專利名稱：銅合金接觸線及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種銅合金接觸線及其制備方法，更具體來說，涉及用作高
速鐵路接觸線的A1203彌散強化銅合金接觸線及其制備方法。
背景技術：
電氣化鐵路接觸網(wǎng)由接觸導線、承力索和吊環(huán)構成，接觸導線是保證電 氣化鐵路正常運營的關鍵構件，它通過與電力機車受電弓滑板直接接觸滑動 摩擦將電能從牽引變電所傳輸給電力機車。隨著電氣化列車向高速、重載的
發(fā)展，對接觸線的材質(zhì)和性能提出了更高的要求加大接觸線的懸掛張力， 提高接觸網(wǎng)的穩(wěn)定性、波動傳播速度，改善機車受流質(zhì)量等。因此要求接觸 線在具有良好導電性的同時，還應具有高的機械強度、軟化溫度以及在載流 條件下的良好的抗摩擦磨損性能。
為了適應電氣化鐵路對接觸導線的要求，材料工作者進行了高強高導銅 合金的研究。傳統(tǒng)提高銅合金強度的方法有應變硬化、固溶強化及沉淀強 化，但是由于在高溫下金屬將發(fā)生再結晶，第二相粗化和溶解及金屬間化合 物長大，且固溶強化又會大大降低材料的傳導率，因此使用以上強化方法， 在室溫條件下，可不同程度地提高材料強度，但在高溫條件下，以上各種強 化方法都將失效。采用傳統(tǒng)強化方式面臨的主要問題(a)抗拉強度和導電率 的極限匹配問題；(b)高溫性能穩(wěn)定性問題；(C)由此而導致的高速載流條件下 摩擦磨損壽命問題。例如CTHA2120銀銅線，導電率為96.6。/。IACS，而抗拉強 度僅為365MPa; CTHB2120錫銀銅線，導電率為90.0% IACS，抗拉強度僅為 368MPa; CGLN2250鋼鋁線，抗拉強度可達到650MPa，而導電率僅為46.3% I ACS。但所有這些線種的參數(shù)與高速列車理想的接觸線性能:抗拉強度》500 MPa,導電率》80。/。 IACS仍有較大距離。
采用內(nèi)氧化法制備的A1203顆粒彌散強化銅合金在銅基體中引入了納米
級細小且彌散分布的Al203顆粒，由于Al203顆粒硬，且在高溫下熱穩(wěn)定性好
及對Cu基體的不溶性,甚至在接近銅熔點的溫度下都能保持其原來的粒度和 間距，所以彌散強化銅合金在髙溫下能保持其大部分硬度和強度。同時由于
Al203顆粒含量少，且細小彌散分布，所以能保持銅基體的高導電、導熱性。
高的導電導熱性能以及高溫性能的持有也導致了該材料在載流條件下優(yōu)越的
摩擦磨損性能。因此，發(fā)明人認為，A1203彌散強化銅合金在高速鐵路接觸導
線上應該具有廣闊的應用前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種銅合金接觸線及其制備方法，該接觸線在具有 良好導電性的同時，還具有高的機械強度、軟化溫度以及在載流條件下的良 好的抗摩擦磨損性能。
根據(jù)本發(fā)明的銅合金接觸線的制備方法包括步驟①制備Ql-Al中間合金粉 末，其中Al含量為0.21 0.53wtM，余量為銅；②利用步驟①所制備的Cu-Al 中間合金粉末來制備氧源Al203-Cu20，其中Cu與Al之間的重量比保持不變； (D將步驟①所制備的Cu-Al中間合金粉末與步驟②制備的氧源A1203-0!20混 合，其中氧源Al203-Cu20在混合物中所占重量比例為10 25wt%;④對步 驟③所得混合物進行內(nèi)氧化和還原處理，得到八1203含量為0.4 1.0wt^的 Cu-Ab03合金粉末；⑤將步驟④所得Cu-Al203合金粉末壓制成坯錠并進行燒 結處理；⑥將步驟⑤所得壓制燒結后的坯錠成型為棒材；和⑦將步驟⑥所得 棒材通過拉拔制成所需截面尺寸的接觸線。本發(fā)明的銅合金接觸線根據(jù)上述 方法制得。
