CN107699734A - 一种接近纯铜电导率耐高温Cu‑Li‑Re铜锂合金 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种接近纯铜电导率的耐高温Cu‑Li‑Re铜锂合金。按重量百分比计，合金化学成分为：Li:0.4‑1.2wt.%,Re:0.2‑0.8wt.%,Si:1.0‑2.0wt.%,In:0.4‑0.6wt.%,Sr:0.6‑0.8wt.%,W:0.2‑0.4wt.%,Ta:0.2‑1.2wt.%,La:0.1‑0.2wt.%,Tb:0.1‑0.2wt.%，B:0.5‑0.6wt.%，余量为铜。相对于传统电缆用铜合金，该材料具有优异力学性能,高导电性和高的高温力学性能。

Description

一种接近纯铜电导率耐高温Cu-Li-Re铜锂合金

技术领域

本发明涉及合金技术领域，具体地说，涉及一种铜锂合金。

背景技术

随着我国经济的飞速发展和铁路的提速，对接触网导线的要求越来越高。人们不断追求导电性能与其强度能达到最佳组合的导线材料来满足日益提升的铁路运输速度的要求。目前，在欧美、日本等发达国家通常采用铜合金导线材料来生产接触网导线，我国高速电气化铁路所用铜合金导线材料主要从德国、瑞典等发达国家进口。此外，铜基电接触材料适用于在各种功率条件下工作，而且大量用于大、中负荷电器中，如各种开关、继电器、接触器等。大、中功率接点的工作条件较恶劣，常处于电弧的强烈作用下，电侵蚀严重，特别要求导热性、导电性要好，抗电侵蚀能力要强。电接触材料是制备电力、电器电路中通、断控制及负载电流电器(如开关、继电器、起动器及仪器仪表等)的心脏元件电触头的关键材料，其质量的好坏关系到电路设备、仪表的可靠性、稳定性、精密程度及其寿命。

电缆和电接触材料用铜合金和铝合金相比，具有一系列明显的优势。（1）强度高：常温下的允许应力，铜比铝分别高出7-28%。特别是高温下的应力，两者相差更是甚远。（2）抗疲劳：铝材反复折弯易断裂，铜则不易。弹性指标方面，铜也比铝高约1.7-1.8倍。（3）施工方便：铜芯柔性好，允许的弯度半径小，所以拐弯方便，穿管容易。（5）载流量大：由于电阻率低，同截面的铜芯电线要比铝芯电线允许的载流量高30%左右（6）电阻率低：铝芯电线的电阻率比铜芯电线约高1.68倍。（7）延展性好：铜合金的延展率为20-40%,电工用铜的延展率在30%以上，而铝合金仅为18%。（8）抗氧化，耐腐蚀：铜芯电线的连接头性能稳定，不会由于氧化而发生事故。铝芯电线的接头不稳定时常会由于氧化使接触电阻增大，发热而发生事故。（9）能耗低：由于铜的电阻率低，相比铝电线而言，铜电线的电能损耗低，这是显而易见的。（10）发热温度低：在同样的电流下，同截面的铜芯电线的发热量比铝芯电线小得多，使得运行更安全。（11）电压损失低：由于铜芯电线的电阻率低，在同截面流过相同电流的情况下。铜芯电线的电压降小。

国际上通过合金化技术，凝固方式以及制备相关复合材料等手段不断深入提高合金的综合性能和加工技术，使得相关合金的生产成本不断降低和相关性能持续提高。国外目前己经开发的新型电缆和电接触铜合金导电率太低，没能超过80%IACS，不能满足现代工业和元器件对导电率的要求。严重地制约了该类合金在航空航天，电子，军工上的进一步应用。进一步开发高导电和高强度铜锂合金，是加快相关产业化进行良性循环的快速轨道。开发高强高导电铜合金有两种方法，一种是加入合金元素通过固溶强化来强化基体，另一种是通过加入第二相强化相形成铜基复合材料。锂作为合金化元素加入铜合金中可以大大提高铜合金的弹性性能，耐高温软化性能和导电性能。开发新型高强、高导、高耐磨、高软化温度的铜锂合金已成为必然。

