专利名称：具有优良综合性能的铜合金接触线的制备方法
技术领域：
本发明型涉及一种用于电气化铁路的接触网导线的制备方法，属电缆技术领域。
背景技术：
近年来，电气化铁路营运里程有快速发展，以我国为例，铁路电气化率接近30％，电气化铁路总的发展趋势由山区要塞转向平原干线，由轻载转为重载，由低速转变为高速，由客货共线转变为客货分流。电气化铁路的高速发展对所需的关键部件——接触网导线的性能要求在不断提高，即要求高强度、高电导率、耐气候腐蚀、耐磨耗、良好的韧性和取流效果。为此，业内专家在提高接触线性能方面做了大量研究工作，这些研究工作主要集中在两个方面，其一，是在接触线使用的合金材料方面，如德国研究人员用在铜合金中加大镁含量的方法提高强度，日本研究人员采用在铜合金中加入锡，使接触线强度提高，但上述做法在提高强度的同时均牺牲了导电率的指标(导电率只有62.1％IACS)，且接触线韧性较低。其二，是在接触线的制造工艺方面。目前，接触线的制造方法有上引连铸冷加工成形法和热连铸连轧冷加工成形法，前者在无氧气氛中通过水冷结晶器铸造成杆，靠机械间歇机构将铜杆引出，而后坯料经冷轧，拉拔制为成品。优点是无氧、杂质少，故加工时可塑性好，高电导率(可达102％IACS)，缺点是铸造晶粒粗大(1.5-5.5mm)，造成机车取流火花大。后者热连铸连轧法生产的接触线优点是晶粒细化(晶粒尺寸一般在0.025mm左右)，但铜或铜合金材料在熔、轧加工过程中含氧量只能控制在300-500ppm之间。氧与铜形成的氧化亚铜固熔在铜晶界之间形成脆性组织，进而造成接触线在加工或使用过程中脆断现象。综上所述，改进现有技术，选取合适铜合金材质，加上合理的生产工艺，是制造符合电气化铁路发展要求的高标准接触线的核心问题，也是亟待解决的问题。
发明内容
本发明用于克服已有技术的缺陷而提供一种具有高强度、高导电率、高韧性等优良综合性能的铜合金接触线的制备方法。
本发明所称问题是以下述技术方案解决的一种具有优良综合性能的铜合金接触线的制备方法，它以铜合金为原料，所述铜合金由下述百分比重量的原料熔炼而成镁0.05～0.35％、锡0.35～0.05％，杂质总量不大于0.10％，余量为铜；并按如下工序进行a.熔炼按配比取铜、镁、锡或铜、镁、锡、稀土元素置入熔铜炉熔炼，温度为1150±30℃；b.铸杆上引连铸制成毛坯铜合金杆；c.挤压在挤压机上将毛坯铜合金杆经摩擦挤压、再结晶、成形制成挤压铜合金杆；所述挤压料坯直径φ12.5～φ18mm，挤压机腔体内最大压力1000Mpa；挤压铜合金杆截面300～450mm2；d.拉拔或冷轧将上述挤压铜合金杆经拉拔或冷轧制成铜合金细杆；e.成形轧制或成形拉拔将上述铜合金细杆经成形轧制或成形拉拔，制成截面具有对称沟槽的接触线。
上述具有优良综合性能的铜合金接触线的制备方法，在铜合金原料中加入稀土元素，所述稀土元素为纯度＞97％的纯稀土铈，或含≥47％铈的镧系混合稀土，加入量为原料总重量的0.003-0.025％。
上述具有优良综合性能的铜合金接触线的制备方法，所述原料配比中镁与锡的总量不超过0.55％。
上述具有优良综合性能的铜合金接触线的制备方法，所述熔铜炉熔炼工序前，先按照铜∶镁＝4∶1的比例，将铜、镁在真空熔炼炉中熔炼成铜镁中间合金；将铜、稀土按铜∶稀土＝9∶1的比例在真空熔炼炉中熔炼成铜稀土中间合金，再将铜、锡原料、上述中间合金按配方置入熔铜炉和保温炉中熔炼，经过两个小时保温后，上引铜合金杆，之后按照上述配比随上引连铸的进行补充加入。
上述具有优良综合性能的铜合金接触线的制备方法，所述保温炉温度保持在1140±20℃。
