CN1811998A - 高速铁路高强度高电导率铜合金接触线及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速铁路高强度高电导率铜合金接触线及其制备方法，接触线成份以铜为基体，向其中加入总重量的百分比为0－0.15％的银和0.20％－0.72％的铬；其制备方法通过大截面铜合金的热轧技术和水平连铸技术分别实现了该类合金大长度线材的生产。棒坯经固溶处理后，仅需直接进行轧制－时效－轧制工艺过程。两种制备方法各有特点，第一种可获得均匀、密实的铸坯，所得接触线晶粒组织细小均匀，无缺陷；第二种能够节省能耗及原材料，所得铸坯及接触线均有很好的微观组织及宏观性能；在所给的成分范围内，通过上述加工工艺均能同时保证高的强度和电导率。

Description

高速铁路高强度高电导率铜合金接触线及其制备方法

技术领域

本发明涉及有色金属铸造加工技术领域，特别涉及高速铁路高强度高电导率铜合金接触线及其制备方法。

背景技术

随着铁路运营任务的加重和竞争日趋激烈，铁路重载化、高速化(300Km/h以上)已成为世界铁路行业的发展趋势，铁路接触线是轮轨式铁路高速化的关键装备之一。目前所用的纯铜和铜银合金接触线强度仅为350-400MPa，只适合于中低速(250Km/h以下)铁路，难于满足高速铁路的服役条件。

国内外现有的供中低速铁路用的接触线，一般采用上引连铸，配合冷加工强化，使其强度能达到铁路运行的要求。材料成分主要以纯铜、铜银合金、铜锡合金以及铜镁合金等为主。该工艺方法简单高效，但其致命的弱点是材料组织不致密，缺陷很多，拉拔过程中组织变形不彻底，心部组织晶粒比较粗大；且上引连铸工艺大多用来生产简单合金，对于复杂合金来说，上引连铸难以实施。但随着铁路高速化运行，简单的冷加工强化已经无法满足其要求。

国际上目前能满足高速铁路接触线要求的导线材料很少，德国联邦股份公司(DBAG)的Re330型铜镁合金接触线较为先进，抗拉强度达503MPa，电导率为68.1％，软化温度为385℃。国内引进德国的接触线材料也是Cu-Mg合金，其强度和导电率也与上述数值接近，这些参数对于高速铁路来说不算太高。我国目前高速铁路导线尚未形成体系，研发具有独立知识产权的高速铁路接触线刻不容缓。

高速铁路接触线要求材料同时具有高的强度和导电性能，必须通过特殊的成分设计和加工技术才能实现。通过固溶强化、沉淀强化、细晶强化和形变强化等手段来强化铜基体，技术较成熟，工艺较简单，成本较低，适宜规模化生产，但所得材料强度一般低于550MPa，电导率一般难于超过75％IACS。人工复合和自生复合法是另一类重要的强化方法。人工复合材料是通过人工加入第二相的颗粒、晶须、纤维强化铜基体或依靠强化相本身强度来增加铜材料强度(粉末冶金和塑性变形法)。自生复合材料法是往铜中加入合金元素，通过超大变形工艺，在铜合金内部原位生成增强相，与基体铜一起构成纤维复合材料，并且增强体与基体铜在加工前就以两种材料形式存在。复合法制备的铜合金抗拉强度可达2000MPa以上，但存在着工艺复杂、质量难以控制、生产成本太高，难以工业化，并无法用于生产能适合电气化铁路接触线要求的大长度(1500m)接触线，不利于工业化生产。

