CN111057888A - 一种高强度超高导电率铜合金接触网导线的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种高强度超高导电率的铜合金接触网导线的制备方法，制备中间合金，然后浇铸成锭，再将铸锭转入定向凝固熔化炉内，在80‑90℃/cm温度梯度下连续制备出Cu‑Cr‑Zr合金杆/线材；将制备好的Cu‑Cr‑Zr合金杆/线材置于真空炉内加热至950‑980℃保温1.5h固溶，放入液氮箱浸泡0.5h，同时在连续等径角挤压模具上喷洒液氮；将浸泡后的合金杆引入挤压机进行低温连续等径角连续挤压，模具内角90‑120º，外角20‑30º，挤压速度1‑1.5m/min，ECAP变形路径为A或C。待晶粒尺寸达到需求后，使杆材直径达到使用要求，在300‑350℃真空炉内保温3.5±0.5h进行沉淀强化，盘卷或绞合。

Description

一种高强度超高导电率铜合金接触网导线的制备方法

技术领域

本发明涉及的是合金导线的制备技术，具体地说是高强度高导电Cu-Cr-Zr合金导线的制备技术。

背景技术

近年来，高强高导Cu合金在高铁接触线、电阻焊电极、集成电路引线框架和接插件等方面获得了广泛应用。在接触线方面，由于我国高铁迅猛发展，对接触导线提出了巨大的市场需求。高铁接触导线的使用环境非常苛刻，因此对导线性能的要求也非常高。通常要求导线材料具有如下特性：较高的导电率、良好的力学性能 （抗拉强度）、抗高温软化能力强、耐摩擦磨损能力强、耐腐蚀性好等。导电率和强度是其中最重要的指标。

目前高铁接触导线用的材料主要有Cu-Ag、Cu-Ag-Sn、Cu-Cr、Cu-Fe与Cu-Cr-Zr等合金。其中 Cu-Cr-Zr合金属于时效强化型合金，兼具良好的力学性能与导电性。专利200910097340.X公开了一种超长Cu-Cr-Zr合金接触线的制备方法，该方法以连续挤压和拉拔为主要变形手段，其最大缺点是材料缺陷多，拉拔后形成的组织不均匀，芯部晶粒较为粗大。但是在实际生产中很难通过改变工艺或设备来消除这些缺点。专利201610293159.6公开了一种CuCrZr合金的制备方法，该方法采用加热合金棒材与模具的方法进行挤压，导致合金强度有所欠缺，所使用材料为多晶合金，电导率远不及本方法所制备的定向凝固合金。专利201010593588.8公开了一种高强高导CuCrZr合金及其制备和加工方法，该制备方法需要经过多次的冷轧和时效处理，工序多、加工效率低、并且不能连续生产长合金导线。

发明内容

本发明的目的是提供一种高强度超高导电率铜合金接触网导线的制备方法。

本发明是一种高强度超高导电率铜合金接触网导线的制备方法，其步骤为：

（1）材料制备：利用真空磁悬浮熔炼制备出Cu-Cr和Cu-Zr中间合金，然后在中频炉内，然后利用配制出的中间合金进一步配制出符合成分要求的高纯度Cu-Cr-Zr合金并浇注成合金锭；

（2）高取向一致性杆材制备：将高纯度Cu-Cr-Zr合金锭放入定向凝固保温炉内，在 80-90℃/cm温度梯度下连续制备出Cu-Cr-Zr合金铸杆/线材；

（3）固溶处理：在真空炉内将Cu-Cr-Zr合金杆材加热至950-980℃，保温1.5h进行固溶处理；

（4）超低温浸泡：固溶完成后继续将线材放入液氮箱中浸泡0.5h；

（5）超低温连续ECAP：在挤压模具上喷洒液氮， 将液氮内浸泡过的Cu-Cr-Zr合金线材接入挤压机, 进行连续等径角挤压，即ECAP，模具内角为90~120º，外角20~30º，挤压速度为1~1.5m/min，路径为A/C，完成第一道次挤压；

