专利名称：用于电气化铁路接触网的铜合金及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种导电解铜合金，尤其涉及一种用于电气化铁路接触网的铜合金及其制备方法。
背景技术：
目前，由于高速电气化铁路接触网在导电、强度、塑性、抗腐蚀、耐疲劳、热处理可加工性等机械性能有较高的要求，同时对于抗大风能力也有较高的要求。现有的用于高速电气化铁路接触网配件材料有QSil-3、CuNi2Si等，在导电、强度、塑性、抗腐蚀、耐疲劳、热处理可加工性等机械性能能够满足要求，但对于抗大风能力一般达不到要求，且其耐腐蚀性、抗疲劳性不及C6161铜合金材料，其成本较C6161铜合金材料高10% -15%。
发明内容
本发明的目的在于避免现有技术的不足提供一种用于电气化铁路接触网的铜合金及其制备方法。为实现上述目的，本发明采取的技术方案为一种用于电气化铁路接触网的铜合金，其按重量百分比包括8.0% -11%的铝，2. 5% -4. 5%的铁，1.0% -2.0%的镍， 1.0% _2.0%的锰，0. 15% -2%的5#稀土，78% -88%的铜，其中的杂质不大于0. 5%。微量元素铁(Fe)少量铁能溶于铜-铝合金的α固溶体中，其溶解度随温度降低而减小。若合金铁含量过高，则组织中会有针状FeA13化合物析出，使合金机械性能变坏， 抗蚀性恶化，因此，在铝青铜中，铁加入量不得超过5%。合金中镍、锰、铝量增高，会使铁在 α固体中的溶解度进一步降低。铁能使铝青铜中的原子扩散速度减慢，增加β相的稳定性。少量铁对铜-铝合金 β相恒温转变动力学的影响，铁对525°C附近共析体转变速度的延缓作用虽不如更低温度范围那么显著，但已能抑制引起合金变脆的“自行退火”现象，显著减少合金的脆性。铁还能细化铝青铜铸造或再结晶后的晶粒，提高机械性能。通常加入0. 5-1 %的铁就能使单相或两相铝青铜的晶粒变细。微量元素镍(Ni)镍有限固溶于铜-铝合金的α固溶体中，当含镍量超过固溶极限时，合金组织中就会出现新的κ相(NiAl)。镍对铝青铜共析转变的影响，它既提高铝青铜共析转变的温度，又使共析点成分向高铝方向移动，并可改变α相的形状。含镍较低时， α相呈针状，镍量达到3%时呈片状。在含镍的铝青铜中加入锰，有使β相得共析转变形成粒状组织的倾向。镍显著提高铝青铜的强度、硬度、热稳定性和耐蚀性。含有足够镍的铜-铝-镍-铁合金的另一优点是它于热加工后，不须再加热淬火，即可进行时效。铜-铝-镍-铁合金中的κ相，在室温是有序体心立方晶体格的镍-铁-铝相。 它能溶入α相和β相，而且其溶解度随温度上升而增加，当温度超过925_950°C时，κ相能完全溶解。合金从高温冷却下来时，κ相在β相中析出，同时，κ相在α相中的溶解度也随着温度下降而减少，κ相也会从α相中析出，但析出温度比β相中的要低些。
铜-铝-镍-铁合金中有以下规律1、随着铝含量的增加，α相区缩小，β和Υ2相区增大，而且防止β相分解所必需的临界冷却速度也降低；2、随着镍量的增加，β和Y 2相区缩小，K相区增大；3、随着含铁量的增加，Y 2相区缩小，κ相区增大，共析体成分点转向高含铝量方含8-12%铝、4-6%镍、4-6%铁的铜-铝-镍-铁四元合金，当温度低于950°C时， 其组织中就会出现κ相，但是，κ相的析出形态是相当复杂的，它以沉淀方式而变化，可呈细粒状、块状或层状。在铜-铝-镍-铁四元合金，κ相的析出形态对合金的机械性能有很大影响。实验表明合金中铝、镍和铁的含量及其相互之间的比例、合金热处理条件(淬火温度、冷却速度、回火温度和时间等)均影响κ相的析出形态和合金的机械性能。当合金中同时加有 4-6%的镍和铁时，则α固溶体相区被扩大，而β相区则显著缩小，此时，即使增高铝的含量，仍可得到良好的塑性。此外，合金中的镍和铁两元素的含量比例，对κ相析出形态也有明显的影响，当镍含量大于铁含量时，κ相呈层状析出，而当铁含量大于镍含量时，κ相呈块状，仅当镍和铁的含量大致相同时，κ相呈均勻分散的细粒状，有利于得到很好的机械性能。