一种高速铁路接触线用铜合金及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高速铁路接触线用的铜合金，所述铜合金含有Co、Ti或Ta、以及Cu，其中Co重量百分比为0.6%~1.2%、Ta为0.61%~1.24%或者Ti为0.16%~0.33%、为余量为铜；且Ta或者Ti与Co结合形成Co3Ta或者Co3Ti化合物；该化合物与Cu基体存在cube‑on‑cube位向关系，且两者的相界面为全共格相界面。本发明专利技术还提供了所述铜合金的制备方法，通过水平连铸系统进行熔化铸造形成铸棒、然后进行热挤压、退火，制得所述铜合金。本发明专利技术制得的铜合金具有高强高导特点，强度能达到520 MPa以上，可以用作时速在400公里以上的高速铁路接触线材料。

Copper alloy for contact wire of high speed railway and preparation method thereof

The invention discloses a copper alloy contact wire for high speed railway, the copper alloy containing Co, Ti or Ta, and Cu, Co 0.6%~1.2%, Ta weight percentage of 0.61%~1.24% or Ti 0.16%~0.33%, as the amount of copper; and combined with Ta or Ti and Co form Co3Ta or Co3Ti compounds; cube on cube orientation relationship between the compound and the Cu matrix, and the two phase interface for coherent phase interface. The invention also provides a method for preparing the copper alloy, which is formed by melting and casting through a horizontal continuous casting system, forming a casting rod, and then performing hot extrusion and annealing to prepare the copper alloy. The copper alloy prepared by the invention has the characteristics of high strength and high conductivity, strength can reach more than 520 MPa, can be used as a speed of 400 km high-speed railway contact wire materials.

