CN111471879A

CN111471879A - 一种接触导线用铜合金的制备方法

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Publication number: CN111471879A
Application number: CN202010303184.4A
Authority: CN
Inventors: 向朝建; 娄花芬; 张曦; 管桂生; 陈忠平; 王金华; 杨春秀; 莫永达
Original assignee: China Aluminum Material Application Institute Co ltd
Current assignee: China Aluminum Material Application Institute Co ltd
Priority date: 2020-04-17
Filing date: 2020-04-17
Publication date: 2020-07-31
Anticipated expiration: 2040-04-17
Also published as: CN111471879B

Abstract

一种接触导线用铜合金的制备方法，包括：(1)熔化：将阴极铜加入熔炼炉中，添加覆盖剂，在保护气氛下进行熔化；(2)熔体除气：对得到的铜熔体进行除气，使熔体中的氧含量为50ppm及以下，对处理后的熔体进行严密覆盖及惰性气体保护；(3)合金化：将Cu‑Mg‑Zr等中间合金加入铜熔体中，得到铜合金熔体；(4)上引连铸：采用SiC/石墨复合材料内衬连铸结晶器，对所得铜合金熔体进行上引连铸，得到铜合金铸锭；(5)加工：将所得铜合金铸锭加工成接触导线。本发明得到的150mm²的Cu‑Cr‑Zr接触线，卷重2.5吨，性能可达抗拉强度560MPa‑650MPa，延伸率5％‑12％，电导率75‑85％IACS。

Description

一种接触导线用铜合金的制备方法

技术领域

本发明涉及铜合金加工技术领域，具体涉及一种接触导线用铜合金的制备方法。

背景技术

随着技术的进步，高速铁路进一步提速至400km/h以上是未来发展的必然趋势，需要采用高强高导Cu-Cr-Zr系接触导线。由于单根接触导线要求至少 1200m长，以标称150mm²的铜合金接触线计算，需要制备的线坯单卷重达到 2.5吨，且要求全长范围内成分均匀。Zr为易损元素，成分均匀性难以控制，真空熔炼方式能较好解决此问题，但对设备要求较高，制备成本增加，且生产连续性差，不适于工业化生产。因此，需要开发适合于工业化生产的非真空大卷重制备方法，目前使用较普遍、具备发展前景的是上引连铸法。

上引连铸为非真空制备方法，因连铸过程时间较长，Zr的控制难度较大，收得率一般低于50％，Zr元素价格昂贵，导致合金制备成本高。另一方面，传统上引连铸所使用的石墨模具，易被高强度的铸锭磨损，而且在长时间的铸造过程中发生氧化，损耗加剧，使用寿命有限，难以实现大卷重铸锭的连续铸造。

为了解决Zr元素的烧损问题，常规做法是使用覆盖剂及惰性气体保护，如CN101531149B、CN101613808B、CN101618445B、CN106735003B、CN107586975B、CN108526422A等，具备一定的保护效果，但是在长时间的熔炼铸造过程中，熔体的氧含量仍然会持续增加。另一种方法是利用其他元素替代或者降低Zr含量，以降低制备难度。专利CN107287468B和CN108526422A通过添加廉价的常见元素Mg、Si等元素替代或降低Zr含量，CN103966475B和CN108277378B分别采用Ti和Ag元素代替Zr元素。但是Cu-Cr-Zr系合金优异的综合性能，是这些替代合金难以完全企及的，这也是Cu-Cr-Zr合金虽然制备难度大，但仍然备受推崇的原因。

为解决模具寿命问题，专利CN108526422A公开了一种炭炭复合材料(石墨 60-70，碳纤维30-40)的上引连铸模具内衬，以保证高润滑、高导热和耐高温性能。专利CN106735003B通过对石墨模具内表面施加BN或Al₂O₃涂层，以阻止合金棒材与石墨发生反应。但是炭炭复合材料内衬制备困难、成本过高，BN或 Al₂O₃涂层制备困难且不能很好起到润滑作用，使用效果不佳，均难以应用于工业化生产。