（6）退火处理：一道次挤压后开始进行每次挤压后低温退火处理，降低材料强度至400MPa以下以便于之后多道次挤压，退火后的Cu-Cr-Zr合金线材液氮冷却后继续进行ECAP-A/C路径变形，按照晶粒度要求，至此工序循环进行，使材料组织在径向，即沿杆材轴向充分细化至20-70μm；

（7）将退火后的Cu-Cr-Zr合金杆/线材继续进行液氮冷却处理后, 精确控制加载方式,进行ECAP-A/C路径后续道次变形(后一道次挤压与前一道次挤压时,材料横截面的对称点完全一致)；

（8）轧制：控制加载方式和应变量，使轧制后材料的晶粒组织基本取向一致；使轧制后线材直径符合使用要求；

（9）沉淀强化：将挤压后的Cu-Cr-Zr合金线材在300~350℃时效3.5±0.5小时，使析出相充分析出；

（10）盘卷或绞合。

本发明的有益之处是：（1）利用高温度梯度定向凝固冷却方式形成的连续长柱状晶组织，由于消除了横向晶界,能够保证原始杆材具有较高的电导率；

（2）与室温连续等径角挤压相比较，本发明抑制了室温ECAP过程中材料的温升效应，防止材料因再结晶发生晶粒张大；

（3）通过对连续柱状晶杆材施加定向载荷,促进连续柱状晶内部的定向孪生,能够大幅度抑制位错的过度增殖引起材料热稳定性下降问题;

（4）由于该材料综合利用了固溶强化、沉淀强化、孪晶强化及细晶强化等多中强化手段,所制备的材料具有较高的强度,较好的热稳定性和良好的电导率;

（5）对设备要求低,方便实现连续生产,能够大幅度提高生产效率。因此，本发明是一种全新的制备Cu-Cr-Zr等系列高强度、高导电率、高热稳定性的抗疲劳耐热铜合金导线及材料制备方法。

附图说明

图1是本发明的工艺路线图。

具体实施方式

如图1所示，本发明是一种高强度超高导电率铜合金接触网导线的制备方法，其步骤为：

（1）材料制备：利用真空磁悬浮熔炼制备出Cu-Cr和Cu-Zr中间合金，然后在中频炉内，然后利用配制出的中间合金进一步配制出符合成分要求的高纯度Cu-Cr-Zr合金并浇注成合金锭；

（2）高取向一致性杆材制备：将高纯度Cu-Cr-Zr合金锭放入定向凝固保温炉内，在 80-90℃/cm温度梯度下连续制备出Cu-Cr-Zr合金铸杆/线材；

（3）固溶处理：在真空炉内将Cu-Cr-Zr合金杆材加热至950-980℃，保温1.5h进行固溶处理；

（4）超低温浸泡：固溶完成后继续将线材放入液氮箱中浸泡0.5h；

（5）超低温连续ECAP：在挤压模具上喷洒液氮， 将液氮内浸泡过的Cu-Cr-Zr合金线材接入挤压机, 进行连续等径角挤压，即ECAP，模具内角为90~120º，外角20~30º，挤压速度为1~1.5m/min，路径为A/C，完成第一道次挤压；

（6）退火处理：一道次挤压后开始进行每次挤压后低温退火处理，降低材料强度至400MPa以下以便于之后多道次挤压，退火后的Cu-Cr-Zr合金线材液氮冷却后继续进行ECAP-A/C路径变形，按照晶粒度要求，至此工序循环进行，使材料组织在径向，即沿杆材轴向充分细化至20-70μm；

（7）将退火后的Cu-Cr-Zr合金杆/线材继续进行液氮冷却处理后, 精确控制加载方式,进行ECAP-A/C路径后续道次变形(后一道次挤压与前一道次挤压时,材料横截面的对称点完全一致)；