合金化方法的核心技术是通过向铜基体中添加一定的合金元素，以形成固溶体或过饱和固溶体，使铜基体发生晶格畸变或时效析出强化相，来获得高强度和高导电性能兼备的铜合金。用合金化法制得的铜材强度σ_b在350～650MPa之间，电导率可以高达60-90％IACS，但要使二者同时具有较高的水平就需要配合其它技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高速铁路高强度高电导率铜合金接触线及其制备方法，所制得得接触线密实度高，无气孔、偏析、裂纹等缺陷，解决了现有技术中存在的组织疏松、晶粒不均匀等问题，极大地提高了接触线的强度、耐磨性、耐腐蚀性及热稳定性，而且保持接触线具有较高的电导率和韧性以及热稳定性；本发明的制备方法实现了接触线的大截面铸坯热轧技术及水平连铸技术，实现了含Cr合金元素的大气熔炼及连续铸造。工艺相对简单，生产效率高，成本较低。

本发明的技术方案可以按照以下两种方案之一来实现：

一种高速铁路高强度高电导率铜合金接触线，以铜为基体，向其中加入总重量的百分比为0-0.15％的银和0.20％-0.72％的铬。

一种高速铁路高强度高电导率铜合金接触线制备方法，具体步骤如下：

1)以铜为基体，向其中加入总重量百分比为0-0.15％的银和0.20-0.72％铬，将这些原料放入熔炉，大气熔炼，熔炼温度为1250℃-1350℃，熔炼1-2小时；

2)对合金进行除渣；

3)对除渣后的合金进行半连续铸造，铸造温度为1100℃-1250℃，得到φ180-260mm的铸锭，准备热轧；

4)对上步得到的铜合金铸锭进行热轧，开轧温度850℃-950℃，终轧温度为450℃-550℃，10-15道次热轧变形，最终得到直径为φ30-45mm的棒坯；

5)固溶处理，将热轧后的棒坯放入固熔炉中，温度980±50℃，时间30-100min，保温后进行淬火；

6)冷轧，变形量35-50％的冷变形加工；

7)时效处理，温度430-500℃，保温1.5-3h；

8)冷轧，变形量30-50％的冷变形加工，得到φ16-18mm的圆杆坯；

9)冷拉拔成型，根据接触线截面尺寸，经过3-6道次的孔型拉拔，得到高强度高电导率铜合金接触线。

一种高速铁路高强度高电导率铜合金接触线制备方法，具体步骤如下：

1)以铜为基体，向其中加入总重量百分比为0-0.15％的银和0.20％-0.72％铬，将这些原料放入熔炉，大气熔炼，熔炼温度为1250℃-1350℃，熔炼1-2小时；

2)对合金进行精炼除渣，精炼完成后将液态合金转入连铸保温炉；

3)开始水平连续铸造拉坯，拉坯速度在270-360mm/min，铸造温度为1100℃-1250℃，得到φ30-45mm的铸坯；

4)固溶处理，将铸坯放入固熔炉中，温度980±50℃，时间30-100min，保温后进行淬火；

5)冷轧，变形量35-50％的冷变形加工；

6)时效处理，温度430-500℃，保温1.5-3h；

7)冷轧，变形量30-50％的冷变形加工，得到φ16-18mm的圆杆坯；

8)冷拉拔成型，根据接触线截面尺寸，经过3-6道次的孔型拉拔，得到高强度高电导率铜合金接触线。

应用本发明所生产的高速铁路铜合金接触线，具有强度达570-650MPa，电导率大于76％IACS，以及优异的热稳定性及耐蚀耐磨性能，延伸率不小于5％等综合性能，导线长度大于1500米。

本发明涉及该合金的大气熔炼和接触线的制备工艺，通过大截面铜合金的热轧技术和水平连铸技术分别实现了该类合金大长度线材的生产。棒坯经固溶处理后，仅需直接进行轧制—时效—轧制工艺过程。两种制备方法各有特点，第一种可获得均匀、密实的铸坯，所得接触线晶粒组织细小均匀，无缺陷；第二种能够节省能耗及原材料，所得铸坯及接触线均有很好的微观组织及宏观性能。在所给的成分范围内，通过上述加工工艺均能同时保证高的强度和电导率。

