一种电网用高强铜合金及其制备方法与流程

本发明属于合金，具体地说是一种电网用高强铜合金及其制备方法，尤其是一种新型三元高强高延伸率的导电铜合金及其制备方法。

背景技术：

1、变电站是高压输变电系统中关键节点，变电站中引下线体系是连接输电线路与变电设备的重要电力设施，其结构安全性直接影响着变电站乃至线路的正常稳定运行。引下线体系由引下线、引下线与母线连接金具以及引下线与主设备端子相连的金具组成。当接线端子一旦发生塑性变形甚至破坏，此时主变套管密封失效，进而导致变压器停运、整站线路跳闸停电的严重后果。接线端子不仅承受机械负载和风动负载，还需要保障优秀的电接触实现大电流通流。因此要求作为接线端子的材料同时具有良好的电传导能力、优秀的机械强度和良好的环境耐受性。

2、作为接线端子的典型形式套管线夹，目前主要采用h62黄铜或者t2紫铜制作。黄铜制作的套管线夹出现的黄铜套管端子开裂现象，主要原因是黄铜应力腐蚀敏感，在螺栓预紧力和周围腐蚀环境的共同作用下，形成裂纹并快速扩展导致无预兆的脆性断裂。紫铜制作的套管线夹也发生多起发热缺陷引发故障，紫铜抱箍在载荷和风载共同作用下产生了塑性变形缺陷使得抱箍和端子铜头间存在较大的空隙，有效接触面积的减小导致局部接触电阻升高产生过热，局部升温过热又导致抱箍软化强度下降进一步发生塑性变形。同时传统黄铜铸造工艺能耗较大，污染比较严重，黄铜本身的导电性能相比纯铜较低，运行过程中存在热损耗。随着变压器向特高电压和特大容量发展，对套管线夹材料强度和电导率等性能等提出了越来越高的要求。

3、近年来，cu-ni-si合金受到越来越大的关注，因为它具有较高的强度且没有磁性，不会因为涡流效应产生焦耳热，具有较大发展潜力。典型的产品型号有c70250、c64710和klf-125等，他们的主要性能指标如下表1：

4、表1典型引线框架用cu-ni-si铜合金及其主要性能指标

5、

6、专利文献cn113981267a及cn116640961a公开了cu-2.4％ni-0.6％si-0.2％mg-0.01％zn及cu-(1.0-3.0)％sn-(0.5-4.0)％ni-(0.1-5.0)zn-(≤0.1)％p-(0.005-0.01)％b两种合金的引线框架用铜合金的制备技术。专利文献cn108330320b通过熔炼、铸模、热轧-在线淬火、固溶处理、铣面、冷轧-时效等过程可获得(720-863)mpa抗拉强度和(58-79)％iacs电导率的cu-(4.0-9.0)％ni-(1.0-1.5)％si-(0.1-0.4)％ag-(0.05-0.1)％p的高性能cu-ni-si合金引线框架材料。

7、然而，以上合金中各种合金元素添加总量大于2％，且部分包含ag、ni等昂贵的战略性金属，这显著地提升了合金的成本。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种性能优异的低合金含量三元铜合金及其制备方法，所述的铜合金只有少量ti、si两种合金添加元素，为高强高延伸率的导电铜合金的大规模生产提供一种成分简单、工艺可行的路径选择。

2、为实现上述发明目的，本发明采用如下的技术方案：一种电网用高强铜合金，该铜合金含有ti、si以及cu，其中ti重量百分比为0.4％-1.0％、si重量百分比为0.14％-0.35％，且ti和si原子比为5:3，余量为铜；铜合金由铜基体和ti5si3析出相组成且ti5si3析出相为直径10-50nm的球形颗粒。

3、作为优选，所述的si重量百分比为0.1％-0.3％。

4、本发明设计cu-ti-si合金的构思如下：

5、ti与si元素在cu基体中的固溶度较高，微量固溶便会造成铜基体晶格畸变恶化电导率，因而导电型铜合金中常常避免添加这两种元素。沉淀析出的第二相对电子的散射作用比固溶原子引起的散射作用要小的多。要保证合金具有良好的导电性必须使得固溶在cu基体中的ti、si这两种元素脱溶析出。本发明通过深入的相图和机器学习模型的双驱动设计，发现合金元素固溶在铜基体中的含量、合金元素在第二相中的含量、合金中第二相的含量及合金元素化合物形成能等特征因子对合金的硬度和电导率具有显著影响。针对cutisi体系，发现低含量的ti与si因为所形成的ti5si3化合物形成能偏低有希望在时效热处理阶段析出形成纳米级沉淀相，以达到对铜基体的净化效果提升电导率并大幅度提高强度。该思路有异于传统的认为ti、si是铜电导率有害元素的通用认识。

