CN116875832A - 一种高强高导耐磨损铜镁合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于合金材料领域，具体涉及一种高强高导耐磨损铜镁合金及其制备方法。针对上述问题，本发明通过熔炼和铸造来调整合金元素含量和初始晶粒组织，通过挤压和拉拔来调整最终晶粒组织和织构类型、含量，最终达到高强高导高耐磨的特性。该高强高导耐磨损铜镁合金，按质量分数计，包括以下组分：0.45‑0.55wt％Mg，0.0001‑0.01wt％M，其余为Cu。本发明工艺简单，制造流程短，大大降低了制造成本；微量合金元素的加入，能有效净化熔体，同时细化晶粒，使合金组织均匀化，不仅提高了综合性能，而且有利于铸造缺陷的减少；保持高强度高导电的同时，具有较好的耐磨性，有利于提高材料的使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于合金材料领域，具体涉及一种高强高导耐磨损铜镁合金及其制备方法。
背景技术
目前，我国是世界上高速铁路运营里程最多、运营速度最高、在建高速铁路规模最大的国家，高速铁路在社会经济发展中发挥着重要作用。接触线作为与电力机车上的电弓滑板滑动摩擦直接向电力机车输送电流的关键设备，其性能直接影响电力机车的受流质量和机车的安全运行。目前电气化铁路接触网系统铜合金材料主要有Cu-Ag、Cu-Sn、Cu-Mg和Cu-Cr-Zr等。Cu-Ag和Cu-Sn导电性较好，但强度和抗高温性能较差。Cu-Cr-Zr合金是一种强度和导电性均优异的合金材料，是接触网系统里各部件的理想材料，但由于Zr元素在大气环境下容易氧化，造成合金铸锭成分不均匀，严重影响材料部件的使用寿命和可靠性。因此，Cu-Mg合金是目前高铁接触网系统里面接触线、承力索和吊弦的主要材料。虽然Cu-Mg合金具有较好的抗拉强度(500-550MPa)，但是导电率却难以突破70％IACS。
专利申请号为201510926780.7的专利，公布了一种高强度高导电率铜镁系合金及其制备方法。该方法通过添加钙和微量硼元素达到优于传统铜镁合金的高强度高导电率的目的。该合金的化学成分组成为，Mg：0.2-0.8wt％，Ca：0.05-0.5wt％，B：0.005-0.01wt％。其制备过程包括：(1)非真空感应熔炼、(2)铸造、(3)铣面、(4)冷加工、(5)中间退火、(6)冷精加工、(7)成品退火等。
专利申请号为CN200910242342.3的专利，公布了一种铜镁合金接触线的制备方法。该方法通过连续挤压使铸态的铜镁合金组织破碎并实现再结晶，得到微小均匀的晶粒组织，使铜镁合金接触线具备超细晶强化效果。其生产工艺流程为：连续铸造-连续挤压-冷加工成型。
发明内容
上述专利公开的一种高强度高导电率铜镁系合金及其制备方法，虽然导电率为73-83％IACS，但抗拉强度在480-565MPa，并未真正突破高强高导的性能限制。而且其制备工艺复杂，包含两次退火，不仅增加了制备周期，而且增加了制造成本。上述专利公开的一种铜镁合金接触线的制备方法，虽然制备工艺简单，但是导电率无法达到70％IACS以上。同时，上述两篇专利涉及的合金材料均未对其耐磨损性能进行优化。
为了解决上述存在的技术问题，本申请提供如下技术方案：
针对上述问题，本发明通过熔炼和铸造来调整合金元素含量和初始晶粒组织，通过挤压和拉拔来调整最终晶粒组织和织构类型、含量，最终达到高强高导高耐磨的特性。
本发明提供一种高强高导耐磨损铜镁合金的制备方法，包括如下步骤：
S1：将铜锭和中间合金熔炼后铸造，得到合金铸坯；
按质量分数计，所述合金铸坯，包括以下组分：0.45-0.55wt％Mg，0.0001-0.01wt％M，其余为Cu和不可避免的杂质；其中，M选自Nb、B和P中的至少一种；
所述铸造的温度为1145-1160℃，铸造的速度为200-500mm/min；
S2：将所述合金铸坯于400-600℃进行挤压，得到挤压坯；
S3：将挤压坯进行连续拉拔，得到高强高导耐磨损铜镁合金；所述高强高导耐磨损铜镁合金包含的立方织构的体积分数为5-15％，高斯织构的体积分数为5-15％，黄铜织构的体积分数为5-15％，铜织构的体积分数为15-40％，S织构的体积分数是5-15％，各织构取偏离标准角度15°以内的织构；
所述高强高导耐磨铜镁合金的织构比例满足：0.2≤X1/X2≤0.6；其中，X1为α取向线的高斯织构和黄铜织构的体积分数之和，X2为β取向线上黄铜织构、铜织构和S织构的体积分数之和。
优选的，所述步骤S1中，铸造时结晶器需深入到液面40mm以下。
优选的，所述步骤S2中，挤压前后合金铸坯的横截面积比控制在0.5-0.8：1。