根據(jù)本發(fā)明制備的銅合金接觸線的合金組分為A1203: 0.4 1.0wt%， 余量為銅(雜質(zhì)含量不大于0.05%)。根據(jù)本發(fā)明的銅合金接觸線的抗拉強 度為500 600MPa，導電率可達到80% 90%IACS，電磨損壽命為常用的銅 銀接觸線的10 20倍(如圖1所示)，軟化溫度》900。C，使用溫度在300 'C時的抗拉強度下降率在10%以下。因此，本發(fā)明的銅合金接觸線具有高的 抗耐磨性能和抗疲勞性能，是一種綜合性能極佳的銅合金接觸線。


圖1是A1203彌散強化銅合金(其中Al203含量分別為0.24%、 0.4%、 0.6%禾卩1.0%)接觸線與銅銀合金接觸線的電磨損壽命對比曲線。
具體實施例方式
本發(fā)明在傳統(tǒng)的內(nèi)氧化工藝的基礎上，結合銅合金接觸線的使用工礦條
件，發(fā)明了一種新的Ab03彌散強化銅合金接觸線及其制備方法。 本發(fā)明的A1203彌散強化銅合金接觸線的優(yōu)選制備方法如下
① 銅鋁合金粉末制備首先將電解銅烘干后在感應電爐中熔化，熔化溫
度1150 125(TC,熔體用經(jīng)焙燒的木炭覆蓋，按Al為0.21 0.53wt^的比例 加入Cu-Al中間合金(以使得最終Cu- A1203合金中A1203的含量基本為0.4 1.0wt%)，熔勻后形成Cu-Al合金熔體；然后將熔體過熱到1300 1350°C， 澆入霧化裝置中，用大于6X 105Pa高純氮氣通過霧化器將Cu-Al合金熔體霧 化成Cu-Al合金粉末，篩分成粒度小于或等于100目的Cu-Al合金粉末；
② 氧源的制備利用步驟①制備的Cu-Al合金粉末來制備氧源。根據(jù)需 要取出一部分步驟①制備的Cu-AI合金粉末，在箱式爐內(nèi)加熱氧化，溫度為 200 500°C，保溫時間20 50h。氧化完成后，取出結塊的粉末破碎并過100 目篩，將過篩后的氧化粉末放入密閉爐膽內(nèi)，在氮氣保護下加熱至650 850 °C，保溫l 3h，隨爐冷卻至室溫出爐，即制得氧源，氧源的主要成分為 Al203+Cu20。
③ 將Cu-Al合金粉末與制備的氧源混合將步驟①制備的Cu-Al合金粉
末與步驟②制備的氧源在V形混粉機中充分混合，其中氧源所占比例優(yōu)選為
10 25wt%，其余為Cu-Al合金粉末，混粉時間為2 5h。其中如果氧源比 例過低，會造成在下面的內(nèi)氧化過程中Cu-Al合金粉末氧化不充分；如果氧 源比例過高，則會增加成本，因為氧源自身的制備成本較高并且還會增加后 續(xù)還原過程的成本。
④ 內(nèi)氧化+還原將混合粉末裝入爐膽內(nèi)，并通入高純氮氣，將爐膽內(nèi)的
空氣排空后，關閉出口閥，保持氮氣的壓力為0.3 1MPa，升溫至600 900 °C，保溫3 5h，期間0120分解釋放活性
