Cu-Cr-Zr合金接觸線試制工藝分析

郭慶放， 劉科杰， 劉文

（信承瑞技術(shù)有限公司，江蘇常州 213100）

0 引言

由于銅及銅合金具有優(yōu)異的導電、導熱性和良好的力學性能且易實現(xiàn)大批量生產(chǎn)等特點，成為目前最受歡迎的金屬材料之一，被廣泛應用于電極、引線框架、導環(huán)、滑環(huán)、電觸頭、接觸線等領(lǐng)域，是一種具有廣泛應用前景的金屬材料［1-3］。。近年來隨著我國電氣化鐵路的快速發(fā)展，對銅合金接觸線的綜合性能要求越來越高，經(jīng)測算當列車實際運行速度達到380 km/h時，接觸線波動速度達到596 km/h，為保證列車快速運行和平穩(wěn)的取流效果，要求銅合金接觸線具有更大的張力和良好的導電性［4-5］。但目前接觸線領(lǐng)域使用的3 種合金材料（銅鎂、銅錫、銅銀合金）均屬于固溶強化型銅合金，該類銅合金的特點是無法同時獲得高強度和高導電性。為滿足高速電氣化鐵路發(fā)展的需求，迫切需要開發(fā)新型高強、高導銅合金。

2005年，日本專家在中國原鐵道部舉辦的客運專線接觸網(wǎng)零部件研討會上首次介紹了Cu-Cr-Zr 合金接觸線在日本的應用［6］，其良好的導電性和優(yōu)異的力學性能立刻引起了廣泛關(guān)注。眾多企業(yè)、高校相繼開始對Cu-Cr-Zr 合金研究，主要研究集中在熔煉設備、固溶時效組織以及多工藝組合加工提升性能等方面。這些研究多數(shù)在實驗室進行，與實際生產(chǎn)存在較大差異，例如實驗室制做Cu-Cr-Zr合金多采用小型真空爐，Cr、Zr 元素燒損相對較小且金屬流動性對小試樣的影響可忽略，然而在實際生產(chǎn)過程中，非真空條件下Cr、Zr元素燒損嚴重、金屬液流動性差，普通的上引連鑄設備無法實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，需要解決在非真空條件下獲得連續(xù)長度Cu-Cr-Zr 合金棒材的問題；由于Cu-Cr-Zr 合金屬于析出強化型合金，Cr 元素極限固溶度約0.65%，Zr 元素極限固溶度約0.15%［6-7］，在高溫固溶后需要快速冷卻形成飽和固溶體，但目前的固溶熱處理設備無法滿足快速淬火需求，需要解決熱處理有效性的問題；由于Cu-Cr-Zr 合金析出強化和加工硬化使線材高強、高硬，普通模具無法實現(xiàn)成品制做，需要重新考慮拉拔過程中各道次變形量而重新設計模具。上述問題限制了Cu-Cr-Zr 合金接觸線的廣泛應用，合金成分均勻性、工藝穩(wěn)定性等因素也嚴重限制了Cu-Cr-Zr 合金在鐵路行業(yè)的應用。

為尋求最佳的Cu-Cr-Zr 合金接觸線生產(chǎn)工藝，解決固溶處理帶來的產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、工藝復雜、生產(chǎn)成本高等問題，同時為研究Cu-Cr-Zr 合金的銅合金材料行業(yè)提供工藝經(jīng)驗和新的材料開發(fā)思路，采取2種工藝試制Cu-Cr-Zr 合金接觸線，并對機電性能和微觀組織進行對比分析。

1 試制過程

Cu-Cr-Zr 合金熔煉使用的原材料為φ8 mm 純銅桿和φ8 mm 包芯線，采用上引連鑄方法得到φ25～30 mm Cu-Cr-Zr 合金鑄桿毛坯，通過ICP 直讀光譜分析測定合金成分，對比分析Cu-Cr-Zr 合金成分是否符合TB/T 2809—2017《電氣化鐵路用銅及銅合金接觸線標準》要求，成分對比見表1。

表1 成分對比 %

1.1 工藝

工藝設計特點為形變強化結(jié)合時效析出強化，其原理是連續(xù)擠壓細晶強化、冷軋加工硬化結(jié)合時效析出強化，多種強化作用提高Cu-Cr-Zr 合金強度和導電性。采用工藝1 和工藝2 試制接觸線的目的是為了更好地對比2 種工藝得到的Cu-Cr-Zr 合金接觸線機電性能以及微觀組織，找出既有利于節(jié)約成本又能獲得良好機電性能的工藝，同時結(jié)合生產(chǎn)實際情況找出有利于實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的途徑，工藝對比見表2。

