專利名稱：具有優(yōu)良綜合性能的銅合金接觸線的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明型涉及一種用于電氣化鐵路的接觸網(wǎng)導(dǎo)線的制備方法，屬電纜技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來，電氣化鐵路營運里程有快速發(fā)展，以我國為例，鐵路電氣化率接近30％，電氣化鐵路總的發(fā)展趨勢由山區(qū)要塞轉(zhuǎn)向平原干線，由輕載轉(zhuǎn)為重載，由低速轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚伲煽拓浌簿€轉(zhuǎn)變?yōu)榭拓浄至?。電氣化鐵路的高速發(fā)展對所需的關(guān)鍵部件——接觸網(wǎng)導(dǎo)線的性能要求在不斷提高，即要求高強度、高電導(dǎo)率、耐氣候腐蝕、耐磨耗、良好的韌性和取流效果。為此，業(yè)內(nèi)專家在提高接觸線性能方面做了大量研究工作，這些研究工作主要集中在兩個方面，其一，是在接觸線使用的合金材料方面，如德國研究人員用在銅合金中加大鎂含量的方法提高強度，日本研究人員采用在銅合金中加入錫，使接觸線強度提高，但上述做法在提高強度的同時均犧牲了導(dǎo)電率的指標(biāo)(導(dǎo)電率只有62.1％IACS)，且接觸線韌性較低。其二，是在接觸線的制造工藝方面。目前，接觸線的制造方法有上引連鑄冷加工成形法和熱連鑄連軋冷加工成形法，前者在無氧氣氛中通過水冷結(jié)晶器鑄造成桿，靠機械間歇機構(gòu)將銅桿引出，而后坯料經(jīng)冷軋，拉拔制為成品。優(yōu)點是無氧、雜質(zhì)少，故加工時可塑性好，高電導(dǎo)率(可達102％IACS)，缺點是鑄造晶粒粗大(1.5-5.5mm)，造成機車取流火花大。后者熱連鑄連軋法生產(chǎn)的接觸線優(yōu)點是晶粒細化(晶粒尺寸一般在0.025mm左右)，但銅或銅合金材料在熔、軋加工過程中含氧量只能控制在300-500ppm之間。氧與銅形成的氧化亞銅固熔在銅晶界之間形成脆性組織，進而造成接觸線在加工或使用過程中脆斷現(xiàn)象。綜上所述，改進現(xiàn)有技術(shù)，選取合適銅合金材質(zhì)，加上合理的生產(chǎn)工藝，是制造符合電氣化鐵路發(fā)展要求的高標(biāo)準(zhǔn)接觸線的核心問題，也是亟待解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明用于克服已有技術(shù)的缺陷而提供一種具有高強度、高導(dǎo)電率、高韌性等優(yōu)良綜合性能的銅合金接觸線的制備方法。
本發(fā)明所稱問題是以下述技術(shù)方案解決的一種具有優(yōu)良綜合性能的銅合金接觸線的制備方法，它以銅合金為原料，所述銅合金由下述百分比重量的原料熔煉而成鎂0.05～0.35％、錫0.35～0.05％，雜質(zhì)總量不大于0.10％，余量為銅；并按如下工序進行a.熔煉按配比取銅、鎂、錫或銅、鎂、錫、稀土元素置入熔銅爐熔煉，溫度為1150±30℃；b.鑄桿上引連鑄制成毛坯銅合金桿；c.擠壓在擠壓機上將毛坯銅合金桿經(jīng)摩擦擠壓、再結(jié)晶、成形制成擠壓銅合金桿；所述擠壓料坯直徑φ12.5～φ18mm，擠壓機腔體內(nèi)最大壓力1000Mpa；擠壓銅合金桿截面300～450mm2；d.拉拔或冷軋將上述擠壓銅合金桿經(jīng)拉拔或冷軋制成銅合金細桿；e.成形軋制或成形拉拔將上述銅合金細桿經(jīng)成形軋制或成形拉拔，制成截面具有對稱溝槽的接觸線。
