一種作為時速400公里以上高速鐵路接觸線材料應用的超強高導銅合金的制備方法
【專利摘要】一種作為時速400公里以上高速鐵路接觸線材料應用的超強高導銅合金的制備方法，該銅合金含有重量百分比為3%~20%的鈮，0.01~1%的鉻，0.01~0.5%的鋯，0.01~0.2%的鈦，其余為銅；所述制備方法包括：（1）以單質(zhì)和/或中間合金為原料，按照所需配比投料，在真空感應熔煉爐中熔化并快速澆鑄于水冷銅模中，冷卻速度大于20℃/s；（2）將步驟（1）所得鑄錠在室溫下進行多道次拉拔，單次拉拔變形量小于0.3，最終達到3.5以上拉拔變形量；（3）將拉拔變形的銅合金棒或線于375~575℃退火1~100 h；（4）將退火后的銅合金再次進行室溫拉拔，單次拉拔變形量在0.1~0.2之間，拉拔變形量為0.5~1.0；（5）將上述銅合金置于液氮冷凍處理12~72 h，之后緩慢升溫到室溫，升溫速率小于10℃/min，得到銅合金。
【專利說明】
一種作為時速400公里以上高速鐵路接觸線材料應用的超強 高導銅合金的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種Cu合金的制備方法，尤其是一種可用作高速鐵路尤其是時速400 公里以上高速鐵路接觸線材料的銅合金的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 從2009年起我國高速電氣化鐵路（以下簡稱高鐵）得到實質(zhì)的飛躍式發(fā)展，京津 線、京滬線和京廣線相繼開通，高鐵穩(wěn)定運行速度為300公里/小時。高速電氣化鐵路的發(fā)展 對其關(guān)鍵部件一接觸線一產(chǎn)生巨大的市場需求和苛刻的性能要求。要求用作接觸線的材料 同時具備以下特性:高強度、低線密度、良好的導電性、良好的耐磨擦性、良好的耐腐蝕性 等，尤其強度和電導率是最核心指標。
[0003] 目前高鐵接觸線采用的導體材料主要有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)異的強度和電導率綜合性能。 專利CN200410060463 · 3及CN200510124589 · 7 公開了 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)。通過熔煉、鑄造、熱變形、固溶、 冷變形、時效及再次冷變形等工藝制備成品。專利CN03135758.X公開了采用快速凝固制粉、 壓坯、燒結(jié)、擠壓獲得Cu-(0.01~2.5)%Cr-(0.0卜2.0)%Zr-(0.0卜2·0)%(Υ, La, Sm)合金棒 材或片材的制備方法，可以獲得良好的導電、導熱、高溫溫度及抗軟化性能。專利 CN200610017523 · 2公開了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)，通過熔煉、鍛造、固溶、變形、時效獲得高強高導綜合性能以及較好的耐熱性和 耐磨性。專利0腸2148648.4公開了〇1-(0.01~1.0)%〇-(0.01~0.6)%21-(0.05~1.0)%211-(0.01~0.30) %(La+Ce)合金成分及制備技術(shù)，通過熔煉、熱乳、固溶、冷乳、時效、終乳等過程 可獲得較高的強度和電導率。
[0004] 隨著高速電氣化鐵路的持續(xù)發(fā)展，國家"十三五"規(guī)劃明確提出在2020年需建成時 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材料性能也必須提高至 強度>680 MPa，電導率>78%IACS且400度退火2h強度下降率〈10%水平。如此苛刻的性能標準 使得目前所使用的Cu-Mg, Cu-Sn, Cu-Ag, Cu-Sn-Ag, Cu-Ag-Zr, Cu-Cr-Zr合金均無法滿 足時速在400公里以上的高速鐵路系統(tǒng)對接觸線材料性能的最低要求。必須開發(fā)新型高性 能合金以適應高鐵的持續(xù)提速發(fā)展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種超強高導銅合金的制備方法，該銅合金可作為高速鐵路尤其 是時速在400公里以上的高速鐵路接觸線材料應用。
[0006] 為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案： 本發(fā)明提供了一種銅合金的制備方法，該銅合金含有重量百分比為3%~20%的鈮，0.01~ 1%的鉻，O · Ol~O · 5%的鋯，O · Ol~O · 2%的鈦，其余為銅； 所述制備方法包括如下步驟： (1) 以單質(zhì)和/或中間合金為原料，按照所需配比投料，在真空感應熔煉爐中熔化并快 速澆鑄于水冷銅模中，冷卻速度大于20°C/s; (2) 將步驟(1)所得鑄錠在室溫下進行多道次拉拔，單次拉拔變形量小于0.3，最終達到 3.5以上拉拔變形量； (3) 將拉拔變形的銅合金棒或線于375~575°C退火1~100 h; (4) 將退火后的銅合金再次進行室溫拉拔，單次拉拔變形量在0.1~0.2之間，拉拔變形 量為0.5~1.0; (5) 將上述銅合金置于液氮冷凍處理12~72 h，之后緩慢升溫到室溫，升溫速率小于10 °C/min，得到所述銅合金。
