專(zhuān)利名稱(chēng)：用于電氣化鐵路接觸網(wǎng)的銅合金及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種導(dǎo)電解銅合金，尤其涉及一種用于電氣化鐵路接觸網(wǎng)的銅合金及其制備方法。
背景技術(shù)：
目前，由于高速電氣化鐵路接觸網(wǎng)在導(dǎo)電、強(qiáng)度、塑性、抗腐蝕、耐疲勞、熱處理可加工性等機(jī)械性能有較高的要求，同時(shí)對(duì)于抗大風(fēng)能力也有較高的要求?，F(xiàn)有的用于高速電氣化鐵路接觸網(wǎng)配件材料有QSil-3、CuNi2Si等，在導(dǎo)電、強(qiáng)度、塑性、抗腐蝕、耐疲勞、熱處理可加工性等機(jī)械性能能夠滿(mǎn)足要求，但對(duì)于抗大風(fēng)能力一般達(dá)不到要求，且其耐腐蝕性、抗疲勞性不及C6161銅合金材料，其成本較C6161銅合金材料高10% -15%。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于避免現(xiàn)有技術(shù)的不足提供一種用于電氣化鐵路接觸網(wǎng)的銅合金及其制備方法。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為一種用于電氣化鐵路接觸網(wǎng)的銅合金，其按重量百分比包括8.0% -11%的鋁，2. 5% -4. 5%的鐵，1.0% -2.0%的鎳， 1.0% _2.0%的錳，0. 15% -2%的5#稀土，78% -88%的銅，其中的雜質(zhì)不大于0. 5%。微量元素鐵(Fe)少量鐵能溶于銅-鋁合金的α固溶體中，其溶解度隨溫度降低而減小。若合金鐵含量過(guò)高，則組織中會(huì)有針狀FeA13化合物析出，使合金機(jī)械性能變壞， 抗蝕性惡化，因此，在鋁青銅中，鐵加入量不得超過(guò)5%。合金中鎳、錳、鋁量增高，會(huì)使鐵在 α固體中的溶解度進(jìn)一步降低。鐵能使鋁青銅中的原子擴(kuò)散速度減慢，增加β相的穩(wěn)定性。少量鐵對(duì)銅-鋁合金 β相恒溫轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)的影響，鐵對(duì)525°C附近共析體轉(zhuǎn)變速度的延緩作用雖不如更低溫度范圍那么顯著，但已能抑制引起合金變脆的“自行退火”現(xiàn)象，顯著減少合金的脆性。鐵還能細(xì)化鋁青銅鑄造或再結(jié)晶后的晶粒，提高機(jī)械性能。通常加入0. 5-1 %的鐵就能使單相或兩相鋁青銅的晶粒變細(xì)。微量元素鎳(Ni)鎳有限固溶于銅-鋁合金的α固溶體中，當(dāng)含鎳量超過(guò)固溶極限時(shí)，合金組織中就會(huì)出現(xiàn)新的κ相(NiAl)。鎳對(duì)鋁青銅共析轉(zhuǎn)變的影響，它既提高鋁青銅共析轉(zhuǎn)變的溫度，又使共析點(diǎn)成分向高鋁方向移動(dòng)，并可改變?chǔ)料嗟男螤睢：囕^低時(shí)， α相呈針狀，鎳量達(dá)到3%時(shí)呈片狀。在含鎳的鋁青銅中加入錳，有使β相得共析轉(zhuǎn)變形成粒狀組織的傾向。鎳顯著提高鋁青銅的強(qiáng)度、硬度、熱穩(wěn)定性和耐蝕性。含有足夠鎳的銅-鋁-鎳-鐵合金的另一優(yōu)點(diǎn)是它于熱加工后，不須再加熱淬火，即可進(jìn)行時(shí)效。銅-鋁-鎳-鐵合金中的κ相，在室溫是有序體心立方晶體格的鎳-鐵-鋁相。 它能溶入α相和β相，而且其溶解度隨溫度上升而增加，當(dāng)溫度超過(guò)925_950°C時(shí)，κ相能完全溶解。合金從高溫冷卻下來(lái)時(shí)，κ相在β相中析出，同時(shí)，κ相在α相中的溶解度也隨著溫度下降而減少，κ相也會(huì)從α相中析出，但析出溫度比β相中的要低些。