铜锂合金在熔炼和成型过程中极易发生氧化、燃烧甚至爆炸，不仅给零件的成型与性能造成危害，还很容易伤及人体和污染环境。铜锂合金产业化的一个重要方向就是如何阻止其高温下的氧化燃烧。目前冶炼工业中常采用氯化盐熔剂保护法与惰性气体保护法。但是，这两种方法都有其难以避免的缺陷，如易产生有毒气体污染环境和造成熔剂夹杂而损害合金性能。此外，熔炼、浇注设备和工艺复杂，加大了成本。解决铜锂合金在大气中熔炼时产生燃烧的另一个途径是向铜锂合金中添加合金元素，通过合金化的方法达到阻燃目的。合金化阻燃法其机理是在铜锂合金熔炼过程中添加特定的合金元素来影响合金氧化的热力学与动力学过程，形成具有保护作用的致密氧化膜和氮化膜，达到阻止合金剧烈氧化和氮化的目的，并且铜锂合金在后续加工过程中的氧化燃烧的倾向大大降低，从而提高铜锂合金的加工安全性。

但是，作为一种电缆和电接触材料用铜合金材料，只具有令人满意的导电性是远远不能满足要求的，更重要的是最终铜锂合金产品还要同时拥有令人满意的力学强度。因而如何在铜锂合金中平衡各种合金元素的含量，制备出在大气环境下阻燃，防止锂在熔炼过程中挥发的铜锂合金，且具备优异的性能，是当前铜锂合金的一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种可以在1200-1300度大气条件下进行熔炼的Cu-Li-Re铜锂合金及其加工工艺。且在此温度区间熔炼的合金最终产品具有优异的室温力学性能和高温力学性能，以及高的导电能力。该方法具有生产成本低，便于大规模生产的特点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种具有在1200-1300度之间熔炼接近纯铜电导率的耐高温Cu-Li-Re铜锂合金。按重量百分比计，合金的组成为：Li: 0.4-1.2wt.%,Re:0.2-0.8wt.%,Si:1.0-2.0wt.%,In:0.4-0.6wt.%,Sr:0.6-0.8wt.%,W:0.2-0.4wt.%,Ta:0.2-1.2wt.%,La:0.1-0.2wt.%,Tb: 0.1-0.2wt.%，B:0.5-0.6wt.%，余量为铜。该铜锂合金在熔炼过程因为挥发和形成炉渣等原因而损失的重量在2.0-5.0wt.%左右。

上述铜锂合金的制备方法，包括如下步骤：将如上配比的原料加入到大气保护下的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚。感应加热到1200-1300度形成合金溶液，并利用电磁搅拌效应充分搅拌10分钟左右。将合金液体在1200-1300度保温10分钟浇到热顶同水平设备内进行半连续铸造，铸锭下移速度为8-10m/min。。将铸锭在室温下进行变形处理，每道次的轧下量为5-12%；每3道次轧制需要进行一次中间热处理来消除加工硬化，工艺为：280度，2.6个小时；轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理840度，2.5小时；真空时效处理170度，2.8小时。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

（1） 本发明专利针对目前高温下铜锂合金在熔炼时需要进行保护熔炼的现状提供了一种新颖的大气保护解决方案。通过优选合金中的主要和次要添加元素，从而有效地防止在熔炼状态下铜锂合金发生燃烧和过量蒸发现象进。通过优选的合金化办法，不仅可以大大降低合金元素使用量的缺点，还可以获得非常好的阻燃效果和提高锂收得率，最终产品中锂的含量占初始锂加入量的80-90wt.%左右。一般而言，采用氩气保护的方法熔炼的铜锂合金，最终锂的收得率只有10-30wt.%左右。

