CN108118176B - 一种高速铁路接触线用铜基非晶合金及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高速铁路接触线用铜基非晶合金及其制备工艺：所述一种高速铁路接触线用铜基非晶合金，它的原子百分比组成为Cu：66‑70%；Zr：17‑21%；Al：5‑9%；Ag：4‑8%。所述一种高速铁路接触线用铜基非晶合金制备工艺，它包含以下工艺步骤：步骤一、Ar气氛围保护非真空半封闭式单溶沟双体电磁熔炼炉熔炼；步骤二、在线熔体半固态处理；步骤三、T2紫铜铜模上引连续铸造。本发明制备的高速铁路接触线用铜基非晶合金及其制备工艺，实现了对大尺寸铜基非晶合金稳定且连续的铸造，满足了高速铁路接触线用铜基非晶合金的发展需求。

Description

一种高速铁路接触线用铜基非晶合金及其制备工艺

技术领域

本发明涉及一种高速铁路接触线用铜基非晶合金及其制备工艺。

背景技术

随着世界高速铁路技术的快速发展，以往高速铁路用接触线材料已越来越难以满足当今高速铁路的发展需求。与此同时，随着铜基非晶合金的制成技术和加工技术的迅猛发展，铜基非晶合金材料已开始应用于高强高导领域的开发。非晶合金的金属原子排列方式类似于液态金属，具有液态金属原子无序排列的结构特性，不存在晶体结构，因此非晶合金的结构缺陷通常只限制在几个原子尺寸范围内，不会像晶体金属材料那样当外力足够大时优先于某个特定的晶界、晶面进行滑移。基于非晶合金的这一特性，其力学性能、电学性能和化学性能表现的十分优异，广泛应用于超导材料、半导体材料的制造。而铜基非晶合金同样也具有许多优异的性能，如高硬度、高强度、高导电性、强耐蚀性等，广泛应用于宇航工业和军事工业。

虽然铜基非晶合金广泛应用于高端制造行业，但在高速铁路的应用方面还存在诸多空白。高速铁路用接触线主要采用铜合金来制造，要求该类合金除具有优异的性能外，还要求适于大批量可连续性生产。以往开发的铜基非晶合金往往要求高真空、高纯惰性气体保护，另外，在此类较为复杂工艺条件下制备的铜基非晶合金的尺寸太小，这般诸如此类的缺陷极大了限制了该类合金的开发和应用。

如申请号为201410133026.3的中国发明专利申请介绍了一种铜基非晶合金及其制备方法，该发明申请基于Cu、Ti、Zr、Ni四种金属元素合金化作用，利用真空压铸工艺开发了Cu-Ti-Zr-Ni铜基非晶合金，该工艺条件下无法实现铜基非晶合金部件任意大小的生产。

又如申请号为200510043708.6的中国发明申请介绍了基于Cu、Pr、Al三种金属元素开发的铜基非晶合金Cu₅₀Pr₃₀Al₂₀或Cu₆₀Pr₃₀Al₁₀，该发明申请所采用的工艺方法是：采用高纯Ar气保护氛围真空电弧熔炼，通过甩带工艺制备非晶薄带，该工艺条件制备的铜基非晶合金极易发生晶化转变，导致产品的最终性能波动较大。

发明内容

本发明为克服现有技术的不足和缺点，提供了一种高速铁路接触线用铜基非晶合金及其制备工艺，它具有生产的产品性能稳定、易于实现铜基非晶的连续性生产、防止合金元素散失、非晶成形性优异等优点。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种高速铁路接触性用铜基非晶合金，其特征在于：所述高速铁路接触线用铜基非晶合金以下原子百分比的原子组成：

Cu：66-70%

Zr：17-21%

Al：5-9%

Ag：4-8%。

进一步地，Zr以Cu-Zr中间合金、Al-Zr中间合金的形式加入。

本发明还提供了一种高速铁路接触线用铜基非晶合金制备工艺，其特征在于包含以下步骤：

步骤一、Ar气氛围保护非真空半封闭式单溶沟双体电磁熔炼炉熔炼：向熔炼炉中按一定的投放标准和投放顺序投放阴极铜、纯银、Cu-Zr中间合金、Al-Zr中间合金进行铜合金的熔炼；

