專利名稱：：一種超長Cu-Cr-Zr合金接觸線的制備方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及一種銅基合金加工，尤其是涉及一種超長Cu-Cr-Zr合金接觸線的制備方法。
背景技術：
：電氣化鐵路用接觸線的作用是通過與電力機車受電弓滑板滑動摩擦直接接觸向電力機車輸送電流，所需導體合金要工作在電流傳導、懸掛張力、運行沖擊、溫度變化、環(huán)境因素影響和滑板磨耗等惡劣條件下，因此要求接觸線材料應具有較高的抗拉強度和電導率，并兼有較高的抗高溫軟化能力。隨著鐵路電氣化的高速發(fā)展，鐵路運輸一再提速，對于電氣化鐵路用接觸線性能要求越來越高。然而，導體合金的強度與導電性一般呈反函數(shù)關系，即采用特定技術提高強度則往往以犧牲電導率為代價，或者為改善電導率則往往損失強度。因此，非常需要采用特定技術能夠同時獲得滿足鐵路實際架線要求并具有良好使用性能的接觸線用合金。目前高速電氣化列車接觸線采用的導體合金主要有Cu-Mg、Cu-Sn、Cu-Ag、Cu-Cd、Cu-Sn-Ag、Cu-Ag-Zr、Cu-Cr-Zr及Cu包鋼、Al包鋼等雙金屬復合材料等。在這些合金中，Cu-Cr-Zr展示了更為突出的強度和電導率匹配關系。然而，在材料制備過程中，由于Cr、Zr合金元素熔點顯著高于Cu，且熔化狀態(tài)下極易氧化、揮發(fā)并與許多接觸物質(zhì)發(fā)生反應，加之熔體易吸氣、偏析及雜質(zhì)不易排除等因素，導致材料制備困難及實際性能難以達到理想匹配狀態(tài)。Cu-Cr-Zr為沉淀強化型合金，在制備過程中必須采用固溶處理工藝，增加了專用熱處理設備及組織過燒等風險因素。另外，鐵路實際架線要求線材具有連續(xù)長度，在此長度范圍內(nèi)，要嚴格保持材料成分、組織及性能的穩(wěn)定性，進一步增大了材料制備難度及成本。專利CN02128927.1公開了再結(jié)晶接觸線桿坯的制造方法，采用上引(或水平連鑄)及連續(xù)擠壓等工序，可生產(chǎn)重1500kg的O16mm無氧桿坯，成本及能源消耗較低。CN200510082133.9公開了Cu-(0.120.3)%Ag-(0.01~0.05)%O電車架空線的制造方法，采用連續(xù)鑄造及熱、冷加工等工藝得到標稱截面積為80170mm2的線材，強度和電導率高于400MPa及97XIACS。CN200610039986.9公開了通過上引連鑄、加熱連續(xù)擠壓及拉拔等過程生產(chǎn)Cu-(0.15~0.35)%Sn-(0.005~0.01)%Zr-(0.005~0.02)%RE接觸線的制造方法，可獲得高于430MPa的抗拉強度及低于0.0225Q'mm2/m的電阻率，300'C軟化后強度仍高于390MPa。CN200610048186.3公開了Cu-(0.05~0.35)%Mg-(0.35~0.05)%Sn并添加(0.003~0.025)%RE(Ce或Ce+La)的接觸線加工技術，主要工藝過程為熔煉、上引連鑄、擠壓、冷軋或拉拔等。上述合金主要通過熔煉和壓力變形加工，工藝過程比較簡單，所需加工設備較少，成本較低，但主要依賴合金元素的固溶強化和加工硬化方式強化，產(chǎn)品性能特別是抗拉強度難以達到很高水平，不能滿足時速350km以上高速電氣化列車接觸線的性能要求。CN200410060463.3公開了Cu-(0.020.4)%Zr-(0.04~0.16)%Ag合金的制備技術，CN200510017889.5及CN200510043073.X在上述合金系統(tǒng)中又增加了一定量的稀土元素。這些合金加工的主要工序為真空熔煉、Ar保護澆注、鍛造、固溶水冷、冷拉拔變形、時效處理及再次冷變形等，強度可達到500600MPa，電導率可保持在80%IACS以上。這種制備技術必須利用真空感應爐熔煉、鍛造開坯以及固溶處理等方法，需要控制后續(xù)冷變形加工程度與配合，在超長單根接觸線的實際生產(chǎn)中較難實施。