在铜-铝-镍-铁四元素中，镍和铁的含量比最好是0. 9-1. 1的范围。微量元素锰(Mn)铜-铝-锰系等温度截面、纵截面以及室温组织与冷却速度的关系，锰能较多地融入铝青铜中的α固溶体，但又降低铝在α中的溶解度。锰能稳定β 相，降低相变开始温度，推迟共析转变。添加溶解于铝青铜中的锰量，可提高合金的机械性能和耐蚀性。此类合金能很好的承受热、冷态压力加工。简单铝青铜中加入0.3-0. 5%锰、 能改善合金的工艺性能，减少热轧开裂，提高成品率。含锰铝青铜加入一定量的铁，可进一步改善合金的性能，此时，铁能细化晶粒，并使合金组织中出现铁铝化合物的微细质点，提高合金的机械性能和耐磨性，但铁减弱锰对β相的稳定作用。微量稀土元素稀土添加剂在铜及铜合金中的应用不断扩大，得到人们的共识。生产中将其制成铜-稀土中间合金铸块，这种添加剂具有易破碎、能显著细化铜及铜合金的晶粒组织，改善铜及铜合金材料的性能，提高铜及铜合金的导电、导热性能等综合效果。铝青铜合金材料当含铝小于7. 4-9. 4%的合金在1036_565°C范围呈α +β两相组织，在生产的冷却条件下，合金中的β — α相变过程，往往不能全部完成，仍保留一部分β 固溶体，随后发生共析分解形成(α + Υ2)共析体，其中Y 2是一硬脆相(HV = 520)，它的出现会使硬度、强度升高，塑性下降。含9. 4-15. 6%铝的合金缓慢冷却到565°C时，会发生 β — α+ Υ2转变，形成共析体组织。铝青铜中的(α + γ2)共析体组织与退火钢中的珠光体相似，具有极明显的片层状特征。但是，β相的共析体分解比较缓慢，它在快速冷却时， 会来不及分解，而产生亚稳定组织。本发明还提供一种用于电气化铁路接触网的铜合金的制备方法，包括如下步骤步骤一、对中频感应炉进行打炉及烤炉准备步骤；步骤二、合金熔炼，包括如下步骤，①在中频炉中加入100_150kg电解铜，并将中频炉功率升至350-400KW，直至电解铜完全熔化，且炉内温度达到1200-1300°C时，依次向炉内加入镍、铁，再保温0. 5-1小时；
②向炉中加入铝和600_650kg电解铜，将中频炉功率升至600-650KW，电解铜完全熔化，温度达到1350-1400°C时，加入锰和0. 5-lkg冰晶石搅拌、清渣、取样、精炼，同时，将中频炉功率降至350-400KW保温，保温0. 5-1小时；步骤三、化验步骤制样、使用X荧光光谱仪检测炉内合金化学成份；步骤四、出炉步骤向中频炉中加入5#稀土，同时进行电磁搅拌。在所述的步骤一中所述的打炉步骤为①检查中频炉感应线圈与炉体绝缘情况，以及线圈上耐火胶泥破损，如有破损补全胶泥的裂缝、残缺，并将炉内温度升高至400-500°C，自然干燥和烘烤2-3小时；②在中频炉炉底铺8-lOmm石棉板，铺设至少一层炉壁贴和1-1. 5mm的石棉板；③使用高铝干式捣打料并用筑炉器筑炉胆，捣打完炉底后，放入紫铜板制成的炉芯样板，然后捣打炉壁；④使用高铝质捣打料、玻璃水和水的混合物，筑打炉口与炉嘴；⑤炉胆筑完后自然风干2-3小时后，即可进入烤炉步骤。所述捣打的炉胆底厚为150-200_，炉壁厚为100-150_，并在炉胆内，每50-60_
高处捣打炉层，使中频炉内的炉层至少包括有二层。所述的筑打炉胆容积为1-1. 5吨，整个中频炉频率为250-750HZ，功率为 20-650KW。在所述的步骤③中，炉底打完后，根据所述样板底部大小，为了使炉壁与炉底充分结合，不至于分层，故在炉底上挖下炉底与炉壁的连接凹槽，凹槽深30-50mm。本发明的打炉步骤的优点是①感应线圈应用耐火胶泥(ZDL401)涂抹，内层10mm，线圈扎间填满胶泥，烘烤 GO(TC)。可提高线圈整体强度、抗震能力。其耐压等级提高到10万伏。有效防止漏炉时高温铜液对线圈的损坏。