发明内容

针对上述已有技术存在的不足，本发明提供一种接触导线用铜合金的制备方法。

本发明是通过以下技术方案实现的。

一种接触导线用铜合金的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)熔化：将阴极铜加入熔炼炉中，添加覆盖剂，在保护气氛下进行熔化；

(2)熔体除气：对经步骤(1)得到的铜熔体进行除气，对处理后的熔体进行严密覆盖及惰性气体保护；

(3)合金化：将中间合金加入铜熔体中，得到铜合金熔体；

(4)上引连铸：对步骤(3)所得铜合金熔体进行上引连铸，得到铜合金铸锭；

(5)加工：将经步骤(4)所得铜合金铸锭加工成接触导线。

进一步地，所述步骤(1)中，熔炼炉为带中间过渡仓的三炉体上引感应熔炼炉。

进一步地，所述步骤(2)中，除气方法为Cu-P除气、精炼剂除气、惰性气体除气中的一种或几种的组合。

进一步地，所述步骤(2)中，处理后熔体的氧含量为50ppm及以下。

进一步地，所述步骤(3)中，中间合金的加入顺序为先加入Cu-Cr中间合金，待Cu-Cr中间合金完全熔化后，依次添加Cu-Mg-Zr、Cu-B和Cu-Ti中间合金；即Cr元素的加入通过Cu-Cr中间合金，B元素的加入通过Cu-B中间合金，Ti元素的加入通过Cu-Ti中间合金，Zr、Mg元素的添加通过Cu-Mg-Zr中间合金加入； Cu-Mg-Zr中间合金中元素含量为：Zr 10wt％-30wt％，Mg 5wt％-20wt％，其余为 Cu。

进一步地，所述步骤(3)中，铜合金熔体的成分为Cr 0.2-0.8wt％，Zr 0.02-0.2wt％，Mg 0.05-0.2wt％，B 0.03-0.06wt％，Ti 0.03-0.2wt％，余量为Cu。

进一步地，所述步骤(4)中，上引连铸过程中，对熔体中合金元素含量定时检测，间隔30～90分钟添加Cu-Mg-Zr中间合金进行补偿Zr、Mg元素，其他元素根据需要进行补偿。

进一步地，所述步骤(4)中，上引连铸过程中采用上引连铸结晶器，所述上引连铸结晶器采用SiC/石墨复合材料，其配比为：SiC 60wt％-70wt％，石墨30 wt％-40wt％，内表面粗糙度Ra≤3.2。

进一步地，所述步骤(4)中，上引连铸过程中采用的上引连铸杆坯直径为 φ15-30mm，优选的，上引连铸杆坯直径采用φ20mm或φ25mm。

进一步地，所述步骤(5)中，加工工艺为：固溶—连续挤压—冷拉—热处理—冷拉至成品；或者连续挤压—固溶—冷拉—热处理—冷拉至成品；或者连续挤压—冷拉—热处理—冷拉至成品。

更进一步的，所述步骤(5)中，连续挤压后的杆坯直径为φ25-35mm。

本发明得到的150mm²的Cu-Cr-Zr接触线，卷重大于2.5吨，性能可达抗拉强度560MPa-650MPa，延伸率5％-12％，电导率75-85％IACS。

本发明的有益技术效果如下：

(1)本发明中，添加中间合金前，对铜熔体进行除气处理，将氧含量降低至50ppm以下，再添加易氧化的合金元素，有效降低易氧化元素的损耗，提高收得率；

(2)本发明中，通过添加Cu-Zr-Mg中间合金方式，实现Mg与Zr元素的同步添加，因Mg元素较Zr元素更易于与氧结合，能持续对熔体进行脱氧，保持熔体中的氧处于50ppm以下，从而有效降低Zr元素的氧化损失，使Zr的收得率达到70％以上。Mg相对于Zr来说较为便宜，大幅度降低合金成本。

