1.成果名称

高强高导铜合金及其作为时速400公里以上高速铁路接触线材料的应用

2.所属领域

铁路高端装备制造；铜及铜合金制造

3.行业痛点

从2009年起我国高速电气化铁路(以下简称高铁)得到实质性飞跃式发展，京津线、京沪线和京广线相继开通，高铁稳定运行速度为300公里/小时。高速电气化铁路的发展对其关键部件—接触线—产生巨大的市场需求和苛刻的性能要求。要求用作接触线的材料同时具备以下特性：高强度、低线密度、良好的导电性、良好的耐磨擦性、良好的耐腐蚀性等，尤其强度和电导率是最核心指标。

目前高铁接触线采用的导体材料主要有Cu-Mg, Cu-Sn, Cu-Ag, Cu-Sn-Ag, Cu-Ag-Zr, Cu-Cr-Zr等系列Cu合金，其中Cu-Cr-Zr显示了更为优异的强度和电导率综合性能。专利CN200410060463.3及CN200510124589.7公开了Cu-(0.02~0.4)%Zr-(0.04~0.16)%Ag及Cu-(0.2~0.72)%Cr-(0.07~0.15)%Ag两种合金的制备技术。通过熔炼、铸造、热变形、固溶、冷变形、时效及再次冷变形等工艺制备成品。专利CN03135758.X公开了采用快速凝固制粉、压坯、烧结、挤压获得Cu-(0.01~2.5)%Cr-(0.01~2.0)%Zr-(0.01~2.0)%(Y, La, Sm)合金棒材或片材的制备方法，可以获得良好的导电、导热及抗软化性能。专利CN200610017523.2公开了Cu-(0.05~0.40)%Cr-(0.05~0.2)%Zr-<0.20%(Ce+Y)合金成分及其制备技术，通过熔炼、锻造、固溶、变形、时效获得高强高导综合性能以及较好的耐热性和耐磨性。专利CN02148648.4公开了Cu-(0.01~1.0)%Cr-(0.01~0.6)%Zr-(0.05~1.0)%Zn-(0.01~0.30)%(La+Ce)合金成分及制备技术，通过熔炼、热轧、固溶、冷轧、时效、终轧等过程可获得较高的强度和电导率。

美国专利US6679955公开了通过快速凝固获得过饱和固溶体经形变热处理沉淀硬化的Cu-(3~20)%Ag-(0.5~1.5)%Cr-(0.05~0.5)%Zr合金的制备技术。US7172665公开了Cu-(2~6)%Ag-(0.5~0.9)%Cr合金的制备技术，工艺包括均匀后处理、热变形及固溶处理等过程，并可再添加(0.05~0.2)%Zr。US6881281提供了一种具有优良疲劳和中温特性的高强高导Cu-(0.05~1.0)%Cr-(0.05~0.25)%Zr合金，通过严格控制固溶处理参数以调节S的浓度保障良好性能。

随着高速电气化铁路的持续发展，尤其是国家十三五规划明确提出在2020年需建成时速在400公里以上的高速铁路系统，使得与之相匹配的接触线材料性能也必须提高至强度>680 MPa，电导率>78%IACS且400℃退火2h强度下降率<10%的水平。如此苛刻的性能标准使得目前所使用的Cu-Mg, Cu-Sn, Cu-Ag, Cu-Sn-Ag, Cu-Ag-Zr, Cu-Cr-Zr合金均无法满足时速在400公里以上的高速铁路系统对接触线材料性能的最低要求。必须开发新型高性能合金以适应高铁的持续提速发展。

4.解决方案

本发明的目的是提供一种高强高导铜合金及其作为高速铁路接触线材料的应用，该铜合金能满足时速在400公里以上的高速铁路系统对接触线材料的要求。

下面对本发明为实现上述发明目的所采用的技术方案做具体说明。

本发明提供了一种铜合金，包括如下特征：

1、该铜合金成分符合此形式：CuXY，其中X选自Ag、Nb和Ta中的至少一种，Y选自Cr、Zr和Si中的至少一种；铜合金中，X元素的总含量大于0.01且不高于20%，Y元素的总含量大于0.01且不高于2%，并且，Cr的含量范围在0.01~1.5%，Zr的含量范围在0.01~0.5%，Si的含量范围在0.01~0.3%；

2、在室温条件下，该铜合金中X元素以纯相和固溶原子两种形式存在，其中以固溶原子的形式的X元素含量小于0.5%；Y元素以纯相和固溶原子或者CuY化合物和固溶原子的形式存在，其中以固溶原子的形式的Y元素的含量小于0.1%；

