[发明专利]一种Cu-Fe-Sn导电材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于制备合金材料技术领域，具体涉及一种具有高强度高导电率Cu-Fe-Sn材料及其制备方法。

背景技术

随着电气化铁路的迅速发展，列车的运行速度越来越快，这就要求在加大接触线悬挂张力的同时还要提高其载流能力和运行中的稳定性，以改善机车受流质量。接触线是整个电气化列车运行体系中的关键部件，因此要求接触线材料必须具备高强度、耐高温、耐磨损、良好的导电性能和高的抗软化温度，理想的电车接触线材料其性能指标为：抗拉强度在550MPa以上，导电率大于80 %IACS，使用温度在300℃时抗拉强度下降率在15%以下。到目前为止，世界各国开发出来的接触线材料均满足不了时速大于350Km/h高速铁路的发展对接触线材料的要求。因此，新一代高速铁路网用接触线的研究与开发受到各方的密切关注。

目前，从使用材料来看，国内外电气化高速铁路使用的接触线主要分为三大类：纯铜接触线、铜合金接触线和复合材料接触线。

（一）纯铜接触线的抗拉强度一般为350MPa，电导率为97.5％IACS，软化处理(300℃保温2h)后，其抗拉强度只有未处理前的60%。纯铜接触线是无氧铜杆拉拔成型后使用的接触线，其强化仅仅依靠加工硬化来实现。存在的问题是：①表面和内部硬化程度不一致，随纯铜接触线冷加工率的提高强度增加，但更容易软化，强度衰减很大；②纯铜接触线强度低，易发生断线，弓网故障多；③纯铜接触线抗软化温度低，耐热性能差；④纯铜接触线耐磨性差，随着牵引电力机车功率增大，电气磨耗增大，使其寿命大大缩短。因此，在高速、繁忙、重载线路上，纯铜接触线无法满足要求，只适合在速度低于200km/h的低速铁路上使用。

（二）铜合金接触线相对于纯铜接触线来讲，抗拉强度较高，耐磨性好，生产时在铜中加入少量的合金元素，通过微合金化在保持接触线一定电导率的条件下来提高接触线的强度和高温软化性能。表1所示为目前国内外铜合金接触线的主要技术指标。从表1中可以看出目前国内外使用的铜合金接触线都有各自的优点和不足之处，突出的问题是导电性好的材料其强度不高，强度高的材料其导电性不好，即合金的综合性能不理想。

表1目前国内外铜合金接触线的主要技术指标

（三）以钢作为芯材被覆金属铝或在钢芯上被覆金属铜制备复合型接触线为解决铁路高速化的主要手段之一。钢铝接触线和铜包钢接触线材料的强度和耐摩性得到提高，且具有高张力性、轻量性、耐摩性等重要性能指标，但由于其材料的热膨胀系数不同及废线处理等问题，使得其目前在使用上还受到了比较大的限制。

为推动高速铁路的发展，国产铜及铜合金接触线的研制开发成为我国企业和科研单位的重要课题之一。目前研制高强度高导铜合金的方法很多，如采用自生复合材料法制备的Cu-6～24wt%Ag、Cu-Cr-Ag等合金材料，其强度可达到1GPa，且导电率达到了80% IACS。然而由于其生产成本很高，工艺控制困难，还不能成为铜合金接触线大规模生产的方法。在接触线的生产和研制中，采用传统合金冶炼方法制得强度大于500MPa、电导率大于80%IACS的高强高导接触线仍是努力发展的方向。

发明内容

本发明的目的是提供一种抗拉强度大于550MPa，导电率大于80 %IACS的Cu-Fe-Sn合金导线材料及其制备方法，适用于时速达350Km/h以上的高速电气化铁路列车运行的要求。

本发明是这样实现的，其特征在于Cu-Fe-Sn导电材料的质量百分比是：Fe为1~10 wt.%，Sn为0.3~3wt.%，余量为Cu及不可避免的杂质，其制备方法是：

（1）配料，以电解铜、工业纯铁和工业纯锡为原料，其中各元素含量的质量百分比为:Fe为1~10 wt.%，Sn为0.3~3wt.%，余量为Cu及不可避免的杂质。

（2）高频熔炼：使用非真空高频感应炉熔炼。由于是在大气环境下熔炼铜合金，需要往金属液体中加入0.3~1 wt.%的石墨,起“去气”作用。

（3）进行浇铸：将熔炼好的合金熔液注入用黄铜制作的模具中浇铸。由于铜模的传热快，使得金属液能够快速凝固，从而有利于获得细晶组织，提高材料的力学性能。

（4）正火处理：为了有效的消除铸件在凝固过程中形成的铸造应力，在对铸件进行冷变形之前需先对铸件进行高温正火，正火温度为700°C~750°C进行，正火时间为30~60 min。

（5）进行冷轧：冷轧后棒材在直径方向的总变形量控制为30%~50%。