本發(fā)明涉及一種Cu合金及其制備方法，尤其是一種可用作高速鐵路尤其是時(shí)速400公里以上高速鐵路接觸線(xiàn)材料的銅合金及其制備方法。
背景技術(shù)：
：從2009年起我國(guó)高速電氣化鐵路(以下簡(jiǎn)稱(chēng)高鐵)得到實(shí)質(zhì)的飛躍式發(fā)展，京津線(xiàn)、京滬線(xiàn)和京廣線(xiàn)相繼開(kāi)通，高鐵穩(wěn)定運(yùn)行速度為300公里/小時(shí)。高速電氣化鐵路的發(fā)展對(duì)其關(guān)鍵部件—接觸線(xiàn)—產(chǎn)生巨大的市場(chǎng)需求和苛刻的性能要求。要求用作接觸線(xiàn)的材料同時(shí)具備以下特性：高強(qiáng)度、低線(xiàn)密度、良好的導(dǎo)電性、良好的耐磨擦性、良好的耐腐蝕性等，尤其強(qiáng)度和電導(dǎo)率是最核心指標(biāo)。目前高鐵接觸線(xiàn)采用的導(dǎo)體材料主要有Cu-Mg,Cu-Sn,Cu-Ag,Cu-Sn-Ag,Cu-Ag-Zr,Cu-Cr-Zr等系列Cu合金，其中Cu-Cr-Zr顯示了更為優(yōu)異的強(qiáng)度和電導(dǎo)率綜合性能。專(zhuān)利CN200410060463.3及CN200510124589.7公開(kāi)了Cu-(0.02~0.4)%Zr-(0.04~0.16)%Ag及Cu-(0.2~0.72)%Cr-(0.07~0.15)%Ag兩種合金的制備技術(shù)。通過(guò)熔煉、鑄造、熱變形、固溶、冷變形、時(shí)效及再次冷變形等工藝制備成品。專(zhuān)利CN03135758.X公開(kāi)了采用快速凝固制粉、壓坯、燒結(jié)、擠壓獲得Cu-(0.01~2.5)%Cr-(0.01~2.0)%Zr-(0.01~2.0)%(Y,La,Sm)合金棒材或片材的制備方法，可以獲得良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、高溫溫度及抗軟化性能。專(zhuān)利CN200610017523.2公開(kāi)了Cu-(0.05~0.40)%Cr-(0.05~0.2)%Zr-<0.20%(Ce+Y)合金成分及其制備技術(shù)，通過(guò)熔煉、鍛造、固溶、變形、時(shí)效獲得高強(qiáng)高導(dǎo)綜合性能以及較好的耐熱性和耐磨性。專(zhuān)利CN02148648.4公開(kāi)了Cu-(0.01~1.0)%Cr-(0.01~0.6)%Zr-(0.05~1.0)%Zn-(0.01~0.30)%(La+Ce)合金成分及制備技術(shù)，通過(guò)熔煉、熱軋、固溶、冷軋、時(shí)效、終軋等過(guò)程可獲得較高的強(qiáng)度和電導(dǎo)率。隨著高速電氣化鐵路的持續(xù)發(fā)展，國(guó)家“十三五”規(guī)劃明確提出在2020年需建成時(shí)速在400公里以上的高速鐵路系統(tǒng)。這意味著與之相匹配的接觸線(xiàn)材料性能也必須進(jìn)一步提高強(qiáng)度和電導(dǎo)率，必須開(kāi)發(fā)新型高性能合金以適應(yīng)高速鐵路的持續(xù)提速發(fā)展。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的擬提供一種用于高速鐵路接觸線(xiàn)的高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金及其制備方法，該銅合金可作為高速鐵路尤其是時(shí)速在400公里以上的高速鐵路接觸線(xiàn)材料。制備本發(fā)明的高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金的構(gòu)思如下：在Cu基體中引入大量彌散分布的納米析出相，特別強(qiáng)調(diào)的是，這些納米析出相與Cu基體存在cube-on-cube位向關(guān)系（也即析出相的<110>晶向與Cu基體的<110>晶向平行且析出相的{111}晶面與Cu基體的{111}晶面平行），且這些納米析出相與Cu基體的相界面為全共格相界面，不存在錯(cuò)配位錯(cuò)。