(3)本发明上引连铸过程中，采用价格低廉、制备方便的SiC/石墨复合材料内衬，充分利用SiC的高强度、高硬度和抗氧化性能，以及石墨的高润滑性能，降低拉铸时铸坯与铸杆的摩擦阻力，减少高强度合金铸坯对结晶器的磨损，提高结晶内衬的使用寿命；

(4)本发明中，B和Ti元素，能够起到进一步强化合金和细化铸锭组织的作用，改善成品的综合性能，且B元素更易于与O元素结合，有利于降低Zr 元素的氧化损失；

(5)Mg、B的加入，持续对熔体进行脱氧，降低SiC/石墨模具的氧化烧损，可大幅度提高模具的使用寿命，增加单卷产品的重量。

本发明提供的一种接触导线用铜合金的制备方法，在非真空条件下，通过降低熔体中氧含量和添加Cu-Mg-Zr中间合金，实现Mg与Zr的同步加入，利用更易氧化的Mg元素保持熔体中的氧处于较低水平，减少Zr的烧损，提高Zr元素的收得率；采用SiC/石墨复合材料内衬提高连铸结晶器寿命，实现单卷重2.5 吨Cu-Cr-Zr系接触线的低成本制备。本发明所制备得到的接触导线用铜合金的成分为Cr 0.2-0.8wt％，Zr 0.02-0.2wt％，Mg 0.05-0.2wt％，B 0.03-0.06wt％，Ti 0.03-0.2wt％，余量为Cu。

附图说明

图1为本发明的制备方法的工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

实施例1：

(1)熔化：将阴极铜加入带中间过渡仓的三炉体上引感应熔炼炉，添加木炭和石墨鳞片覆盖，在氩气保护下进行熔化；

(2)除气：向(1)中铜熔体中通入氩气二十分钟，测得熔体中的氧含量为48ppm，对处理后的熔体覆盖木炭和鳞片石墨，并充氩气保护；

(3)合金化：将Cu-15wt％Cr中间合金加入熔体中熔化，待Cu-15wt％Cr 中间合金完全熔化后，依次添加Cu-20wt％Mg-10wt％Zr、Cu-5wt％B和Cu-15wt％Ti 中间合金，搅拌、静置、调整合金成分至：Cr 0.2wt％，Zr 0.18wt％，Mg 0.2wt％， B 0.06wt％，Ti 0.2wt％，余量为Cu；

(4)上引连铸：待熔体温度达到1200℃，开始拉铸，结晶器内衬采用φ20mm 的SiC/石墨复合材料(SiC60wt％，石墨40wt％)，内表面粗糙度Ra为3.2。拉铸过程中，Cu-5wt％Mg-30wt％Zr每隔45分钟进行一次补偿，其他元素根据需要不定时补偿。得到φ20mm铸坯2.5吨；

(5)加工：将步骤(4)所得铜合金杆坯，900℃×1h固溶—连续挤压至φ 28mm—冷拉至φ20mm—420℃×4h时效—冷拉至150mm²接触线。

所得合金抗拉强度为560MPa，延伸率11％，导电率为85％IACS，洛氏硬度 80。

实施例2：

(1)熔化：将阴极铜加入带中间过渡仓的三炉体上引感应熔炼炉，添加木炭、石墨鳞片覆盖，在氩气保护下进行熔化；

(2)除气：向(1)中铜熔体中通入氩气二十分钟，再加入Cu-P搅拌，静置，测得熔体中的氧含量为23ppm，对处理后的熔体覆盖木炭、鳞片石墨，并充氩气保护；

(3)合金化：将Cu-15wt％Cr中间合金加入熔体中熔化，待Cu-15wt％Cr中间合金完全熔化后，依次添加Cu-15wt％Mg-10wt％Zr、Cu-5wt％B和Cu-15wt％Ti 中间合金，搅拌、静置、调整合金成分至：Cr 0.52wt％，Zr 0.02wt％，Mg 0.1wt％，B 0.03wt％，Ti0.05wt％，余量为Cu；