另外，這些合金中均含有昂貴的Ag元素，且需額外添加稀土元素，提高了材料成本和成分的復雜性。CN200410025886.1,CN200510096378.7及CN200510124589.7公開了Cu畫(0.20~0.40)%Cr-(0.05~0.15)%Ag國(0~0.09)0/0RE，Cu-(0.42~0.64)%Cr-(0.05~0.15)%Ag-(0~0.09)0/0RE及Cu-(0.2~0.72)%Cr-(0.07~0.15)%Ag接觸線制備方法，可在大氣條件下熔煉，但仍含昂貴的Ag元素，并需要固溶處理等。CN200610019238.4公開了Cu-(0.4~1.1)%Cr-(0.02~0.08)%Nd合金制備工藝，在加工過程中無需專門的固溶處理，但Cr含量較高，且熔煉時需以純Cr方式加入，成分均勻性難以保證，也必須采用真空熔鑄。對于Cu-Cr-Zr合金系統(tǒng)，CN03135758.X公開了采用真空熔煉、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，可以獲得良好的導電、導熱、高溫強度及抗軟化性能，但由于受加工技術特點的限制，況且合金元素含量較高，只適用于制造尺寸較小的電阻焊電極及引線框架等產(chǎn)品，無法在制造超長接觸線中實際應用。CN200610017523.2和CN02148648.分別公開了Cu-(0.05~0.40)%Cr-(0.05~0.20)%Zr-《0.20%(^6+丫)及Cu-(0.01~1.0)%Cr-(0.01~0.6)%Zr-(0.05~1.0)%Zn-(0.01~0.30)%(La+Ce)兩種合金成分及制備技術，可以獲得較高的強度和電導率，耐熱性及耐磨性優(yōu)良，但需要額外添加稀土元素凈化合金和改善組織，其中一種合金除要另添加Zn外，還要進一步添加Co、Fe、Ti等輔助元素保證性能，化學成分復雜。另外，兩種合金均需要真空熔煉和專門的固溶處理。一些美國專利也涉及了Cu-Cr-Zr合金的制備技術。US6679955公開了Cu-(3~20)%Ag-(0.5~1.5)%Cr-(0.05~0.5)%Zr合金的制備技術，此合金依靠快速凝固獲得過飽和固溶體經(jīng)形變熱處理沉淀硬化，但需有Ag元素的聯(lián)合作用，況且注重的是熱傳導性能的提高而未涉及導電性能。US7172665公開了Cu-(2~6)%Ag-(0.5~0.9)°/。Cr合金的制備技術，此合金也可以再添加(0.050.2)。/。Zr，工藝中包括均勻化處理、熱變形及固溶處理等復雜過程，同樣有昂貴的Ag元素，也注重的是熱傳導性能，也未涉及導電性能。US6881281提供了一種具有優(yōu)良疲勞及中溫性能的高強高導Cu-(0.05-1.0)%Cr-(0.05~0.25)%Zr合金，其中含有一定尺寸的Zr及Cu-Zr化合物粒子，這些粒子可以與雜質(zhì)S結(jié)合而降低晶界S濃度，進而改善了合金在250~55(TC的晶界強度。然而，此合金除需要固溶處理外，尚需嚴格控制固溶處理參數(shù)以調(diào)節(jié)S的濃度。US5210441和US5341025公布了一種集成電路引線框架用Cu-(0.1l)。/。Cr-(0.010.5)。/。Zr合金，主要提出了Zr粒子脫溶及分布控制，所描述的技術僅適用于制備帶材或箔材等型材，不適用于制備接觸線型材。US40677501提供了改善Cu-(0.05-1.25)%Cr-(0.011.0)%Zr-(0.01-1.0)%￥合金強度和電導率的加工工藝，依靠熱軋及固溶提高Cu基體的溶質(zhì)溶解度，便于后續(xù)的變形及時效過程產(chǎn)生有效的強化效應，但需要熱、冷變形的合理匹配和較大的變形量來保證性能水平，同樣僅適用于生產(chǎn)板材而不適于生產(chǎn)線材。US2002/0189729A1提出了一些Cu合金的動態(tài)再結(jié)晶細化晶粒技術，其中包括Cu-(0.020.40)。