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(dǎo)電、導(dǎo)熱性和良好的力學(xué)性能且易實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)等特點(diǎn)，成為目前最受歡迎的金屬材料之一，被廣泛應(yīng)用于電極、引線框架、導(dǎo)環(huán)、滑環(huán)、電觸頭、接觸線等領(lǐng)域，是一種具有廣泛應(yīng)用前景的金屬材料［1-3］。。近年來(lái)隨著我國(guó)電氣化鐵路的快速發(fā)展，對(duì)銅合金接觸線的綜合性能要求越來(lái)越高，經(jīng)測(cè)算當(dāng)列車實(shí)際運(yùn)行速度達(dá)到380 km/h時(shí)，接觸線波動(dòng)速度達(dá)到596 km/h，為保證列車快速運(yùn)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(dǎo)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(qiáng)化型銅合金，該類銅合金的特點(diǎn)是無(wú)法同時(shí)獲得高強(qiáng)度和高導(dǎo)電性。為滿足高速電氣化鐵路發(fā)展的需求，迫切需要開(kāi)發(fā)新型高強(qiáng)、高導(dǎo)銅合金。

2005年，日本專家在中國(guó)原鐵道部舉辦的客運(yùn)專線接觸網(wǎng)零部件研討會(huì)上首次介紹了Cu-Cr-Zr 合金接觸線在日本的應(yīng)用［6］，其良好的導(dǎo)電性和優(yōu)異的力學(xué)性能立刻引起了廣泛關(guān)注。眾多企業(yè)、高校相繼開(kāi)始對(duì)Cu-Cr-Zr 合金研究，主要研究集中在熔煉設(shè)備、固溶時(shí)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(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，與實(shí)際生產(chǎn)存在較大差異，例如實(shí)驗(yàn)室制做Cu-Cr-Zr合金多采用小型真空爐，Cr、Zr 元素?zé)龘p相對(duì)較小且金屬流動(dòng)性對(duì)小試樣的影響可忽略，然而在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，非真空條件下Cr、Zr元素?zé)龘p嚴(yán)重、金屬液流動(dòng)性差，普通的上引連鑄設(shè)備無(wú)法實(shí)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(zhǎng)度Cu-Cr-Zr 合金棒材的問(wèn)題；由于Cu-Cr-Zr 合金屬于析出強(qiáng)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(shè)備無(wú)法滿足快速淬火需求，需要解決熱處理有效性的問(wèn)題；由于Cu-Cr-Zr 合金析出強(qiáng)化和加工硬化使線材高強(qiáng)、高硬，普通模具無(wú)法實(shí)現(xiàn)成品制做，需要重新考慮拉拔過(guò)程中各道次變形量而重新設(shè)計(jì)模具。上述問(wèn)題限制了Cu-Cr-Zr 合金接觸線的廣泛應(yīng)用，合金成分均勻性、工藝穩(wěn)定性等因素也嚴(yán)重限制了Cu-Cr-Zr 合金在鐵路行業(yè)的應(yīng)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(lái)的產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、工藝復(fù)雜、生產(chǎn)成本高等問(wèn)題，同時(shí)為研究Cu-Cr-Zr 合金的銅合金材料行業(yè)提供工藝經(jīng)驗(yàn)和新的材料開(kāi)發(fā)思路，采取2種工藝試制Cu-Cr-Zr 合金接觸線，并對(duì)機(jī)電性能和微觀組織進(jìn)行對(duì)比分析。

1 試制過(guò)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(guò)ICP 直讀光譜分析測(cè)定合金成分，對(duì)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(biāo)準(zhǔn)》要求，成分對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 成分對(duì)比 %

