高強高導銅合金及其作為時速400公里以上高速鐵路接觸線材料的應(yīng)用
【專利摘要】高強高導銅合金及其作為時速400公里以上高速鐵路接觸線材料的應(yīng)用，該銅合金包括如下特征：（1）該銅合金成分符合此形式：CuXY，其中X選自Ag、Nb和Ta中的至少一種，Y選自Cr、Zr和Si中的至少一種；（2）在室溫條件下，銅合金中X元素以純相和固溶原子形式存在，Y元素以純相和固溶原子或者CuY化合物和固溶原子形式存在，其中以固溶原子形式存在的X和Y元素的含量分別小于0.5%和0.1%；（3）銅合金以長條棒或線的形式存在，純相形式的X元素以近似平行排列的纖維形式嵌在銅合金內(nèi)部，纖維軸向與銅合金棒或線軸向大致平行；銅合金中純相或CuY化合物形式的Y元素以顆粒形式嵌在銅合金內(nèi)部。該銅合金適合作為時速400公里以上高速鐵路的接觸線材料。
【專利說明】
高強高導銅合金及其作為時速400公里從上高速鐵路接觸線 材料的應(yīng)用
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種Cu合金及其應(yīng)用，是作為高速鐵路尤其是時速400公里W上高速 鐵路的接觸線材料的應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 從2009年起我國高速電氣化鐵路下簡稱高鐵)得到實質(zhì)性飛躍式發(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W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屯、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等系列化合金，其中化-Cr-化顯示了更為優(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)。通過烙煉、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、 壓巧、燒結(jié)、擠壓獲得Cu-(〇.〇l~2.5)%Cr-(0.(n~2.0)%Zr-(0.(n~2.0)%(Υ, La, Sm)合金棒 材或片材的制備方法，可W獲得良好的導電、導熱及抗軟化性能。專利CN200610017523.2公 開了Cu-(0.05~0.40)%吐-(0.05~0.2)%Zr-<0.20%(Ce+Y)合金成分及其制備技術(shù)，通過烙 煉、鍛造、固溶、變形、時效獲得高強高導綜合性能W及較好的耐熱性和耐磨性。專利 CN02148648.4 公開了 Cu-(0.01 ~1.0)%Cr-(0.01 ~0.6)%Zr-(0.05 ~1.0)%Zn-(0.01 ~0.30)〇/〇 (La+Ce)合金成分及制備技術(shù)，通過烙煉、熱社、固溶、冷社、時效、終社等過程可獲得較高的 強度和電導率。
[0004] 美國專利US6679955公開了通過快速凝固獲得過飽和固溶體經(jīng)形變熱處理沉淀硬 化的 Cu-(3 ~20)%Ag-(0.5 ~1.5)%吐-(0.05 ~0.5)%Zr 合金的制備技術(shù)。US7172665 公開了 Cu- (2~6)%Ag-(0.5~0.9)%Cr合金的制備技術(shù)，工藝包括均勻后處理、熱變形及固溶處理等過 程，并可再添加(0.05~0.2)%ZrDUS6881281提供了一種具有優(yōu)良疲勞和中溫特性的高強高 導化-(0.05~1.0 )%吐-(0.05~0.25 )%Zr合金，通過嚴格控制固溶處理參數(shù)W調(diào)節(jié)S的濃度保 障良好性能。