1.2 工序

（1）上引連鑄。準備原材料純銅桿和包芯線，調(diào)整熔煉溫度、冷卻水速、牽引桿速和牽引桿節(jié)距等工藝參數(shù)；烘干結(jié)晶器，防止結(jié)晶器由于吸濕在高溫下水分蒸發(fā)造成鑄桿形成縮孔、縮松，影響鑄桿質(zhì)量。連續(xù)引桿過程中，每隔30～60 min 取樣進行成分測定，以保證合金成分均勻性。

（2）連續(xù)擠壓。清理模具和腔體后裝模，將模具放入靴座，用壓鉛塊的方式確定擠壓輪與腔體之間的間隙，用墊銅片的方式調(diào)整腔體間隙；隨后將擠壓模具加熱至500～700 ℃后裝入擠壓機靴座；開機后調(diào)整擠壓速度，用加熱的純銅桿預熱擋料塊，待擋料塊進入高溫最佳狀態(tài)后，將φ25 mm Cu-Cr-Zr合金鑄桿送入連續(xù)擠壓機得到φ30 mm Cu-Cr-Zr合金擠壓桿［7-8］。

（3）固溶處理。將擠壓坯料放入爐內(nèi)設定固溶溫度，坯料隨爐升溫至設定溫度開始計時，保溫約1 h。保溫結(jié)束后，用移動叉車將固溶坯料快速取出放置于循環(huán)冷卻水池內(nèi)。由于Cr、Zr 元素在銅基體中固溶度很低，Cr元素極限固溶度約0.65%，Zr元素極限固溶度約0.15%［6，9-11］，固溶后需要快速冷卻，避免冷卻不及時導致第二相析出達不到理想的固溶效果，影響后續(xù)時效工藝。

（4）冷軋。將φ30 mm Cu-Cr-Zr 合金桿坯軋制成φ20 mm桿坯。

（5）時效處理。將軋制桿放入熱處理爐中設定時效溫度，隨爐升溫至設定溫度保溫約3 h 后取出空冷。時效處理目的是使第二相充分析出且均勻分布在Cu 基體上［10-11］。

2 試驗結(jié)果

2.1 微觀組織

2.1.1 上引連鑄和連續(xù)擠壓

上引連鑄Cu-Cr-Zr合金微觀組織見圖1（a），可以看出鑄態(tài)合金微觀組織多為粗大柱狀晶，并且肉眼清晰可見。

連續(xù)擠壓過程中，銅坯經(jīng)過鐓粗變形區(qū)、剪切變形區(qū)和擴展變形區(qū)［7］，粗大柱狀晶發(fā)生嚴重破碎和變形，連續(xù)擠壓微觀組織見圖1（b）。Cu-Cr-Zr合金基體沿擠壓方向發(fā)生塑性變形，粗大柱狀晶幾乎不存在。但是由于Cu-Cr-Zr 合金自身硬度高，并且隨著加工硬化作用以及位錯密度的增加導致位錯塞積，嚴重阻礙了塑性變形，導致芯部仍保留少量未完全破碎的鑄態(tài)組織。

2.1.2 固溶和時效

工藝1 連續(xù)擠壓后Cu-Cr-Zr 合金組織發(fā)生塑性變形，隨后進行高溫固溶處理，基體發(fā)生了完全回復再結(jié)晶現(xiàn)象，固溶微觀組織見圖2（a），從圖中可以看出連續(xù)擠壓產(chǎn)生的塑性變形已經(jīng)消失，無論是芯部還是邊緣均為細小的再結(jié)晶組織，無粗大晶粒，并且時效之后第二相均勻析出分布在Cu 基體上，達到合金成分均勻化的效果。

工藝2 連續(xù)擠壓軋制為φ20 mm Cu-Cr-Zr 合金桿坯，隨后進行410 ℃低溫時效處理，由于Cu-Cr-Zr 合金難以發(fā)生再結(jié)晶，時效之后芯部依然有粗大鑄態(tài)組織存在，并且直接進行410 ℃時效處理Cu-Cr-Zr 合金析出相很難達到均勻化，時效微觀組織見圖2（b）。

2.2 機電性能

2.2.1 上引連鑄和連續(xù)擠壓

按照TB/T 2809—2017 對Cu-Cr-Zr 合金鑄態(tài)桿坯進行抗拉強度、導電率、延伸率測試，得出鑄態(tài)Cu-Cr-Zr合金抗拉強度213 MPa，導電率37.6%IACS，延伸率34.8%。經(jīng)過連續(xù)擠壓后，Cu-Cr-Zr 合金抗拉強度429 MPa、導電率70.4%IACS、延伸率14.4%?？梢钥闯鼋?jīng)過連續(xù)擠壓后，導電率、抗拉強度均有明顯提升，主要是由于連續(xù)擠壓過程中溫度在500～600 ℃，部分第二相析出導致固溶原子對電子散射作用減弱，導電率得到一定提升；其次析出第二相分布在銅基體上，起到了釘扎位錯的作用，并且伴隨加工硬化作用和位錯密度增加，使合金組織變得致密，合金強度得到大幅度提升。