步骤二、在线熔体半固态处理：待液态合金保温结束后，通过石墨吸管引入到在线半固态处理装置内，进行半固态处理；

步骤三、T2紫铜铜模上引连续铸造：T2紫铜铜模上引连续铸造所采用的装置包括牵引轮和上引T2紫铜水冷上引凝固器；待液态合金经在线熔体半固态处理结束后，继续上引至上引T2紫铜水冷上引凝固器内，通过该装置对液态铜基非晶合金进行快速冷却、凝固，再通过牵引轮将铜基非晶合金上引铸造杆牵引出。

进一步地，所述的投放顺序为先待阴极铜完全熔化后，再投入纯Ag，再加入Cu-Zr中间合金，最后加入Al-Zr中间合金。

进一步地，所述的投放标准为首先在熔炼炉内待阴极铜完全熔化后，向熔炼炉上方通入充满Ar气氛围，再投入纯Ag，加热进行熔炼，熔炼温度保持在纯铜液相线以上10℃左右，待纯Ag完全熔化，保温5min；再加入Cu-Zr中间合金，同时降低熔炼温度至纯铜液相线以上5℃左右，待Cu-Zr中间合金完全熔化后，保温3min；最后加入Al-Zr中间合金，同时降低熔炼温度至纯铜液相线以上1℃左右，保温10min。

进一步地，所述在线熔体半固态处理装置为氧化铝耐高温陶瓷铜基非晶合金半固态处理装置。

进一步地，所述氧化铝耐高温陶瓷半固态处理装置包含弧形内镶式石墨内衬通道、陶瓷外壳、电磁线圈和冷却水循环系统；所述氧化铝耐高温陶瓷铜基非晶合金半固态处理装置插入到加磷木炭当中。

进一步地，所述T2紫铜水冷上引凝固器包含内置T2紫铜铜管通道、冷却水套、法兰盖、密封圈和卡板。

进一步地，向上引T2紫铜水冷凝固器中通入的循环液态水初始温度保持在15℃以下，循环水的流速为10L/min。

进一步地，所述步骤一之前，还包括对金属/合金原材料的前处理：将标准高纯度阴极铜、纯Ag、Cu-Zr中间合金、Al-Zr中间合金进行等质量线切割，再对切割好了的各原材料依次进行超声波水洗、丙酮清洗、Ar气保护氛围烘干。

步骤一中的Ar气氛围保护非真空半封闭式单溶沟双体电磁炉熔炼所采用的装置主要为单溶沟双体电磁熔炼炉，所述的双体熔炼炉通过炉体底部的溶沟相联通，所述溶沟、熔炼炉的熔池与炉体外壁采用绝热石棉进行隔绝，所述熔炼炉的熔炼区域采用Ar气氛围进行隔氧，在所述熔炼炉的熔炼区上方设置送料口。由于采用的是中间合金Cu-Zr、Al-Zr，对合金初始熔炼状态的隔氧保护要求不高，但是当金属完全熔化后，为防止呈游离状态合金元素的氧化，需要在合金溶液表面形成一道绝氧Ar气流，采用了Ar气入口端的横截面积大于出口端方法来保证Ar气的充分分布和流动，这里将Ar气入口端的横截面面积设计为出口端的2倍，送料口的开口面积设定为与Ar气出口端的横截面面积大小一致，Ar气入口端的Ar气流量为20L/min。

所述步骤二中的半固态处理采用的是氧化铝耐高温陶瓷铜基非晶合金半固态处理装置，温度保持在1080-1083.5℃，温度不宜过高，以便半固态合金在凝固过程中的结晶潜热进行充分释放。

所述步骤三中的T2紫铜铜模上引连续铸造所采用的装置包括牵引轮和上引T2紫铜水冷上引凝固器，所述T2紫铜水冷上引凝固器包含内置T2紫铜铜管通道、冷却水套、法兰盖、密封圈和卡板。由于紫铜的导热性能优异，在快速冷却且相对运动的环境中不会与铜合金发生焊合。另外，为保证液态铜合金的快速冷却要求，要求向T2紫铜水冷凝固器装置中通入的循环液态水初始温度保持在15℃以下（温度越低，凝固效果越好），循环水的流速为10L/min。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

（1）本发明的一种高速铁路接触线用铜基非晶合金原子百分比组成为：Cu 66-70%、Zr17-21%、Al5-9%、Ag4-8%，利用Ar气氛围保护非真空半封闭式单溶沟双体电磁炉熔炼、在线熔体半固态处理、T2紫铜铜模上引连续铸造，实现了对大尺寸铜基非晶合金稳定且连续的铸造，满足了高速铁路接触线用铜基非晶合金的发展需求。

