本發明涉及一種Cu合金及其制備方法，尤其是一種可用作高速鐵路尤其是時速400公里以上高速鐵路接觸線材料的銅合金及其制備方法。
背景技術：
：從2009年起我國高速電氣化鐵路(以下簡稱高鐵)得到實質的飛躍式發展，京津線、京滬線和京廣線相繼開通，高鐵穩定運行速度為300公里/小時。高速電氣化鐵路的發展對其關鍵部件—接觸線—產生巨大的市場需求和苛刻的性能要求。要求用作接觸線的材料同時具備以下特性：高強度、低線密度、良好的導電性、良好的耐磨擦性、良好的耐腐蝕性等，尤其強度和電導率是最核心指標。目前高鐵接觸線采用的導體材料主要有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顯示了更為優異的強度和電導率綜合性能。專利CN200410060463.3及CN200510124589.7公開了Cu-(0.02~0.4)%Zr-(0.04~0.16)%Ag及Cu-(0.2~0.72)%Cr-(0.07~0.15)%Ag兩種合金的制備技術。通過熔煉、鑄造、熱變形、固溶、冷變形、時效及再次冷變形等工藝制備成品。專利CN03135758.X公開了采用快速凝固制粉、壓坯、燒結、擠壓獲得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備方法，可以獲得良好的導電、導熱、高溫溫度及抗軟化性能。專利CN200610017523.2公開了Cu-(0.05~0.40)%Cr-(0.05~0.2)%Zr-<0.20%(Ce+Y)合金成分及其制備技術，通過熔煉、鍛造、固溶、變形、時效獲得高強高導綜合性能以及較好的耐熱性和耐磨性。專利CN02148648.4公開了Cu-(0.01~1.0)%Cr-(0.01~0.6)%Zr-(0.05~1.0)%Zn-(0.01~0.30)%(La+Ce)合金成分及制備技術，通過熔煉、熱軋、固溶、冷軋、時效、終軋等過程可獲得較高的強度和電導率。隨著高速電氣化鐵路的持續發展，國家“十三五”規劃明確提出在2020年需建成時速在400公里以上的高速鐵路系統。這意味著與之相匹配的接觸線材料性能也必須進一步提高強度和電導率，必須開發新型高性能合金以適應高速鐵路的持續提速發展。技術實現要素：本發明的目的擬提供一種用于高速鐵路接觸線的高強高導銅合金及其制備方法，該銅合金可作為高速鐵路尤其是時速在400公里以上的高速鐵路接觸線材料。制備本發明的高強高導銅合金的構思如下：在Cu基體中引入大量彌散分布的納米析出相，特別強調的是，這些納米析出相與Cu基體存在cube-on-cube位向關系（也即析出相的<110>晶向與Cu基體的<110>晶向平行且析出相的{111}晶面與Cu基體的{111}晶面平行），且這些納米析出相與Cu基體的相界面為全共格相界面，不存在錯配位錯。這些彌散分布的納米析出相能夠有效提高Cu基體的位錯運動阻力，尤其是當位錯切過這些析出相會由于化學有序效應產生背應力而強烈拖拽位錯線，從而顯著提高合金的強度實現高強的目的；另一方面，相比常規CuSn、CuCrZr體系中非共格或者半共格相界面處點陣畸變很大、對電子波散射嚴重，本發明的納米析出相與Cu基體的相界面為全共格相界面，界面處的點陣畸變非常小，對電子波散射作用微弱，從而保障了電子波在合金內部的快速傳導，達到高導的目的。本發明的納米析出相之所以能夠與Cu基體產生全共格相界面是基于析出相晶體點陣結構的大數據計算，且通過科學選擇合金元素，合理搭配元素比例并采用科學制備工藝實現。為實現上述發明目的，實現其技術效果，本發明采用如下技術方案：本發明提供了一種高速鐵路接觸線用的銅合金，該銅合金含有重量百分比為0.6%~1.2%的Co、以及0.61%~1.24%的Ta或者0.16%~0.33%的Ti，且Co與Ta或者Co與Ti的原子比為3:1，余量為銅；該銅合金以長棒或者線的形式存在，其中Ta或者Ti與Co結合形成Co3Ta或者Co3Ti化合物；且所形成的Co3Ta或者Co3Ti化合物以納米顆粒形式嵌在Cu基體，且所述Co3Ta或者Co3Ti化合物納米顆粒的直徑分布范圍為1~50nm，顆粒間距范圍為5~100nm；該化合物納米顆粒與Cu基體存在cube-on-cube位向關系，且該化合物納米顆粒與Cu基體的相界面為全共格相界面，不存在錯配位錯。