銅鎂、銅錫合金接觸線的制備及組織性能研究

銅鎂、銅錫合金接觸線的制備及組織性能研究

張光偉1, 官珊丹1, 張建波2, 劉耀2

(1.贛州江鎢拉法格高鐵銅材有限公司, 江西 贛州341000;

2.江西理工大學(xué) 銅冶煉與加工國家工程中心, 江西 贛州341000)

摘要：通過上引連續(xù)鑄造—連續(xù)擠壓法制備了銅鎂、銅錫兩種合金接觸線.結(jié)果表明,鎂、錫元素的添加均能顯著提高接觸線的強度,并保證較高的導(dǎo)電率,鎂元素的強化效果更為顯著.此外,通過連續(xù)擠壓擴展變形顯著改善了銅鎂、銅錫合金接觸線的鑄態(tài)組織,獲得超細(xì)晶粒.主要原因在于上引鑄桿在連續(xù)擠壓過程中處于高壓高溫的狀態(tài),鑄態(tài)晶粒完全破碎,動態(tài)再結(jié)晶發(fā)生完全.

關(guān)鍵詞：連續(xù)擠壓; 銅鎂合金; 銅錫合金; 接觸線

收稿日期：2014-10-11

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51461017);江西省教育廳資助項目(GJJ14447);江西省教育廳青年基金資助項目(GJJ14443)

作者簡介：張光偉(1989—),男,工程師,主要從事與電氣化鐵路銅材的工藝制定、開發(fā)與研究方面的研究.E-mail:guangwei.zhang@jwlfg.com

中圖分類號：TG 146.1+1文獻標(biāo)志碼： A

Preparation and Organization Performance of Copper-magnesium and Copper-tin Alloy Contact WireZHANG Guangwei1, GUAN Shandan1, ZHANG Jianbo2, LIU Yao2

(1.Ganzhou Jiangwu Lafarga High-speed Railway Copper Materials Co., Ltd., Ganzhou 341000,

China; 2.Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000,China)

Abstract：Copper-magnesium and copper-tin alloy contact wires were prepared by the cast-continuous extrusion.The results show that adding magnesium and tin elements could significantly increase the strength of the contact wire and ensure high conductivity performance.Magnesium had a more conspicuous strengthening effect.In addition,the cast microstructure of copper-magnesium and copper-tin alloy contact wires significantly improved by expansion deformation.The ultra-fine grain was obtained in that the cast grain was completely broken and then recrystallized dynamically when the up-cast rod remained in a state of high pressure and high temperature during the process of continuous extrusion.

Keywords：continuous extrusion; copper-magnesium alloy; copper-tin alloy; contact wire

0　引　言

近年來,我國電氣化鐵路取得了高速發(fā)展,綜合技術(shù)已經(jīng)能夠達到甚至超越發(fā)達國家水平,逐漸成為能夠代表中國制造最高水平的技術(shù)成果.在電氣化鐵路集成制造技術(shù)中,要保證高速運行的列車獲得持續(xù)不斷的電能輸入,必須實現(xiàn)良好的弓網(wǎng)配合關(guān)系,其重要手段之一就是提高接觸線的張力.此外,電氣化鐵路接觸線承受著長期摩擦損耗和大氣腐蝕,并伴隨著機械沖擊和電弧火花引起的局部高溫軟化.因此,接觸線需要高強、高導(dǎo)、高耐磨、高抗腐蝕性以及良好的抗高溫軟化性能.目前常用的接觸線往往通過在純銅中添加Ag、Sn、Mg等元素,以保證接觸線的綜合性能.

本文首先通過試驗,研究了Mg、Sn元素的添加及含量變化,對Cu-Mg、Cu-Sn合金強度和導(dǎo)電率的影響,確定了較為優(yōu)化的合金成分.然后通過上引—連續(xù)擠壓—拉拔,規(guī)模化制備了鐵路接觸線CTMH150和CTS120,并重點討論了連續(xù)擠壓對上引鑄桿坯料組織的影響.

1　銅鎂合金接觸線的性能

通過上引連鑄制備不同Mg含量的Cu-Mg合金桿,經(jīng)連續(xù)擠壓擴展變形加工為線徑28 mm的桿材,最終經(jīng)過軋制拉拔制備成橫截面為150 mm2的鐵路接觸線CTMH150.Mg元素含量對Cu-Mg合金導(dǎo)電率和抗拉強度的影響見圖1.