圖1 Cu-Cr-Zr合金上引連鑄和連續(xù)擠壓微觀組織

2.2.2 固溶和時效

圖2 Cu-Cr-Zr合金固溶和時效微觀組織

工藝1試制的Cu-Cr-Zr合金，經(jīng)過高溫固溶后測得導電率43.5%IACS、延伸率28.5%、抗拉強度365 MPa，得到此結(jié)果的主要原因是：經(jīng)過高溫固溶，合金組織發(fā)生完全回復和再結(jié)晶，與擠壓態(tài)相比強度大幅下降，但依然高于鑄態(tài)Cu-Cr-Zr 合金；高溫固溶結(jié)合快速冷卻后更多的Cr、Zr 元素固溶進入Cu-Cr-Zr 合金基體，晶體畸變程度增大導致固溶原子對電子的散射作用增強，導電率降低。按TB/T 2809—2017 對時效后的φ20 mm Cu-Cr-Zr 合金桿坯進行機電性能測試，得出抗拉強度434 MPa，導電率91.4%IACS，延伸率16.4%。經(jīng)過時效，Cr、Zr 原子均勻析出，合金晶格畸變程度減小，固溶原子對電子的散射作用降低，提高了合金的導電性［6-8］。通過時效前后機電性能對比也可以證明Cu-Cr-Zr合金是典型的析出強化型合金。

工藝2連續(xù)擠壓后未經(jīng)過高溫固溶，直接進行時效處理（或者說高溫退火處理），測試發(fā)現(xiàn)φ20 mm Cu-Cr-Zr 合金桿抗拉強度高達540 MPa，其強度已經(jīng)接近φ14.4 mm 銅鎂合金接觸線標準強度，并且Cu-Cr-Zr 合金導電率86.6%IACS、延伸率7.2%。工藝2 獲得的Cu-Cr-Zr 合金擁有較高的抗拉強度，主要是由于未經(jīng)過高溫固溶處理，合金組織未發(fā)生完全回復和再結(jié)晶，保留了擠壓和軋制狀態(tài)下加工硬化和高位錯密度的特點，位錯塞積、組織致密，之后又經(jīng)過低溫時效處理析出第二相，增加了合金析出強化作用，因此工藝2所獲得的Cu-Cr-Zr合金擁有高強度、高導電率。

2.2.3 機電性能對比

Cu-Cr-Zr 合金接觸線規(guī)格CTCZ150 mm2，按照TB/T 2809—2017進行成品測試，機電性能對比見表3。

表3 機電性能對比

從表3可以看出，工藝1獲得的Cu-Cr-Zr合金接觸線導電率、延伸率、扭轉(zhuǎn)、反復彎曲、晶粒度均滿足TB/T 2809—2017 要求，雖然抗拉強度稍微偏低，但是導電率明顯高于標準值，通過進一步優(yōu)化工藝完全可以獲得符合標準的Cu-Cr-Zr 合金接觸線。工藝2 獲得的Cu-Cr-Zr 合金接觸線各項性能均滿足TB/T 2809—2017 要求，但是芯部晶粒組織略顯粗大，TB/T 2809—2017要求Cu-Cr-Zr合金接觸線晶粒度≤0.200 mm，因此需要改進、優(yōu)化連續(xù)擠壓和軋制工藝，通過增大合金變形量獲得更高的熱激活能，從而在較低溫度時效處理（退火）即可達到再結(jié)晶細化晶粒的目的。

3 結(jié)論

綜合比較2種工藝，工藝1獲得的Cu-Cr-Zr合金接觸線導電率、強度略低于工藝2獲得的，并且固溶階段快速冷卻至關(guān)重要，因此對固溶設備、冷卻裝置、冷卻速度提出了更高要求。工藝2不需要復雜的設備和高級的冷卻裝置，如果通過連續(xù)擠壓、軋制處理能夠進一步細化晶粒，并結(jié)合高溫時效處理獲得滿足要求的接觸線，將更有利于工業(yè)生產(chǎn)批量化和穩(wěn)定性。

Cu-Cr-Zr 合金作為新一代接觸線材料，機電性能優(yōu)異，耐磨、耐蝕能力比Cu-Mg 合金提高50%，耐高溫軟化能力提高至400 ℃。高抗拉強度可以滿足更高時速高鐵的懸掛張力，高導電率能保證機車高速運行時取流平穩(wěn)、節(jié)約電能，高耐磨性可以減少線材更換頻率、減少資源浪費?？傊珻u-Cr-Zr 合金接觸線有助于我國高鐵事業(yè)快速發(fā)展，具有廣闊的應用前景。