[0007] 進一步，步驟（1)中，中間合金可以是Cu-(10%~25%)Nb中間合金，Cu-(5%~13%)Cr中 間合金，Cu- (5%~7%) Zr中間合金，Cu- (3%~10%) T i中間合金等。
[0008] 進一步，步驟(1)中，冷卻速度優(yōu)選為30~100°C/s。
[0009] 進一步，步驟(2)中，優(yōu)選單次拉拔變形量為0.1~0.2，最終達到4~6拉拔量。
[0010] 進一步，步驟(3)中，退火溫度優(yōu)選為400~500°C，退火時間優(yōu)選為4~64 h。
[0011] 進一步，所述制備方法由步驟(IM 5)組成。
[0012] 本發(fā)明制得的銅合金包括如下特征:該銅合金以長條棒或線的形式存在，其中鈮 以納米纖維和固溶原子的形式分布在銅基體中，大部分鈮納米纖維在銅基體中近似平行排 列，這些纖維軸向與銅合金棒或線軸向大致平行;鉻以納米顆粒和固溶原子的形式分布在 鈮纖維周圍及銅基體中，鋯以銅鋯化合物納米顆粒和固溶原子的形式分布在鈮纖維周圍及 銅基體中，鈦以銅鈦GP區(qū)和固溶原子形式分布在銅基體中；銅合金中所包含的鈮、鉻、鋯固 溶原子的總量小于0.2%;部分鉻和銅鋯化合物納米顆粒釘扎在鈮納米纖維和銅基體的相界 面上。
[0013] 本發(fā)明制得的這種銅合金強度達到800 MPa以上，電導率達到78%IACS以上且400 °C退火2h強度下降率〈10%，達到了時速400公里以上的高速鐵路系統(tǒng)對接觸線材料的要求。
[0014] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的銅合金具有以下有益效果： 1、本發(fā)明利用液氮低溫處理，使他、&、2^11原子均盡可能脫溶，形成沉淀相，既提高 了合金強度，又凈化了銅基體，減少固溶原子散射效應，提高合金電導率。
[0015] 2、本發(fā)明制得的銅合金具有獨特的結(jié)構(gòu)和性能： 3、 利用Nb元素所形成的高密度納米纖維有效阻礙位錯運動而產(chǎn)生巨大的納米纖維強 化效果，提升合金整體強度水平，使得銅合金強度能達到800 MPa以上； 4、 利用纖維軸向與合金棒或線軸向大致平行，減少電子波在相界面的散射，保證合金 電導率保持在較高水平，達到78%I ACS以上； 5、 利用納米顆粒釘扎在纖維和銅基體的相界面上，阻止納米纖維在退火過程中的球化 趨勢，保障合金具有很高的抗軟化溫度，使得其400°C退火2h強度下降率〈10%; 6、 利用銅鈦條幅分解整體強化了銅基體，進一步提升合金強度。
【附圖說明】
[0016] 圖1為本發(fā)明實施例2所獲得的銅合金微觀結(jié)構(gòu)的掃描電鏡照片。
[0017] 圖2為本發(fā)明實施例1所獲得的銅合金的銅基體能譜所測試成分結(jié)果，表明基體含 有極少量的Nb、Zr、Cr元素。
【具體實施方式】
[0018] 下面以具體實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步說明，但本發(fā)明的保護范圍不限 于此： 實施例1: 以純銅，Cu-25%Nb中間合金，Cu-13%Cr中間合金，Cu-7%Zr中間合金，Cu-10%Ti中間合金 為原料，在真空感應熔煉爐中熔化并快速澆鑄于水冷銅模中，冷卻速度30°C/s，獲得Cu-3% Nb-l%Cr-0.5%Zr-0.2%Ti鑄錠。將鑄錠在室溫下進行多道次拉拔，單次拉拔變形量0.15，最 終達到5.5拉拔變形量。將拉拔變形的銅合金棒或線于375 °C退火100 h。將退火后的銅合 金再次進行室溫拉拔，拉拔變形量為0.5。將上述銅合金置于液氮冷凍處理72 h，之后緩慢 升溫到室溫，升溫速率5°C/min。采用標準拉伸試驗測試合金的抗拉強度，采用標準四點法 測試合金的室溫電導率，對合金進行400°C退火2 h的軟化試驗并測試強度下降率。
[0019] 實施例2: 以純銅，Cu-10%Nb中間合金，Cu-5%Cr中間合金，Cu-5%Zr中間合金，Cu-3%Ti中間合金為 原料，在真空感應熔煉爐中熔化并快速澆鑄于水冷銅模中，冷卻速度50°C/s，獲得Cu-10% Nb-O · 5%Cr-0 · 3%Zr-0 · l%Ti鑄錠。將鑄錠在室溫下進行多道次拉拔，單次拉拔變形量0 · 1，最 終達到6.0拉拔變形量。將拉拔變形的銅合金棒或線于450°C退火10 h。將退火后的銅合金 再次進行室溫拉拔，拉拔變形量為0.5。將上述銅合金置于液氮冷凍處理48 h，之后緩慢升 溫到室溫，升溫速率2°C/min。采用標準拉伸試驗測試合金的抗拉強度，采用標準四點法測 試合金的室溫電導率，對合金進行400°C退火2 h的軟化試驗并測試強度下降率。
