CN118127372A - 一种电网用高强铜合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电网用高强铜合金及其制备方法。本发明的铜合金含有Ti、Si以及Cu，其中Ti重量百分比为0.4％‑1.0％、Si重量百分比为0.14％‑0.35％，且Ti和Si原子比为5:3，余量为铜；铜合金由铜基体和Ti5Si3析出相组成且Ti5Si3析出相为直径10‑50nm的球形颗粒。本发明制得Cu‑Ti‑Si合金的强度和电导率不逊色于Cu‑Ni‑Si系列合金，但具备更低廉的原料成本，有利于在高压变压器套管线夹推广应用。本发明的合金制备工艺步骤简单，无需固溶、热轧、拉拔等复杂工序。
Description
技术领域
本发明属于合金技术领域，具体地说是一种电网用高强铜合金及其制备方法，尤其是一种新型三元高强高延伸率的导电铜合金及其制备方法。
背景技术
变电站是高压输变电系统中关键节点，变电站中引下线体系是连接输电线路与变电设备的重要电力设施，其结构安全性直接影响着变电站乃至线路的正常稳定运行。引下线体系由引下线、引下线与母线连接金具以及引下线与主设备端子相连的金具组成。当接线端子一旦发生塑性变形甚至破坏，此时主变套管密封失效，进而导致变压器停运、整站线路跳闸停电的严重后果。接线端子不仅承受机械负载和风动负载，还需要保障优秀的电接触实现大电流通流。因此要求作为接线端子的材料同时具有良好的电传导能力、优秀的机械强度和良好的环境耐受性。
作为接线端子的典型形式套管线夹，目前主要采用H62黄铜或者T2紫铜制作。黄铜制作的套管线夹出现的黄铜套管端子开裂现象，主要原因是黄铜应力腐蚀敏感，在螺栓预紧力和周围腐蚀环境的共同作用下，形成裂纹并快速扩展导致无预兆的脆性断裂。紫铜制作的套管线夹也发生多起发热缺陷引发故障，紫铜抱箍在载荷和风载共同作用下产生了塑性变形缺陷使得抱箍和端子铜头间存在较大的空隙，有效接触面积的减小导致局部接触电阻升高产生过热，局部升温过热又导致抱箍软化强度下降进一步发生塑性变形。同时传统黄铜铸造工艺能耗较大，污染比较严重，黄铜本身的导电性能相比纯铜较低，运行过程中存在热损耗。随着变压器向特高电压和特大容量发展，对套管线夹材料强度和电导率等性能等提出了越来越高的要求。
近年来，Cu-Ni-Si合金受到越来越大的关注，因为它具有较高的强度且没有磁性，不会因为涡流效应产生焦耳热，具有较大发展潜力。典型的产品型号有C70250、C64710和KLF-125等，他们的主要性能指标如下表1：
表1典型引线框架用Cu-Ni-Si铜合金及其主要性能指标
专利文献CN113981267A及CN116640961A公开了Cu-2.4％Ni-0.6％Si-0.2％Mg-0.01％Zn及Cu-(1.0-3.0)％Sn-(0.5-4.0)％Ni-(0.1-5.0)Zn-(≤0.1)％P-(0.005-0.01)％B两种合金的引线框架用铜合金的制备技术。专利文献CN108330320B通过熔炼、铸模、热轧-在线淬火、固溶处理、铣面、冷轧-时效等过程可获得(720-863)MPa抗拉强度和(58-79)％IACS电导率的Cu-(4.0-9.0)％Ni-(1.0-1.5)％Si-(0.1-0.4)％Ag-(0.05-0.1)％P的高性能Cu-Ni-Si合金引线框架材料。
然而，以上合金中各种合金元素添加总量大于2％，且部分包含Ag、Ni等昂贵的战略性金属，这显著地提升了合金的成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种性能优异的低合金含量三元铜合金及其制备方法，所述的铜合金只有少量Ti、Si两种合金添加元素，为高强高延伸率的导电铜合金的大规模生产提供一种成分简单、工艺可行的路径选择。
为实现上述发明目的，本发明采用如下的技术方案：一种电网用高强铜合金，该铜合金含有Ti、Si以及Cu，其中Ti重量百分比为0.4％-1.0％、Si重量百分比为0.14％-0.35％，且Ti和Si原子比为5:3，余量为铜；铜合金由铜基体和Ti5Si3析出相组成且Ti5Si3析出相为直径10-50nm的球形颗粒。