具体实施例

下面结合实施例对本发明的内容作进一步详细说明：

实施例一：

以铜为基体，向铜中加入的成分按总重量的百分比为0.09％的银、0.32％的铬，进行大气熔炼，其熔炼温度为1290℃，熔炼1小时，然后对合金进行除渣；

对除渣后的合金进行半连续铸造获得φ225mm铸坯，铸造温度1240℃，修整后铸坯经过12道次热轧，得到φ32.8mm棒坯，开轧温度为910℃，终轧温度为480℃；

合金经固溶处理，温度960℃，时间90min后。冷轧塑性变形30-50％；

再在480℃温度时效处理1.5小时后，进行30-50％的冷变形加工，得到φ16-18mm左右的圆杆坯，根据不同的接触线截面尺寸要求，经过3-6道次的孔型拉拔，得到成品双沟铁路接触线。该接触线产品的强度可以达到570-625Mpa，延伸率6.5-7.3％，同时电导率为82％IACS。

实施例二：

以铜为基体，向铜中加入的成分按总重量的百分比为0.1％的银、0.20％的铬，进行大气熔炼，其熔炼温度为1310℃，熔炼1.5小时，然后对合金进行精炼除渣；

对精炼除渣后的合金进行半连续铸造获得φ205mm铸坯，铸造温度1230℃，修整后铸坯经过10道次热轧，得到φ34mm棒坯，开轧温度为920℃，终轧温度为510℃；

合金棒坯经固溶处理，温度980℃，时间60min后，冷轧塑性变形30-50％；

再在480℃温度时效处理2.0小时后，进行30-50％的冷变形加工，得到φ16-18mm左右的圆杆坯，根据不同的接触线截面尺寸要求，经过3-6道次的孔型拉拔，得到成品双沟铁路接触线。该接触线产品的强度可以达到570-620MPa。延伸率5.5-6.5％，同时电导率为84.5％IACS。

实施例三：

以铜为基体，向铜中加入的成分按总重量的百分比为0.07％的银、0.43％的铬进行大气熔炼，其熔炼温度为1285℃，熔炼1.5小时，然后对合金进行精炼除渣；

对精炼除渣后的合金进行半连续铸造获得φ260mm铸坯，铸造温度1250℃，修整后铸坯经过12道次热轧，得到φ34mm棒坯，开轧温度为940℃，终轧温度为530℃；

合金经固溶处理，温度980℃，时间90min后塑性变形30-55％；

470℃时效处理2.5小时后再塑性变形30-55％。得到φ16-18mm左右的圆杆坯，根据不同的接触线截面尺寸要求，经过3-6道次的孔型拉拔，得到成品双沟铁路接触线。经过上述处理，该接触线产品的强度可以达到580-615MPa。延伸率5.5-7.5％，同时电导率为81％IACS。

实施例四：

以铜为基体，向铜中加入的成分按总重量的百分比为0.72％的铬，进行大气熔炼，然后对合金进行精炼除渣；熔炼温度为1280℃，熔炼2小时；对精炼除渣后的合金进行半连续铸造获得φ260mm铸坯，铸造温度1250℃，修整后铸坯经过12道次热轧，得到φ34mm棒坯，开轧温度为940℃，终轧温度为530℃。

合金经固溶处理，990℃，60min后塑性变形45-55％；

再在480℃温度时效处理1.5小时后，进行35-45％的冷变形加工，得到φ16-18mm左右的圆杆坯，根据不同的接触线截面尺寸要求，经过3-6道次的孔型拉拔，得到成品双沟铁路接触线。经过上述处理，该接触线产品的强度达到580-650MPa。延伸率5.3-6.7％，同时电导率为77％IACS。

实施例五：

以铜为基体，向铜中加入的成分按总重量的百分比为0.09％的银、0.52％的铬，进行大气熔炼，熔炼温度为1300℃，熔炼1小时，然后对合金进行精炼除渣。对精炼除渣后的合金进行水平连铸，铸造温度1250℃，拉坯机采用拉-推-停-拉的拉坯工艺曲线进行拉坯，拉坯速度保持在280mm/min；