(4)上引连铸：待熔体温度达到1250℃，开始拉铸，结晶器内衬采用φ20mm 的SiC/石墨复合材料(SiC65wt％，石墨35wt％)，内表面粗糙度Ra为1.6。拉铸过程中，对熔体成分定时检测，Cu-5wt％Mg-30wt％Zr每隔90分钟进行一次补偿，其他元素根据需要不定时补偿。得到φ20mm铸坯2.5吨；

(5)加工：将步骤(4)所得铜合金杆坯，连续挤压至φ25mm—冷拉φ19mm —480℃×4h时效—冷拉至150mm²接触线成品。

所得合金抗拉强度为600MPa，延伸率5％，导电率为78％IACS，洛氏硬度 85。

实施例3：

(1)熔化：将阴极铜加入带中间过渡仓的三炉体上引感应熔炼炉，添加木炭、石墨鳞片覆盖，在氮气保护下进行熔化；

(2)除气：向(1)中铜熔体中通入氮气二十分钟，测得熔体中的氧含量为35ppm，对处理后的熔体覆盖木炭、鳞片石墨，并充氮气保护；

(3)合金化：将Cu-15wt％Cr中间合金加入熔体中熔化，待Cu-15wt％Cr 中间合金完全熔化后，依次添加Cu-10wt％Mg-10wt％Zr、Cu-5wt％B和Cu-15wt％Ti 中间合金，搅拌、静置、调整合金成分至：Cr 0.45wt％，Zr 0.11wt％，Mg 0.13wt％， B 0.04wt％，Ti0.03wt％，余量为Cu；

(4)上引连铸：待熔体温度达到1225℃，开始拉铸，结晶器内衬采用φ25mm 的SiC/石墨复合材料(SiC70wt％，石墨30wt％)，内表面粗糙度Ra为0.8。拉铸过程中，对熔体成分定时检测，Cu-5wt％Mg-30wt％Zr每隔60分钟进行一次补偿，其他元素根据需要不定时补偿。得到φ25mm铸坯2.5吨；

(5)加工：将步骤(4)所得铜合金杆坯，连续挤压至φ30mm—950℃×1h 固溶—冷拉至φ20mm—450℃×4h时效—冷拉至150mm²接触线成品。

所得合金抗拉强度为575MPa，延伸率8％，导电率为84％IACS，洛氏硬度 81。

实施例4：

(2)除气：向(1)中铜熔体中通入氩气二十分钟，并加入Cu-P、铜-稀土精炼剂，搅拌，静置，测得熔体中的氧含量为25ppm，对处理后的熔体覆盖木炭、鳞片石墨，并充氮气保护；

(3)合金化：将Cu-15wt％Cr中间合金加入熔体中熔化，待Cu-15wt％Cr 中间合金完全熔化后，依次添加Cu-5wt％Mg-30wt％Zr、Cu-5wt％B和Cu-15wt％Ti 中间合金，搅拌、静置、调整合金成分至：Cr 0.65wt％，Zr 0.2wt％，Mg 0.05wt％， B 0.03wt％，Ti0.04wt％，余量为Cu；

(4)上引连铸：待熔体温度达到1200℃，开始拉铸，结晶器内衬采用φ20mm 的SiC/石墨复合材料(SiC65wt％，石墨35wt％)，内表面粗糙度Ra为3.2。拉铸过程中，对熔体成分定时检测，Cu-5wt％Mg-30wt％Zr每隔30分钟进行一次补偿，其他元素根据需要不定时补偿。得到φ20mm铸坯2.5吨；

(5)加工：将步骤(4)所得铜合金杆坯，连续挤压至φ28mm—冷拉至φ 19mm-480℃×4h时效—冷拉至150mm²接触线成品。

所得合金抗拉强度为618MPa，延伸率6％，导电率为77％IACS，洛氏硬度 86。

实施例5：

(2)除气：向(1)中铜熔体中通入氮气三十分钟，并加入Cu-P、铜-稀土精炼剂，搅拌，静置，测得熔体中的氧含量为15ppm，对处理后的熔体覆盖木炭、鳞片石墨，并充氩气保护；