本发明针对现有接触线强度、导电率、韧性等性能指标难以兼顾的问题进行了改进，其选材以铜为基体，加入少量镁、锡或镁、锡和稀土元素，获得一个优化的合金配方，形成一种新型的铜镁锡三元合金或铜镁锡稀土四元合金材料。在此基础上改进现有接触线加工方法，热加工采用工频炉熔炼上引连铸法制备无氧毛坯铜合金杆，取其无氧、杂质少、可塑性好、导电率高的优点，冷加工增加以现代挤压技术在连续挤压机上将毛坯铜合金杆经摩擦挤压、再结晶、成形制成挤压铜合金杆的关键工序，解决了上引连铸杆晶粒粗大的问题进而改善了取流效果。按照本发明方法制造的接触线强度达到国际超高强度接触线水平；导电率达到或超过国际铜合金接触线水平；延伸率、扭转、反复弯曲、卷绕等韧性指标也远远超过国际同类产品水平。由于材料为无氧细晶粒，解决了当今国内外电气化铁路中的接触线脆断和取流效果差两大难题，有望成为接触线制造领域的新一代先进技术。
以下结合附图和实施例对本发明作进一步详述。
图1是上引炉示意图；图2是连续挤压机原理图；图3是四元合金接触线生产工艺流程图；图4是三元合金接触线生产工艺流程图。
图中标号表示如下1.熔铜炉；2.水套；3.木炭；4.线圈；5.铁芯；6.溶沟；7.结晶器；8.进水口；9.出水口；10.保温炉；11.鳞片石墨；12.夹持轮；13.上引杆；21.毛坯铜合金杆；22.挤压轮；23.主轴；24.腔体；25.模具；26.冷却水套；28.挤压铜合金杆；29.耐火材料层。
具体实施例方式
本发明所述方法其接触线原料是在铜的基体中加入少量镁、锡的三元铜合金或加入少量镁、锡和稀土元素的四元铜合金。其中，将镁和锡熔入铜中可与铜形成固溶体，加剧晶格畸变，起到复合强化作用。加入稀土元素除可以细化晶粒、提高强度、消除或减小成分偏析外，还可以提高合金的导电性能。通过严格控制镁、锡、稀土元素的添加量和配比，达到在提高材料强度和导电率的同时，还可以使合金材料具有高的韧性指标。试验表明，上述三元或四元合金，经上引连铸后的杆坯比相同方法制造的纯铜、银铜强度高，比相同方法制造的铜镁、铜锡等铜合金的导电率和韧性好。所述合金元素加入量与性能的关系基本遵循如下规律随镁、锡元素加入量的增加(特别是镁元素的增加)，合金强度提高但导电率有所下降。对于接触线电导率≥80％IACS时，镁、锡元素总量不超过0.45％；接触线电导率＜80％IACS时，镁、锡元素总量不超过0.55％。
本发明所述三元或四元铜合金接触线的制备方法包括热加工的熔炼、上引连铸和冷加工的挤压拉拔，其工艺流程参看图3、图4。
图1所示为生产铜合金杆坯的上引炉的示意图，图中左侧为熔铜炉1，右侧为保温炉10(或称上引炉)，中间采用耐火材料隔断，但在其下部是连通的，均采用工频感应方式加热。其原边线圈4接电源，副边线圈即是熔化的铜水。原料首先在熔铜炉中熔化，继而流入保温炉，由于溶铜炉、保温炉中的熔沟6在电磁作用下受热后向上涌动，形成强烈的对流，这种对流起到搅拌作用，使合金材料变得均匀。木炭3、鳞片石墨11的覆盖隔绝了氧气，同时在炉中高温缺氧状态下，木炭、石墨介质与氧燃烧生成一氧化碳造就炉内呈还原性气氛。结晶器7设置在保温炉中，成分均匀化的合金液体经结晶器上引连铸出铜合金杆坯13。铜合金熔炼温度控制在1150±10℃，保温炉温度控制在1140±10℃，冷却水进水温度20-30℃，出水温度30-50℃。经上引连铸生产出无氧、组织均匀的毛坯料铜合金杆。
上引连铸生产出的毛坯铜合金杆无氧但晶粒粗大，力学性能欠佳，为解决此问题本发明在冷加工中增加了关键的挤压工序，即在挤压机上将铸造的毛坯铜合金杆21经挤压轮22强大的挤压力作用下，摩擦、挤压、再结晶、成形，再经模具25制成挤压铜合金杆28，冷却水套26内流动冷却水，以降低模具25的温度。图2所示为连续挤压机原理图。上述连续挤压法使上引无氧坯杆实现重新再结晶，改变铸造1.5～5.5mm粗晶为晶粒尺寸小于0.025mm的细晶粒。经此工序，坯杆强度提高了30-50Mpa，反复弯曲、抗扭转、抗卷曲性能也都有了明显的提高。挤压后制成的铜合金挤压杆再经过轧制、拉拔、成形加工，制成截面具有对称沟槽的接触线，达到具有高强度、高导电率、高韧性等优良综合性能。
本发明产品与国内外同类产品技术指标对比可见下表
以下提供几个具体实施例按下述比例取原料四元合金 (重量％)