銅-鋁-鎳-鐵合金中有以下規(guī)律1、隨著鋁含量的增加，α相區(qū)縮小，β和Υ2相區(qū)增大，而且防止β相分解所必需的臨界冷卻速度也降低；2、隨著鎳量的增加，β和Y 2相區(qū)縮小，K相區(qū)增大；3、隨著含鐵量的增加，Y 2相區(qū)縮小，κ相區(qū)增大，共析體成分點(diǎn)轉(zhuǎn)向高含鋁量方含8-12%鋁、4-6%鎳、4-6%鐵的銅-鋁-鎳-鐵四元合金，當(dāng)溫度低于950°C時(shí)， 其組織中就會(huì)出現(xiàn)κ相，但是，κ相的析出形態(tài)是相當(dāng)復(fù)雜的，它以沉淀方式而變化，可呈細(xì)粒狀、塊狀或?qū)訝?。在銅-鋁-鎳-鐵四元合金，κ相的析出形態(tài)對(duì)合金的機(jī)械性能有很大影響。實(shí)驗(yàn)表明合金中鋁、鎳和鐵的含量及其相互之間的比例、合金熱處理?xiàng)l件(淬火溫度、冷卻速度、回火溫度和時(shí)間等)均影響κ相的析出形態(tài)和合金的機(jī)械性能。當(dāng)合金中同時(shí)加有 4-6%的鎳和鐵時(shí)，則α固溶體相區(qū)被擴(kuò)大，而β相區(qū)則顯著縮小，此時(shí)，即使增高鋁的含量，仍可得到良好的塑性。此外，合金中的鎳和鐵兩元素的含量比例，對(duì)κ相析出形態(tài)也有明顯的影響，當(dāng)鎳含量大于鐵含量時(shí)，κ相呈層狀析出，而當(dāng)鐵含量大于鎳含量時(shí)，κ相呈塊狀，僅當(dāng)鎳和鐵的含量大致相同時(shí)，κ相呈均勻分散的細(xì)粒狀，有利于得到很好的機(jī)械性能。在銅-鋁-鎳-鐵四元素中，鎳和鐵的含量比最好是0. 9-1. 1的范圍。微量元素錳(Mn)銅-鋁-錳系等溫度截面、縱截面以及室溫組織與冷卻速度的關(guān)系，錳能較多地融入鋁青銅中的α固溶體，但又降低鋁在α中的溶解度。錳能穩(wěn)定β 相，降低相變開(kāi)始溫度，推遲共析轉(zhuǎn)變。添加溶解于鋁青銅中的錳量，可提高合金的機(jī)械性能和耐蝕性。此類(lèi)合金能很好的承受熱、冷態(tài)壓力加工。簡(jiǎn)單鋁青銅中加入0.3-0. 5%錳、 能改善合金的工藝性能，減少熱軋開(kāi)裂，提高成品率。含錳鋁青銅加入一定量的鐵，可進(jìn)一步改善合金的性能，此時(shí)，鐵能細(xì)化晶粒，并使合金組織中出現(xiàn)鐵鋁化合物的微細(xì)質(zhì)點(diǎn)，提高合金的機(jī)械性能和耐磨性，但鐵減弱錳對(duì)β相的穩(wěn)定作用。微量稀土元素稀土添加劑在銅及銅合金中的應(yīng)用不斷擴(kuò)大，得到人們的共識(shí)。生產(chǎn)中將其制成銅-稀土中間合金鑄塊，這種添加劑具有易破碎、能顯著細(xì)化銅及銅合金的晶粒組織，改善銅及銅合金材料的性能，提高銅及銅合金的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能等綜合效果。鋁青銅合金材料當(dāng)含鋁小于7. 4-9. 4%的合金在1036_565°C范圍呈α +β兩相組織，在生產(chǎn)的冷卻條件下，合金中的β — α相變過(guò)程，往往不能全部完成，仍保留一部分β 固溶體，隨后發(fā)生共析分解形成(α + Υ2)共析體，其中Y 2是一硬脆相(HV = 520)，它的出現(xiàn)會(huì)使硬度、強(qiáng)度升高，塑性下降。