本發明還提供了制備上述銅合金的方法，包括如下步驟的制備方法制得：（1）以單質和/或中間合金為原料，按照所需配比投料，在水平連鑄系統雙聯爐體的熔煉爐熔化，之后轉移到保溫爐。熔化溫度為1200~1300oC，保溫爐溫度為1100~1200oC，熔煉爐和保溫爐表面覆蓋一層木炭；其中所述單質為金屬Cu、Co、Ti或Ta；所述中間合金為Cu-Co或Cu-Ta或Cu-Ti合金；所述配比為0.6%~1.2%的Co、以及0.61%~1.24%的Ta或者0.16%~0.33%的Ti，且Co與Ta或者Co與Ti的原子比為3:1，余量為銅；（2）采用水平連鑄方式引出鑄棒，鑄棒直徑為10~100mm，引出速度為60~600mm/min，結晶器采用水冷方式冷卻，冷卻長度為10~500mm；（3）將鑄棒進行連續熱擠壓并軋制為直徑為15~20mm圓棒，熱擠壓溫度為800~1000oC并通以惰性氣體保護；（4）將圓棒于375~575oC退火1~100h，得到所述銅合金。本發明通過選擇銅合金含有Co，Ta或者Ti元素，且控制Co與Ta或者Ti的原子比為3:1，使后續工藝工程中通過溫度等工藝參數控制Co與Ta或者Co與Ti形成能夠Co3Ta或者Co3Ti。其中，Cu、Co3Ta和Co3Ti均為面心立方晶系，且三者的點陣常數分別為0.3615nm、0.3647nm和0.3614nm，相差不超過1%，達到可形成全共格相界面的基礎條件，從而通過形成工藝控制關鍵工藝參數，使合金形成cube-on-cube位向和對應的全共格相界面，實現本發明的技術目的。為了避免Co3Ta或者Co3Ti在熱擠壓階段提前析出，本發明控制熱擠壓溫度，優選在800~1000oC，以保障Co3Ta或者Co3Ti在后續的時效過程中可控地以納米析出相形式彌散分布在Cu基體，獲得優異的強化效果。而為了避免在熱擠壓階段的高溫下樣品表面嚴重氧化，采用惰性氣體進行保護。與現有技術相比，本發明提供的銅合金及其制備方法具有以下有益效果：1）、本發明采用水平連鑄方式，能夠獲得大錨段長度的銅合金棒；2）、本發明制得的銅合金具有獨特的微結構和高強度和高導電性性能：3)、本發明利用Co和Ta或者Ti形成Co3Ta或者Co3Ti化合物，有效凈化Cu基體，保障Cu基體良好的導電性能；并利用Co3Ta或者Co3Ti化合物與Cu基體形成全共格相界面，避免了常規銅合金中相界面的大點陣畸變，保障電子波在相界面受到微弱散射，使合金具有高電導率；4）利用高密度納米析出相對位錯線的釘扎作用，以其化學有序產生的背應力效果，提升合金整體強度水平，使得銅合金強度能達到520MPa以上，可以應用于時速在400公里以上的高速鐵路接觸線材料。附圖說明圖1為實施例1所獲得的Co3Ta的納米析出相透射電鏡中心暗場像。圖2為實施例2所獲得的Co3Ti的納米析出相透射電鏡中心暗場像。圖3為實施例2所獲得的Co3Ti的納米析出相高分辨透射電鏡圖像。具體實施方式下面以具體的實施例對本發明做進一步的說明。實施例1：（1）以陰極電解銅、Co單質和Cu-Ta中間合金為原料，按照重量百分比為0.6%的Co，0.61%的Ta，其余為銅的配比投料，在水平連鑄系統雙聯爐體的熔煉爐以1300oC熔化，之后轉移到保溫爐，保溫爐溫度為1200oC，熔煉爐和保溫爐表面覆蓋一層木炭；（2）采用水平連鑄方式引出鑄棒，鑄棒直徑為10mm，引出速度為600mm/min，結晶器采用水冷方式冷卻，冷卻長度為500mm；（3）將鑄棒進行連續熱擠壓并軋制為直徑為15mm圓棒，熱擠壓溫度為800oC并通以惰性氣體保護；（4）將圓棒于375℃退火100h，得到所述銅合金。實施例2與實施例1的區別在于步驟（1）中Ta元素為Ti元素替換，Ti元素質量分數為0.16%，熔煉溫度為1200oC，保溫溫度為1100oC，其他參數相同。實施例3與實施例1的區別在于步驟（1）中Co元素重量百分比為1.2%，Ta元素為1.24%，其他參數相同。實施例4與實施例1的區別在于步驟（1）中Co元素重量百分比為0.9%，Ta元素替換為Ti元素，且Ti元素重量百分比為0.25%，熔煉溫度為1200oC，保溫溫度為1100oC，其他參數相同。