（2）本发明的高速铁路接触线用铜基非晶合金制备工艺，将液态的铜合金进行特殊的上引连续铸造，得到的铜基非晶合金上引杆的长度可以任意选定，直径最高可达25mm，非晶成分占比可以达到65%以上。

具体实施方式

本实施例中的一种高速铁路接触线用铜基非晶合金，它由以下原子百分比的原子组成：

Cu：66-70%

Zr：17-21%

Al：5-9%

Ag：4-8%。

本实施例中的一种高速铁路接触线用铜基非晶合金制备工艺，它包括以下步骤：

步骤一、Ar气氛围保护非真空半封闭式单溶沟双体电磁熔炼炉熔炼。

首先在熔炼炉内待阴极铜完全熔化后，向熔炼炉上方通入充满Ar气氛围，再投入纯Ag，加热进行熔炼，熔炼温度保持在纯铜液相线以上10℃左右，待纯Ag完全熔化，保温5min；再加入Cu-Zr中间合金，同时降低熔炼温度至纯铜液相线以上5℃左右，待Cu-Zr中间合金完全熔化后，保温3min；最后加入Al-Zr中间合金，同时降低熔炼温度至纯铜液相线以上1℃左右，保温10min。

步骤二、在线熔体半固态处理。

待液态合金保温结束后，通过石墨吸管引入到半固态处理装置内，进行半固态处理。

所述在线熔体半固态处理包含氧化铝耐高温陶瓷铜基非晶合金半固态处理装置和石墨吸管，所述氧化铝耐高温陶瓷半固态处理装置包含弧形内镶式石墨内衬通道、陶瓷外壳、电磁线圈和冷却水循环系统；所述氧化铝耐高温陶瓷铜基非晶合金半固态处理装置插入到加磷木炭当中。在一般多元合金的凝固过程中，生成的固相极易呈树枝状，造成凝固后的金属内部存在大量的单剪切带；当固液混合区的固相占比达到20%以上时，树枝结构开始硬化，不利于后期的成型加工。根据成分过冷理论，在固液混合区适当降低冷却速度可以使固液界面前沿的溶质和结晶潜热充分扩散，降低界面前沿的温度梯度和浓度梯度，有利于合金元素的均匀扩散，降低树枝结构的存在比例。同时，增加电磁搅拌作用将进一步破坏固相中的树枝结构。因此，采用在线熔体半固态处理的方法，降低固液混合区的冷却速率和增加电磁搅拌作用，将极大地减少树枝结构的存在比例，改善合金的凝固组织。

步骤三、T2紫铜铜模上引连续铸造。

待液态合金经在线熔体半固态处理结束后，继续上引至T2紫铜水冷上引凝固器内，通过该装置对液态铜基非晶合金进行快速冷却、凝固，再通过牵引轮将铜基非晶合金上引铸造杆牵引出。

所述T2紫铜铜模上引连续铸造所采用的装置包括牵引轮和上引T2紫铜水冷上引凝固器，所述T2紫铜水冷上引凝固器包含内置T2紫铜铜管通道、冷却水套、法兰盖、密封圈和卡板。由于紫铜的导热性能优异，在快速冷却且相对运动的环境中不会与铜合金发生焊合。另外，为保证液态铜合金的快速冷却要求向T2紫铜水冷凝固器装置中通入的循环液态水初始温度保持在15℃以下（温度越低，凝固效果越好），循环水的流速为10L/min。

实施例：

实施例1-4的制备根据表1的配方，按本发明的制备方法进行制备。

对比例采用申请号为201410133026.3公开的真空压铸工艺，和实施例1相同的合金比例，进行制备得到合金。

根据文献（谢泉, 刘让苏, 彭平. Ni-Si-B系非晶合金的结晶度与退火时间的关系[J]. 湖南大学学报(自科版), 1997(2):14-16.）中公开的方法测定合金的非结晶度。

表1 实施例与对比例的配方与性能

	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	对比例
						Cu	68%	70%	66%	70%	68%
Zr	19%	17%	21%	21%	19%
						Al	7%	9%	5%	5%	7%
Ag	6%	4%	8%	4%	6%
						性能	长度可以任意选定，直径最高可达25mm	长度可以任意选定，直径最高可达25mm	长度可以任意选定，直径最高可达25mm	长度可以任意选定，直径最高可达25mm	长度固定，直径最高15mm
非结晶度	72%	68%	69%	65%	45%