作为优选，所述的Si重量百分比为0.1％-0.3％。
本发明设计Cu-Ti-Si合金的构思如下：
Ti与Si元素在Cu基体中的固溶度较高，微量固溶便会造成铜基体晶格畸变恶化电导率，因而导电型铜合金中常常避免添加这两种元素。沉淀析出的第二相对电子的散射作用比固溶原子引起的散射作用要小的多。要保证合金具有良好的导电性必须使得固溶在Cu基体中的Ti、Si这两种元素脱溶析出。本发明通过深入的相图和机器学习模型的双驱动设计，发现合金元素固溶在铜基体中的含量、合金元素在第二相中的含量、合金中第二相的含量及合金元素化合物形成能等特征因子对合金的硬度和电导率具有显著影响。针对CuTiSi体系，发现低含量的Ti与Si因为所形成的Ti5Si3化合物形成能偏低有希望在时效热处理阶段析出形成纳米级沉淀相，以达到对铜基体的净化效果提升电导率并大幅度提高强度。该思路有异于传统的认为Ti、Si是铜电导率有害元素的通用认识。
上述电网用高强铜合金的制备方法，其包括如下步骤：
1)以Cu、Ti和Si为原料，在中频真空感应熔炼炉中熔化，之后浇铸到水冷模具中快速冷却形成铸锭；
2)将铸锭在干冰温度轧制处理，单次压下量1-2mm，总压下量≥90％；
3)将轧制后的产品进行等温时效热处理，冷却后即得所述的铜合金。
本发明之所以未进行固溶处理，是考虑到Ti和Si在铜基体的固溶度较大，通过水冷模具的快速冷却能够使本发明合金中的Ti和Si元素以固溶的方式存在于铸锭中。本发明之所以在干冰温度轧制处理，且要求单次压下量1-2mm，总压下量≥90％，是考虑到干冰温度下铜合金加工硬化明显，大变形量加工后位错密度显著提高，为后续的时效处理提供快速扩散通道，促进Ti和Si形成化合物颗粒。
作为优选，步骤1)中，熔炼温度为1200-1600℃；浇铸温度控制在1200-1300℃；水冷模具用水冷铜模，冷却速度高于50℃/s。
作为优选，步骤3)中，热处理温度为400-600℃；热处理时间为0.5-24h；等温时效热处理后，合金冷却方式为空气冷却。
与现有技术相比，本发明提供的铜合金及其制备方法具有以下有益效果：
(1)本发明的合金制备工艺步骤简单，无需固溶、热轧、拉拔等复杂工序；
(2)本发明制得Cu-Ti-Si合金的强度和电导率不逊色于前述的Cu-Ni-Si系列合金，但具备更低廉的原料成本，有利于在高压变压器套管线夹推广应用。
附图说明
图1为本发明实施例5产品的合金应力应变拉伸曲线图；
图2为本发明实施例5产品的Ti5Si3纳米析出相透射电镜及能谱分析图；
图3为本发明实施例5产品的纳米析出相XRD分析曲线图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的说明。
实施例1
本实施例为一种电网用高强铜合金的制备方法，其步骤如下：
(1)以Cu、Ti和Si为原料，在中频真空感应熔炼炉中熔化后，浇注到模具中形成铸锭，其中熔炼温度为1600℃，浇铸温度控制在1300℃；浇铸模具用水冷铜模，冷却速度100℃/s。
其中Ti重量百分比为1.0％、Si重量百分比为0.35％，Ti和Si原子比为5:3，余量为铜；
(2)将铸锭在干冰温度轧制处理，单次压下量1mm，总压下量90％；
(3)将轧制后的样品进行等温时效热处理，热处理温度为400℃，时间为4h，制得所述铜合金。等温时效热处理后，合金冷却方式为空气冷却。
实施例2
与实施例1的区别在于步骤(3)中时效时间为24h，其他参数相同。
实施例3
与实施例1的区别在于步骤(3)中时效时间为0.5h，其他参数相同。
实施例4
与实施例1的区别在于步骤(3)中时效温度为600℃，其他参数相同。
实施例5
与实施例1的区别在于步骤(1)中添加的Ti和Si的含量(质量百分比)分别为0.40％和0.14％，熔炼温度为1300℃，浇铸温度控制在1200℃；其他参数相同。
实施例6
与实施例1的区别在于步骤(1)中添加的Ti和Si的含量(质量百分比)分别为0.8％和0.28％，其他参数相同。
对比例1
与实施例1的区别在于步骤(1)中熔炼温度为1200℃，浇铸温度控制在1150℃；其他参数相同。