實施例5與實施例1的區別在于步驟（2）中鑄棒直徑為100mm，引出速度為60mm/min，其他參數相同。實施例6與實施例1的區別在于步驟（2）中鑄棒直徑為20mm，引出速度為120mm/min，冷卻長度為10mm，其他參數相同。實施例7與實施例1的區別在于步驟（3）中軋制直徑為20mm，熱擠壓溫度為1000oC，其他參數相同。實施例8與實施例1的區別在于步驟（4）中退火溫度為575oC，時間為1h，其他參數相同。對比例1與實施例1的區別在于步驟（1）中Co元素重量百分比為1.2%，其他參數相同。對比例2與實施例1的區別在于步驟（1）中Co元素重量百分比為0.2%，其他參數相同。對比例3與實施例1的區別在于步驟（1）中熔煉溫度為1100oC，保溫溫度為1000oC，其他參數相同。對比例4與實施例1的區別在于步驟（3）中熱擠壓溫度為600oC，其他參數相同。對比例5與實施例1的區別在于步驟（4）中退火溫度為650oC，其他參數相同。采用透射電子顯微鏡觀察上述實施例和對比例所獲得樣品的微觀組織，并采用中心暗場像拍攝并測量析出相尺寸與間距，采用選區電子衍射花樣分析析出相與Cu基體的位向關系，采用高分辨透射電鏡技術觀察析出相與Cu基體的相界面結構，判斷是否為全共格相界面。另外參考國標GB/T228.1-2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》測試樣品的抗拉強度；參考GB/T351-1995《金屬材料電阻系數測量方法》測量樣品的室溫電導率。如圖1實施例1所獲得的Co3Ta的納米析出相透射電鏡中心暗場像，圖2為實施例2所獲得的Co3Ti的納米析出相透射電鏡中心暗場像，圖3為實施例2所獲得的Co3Ti的納米析出相高分辨透射電鏡圖像；可以看到Co3Ta或者Co3Ti化合物納米顆粒的直徑分布范圍為1~50nm，且所述顆粒間距范圍為5~100nm。具體以上所有測試的結果詳述如表1。表1實施例和對比例制得的銅合金的微結構特征和性能析出相平均直徑(nm)析出相平均間距(nm)析出相與Cu基體位向關系析出相與Cu基體界面結構抗拉強度(MPa)電導率(%IACS)實施例18.352Cube-on-cube全共格53085實施例29.160Cube-on-cube全共格55083實施例37.621Cube-on-cube全共格62078實施例48.132Cube-on-cube全共格58080實施例58.555Cube-on-cube全共格54084實施例68.355Cube-on-cube全共格53084實施例78.551Cube-on-cube全共格54083實施例89.860Cube-on-cube全共格52086對比例16.2102Cube-on-cube全共格55068對比例26.5153Cube-on-cube全共格46062對比例3////45080對比例487125//48079對比例5205320//42088從上表結果可以看出實施例1~8所獲得的樣品均體現出良好的強度與電導率匹配，其根本原因在于樣品中存在大量彌散分布的納米析出相，且納米析出相與Cu基體存在cube-on-cube位向關系，其相界面為全共格界面，點陣錯配小，對電子散射弱。比較分析實施例1和對比例1和2可見Co與Ta的比例對于合金性能具有重要影響，當Co與Ta不符合3:1關系時，將出現Co元素或者Ta元素剩余，所產生的固溶效果強烈地損害合金導電性。比較分析實施例1和對比例3可見熔煉與保溫溫度的選擇很關鍵，當所用溫度偏低時難以充分熔化高熔點的Ta元素，無法獲得合乎比例的Co和Ta或Ti形成的化合物固溶體，也即難以獲得良好性能。比較分析實施例1和對比例4可見熱擠壓溫度的控制很關鍵，雖然對擠壓過程進行預熱是本領域常用技術，然而若預熱溫度偏低，將導致Co與Ta或Ti的化合物提前析出，無法獲得合理的本發明的微結構和性能。比較分析實施例1和對比例5可見最終退火溫度和時間的選擇很關鍵，如果在較高的溫度長時間退火，將是析出相劇烈長大，并失去與Cu基體的共格關系，無法獲得良好性能。當前第1頁1 2 3