含9. 4-15. 6%鋁的合金緩慢冷卻到565°C時(shí)，會(huì)發(fā)生 β — α+ Υ2轉(zhuǎn)變，形成共析體組織。鋁青銅中的(α + γ2)共析體組織與退火鋼中的珠光體相似，具有極明顯的片層狀特征。但是，β相的共析體分解比較緩慢，它在快速冷卻時(shí)， 會(huì)來(lái)不及分解，而產(chǎn)生亞穩(wěn)定組織。本發(fā)明還提供一種用于電氣化鐵路接觸網(wǎng)的銅合金的制備方法，包括如下步驟步驟一、對(duì)中頻感應(yīng)爐進(jìn)行打爐及烤爐準(zhǔn)備步驟；步驟二、合金熔煉，包括如下步驟，①在中頻爐中加入100_150kg電解銅，并將中頻爐功率升至350-400KW，直至電解銅完全熔化，且爐內(nèi)溫度達(dá)到1200-1300°C時(shí)，依次向爐內(nèi)加入鎳、鐵，再保溫0. 5-1小時(shí)；
②向爐中加入鋁和600_650kg電解銅，將中頻爐功率升至600-650KW，電解銅完全熔化，溫度達(dá)到1350-1400°C時(shí)，加入錳和0. 5-lkg冰晶石攪拌、清渣、取樣、精煉，同時(shí)，將中頻爐功率降至350-400KW保溫，保溫0. 5-1小時(shí)；步驟三、化驗(yàn)步驟制樣、使用X熒光光譜儀檢測(cè)爐內(nèi)合金化學(xué)成份；步驟四、出爐步驟向中頻爐中加入5#稀土，同時(shí)進(jìn)行電磁攪拌。在所述的步驟一中所述的打爐步驟為①檢查中頻爐感應(yīng)線(xiàn)圈與爐體絕緣情況，以及線(xiàn)圈上耐火膠泥破損，如有破損補(bǔ)全膠泥的裂縫、殘缺，并將爐內(nèi)溫度升高至400-500°C，自然干燥和烘烤2-3小時(shí)；②在中頻爐爐底鋪8-lOmm石棉板，鋪設(shè)至少一層爐壁貼和1-1. 5mm的石棉板；③使用高鋁干式搗打料并用筑爐器筑爐膽，搗打完?duì)t底后，放入紫銅板制成的爐芯樣板，然后搗打爐壁；④使用高鋁質(zhì)搗打料、玻璃水和水的混合物，筑打爐口與爐嘴；⑤爐膽筑完后自然風(fēng)干2-3小時(shí)后，即可進(jìn)入烤爐步驟。所述搗打的爐膽底厚為150-200_，爐壁厚為100-150_，并在爐膽內(nèi)，每50-60_
高處搗打爐層，使中頻爐內(nèi)的爐層至少包括有二層。所述的筑打爐膽容積為1-1. 5噸，整個(gè)中頻爐頻率為250-750HZ，功率為 20-650KW。在所述的步驟③中，爐底打完后，根據(jù)所述樣板底部大小，為了使?fàn)t壁與爐底充分結(jié)合，不至于分層，故在爐底上挖下?tīng)t底與爐壁的連接凹槽，凹槽深30-50mm。本發(fā)明的打爐步驟的優(yōu)點(diǎn)是①感應(yīng)線(xiàn)圈應(yīng)用耐火膠泥(ZDL401)涂抹，內(nèi)層10mm，線(xiàn)圈扎間填滿(mǎn)膠泥，烘烤 GO(TC)?？商岣呔€(xiàn)圈整體強(qiáng)度、抗震能力。其耐壓等級(jí)提高到10萬(wàn)伏。有效防止漏爐時(shí)高溫銅液對(duì)線(xiàn)圈的損壞。②打爐時(shí)爐底與爐壁的結(jié)合部是重點(diǎn)，爐底打完后根據(jù)樣板底部大小，將與爐壁結(jié)合部的爐底部分挖下一層50mm左右，然后再放入樣板正常打爐。這樣有利于爐底與爐壁完全結(jié)合，提高爐體的整體性。