[0005] 隨著高速電氣化鐵路的持續(xù)發(fā)展，尤其是國家十Ξ五規(guī)劃明確提出在2020年需建 成時速在400公里W上的高速鐵路系統(tǒng)，使得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°C退火化強度下降率<10%的水平。如此苛刻的性能標 準使得目前所使用的化-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W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W適應(yīng)高鐵的持續(xù)提速發(fā)展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種高強高導銅合金及其作為高速鐵路接觸線材料的應(yīng)用， 該銅合金能滿足時速在400公里W上的高速鐵路系統(tǒng)對接觸線材料的要求。
[0007] 下面對本發(fā)明為實現(xiàn)上述發(fā)明目的所采用的技術(shù)方案做具體說明。
[000引本發(fā)明提供了一種銅合金，包括如下特征： 1、 該銅合金成分符合此形式:化XY，其中X選自Ag、佩和化中的至少一種，Y選自化、Zr和 Si中的至少一種；銅合金中，X元素的總含量大于0.01且不高于20%，Υ元素的總含量大于 0.01且不高于2%，并且，Cr的含量范圍在0.01~1.5%，化的含量范圍在0.01~0.5%，Si的含量 范圍在0.01~0.3%; 2、 在室溫條件下，該銅合金中X元素 W純相和固溶原子兩種形式存在，其中W固溶原子 的形式的X元素含量小于0.5%;Υ元素 W純相和固溶原子或者CuY化合物和固溶原子的形式 存在，其中W固溶原子的形式的Y元素的含量小于0.1%; 3、 該銅合金W長條棒或線的形式存在，其中，純相形式的X元素 W近似平行排列的纖維 形式嵌在銅合金內(nèi)部，纖維軸向與銅合金棒或線軸向大致平行，且纖維的直徑小于100 nm， 長度大于1000 nm，纖維間距小于1000 nm，纖維與Cu基體的相界面為半共格界面，界面上分 布有周期排列的錯配位錯;本領(lǐng)域技術(shù)人員可W理解的是，X纖維在銅合金內(nèi)不可能是數(shù)學 意義上的絕對"平行排列"，纖維軸向與銅合金棒或線軸向也不可能是數(shù)學意義上的絕對 "軸向平伊'，所W此處使用"近似"和"大致"更符合實際情況； 該銅合金中純相或化合物形式的Y元素 W顆粒形式嵌在銅合金內(nèi)部，且30%W上的顆粒 分布在X纖維與化基體的相界面上，顆粒的直徑小于30 nm，間距小于200 nm，顆粒與化基體 W及顆粒與X纖維的相界面為半共格界面或者非共格界面。
[0009] 進一步，銅合金中X元素的總含量優(yōu)選為3%~12%。
[0010] 進一步，銅合金中Y元素的總含量優(yōu)選為0.1%~1.5〇/〇。
[0011] 更進一步，所述的銅合金為下列之一 ：Cu-12%Ag-0.3%吐-0. l%Zr-0.05%Si、Cu-12〇/〇 Ag-12%Nb-l.3%Cr-0.4%化-0.3%Si、Cu-0.l%Ag-0.l%Cr-0.l%Zr、Cu-12%Nb-l%Cr-0.4%化- 0.l%Si、Cu-6%Ag-6%Ta-0.l%Cr、Cu-3%Ag-0.8%Cr-0.5%Zr-0.3%Si。
[0012] 進一步，所述的銅合金通過下列方法制備:將單質(zhì)和/或中間合金原料按照設(shè)計的 合金成分配比裝入真空烙煉爐，升溫烙化并誘鑄于模具中獲得鑄錠，對鑄錠在室溫下進行 多道次拉拔變形為長條棒或線，使樣品截面收縮率達到80%W上，之后對長條棒或線進行退 火，退火的溫度選取在使X元素組成的纖維不發(fā)生球化斷裂且能使Y元素形成納米析出相的 范圍，退火的時間選取在使X元素組成的纖維不發(fā)生球化斷裂且使大于50%的Y元素形成納 米析出相的范圍，之后對所得合金再次進行拉拔，此階段樣品截面收縮率在50%W內(nèi)，之后 對所得合金進行液氮冷凍處理，使殘存在銅基體中的X或Y固溶原子繼續(xù)析出，之后緩慢升 溫到室溫從而獲得銅合金。
