CN110331313A - 一种高强高导减摩铜接触线的制备方法 - Google Patents

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一种高强高导减摩铜接触线的制备方法，属于粉末冶金铜基材料技术领域。本发明以铜锰合金粉为原料，在含有硫源的介质中进行硫化处理，通过高温扩散，在铜锰合金粉末内部原位生成硫化锰纳米粒子，经过冷等静压成型和烧结‑热挤压组合致密化工艺，获得硫化锰弥散强化铜接触线。本发明制备工艺简单，流程短且能耗低，原料丰富易得，成本低，适合大规模生产；制备的接触线室温抗拉强度大于450MPa，导电率大于75％IACS，摩擦系数小于0.2。

Description

一种高强高导减摩铜接触线的制备方法
技术领域
本发明涉及一种高强高导减摩铜接触线及其制备方法，属于粉末冶金铜基材料技术领域。
技术背景
随着列车运行速度的不断提高，对接触网用接触线材料的性能提出愈来愈高的要求。作为铁路电气化接触网用接触线合金材料的基本要求是：高导电性、较高的抗拉强度、较高的软化温度、较好的抗疲劳震动性能、良好的耐磨性能和耐腐蚀性能等。
其中，接触线的磨耗性能是表征接触线实际使用寿命和安全性评估的关键指标，各国都在开展对接触线磨耗性能的研究。目前研究较多的高强高导高耐磨铜合金材料主要有铬锆铜系合金，其主要机理是通过时效强化机制，在铜基体中析出弥散分布的Cr和Cu3Zr等纳米析出相，从而提高材料的耐磨性；弥散强化铜则是通过粉末冶金方法制备出纳米级Al2O3弥散强化铜基体的材料，具有高强高导高耐磨的特点。然而铬锆铜和弥散强化铜材料在使用过程中耐磨性能表现不足，开发研制新型高强高导、摩擦磨损性能优异的铜基材料对轨道交通网发展具有重大意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强高导减摩铜合金接触导线的制备方法，在铜基体中原位生成具有良好界面结合、纳米MnS颗粒，在保证优良导电性能的基础上，弥散分布的MnS兼具增强和减摩作用。该工艺方法成本低、效率高、环境友好，适合大规模生产。
本发明所采用的技术方案是：以铜锰合金粉为原料，在含有硫源的介质中进行硫化处理，通过高温扩散，在铜锰合金粉末内部原位生成硫化锰纳米粒子，经过冷等静压成型和烧结-热挤压组合致密化工艺，获得硫化锰弥散强化铜接触线。
一种高强高导减摩铜合金接触线的制备方法，包括以下工艺步骤：
(1)铜锰合金粉末制备：采用雾化法制备铜锰合金粉末，将电解铜板与电解锰按比例称重，经真空或非真空熔炼后在高压雾化介质下制取铜锰合金粉末；
(2)粉末硫化处理：将制取的铜锰合金粉末置于气氛炉中，在含硫的介质中进行硫化处理，在铜基体中析出纳米硫化锰，获得自润滑铜粉；
(3)冷等静压成型：将自润滑铜粉封装包套，在50～500MPa压力下，保压为10s～10min进行冷等静压成型，得到生坯；
(4)组合致密化：将冷等静压成型的生坯置于还原气氛或真空环境中进行烧结致密化，采用热挤压工艺获得全致密的高强高导减摩铜接触线。
进一步地，步骤(1)所述铜锰合金粉末中锰含量为0.1wt％～5wt％，余量为纯铜；雾化介质包括气体介质(空气、氮气、氩气和氦气)和液体介质(水、油、乙醇、液氮、液氩)中的一种或几种。
进一步地，步骤(2)所述硫化处理包括气相、液相和固相渗硫中的一种或几种，其中气相渗硫的硫源为硫化氢或者二硫化碳气体，渗硫温度为150～300℃，时间为20min～3h；液相渗硫的硫源为硫脲，渗硫温度为180～250℃，时间为30～120min；固相渗硫的硫源为硫磺粉，渗硫温度为500～950℃，时间为30min～3h。
进一步地，步骤(4)所述组合致密化中，还原气氛为氢气、分解氨中的一种或两种，真空环境的真空度在10-2～10-1Pa，烧结温度为750～1050℃，保温时间为0.5～10h；热挤压温度为500～950℃。
采用以上技术方案，本发明的有益效果在于：
(1)本发明采用的雾化方法成熟，通过硫化处理可以直接生成硫化锰，工艺简单，流程短，效率高，适合大规模工业化批量生产。
(2)制备的铜硫化锰接触线具有高强高导电和减摩的优异性能，其室温抗拉强度大于450MPa，导电大于75％IACS，摩擦系数最高为0.2。
具体实施方式
实施例1：Cu-0.1wt％MnS接触线
将电解铜板与电解锰按比例称重，经非真空熔炼后采用水雾化工艺制备Cu-0.1wt％Mn合金粉末，将雾化的Cu-0.1wt％Mn合金粉末置于硫化氢气氛中进行硫化处理，硫化温度为300℃，时间为20min，气体流量为5l/min。硫化完成后将粉末置于硅胶包套中冷等静压成型，压制压力为50MPa，保压时间为10min，得到生坯。生坯在分解氨气氛下进行烧结，烧结温度为750℃，保温10h，在线进行热挤压，通过拉拔获得所需规格的接触导线。其室温抗拉强度为465MPa，导电率为93％IACS，摩擦系数为0.2。
实施例2：Cu-1wt％MnS接触线
将电解铜板与电解锰按比例称重，经真空熔炼后采用氮气雾化工艺制备Cu-1wt％Mn合金粉末，将雾化的Cu-1wt％Mn合金粉末置于硫脲中进行液相硫化处理，硫化温度为180℃，时间为120min。硫化完成后将粉末置于硅胶包套中冷等静压成型，压制压力为200MPa，保压时间为2min，得到生坯。生坯在真空环境(真空度在10-1Pa)进行烧结，烧结温度为1050℃，保温0.5h，在线进行热挤压，通过轧制获得所需规格的接触导线。其室温抗拉强度为513MPa，导电率位84％IACS，摩擦系数为0.16。
实施例3：Cu-5wt％MnS接触线
将电解铜板与电解锰按比例称重，经真空熔炼后采用氩气雾化工艺制备Cu-5wt％Mn合金粉末，将雾化的Cu-5wt％Mn合金粉末置于硫磺中进行硫化处理，硫化温度为600℃，时间为3h。硫化完成后将粉末置于硅胶包套中冷等静压成型，压制压力为400MPa，保压时间为10s，得到生坯。生坯在氢气气氛下进行烧结，烧结温度为850℃，保温4h，在线进行热挤压，通过轧制获得所需规格的接触导线。其室温抗拉强度为630MPa，导电率76％IACS，摩擦系数0.11。
实施例4：Cu-3wt％MnS接触线
将电解铜板与电解锰按比例称重，经非真空熔炼后采用乙醇雾化工艺制备Cu-3wt％Mn合金粉末，将雾化的Cu-3wt％Mn合金粉末置于二硫化碳气氛中进行硫化处理，硫化温度为150℃，时间为3h，气体流量为4l/min。硫化完成后将粉末置于硅胶包套中冷等静压成型，压制压力为500MPa，保压时间为30s，得到生坯。生坯在氢气气氛下进行烧结，烧结温度为950℃，保温2h，在线进行热挤压，通过轧制获得所需规格的接触导线。其室温抗拉强度为570MPa，导电率80％IACS，摩擦系数0.13。
上述发明应用实例中干摩擦条件下摩擦学性能测试方法为：在干摩擦条件下利用“球-盘”摩擦设备对本发明中材料进行摩擦学性能测试；测试设备为：兰州中科院物理化学研究所研制的WTM-2E型可控环境球-盘式摩擦磨损实验机，对摩副为直径Φ3mm的GCr15钢珠，硬度为HRC 65。下试样为本发明制备材料，直径为Φ15mm，厚度为10mm，摩擦直径为Φ12mm，摩擦转速300r/min，载荷为200N，实验时间为20min。摩擦系数由试验机自带的测试系统自动采集。