[0020] 實施例3: 以純銅，Cu-20%Nb中間合金，Cu-10%Cr中間合金，Cu-6%Zr中間合金，Cu-5%T i中間合金 為原料，在真空感應熔煉爐中熔化并快速澆鑄于水冷銅模中，冷卻速度1 〇〇 °C/s，獲得〇1-20%Nb-0 . l%Cr-0. l%Zr-0.05%Ti鑄錠。將鑄錠在室溫下進行多道次拉拔，單次拉拔變形量 0.2,最終達到4拉拔變形量。將拉拔變形的銅合金棒或線于575°C退火I h。將退火后的銅合 金再次進行室溫拉拔，拉拔變形量為0.5。將上述銅合金置于液氮冷凍處理12 h，之后緩慢 升溫到室溫，升溫速率8°C/min。采用標準拉伸試驗測試合金的抗拉強度，采用標準四點法 測試合金的室溫電導率，對合金進行400°C退火2 h的軟化試驗并測試強度下降率。
[0021] 對上述實施例所獲得的合金采用高分辨能譜測試銅基體中Nb、Cr和Zr固溶原子的含 量，Ti固溶原子由于在能譜中無法與銅鈦GP區(qū)進行區(qū)分，故其含量無法測定，但從性能結(jié)果 反推，其含量應該極低，具體結(jié)果見表1.

*對比合金CuCr Zr ZnCoTiLa數(shù)據(jù)來目十專利CN1417357A。
【主權(quán)項】
1. 一種銅合金的制備方法，其特征在于:該銅合金含有重量百分比為3%~20%的鈮，0.01 ~1%的鉻，0.01~0.5%的鋯，0.01~0.2%的鈦，其余為銅;所述制備方法包括如下步驟： (1) 以單質(zhì)和/或中間合金為原料，按照所需配比投料，在真空感應熔煉爐中熔化并快 速澆鑄于水冷銅模中，冷卻速度大于20°C/s; (2) 將步驟（1)所得鑄錠在室溫下進行多道次拉拔，單次拉拔變形量小于0.3，最終達到 3.5以上拉拔變形量； (3) 將拉拔變形的銅合金棒或線于375~575°C退火1~100 h; (4) 將退火后的銅合金再次進行室溫拉拔，單次拉拔變形量在0.1~0.2之間，拉拔變形 量為0.5~1.0; (5) 將上述銅合金置于液氮冷凍處理12~72 h，之后緩慢升溫到室溫，升溫速率小于10 °C/min，得到所述銅合金。2. 如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于:步驟（1)中，中間合金是Cu-( 10%~25%)Nb 中間合金，Cu- (5%~13%) Cr中間合金，Cu- (5%~7%) Zr中間合金，Cu- (3%~10%) T i中間合金中的 一種或幾種。3. 如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于:步驟(1)中，冷卻速度為30~100°C/s。4. 如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于:步驟(2)中，單次拉拔變形量為0.1~0.2， 最終達到4~6拉拔量。5. 如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于:步驟(3)中，退火溫度為400~500°C，退火 時間為4~64 h。6. 如權(quán)利要求1~5之一所述的制備方法，其特征在于:所述制備方法由步驟（1M5)組 成。7. 如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于所制得的銅合金包括如下特征:該銅合金 以長條棒或線的形式存在，其中鈮以納米纖維和固溶原子的形式分布在銅基體中，大部分 鈮納米纖維在銅基體中近似平行排列，這些纖維軸向與銅合金棒或線軸向大致平行;鉻以 納米顆粒和固溶原子的形式分布在鈮纖維周圍及銅基體中，鋯以銅鋯化合物納米顆粒和固 溶原子的形式分布在鈮纖維周圍及銅基體中，鈦以銅鈦GP區(qū)和固溶原子形式分布在銅基體 中；銅合金中所包含的鈮、鉻、鋯固溶原子的總量小于0.2%;部分鉻和銅鋯化合物納米顆粒 釘扎在鈮納米纖維和銅基體的相界面上。8. 如權(quán)利要求7所述的制備方法，其特征在于:所述銅合金強度達到800 MPa以上，電導 率達到78%IACS以上且400°C退火2h強度下降率〈10%。
【文檔編號】C22C1/02GK106086505SQ201610325245
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年5月16日
【發(fā)明人】劉嘉斌, 梅樂, 孟憲旗, 趙紅彬
【申請人】浙江大學