圖1　Mg元素含量對Cu-Mg合金接觸線性能的影響

從圖1中可以看出,在Mg元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.025%～0.600%時,隨著Mg元素含量的增加,Cu-Mg合金接觸線的導(dǎo)電率明顯降低,抗拉強度顯著提高.當(dāng)Mg元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.025%時,合金的導(dǎo)電率最高,達到98.0%IACS,對應(yīng)的抗拉強度最低,為420 MPa.當(dāng)Mg元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.580%時,合金的抗拉強度最高,達到580 MPa,相應(yīng)的導(dǎo)電率最低,為63.5 %IACS.

圖2為上引連鑄和連續(xù)擠壓擴展成形后的Cu-0.4Mg合金金相組織照片.圖2(a)為上引連鑄桿坯心部組織,晶粒粗大,在50倍的視場下只能觀測到一個完整的晶粒,晶粒尺寸超過200 μm.圖2(b)和圖2(c)為不同放大倍數(shù)的連續(xù)擠壓Cu-Mg合金桿材的心部組織金相照片.可以看出,經(jīng)過連續(xù)擠壓擴展變形,鑄態(tài)Cu-Mg合金的組織特征完全消失,代之以尺寸細(xì)小均勻的晶粒,說明Cu-Mg合金桿材在連續(xù)擠壓過程中經(jīng)過了劇烈的塑性變形,鑄態(tài)組織得到顯著的改善.

圖2　Cu-Mg合金組織金相照片

2　銅錫合金接觸線的性能

通過上引連鑄制備不同Sn元素含量的Cu-Sn合金桿,經(jīng)連續(xù)擠壓擴展變形加工為線徑28 mm的桿材,最終經(jīng)過軋制拉拔制備成橫截面為120 mm2的鐵路接觸線CTS120.Sn元素含量對Cu-Sn合金導(dǎo)電率和抗拉強度的影響見圖3.從圖3中可以看出,隨著Sn元素含量的增加,合金導(dǎo)電率明顯下降,抗拉強度顯著提高,與Mg元素添加對Cu-Mg合金的影響規(guī)律一致.當(dāng)Sn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.050%時,合金的導(dǎo)電率最高,為91.3 %IACS,對應(yīng)的抗拉強度最低,為432 MPa;當(dāng)Sn元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.300%時,合金的導(dǎo)電率最低,為78.8%IACS,對應(yīng)的抗拉強度最高,為454 MPa.

圖3　Sn元素含量對銅錫合金接觸線性能的影響

3　Mg與Sn元素對導(dǎo)電率的影響

相同含量的Mg或Sn元素的銅合金桿,經(jīng)過連續(xù)擠壓擴展變形加工為線徑28 mm的桿材,合金元素對導(dǎo)電率的影響區(qū)別見圖4.從圖4中可以看出,隨著合金元素含量的增加,導(dǎo)電率均逐漸下降.當(dāng)Mg、Sn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%時,導(dǎo)電率相差不大,但Mg、Sn質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%時,導(dǎo)電率分別為76.5%IACS和79.8%IACS,說明Sn對合金導(dǎo)電率影響較小.

圖4　Mg、Sn含量對擠壓銅桿導(dǎo)電率的影響

4　上引連鑄與連續(xù)擠壓的區(qū)別

圖5為上引連續(xù)鑄造和連續(xù)擠壓擴展成形后的Cu-0.25Sn合金組織金相照片.與銅鎂鑄態(tài)組織特征相同,銅錫上引桿材的組織粗大,晶粒尺寸遠超過200 μm,經(jīng)過連續(xù)擠壓后,合金的鑄態(tài)組織特征消失,被尺寸細(xì)小均勻的晶粒組織完全取代,合金桿材的組織得到顯著改善.

圖5　銅錫合金組織金相照片

5　討　論

對比Mg、Sn元素對接觸線合金導(dǎo)電率和抗拉強度的影響可以看出,合金元素的加入在提高抗拉強度的同時,降低了合金的導(dǎo)電率,即導(dǎo)電率和抗拉強度存在一定的矛盾關(guān)系,且Mg、Sn元素對性能的影響程度有明顯的差異.與Cu-Sn合金相比,等導(dǎo)電率的Cu-Mg合金可以獲得更高的抗拉強度[1].