③采用高鋁砂爐料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硅砂和鎂砂，硅砂在高溫時(shí)易與合金中的鋁發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，置換出硅污染合金。鎂砂雖然耐火度高，可耐急冷急熱沖擊性不如高鋁砂。④烤爐時(shí)爐口、爐頭放置感應(yīng)鐵，取代以前木炭烘烤，木炭烘烤溫度不集中、不均勻，尤其烤爐在燒結(jié)階段，爐內(nèi)爐外、爐頭爐口溫差很大，燒結(jié)時(shí)易出現(xiàn)裂紋，而用感應(yīng)鐵烘烤爐頭、爐口很方便，鐵是磁導(dǎo)體，感應(yīng)溫度可達(dá)600°C。所述的步驟一中所述的烤爐步驟為①將中頻爐爐芯內(nèi)裝入感應(yīng)碳晶，爐頭、爐口放置感應(yīng)鐵，即可開(kāi)始升溫烤爐；②從常溫開(kāi)始升溫，中頻爐內(nèi)起初功率為15-20KW，以5KW/h的速率升溫，直至功率達(dá)到30-35KW，此時(shí)爐內(nèi)溫度達(dá)到200-250°C時(shí)，進(jìn)行保溫；升溫、保溫時(shí)間不少于6小時(shí)； 同時(shí)，觀(guān)察爐口、爐頭有無(wú)蒸汽溢出，爐口處若過(guò)量膨脹，則延長(zhǎng)保溫時(shí)間，當(dāng)爐口無(wú)蒸汽溢出，方可繼續(xù)升溫；③將中頻爐功率繼續(xù)以5KW/h的速率升溫，直至功率達(dá)到45-50KW，此時(shí)爐內(nèi)溫度達(dá)到600-650°C時(shí)，進(jìn)行保溫；升溫、保溫時(shí)間不少于4小時(shí)；同時(shí)，觀(guān)察爐內(nèi)感應(yīng)鐵若暗紅，且爐口處若過(guò)量膨脹，則延長(zhǎng)保溫時(shí)間，當(dāng)爐口無(wú)蒸汽溢出，方可繼續(xù)升溫；④將中頻爐功率繼續(xù)以5KW/h的速率升溫，直至功率達(dá)到70-80KW，此時(shí)爐內(nèi)溫度達(dá)到1200-1300°C時(shí)，進(jìn)行保溫?zé)Y(jié)，保溫?zé)Y(jié)2-4小時(shí)；⑤取出感應(yīng)碳晶和感應(yīng)鐵，烤爐完畢。本發(fā)明的烤爐步驟的優(yōu)點(diǎn)是①合金熔煉時(shí)加入的順序除了按照合金元素的難熔程度順序控制加料外，還充分利用了鋁和銅熔合時(shí)的反應(yīng)熱。以及通過(guò)產(chǎn)業(yè)化的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出來(lái)的。②爐前爐后應(yīng)用X熒光光譜儀檢測(cè)化學(xué)成份替代傳統(tǒng)的人工化學(xué)分析。提高效率 3倍以上，減少了人為因素的影響。③出爐采用半連續(xù)鑄造加裝電磁攪拌，在QAL8-3-1-1合金凝固過(guò)程中施加磁場(chǎng)， 可細(xì)化鑄態(tài)組織、促進(jìn)枝晶向等軸晶轉(zhuǎn)變、抑制Al元素的宏觀(guān)偏析、提高合金成分的均勻性。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明是參照鋁青銅材料QAL9-2、QAL9-4、QAL10-3-1. 5、 QAL10-4-4，在鋁青銅材料的基礎(chǔ)上增加 ^、·、Μη、及稀土元素，并調(diào)整各元素之間的含量， 經(jīng)特殊工藝熔煉、鑄造而成。主要用于電氣化鐵路(高速電氣化鐵路)接觸網(wǎng)配件材料。 該材料與其他同類(lèi)材料QSil-3、CuNi2Si等比較，除導(dǎo)電、強(qiáng)度、塑性、抗腐蝕、耐疲勞、熱處理可加工性等機(jī)械性能之外，抗大風(fēng)能力及材料制造成本較上述材料有明顯的優(yōu)勢(shì)，其成本較QSil-3、CuNi2Si下降10%，是繼CuNi2Si銅合金材料，是電氣化鐵路(高速電氣化鐵路)接觸網(wǎng)配件制造的又一種較為理想的銅合金材料。