[0013] 更進一步，液氮冷凍處理時間優(yōu)選為^100小時。
[0014] 更進一步，對合金進行液氮冷凍處理后，優(yōu)選W2~10°C/min的速率升溫至室溫。 [001引本發(fā)明中，制備原料可W是單質(zhì)和/或中間合金，所述的中間合金可W是Cu-(5%~ 500/0)佩、Cu-( 3% ~20%) Cr、Cu-( 4% ~15%) Zr、Cu-( 5% ~20%) Si 等。
[0016] 本發(fā)明公開的運種銅合金強度達到690 MPaW上，電導率達到79%IACSW上且400 °C退火化強度下降率<10%，達到了時速400公里W上的高速鐵路系統(tǒng)對接觸線材料的要求。 故本發(fā)明進一步提供了所述銅合金作為高速鐵路尤其是時速400公里W上的高速鐵路接觸 線材料的應(yīng)用。
[0017] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的銅合金具有W下有益效果： 1、 本發(fā)明利用X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690 MPaW上； 2、 利用纖維軸向與合金棒或線軸向平行，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79%IACS W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退火化強度下降率<10%。
[0018] 4、利用液氮低溫處理，顯著降低合金元素在銅基體的固溶度，提高析出趨勢，促進 殘余固溶原子繼續(xù)析出，進一步凈化銅基體提高電導率。
【附圖說明】
[0019] 圖1為實施例4所獲得的銅合金的掃描電鏡圖。
[0020] 圖2為實施例1所獲得的合金中Ag纖維與Cu基體半共格界面的透射電鏡照片，界面 上存在周期排列的錯配位錯。
[0021] 圖3為實施例2所獲得的合金中佩納米纖維的掃描電鏡照片。
[0022] 圖4為實施例3所獲得的合金中化納米顆粒的透射電鏡照片。
【具體實施方式】
[0023] 下面W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: W純Cu、純Ag、純吐、純化和純Si為原料，采用真空烙煉爐升溫烙化并誘鑄獲得化-12% Ag-0.3%吐-0. l%Zr-0.05%Si鑄棒，對鑄棒在室溫進行多道次拉拔使其截面收縮率達到80%。 將所得樣品置于300°C退火24h，之后于室溫繼續(xù)拉拔，此階段截面收縮率為50%，最后將樣 品置于液氮中保溫24 h后WlO°C/min速率恢復室溫，使所得合金包含大量細密的Ag納米纖 維和Cr、Zr、Si納米粒子。納米纖維平均直徑50 nm，長度大于2000 nm，纖維間距小于1000 nm，且纖維與銅基體的界面為半共格界面，界面上每間隔9個Cu的（111)原子面出現(xiàn)一個錯 配位錯?；?、Z;r、Si納米粒子的平均直徑30加1，間距小于200加1，化、Z;r、Si納米粒子與Cu基 體的相界面是半共格界面，與X纖維的相界面為非共格界面。
[0024] 實施例2: W純化、Cu-20%佩中間合金、化-5%Cr中間合金、純Zr和純S i為原料，采用真空烙煉爐升 溫烙化并誘鑄獲得化-12%抓-1%化-0.2%Zr-0. l%Si鑄棒，對鑄棒在室溫進行多道次拉拔使 其截面收縮率達到85%。之后將樣品置于32(TC退火16 h，將所得樣品再次進行拉拔，此階段 截面收縮率為30%，最后將樣品置于液氮中保溫100 h后W5°C/min升溫恢復室溫，使所得合 金包含大量細密的師納米纖維和化、Zr、Si納米粒子。納米纖維平均直徑100 nm，長度大于 1000 nm，纖維間距小于8000 nm，且纖維與銅基體的界面為半共格界面，界面上每間隔13個 Cu的（111)原子面出現(xiàn)一個錯配位錯。燈、化、Si納米粒子的平均直徑25nm，間距小于150 nm，化、Zr、Si納米粒子與化基體的相界面是半共格界面，與X纖維的相界面為非共格界面。