（8）轧制：控制加载方式和应变量，使轧制后材料的晶粒组织基本取向一致；使轧制后线材直径符合使用要求；

（9）沉淀强化：将挤压后的Cu-Cr-Zr合金线材在300~350℃时效3.5±0.5小时，使析出相充分析出；

（10）盘卷或绞合。

以上所述的方法，利用真空磁悬浮熔炼制备出Cu-xCr和Cu-yZr中间合金，然后在中频炉内，利用配制出的中间合金进一步配制出符合成分要求的高纯度Cu-xCr-yZr合金并浇注成合金锭，x+y≤0.1，其余为Cu和不可避免的微量杂质；采用上引法或横引法，采用具有80-100℃/cm温度梯度的冷却器，在80-90℃/cm温度梯度下进行定向凝固制备Cu-Cr-Zr合金铸杆，在牵引方向，即轴向上形成取向一致的单晶或连续柱状晶组织。

以上所述的方法，在真空炉内将Cu-Cr-Zr合金杆材加热至950-980℃，保温1.5h进行固溶处理，用液氮处理好的材料和模具进行连续ECAP挤压，在低温连续等径角挤压过程中监测挤压温度，并添加适量液氮保持挤压温度不发生大幅度变化，模具内角为90~120º，外角20~30º，挤压速度为1~1.5m/min，路径为A/C，完成第一道次挤压；

一道次挤压后开始进行每次挤压后低温退火处理，降低材料强度至400MPa以下以便于之后多道次挤压，将退火后的Cu-Cr-Zr合金线材液氮冷却后继续进行ECAP-A/C路径第变形，按照晶粒度要求，至此工序循环进行，使材料组织在径向，即沿杆材轴向充分细化至20-70μm ；控制加载方式和应变量，使轧制后材料晶粒组织基本取向一致，线材直径符合使用要求，最终线材能够作为铁路网接触线或铜合金绞合线；将轧制后的Cu-Cr-Zr合金线材在300-350℃时效3.5±0.5小时，使析出相充分析出；

液氮超低温条件下进行连续ECAP变形，通过降低材料层错能，严格控制加载方式，通过ECAP-A/C定向加载在连续柱状晶组织内部实现定向孪生，形成高密度的定向孪晶组织，能够在不降低材料的导电率的基础上，大幅度提升材料的力学性能。

本发明技术原理基于以下要点：

（1）采用上引法（或横引法）在较高温度梯度下进行定向凝固以使Cu-Cr-Zr合金形成连续长柱状晶或单晶组织。

（2）超低温浸泡（液氮处理，ECAP变形温度控制在-196-0℃），低温（模具温度控制在-60-10℃范围内）连续等径角挤压。以前的方法（专利号2016102931596）等主要是通过ECAP晶粒细化原理，使多晶铜（或铜合金）在常温ECAP变形后获得的随机取向的材料获得超细晶组织，虽然能够很好的提高材料强度，但该方法主要通过位错强化和细晶强化，由于增加了横向晶界，使导电性能明显降低，而且获得的材料不仅热稳定性相对较差，而且导线在周期性应力作用下使用过程中会发生蠕变或疲劳软化，较大程度上降低了材料的使用寿。而采用本方法制备的材料，能够促进定向凝固Cu-Cr-Zr合金杆材中原始长柱状晶组织在高精度ECAP过程中发生定向孪生，在低温多道次ECAP纯剪切变形后，在挤压方向上形成高密度的纳米孪晶组织，能够极大的提高材料的热稳定性及抗软化能力，疲劳性能远高于一般多晶材料挤压后形成的位错强化，并且其规律性强，可使合金电导率显著提升。

（3）本发明所采用的液氮处理可降低挤压时产生温升造成软化，进一步提高强度，降低层错能使材料更易产生孪生，并抑制动态再结晶的形成，保持原材料中连续组织。从而在提高了材料强度的同时最大限度的阻止电导率下降。