，生成的[O]通過擴散到Cu-Al 合金粉末中，由于鋁比銅易生成氧化物，因此Cu-Al合金中的鋁被優(yōu)先氧化 成A1203，內(nèi)氧化過程完成后，Cu-Al合金粉末氧化成Al203/Cu粉末，氧源(主 要成分為Cu+Al203+Cu20)中的Cu20大多數(shù)分解為Cn，使得氧源主要成分 變?yōu)锳l203/Cu和少量的Cu20。然后打開出口閥，將進口閥處的氮氣換成氫氣通入爐膽內(nèi)，并將爐膽溫度升至700 100(TC，保溫l 5h，同時在出口閥 處將排出的多余氫氣點燃釋放；該過程是將氧源中殘留的Cu20還原形成Cu， 從而使氧源變?yōu)榧儍舻腁l203/Cu并使最終所得Cu- A1203合金中A1203的含量 基本為0.4 1.0wt%，還原結束后將進口閥處的氫氣再次換成氮氣通入爐膽 內(nèi)以排出爐膽內(nèi)殘留的氫氣，便于安全打開爐膽。
⑤ 等靜壓+燒結將內(nèi)氧化還原后的混合粉末裝入等靜壓膠套中，然后在 冷等靜壓機油缸內(nèi)被壓制成坯或錠，其中冷等靜壓工序壓力為100 200MPa， 然后將坯或錠裝入爐膽內(nèi)，在氫氣氣氛條件下進行加熱燒結，燒結溫度為95 0 1020°C，時間為2 4h;
⑥ 擠壓成型將壓制燒結后的坯或錠在擠壓機上擠壓成直徑為50 80m m的棒材。
⑦ 多道次拉拔根據(jù)接觸線截面尺寸，將50 80mm的棒材經(jīng)過數(shù)道次 孔型拉拔，得到A1203彌散強化銅合金接觸線。
圖1為電流50A，速度為300r/min試驗條件下，Al2O3彌散強化銅合金(其 中八1203含量分別為0.24%、 0.4%、 0.6%和1.0%)接觸線與銅銀合金接觸 線的電磨損壽命對比曲線?？梢钥闯觯S著磨損時間的增加，八1203彌散強化 銅合金的磨損率明顯低于銅銀合金，當八1203含量為0.4% 1.0%區(qū)間時，其 電磨損壽命為常用的銅銀接觸線的10 20倍。例如，對于A1203含量為0.4 %的^203彌散強化銅合金接觸線，其導電率可達到90XIACS，同時抗拉強 度大于500MPa，電磨損壽命為常用的銅銀接觸線的10 15倍；對于A1203 含量為1.0wt。/^的Al203彌散強化銅合金接觸線，其抗拉強度可達到600MPa， 同時導電率大于80XIACS，電磨損壽命為常用的銅銀接觸線的15 20倍。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點
(1)具有優(yōu)良的材料特性。采用本發(fā)明制備的Al203彌散強化銅合金接
觸線，由于在銅基體中引入了硬度高且熱穩(wěn)定性好的八1203顆粒，從而使該 合金在保持銅基體優(yōu)越的傳導性能的同時，兼具有高的室溫強度和高溫強度 以及高的抗摩擦磨損性能。其抗拉強度達到500 600MPa，導電率為80% 90% IACS，抗高溫軟化性能為使用溫度在30(TC時的抗拉強度下降率在1
0%以下，軟化溫度》90(TC，具有高的抗耐磨性能和抗疲勞性能，是一種綜 合性能極佳的銅合金接觸線。
(2)本發(fā)明的Al203彌散強化銅合金接觸線制備工藝非常合理其獨特
的氧源制備和氧源混合氧化工藝不但保證了最終產(chǎn)品的組分含量，縮短了生 產(chǎn)周期，還降低了生產(chǎn)成本。本發(fā)明尤其適用于高速列車接觸線的生產(chǎn)。
本領域技術人員可以理解，上述實施方式/實施例僅用于說明目的，并非 用于限制本發(fā)明。
權利要求