具體實(shí)施例方式以下對(duì)本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。實(shí)施例1 一種用于電氣化鐵路接觸網(wǎng)的銅合金，其按重量百分比包括 8. 0% -11% 的鋁，2. 5% -4. 5% 的鐵，1.0% -2.0% 的鎳，1.0% -2.0% 的錳，0. 15% -2% 的 5#稀土，78% -88%的銅，其中的雜質(zhì)不大于0.5%。實(shí)施例2 與實(shí)施例1相同，不同的是所述的用于電氣化鐵路接觸網(wǎng)的銅合金的組成原料是按照表1中的重量百分比組成表 權(quán)利要求
1.一種用于電氣化鐵路接觸網(wǎng)的銅合金，其特征是，其按重量百分比包括 8. 0% -11% 的鋁，2. 5% -4. 5% 的鐵，1.0% -2.0% 的鎳，1.0% -2.0% 的錳，0. 15% -2% 的 5#稀土，78% -88%的銅，其中的雜質(zhì)不大于0.5%。
2.如權(quán)利要求1所述的用于電氣化鐵路接觸網(wǎng)的銅合金的制備方法，其特征是，包括如下步驟步驟一、對(duì)中頻感應(yīng)爐進(jìn)行打爐及烤爐準(zhǔn)備步驟；步驟二、合金熔煉，包括如下步驟①在中頻爐中加入100-150kg電解銅，并將中頻爐功率升至350-400KW，直至電解銅完全熔化，且爐內(nèi)溫度達(dá)到1200-1300°C時(shí)，依次向爐內(nèi)加入鎳、鐵，再保溫0. 5-1小時(shí)；②向爐中加入鋁和600-650kg電解銅，將中頻爐功率升至600-650KW，電解銅完全熔化，溫度達(dá)到1350-1400°C時(shí)，加入錳和0. 5-lkg冰晶石攪拌、清渣、取樣、精煉，同時(shí)，將中頻爐功率降至350-400KW保溫，保溫0. 5-1小時(shí)；步驟三、化驗(yàn)步驟制樣、使用X熒光光譜儀檢測(cè)爐內(nèi)合金化學(xué)成份；步驟四、出爐步驟向中頻爐中加入5#稀土，同時(shí)進(jìn)行電磁攪拌。
3.如權(quán)利要求2所述的用于電氣化鐵路接觸網(wǎng)的銅合金的制備方法，其特征是，所述的步驟一中所述的打爐步驟為①檢查中頻爐感應(yīng)線(xiàn)圈與爐體絕緣情況，以及線(xiàn)圈上耐火膠泥破損，如有破損補(bǔ)全膠泥的裂縫、殘缺，并將爐內(nèi)溫度升高至400-500°C，自然干燥和烘烤2-3小時(shí)；②在中頻爐爐底鋪8-lOmm石棉板，并鋪設(shè)至少一層爐壁貼和1_1.5mm的石棉板；③使用高鋁干式搗打料，并用筑爐器筑爐膽，搗打完?duì)t底后，放入紫銅板制成的爐芯樣板，然后搗打爐壁；④使用高鋁質(zhì)搗打料、玻璃水和水的混合物，筑打爐口與爐嘴；⑤爐膽筑完后自然風(fēng)干2-3小時(shí)后，即可進(jìn)入烤爐步驟。
4.如權(quán)利要求3所述的用于電氣化鐵路接觸網(wǎng)的銅合金的制備方法，其特征是，所述搗打的爐膽底厚為150-200mm，爐壁厚為100_150mm，并在爐膽內(nèi)，每50_60mm高處搗打爐層，使中頻爐內(nèi)的爐層至少包括有二層。