上述具有優(yōu)良綜合性能的銅合金接觸線的制備方法，在銅合金原料中加入稀土元素，所述稀土元素為純度＞97％的純稀土鈰，或含≥47％鈰的鑭系混合稀土，加入量為原料總重量的0.003-0.025％。
上述具有優(yōu)良綜合性能的銅合金接觸線的制備方法，所述原料配比中鎂與錫的總量不超過0.55％。
上述具有優(yōu)良綜合性能的銅合金接觸線的制備方法，所述熔銅爐熔煉工序前，先按照銅∶鎂＝4∶1的比例，將銅、鎂在真空熔煉爐中熔煉成銅鎂中間合金；將銅、稀土按銅∶稀土＝9∶1的比例在真空熔煉爐中熔煉成銅稀土中間合金，再將銅、錫原料、上述中間合金按配方置入熔銅爐和保溫爐中熔煉，經(jīng)過兩個小時保溫后，上引銅合金桿，之后按照上述配比隨上引連鑄的進行補充加入。
上述具有優(yōu)良綜合性能的銅合金接觸線的制備方法，所述保溫爐溫度保持在1140±20℃。
本發(fā)明針對現(xiàn)有接觸線強度、導(dǎo)電率、韌性等性能指標(biāo)難以兼顧的問題進行了改進，其選材以銅為基體，加入少量鎂、錫或鎂、錫和稀土元素，獲得一個優(yōu)化的合金配方，形成一種新型的銅鎂錫三元合金或銅鎂錫稀土四元合金材料。在此基礎(chǔ)上改進現(xiàn)有接觸線加工方法，熱加工采用工頻爐熔煉上引連鑄法制備無氧毛坯銅合金桿，取其無氧、雜質(zhì)少、可塑性好、導(dǎo)電率高的優(yōu)點，冷加工增加以現(xiàn)代擠壓技術(shù)在連續(xù)擠壓機上將毛坯銅合金桿經(jīng)摩擦擠壓、再結(jié)晶、成形制成擠壓銅合金桿的關(guān)鍵工序，解決了上引連鑄桿晶粒粗大的問題進而改善了取流效果。按照本發(fā)明方法制造的接觸線強度達到國際超高強度接觸線水平；導(dǎo)電率達到或超過國際銅合金接觸線水平；延伸率、扭轉(zhuǎn)、反復(fù)彎曲、卷繞等韌性指標(biāo)也遠遠超過國際同類產(chǎn)品水平。由于材料為無氧細晶粒，解決了當(dāng)今國內(nèi)外電氣化鐵路中的接觸線脆斷和取流效果差兩大難題，有望成為接觸線制造領(lǐng)域的新一代先進技術(shù)。
以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳述。


圖1是上引爐示意圖；圖2是連續(xù)擠壓機原理圖；圖3是四元合金接觸線生產(chǎn)工藝流程圖；圖4是三元合金接觸線生產(chǎn)工藝流程圖。
圖中標(biāo)號表示如下1.熔銅爐；2.水套；3.木炭；4.線圈；5.鐵芯；6.溶溝；7.結(jié)晶器；8.進水口；9.出水口；10.保溫爐；11.鱗片石墨；12.夾持輪；13.上引桿；21.毛坯銅合金桿；22.擠壓輪；23.主軸；24.腔體；25.模具；26.冷卻水套；28.擠壓銅合金桿；29.耐火材料層。
具體實施例方式
本發(fā)明所述方法其接觸線原料是在銅的基體中加入少量鎂、錫的三元銅合金或加入少量鎂、錫和稀土元素的四元銅合金。其中，將鎂和錫熔入銅中可與銅形成固溶體，加劇晶格畸變，起到復(fù)合強化作用。加入稀土元素除可以細化晶粒、提高強度、消除或減小成分偏析外，還可以提高合金的導(dǎo)電性能。通過嚴格控制鎂、錫、稀土元素的添加量和配比，達到在提高材料強度和導(dǎo)電率的同時，還可以使合金材料具有高的韌性指標(biāo)。試驗表明，上述三元或四元合金，經(jīng)上引連鑄后的桿坯比相同方法制造的純銅、銀銅強度高，比相同方法制造的銅鎂、銅錫等銅合金的導(dǎo)電率和韌性好。所述合金元素加入量與性能的關(guān)系基本遵循如下規(guī)律隨鎂、錫元素加入量的增加(特別是鎂元素的增加)，合金強度提高但導(dǎo)電率有所下降。對于接觸線電導(dǎo)率≥80％IACS時，鎂、錫元素總量不超過0.45％；接觸線電導(dǎo)率＜80％IACS時，鎂、錫元素總量不超過0.55％。