优选的，所述步骤S2中，挤压速度控制在3-5m/min，挤压比控制在2.5-5：1。
优选的，所述步骤S3中，拉拔的道次为5次；其中，前三道次为圆模，各道次加工率逐渐减小，后两道次为开槽异型模，加工率逐渐减小。
优选的，所述步骤S3中，连续拉拔的总加工率为65-75％，各道次的加工率为15-30％。
本发明还提供一种上述制备方法制备得到的高强高导耐磨损铜镁合金。
优选的，所述高强高导耐磨损铜镁合金的平均晶粒尺寸小于5μm。
优选的，所述高强高导耐磨损铜镁合金的边部晶粒尺寸与心部晶粒尺寸之比为0.6-0.9：1。
优选的，所述高强高导耐磨损铜镁合金的抗拉强度大于540MPa，导电率大于70％IACS，磨损小于1.35×10-2mm3/(N·m)。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：
(1)工艺简单，制造流程短，大大降低了制造成本；
(2)微量合金元素的加入，能有效净化熔体，同时细化晶粒，使合金组织均匀化，不仅提高了综合性能，而且有利于铸造缺陷的减少；
(3)保持高强度高导电的同时，具有较好的耐磨性，有利于提高材料的使用寿命。
附图说明
图1为实施例4对应成品的边部晶粒尺寸的EBSD分析结果图。
图2为实施例4对应成品的心部晶粒尺寸的EBSD分析结果图。
图3为实施例4对应成品织构组分图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
根据表1对各实施例的成分进行制定：
表1实施例1至实施例5合金成分配比
实施例1
按照表1中实施例1的合金成分配比将合金原材料加入熔化炉并进行熔炼和铸造，得到铸坯，其中结晶器深入液面40mm以下，铸造温度为1145℃，铸造速度为200mm/min。将铸坯进行挤压，得到挤压坯，其中挤压温度400℃，挤压速度3m/min，挤压比2.5:1，挤压前后坯料的横截面积比0.5:1。将挤压坯进行连续拉拔，得到成品，其中总加工率控制在65.2％，前三道圆模加工率依次为20.8％、18.1％、15.2％，后两道异形模加工率依次为23.2％、17.5％。
实施例2
按照表1中实施例2的合金成分配比将合金原材料加入熔化炉并进行熔炼和铸造，得到铸坯，其中结晶器深入液面40mm以下，铸造温度为1150℃，铸造速度为300mm/min。将铸坯进行挤压，得到挤压坯，其中挤压温度450℃，挤压速度3.5m/min，挤压比3:1，挤压前后坯料的横截面积比0.6:1。将挤压坯进行连续拉拔，得到成品，其中总加工率控制在68.2％，前三道圆模加工率依次为24.2％、21.1％、18.0％，后两道异形模加工率依次为21.4％、17.5％。
实施例3
按照表1中实施例3的合金成分配比将合金原材料加入熔化炉并进行熔炼和铸造，得到铸坯，其中结晶器深入液面40mm以下，铸造温度为1155℃，铸造速度为400mm/min。将铸坯进行挤压，得到挤压坯，其中挤压温度500℃，挤压速度4m/min，挤压比3.5:1，挤压前后坯料的横截面积比0.7:1。将挤压坯进行连续拉拔，得到成品，其中总加工率控制在70.2％，前三道圆模加工率依次为26.2％、22.3％、16.8％，后两道异形模加工率依次为24％、17.5％。
实施例4
按照表1中实施例4的合金成分配比将合金原材料加入熔化炉并进行熔炼和铸造，得到铸坯，其中结晶器深入液面40mm以下，铸造温度为1160℃，铸造速度为500mm/min。将铸坯进行挤压，得到挤压坯，其中挤压温度550℃，挤压速度4.5m/min，挤压比4:1，挤压前后坯料的横截面积比0.8:1。将挤压坯进行连续拉拔，得到成品，其中总加工率控制在72.2％，前三道圆模加工率依次为28％、24.2％、19.5％，后两道异形模加工率依次为23.6％、17.1％。
实施例5
按照表1中实施例5的合金成分配比将合金原材料加入熔化炉并进行熔炼和铸造，得到铸坯，其中结晶器深入液面40mm以下，铸造温度为1160℃，铸造速度为500mm/min。将铸坯进行挤压，得到挤压坯，其中挤压温度600℃，挤压速度5m/min，挤压比5:1，挤压前后坯料的横截面积比0.8:1。将挤压坯进行连续拉拔，得到成品，其中总加工率控制在74.9％，前三道圆模加工率依次为28.5％、26.1％、24.1％，后两道异形模加工率依次为21.9％、19.8％。
对比例
对比例为市售铜镁合金，型号为CTMH150，其成分如表1中所示。
效果评价