這些彌散分布的納米析出相能夠有效提高Cu基體的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力，尤其是當(dāng)位錯(cuò)切過(guò)這些析出相會(huì)由于化學(xué)有序效應(yīng)產(chǎn)生背應(yīng)力而強(qiáng)烈拖拽位錯(cuò)線(xiàn)，從而顯著提高合金的強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)的目的；另一方面，相比常規(guī)CuSn、CuCrZr體系中非共格或者半共格相界面處點(diǎn)陣畸變很大、對(duì)電子波散射嚴(yán)重，本發(fā)明的納米析出相與Cu基體的相界面為全共格相界面，界面處的點(diǎn)陣畸變非常小，對(duì)電子波散射作用微弱，從而保障了電子波在合金內(nèi)部的快速傳導(dǎo)，達(dá)到高導(dǎo)的目的。本發(fā)明的納米析出相之所以能夠與Cu基體產(chǎn)生全共格相界面是基于析出相晶體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的大數(shù)據(jù)計(jì)算，且通過(guò)科學(xué)選擇合金元素，合理搭配元素比例并采用科學(xué)制備工藝實(shí)現(xiàn)。為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，實(shí)現(xiàn)其技術(shù)效果，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：本發(fā)明提供了一種高速鐵路接觸線(xiàn)用的銅合金，該銅合金含有重量百分比為0.6%~1.2%的Co、以及0.61%~1.24%的Ta或者0.16%~0.33%的Ti，且Co與Ta或者Co與Ti的原子比為3:1，余量為銅；該銅合金以長(zhǎng)棒或者線(xiàn)的形式存在，其中Ta或者Ti與Co結(jié)合形成Co3Ta或者Co3Ti化合物；且所形成的Co3Ta或者Co3Ti化合物以納米顆粒形式嵌在Cu基體，且所述Co3Ta或者Co3Ti化合物納米顆粒的直徑分布范圍為1~50nm，顆粒間距范圍為5~100nm；該化合物納米顆粒與Cu基體存在cube-on-cube位向關(guān)系，且該化合物納米顆粒與Cu基體的相界面為全共格相界面，不存在錯(cuò)配位錯(cuò)。本發(fā)明還提供了制備上述銅合金的方法，包括如下步驟的制備方法制得：（1）以單質(zhì)和/或中間合金為原料，按照所需配比投料，在水平連鑄系統(tǒng)雙聯(lián)爐體的熔煉爐熔化，之后轉(zhuǎn)移到保溫爐。熔化溫度為1200~1300oC，保溫爐溫度為1100~1200oC，熔煉爐和保溫爐表面覆蓋一層木炭；其中所述單質(zhì)為金屬Cu、Co、Ti或Ta；所述中間合金為Cu-Co或Cu-Ta或Cu-Ti合金；所述配比為0.6%~1.2%的Co、以及0.61%~1.24%的Ta或者0.16%~0.33%的Ti，且Co與Ta或者Co與Ti的原子比為3:1，余量為銅；（2）采用水平連鑄方式引出鑄棒，鑄棒直徑為10~100mm，引出速度為60~600mm/min，結(jié)晶器采用水冷方式冷卻，冷卻長(zhǎng)度為10~500mm；（3）將鑄棒進(jìn)行連續(xù)熱擠壓并軋制為直徑為15~20mm圓棒，熱擠壓溫度為800~1000oC并通以惰性氣體保護(hù)；（4）將圓棒于375~575oC退火1~100h，得到所述銅合金。本發(fā)明通過(guò)選擇銅合金含有Co，Ta或者Ti元素，且控制Co與Ta或者Ti的原子比為3:1，使后續(xù)工藝工程中通過(guò)溫度等工藝參數(shù)控制Co與Ta或者Co與Ti形成能夠Co3Ta或者Co3Ti。其中，Cu、Co3Ta和Co3Ti均為面心立方晶系，且三者的點(diǎn)陣常數(shù)分別為0.3615nm、0.3647nm和0.3614nm，相差不超過(guò)1%，達(dá)到可形成全共格相界面的基礎(chǔ)條件，從而通過(guò)形成工藝控制關(guān)鍵工藝參數(shù)，使合金形成cube-on-cube位向和對(duì)應(yīng)的全共格相界面，實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)目的。為了避免Co3Ta或者Co3Ti在熱擠壓階段提前析出，本發(fā)明控制熱擠壓溫度，優(yōu)選在800~1000oC，以保障Co3Ta或者Co3Ti在后續(xù)的時(shí)效過(guò)程中可控地以納米析出相形式彌散分布在Cu基體，獲得優(yōu)異的強(qiáng)化效果。