Ni和Al或Si形成的化合物固溶体，也即难以获得良好性能。

比较分析实施例1和对比例4可见热挤压温度的控制很关键，虽然对挤压过程进行预热是本领域常用技术，然而若预热温度偏低，将导致Ni与Al或Si的化合物提前析出，无法获得合理的本发明的微结构和性能。

比较分析实施例1和对比例5可见最终退火温度和时间的选择很关键，如果在较高的温度长时间退火，将是析出相剧烈长大，并失去与Cu基体的共格关系，无法获得良好性能。

Claims

1.一种用于高速铁路接触线的铜合金，其特征在于：所述铜合金含有重量百分比为0.6％～1.2％的Ni、以及0.1％～0.2％的Si，且Ni与Si的原子比为2.86:1，余量为铜；且Si与Ni结合形成Ni₃Si化合物，所述Ni₃Si化合物以纳米颗粒形式嵌在铜基体；且所述Ni₃Si化合物的纳米颗粒与铜基体形成cube-on-cube位向关系，所述Ni₃Si化合物的纳米颗粒与铜基体的相界面为全共格相界面。

2.根据权利要求1所述的一种用于高速铁路接触线的铜合金，其特征在于：所述Ni₃Si化合物的纳米颗粒的直径为1～50nm，纳米颗粒间距范围为5～100nm。

3.根据权利要求1或2所述一种用于高速铁路接触线的铜合金的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

1)以单质和/或中间合金为原料，按照一定配比投料，在水平连铸系统双联炉体的熔炼炉熔化，之后转移到保温炉，熔炼炉和保温炉表面覆盖一层木炭；其中熔化温度为1200～1300℃，保温炉温度为1100～1200℃；

其中所述单质为金属Cu、或Ni；

所述中间合金为Cu-Ni或Cu-Si合金；

所述配比为0.6％～1.2％的Ni、以及0.1％～0.2％的Si，且Ni与Si的原子比为2.86:1，

余量为铜；

2)采用水平连铸方式引出铸棒；

3)将铸棒进行连续热挤压并轧制为圆棒；且热挤压温度为800～1000℃，同时通以惰性气体保护；

4)将圆棒退火，其中退火温度为375～575℃，退火时间为1～100小时，制得所述铜合金。

4.根据权利要求3所述一种用于高速铁路接触线的铜合金的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中引出速度为60～600mm/min，所述铸棒的直径为10～100mm。

5.根据权利要求3所述一种用于高速铁路接触线的铜合金的制备方法，其特征在于：所述步骤3)中通过连续热挤压并轧制的圆棒的直径为15～20mm。