对实施例1至实施例5得到的高强高导耐磨损铜镁合金和对比例铜镁合金进行组织和性能测试，其中抗拉强度按照国家标准《GB/T228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》测试；导电率按照国家标准《GB/T351-2019金属材料电阻系数测量方法》测试；平均晶粒尺寸、织构种类及织构体积分数体积分数通过扫描电镜对样品进行EBSD分析得到；磨损率使用多功能磨损试验机进行测试，试样厚度为2mm，试验前，对试样进行超声波清洗，介质为无水乙醇，时间为20min，然后烘干并称重。使用直径6mm，高20mm的YG6做磨头，在500N载荷，转速250rpm和耐磨液压油润滑的条件下，摩擦120min，完成磨损试验后取出试样，超声波清洗，烘干并称重。根据公式δ＝△m/2πrρntμFN计算磨损率。其中δ为磨损率，△m为试验前后试样的重量损失，r为试样摩擦半径，ρ为试样密度，n为转速，t为时间，μ为摩擦系数，FN为载荷，结果如表2所示。
表2实施例1至实施例5及对比例的性能和组织对比
图1中，实施例4成品的边部晶粒尺寸的EBSD(背向散射电子绕射技术)分析结果显示其平均晶粒尺寸为3.19μm；图2中，实施例4成品的心部晶粒尺寸的EBSD分析结果显示其平均晶粒尺寸为4.38μm；图3中实施例4对应成品织构组分图显示其X1/X2为0.37。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种高强高导耐磨损铜镁合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：将铜锭和中间合金熔炼后铸造，得到合金铸坯；
按质量分数计，所述合金铸坯，包括以下组分：0.45-0.55wt％Mg，0.0001-0.01wt％M，其余为Cu和不可避免的杂质；其中，M选自Nb、B和P中的至少一种；
所述铸造的温度为1145-1160℃，铸造的速度为200-500mm/min；
S2：将所述合金铸坯于400-600℃进行挤压，得到挤压坯；
S3：将挤压坯进行连续拉拔，得到高强高导耐磨损铜镁合金；所述高强高导耐磨损铜镁合金包含的立方织构的体积分数为5-15％，高斯织构的体积分数为5-15％，黄铜织构的体积分数为5-15％，铜织构的体积分数为15-40％，S织构的体积分数是5-15％，各织构取偏离标准角度15°以内的织构；
所述高强高导耐磨铜镁合金的织构比例满足：0.2≤X1/X2≤0.6；其中，X1为α取向线的高斯织构和黄铜织构的体积分数之和，X2为β取向线上黄铜织构、铜织构和S织构的体积分数之和。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，铸造时结晶器需深入到液面40mm以下。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，挤压前后合金铸坯的横截面积比为0.5-0.8：1。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，挤压速度为3-5m/min，挤压比为2.5-5：1。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，拉拔的道次为5次；其中，前三道次为圆模，各道次加工率逐渐减小，后两道次为开槽异型模，加工率逐渐减小。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，连续拉拔的总加工率为65-75％，各道次的加工率为15-30％。
7.一种权利要求1-6中任一项所述制备方法制备得到的高强高导耐磨损铜镁合金。
8.如权利要求7所述的高强高导耐磨损铜镁合金，其特征在于，所述高强高导耐磨损铜镁合金的平均晶粒尺寸小于5μm。
9.如权利要求7所述的高强高导耐磨损铜镁合金，其特征在于，所述高强高导耐磨损铜镁合金的边部晶粒尺寸与心部晶粒尺寸之比为0.6-0.9：1。
10.如权利要求7所述的高强高导耐磨损铜镁合金，其特征在于，所述高强高导耐磨损铜镁合金的抗拉强度大于540MPa，导电率大于70％IACS，磨损小于1.35×10-2mm3/(N·m)。
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| CN202310861131.8A CN116875832A (zh) | 2023-07-14 | 2023-07-14 | 一种高强高导耐磨损铜镁合金及其制备方法 |
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2023
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