【技术实现步骤摘要】
一种高速铁路接触线用铜合金及其制备方法
本专利技术涉及一种Cu合金及其制备方法，尤其是一种可用作高速铁路尤其是时速400公里以上高速铁路接触线材料的铜合金及其制备方法。
技术介绍
从2009年起我国高速电气化铁路(以下简称高铁)得到实质的飞跃式发展，京津线、京沪线和京广线相继开通，高铁稳定运行速度为300公里/小时。高速电气化铁路的发展对其关键部件—接触线—产生巨大的市场需求和苛刻的性能要求。要求用作接触线的材料同时具备以下特性：高强度、低线密度、良好的导电性、良好的耐磨擦性、良好的耐腐蚀性等，尤其强度和电导率是最核心指标。目前高铁接触线采用的导体材料主要有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显示了更为优异的强度和电导率综合性能。专利CN200410060463.3及CN200510124589.7公开了Cu-(0.02~0.4)%Zr-(0.04~0.16)%Ag及Cu-(0.2~0.72)%Cr-(0.07~0.15)%Ag两种合金的制备技术。通过熔炼、铸造、热变形、固溶、冷变形、时效及再次冷变形等工艺制备成品。专利CN03135758.X公开了采用快速凝固制粉、压坯、烧结、挤压获得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备方法，可以获得良好的导电、导热、高温温度及抗软化性能。专利CN200610017523.2公开了Cu-(0.05~0.40)%Cr-(0.05~0.2)%Zr-<;0.20%(Ce+Y)合金成分及其制备技术，通过熔炼、锻造、固溶、变形、时效获得高强高导综合性能以及较好的耐热性和耐磨性。专利CN02148648.4公开了Cu-(0.01~1.0)%Cr-(0.01~0.6)%Zr-(0.05~1.0)%Zn-(0.01~0.30)%(La+Ce)合金成分及制备技术，通过熔炼、热轧、固溶、冷轧、时效、终轧等过程可获得较高的强度和电导率。随着高速电气化铁路的持续发展，国家“十三五”规划明确提出在2020年需建成时速在400公里以上的高速铁路系统。这意味着与之相匹配的接触线材料性能也必须进一步提高强度和电导率，必须开发新型高性能合金以适应高速铁路的持续提速发展。
技术实现思路
本专利技术的目的拟提供一种用于高速铁路接触线的高强高导铜合金及其制备方法，该铜合金可作为高速铁路尤其是时速在400公里以上的高速铁路接触线材料。制备本专利技术的高强高导铜合金的构思如下：在Cu基体中引入大量弥散分布的纳米析出相，特别强调的是，这些纳米析出相与Cu基体存在cube-on-cube位向关系（也即析出相的<110>晶向与Cu基体的<110>晶向平行且析出相的{111}晶面与Cu基体的{111}晶面平行），且这些纳米析出相与Cu基体的相界面为全共格相界面，不存在错配位错。这些弥散分布的纳米析出相能够有效提高Cu基体的位错运动阻力，尤其是当位错切过这些析出相会由于化学有序效应产生背应力而强烈拖拽位错线，从而显著提高合金的强度实现高强的目的；另一方面，相比常规CuSn、CuCrZr体系中非共格或者半共格相界面处点阵畸变很大、对电子波散射严重，本专利技术的纳米析出相与Cu基体的相界面为全共格相界面，界面处的点阵畸变非常小，对电子波散射作用微弱，从而保障了电子波在合金内部的快速传导，达到高导的目的。本专利技术的纳米析出相之所以能够与Cu基体产生全共格相界面是基于析出相晶体点阵结构的大数据计算，且通过科学选择合金元素，合理搭配元素比例并采用科学制备工艺实现。为实现上述专利技术目的，实现其技术效果，本专利技术采用如下技术方案：本专利技术提供了一种高速铁路接触线用的铜合金，该铜合金含有重量百分比为0.6%~1.2%的Co、以及0.61%~1.24%的Ta或者0.16%~0.33%的Ti，且Co与Ta或者Co与Ti的原子比为3:1，余量为铜；该铜合金以长棒或者线的形式存在，其中Ta或者Ti与Co结合形成Co3Ta或者Co3Ti化合物；且所形成的Co3Ta或者Co3Ti化合物以纳米颗粒形式嵌在Cu基体，且所述Co3Ta或者Co3Ti化合物纳米颗粒的直径分布范围为1~50nm，颗粒间距范围为5~100nm；该化合物纳米颗粒与Cu基体存在cube-on-cube位向关系，且该化合物纳米颗粒与Cu基体的相界面为全共格相界面，不存在错配位错。本专利技术还提供了制备上述铜合金的方法，包括如下步骤的制备方法制得：（1）以单质和/或中间合金为原料，按照所需配比投料，在水平连铸系统双联炉体的熔炼炉熔化，之后转移到保温炉。熔化温度为1200~1300oC，保温炉温度为1100~1200oC，熔炼炉和保温炉表面覆盖一层木炭；其中所述单质为金属Cu、Co、Ti或Ta；所述中间合金为Cu-Co或Cu-Ta或Cu-Ti合金；所述配比为0.6%~1.2%的Co、以及0.61%~1.24%的Ta或者0.16%~0.33%的Ti，且Co与Ta或者Co与Ti的原子比为3:1，余量为铜；（2）采用水平连铸方式引出铸棒，铸棒直径为10~100mm，引出速度为60~600mm/min，结晶器采用水冷方式冷却，冷却长度为10~500mm；（3）将铸棒进行连续热挤压并轧制为直径为15~20mm圆棒，热挤压温度为800~1000oC并通以惰性气体保护；（4）将圆棒于375~575oC退火1~100h，得到所述铜合金。本专利技术通过选择铜合金含有Co，Ta或者Ti元素，且控制Co与Ta或者Ti的原子比为3:1，使后续工艺工程中通过温度等工艺参数控制Co与Ta或者Co与Ti形成能够Co3Ta或者Co3Ti。其中，Cu、Co3Ta和Co3Ti均为面心立方晶系，且三者的点阵常数分别为0.3615nm、0.3647nm和0.3614nm，相差不超过1%，达到可形成全共格相界面的基础条件，从而通过形成工艺控制关键工艺参数，使合金形成cube-on-cube位向和对应的全共格相界面，实现本专利技术的技术目的。为了避免Co3Ta或者Co3Ti在热挤压阶段提前析出，本专利技术控制热挤压温度，优选在800~1000oC，以保障Co3Ta或者Co3Ti在后续的时效过程中可控地以纳米析出相形式弥散分布在Cu基体，获得优异的强化效果。而为了避免在热挤压阶段的高温下样品表面严重氧化，采用惰性气体进行保护。与现有技术相比，本专利技术提供的铜合金及其制备方法具有以下有益效果：1）、本专利技术采用水平连铸方式，能够获得大锚段长度的铜合金棒；2）、本专利技术制得的铜合金具有独特的微结构和高强度和高导电性性能：3)、本专利技术利用Co和Ta或者Ti形成Co3Ta或者Co3Ti化合物，有效净化Cu基体，保障Cu基体良好的导电性能；并利用Co3Ta或者Co3Ti化合物与Cu基体形成全共格相界面，避免了常规铜合金中相界面的大点阵畸变，保障电子波在相界面受到微弱散射，使合金具有高电导率；4）利用高密度纳米析出相对位错线的钉扎作用，以其化学有序产生的背应力效果，提升合金整体强度水平，使得铜合金强度能达到520MPa以上，可以应用于时速在400公里以上的高速铁路接触线材料。附图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高速铁路接触线用的铜合金，其特征在于：所述铜合金含有重量百分比为0.6%~1.2%的Co、以及0.61%~1.24%的Ta或者0.16%~0.33%的Ti，且Co与Ta或者Co与Ti的原子比为3:1，余量为铜；且Ta或者Ti与Co结合形成Co

【技术特征摘要】
1.一种高速铁路接触线用的铜合金，其特征在于：所述铜合金含有重量百分比为0.6%~1.2%的Co、以及0.61%~1.24%的Ta或者0.16%~0.33%的Ti，且Co与Ta或者Co与Ti的原子比为3:1，余量为铜；且Ta或者Ti与Co结合形成Co3Ta或者Co3Ti化合物，所述Co3Ta或者Co3Ti化合物以纳米颗粒形式嵌在铜基体；且所述Co3Ta或者Co3Ti化合物的纳米颗粒与铜基体形成cube-on-cube位向关系，所述Co3Ta或者Co3Ti化合物的纳米颗粒与铜基体的相界面为全共格相界面。2.根据权利要求1所述的一种高速铁路接触线用的铜合金，其特征在于：所述Co3Ta或者Co3Ti化合物的纳米颗粒的直径为1~50nm，纳米颗粒间距范围为5~100nm。3.根据权利要求1或2所述一种高速铁路接触线用的铜合金的制备方法，其特征在于包括如下步骤：1)以单质和/或中间合金为原料，按照一定配比投料，在水平连铸系统双联炉体的熔炼炉熔化，之后转移到保温炉，熔炼炉...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宏涛，刘嘉斌，方攸同，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33