6、上述电网用高强铜合金的制备方法，其包括如下步骤：

7、1)以cu、ti和si为原料，在中频真空感应熔炼炉中熔化，之后浇铸到水冷模具中快速冷却形成铸锭；

8、2)将铸锭在干冰温度轧制处理，单次压下量1-2mm，总压下量≥90％；

9、3)将轧制后的产品进行等温时效热处理，冷却后即得所述的铜合金。

10、本发明之所以未进行固溶处理，是考虑到ti和si在铜基体的固溶度较大，通过水冷模具的快速冷却能够使本发明合金中的ti和si元素以固溶的方式存在于铸锭中。本发明之所以在干冰温度轧制处理，且要求单次压下量1-2mm，总压下量≥90％，是考虑到干冰温度下铜合金加工硬化明显，大变形量加工后位错密度显著提高，为后续的时效处理提供快速扩散通道，促进ti和si形成化合物颗粒。

11、作为优选，步骤1)中，熔炼温度为1200-1600℃；浇铸温度控制在1200-1300℃；水冷模具用水冷铜模，冷却速度高于50℃/s。

12、作为优选，步骤3)中，热处理温度为400-600℃；热处理时间为0.5-24h；等温时效热处理后，合金冷却方式为空气冷却。

13、与现有技术相比，本发明提供的铜合金及其制备方法具有以下有益效果：

14、(1)本发明的合金制备工艺步骤简单，无需固溶、热轧、拉拔等复杂工序；

15、(2)本发明制得cu-ti-si合金的强度和电导率不逊色于前述的cu-ni-si系列合金，但具备更低廉的原料成本，有利于在高压变压器套管线夹推广应用。

技术特征：

1.一种电网用高强铜合金，其特征在于，该铜合金含有ti、si以及cu，其中ti重量百分比为0.4％-1.0％、si重量百分比为0.14％-0.35％，且ti和si原子比为5:3，余量为铜；铜合金由铜基体和ti5si3析出相组成且ti5si3析出相为直径10-50nm的球形颗粒。

2.根据权利要求1所述的一种电网用高强铜合金，其特征在于，所述的si重量百分比为0.1％-0.3％。

3.权利要求1或2所述电网用高强铜合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，熔炼温度为1200-1600oc。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，浇铸温度控制在1200-1300oc。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，水冷模具用水冷铜模，冷却速度高于50oc/s。

7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤3)中，热处理温度为400-600oc。

8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤3)中，热处理时间为0.5-24h。

9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤3)中，等温时效热处理后，合金冷却方式为空气冷却。

技术总结本发明公开了一种电网用高强铜合金及其制备方法。本发明的铜合金含有Ti、Si以及Cu，其中Ti重量百分比为0.4％‑1.0％、Si重量百分比为0.14％‑0.35％，且Ti和Si原子比为5:3，余量为铜；铜合金由铜基体和Ti<subgt;5</subgt;Si<subgt;3</subgt;析出相组成且Ti<subgt;5</subgt;Si<subgt;3</subgt;析出相为直径10‑50nm的球形颗粒。本发明制得Cu‑Ti‑Si合金的强度和电导率不逊色于Cu‑Ni‑Si系列合金，但具备更低廉的原料成本，有利于在高压变压器套管线夹推广应用。本发明的合金制备工艺步骤简单，无需固溶、热轧、拉拔等复杂工序。技术研发人员：赵洲峰,鲁旷达,赵峰,杨智,裘吕超,金凌峰,周宇通,张杰,徐冬梅,郑宏晔,罗宏建,李小英,胡洁梓,金江舟,邹君文,陈雅,刘嘉斌受保护的技术使用者：国网浙江省电力有限公司电力科学研究院技术研发日：技术公布日：2024/6/5