專利名稱：一種高強韌高導電銅鎂合金的加工方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種高強韌高導電銅鎂合金的加工方法，屬于有色合金加工技術領域。
背景技術：
高強高導銅合金是一種具有優(yōu)良綜合物理性能和力學性能的結構功能材料，廣泛應用于電氣化鐵路的接觸線材料中。接觸線作為電氣化鐵路弓網關系中的重要介質，其作用是確保列車在高速運行時能夠持續(xù)不斷地從牽引供電系統(tǒng)中得到電能，由于工作環(huán)境比較惡劣(需要承受沖擊、振動、溫差變化和極大的工作張力)，接觸線力學性能和導電性能的優(yōu)劣將直接影響到高速列車的安全穩(wěn)定運行。針對純銅導線強度低之先天不足，人們通過添加Ag、Sn、Mg、Cr等成分來提高其機械強度和耐磨性，但因此也導致了合金導電率的不同程度降低。目前最具市場潛力為超細晶強化型銅鎂合金，其經固溶強化、冷作硬化和細晶強·化后強度達560MPa，導電率65%IACS以上。此外，國內正在研發(fā)析出強化型銅合金接觸線(Cu-Cr-Zr合金)，以期滿足強度600MPa以上、導電率80%IACS以上的高端需求，但這種析出強化型接觸線生產工藝復雜，必須進行熱處理，很難實現(xiàn)規(guī)?；a。因此，探索銅合金復合高強高導技術，簡化生產工藝，降低生產成本，相關基礎研究和應用開發(fā)工作受到了各國研究者和政府的廣泛重視。目前，晶粒細化是公認的改善金屬材料綜合使用性能的有效方法，從銅合金的組織超細化和加工工藝入手，有望改善其微觀組織結構，從而提高其強韌性并保持良好的導電性。目前，制備新型超細晶或納米晶銅合金的主要方法有機械合金化、真空熔煉-快速凝固、球磨-壓制、非晶晶化、高能球磨法等，而新發(fā)展起來的、具有廣泛實用前景的為大塑性變形(Sro)加工法(如等通道轉角擠壓，即ECAP ;高壓扭轉，即HPT Conform連續(xù)擠壓法)。Conform連續(xù)擠壓法是由英國原子能局(UKAEA)斯普林菲爾德研究所的格林(D.Green)于1971首先提出的，該工藝的開發(fā)使擠壓生產真正實現(xiàn)了連續(xù)化加工，獲得了廣泛的實際應用。目前，利用Conform加冷拔制備的銅鎂合金接觸線抗拉強度可達到550MPa，但導電率小于70%IACS。這主要是由于Conform加工過程中，擠壓腔產生很高的溫度，導致晶粒細化效果有限。而后續(xù)冷拔加工雖然能明顯提高銅鎂合金的抗拉強度，但在冷拔過程中會產生大量位錯和晶體缺陷，降低合金導電性能。ECAP法是由俄羅斯科學家VM Segal于20世紀80年代發(fā)明的，具有加工方便、被加工材料尺寸改變小、可多道次持續(xù)加工等特點。它是利用試驗材料在兩個等徑通道的相交區(qū)域發(fā)生的近似理想的剪切變形以及在加工過程中存在的加工硬化、動態(tài)回復和再結晶等來控制材料微觀組織，從而達到細化晶粒和提高材料性能的目的。90年代后，ECAP逐漸發(fā)展為一種制備塊狀、致密、超細晶塊體金屬材料的有效方法。近年來，已有研究者將該工藝應用于銅合金的組織細化和微觀結構改善，如Kun Xia Wei等人利用ECAP加工的方法對鑄態(tài)的Cu-0. 5%Cr合金進行8道加工后，其抗拉強度達到了 484MPa，再經冷軋加工后，抗拉強度達到了 579MPa，但導電率僅為35%IACS，為了提高導電率，試樣需經過較高溫度的退火處理。因此Cu-Cr合金的加工方法比較煩瑣，對加工工藝的要求也較為嚴格。而Cu-Mg系合金加工方法則較為簡單，目前Cu-Mg合金的加工法主要有上引連鑄加拉拔和上引連鑄連擠加拉拔，但這兩種加工方法制備的Cu-Mg合金雖然具有較好的抗拉強度(500MPa 550MPa)，但導電率卻小于70%IACS。