本發(fā)明所述三元或四元銅合金接觸線的制備方法包括熱加工的熔煉、上引連鑄和冷加工的擠壓拉拔，其工藝流程參看圖3、圖4。
圖1所示為生產(chǎn)銅合金桿坯的上引爐的示意圖，圖中左側(cè)為熔銅爐1，右側(cè)為保溫爐10(或稱上引爐)，中間采用耐火材料隔斷，但在其下部是連通的，均采用工頻感應(yīng)方式加熱。其原邊線圈4接電源，副邊線圈即是熔化的銅水。原料首先在熔銅爐中熔化，繼而流入保溫爐，由于溶銅爐、保溫爐中的熔溝6在電磁作用下受熱后向上涌動，形成強烈的對流，這種對流起到攪拌作用，使合金材料變得均勻。木炭3、鱗片石墨11的覆蓋隔絕了氧氣，同時在爐中高溫缺氧狀態(tài)下，木炭、石墨介質(zhì)與氧燃燒生成一氧化碳造就爐內(nèi)呈還原性氣氛。結(jié)晶器7設(shè)置在保溫爐中，成分均勻化的合金液體經(jīng)結(jié)晶器上引連鑄出銅合金桿坯13。銅合金熔煉溫度控制在1150±10℃，保溫爐溫度控制在1140±10℃，冷卻水進水溫度20-30℃，出水溫度30-50℃。經(jīng)上引連鑄生產(chǎn)出無氧、組織均勻的毛坯料銅合金桿。
上引連鑄生產(chǎn)出的毛坯銅合金桿無氧但晶粒粗大，力學(xué)性能欠佳，為解決此問題本發(fā)明在冷加工中增加了關(guān)鍵的擠壓工序，即在擠壓機上將鑄造的毛坯銅合金桿21經(jīng)擠壓輪22強大的擠壓力作用下，摩擦、擠壓、再結(jié)晶、成形，再經(jīng)模具25制成擠壓銅合金桿28，冷卻水套26內(nèi)流動冷卻水，以降低模具25的溫度。圖2所示為連續(xù)擠壓機原理圖。上述連續(xù)擠壓法使上引無氧坯桿實現(xiàn)重新再結(jié)晶，改變鑄造1.5～5.5mm粗晶為晶粒尺寸小于0.025mm的細晶粒。經(jīng)此工序，坯桿強度提高了30-50Mpa，反復(fù)彎曲、抗扭轉(zhuǎn)、抗卷曲性能也都有了明顯的提高。擠壓后制成的銅合金擠壓桿再經(jīng)過軋制、拉拔、成形加工，制成截面具有對稱溝槽的接觸線，達到具有高強度、高導(dǎo)電率、高韌性等優(yōu)良綜合性能。
本發(fā)明產(chǎn)品與國內(nèi)外同類產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)對比可見下表

以下提供幾個具體實施例按下述比例取原料四元合金 (重量％)

三元合金(重量％)

制備方法a.熔煉將按實施例配比所取的原料置入熔銅爐中熔煉，或先按照銅∶鎂＝4∶1的比例，將銅、鎂在真空熔煉爐中熔煉成銅鎂中間合金；將銅、稀土按銅∶稀土＝9∶1的比例在真空熔煉爐中熔煉成銅稀土中間合金，再將銅、錫原料、中間合金按配方置入熔銅爐熔煉，熔銅爐溫度控制在1150±10℃。
b.保溫保溫在保溫爐內(nèi)進行。保溫爐的主要作用是為連鑄提供包括溫度在內(nèi)的穩(wěn)定合金熔液，除點爐初要與熔銅爐一樣加入銅合金各組份外，引桿后不再加入，所需合金熔液由熔銅爐提供。
c.鑄桿將結(jié)晶器直接插入保溫爐液體合金中，上引連鑄制成銅鎂錫合金桿坯或銅鎂錫稀土合金桿坯。冷卻水進水溫度20-30℃，出水溫度30-50℃，桿坯直徑為16mm。
d.擠壓在擠壓機上將銅合金鑄桿坯經(jīng)摩擦擠壓、再結(jié)晶、成形制成銅合金擠壓桿，所用擠壓機型號TJ-350，平均生產(chǎn)率760kg/h，擠壓輪22的公稱直徑350mm，主電機功率160KW，料坯直徑φ16mm，腔體24內(nèi)最大壓力1000Mpa，產(chǎn)品截面300mm2。