而為了避免在熱擠壓階段的高溫下樣品表面嚴(yán)重氧化，采用惰性氣體進(jìn)行保護(hù)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的銅合金及其制備方法具有以下有益效果：1）、本發(fā)明采用水平連鑄方式，能夠獲得大錨段長(zhǎng)度的銅合金棒；2）、本發(fā)明制得的銅合金具有獨(dú)特的微結(jié)構(gòu)和高強(qiáng)度和高導(dǎo)電性性能：3)、本發(fā)明利用Co和Ta或者Ti形成Co3Ta或者Co3Ti化合物，有效凈化Cu基體，保障Cu基體良好的導(dǎo)電性能；并利用Co3Ta或者Co3Ti化合物與Cu基體形成全共格相界面，避免了常規(guī)銅合金中相界面的大點(diǎn)陣畸變，保障電子波在相界面受到微弱散射，使合金具有高電導(dǎo)率；4）利用高密度納米析出相對(duì)位錯(cuò)線(xiàn)的釘扎作用，以其化學(xué)有序產(chǎn)生的背應(yīng)力效果，提升合金整體強(qiáng)度水平，使得銅合金強(qiáng)度能達(dá)到520MPa以上，可以應(yīng)用于時(shí)速在400公里以上的高速鐵路接觸線(xiàn)材料。附圖說(shuō)明圖1為實(shí)施例1所獲得的Co3Ta的納米析出相透射電鏡中心暗場(chǎng)像。圖2為實(shí)施例2所獲得的Co3Ti的納米析出相透射電鏡中心暗場(chǎng)像。圖3為實(shí)施例2所獲得的Co3Ti的納米析出相高分辨透射電鏡圖像。具體實(shí)施方式下面以具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明。實(shí)施例1：（1）以陰極電解銅、Co單質(zhì)和Cu-Ta中間合金為原料，按照重量百分比為0.6%的Co，0.61%的Ta，其余為銅的配比投料，在水平連鑄系統(tǒng)雙聯(lián)爐體的熔煉爐以1300oC熔化，之后轉(zhuǎn)移到保溫爐，保溫爐溫度為1200oC，熔煉爐和保溫爐表面覆蓋一層木炭；（2）采用水平連鑄方式引出鑄棒，鑄棒直徑為10mm，引出速度為600mm/min，結(jié)晶器采用水冷方式冷卻，冷卻長(zhǎng)度為500mm；（3）將鑄棒進(jìn)行連續(xù)熱擠壓并軋制為直徑為15mm圓棒，熱擠壓溫度為800oC并通以惰性氣體保護(hù)；（4）將圓棒于375℃退火100h，得到所述銅合金。實(shí)施例2與實(shí)施例1的區(qū)別在于步驟（1）中Ta元素為T(mén)i元素替換，Ti元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.16%，熔煉溫度為1200oC，保溫溫度為1100oC，其他參數(shù)相同。實(shí)施例3與實(shí)施例1的區(qū)別在于步驟（1）中Co元素重量百分比為1.2%，Ta元素為1.24%，其他參數(shù)相同。實(shí)施例4與實(shí)施例1的區(qū)別在于步驟（1）中Co元素重量百分比為0.9%，Ta元素替換為T(mén)i元素，且Ti元素重量百分比為0.25%，熔煉溫度為1200oC，保溫溫度為1100oC，其他參數(shù)相同。實(shí)施例5與實(shí)施例1的區(qū)別在于步驟（2）中鑄棒直徑為100mm，引出速度為60mm/min，其他參數(shù)相同。實(shí)施例6與實(shí)施例1的區(qū)別在于步驟（2）中鑄棒直徑為20mm，引出速度為120mm/min，冷卻長(zhǎng)度為10mm，其他參數(shù)相同。實(shí)施例7與實(shí)施例1的區(qū)別在于步驟（3）中軋制直徑為20mm，熱擠壓溫度為1000oC，其他參數(shù)相同。實(shí)施例8與實(shí)施例1的區(qū)別在于步驟（4）中退火溫度為575oC，時(shí)間為1h，其他參數(shù)相同。對(duì)比例1與實(shí)施例1的區(qū)別在于步驟（1）中Co元素重量百分比為1.2%，其他參數(shù)相同。對(duì)比例2與實(shí)施例1的區(qū)別在于步驟（1）中Co元素重量百分比為0.2%，其他參數(shù)相同。對(duì)比例3與實(shí)施例1的區(qū)別在于步驟（1）中熔煉溫度為1100oC，保溫溫度為1000oC，其他參數(shù)相同。對(duì)比例4與實(shí)施例1的區(qū)別在于步驟（3）中熱擠壓溫度為600oC，其他參數(shù)相同。