（2） 本专利提出的Cu-Li-Re铜锂合金在静态下具有极其优异的阻燃性能，可以达到在1200-1300温度范围内在大气环境下静置5个小时而没有明显的燃烧。在对液态合金进行搅拌、吹气等熔体处理过程中，当其表面膜因剧烈搅拌被破坏后，仍能快速再生，成功阻碍合金的燃烧。所得合金表面氧化膜和氮化膜都有非常好的塑性和粘度，能够完整地铺展和覆盖住合金表面，有效阻挡大气侵入合金液内。且该铜锂合金在熔炼过程因为挥发和形成炉渣等原因而损失的重量小于5.0wt.%左右。

（3） 该Cu-Li-Re铜锂合金在加入锂后，由于优异的脱氧除气作用，从而使晶粒得到细化。此外，该合金具有低的液固相凝固温度范围，可以解决铸造时热裂倾向大，铸造空洞和疏松明显制品成品率低等技术难题。冶炼加工方法简单，生产成本比较低，降低了对设备要求。在保证具备阻燃性的同时，也使得合金使用寿命和高温下力学性能有了进一步提高，便于工业化大规模应用。

（4） 该材料具有高于传统电缆和电接触材料用铜合金的力学性能：室温下抗拉强度为800-920MPa（传统材料为500-600MPa）。在500-620度左右，抗拉强度在60分钟内能维持在600-640MPa左右（传统材料为300-320MPa）。且导电率(%IACS)可以维持在96-102(传统材料小于80)。此外，该材料比传统电缆和电接触材料用铜合金的密度降低4-5%左右。

具体实施方式

实施例1

一种具有1220度熔炼接近纯铜电导率的耐高温Cu-Li-Re铜锂合金。按重量百分比计，合金的化学成分为：Li: 0.8wt.%,Re:0.6wt.%,Si:1.4wt.%,In:0.5wt.%,Sr:0.6wt.%,W:0.2wt.%,Ta:0.4wt.%,La:0.1wt.%,Tb:0.1wt.%，B:0.5wt.%，余量为铜。合金的制备方法：将如上配比的原料加入到大气环境下的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚。感应加热到1220度，形成合金溶液，并利用电磁效应充分搅拌10分钟左右。将合金液体在1220度保温10分钟浇铸到热顶同水平设备内进行半连续铸造，铸锭下移速度为9m/min。将铸锭在室温下进行变形处理，每道次的轧下量为8%。每3道次轧制需要进行一次中间热处理来消除加工硬化，工艺为：280度，2.6个小时；轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理840度，2.5小时；真空时效处理170度，2.8小时。该材料具有高于传统电缆和电接触材料用铜合金的力学性能：室温下抗拉强度为864MPa（传统材料为500-600MPa）。在500-620度左右，抗拉强度在60分钟内能维持在625MPa左右（传统材料为300-320MPa）。且导电率(%IACS)可以维持在98(传统材料小于80)。此外，该材料比传统电缆和电接触材料用铜合金的密度降低4.2%左右。该合金在1220度和5个小时内之间进行大气环境下搅拌，精炼等熔体处理而不发生明显烧损现象，且材料由于蒸发和形成炉渣的原因而导致的原材料损耗率能控制在2.4wt.%左右。