利用ECAP加工的方法制備高強韌高導電率Cu-Mg合金的研究卻未見報道。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種高強韌高導電銅鎂合金的加工方法，采用連續(xù)等通道轉角擠壓方法，工藝操作與設備要求簡單，藉此在不改變試件形狀和尺寸的情況下提高合金的抗拉強度和塑性，保持其良好的導電性能，并且可與現(xiàn)有接觸線生產線良好結合。本發(fā)明的特征在于結合了現(xiàn)有銅鎂合金接觸線的生產加工工藝，在此基礎上采用多道次連續(xù)等通道轉角擠壓加工技術，通過組織的超細化實現(xiàn)其強韌性的提高，并保持良好的導電性能。具體技術方案如下
一種高強韌高導電銅鎂合金的加工方法，包括如下步驟I)、以電解銅和純鎂為原料，配制成鎂含量為O. 19Γ0. 4%的銅鎂合金，采用上引連鑄技術和連續(xù)熱擠壓加工，獲得平均晶粒在5 10 μ m的銅鎂合金桿坯；2)、對步驟I)得到的銅鎂合金桿坯進行連續(xù)等通道轉角擠壓加工，擠壓溫度為273K 573K，模具內等通道轉角為90° 120°，最終獲得的銅鎂合金，其平均晶粒尺寸小于500nm、抗拉強度蘭560MPa、延伸率蘭20%、導電率蘭80%IACS。步驟2)所述溫度為273K 573K。根據(jù)銅鎂系二元合金相圖，確定連續(xù)等通道擠壓溫度273K 573K。若溫度過高，合金的動態(tài)再結晶速率較大，晶粒不易細化，同時模具容易軟化變形；若溫度過低，銅鎂合金桿易開裂。步驟2)所述連續(xù)等通道轉角擠壓加工2道次 16道次。若加工道次低于2道次，則合金的強度達不到較大程度的提高，而加工道次大于16道次以上，則降低了合金的加工效率。與其它高強高導銅合金的加工方法相比，本發(fā)明提供的加工方法具有以下優(yōu)點通過對熱擠壓后的銅鎂合金進行多道次連續(xù)等通道擠壓加工，可顯著細化銅鎂合金晶粒(平均粒徑小于500nm)，明顯提高銅鎂合金的強韌性。而且經此加工的銅鎂合金無需經過后續(xù)的再加工和熱處理就能獲得較高的強度，因此與其它合金相比具有加工工藝簡單，無需后續(xù)處理等優(yōu)點。同時，由于超細晶中特殊的微觀組織結構特征，能很好地保持材料的導電性。所得到的銅鎂合金平均晶粒尺寸小于500nm、抗拉強度3 560MPa、延伸率3 20%、導電率蘭80%IACS。而且由于是采用連續(xù)等通道轉角擠壓加工技術，可實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產。所獲得的銅鎂合金適用于高速鐵路接觸線材料，工業(yè)應用前景廣闊。


圖I熱擠壓態(tài)Cu-o. 2wt%Mg合金室溫金相組織；
圖2在573K下Cu-0. 2wt%Mg連續(xù)ECAP加工16道次后金相組織；
圖3在573K溫度下連續(xù)ECAP加工16道次后Cu_0. 2wt%Mg合金的TEM圖，其中(a)為晶粒和位錯等微觀結構，(b)為孿晶形貌；
圖4在573K下連續(xù)ECAP加工16道次后Cu_0. 2wt%Mg合金應力-應變圖；圖5在573K下ECAP加工I 16道次后Cu_0. 2wt%Mg合金導電率變化 圖6熱擠壓態(tài)Cu-0. 4wt%Mg合金室溫金相組織；
圖7在273K下連續(xù)ECAP加工8道次后Cu_0. 4wt%Mg合金金相組織；
圖8在273K下連續(xù)ECAP加工8道次后Cu_0. 4wt%Mg合金應力-應變 圖9在273K下連續(xù)ECAP加工I 16道次后Cu_0. 4wt%Mg合金導電率變化圖。
具體實施例方式下面結合具體實例對本發(fā)明的技術方案進行進一步說明。本發(fā)明所述的多道次連續(xù)等通道轉角擠壓加工技術，以提高銅鎂合金的抗拉強度和塑性，并使之具有良好的導電性，該方法不只局限于該具體實例。