根據(jù)杜魯?shù)吕碚?純金屬的導(dǎo)電率與電子的弛豫時間成正比.在所有金屬中,Ag元素電子的弛豫時間最長,為4×10-14s,具有金屬元素中的最高導(dǎo)電率108.4%IACS,Cu元素電子的弛豫時間次之,為2.7×10-14s,具有僅次于Ag的導(dǎo)電率103.1%IACS.然而,即使在Cu中添加Ag元素形成銅合金也會造成導(dǎo)電率降低.主要原因在于純金屬添加任何其他元素形成固溶體,其導(dǎo)電性能取決于溶劑本身性質(zhì)及添加元素引起的晶格畸變程度.可用馬基申定律表達:固溶體電阻率=溶劑電阻率+溶質(zhì)原子引起的電阻率,溶劑即為純金屬,溶質(zhì)原子引起的電阻率則取決于溶質(zhì)原子引起的晶格畸變程度大小,即晶格畸變越大,造成的電子散射越嚴(yán)重,導(dǎo)電率越低.即Mg、Sn溶質(zhì)原子的存在造成了晶格畸變,從而降低了導(dǎo)電率.然而,從強化效果的角度而言,溶質(zhì)原子引起的晶格畸變越大,合金強度提升的程度越高,對應(yīng)合金導(dǎo)電率越低,這也就是Cu-Mg、Cu-Sn合金導(dǎo)電率和強度具有一定矛盾關(guān)系的原因.至于Sn、Mg溶質(zhì)原子對性能的影響程度差異,是由兩種溶質(zhì)原子在濃度、晶格常數(shù)、原子半徑等方面的差異造成了不同程度的晶格畸變,從而導(dǎo)致了兩種原子對合金性能不同程度的影響.

通過圖2和圖5可以看出,連續(xù)擠壓可以顯著改善Cu-Mg、Cu-Sn合金上引連續(xù)鑄桿的鑄態(tài)組織.連續(xù)擠壓原理示意如圖6所示,通過輪槽的連續(xù)運動真正實現(xiàn)了擠壓筒的無線工作長度,在銅、鋁等有色金屬加工領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用[2].通過連續(xù)擠壓可以獲得超細(xì)晶的加工態(tài)組織,主要原因在于坯料在連續(xù)擠壓過程中處于三向壓力的強烈作用下[3],發(fā)生劇烈的塑性變形,鑄態(tài)晶粒完全破碎;同時連續(xù)擠壓過程中,坯料和旋轉(zhuǎn)擠壓輪之間發(fā)生強摩擦.在此作用下,坯料在擴展區(qū)發(fā)生屈服變形充滿型腔,增大了坯料和擠壓輪間的摩擦,因此,在連續(xù)擠壓過程中,材料變形區(qū)始終處于高溫高壓的狀態(tài)[4](對于有色金屬,壓力可達1 000 MPa以上,溫度可達500℃以上).有研究[5]表明,銅在連續(xù)擠壓過程中的溫度超過其再結(jié)晶溫度,即鑄態(tài)組織在其再結(jié)晶溫度以上發(fā)生塑性變形,形成晶粒細(xì)小、分布均勻的動態(tài)再結(jié)晶組織,完全消除了鑄態(tài)組織特征[6].

圖6　連續(xù)擠壓原理示意圖 [7]

6　結(jié)　論

(1) Mg元素的添加可以顯著提高Cu-Mg合金接觸線的抗拉強度,但是也降低了合金的導(dǎo)電率.Mg的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.050%～0.600%時,Cu-Mg合金接觸線的導(dǎo)電率介于63.0～98.0%IACS,抗拉強度介于420～580 MPa.

(2) Sn元素的添加效果與Mg元素類似,在同等含量的前提下,Mg元素引起的導(dǎo)電率降低更為明顯.

(3) Cu-Mg、Cu-Sn上引連鑄桿坯通過連續(xù)擠壓后發(fā)生完全動態(tài)再結(jié)晶,鑄態(tài)組織完全被再結(jié)晶晶粒代替,桿坯質(zhì)量得到顯著改善.

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