e.拉拔將上述銅合金擠壓桿經(jīng)拉拔制成銅合金細桿。
f.將上述銅合金細桿再經(jīng)過成形軋制或拉拔制成規(guī)格為85、110、120、150mm2的銅合金接觸線。
g.檢查、包裝。
權(quán)利要求
1.一種具有優(yōu)良綜合性能的銅合金接觸線的制備方法，其特征在于，它以銅合金為原料，所述銅合金由下述百分比重量的原料熔煉而成鎂0.05～0.35％、錫0.35～0.05％，雜質(zhì)總量不大于0.10％，余量為銅；并按如下工序進行a.熔煉按配比取銅、鎂、錫或銅、鎂、錫、稀土元素置入熔銅爐熔煉，溫度為1150±30℃；b.鑄桿上引連鑄制成毛坯銅合金桿；c.擠壓在擠壓機上將毛坯銅合金桿經(jīng)摩擦擠壓、再結(jié)晶、成形制成擠壓銅合金桿；所述擠壓料坯直徑φ12.5～φ18mm，擠壓機腔體內(nèi)最大壓力1000Mpa；擠壓銅合金桿截面300～450mm2；d.拉拔或冷軋將上述擠壓銅合金桿經(jīng)拉拔或冷軋制成銅合金細桿；e.成形軋制或成形拉拔將上述銅合金細桿經(jīng)成形軋制或成形拉拔，制成截面具有對稱溝槽的接觸線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述具有優(yōu)良綜合性能的銅合金接觸線的制備方法，其特征在于在銅合金原料中加入稀土元素，所述稀土元素為純度＞97％的純稀土鈰，或含≥47％鈰的鑭系混合稀土，加入量為原料總重量的0.003-0.025％。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述具有優(yōu)良綜合性能的銅合金接觸線的制備方法，其特征在于所述原料配比中鎂與錫的總量不超過0.55％。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述具有優(yōu)良綜合性能的銅合金接觸線的制備方法，其特征在于在熔銅爐熔煉工序前，先按照銅∶鎂＝4∶1的比例，將銅、鎂在真空熔煉爐中熔煉成銅鎂中間合金；將銅、稀土按銅∶稀土＝9∶1的比例在真空熔煉爐中熔煉成銅稀土中間合金，再將銅、錫原料、上述中間合金按配方置入熔銅爐和保溫爐中熔煉，經(jīng)過兩個小時保溫后，上引銅合金桿，之后按照上述配比隨上引連鑄的進行補充加入。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述具有優(yōu)良綜合性能的銅合金接觸線的制備方法，其特征在于所述保溫爐溫度保持在1140±20℃。
全文摘要
一種具有優(yōu)良綜合性能的銅合金接觸線及制備方法，屬電纜技術(shù)領(lǐng)域，用于提高接觸線的使用性能。其技術(shù)方案是它以銅合金為原料，所述銅合金由下述百分比重量的原料熔煉而成鎂0.05～0.35％、錫0.35～ 0.05％，雜質(zhì)總量不大于0.10％，余量為銅；上述原料經(jīng)熔煉、保溫、鑄桿、擠壓、冷軋、成型軋制等工序制成接觸線。用本發(fā)明方法制造的接觸線強度、導(dǎo)電率、延伸率、扭轉(zhuǎn)、反復(fù)彎曲、卷繞等指標(biāo)均達到或超過國際同類產(chǎn)品水平，解決了當(dāng)今國內(nèi)外電氣化鐵路中接觸線脆斷和取流效果差兩大難題。
文檔編號B22D11/00GK1933037SQ20061004818
公開日2007年3月21日 申請日期2006年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月25日
發(fā)明者張進東, 韓士恩, 王振興, 王漢裴 申請人:邢臺鑫暉銅業(yè)特種線材有限公司