专利名称：铜合金接触线及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种铜合金接触线及其制备方法，更具体来说，涉及用作高
速铁路接触线的A1203弥散强化铜合金接触线及其制备方法。
背景技术：
电气化铁路接触网由接触导线、承力索和吊环构成，接触导线是保证电 气化铁路正常运营的关键构件，它通过与电力机车受电弓滑板直接接触滑动 摩擦将电能从牵引变电所传输给电力机车。随着电气化列车向高速、重载的
发展，对接触线的材质和性能提出了更高的要求加大接触线的悬挂张力， 提高接触网的稳定性、波动传播速度，改善机车受流质量等。因此要求接触 线在具有良好导电性的同时，还应具有高的机械强度、软化温度以及在载流 条件下的良好的抗摩擦磨损性能。
为了适应电气化铁路对接触导线的要求，材料工作者进行了高强高导铜 合金的研究。传统提高铜合金强度的方法有应变硬化、固溶强化及沉淀强 化，但是由于在高温下金属将发生再结晶，第二相粗化和溶解及金属间化合 物长大，且固溶强化又会大大降低材料的传导率，因此使用以上强化方法， 在室温条件下，可不同程度地提高材料强度，但在高温条件下，以上各种强 化方法都将失效。采用传统强化方式面临的主要问题(a)抗拉强度和导电率 的极限匹配问题；(b)高温性能稳定性问题；(C)由此而导致的高速载流条件下 摩擦磨损寿命问题。例如CTHA2120银铜线，导电率为96.6。/。IACS，而抗拉强 度仅为365MPa; CTHB2120锡银铜线，导电率为90.0% IACS，抗拉强度仅为 368MPa; CGLN2250钢铝线，抗拉强度可达到650MPa，而导电率仅为46.3% I ACS。但所有这些线种的参数与高速列车理想的接触线性能:抗拉强度》500 MPa,导电率》80。/。 IACS仍有较大距离。
采用内氧化法制备的A1203颗粒弥散强化铜合金在铜基体中引入了纳米
级细小且弥散分布的Al203颗粒，由于Al203颗粒硬，且在高温下热稳定性好
及对Cu基体的不溶性,甚至在接近铜熔点的温度下都能保持其原来的粒度和 间距，所以弥散强化铜合金在髙温下能保持其大部分硬度和强度。同时由于
Al203颗粒含量少，且细小弥散分布，所以能保持铜基体的高导电、导热性。
高的导电导热性能以及高温性能的持有也导致了该材料在载流条件下优越的
摩擦磨损性能。因此，发明人认为，A1203弥散强化铜合金在高速铁路接触导
线上应该具有广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种铜合金接触线及其制备方法，该接触线在具有 良好导电性的同时，还具有高的机械强度、软化温度以及在载流条件下的良 好的抗摩擦磨损性能。
根据本发明的铜合金接触线的制备方法包括步骤①制备Ql-Al中间合金粉 末，其中Al含量为0.21 0.53wtM，余量为铜；②利用步骤①所制备的Cu-Al 中间合金粉末来制备氧源Al203-Cu20，其中Cu与Al之间的重量比保持不变； (D将步骤①所制备的Cu-Al中间合金粉末与步骤②制备的氧源A1203-0!20混 合，其中氧源Al203-Cu20在混合物中所占重量比例为10 25wt%;④对步 骤③所得混合物进行内氧化和还原处理，得到八1203含量为0.4 1.0wt^的 Cu-Ab03合金粉末；⑤将步骤④所得Cu-Al203合金粉末压制成坯锭并进行烧 结处理；⑥将步骤⑤所得压制烧结后的坯锭成型为棒材；和⑦将步骤⑥所得 棒材通过拉拔制成所需截面尺寸的接触线。本发明的铜合金接触线根据上述 方法制得。
根据本发明制备的铜合金接触线的合金组分为A1203: 0.4 1.0wt%， 余量为铜(杂质含量不大于0.05%)。根据本发明的铜合金接触线的抗拉强 度为500 600MPa，导电率可达到80% 90%IACS，电磨损寿命为常用的铜 银接触线的10 20倍(如图1所示)，软化温度》900。C，使用温度在300 'C时的抗拉强度下降率在10%以下。因此，本发明的铜合金接触线具有高的 抗耐磨性能和抗疲劳性能，是一种综合性能极佳的铜合金接触线。
图1是A1203弥散强化铜合金(其中Al203含量分别为0.24%、 0.4%、 0.6%禾卩1.0%)接触线与铜银合金接触线的电磨损寿命对比曲线。
具体实施例方式
本发明在传统的内氧化工艺的基础上，结合铜合金接触线的使用工矿条
件，发明了一种新的Ab03弥散强化铜合金接触线及其制备方法。 本发明的A1203弥散强化铜合金接触线的优选制备方法如下
① 铜铝合金粉末制备首先将电解铜烘干后在感应电炉中熔化，熔化温