实施例2

一种具有1240度熔炼接近纯铜电导率的耐高温Cu-Li-Re铜锂合金。按重量百分比计，合金的化学成分为：Li: 0.9wt.%,Re:0.6wt.%,Si:1.4wt.%,In:0.5wt.%,Sr:0.7wt.%,W:0.3wt.%,Ta:0.8wt.%,La:0.1wt.%,Tb:0.1wt.%，B:0.6wt.%，余量为铜。合金的制备方法：将如上配比的原料加入到大气环境下的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚。感应加热到1240度，形成合金溶液，并利用电磁效应充分搅拌10分钟左右。将合金液体在1240度保温10分钟浇铸到热顶同水平设备内进行半连续铸造，铸锭下移速度为10m/min。将铸锭在室温下进行变形处理，每道次的轧下量为8%。每3道次轧制需要进行一次中间热处理来消除加工硬化，工艺为：280度，2.6个小时；轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理840度，2.5小时；真空时效处理170度，2.8小时。该材料具有高于传统电缆和电接触材料用铜合金的力学性能：室温下抗拉强度为874MPa（传统材料为500-600MPa）。在500-620度左右，抗拉强度在60分钟内能维持在632MPa左右（传统材料为300-320MPa）。且导电率(%IACS)可以维持在99(传统材料小于80)。此外，该材料比传统电缆和电接触材料用铜合金的密度降低4.6%左右。该合金在1240度和5个小时内之间进行大气环境下搅拌，精炼等熔体处理而不发生明显烧损现象，且材料由于蒸发和形成炉渣的原因而导致的原材料损耗率能控制在3.6wt.%左右。

实施例3

一种具有1280度熔炼接近纯铜电导率的耐高温Cu-Li-Re铜锂合金。按重量百分比计，合金的化学成分为：Li: 0.6wt.%,Re:0.4wt.%,Si:1.2wt.%,In:0.5wt.%,Sr:0.6wt.%,W:0.3wt.%,Ta:0.8wt.%,La:0.1wt.%,Tb:0.1wt.%，B:0.5wt.%，余量为铜。合金的制备方法：将如上配比的原料加入到大气环境下的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚。感应加热到1280度，形成合金溶液，并利用电磁效应充分搅拌10分钟左右。将合金液体在1280度保温10分钟浇铸到热顶同水平设备内进行半连续铸造，铸锭下移速度为9m/min。将铸锭在室温下进行变形处理，每道次的轧下量为10%。每3道次轧制需要进行一次中间热处理来消除加工硬化，工艺为：280度，2.6个小时；轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理840度，2.5小时；真空时效处理170度，2.8小时。该材料具有高于传统电缆和电接触材料用铜合金的力学性能：室温下抗拉强度为894MPa（传统材料为500-600MPa）。在500-620度左右，抗拉强度在60分钟内能维持在621MPa左右（传统材料为300-320MPa）。且导电率(%IACS)可以维持在101(传统材料小于80)。此外，该材料比传统电缆和电接触材料用铜合金的密度降低4.8%左右。该合金在1280度和5个小时内之间进行大气环境下搅拌，精炼等熔体处理而不发生明显烧损现象，且材料由于蒸发和形成炉渣的原因而导致原材料损耗率能控制在3.2wt.%左右。

Claims (3)

1.一种接近纯铜电导率的耐高温Cu-Li-Re铜锂合金，其特征在于按重量百分比计，合金的化学成分为：Li: 0.4-1.2wt.%,Re:0.2-0.8wt.%,Si:1.0-2.0wt.%,In:0.4-0.6wt.%,Sr:0.6-0.8wt.%,W:0.2-0.4wt.%,Ta:0.2-1.2wt.%,La:0.1-0.2wt.%,Tb: 0.1-0.2wt.%，B:0.5-0.6wt.%，余量为铜。

2.根据权利要求1所述接近纯铜电导率的耐高温Cu-Li-Re铜锂合金，其特征在于合金的制备方法包含如下步骤：将如上配比的原料加入到大气环境下的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚；感应加热到1200-1300度，形成合金溶液，并利用电磁效应充分搅拌10分钟左右；将合金液体在1200-1300度保温10分钟浇到热顶同水平设备内进行半连续铸造，铸锭下移速度为8-10m/min。

3.根据权利要求1所述接近纯铜电导率的耐高温Cu-Li-Re铜锂合金，其特征在于包含如下加工步骤：将铸锭在室温下进行变形处理，每道次的轧下量为5-12%；每3道次轧制需要进行一次中间热处理来消除加工硬化，工艺为：280度，2.6个小时；轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理840度，2.5小时；真空时效处理170度，2.8小时。