②打炉时炉底与炉壁的结合部是重点，炉底打完后根据样板底部大小，将与炉壁结合部的炉底部分挖下一层50mm左右，然后再放入样板正常打炉。这样有利于炉底与炉壁完全结合，提高炉体的整体性。③采用高铝砂炉料代替传统的硅砂和镁砂，硅砂在高温时易与合金中的铝发生化学反应，置换出硅污染合金。镁砂虽然耐火度高，可耐急冷急热冲击性不如高铝砂。④烤炉时炉口、炉头放置感应铁，取代以前木炭烘烤，木炭烘烤温度不集中、不均勻，尤其烤炉在烧结阶段，炉内炉外、炉头炉口温差很大，烧结时易出现裂纹，而用感应铁烘烤炉头、炉口很方便，铁是磁导体，感应温度可达600°C。所述的步骤一中所述的烤炉步骤为①将中频炉炉芯内装入感应碳晶，炉头、炉口放置感应铁，即可开始升温烤炉；②从常温开始升温，中频炉内起初功率为15-20KW，以5KW/h的速率升温，直至功率达到30-35KW，此时炉内温度达到200-250°C时，进行保温；升温、保温时间不少于6小时； 同时，观察炉口、炉头有无蒸汽溢出，炉口处若过量膨胀，则延长保温时间，当炉口无蒸汽溢出，方可继续升温；③将中频炉功率继续以5KW/h的速率升温，直至功率达到45-50KW，此时炉内温度达到600-650°C时，进行保温；升温、保温时间不少于4小时；同时，观察炉内感应铁若暗红，且炉口处若过量膨胀，则延长保温时间，当炉口无蒸汽溢出，方可继续升温；④将中频炉功率继续以5KW/h的速率升温，直至功率达到70-80KW，此时炉内温度达到1200-1300°C时，进行保温烧结，保温烧结2-4小时；⑤取出感应碳晶和感应铁，烤炉完毕。本发明的烤炉步骤的优点是①合金熔炼时加入的顺序除了按照合金元素的难熔程度顺序控制加料外，还充分利用了铝和铜熔合时的反应热。以及通过产业化的经验总结出来的。②炉前炉后应用X荧光光谱仪检测化学成份替代传统的人工化学分析。提高效率 3倍以上，减少了人为因素的影响。③出炉采用半连续铸造加装电磁搅拌，在QAL8-3-1-1合金凝固过程中施加磁场， 可细化铸态组织、促进枝晶向等轴晶转变、抑制Al元素的宏观偏析、提高合金成分的均勻性。本发明的有益效果本发明是参照铝青铜材料QAL9-2、QAL9-4、QAL10-3-1. 5、 QAL10-4-4，在铝青铜材料的基础上增加 ^、·、Μη、及稀土元素，并调整各元素之间的含量， 经特殊工艺熔炼、铸造而成。主要用于电气化铁路(高速电气化铁路)接触网配件材料。 该材料与其他同类材料QSil-3、CuNi2Si等比较，除导电、强度、塑性、抗腐蚀、耐疲劳、热处理可加工性等机械性能之外，抗大风能力及材料制造成本较上述材料有明显的优势，其成本较QSil-3、CuNi2Si下降10%，是继CuNi2Si铜合金材料，是电气化铁路(高速电气化铁路)接触网配件制造的又一种较为理想的铜合金材料。
具体实施例方式以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。实施例1 一种用于电气化铁路接触网的铜合金，其按重量百分比包括 8. 0% -11% 的铝，2. 5% -4. 5% 的铁，1.0% -2.0% 的镍，1.0% -2.0% 的锰，0. 15% -2% 的 5#稀土，78% -88%的铜，其中的杂质不大于0.5%。实施例2 与实施例1相同，不同的是所述的用于电气化铁路接触网的铜合金的组成原料是按照表1中的重量百分比组成表 权利要求
1.一种用于电气化铁路接触网的铜合金，其特征是，其按重量百分比包括 8. 0% -11% 的铝，2. 5% -4. 5% 的铁，1.0% -2.0% 的镍，1.0% -2.0% 的锰，0. 15% -2% 的 5#稀土，78% -88%的铜，其中的杂质不大于0.5%。