对比例2
与实施例1的区别在于步骤(1)中添加的Ti和Si的含量(质量百分比)分别为1％和0.2％，其他参数相同。
对比例3
与实施例1的区别在于步骤(1)中添加的Ti和Si的含量(质量百分比)分别为3％和1.05％，其他参数相同。
对比例4
与实施例1的区别在于步骤(2)中轧制温度为液氮温度。
对比例5
与实施例1的区别在于步骤(2)中轧制温度为室温。
采用透射电子显微镜观察样品的微观组织。另外参考国标GB/T 4342-1991《金属显微维氏硬度试验方法》测试样品的硬度；参考GB/T 351-1995《金属材料电阻系数测量方法》测量样品的室温电导率。具体以上性能测试的结果详述如表2。
表2实施例及对比例制得的铜合金性能
由实施例1-6结果可知，当按照本发明的技术方案制备时，能够获得高性能铜合金。其中，图1为实施例5所获得的合金应力应变拉伸曲线，其峰值强度可达741MPa；图2为实施例5所获得的Ti5Si3纳米析出相透射电镜及能谱分析图像，可见大量纳米尺寸的析出相，其成分主要由Ti元素和Si元素组成；图3为实施例5所获得的纳米析出相XRD分析曲线，可以清晰标定出Ti5Si3第二相。
通过比较实施例1和对比例1可知，当熔炼和浇铸温度过低，偏离本发明要求的合理范围时，无法获得合格铸锭。
通过比较实施例1和对比例2可知，当Ti和Si原子比例不满足5:3时，合金硬度和电导率都不高，其原因在于无法使Ti和Si恰好形成Ti5Si3析出相，残余的固溶元素严重恶化电导率。
通过比较实施例1和对比例3可知，当Ti和Si原子比例即使满足5:3时，如果总含量超过本发明技术方案设定的范围，因二者的固溶度并非等比增加，也无法获得相对纯净的铜基体，导致样品的电导率较低。
通过比较实施例1和对比例4可知，若一味降低轧制温度将导致轧制过程中样品开裂严重。
通过比较实施例1和对比例5可知，若轧制温度偏高(例如室温)，不能充分达到加工硬化效果，Ti和Si难以充分析出为Ti5Si3相，样品力学电学性能均欠佳。
Claims (9)
1.一种电网用高强铜合金，其特征在于，该铜合金含有Ti、Si以及Cu，其中Ti重量百分比为0.4％-1.0％、Si重量百分比为0.14％-0.35％，且Ti和Si原子比为5:3，余量为铜；铜合金由铜基体和Ti5Si3析出相组成且Ti5Si3析出相为直径10-50nm的球形颗粒。
2.根据权利要求1所述的一种电网用高强铜合金，其特征在于，所述的Si重量百分比为0.1％-0.3％。
3.权利要求1或2所述电网用高强铜合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)以Cu、Ti和Si为原料，在中频真空感应熔炼炉中熔化，之后浇铸到水冷模具中快速冷却形成铸锭；
2)将铸锭在干冰温度轧制处理，单次压下量1-2mm，总压下量≥90％；
3)将轧制后的产品进行等温时效热处理，冷却后即得所述的铜合金。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，熔炼温度为1200-1600oC。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，浇铸温度控制在1200-1300oC。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，水冷模具用水冷铜模，冷却速度高于50oC/s。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤3)中，热处理温度为400-600oC。
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤3)中，热处理时间为0.5-24h。
9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤3)中，等温时效热处理后，合金冷却方式为空气冷却。
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