（4）本发明综合利用了固溶强化、细晶强化、位错强化、孪晶强化及沉淀强化等多中强化机制，利用Cr和Zr在Cu基体中的溶解度较低的特点，通过超低温变形、Cr和Zr微合金化降低纯铜的层错能；通过对连续柱状晶Cu-Cr-Zr合金的定向加载，促进合金杆材组织的定向孪生；通过控制热处理温度,使低溶解度、过饱和的Cr、Zr元素及固溶体在晶界、孪晶界、位错界等界面上以沉淀相析出，能够在充分发挥定向凝固材料优良导电性能的前提下，通过定向调控,大幅度提高材料强度、韧性和热稳定性,实现高强、高导高热稳定性Cu-Cr-Zr合金导线的连续制备。

（5）低温轧制能够保证ECAP后材料晶体的取向不会发生明显改变,促使ECAP后产生的孪晶纤维化，在保证强度的同时进一步提高电导率。

本发明技术方案不局限于以下所列举的具体的实施例，还包括各具体实施方式之间的任意组合。

实施例一：高强高导Cu-Cr-Zr合金的制备方法按以下步骤进行：

（1）利用真空磁悬浮熔炼制备出Cu-xCr和Cu-yZr中间合金(x:1-5；y:1-5)，然后在中频炉内，然后利用配制出的中间合金进一步配制出符合成分要求的高纯度Cu-0.05Cr-0.05Zr合金并浇注成合金锭；

（2）采用上引法（或横引法），采用自行研制的具有极高温度梯度的冷却器，在较高温度梯度下进行定向凝固制备Cu-Cr-Zr合金铸杆，合金中含有质量百分数含量为0.05％的Cr、0.05％的Zr，其余为Cu和不可避免的杂质，铸杆直径为10mm；

（3）将合金棒材置于热处理炉中加热至950℃保温1.5h，而后将合金棒材浸入液氮中0.5h；

（4）将连续等径角挤压模具置于连续挤压机中并向模具喷洒液氮，然后将合金棒材置于挤压轮中，开动挤压机，进行等径角挤压变形。等径角挤压模具外角为90 °；内角20 º；挤压速度为1m/min；挤压路径为A，挤压过程中监测模具温度，通过添加适量液氮维持挤压温度；

（5）挤压后的棒材查看晶粒尺寸是否处于20-70μm，未达到要求继续按上述方法继续进行低温ECAP；

（6）若挤压道次超过两次，每次挤压前需要进行低温退火处理220±20℃保温1.5h；

（7）将上述挤压后的棒材轧制，控制加载方式和应变量,使轧制后材料的晶粒组织基本取向一致；线材直径符合使用要求(最终线材可以为铁路网接触线或铜合金绞合线)；

（8）轧制后的材料进行沉淀强化:将轧制后的Cu-Cr-Zr合金线材在300-350℃时效3.5±0.5小时，使强化相充分析出；

（9）经过收线装置盘成合金线圈或绞合成线，即可得到高强高导的Cu-Cr-Zr合金导线。

实施例二：

本实施例与实施例一的区别在于，步骤（4）中采用的挤压路径为C。

实施例三：

本实施例与实施例一的区别在于，步骤（1）中采用材料成分0.03%Cr、0.03%Zr。

实施例四：

本实施例与实施例一的区别在于，步骤（1）中采用材料成分0.01%Cr、0.01%Zr。

实施例五：

本实施例与实施例一的区别在于，步骤（4）中采用的模具角度120°。

实施例六：

本实施例与实施例一的区别在于，步骤（4）中采用的模具角度105°。

实施例七：

本实施例与实施例一的区别在于，步骤（4）中挤压速度为1.5m/min。

Claims (3)

1.一种高强度超高导电率铜合金接触网导线的制备方法，其特征在于，其步骤为：

（1）材料制备：利用真空磁悬浮熔炼制备出Cu-Cr和Cu-Zr中间合金，然后在中频炉内，然后利用配制出的中间合金进一步配制出符合成分要求的高纯度Cu-Cr-Zr合金并浇注成合金锭；