對(duì)比例5與實(shí)施例1的區(qū)別在于步驟（4）中退火溫度為650oC，其他參數(shù)相同。采用透射電子顯微鏡觀察上述實(shí)施例和對(duì)比例所獲得樣品的微觀組織，并采用中心暗場(chǎng)像拍攝并測(cè)量析出相尺寸與間距，采用選區(qū)電子衍射花樣分析析出相與Cu基體的位向關(guān)系，采用高分辨透射電鏡技術(shù)觀察析出相與Cu基體的相界面結(jié)構(gòu)，判斷是否為全共格相界面。另外參考國(guó)標(biāo)GB/T228.1-2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》測(cè)試樣品的抗拉強(qiáng)度；參考GB/T351-1995《金屬材料電阻系數(shù)測(cè)量方法》測(cè)量樣品的室溫電導(dǎo)率。如圖1實(shí)施例1所獲得的Co3Ta的納米析出相透射電鏡中心暗場(chǎng)像，圖2為實(shí)施例2所獲得的Co3Ti的納米析出相透射電鏡中心暗場(chǎng)像，圖3為實(shí)施例2所獲得的Co3Ti的納米析出相高分辨透射電鏡圖像；可以看到Co3Ta或者Co3Ti化合物納米顆粒的直徑分布范圍為1~50nm，且所述顆粒間距范圍為5~100nm。具體以上所有測(cè)試的結(jié)果詳述如表1。表1實(shí)施例和對(duì)比例制得的銅合金的微結(jié)構(gòu)特征和性能析出相平均直徑(nm)析出相平均間距(nm)析出相與Cu基體位向關(guān)系析出相與Cu基體界面結(jié)構(gòu)抗拉強(qiáng)度(MPa)電導(dǎo)率(%IACS)實(shí)施例18.352Cube-on-cube全共格53085實(shí)施例29.160Cube-on-cube全共格55083實(shí)施例37.621Cube-on-cube全共格62078實(shí)施例48.132Cube-on-cube全共格58080實(shí)施例58.555Cube-on-cube全共格54084實(shí)施例68.355Cube-on-cube全共格53084實(shí)施例78.551Cube-on-cube全共格54083實(shí)施例89.860Cube-on-cube全共格52086對(duì)比例16.2102Cube-on-cube全共格55068對(duì)比例26.5153Cube-on-cube全共格46062對(duì)比例3////45080對(duì)比例487125//48079對(duì)比例5205320//42088從上表結(jié)果可以看出實(shí)施例1~8所獲得的樣品均體現(xiàn)出良好的強(qiáng)度與電導(dǎo)率匹配，其根本原因在于樣品中存在大量彌散分布的納米析出相，且納米析出相與Cu基體存在cube-on-cube位向關(guān)系，其相界面為全共格界面，點(diǎn)陣錯(cuò)配小，對(duì)電子散射弱。比較分析實(shí)施例1和對(duì)比例1和2可見(jiàn)Co與Ta的比例對(duì)于合金性能具有重要影響，當(dāng)Co與Ta不符合3:1關(guān)系時(shí)，將出現(xiàn)Co元素或者Ta元素剩余，所產(chǎn)生的固溶效果強(qiáng)烈地?fù)p害合金導(dǎo)電性。比較分析實(shí)施例1和對(duì)比例3可見(jiàn)熔煉與保溫溫度的選擇很關(guān)鍵，當(dāng)所用溫度偏低時(shí)難以充分熔化高熔點(diǎn)的Ta元素，無(wú)法獲得合乎比例的Co和Ta或Ti形成的化合物固溶體，也即難以獲得良好性能。比較分析實(shí)施例1和對(duì)比例4可見(jiàn)熱擠壓溫度的控制很關(guān)鍵，雖然對(duì)擠壓過(guò)程進(jìn)行預(yù)熱是本領(lǐng)域常用技術(shù)，然而若預(yù)熱溫度偏低，將導(dǎo)致Co與Ta或Ti的化合物提前析出，無(wú)法獲得合理的本發(fā)明的微結(jié)構(gòu)和性能。比較分析實(shí)施例1和對(duì)比例5可見(jiàn)最終退火溫度和時(shí)間的選擇很關(guān)鍵，如果在較高的溫度長(zhǎng)時(shí)間退火，將是析出相劇烈長(zhǎng)大，并失去與Cu基體的共格關(guān)系，無(wú)法獲得良好性能。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3