3、该铜合金以长条棒或线的形式存在，其中，纯相形式的X元素以近似平行排列的纤维形式嵌在铜合金内部，纤维轴向与铜合金棒或线轴向大致平行，且纤维的直径小于100 nm，长度大于1000 nm，纤维间距小于1000 nm，纤维与Cu基体的相界面为半共格界面，界面上分布有周期排列的错配位错；本领域技术人员可以理解的是，X纤维在铜合金内不可能是数学意义上的绝对“平行排列”，纤维轴向与铜合金棒或线轴向也不可能是数学意义上的绝对“轴向平行”，所以此处使用“近似”和“大致”更符合实际情况；

该铜合金中纯相或化合物形式的Y元素以颗粒形式嵌在铜合金内部，且30%以上的颗粒分布在X纤维与Cu基体的相界面上，颗粒的直径小于30 nm，间距小于200 nm，颗粒与Cu基体以及颗粒与X纤维的相界面为半共格界面或者非共格界面。

进一步，铜合金中X元素的总含量优选为3%~12%。

进一步，铜合金中Y元素的总含量优选为0.1%~1.5%。

更进一步，所述的铜合金为下列之一：Cu-12%Ag-0.3%Cr-0.1%Zr-0.05%Si、Cu-12%Ag-12%Nb-1.3%Cr-0.4%Zr-0.3%Si、Cu-0.1%Ag-0.1%Cr-0.1%Zr、Cu-12%Nb-1%Cr-0.4%Zr-0.1%Si、Cu-6%Ag-6%Ta-0.1%Cr、Cu-3%Ag-0.8%Cr-0.5%Zr-0.3%Si。

进一步，所述的铜合金通过下列方法制备：将单质和/或中间合金原料按照设计的合金成分配比装入真空熔炼炉，升温熔化并浇铸于模具中获得铸锭，对铸锭在室温下进行多道次拉拔变形为长条棒或线，使样品截面收缩率达到80%以上，之后对长条棒或线进行退火，退火的温度选取在使X元素组成的纤维不发生球化断裂且能使Y元素形成纳米析出相的范围，退火的时间选取在使X元素组成的纤维不发生球化断裂且使大于50%的Y元素形成纳米析出相的范围，之后对所得合金再次进行拉拔，此阶段样品截面收缩率在50%以内，之后对所得合金进行液氮冷冻处理，使残存在铜基体中的X或Y固溶原子继续析出，之后缓慢升温到室温从而获得铜合金。

更进一步，液氮冷冻处理时间优选为1~100小时。

更进一步，对合金进行液氮冷冻处理后，优选以2~10℃/min的速率升温至室温。

本发明中，制备原料可以是单质和/或中间合金，所述的中间合金可以是Cu-(5%~50%)Nb、Cu-(3%~20%)Cr、Cu-(4%~15%)Zr、Cu-(5%~20%)Si等。

本发明公开的这种铜合金强度达到690 MPa以上，电导率达到79%IACS以上且400℃退火2h强度下降率<10%，达到了时速400公里以上的高速铁路系统对接触线材料的要求。故本发明进一步提供了所述铜合金作为高速铁路尤其是时速400公里以上的高速铁路接触线材料的应用。

与现有技术相比，本发明的铜合金具有以下有益效果：

1、本发明利用X元素所形成的高密度纳米纤维有效阻碍位错运动而产生巨大的纳米纤维强化效果，提升合金整体强度水平，使得铜合金强度能达到690 MPa以上；

2、利用纤维轴向与合金棒或线轴向平行，减少电子波在相界面的散射，保证合金电导率保持在较高水平，达到79%IACS以上；

3、利用纳米颗粒钉扎在纤维和铜基体的相界面上，阻止纳米纤维在退火过程中的球化趋势，保障合金具有很高的抗软化温度，使得其400℃退火2h强度下降率<10%。

4、利用液氮低温处理，显著降低合金元素在铜基体的固溶度，提高析出趋势，促进残余固溶原子继续析出，进一步净化铜基体提高电导率。

图1  本发明实施例所获得的铜合金的扫描电镜图

图2 本发明实物示例图

5.知识产权情况

本成果已申请并获得国内外专利授权。

6.合作方式

专利许可、转让、作价投资等，具体详谈。

7.科研团队

刘嘉斌，浙江大学材料科学与工程学院教授、博士生导师，教育部青年长江学者。主要从事高强高导铜合金设计开发，高性能金属材料3D打印和应用。承担国家自然科学基金3项、科技部重点研发项目子课题2项。获国家科技进步二等奖、中国铁道学会科学技术一等奖等。

8.联系方式

浙江大学工业技术转化研究院

成果转化项目服务中心 吴老师：0571-88982822

技术转移中心         叶老师：0571-88208236

注：所有成果技术资料来自研究团队，未经授权，请勿转载！

咨询授权请联系：0571-88982822（吴老师）