(3)合金化：将Cu-15wt％Cr中间合金加入熔体中熔化，待Cu-15wt％Cr 中间合金完全熔化后，依次添加Cu-10wt％Mg-10wt％Zr、Cu-5wt％B和Cu-15wt％Ti 中间合金，搅拌、静置、调整合金成分至：Cr 0.8wt％，Zr 0.08wt％，Mg 0.1wt％， B 0.03wt％，Ti0.03wt％，余量为Cu；

(4)上引连铸：待熔体温度达到1250℃，开始拉铸，结晶器内衬采用φ25mm 的SiC/石墨复合材料(SiC65wt％，石墨35wt％)，内表面粗糙度Ra为1.6。拉铸过程中，对熔体成分定时检测，Cu-5wt％Mg-30wt％Zr每隔60分钟进行一次补偿，其他元素根据需要补偿。得到φ25mm铸坯2.5吨。

(5)加工接触导线：将步骤(4)所得铜合金杆坯，连续挤压至φ35mm—冷拉φ20mm—500℃×4h时效—冷拉至150mm²接触线成品。

所得合金抗拉强度为626MPa，延伸率5％，导电率为76％IACS，洛氏硬度 87。

实施例合金成分见表1，性能见表2：

表1实施例合金成分表

表2实施例及对比合金性能表

合金	抗拉强度(MPa)	延伸率(％)	电导率(％IACS)	硬度HRB
					实施例1	560	11	85	80
实施例2	600	5	78	85
					实施例3	575	8	84	81
实施例4	618	6	77	86
					实施例5	626	5	76	87
对比例1	565	9.8	80	81

以上所述的仅是本发明的较佳实施例，并不局限发明。应当指出对于本领域的普通技术人员来说，在本发明所提供的技术启示下，还可以做出其它等同改进，均可以实现本发明的目的，都应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种接触导线用铜合金的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(3)合金化：将中间合金加入铜熔体中，得到铜合金熔体；

(5)加工：将经步骤(4)所得铜合金铸锭加工成接触导线。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，熔炼炉为带中间过渡仓的三炉体上引感应熔炼炉。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，除气方法为Cu-P除气、精炼剂除气、惰性气体除气中的一种或几种的组合。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，处理后熔体的氧含量为50ppm及以下。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，中间合金的加入顺序为先加入Cu-Cr中间合金，待Cu-Cr中间合金完全熔化后，依次添加Cu-Mg-Zr、Cu-B和Cu-Ti中间合金；Cu-Mg-Zr中间合金中元素含量为：Zr 10wt％-30wt％，Mg 5wt％-20wt％，其余为Cu。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，铜合金熔体的成分为Cr0.2-0.8wt％，Zr 0.02-0.2wt％，Mg 0.05-0.2wt％，B 0.03-0.06wt％，Ti 0.03-0.2wt％，余量为Cu。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)中，上引连铸过程中，对熔体中合金元素含量定时检测，间隔30～90分钟添加Cu-Mg-Zr中间合金进行补偿Zr、Mg元素，其他元素根据需要进行补偿。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)中，上引连铸过程中采用上引连铸结晶器，所述上引连铸结晶器采用SiC/石墨复合材料，其配比为：SiC 60wt％-70wt％，石墨30wt％-40wt％，内表面粗糙度Ra≤3.2。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)中，上引连铸过程中采用的上引连铸杆坯直径为φ15-30mm，优选的上引连铸杆坯直径采用φ20mm或φ25mm。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(5)中，加工工艺为：固溶—连续挤压—冷拉—热处理—冷拉至成品；或者连续挤压—固溶—冷拉—热处理—冷拉至成品；或者连续挤压—冷拉—热处理—冷拉至成品；连续挤压后的杆坯直径为φ25-35mm。