[0025] 實施例3: W純化、純Ag、化-15%Ta中間合金、Cu-3%Cr中間合金為原料，采用真空烙煉爐升溫烙化 并誘鑄獲得Cu-6%Ag-6%化-0.1%吐鑄棒，對鑄棒在室溫進行多道次拉拔使其截面收縮率達 到85%。之后將樣品置于400°C退火化，將所得樣品再次進行拉拔，此階段截面收縮率為40%， 最后將樣品置于液氮中保溫化后/min升溫恢復室溫，使所得合金包含大量細密的Ag 和化納米纖維和化納米粒子。納米纖維平均直徑100加1，長度大于1000加1，纖維間距小于 1000皿，且纖維與銅基體的界面為半共格界面，Cu/Ag界面上每間隔9個Cu的（111)原子面 出現(xiàn)一個錯配位錯，加/化界面上每間隔10個Cu的（111)原子面出現(xiàn)一個錯配位錯。吐納米 粒子的平均直徑20 nm，間距小于100加 1。吐納米粒子彌散分布在銅晶粒內(nèi)部和纖維界面， 化納米粒子與化基體的相界面是半共格界面，與X纖維的相界面為非共格界面。
[0026] 實施例4: W純Cu、純Ag、Cu-50%Nb中間合金、Cu-10%吐中間合金、Cu-15%Zr中間合金和Cu-5%S i中 間合金為原料，采用真空烙煉爐升溫烙化并誘鑄獲得Cu-12%Ag-12%Nb-l. 3%Cr-0.4%Zr- 0.3%Si鑄棒，對鑄棒在室溫進行多道次拉拔使其截面收縮率達到95%。之后將樣品置于300 °C退火化，將所得樣品再次進行拉拔，此階段截面收縮率為30%，最后將樣品置于液氮中保 溫20化后WlO°C/min升溫恢復室溫，使所得合金包含大量細密的Ag和Nb納米纖維和化、Zr、 Si納米粒子。納米纖維平均直徑100 nm，長度大于3000 nm，纖維間距小于800 nm，且纖維與 銅基體的界面為半共格界面，Cu/Ag界面上每間隔9個化的（111)原子面出現(xiàn)一個錯配位錯， 化/Nb界面上每間隔13個Cu的（111)原子面出現(xiàn)一個錯配位錯。Cr、Zr、Si納米粒子的平均直 徑25nm，間距小于130 nm。化、Z;r、Si納米粒子彌散分布在銅晶粒內(nèi)部和纖維界面，C;r、Z;r、Si 納米粒子與化基體的相界面是半共格界面，與X纖維的相界面為非共格界面。
[0027] 實施例5: W純Cu、純Ag、Cu-20%Cr中間合金、Cu-10%&中間合金和Cu-10%Si中間合金為原料，采 用真空烙煉爐升溫烙化并誘鑄獲得Cu-3%Ag-0.8%Cr-0.5%Zr-0.3%Si鑄棒，對鑄棒在室溫進 行多道次拉拔使其截面收縮率達到95%。之后將樣品置于250°C退火128 h，將所得樣品再次 進行拉拔，此階段截面收縮率為50%，最后將樣品置于液氮中保溫100 h后W8°C/min升溫恢 復室溫，使所得合金包含大量細密的Ag納米纖維和Cr、Zr、Si納米粒子。納米纖維平均直徑 40 nm，長度大于1500 nm，纖維間距小于2000 nm，且纖維與銅基體的界面為半共格界面， Cu/Ag界面上每間隔9個Cu的（111)原子面出現(xiàn)一個錯配位錯。Cr、Zr、Si納米粒子的平均直 徑15nm，間距小于90 nm?；?、Zr、Si納米粒子彌散分布在銅晶粒內(nèi)部和纖維界面，吐、化、Si 納米粒子與化基體的相界面是半共格界面，與X纖維的相界面為半共格界面。
[002引 對上述實施例所獲得的合金采用能譜測試銅基體中X和Υ固溶原子的含量結(jié)果見表1， 對上述實施例所獲得的合金采用掃描電鏡和透射電鏡結(jié)合能譜技術(shù)測量了纖維與基體的 相界面上納米顆粒占整體納米顆粒的比例，結(jié)果見表1. 表1實施例合金中銅基體X和Υ固溶原子的含量，及纖維與基體的相界面上納米顆粒所 占比例
對上述實施例所獲得的合金采用標準拉伸試驗測試強度和四點法測試室溫電導率，W 及在400度退火化測試強度下降率。所獲得的性能見表2. 表2合金主要性能對比