1.一種銅合金接觸線的制備方法，包括步驟①制備Cu-Al中間合金粉末，其中Al含量為0.21～0.53wt％，余量為銅；②利用步驟①所制備的Cu-Al中間合金粉末來制備氧源Al2O3-Cu2O，其中Cu與Al之間的重量比保持不變；③將步驟①所制備的Cu-Al中間合金粉末與步驟②制備的氧源Al2O3-Cu2O混合，其中氧源Al2O3-Cu2O在混合物中所占重量比例為10～25wt％；④對步驟③所得混合物進行內(nèi)氧化和還原處理，得到Al2O3含量為0.4～1.0wt％的Cu-Al2O3合金粉末；⑤將步驟④所得Cu-Al2O3合金粉末壓制成坯錠并進行燒結處理；⑥將步驟⑤所得壓制燒結后的坯錠成型為棒材； 和⑦將步驟⑥所得棒材通過拉拔制成所需截面尺寸的接觸線。
2. 根據(jù)權利要求1的制備方法，其中步驟①所得Cu-Al中間合金粉末的 粒度小于或等于100目。
3. 根據(jù)權利要求1的制備方法，其中在步驟②中，首先在200 50(TC下 并保溫20 50小時來空氣氧化步驟①所得Cu-Al中間合金粉末，隨后在氮氣 保護下將其加熱至650 850'C并保溫1 3小時，最后將其冷卻至室溫來獲 得氧源A1203-Cu20。
4. 根據(jù)權利要求1的制備方法，其中步驟③是通過V形混粉機進行， 混粉時間為2 5小時。
5. 根據(jù)權利要求l的制備方法，其中步驟④中的內(nèi)氧化和還原處理包括 通過在密閉容器中加熱步驟③所得混合物，使其中的Cu20分解釋放活性[O] 而使Cu-Al合金粉末中的Al被內(nèi)氧化成A1203;然后通入氫氣將其中殘留的 Cu20還原為Cu，其中內(nèi)氧化處理是在600 90(TC下加熱并保溫3 5小時； 還原處理是在700 100(TC下加熱并保溫1 5小時。
6. 根據(jù)權利要求1的制備方法，其中在步驟⑤中，利用冷等靜壓機在1 00 200Mpa的壓力下將所得01-八1203合金粉末壓制成坯錠；在氫氣氣氛下 加熱到950 1020'C進行燒結處理，時間為2 4小時。
7. 根據(jù)權利要求1的制備方法，其中在步驟⑥中，通過擠壓機將壓制燒 結后的坯錠擠壓成直徑為50 80mm的棒材。
8. 根據(jù)權利要求1的制備方法，其中在步驟⑦中，所述拉拔為多道次孔 型拉拔。
9. 一種銅合金接觸線，其特征在于，采用根據(jù)權利要求1-8之一的方法 制備。
10. 根據(jù)權利要求9的銅合金接觸線，其特征在于，用作高速鐵路接觸線。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種銅合金接觸線及其制備方法，該方法包括步驟①制備Cu-Al中間合金粉末，其中Al含量為0.21～0.53wt％，余量為銅；②利用步驟①所制備的Cu-Al中間合金粉末來制備氧源Al₂O₃-Cu₂O，其中Cu與Al之間的重量比保持不變；③將步驟①所制備的Cu-Al中間合金粉末與步驟②制備的氧源Al₂O₃-Cu₂O混合，其中氧源Al₂O₃-Cu₂O在混合物中所占重量比例為10～25wt％；④對步驟③所得混合物進行內(nèi)氧化和還原處理，得到Al₂O₃含量為0.4～1.0wt％的Cu-Al₂O₃合金粉末；⑤將步驟④所得Cu-Al₂O₃合金粉末壓制成坯錠并進行燒結處理；⑥將步驟⑤所得壓制燒結后的坯錠成型為棒材；和⑦將步驟⑥所得棒材通過拉拔制成所需截面尺寸的接觸線。由此制備的銅合金接觸線具有良好的導電性和高的機械強度、軟化溫度和良好的抗摩擦磨損性能。
文檔編號H01B13/00GK101178957SQ20071019552
公開日2008年5月14日 申請日期2007年12月4日 優(yōu)先權日2007年12月4日
發(fā)明者劉亞民, 劉瑞華, 周伯楚, 國秀花, 宋克興, 徐曉峰, 田保紅, 賈淑果, 趙培峰, 郜建新 申請人:河南科技大學