5.如權(quán)利要求3所述的用于電氣化鐵路接觸網(wǎng)的銅合金的方法，其特征在于，所述的筑打爐膽容積為1-1. 5噸，整個(gè)中頻爐頻率為250-750HZ，功率為20-650KW。
6.如權(quán)利要求3所述的用于電氣化鐵路接觸網(wǎng)的銅合金的制備方法，其特征在于在所述的步驟③中，爐底打完后，根據(jù)所述樣板底部大小，在爐底上挖下?tīng)t底與爐壁的連接凹槽，凹槽深30-50mm。
7.如權(quán)利要求2所述的用于電氣化鐵路接觸網(wǎng)的銅合金的制備方法，其特征是，所述的步驟一中所述的烤爐步驟為①將中頻爐爐芯內(nèi)裝入感應(yīng)碳晶，爐頭、爐口放置感應(yīng)鐵，即可開(kāi)始升溫烤爐；②從常溫開(kāi)始升溫，中頻爐內(nèi)起初功率為15-20KW，以5KW/h的速率升溫，直至功率達(dá)到30-35KW，此時(shí)爐內(nèi)溫度達(dá)到200-250°C時(shí)，進(jìn)行保溫；升溫、保溫時(shí)間不少于6小時(shí)；同時(shí)，觀(guān)察爐口、爐頭有無(wú)蒸汽溢出，爐口處若過(guò)量膨脹，則延長(zhǎng)保溫時(shí)間，當(dāng)爐口無(wú)蒸汽溢出，方可繼續(xù)升溫；③將中頻爐功率繼續(xù)以5KW/h的速率升溫，直至功率達(dá)到45-50KW，此時(shí)爐內(nèi)溫度達(dá)到600-650°C時(shí)，進(jìn)行保溫；升溫、保溫時(shí)間不少于4小時(shí)；同時(shí)，觀(guān)察爐內(nèi)感應(yīng)鐵若暗紅，且爐口處若過(guò)量膨脹，則延長(zhǎng)保溫時(shí)間，當(dāng)爐口無(wú)蒸汽溢出，方可繼續(xù)升溫；④將中頻爐功率繼續(xù)以5KW/h的速率升溫，直至功率達(dá)到70-80KW，此時(shí)爐內(nèi)溫度達(dá)到 1200-1300°C時(shí)，進(jìn)行保溫?zé)Y(jié)，保溫?zé)Y(jié)2-4小時(shí)；⑤取出感應(yīng)碳晶和感應(yīng)鐵，烤爐完畢。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種導(dǎo)電解銅合金，尤其涉及一種用于電氣化鐵路接觸網(wǎng)的銅合金及其制備方法。一種用于電氣化鐵路接觸網(wǎng)的銅合金，其按重量百分比包括8.0％-11％的鋁，2.5％-4.5％的鐵，1.0％-2.0％的鎳，1.0％-2.0％的錳，0.15％-2％的5#稀土，78％-88％的銅，其中的雜質(zhì)不大于0.5％。其制備方法包括對(duì)中頻感應(yīng)爐進(jìn)行打爐及烤爐準(zhǔn)備步驟、合金熔煉步驟、化驗(yàn)步驟、出爐步驟。其提高了常見(jiàn)合金抗大風(fēng)能力，材料制造成本較QSi1-3、CuNi2Si下降10％，是電氣化鐵路(高速電氣化鐵路)接觸網(wǎng)配件制造的又一種較為理想的銅合金材料。
文檔編號(hào)C22C9/01GK102560187SQ20121006150
公開(kāi)日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2012年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月10日
發(fā)明者劉高杰, 包仲齊, 吳文軍, 周尚智, 康鐳鏷, 張玉武, 王嘉勇, 王海燕, 田豐, 郝發(fā)強(qiáng) 申請(qǐng)人:甘肅大鑫銅業(yè)有限責(zé)任公司