度1150 125(TC,熔体用经焙烧的木炭覆盖，按Al为0.21 0.53wt^的比例 加入Cu-Al中间合金(以使得最终Cu- A1203合金中A1203的含量基本为0.4 1.0wt%)，熔匀后形成Cu-Al合金熔体；然后将熔体过热到1300 1350°C， 浇入雾化装置中，用大于6X 105Pa高纯氮气通过雾化器将Cu-Al合金熔体雾 化成Cu-Al合金粉末，筛分成粒度小于或等于100目的Cu-Al合金粉末；
② 氧源的制备利用步骤①制备的Cu-Al合金粉末来制备氧源。根据需 要取出一部分步骤①制备的Cu-AI合金粉末，在箱式炉内加热氧化，温度为 200 500°C，保温时间20 50h。氧化完成后，取出结块的粉末破碎并过100 目筛，将过筛后的氧化粉末放入密闭炉胆内，在氮气保护下加热至650 850 °C，保温l 3h，随炉冷却至室温出炉，即制得氧源，氧源的主要成分为 Al203+Cu20。
③ 将Cu-Al合金粉末与制备的氧源混合将步骤①制备的Cu-Al合金粉
末与步骤②制备的氧源在V形混粉机中充分混合，其中氧源所占比例优选为
10 25wt%，其余为Cu-Al合金粉末，混粉时间为2 5h。其中如果氧源比 例过低，会造成在下面的内氧化过程中Cu-Al合金粉末氧化不充分；如果氧 源比例过高，则会增加成本，因为氧源自身的制备成本较高并且还会增加后 续还原过程的成本。
④ 内氧化+还原将混合粉末装入炉胆内，并通入高纯氮气，将炉胆内的
空气排空后，关闭出口阀，保持氮气的压力为0.3 1MPa，升温至600 900 °C，保温3 5h，期间0120分解释放活性
，生成的[O]通过扩散到Cu-Al 合金粉末中，由于铝比铜易生成氧化物，因此Cu-Al合金中的铝被优先氧化 成A1203，内氧化过程完成后，Cu-Al合金粉末氧化成Al203/Cu粉末，氧源(主 要成分为Cu+Al203+Cu20)中的Cu20大多数分解为Cn，使得氧源主要成分 变为Al203/Cu和少量的Cu20。然后打开出口阀，将进口阀处的氮气换成氢气通入炉胆内，并将炉胆温度升至700 100(TC，保温l 5h，同时在出口阀 处将排出的多余氢气点燃释放；该过程是将氧源中残留的Cu20还原形成Cu， 从而使氧源变为纯净的Al203/Cu并使最终所得Cu- A1203合金中A1203的含量 基本为0.4 1.0wt%，还原结束后将进口阀处的氢气再次换成氮气通入炉胆 内以排出炉胆内残留的氢气，便于安全打开炉胆。
⑤ 等静压+烧结将内氧化还原后的混合粉末装入等静压胶套中，然后在 冷等静压机油缸内被压制成坯或锭，其中冷等静压工序压力为100 200MPa， 然后将坯或锭装入炉胆内，在氢气气氛条件下进行加热烧结，烧结温度为95 0 1020°C，时间为2 4h;
⑥ 挤压成型将压制烧结后的坯或锭在挤压机上挤压成直径为50 80m m的棒材。
⑦ 多道次拉拔根据接触线截面尺寸，将50 80mm的棒材经过数道次 孔型拉拔，得到A1203弥散强化铜合金接触线。
图1为电流50A，速度为300r/min试验条件下，Al2O3弥散强化铜合金(其 中八1203含量分别为0.24%、 0.4%、 0.6%和1.0%)接触线与铜银合金接触 线的电磨损寿命对比曲线。可以看出，随着磨损时间的增加，八1203弥散强化 铜合金的磨损率明显低于铜银合金，当八1203含量为0.4% 1.0%区间时，其 电磨损寿命为常用的铜银接触线的10 20倍。例如，对于A1203含量为0.4 %的^203弥散强化铜合金接触线，其导电率可达到90XIACS，同时抗拉强 度大于500MPa，电磨损寿命为常用的铜银接触线的10 15倍；对于A1203 含量为1.0wt。/^的Al203弥散强化铜合金接触线，其抗拉强度可达到600MPa， 同时导电率大于80XIACS，电磨损寿命为常用的铜银接触线的15 20倍。
本发明具有如下优点
(1)具有优良的材料特性。采用本发明制备的Al203弥散强化铜合金接
触线，由于在铜基体中引入了硬度高且热稳定性好的八1203颗粒，从而使该 合金在保持铜基体优越的传导性能的同时，兼具有高的室温强度和高温强度 以及高的抗摩擦磨损性能。其抗拉强度达到500 600MPa，导电率为80% 90% IACS，抗高温软化性能为使用温度在30(TC时的抗拉强度下降率在1
0%以下，软化温度》90(TC，具有高的抗耐磨性能和抗疲劳性能，是一种综 合性能极佳的铜合金接触线。
(2)本发明的Al203弥散强化铜合金接触线制备工艺非常合理其独特