*對比合金CuCrZrSiCoTiLa數(shù)據(jù)來自于專利CN1417357A。
【主權(quán)項】
1. 一種銅合金，包括如下特征： (1) 該銅合金成分符合此形式:CuXY，其中X選自Ag、Nb和Ta中的至少一種，Y選自Cr、Zr 和Si中的至少一種；銅合金中，X元素的總含量大于0.01且不高于20%，Y元素的總含量大于 0.01且不高于2%，并且，〇的含量范圍在0.01~1.5%，24勺含量范圍在0.01~0.5%力的含量 范圍在0.01~0.3%; (2) 在室溫條件下，該銅合金中X元素以純相和固溶原子兩種形式存在，其中以固溶原 子的形式的X元素含量小于〇.5%;Υ元素以純相和固溶原子或者CuY化合物和固溶原子的形 式存在，其中以固溶原子的形式的Y元素的含量小于0.1%; (3) 該銅合金以長條棒或線的形式存在，其中，純相形式的X元素以近似平行排列的纖 維形式嵌在銅合金內(nèi)部，纖維軸向與銅合金棒或線軸向大致平行，且纖維的直徑小于100 nm，長度大于1000 nm，纖維間距小于1000 nm，纖維與Cu基體的相界面為半共格界面，界面 上分布有周期排列的錯配位錯； 該銅合金中純相或化合物形式的Y元素以顆粒形式嵌在銅合金內(nèi)部，且30%以上的顆粒 分布在X纖維與Cu基體的相界面上，顆粒的直徑小于30 nm，間距小于200 nm，顆粒與Cu基體 以及顆粒與X纖維的相界面為半共格界面或者非共格界面。2. 如權(quán)利要求1所述的銅合金，其特征在于:銅合金中X元素的總含量為3%~12%。3. 如權(quán)利要求1或2所述的銅合金，其特征在于:銅合金中Y元素的總含量為0.1%~1.5%。4. 如權(quán)利要求1所述的銅合金，其特征在于所述的銅合金為下列之一:Cu-12%Ag-0.3% Cr-0·l%Zr-0·05%Si、Cu-12%Ag-12%Nb-l·3%Cr-0·4%Zr-0·3%Si、Cu-0·l%Ag-0·l%Cr-0·1% Zr、Cu-12%Nb-l%Cr-0·4%Zr-0·l%Si、Cu-6%Ag-6%Ta-0·l%Cr、Cu-3%Ag-0·8%Cr-0·5%Zr-0·3% Si〇5. 如權(quán)利要求1~4之一所述的銅合金，其特征在于:銅合金強度達到690 MPa以上，電導 率達到79%以上且400 °C退火2h強度下降率〈10%。6. 如權(quán)利要求1~4之一所述的銅合金，其特征在于:所述銅合金通過如下方法制得:將 單質(zhì)和/或中間合金原料按照設(shè)計的合金成分配比裝入真空熔煉爐，升溫熔化并澆鑄于模 具中獲得鑄錠，對鑄錠在室溫下進行多道次拉拔變形為長條棒或線，使樣品截面收縮率達 到80%以上，之后對長條棒或線進行退火，退火的溫度選取在使X元素組成的纖維不發(fā)生球 化斷裂且能使Y元素形成納米析出相的范圍，退火的時間選取在使X元素組成的纖維不發(fā)生 球化斷裂且使大于50%的Y元素形成納米析出相的范圍，之后對所得合金再次進行拉拔，此 階段樣品截面收縮率在50%以內(nèi)，之后對所得合金進行液氮冷凍處理，使殘存在銅基體中的 X或Y固溶原子繼續(xù)析出，之后緩慢升溫到室溫從而獲得銅合金。7. 如權(quán)利要求6所述的銅合金，其特征在于:液氮冷凍處理時間為1~100小時。8. 如權(quán)利要求6或7所述的銅合金，其特征在于：對合金進行液氮冷凍處理后，以2~10 °C/min的速率升溫至室溫。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:所述的高速鐵路是時速400公里以上的高速 鐵路。
【文檔編號】C22C1/03GK106011517SQ201610321078
【公開日】2016年10月12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