2.如权利要求1所述的用于电气化铁路接触网的铜合金的制备方法，其特征是，包括如下步骤步骤一、对中频感应炉进行打炉及烤炉准备步骤；步骤二、合金熔炼，包括如下步骤①在中频炉中加入100-150kg电解铜，并将中频炉功率升至350-400KW，直至电解铜完全熔化，且炉内温度达到1200-1300°C时，依次向炉内加入镍、铁，再保温0. 5-1小时；②向炉中加入铝和600-650kg电解铜，将中频炉功率升至600-650KW，电解铜完全熔化，温度达到1350-1400°C时，加入锰和0. 5-lkg冰晶石搅拌、清渣、取样、精炼，同时，将中频炉功率降至350-400KW保温，保温0. 5-1小时；步骤三、化验步骤制样、使用X荧光光谱仪检测炉内合金化学成份；步骤四、出炉步骤向中频炉中加入5#稀土，同时进行电磁搅拌。
3.如权利要求2所述的用于电气化铁路接触网的铜合金的制备方法，其特征是，所述的步骤一中所述的打炉步骤为①检查中频炉感应线圈与炉体绝缘情况，以及线圈上耐火胶泥破损，如有破损补全胶泥的裂缝、残缺，并将炉内温度升高至400-500°C，自然干燥和烘烤2-3小时；②在中频炉炉底铺8-lOmm石棉板，并铺设至少一层炉壁贴和1_1.5mm的石棉板；③使用高铝干式捣打料，并用筑炉器筑炉胆，捣打完炉底后，放入紫铜板制成的炉芯样板，然后捣打炉壁；④使用高铝质捣打料、玻璃水和水的混合物，筑打炉口与炉嘴；⑤炉胆筑完后自然风干2-3小时后，即可进入烤炉步骤。
4.如权利要求3所述的用于电气化铁路接触网的铜合金的制备方法，其特征是，所述捣打的炉胆底厚为150-200mm，炉壁厚为100_150mm，并在炉胆内，每50_60mm高处捣打炉层，使中频炉内的炉层至少包括有二层。
5.如权利要求3所述的用于电气化铁路接触网的铜合金的方法，其特征在于，所述的筑打炉胆容积为1-1. 5吨，整个中频炉频率为250-750HZ，功率为20-650KW。
6.如权利要求3所述的用于电气化铁路接触网的铜合金的制备方法，其特征在于在所述的步骤③中，炉底打完后，根据所述样板底部大小，在炉底上挖下炉底与炉壁的连接凹槽，凹槽深30-50mm。
7.如权利要求2所述的用于电气化铁路接触网的铜合金的制备方法，其特征是，所述的步骤一中所述的烤炉步骤为①将中频炉炉芯内装入感应碳晶，炉头、炉口放置感应铁，即可开始升温烤炉；②从常温开始升温，中频炉内起初功率为15-20KW，以5KW/h的速率升温，直至功率达到30-35KW，此时炉内温度达到200-250°C时，进行保温；升温、保温时间不少于6小时；同时，观察炉口、炉头有无蒸汽溢出，炉口处若过量膨胀，则延长保温时间，当炉口无蒸汽溢出，方可继续升温；③将中频炉功率继续以5KW/h的速率升温，直至功率达到45-50KW，此时炉内温度达到600-650°C时，进行保温；升温、保温时间不少于4小时；同时，观察炉内感应铁若暗红，且炉口处若过量膨胀，则延长保温时间，当炉口无蒸汽溢出，方可继续升温；④将中频炉功率继续以5KW/h的速率升温，直至功率达到70-80KW，此时炉内温度达到 1200-1300°C时，进行保温烧结，保温烧结2-4小时；⑤取出感应碳晶和感应铁，烤炉完毕。
全文摘要
本发明涉及一种导电解铜合金，尤其涉及一种用于电气化铁路接触网的铜合金及其制备方法。一种用于电气化铁路接触网的铜合金，其按重量百分比包括8.0％-11％的铝，2.5％-4.5％的铁，1.0％-2.0％的镍，1.0％-2.0％的锰，0.15％-2％的5#稀土，78％-88％的铜，其中的杂质不大于0.5％。其制备方法包括对中频感应炉进行打炉及烤炉准备步骤、合金熔炼步骤、化验步骤、出炉步骤。其提高了常见合金抗大风能力，材料制造成本较QSi1-3、CuNi2Si下降10％，是电气化铁路(高速电气化铁路)接触网配件制造的又一种较为理想的铜合金材料。
文档编号C22C9/01GK102560187SQ20121006150
公开日2012年7月11日 申请日期2012年3月10日 优先权日2012年3月10日
发明者刘高杰, 包仲齐, 吴文军, 周尚智, 康镭镤, 张玉武, 王嘉勇, 王海燕, 田丰, 郝发强 申请人:甘肃大鑫铜业有限责任公司