的氧源制备和氧源混合氧化工艺不但保证了最终产品的组分含量，縮短了生 产周期，还降低了生产成本。本发明尤其适用于高速列车接触线的生产。
本领域技术人员可以理解，上述实施方式/实施例仅用于说明目的，并非 用于限制本发明。
权利要求
1.一种铜合金接触线的制备方法，包括步骤①制备Cu-Al中间合金粉末，其中Al含量为0.21～0.53wt％，余量为铜；②利用步骤①所制备的Cu-Al中间合金粉末来制备氧源Al2O3-Cu2O，其中Cu与Al之间的重量比保持不变；③将步骤①所制备的Cu-Al中间合金粉末与步骤②制备的氧源Al2O3-Cu2O混合，其中氧源Al2O3-Cu2O在混合物中所占重量比例为10～25wt％；④对步骤③所得混合物进行内氧化和还原处理，得到Al2O3含量为0.4～1.0wt％的Cu-Al2O3合金粉末；⑤将步骤④所得Cu-Al2O3合金粉末压制成坯锭并进行烧结处理；⑥将步骤⑤所得压制烧结后的坯锭成型为棒材； 和⑦将步骤⑥所得棒材通过拉拔制成所需截面尺寸的接触线。
2. 根据权利要求1的制备方法，其中步骤①所得Cu-Al中间合金粉末的 粒度小于或等于100目。
3. 根据权利要求1的制备方法，其中在步骤②中，首先在200 50(TC下 并保温20 50小时来空气氧化步骤①所得Cu-Al中间合金粉末，随后在氮气 保护下将其加热至650 850'C并保温1 3小时，最后将其冷却至室温来获 得氧源A1203-Cu20。
4. 根据权利要求1的制备方法，其中步骤③是通过V形混粉机进行， 混粉时间为2 5小时。
5. 根据权利要求l的制备方法，其中步骤④中的内氧化和还原处理包括 通过在密闭容器中加热步骤③所得混合物，使其中的Cu20分解释放活性[O] 而使Cu-Al合金粉末中的Al被内氧化成A1203;然后通入氢气将其中残留的 Cu20还原为Cu，其中内氧化处理是在600 90(TC下加热并保温3 5小时； 还原处理是在700 100(TC下加热并保温1 5小时。
6. 根据权利要求1的制备方法，其中在步骤⑤中，利用冷等静压机在1 00 200Mpa的压力下将所得01-八1203合金粉末压制成坯锭；在氢气气氛下 加热到950 1020'C进行烧结处理，时间为2 4小时。
7. 根据权利要求1的制备方法，其中在步骤⑥中，通过挤压机将压制烧 结后的坯锭挤压成直径为50 80mm的棒材。
8. 根据权利要求1的制备方法，其中在步骤⑦中，所述拉拔为多道次孔 型拉拔。
9. 一种铜合金接触线，其特征在于，采用根据权利要求1-8之一的方法 制备。
10. 根据权利要求9的铜合金接触线，其特征在于，用作高速铁路接触线。
全文摘要
本发明提供了一种铜合金接触线及其制备方法，该方法包括步骤①制备Cu-Al中间合金粉末，其中Al含量为0.21～0.53wt％，余量为铜；②利用步骤①所制备的Cu-Al中间合金粉末来制备氧源Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>-Cu<sub>2</sub>O，其中Cu与Al之间的重量比保持不变；③将步骤①所制备的Cu-Al中间合金粉末与步骤②制备的氧源Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>-Cu<sub>2</sub>O混合，其中氧源Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>-Cu<sub>2</sub>O在混合物中所占重量比例为10～25wt％；④对步骤③所得混合物进行内氧化和还原处理，得到Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>含量为0.4～1.0wt％的Cu-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>合金粉末；⑤将步骤④所得Cu-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>合金粉末压制成坯锭并进行烧结处理；⑥将步骤⑤所得压制烧结后的坯锭成型为棒材；和⑦将步骤⑥所得棒材通过拉拔制成所需截面尺寸的接触线。由此制备的铜合金接触线具有良好的导电性和高的机械强度、软化温度和良好的抗摩擦磨损性能。
文档编号H01B13/00GK101178957SQ20071019552
公开日2008年5月14日 申请日期2007年12月4日 优先权日2007年12月4日
发明者刘亚民, 刘瑞华, 周伯楚, 国秀花, 宋克兴, 徐晓峰, 田保红, 贾淑果, 赵培峰, 郜建新 申请人:河南科技大学