作為時速400公里以上高速鐵路接觸線材料應(yīng)用的超強(qiáng)高導(dǎo)銅合金的制作方法
【專利摘要】作為時速400公里以上高速鐵路接觸線材料應(yīng)用的超強(qiáng)高導(dǎo)銅合金，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；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。
【專利說明】
作為時速400公里以上高速鐵路接觸線材料應(yīng)用的超強(qiáng)高導(dǎo) 銅合金
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種Cu合金及其作為高速鐵路尤其是時速400公里以上高速鐵路接觸 線材料的應(yīng)用。
【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(shí)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(yùn)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(qiáng)度、低線密度、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)。
[0003] 目前高鐵接觸線采用的導(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(dǎo)電、導(dǎo)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(qiáng)高導(dǎo)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(qiáng)度和電導(dǎo)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(qiáng)度>680 MPa，電導(dǎo)率>78%IACS且400度退火2h強(qiáng)度下降率〈10%水平。如此苛刻的性能標(biāo)準(zhǔn) 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(yīng)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(qiáng)高導(dǎo)銅合金及其作為高速鐵路尤其是時速在400公 里以上的尚速鐵路接觸線材料的應(yīng)用。
[0006] 為實(shí)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，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;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。
[0007] 進(jìn)一步，所述銅合金通過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，在真空感應(yīng)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(jìn)行多道次拉拔，單次拉拔變形量小于0.3，最終達(dá)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(jìn)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。
[0008] 更進(jìn)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。
[0009] 更進(jìn)一步，步驟(1)中，冷卻速度優(yōu)選為30~100°C/s。
[0010] 更進(jìn)一步，步驟(2)中，優(yōu)選單次拉拔變形量為0.1~0.2，最終達(dá)到4~6拉拔量。
[0011] 更進(jìn)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。
[0012] 更進(jìn)一步，所述制備方法由步驟(1)~步驟(5)組成。
[0013] 本發(fā)明公開的這種銅合金強(qiáng)度達(dá)到800 MPa以上，電導(dǎo)率達(dá)到78%IACS以上且400 °C退火2h強(qiáng)度下降率〈10%，達(dá)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。 故本發(fā)明進(jìn)一步提供了所述銅合金作為高速鐵路尤其是時速400公里以上的高速鐵路接觸 線材料的應(yīng)用。
[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Nb元素所形成的高密度納米纖維有效阻礙位錯運(yùn)動而產(chǎn)生巨大的納米 纖維強(qiáng)化效果，提升合金整體強(qiáng)度水平，使得銅合金強(qiáng)度能達(dá)到800 MPa以上； 2、 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(dǎo)率保持在較高水平，達(dá)到78%I ACS以上； 3、 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(qiáng)度下降率〈10%。
[0015] 4、利用銅鈦條幅分解整體強(qiáng)化了銅基體，進(jìn)一步提升合金強(qiáng)度。
[0016] 5、利用液氮低溫處理，使他、&、2^1^原子均盡可能脫溶，形成沉淀相，既提高了 合金強(qiáng)度，又凈化了銅基體，減少固溶原子散射效應(yīng)，提高合金電導(dǎo)率。
【附圖說明】
[0017] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例2所獲得的銅合金微觀結(jié)構(gòu)的掃描電鏡照片。
[0018] 圖2為本發(fā)明實(shí)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(shí)施方式】
[0019] 下面以具體實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步說明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限 于此： 實(shí)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(yīng)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(jìn)行多道次拉拔，單次拉拔變形量0.15，最 終達(dá)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)拉伸試驗(yàn)測試合金的抗拉強(qiáng)度，采用標(biāo)準(zhǔn)四點(diǎn)法 測試合金的室溫電導(dǎo)率，對合金進(jìn)行400°C退火2 h的軟化試驗(yàn)并測試強(qiáng)度下降率。
[0020] 實(shí)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(yīng)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(jìn)行多道次拉拔，單次拉拔變形量0 · 1，最 終達(dá)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)拉伸試驗(yàn)測試合金的抗拉強(qiáng)度，采用標(biāo)準(zhǔn)四點(diǎn)法測 試合金的室溫電導(dǎo)率，對合金進(jìn)行400°C退火2 h的軟化試驗(yàn)并測試強(qiáng)度下降率。
[0021] 實(shí)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(yīng)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(jìn)行多道次拉拔，單次拉拔變形量 0.2,最終達(dá)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)拉伸試驗(yàn)測試合金的抗拉強(qiáng)度，采用標(biāo)準(zhǔn)四點(diǎn)法 測試合金的室溫電導(dǎo)率，對合金進(jìn)行400°C退火2 h的軟化試驗(yàn)并測試強(qiáng)度下降率。
[0022] 對上述實(shí)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(jìn)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(yīng)該極低，具體結(jié)果見表1.

*對比合金CuCr Zr ZnCoTiLa數(shù)據(jù)來自于專利CN1417357A。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種銅合金，其特征在于：該銅合金含有重量百分比為3%~20%的鈮，Ο . 01~1%的鉻， 0.01~0.5%的鋯，0.01~0.2%的鈦，其余為銅;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。2. 如權(quán)利要求1所述的銅合金，其特征在于:所述銅合金強(qiáng)度達(dá)到800 MPa以上，電導(dǎo)率 達(dá)到78%IACS以上且400°C退火2h強(qiáng)度下降率〈10%。3. 如權(quán)利要求1或2所述的銅合金，其特征在于:所述銅合金通過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，在真空感應(yīng)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(jìn)行多道次拉拔，單次拉拔變形量小于0.3，最終達(dá)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(jìn)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。4. 如權(quán)利要求3所述的銅合金，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。5. 如權(quán)利要求3所述的銅合金，其特征在于:步驟(1)中，冷卻速度為30~100°C/s。6. 如權(quán)利要求3所述的銅合金，其特征在于:步驟(2)中，單次拉拔變形量為0.1~0.2，最 終達(dá)到4~6拉拔量。7. 如權(quán)利要求3所述的銅合金，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。8. 如權(quán)利要求3所述的銅合金，其特征在于:所述制備方法由步驟(1)~步驟(5)組成。9. 如權(quán)利要求1所述的銅合金作為高速鐵路接觸線材料的應(yīng)用。10. 如權(quán)利要求9所述的應(yīng)用，其特征在于:所述高速鐵路時速在400公里以上。
【文檔編號】C22F1/08GK106086504SQ201610319172
【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, 徐雨晴, 王宏濤, 方攸同, 孟亮, 王立天, 田雨
【申請人】浙江大學(xué)