三元合金(重量％)
制备方法a.熔炼将按实施例配比所取的原料置入熔铜炉中熔炼，或先按照铜∶镁＝4∶1的比例，将铜、镁在真空熔炼炉中熔炼成铜镁中间合金；将铜、稀土按铜∶稀土＝9∶1的比例在真空熔炼炉中熔炼成铜稀土中间合金，再将铜、锡原料、中间合金按配方置入熔铜炉熔炼，熔铜炉温度控制在1150±10℃。
b.保温保温在保温炉内进行。保温炉的主要作用是为连铸提供包括温度在内的稳定合金熔液，除点炉初要与熔铜炉一样加入铜合金各组份外，引杆后不再加入，所需合金熔液由熔铜炉提供。
c.铸杆将结晶器直接插入保温炉液体合金中，上引连铸制成铜镁锡合金杆坯或铜镁锡稀土合金杆坯。冷却水进水温度20-30℃，出水温度30-50℃，杆坯直径为16mm。
d.挤压在挤压机上将铜合金铸杆坯经摩擦挤压、再结晶、成形制成铜合金挤压杆，所用挤压机型号TJ-350，平均生产率760kg/h，挤压轮22的公称直径350mm，主电机功率160KW，料坯直径φ16mm，腔体24内最大压力1000Mpa，产品截面300mm2。
e.拉拔将上述铜合金挤压杆经拉拔制成铜合金细杆。
f.将上述铜合金细杆再经过成形轧制或拉拔制成规格为85、110、120、150mm2的铜合金接触线。
g.检查、包装。
权利要求
1.一种具有优良综合性能的铜合金接触线的制备方法，其特征在于，它以铜合金为原料，所述铜合金由下述百分比重量的原料熔炼而成镁0.05～0.35％、锡0.35～0.05％，杂质总量不大于0.10％，余量为铜；并按如下工序进行a.熔炼按配比取铜、镁、锡或铜、镁、锡、稀土元素置入熔铜炉熔炼，温度为1150±30℃；b.铸杆上引连铸制成毛坯铜合金杆；c.挤压在挤压机上将毛坯铜合金杆经摩擦挤压、再结晶、成形制成挤压铜合金杆；所述挤压料坯直径φ12.5～φ18mm，挤压机腔体内最大压力1000Mpa；挤压铜合金杆截面300～450mm2；d.拉拔或冷轧将上述挤压铜合金杆经拉拔或冷轧制成铜合金细杆；e.成形轧制或成形拉拔将上述铜合金细杆经成形轧制或成形拉拔，制成截面具有对称沟槽的接触线。
2.根据权利要求1所述具有优良综合性能的铜合金接触线的制备方法，其特征在于在铜合金原料中加入稀土元素，所述稀土元素为纯度＞97％的纯稀土铈，或含≥47％铈的镧系混合稀土，加入量为原料总重量的0.003-0.025％。
3.根据权利要求2所述具有优良综合性能的铜合金接触线的制备方法，其特征在于所述原料配比中镁与锡的总量不超过0.55％。
4.根据权利要求3所述具有优良综合性能的铜合金接触线的制备方法，其特征在于在熔铜炉熔炼工序前，先按照铜∶镁＝4∶1的比例，将铜、镁在真空熔炼炉中熔炼成铜镁中间合金；将铜、稀土按铜∶稀土＝9∶1的比例在真空熔炼炉中熔炼成铜稀土中间合金，再将铜、锡原料、上述中间合金按配方置入熔铜炉和保温炉中熔炼，经过两个小时保温后，上引铜合金杆，之后按照上述配比随上引连铸的进行补充加入。
5.根据权利要求4所述具有优良综合性能的铜合金接触线的制备方法，其特征在于所述保温炉温度保持在1140±20℃。
全文摘要
一种具有优良综合性能的铜合金接触线及制备方法，属电缆技术领域，用于提高接触线的使用性能。其技术方案是它以铜合金为原料，所述铜合金由下述百分比重量的原料熔炼而成镁0.05～0.35％、锡0.35～ 0.05％，杂质总量不大于0.10％，余量为铜；上述原料经熔炼、保温、铸杆、挤压、冷轧、成型轧制等工序制成接触线。用本发明方法制造的接触线强度、导电率、延伸率、扭转、反复弯曲、卷绕等指标均达到或超过国际同类产品水平，解决了当今国内外电气化铁路中接触线脆断和取流效果差两大难题。
文档编号B22D11/00GK1933037SQ20061004818
公开日2007年3月21日 申请日期2006年8月25日 优先权日2006年8月25日
发明者张进东, 韩士恩, 王振兴, 王汉裴 申请人:邢台鑫晖铜业特种线材有限公司