实施例的高速铁路接触线用铜基非晶合金制备工艺，将液态的铜合金进行特殊的上引连续铸造，得到的铜基非晶合金上引杆的长度可以任意选定，直径最高可达25mm，非晶成分占比可以达到65%以上。实施例的高速铁路接触线用铜基非晶合金原子百分比组成为：Cu 66-70%、Zr17-21%、Al5-9%、Ag4-8%，利用Ar气氛围保护非真空半封闭式单溶沟双体电磁炉熔炼、在线熔体半固态处理、T2紫铜铜模上引连续铸造，实现了对大尺寸铜基非晶合金稳定且连续的铸造，满足了高速铁路接触线用铜基非晶合金的发展需求。

除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高速铁路接触线用铜基非晶合金制备工艺，其特征在于：所述高速铁路接触线用铜基非晶合金以下原子百分比的原子组成：Cu：66-70%、Zr：17-21%、Al：5-9%、Ag：4-8%；所述制备工艺包含以下步骤：

步骤一、Ar气氛围保护非真空半封闭式单溶沟双体电磁熔炼炉熔炼：向熔炼炉中按一定的投放标准和投放顺序投放阴极铜、纯银、Cu-Zr中间合金、Al-Zr中间合金进行铜合金的熔炼；所述的投放顺序为先待阴极铜完全熔化后，再投入纯Ag，再加入Cu-Zr中间合金，最后加入Al-Zr中间合金；

步骤二、在线熔体半固态处理：待液态合金保温结束后，通过石墨吸管引入到在线半固态处理装置内，进行半固态处理；

步骤三、T2紫铜铜模上引连续铸造：T2紫铜铜模上引连续铸造所采用的装置包括牵引轮和上引T2紫铜水冷上引凝固器；待液态合金经在线熔体半固态处理结束后，继续上引至上引T2紫铜水冷上引凝固器内，通过该装置对液态铜基非晶合金进行快速冷却、凝固，再通过牵引轮将铜基非晶合金上引铸造杆牵引出。

2.根据权利要求1所述的高速铁路接触线用铜基非晶合金制备工艺，其特征在于所述的投放标准为首先在熔炼炉内待阴极铜完全熔化后，向熔炼炉上方通入充满Ar气氛围，再投入纯Ag，加热进行熔炼，熔炼温度保持在纯铜液相线以上10℃，待纯Ag完全熔化，保温5min；再加入Cu-Zr中间合金，同时降低熔炼温度至纯铜液相线以上5℃，待Cu-Zr中间合金完全熔化后，保温3min；最后加入Al-Zr中间合金，同时降低熔炼温度至纯铜液相线以上1℃，保温10min。

3.根据权利要求1所述的高速铁路接触线用铜基非晶合金制备工艺，其特征在于所述在线熔体半固态处理装置为氧化铝耐高温陶瓷铜基非晶合金半固态处理装置。

4.根据权利要求3所述的高速铁路接触线用铜基非晶合金制备工艺，其特征在于所述氧化铝耐高温陶瓷铜基非晶合金半固态处理装置包含弧形内镶式石墨内衬通道、陶瓷外壳、电磁线圈和冷却水循环系统；所述氧化铝耐高温陶瓷铜基非晶合金半固态处理装置插入到加磷木炭当中。

5.根据权利要求1所述的高速铁路接触线用铜基非晶合金制备工艺，其特征在于所述T2紫铜水冷上引凝固器包含内置T2紫铜铜管通道、冷却水套、法兰盖、密封圈和卡板。

6.根据权利要求1所述的高速铁路接触线用铜基非晶合金制备工艺，其特征在于向上引T2紫铜水冷凝固器中通入的循环液态水初始温度保持在15℃以下，循环水的流速为10L/min。

7.根据权利要求1所述的高速铁路接触线用铜基非晶合金制备工艺，其特征在于所述步骤一之前，还包括对金属/合金原材料的前处理：将标准高纯度阴极铜、纯Ag、Cu-Zr中间合金、Al-Zr中间合金进行等质量线切割，再对切割好了的各原材料依次进行超声波水洗、丙酮清洗、Ar气保护氛围烘干。