Claims (4)

1.一种高强高导减摩铜接触线的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)铜锰合金粉末制备：采用雾化法制备铜锰合金粉末，将电解铜板与电解锰按比例称重，经真空或非真空熔炼后在高压雾化介质作用下制取铜锰合金粉末；
2)粉末硫化处理：将制取的铜锰合金粉末置于气氛炉中，在含硫的介质中进行硫化处理，在铜基体中析出纳米硫化锰，获得自润滑铜粉；
3)冷等静压成型：将自润滑铜粉封装包套，在50～500MPa压力下，保压为10s～10min进行冷等静压成型，得到生坯；
4)组合致密化：将冷等静压成型的生坯置于还原气氛或真空环境中进行烧结致密化，采用热挤压工艺获得全致密的高强高导减摩铜接触线。
2.根据权利要求1所述一种高强高导减摩铜接触线的制备方法，其特征在于：步骤1)所述铜锰合金粉末中锰含量为0.1～5wt％，余量为纯铜；雾化介质包括气体介质和液体介质，气体介质为空气、氮气、氩气和氦气中的一种或几种，液体介质为水、油、乙醇、液氮、液氩中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述一种高强高导减摩铜接触线的制备方法，其特征在于：步骤2)所述硫化处理包括气相、液相和固相渗硫中的一种或几种，其中气相渗硫的硫源为硫化氢或者二硫化碳气体，渗硫温度为150～300℃，时间为20min～3h；液相渗硫的硫源为硫脲，渗硫温度为180～250℃，时间为30～120min；固相渗硫的硫源为硫磺粉，渗硫温度为500～950℃，时间为30min～3h。
4.根据权利要求1所述一种高强高导减摩铜接触线的制备方法，其特征在于：步骤4)所述组合致密化中，还原气氛为氢气、分解氨中的一种或两种，真空环境的真空度在10-3～10-1Pa，烧结温度为750～1050℃，保温时间为0.5～10h；热挤压温度为500～950℃。
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