合金材料经水平连续铸造获得φ34mm铸坯，合金经固溶处理，温度980℃，时间90min后塑性变形35-50％；

再在450℃温度时效处理3.0小时后，进行30-50％的冷变形加工，得到φ16-18mm左右的圆杆坯，根据不同的接触线截面尺寸要求，经过3-6道次的孔型拉拔，得到成品双沟铁路接触线。该接触线产品的强度可以达到575-630MPa。延伸率5.3-6.5％，同时电导率为79.5％IACS。

实施例六：

以铜为基体，向铜中加入的成分按总重量的百分比为0.15％的银、0.55％的铬；然后对合金进行精炼除渣，进行大气熔炼，熔炼2小时，熔炼温度为1310℃；对精炼除渣后的合金进行水平连铸，铸造温度1210℃，拉坯机采用拉-推-停-拉的拉坯工艺曲线进行拉坯，拉坯速度保持在360mm/min，同时采用适当的冷却水压，二次冷却距离，停/拉比，拉坯频率等；

合金材料经水平连续铸造获得φ30mm铸坯，合金经固溶处理(980℃，100min)后塑性变形35-45％；

再在480℃温度时效处理2.0小时后，进行30-55％的冷变形加工，得到φ16-18mm左右的圆杆坯，根据不同的接触线截面尺寸要求，经过3-6道次的孔型拉拔，得到成品双沟铁路接触线。该接触线产品的强度可以达到590-640MPa。延伸率5.3-7.5％，同时电导率为79％IACS。

实施例七：

以铜为基体，向铜中加入的成分按总重量的百分比为0.72％的铬；进行大气熔炼，然后对合金进行精炼除渣，熔炼温度为1280℃，熔炼1小时；对精炼除渣后的合金水平连铸，铸造温度1200℃，拉坯机采用拉-推-停-拉的拉坯工艺曲线进行拉坯，拉坯速度保持在300mm/min，同时采用适当的冷却水压，二次冷却距离，停/拉比，拉坯频率等；

合金材料经水平连续铸造获得φ34mm铸坯，合金经固溶处理，990℃，60min后塑性变形45-55％；

再在480℃温度时效处理1.5小时后，进行35-45％的冷变形加工，得到φ16-18mm左右的圆杆坯，根据不同的接触线截面尺寸要求，经过3-6道次的孔型拉拔，得到成品双沟铁路接触线。经过上述处理，该接触线产品的强度达到580-650Mpa，延伸率5.3-6.7％，同时电导率为77％IACS。

实施例八：

以铜为基体，向铜中加入的成分按总重量的百分比为0.10％的银、0.62％的铬；进行大气熔炼，然后对合金进行精炼除渣；熔炼温度为1285℃，熔炼2小时，对精炼除渣后的合金进行水平连铸，铸造温度1240℃，拉坯机采用拉-推-停-拉的拉坯工艺曲线进行拉坯，拉坯速度保持在320mm/min，同时采用适当的冷却水压，二次冷却距离，停/拉比，拉坯频率等；

合金材料经水平连续铸造获得φ34mm铸坯，合金经固溶处理970℃，100min后塑性变形35-45％；

时效处理温度为430℃，时间为3.0小时，再进行35-45％的冷变形加工，得到φ16-18mm左右的圆杆坯，根据不同的接触线截面尺寸要求，经过3-6道次的孔型拉拔，得到成品双沟铁路接触线。经过上述处理，该接触线产品的强度可以达到590-625Mpa，延伸率5.3-6.8％，同时电导率为78％IACS。

实施例九：

以铜为基体，向铜中加入的成分按总重量的百分比为0.07％的银、0.45％的铬；进行大气熔炼，然后对合金进行精炼除渣；熔炼温度为1315℃，熔炼1小时；对精炼除渣后的合金进行水平连铸，铸造温度1250℃，拉坯机采用拉-推-停-拉的拉坯工艺曲线进行拉坯，拉坯速度保持在340mm/min，同时采用适当的冷却水压，二次冷却距离，停/拉比，拉坯频率等；