實施例I :
選擇電解銅和純鎂為原料，配制成鎂含量為O. 2%的銅鎂合金，采用上引連鑄技術和連續(xù)熱擠壓加工，得到熱變形態(tài)Cu-0. 2wt%Mg合金即銅鎂合金桿坯，其中的鎂主要以固溶形式存在鎂基體中，平均晶粒尺寸為51 μ m(見圖1)，晶粒形貌呈等軸狀。在573K溫度下連續(xù)等通道轉角擠壓16道次后，模具內等通道轉角為90°，合金組織顯著細化，晶粒呈帶狀分布，晶粒長約為I μ m、寬約200nm(見圖2和圖3)，其晶粒內部位錯密度較低，且有部分孿晶。由于超細晶銅鎂合金中特殊的微觀結構特點，顯著提高了合金的抗拉強度和塑性。同時低的位錯密度和孿晶減少了對電子的散射，使合金保持了較好的導電性能。具體為抗拉強度584MPa，延伸率37. 9% (見圖4)，導電率達到了 84. 5%IACS (見圖5)。與現(xiàn)有Conform-冷拔加工銅鎂合金相比(抗拉強度550MPa，導電率=70%IACS)，抗拉強度和導電率顯著提高。實施例2
選擇電解銅和純鎂為原料，制成鎂含量為O. 4%的銅鎂合金，采用上引連鑄技術和連續(xù)熱擠壓加工，得到熱變形態(tài)Cu-0. 4wt%Mg合金即銅鎂合金桿坯，其中的鎂主要以固溶形式存在鎂基體中，平均晶粒尺寸為8 10 μ m(見圖6)，晶粒形貌呈等軸狀。在273K溫度下連續(xù)等通道轉角擠壓8道次后，模具內等通道轉角為120°，合金組織明顯細化，晶粒呈帶狀分布(見圖7)。與Cu-0. 2wt%Mg合金相比，鎂含量的提高增加了固溶強化的效果，因此在273K溫度下連續(xù)等通道轉角擠壓8道次后其抗拉強度達到了 589MPa，延伸率達到了 21. 5% (見圖8)，導電率為80. 5%IACS (見圖9)。實施例3:
實施例3與實施例I的區(qū)別僅在于選擇電解銅和鎂為原料，制成鎂含量為O. 1%的銅鎂合金，擠壓溫度為473K，模具內等通道轉角為100°，其余操作同實施例I。
權利要求
1.一種高強韌高導電銅鎂合金的加工方法，包括如下步驟 1)、以電解銅和純鎂為原料，配制成鎂含量為O.19Π). 4%的銅鎂合金，采用上引連鑄技術和連續(xù)熱擠壓加工，獲得平均晶粒在5 10 μ m的銅鎂合金桿坯； 2)、對步驟I)得到的銅鎂合金桿坯進行連續(xù)等通道轉角擠壓加工，擠壓溫度為273K 573K，模具內等通道轉角為90° 120°，獲得銅鎂合金，其平均晶粒尺寸小于500nm、抗拉強度蘭560MPa、延伸率蘭20%、導電率蘭80%IACS。
2.根據(jù)權利要求I所述的高強韌高導電銅鎂合金的加工方法，其特征在于，步驟2)所述連續(xù)等通道轉角擠壓加工2道次 16道次。
全文摘要
一種高強韌高導電銅鎂合金的加工方法，包括如下步驟1)以電解銅和純鎂為原料，配制成鎂含量為0.1%~0.4%的銅鎂合金，采用上引連鑄技術和連續(xù)熱擠壓加工，獲得平均晶粒在5~10μm的銅鎂合金桿坯；2)對步驟1)得到的銅鎂合金桿坯進行連續(xù)等通道轉角擠壓加工，擠壓溫度為273K～573K，模具內等通道轉角為90°~120°，最終獲得的銅鎂合金，其平均晶粒尺寸小于500nm、抗拉強度≧560MPa、延伸率≧20%、導電率≧80%IACS，可用于高速鐵路接觸線材料，本發(fā)明提供的加工方法可顯著細化銅鎂合金晶粒，明顯提高銅鎂合金的強韌性，并且加工工藝簡單，無需后續(xù)處理。
文檔編號C22C1/00GK102888525SQ20121042940
公開日2013年1月23日 申請日期2012年10月31日 優(yōu)先權日2012年10月31日
發(fā)明者江靜華, 朱承程, 馬愛斌, 宋丹, 陳建清, 楊東輝 申請人:河海大學, 常州市河?？萍佳芯吭河邢薰?br>