（2）高取向一致性杆材制备：将高纯度Cu-Cr-Zr合金锭放入定向凝固保温炉内，在 80-90℃/cm温度梯度下连续制备出Cu-Cr-Zr合金铸杆/线材；

（3）固溶处理：在真空炉内将Cu-Cr-Zr合金杆材加热至950-980℃，保温1.5h进行固溶处理；

（4）超低温浸泡：固溶完成后继续将线材放入液氮箱中浸泡0.5h；

（5）超低温连续ECAP：在挤压模具上喷洒液氮， 将液氮内浸泡过的Cu-Cr-Zr合金线材接入挤压机, 进行连续等径角挤压，即ECAP，模具内角为90~120º，外角20~30º，挤压速度为1~1.5m/min，路径为A/C，完成第一道次挤压；

（6）退火处理：一道次挤压后开始进行每次挤压后低温退火处理，降低材料强度至400MPa以下以便于之后多道次挤压，退火后的Cu-Cr-Zr合金线材液氮冷却后继续进行ECAP-A/C路径变形，按照晶粒度要求，至此工序循环进行，使材料组织在径向，即沿杆材轴向充分细化至20-70μm；

（7）将退火后的Cu-Cr-Zr合金杆/线材继续进行液氮冷却处理后, 精确控制加载方式,进行ECAP-A/C路径后续道次变形(后一道次挤压与前一道次挤压时,材料横截面的对称点完全一致)；

（8）轧制：控制加载方式和应变量，使轧制后材料的晶粒组织基本取向一致；使轧制后线材直径符合使用要求；

（9）沉淀强化：将挤压后的Cu-Cr-Zr合金线材在300~350℃时效3.5±0.5小时，使析出相充分析出；

（10）盘卷或绞合。

2.根据权要求1所述的高强度超高导电率铜合金接触网导线的制备方法，其特征是：利用真空磁悬浮熔炼制备出Cu-xCr和Cu-yZr中间合金，然后在中频炉内，利用配制出的中间合金进一步配制出符合成分要求的高纯度Cu-xCr-yZr合金并浇注成合金锭，x+y≤0.1，其余为Cu和不可避免的微量杂质；采用上引法或横引法，采用具有80-100℃/cm温度梯度的冷却器，在80-90℃/cm温度梯度下进行定向凝固制备Cu-Cr-Zr合金铸杆，在牵引方向，即轴向上形成取向一致的单晶或连续柱状晶组织。

3.根据权利要求1所述的高强度超高导电率铜合金接触网导线的制备方法，其特征是：在真空炉内将Cu-Cr-Zr合金杆材加热至950-980℃，保温1.5h进行固溶处理，用液氮处理好的材料和模具进行连续ECAP挤压，在低温连续等径角挤压过程中监测挤压温度，并添加适量液氮保持挤压温度不发生大幅度变化，模具内角为90~120º，外角20~30º，挤压速度为1~1.5m/min，路径为A/C，完成第一道次挤压；

一道次挤压后开始进行每次挤压后低温退火处理，降低材料强度至400MPa以下以便于之后多道次挤压，将退火后的Cu-Cr-Zr合金线材液氮冷却后继续进行ECAP-A/C路径第变形，按照晶粒度要求，至此工序循环进行，使材料组织在径向，即沿杆材轴向充分细化至20-70μm ；控制加载方式和应变量，使轧制后材料晶粒组织基本取向一致，线材直径符合使用要求，最终线材能够作为铁路网接触线或铜合金绞合线；将轧制后的Cu-Cr-Zr合金线材在300-350℃时效3.5±0.5小时，使析出相充分析出；

液氮超低温条件下进行连续ECAP变形，通过降低材料层错能，严格控制加载方式，通过ECAP-A/C定向加载在连续柱状晶组织内部实现定向孪生，形成高密度的定向孪晶组织，能够在不降低材料的导电率的基础上，大幅度提升材料的力学性能。

Images