/。Cr"(0.10.25)y。Zr合金，通過冷軋及隨后的去應力退火可獲得直徑小于1pm的動態(tài)再結(jié)晶細晶粒，有較高的強度和良好的延伸率，但此技術也只適用于生產(chǎn)帶材和箔材而不適于生產(chǎn)線材，并且未涉及導電性能和高溫抗軟化性能。US6767643及US6093499公開了Cu-(0.012.0)%Cr-(0.01~1.0)%Zr及Cu-(0.01~0.4)%Cr-(0.01~0.2)%Zr-(0.02~2.0)%Zn的制備技術，后者尚視實際需要還要再添加Fe，Ti，Ni，Sn，In,Mn，P,Mg，Al,B,As,Cd,Co,Te,Ag及Hf等輔助元素，僅適于制備層狀復合材料使用的箔材，合金元素含量范圍過大或比較復雜，性能難以控制，而且電導率也較低，僅約50XIACS左右。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種超長Cu-Cr-Zr合金接觸線的制備方法。通過在液面保護下的大氣熔煉、上引連鑄、冷變形及熱處理等工藝環(huán)節(jié)的相互作用，可制備出具有良好強度、電導率及抗軟化性能的超長Cu-Cr-Zr合金線材，化學成分簡單，不含昂貴的合金元素，設備投資較少，成本較低，易于工業(yè)化生產(chǎn)。本發(fā)明達到上述目的所采用的技術方案如下將電解Cu及Cu-Cr、Cu-Zr、Cu-Si中間合金按所制備合金成分質(zhì)量百分數(shù)配料，其中Cr含量為(0.30~0.50)%，Zr含量為(0.10~0.15)%，Si含量為(0.01~0.02)%，其余為Cu。該方法的步驟如下1)感應爐升溫至1200。C熔化電解Cu，采用木炭、石墨片保護，再添加Cu-Cr、Cu-Zr及Cu-Si中間合金；2)充分熔化后攪拌均勻并靜置15min;3)上引連鑄毛坯桿；4)毛坯桿擠壓；5)擠壓桿退火；6)拉拔及軋制截面具有對稱溝槽的成品接觸線材。所采用的中間合金成分為Cu-5%Cr、Cu-15。/。Zr及Cu-20。/oSi。上引連鑄溫度為12001250°C，上引速率為150250mm/min，上引毛坯桿規(guī)格為0>16<D22mm。上引毛坯桿連續(xù)擠壓后的擠壓桿規(guī)格為O24~0)31mm。擠壓桿退火溫度為450500aC，退火時間為l4h。軋制或拉拔的成品接觸線材公稱截面積為110-150mm2。成品接觸線單根長度為10001500m，抗拉強度為540600MPa，相對電導率為(7584)^IACS，在400°C軟化退火2h后強度下降不超過10%。本發(fā)明與
背景技術：
相比具有的有益效果是(1)可在大氣環(huán)境采用木炭、石墨片保護熔煉及上引連鑄制造線材桿坯技術，代替真空熔鑄并熱變形開坯技術，無需大型真空熔煉爐及熱開坯設備。(2)采用控制凝固冷速、連續(xù)擠壓及強化退火等各工藝優(yōu)化匹配技術，細化鑄態(tài)晶粒，避免次生相粒子的先期析出，并造成直接沉淀強化效應，省略了通常的高溫固溶熱處理設備及復雜工序。(3)合金系統(tǒng)中不含昂貴溶質(zhì)元素，化學成分比較簡單。(4)在簡化工藝、設備及成分的條件下，可獲得強度和電導率具有高匹配水平的電氣化列車接觸線合金材料，適于超長線材的工業(yè)化生產(chǎn)，成本較低。具體實施方式所制備的合金采用電解Cu及Cu-Cr、Cu-Zr、Cu-Si中間合金按質(zhì)量百分數(shù)配料，Cr含量為(0.30~0.50)%，Zr含量為(0.10~0.15)%，Si含量為(0.01~0.02)%，其余為Cu。所采用的中間合金成分為Cu-5°/。Cr、Cu-15e/oZr及Cu-20c/。Si。所采用的熔煉方式為將電解Cu置于感應爐中，采用木炭、石墨片保護，于120(TC熔化后加入Cu-Cr、Cu-Zr及Cu-Si中間合金，充分熔化后攪拌均勻并靜置15min。