合金材料经水平连续铸造获得φ30mm铸坯，合金经固溶处理(970℃，60min)后塑性变形35-55％；

时效处理温度为470℃，时间为2.5小时，再进行35-45％的冷变形加工，得到φ16-18mm左右的圆杆坯，根据不同的接触线截面尺寸要求，经过3-6道次的孔型拉拔，得到成品双沟铁路接触线。经过上述处理，该接触线产品的强度可以达到590-620Mpa，延伸率5.3-7.5％，同时电导率为79.5％IACS。

实施例十：

以铜为基体，向铜中加入的成分按总重量的百分比为0.07％的银、0.51％的铬进行大气熔炼，然后对合金进行精炼除渣；其熔炼温度为1275℃，熔炼1.5小时；对精炼除渣后的合金进行水平连铸，铸造温度1230℃，拉坯机采用拉-推-停-拉的拉坯工艺曲线进行拉坯，拉坯速度保持在310mm/min，同时采用适当的冷却水压，二次冷却距离，停/拉比，拉坯频率；

合金材料经水平连续铸造获得φ34mm铸坯，合金经固溶处理(980℃，100min)后塑性变形30-65％；

时效处理温度为460℃，时间为2.0小时，再进行35-55％的冷变形加工，得到φ16-18mm左右的圆杆坯，根据不同的接触线截面尺寸要求，经过3-6道次的孔型拉拔，得到成品双沟铁路接触线。经过上述处理，该接触线产品的强度可以达到590-620Mpa，延伸率5.3-6.9％，同时电导率为78.5％IACS。

Claims (3)

1、一种高速铁路高强度高电导率铜合金接触线，其特征在于，以铜为基体，向其中加入总重量的百分比为0-0.15％的银和0.20％-0.72％的铬。

2、一种高速铁路高强度高电导率铜合金接触线制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

1)以铜为基体，向其中加入总重量百分比为0-0.15％的银和0.20-0.72％铬，将这些原料放入熔炉，大气熔炼，熔炼温度为1250℃-1350℃，熔炼1-2小时；

2)对合金进行除渣；

3)对除渣后的合金进行半连续铸造，铸造温度为1100℃-1250℃，得到φ180-260mm的铸锭，准备热轧；

4)对上步得到的铜合金铸锭进行热轧，开轧温度850℃-950℃，终轧温度为450℃-550℃，10-15道次热轧变形，最终得到直径为φ30-45mm的棒坯；

5)固溶处理，将热轧后的棒坯放入固熔炉中，温度980±50℃，时间30-100min，保温后进行淬火；

6)冷轧，变形量35-50％的冷变形加工；

7)时效处理，温度430-500℃，保温1.5-3h；

8)冷轧，变形量30-50％的冷变形加工，得到φ16-18mm的圆杆坯；

9)冷拉拔成型，根据接触线截面尺寸，经过3-6道次的孔型拉拔，得到高强度高电导率铜合金接触线。

3、一种高速铁路高强度高电导率铜合金接触线制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

1)以铜为基体，向其中加入总重量百分比为0-0.15％的银和0.20％-0.72％铬，将这些原料放入熔炉，大气熔炼，熔炼温度为1250℃-1350℃，熔炼1-2小时；

2)对合金进行精炼除渣，精炼完成后将液态合金转入连铸保温炉；

3)开始水平连续铸造拉坯，拉坯速度在270-360mm/min，铸造温度为1100℃-1250℃，得到φ30-45mm的铸坯；

4)固溶处理，将铸坯放入固熔炉中，温度980±50℃，时间30-100min，保温后进行淬火；

5)冷轧，变形量35-50％的冷变形加工；

6)时效处理，温度430-500℃，保温1.5-3h；

7)冷轧，变形量30-50％的冷变形加工，得到φ16-18mm的圆杆坯；

8)冷拉拔成型，根据接触线截面尺寸，经过3-6道次的孔型拉拔，得到高强度高电导率铜合金接触线。