1.1 工藝

工藝設(shè)計(jì)特點(diǎn)為形變強(qiáng)化結(jié)合時(shí)效析出強(qiáng)化，其原理是連續(xù)擠壓細(xì)晶強(qiáng)化、冷軋加工硬化結(jié)合時(shí)效析出強(qiáng)化，多種強(qiáng)化作用提高Cu-Cr-Zr 合金強(qiáng)度和導(dǎo)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(duì)比2 種工藝得到的Cu-Cr-Zr 合金接觸線機(jī)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(jī)電性能的工藝，同時(shí)結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際情況找出有利于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的途徑，工藝對(duì)比見(jiàn)表2。

1.2 工序

（1）上引連鑄。準(zhǔn)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(guò)程中，每隔30～60 min 取樣進(jìn)行成分測(cè)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(jī)靴座；開(kāi)機(jī)后調(diào)整擠壓速度，用加熱的純銅桿預(yù)熱擋料塊，待擋料塊進(jìn)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(jī)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(shè)定固溶溫度，坯料隨爐升溫至設(shè)定溫度開(kāi)始計(jì)時(shí)，保溫約1 h。保溫結(jié)束后，用移動(dòng)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(shí)導(dǎo)致第二相析出達(dá)不到理想的固溶效果，影響后續(xù)時(shí)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(shí)效處理。將軋制桿放入熱處理爐中設(shè)定時(shí)效溫度，隨爐升溫至設(shè)定溫度保溫約3 h 后取出空冷。時(shí)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(yàn)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(jiàn)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(jiàn)。

連續(xù)擠壓過(guò)程中，銅坯經(jīng)過(guò)鐓粗變形區(qū)、剪切變形區(qū)和擴(kuò)展變形區(qū)［7］，粗大柱狀晶發(fā)生嚴(yán)重破碎和變形，連續(xù)擠壓微觀組織見(jiàn)圖1（b）。Cu-Cr-Zr合金基體沿?cái)D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(cuò)密度的增加導(dǎo)致位錯(cuò)塞積，嚴(yán)重阻礙了塑性變形，導(dǎo)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(shí)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(jìn)行高溫固溶處理，基體發(fā)生了完全回復(fù)再結(jié)晶現(xiàn)象，固溶微觀組織見(jiàn)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(wú)論是芯部還是邊緣均為細(xì)小的再結(jié)晶組織，無(wú)粗大晶粒，并且時(shí)效之后第二相均勻析出分布在Cu 基體上，達(dá)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(jìn)行410 ℃低溫時(shí)效處理，由于Cu-Cr-Zr 合金難以發(fā)生再結(jié)晶，時(shí)效之后芯部依然有粗大鑄態(tài)組織存在，并且直接進(jìn)行410 ℃時(shí)效處理Cu-Cr-Zr 合金析出相很難達(dá)到均勻化，時(shí)效微觀組織見(jiàn)圖2（b）。

2.2 機(jī)電性能

2.2.1 上引連鑄和連續(xù)擠壓

按照TB/T 2809—2017 對(duì)Cu-Cr-Zr 合金鑄態(tài)桿坯進(jìn)行抗拉強(qiáng)度、導(dǎo)電率、延伸率測(cè)試，得出鑄態(tài)Cu-Cr-Zr合金抗拉強(qiáng)度213 MPa，導(dǎo)電率37.6%IACS，延伸率34.8%。經(jīng)過(guò)連續(xù)擠壓后，Cu-Cr-Zr 合金抗拉強(qiáng)度429 MPa、導(dǎo)電率70.4%IACS、延伸率14.4%?？梢钥闯鼋?jīng)過(guò)連續(xù)擠壓后，導(dǎo)電率、抗拉強(qiáng)度均有明顯提升，主要是由于連續(xù)擠壓過(guò)程中溫度在500～600 ℃，部分第二相析出導(dǎo)致固溶原子對(duì)電子散射作用減弱，導(dǎo)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(cuò)的作用，并且伴隨加工硬化作用和位錯(cuò)密度增加，使合金組織變得致密，合金強(qiáng)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(shí)效