后續(xù)加工順序過程如下上引連鑄毛坯桿一毛坯桿連續(xù)擠壓一退火熱處理一軋制或拉拔成具有對稱溝槽的公稱截面積的成品線材。具體實施控制的工藝參數(shù)為上引溫度，上引速率，上引毛坯桿直徑，擠壓桿直徑，退火溫度，退火時間及成品線材公稱截面積。在不同實施例中控制的后續(xù)加工工藝參數(shù)如下表所示:<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>上述實施例中制備的合金性能如下表:<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>權(quán)利要求1.一種超長Cu-Cr-Zr合金接觸線的制備方法，合金成分質(zhì)量百分數(shù)為含量為(0.30～0.50)％Cr，(0.10～0.15)％Zr，(0.01～0.02)％Si，其余為Cu，其特征在于，該方法的步驟如下1)感應爐升溫至1200℃熔化電解Cu，采用木炭、石墨片保護，再添加Cu-Cr、Cu-Zr及Cu-Si中間合金；2)充分熔化后攪拌均勻并靜置15min；3)上引連鑄毛坯桿；4)毛坯桿擠壓；5)擠壓桿退火；6)拉拔及軋制截面具有對稱溝槽的成品接觸線材。2.根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種超長Cu-Cr-Zr合金接觸線的制備方法，其特征在于所采用的中間合金成分為Cu-5。/。Cr、Cu-15n/。Zr及Cu-20。/c)Si。3.根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種超長Oi-Cr-Zr合金接觸線的制備方法，其特征在于上引連鑄溫度為1200~1250°C，上引速率為150~250mm/min，上引毛坯桿規(guī)格為<1>16~022mm。4.根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種超長Cu-Cr-Zr合金接觸線的制備方法，其特征在于上引毛坯桿連續(xù)擠壓后的擠壓桿規(guī)格為。24~0>31mm。5.根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種超長Cu-Cr-Zr合金接觸線的制備方法，其特征在于擠壓桿退火溫度為450~500aC，退火時間為l4h。6.根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種超長Cu-Cr-Zr合金接觸線的制備方法，其特征在于軋制或拉拔的成品接觸線材公稱截面積為110150mm2。7.根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種超長Cu-Cr-Zr合金接觸線的制備方法，其特征在于成品接觸線單根長度為10001500m，抗拉強度為540600MPa，相對電導率為(7584)XIACS，在400。C軟化退火2h后強度下降不超過10%。全文摘要本發(fā)明公開了一種超長Cu-Cr-Zr合金接觸線的制備方法。感應爐中熔煉含量為Cu-(0.30～0.60)％Cr-(0.10～0.15)％Zr-(0.01～0.02)％Si合金，通過連續(xù)鑄造鑄、擠壓、熱處理、冷拉拔及軋制等工藝，制備公稱截面積為110～150mm²的接觸線，在簡化工藝、設備及合金成分比較簡單的條件下，使得單根成品長度達到1000～1500m的接觸線具有優(yōu)良的抗拉強度、電導率及抗高溫軟化能力。文檔編號C22C1/03GK101531149SQ200910097340公開日2009年9月16日申請日期2009年4月9日優(yōu)先權(quán)日2009年4月9日發(fā)明者增于,亮孟,張曙光,張進東,方攸同,李金華,王祖峰,王立天,董安平,國韋申請人:中鐵電氣化局集團有限公司;河北晶輝電工有限公司;浙江大學