圖2 Cu-Cr-Zr合金固溶和時(shí)效微觀組織

工藝1試制的Cu-Cr-Zr合金，經(jīng)過(guò)高溫固溶后測(cè)得導(dǎo)電率43.5%IACS、延伸率28.5%、抗拉強(qiáng)度365 MPa，得到此結(jié)果的主要原因是：經(jīng)過(guò)高溫固溶，合金組織發(fā)生完全回復(fù)和再結(jié)晶，與擠壓態(tài)相比強(qiáng)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(jìn)入Cu-Cr-Zr 合金基體，晶體畸變程度增大導(dǎo)致固溶原子對(duì)電子的散射作用增強(qiáng)，導(dǎo)電率降低。按TB/T 2809—2017 對(duì)時(shí)效后的φ20 mm Cu-Cr-Zr 合金桿坯進(jìn)行機(jī)電性能測(cè)試，得出抗拉強(qiáng)度434 MPa，導(dǎo)電率91.4%IACS，延伸率16.4%。經(jīng)過(guò)時(shí)效，Cr、Zr 原子均勻析出，合金晶格畸變程度減小，固溶原子對(duì)電子的散射作用降低，提高了合金的導(dǎo)電性［6-8］。通過(guò)時(shí)效前后機(jī)電性能對(duì)比也可以證明Cu-Cr-Zr合金是典型的析出強(qiáng)化型合金。

工藝2連續(xù)擠壓后未經(jīng)過(guò)高溫固溶，直接進(jìn)行時(shí)效處理（或者說(shuō)高溫退火處理），測(cè)試發(fā)現(xiàn)φ20 mm Cu-Cr-Zr 合金桿抗拉強(qiáng)度高達(dá)540 MPa，其強(qiáng)度已經(jīng)接近φ14.4 mm 銅鎂合金接觸線標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度，并且Cu-Cr-Zr 合金導(dǎo)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(qiáng)度，主要是由于未經(jīng)過(guò)高溫固溶處理，合金組織未發(fā)生完全回復(fù)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(cuò)密度的特點(diǎn)，位錯(cuò)塞積、組織致密，之后又經(jīng)過(guò)低溫時(shí)效處理析出第二相，增加了合金析出強(qiáng)化作用，因此工藝2所獲得的Cu-Cr-Zr合金擁有高強(qiáng)度、高導(dǎo)電率。

2.2.3 機(jī)電性能對(duì)比

Cu-Cr-Zr 合金接觸線規(guī)格CTCZ150 mm2，按照TB/T 2809—2017進(jìn)行成品測(cè)試，機(jī)電性能對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 機(jī)電性能對(duì)比

從表3可以看出，工藝1獲得的Cu-Cr-Zr合金接觸線導(dǎo)電率、延伸率、扭轉(zhuǎn)、反復(fù)彎曲、晶粒度均滿足TB/T 2809—2017 要求，雖然抗拉強(qiáng)度稍微偏低，但是導(dǎo)電率明顯高于標(biāo)準(zhǔn)值，通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化工藝完全可以獲得符合標(biāo)準(zhǔn)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(xiàng)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(jìn)、優(yōu)化連續(xù)擠壓和軋制工藝，通過(guò)增大合金變形量獲得更高的熱激活能，從而在較低溫度時(shí)效處理（退火）即可達(dá)到再結(jié)晶細(xì)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(dǎo)電率、強(qiáng)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(duì)固溶設(shè)備、冷卻裝置、冷卻速度提出了更高要求。工藝2不需要復(fù)雜的設(shè)備和高級(jí)的冷卻裝置，如果通過(guò)連續(xù)擠壓、軋制處理能夠進(jìn)一步細(xì)化晶粒，并結(jié)合高溫時(shí)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(jī)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(qiáng)度可以滿足更高時(shí)速高鐵的懸掛張力，高導(dǎo)電率能保證機(jī)車高速運(yùn)行時(shí)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(fèi)?？傊珻u-Cr-Zr 合金接觸線有助于我國(guó)高鐵事業(yè)快速發(fā)展，具有廣闊的應(yīng)用前景。