专利名称：高速电气化铁道用铜锡合金接触线及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种高速电气化铁道用铜锡合金接触线及其制造方法。
背景技术：
目前我国电气化铁路正向高速发展，从2006年～2020年我国要新建时速在300公里以上的铁路客运专线1.2万公里，同时不少大中城市正在规划发展城市和城际间时速在250公里以上的轻轨交通，这对电气化铁道接触网中的接触线提出了更高的要求。其接触线的材质不仅要具有良好的导电性，以满足高速电力机车大电流载荷的要求，更要求有较高的抗拉强度和较小的线密度以提高波传播速度，适应机车高速运行对其的冲击和摩擦，同时还要求耐高温特性好，有较高的耐磨耗、耐腐蚀性能，以确保机车运行安全和线路的使用寿命。目前国内广泛应用的纯铜、银铜合金接触线虽然导电性能好，但强度较低，耐高温、耐腐蚀、耐磨耗性能差，只能用作时速在200公里以下的铁道接触线，而不能作为时速300公里以上的电气化铁道接触线。
发明内容
为了满足高速机车特别是300公里时速以上的机车运行时对接触线的要求，本发明提供了一种高速电气化铁道用铜锡合金接触线及其制造方法，采用本发明制造的接触线晶粒细，内部组织均匀，强度高，塑性、韧性、导电率、耐磨性能好。
本发明高速电气化铁道用铜锡合金接触线由铜基和添加组分组成，所说的添加组分为锡、锆元素及混合稀土，各添加组分的重量百分比为锡0.15～0.35％、锆0.005～0.01％、混合稀土0.005～0.02％。
所说的铜基中的添加组分还包括镁、银元素，其中镁的重量百分比为0.005～0.01％、银为0.01～0.03％。
所述的混合稀土为铈、镧元素，其比例为1∶(0.5～1)。
本发明还包括以上所述的高速电气化铁道用铜锡合金接触线的制造方法，它包括如下步骤(1)将各添加组分及铜按配比备料，将所备铜重量的1％～15％与除混合稀土以外的添加组分在真空感应电炉中浇铸成合金母体，其余铜作为上引连铸用铜备用；
考虑到两次熔炼的烧损，在确定合金配方时，以锡1-4％、锆20-40％、混合稀土20-40％、镁10-30％，备料时按以上损耗量增补；(2)将合金母体与混合稀土混合后与其余铜投加到密闭状态下的工频感应电炉上引得无氧铜锡合金铸杆；(3)所得铸杆在氩气保护气氛中预热至280～350℃；(4)将预热的铸杆采用连续挤压机挤压成坯杆；(5)挤压坯杆经连续拉拔得铜锡合金接触线。
真空感应熔铜炉熔铸温度为1200～1300℃，真空度不大于0.1Pa。
上引时工频感应电炉熔化腔温度为1150～1210℃，引杆区温度为1120℃～1160℃，上引节距小于4mm。
连续挤压是由15-18mm铸杆挤压成19-26mm坯杆，挤压温度为550～650℃。
连续拉拔采用四辊连拉机进行拉制，拉制润滑剂为45号机油与抗极压剂二硫化钼磷酸酯按重量比1∶(0.3～0.5)组成的混合物。
拉拔后的铜锡合金接触线长度大于2000m。
本发明接触线中含有0.15～0.35％锡，它固溶到铜基中，使基体位错密度加大，同时发生晶格畸变，使接触线强度提高；接触线中含有0.005～0.01％锆可以细化晶粒，减少易熔杂质在晶界的浓度，从而提高接触线的塑性、韧性。此外加入镁0.005～0.01％，能进行脱氧，净化铜液，提高导电率，同时与基体铜紧密结合的氧化镁保护膜提高了铜合金的抗氧化性能和耐热性；接触线中加入的0.01～0.03％银固溶到铜基中，进一步加大基体位错密度，提高接触线强度。铜基中加入混合稀土，可以除去铜液中氧、氢等有害气体、杂质，净化基体，提高铜液流动性，细化晶粒，使铸杆成分均匀，全面提高铸杆的机械性能。
本发明的方法采用先在真空感应炉中熔铸合金母体，再将合金母体与混合稀土一同投加到铜基中，可以减少各元素直接投加时的烧损，能准确控制材料的成分，增加铜液中成分均匀度。上引是在密封状态下进行的，并采用上述熔炼、上引工艺可以减少铜液吸气，降低铸杆含气量，使铸杆晶粒细化，组织、成分均匀，提高铸杆的强度、塑性、韧性及导电率。
铸杆在氩气保护的感应炉中预热，能降低铸杆的变形抗力，使后续的挤压变形更容易，更易成型。通过连续挤压机挤压时在550-650℃的温度下发生挤压破碎与再结晶，变形抗力进一步降低，再结晶过程更充分，晶粒更细化，内部组织更加均匀，坯杆的强度、塑性、韧性、导电率明显提高。坯杆通过适当的加工率与连拉比，在四辊连拉机拉制过程中发生加工硬化，从而获得所需的高强度成品。拉拔时以45号机油与抗压剂二硫化钼磷酯作为润滑剂，以加强冷变形的散热速度，减少材料磨损，提高产品尺寸的精确性与均匀性。
具体实施例方式
实施例一各组分按以下重量备料锡5000×0.16％×(1+3％)＝8.24kg锆5000×0.008％×(1+30％)＝0.52kg混合稀土 5000×0.01％×(1+20％)＝0.6kg铜5000×(100-0.16-0.007-0.01-0.008-0.01)％＝4991.1kg将备料中铜重量的5％的铜即249.6kg与8.24kg锡、0.52kg锆在真空感应熔炼炉中熔炼成合金母体，并分成250等份，每份与0.0024kg混合稀土、18.9kg铜投加到具有密封装置的工频感应电炉中，按上述熔炼、上引工艺上引15.8mm铸杆。所得铸杆总重量5吨，其中各元素含量为锡0.16％、锆0.008％、混合稀土0.01％、铜余量。将铸杆在氩气保护的感应炉中加热到300℃后经连续挤压机挤压成18mm坯杆，再通过四辊连拉机拉制成CTS-120型、CTS-150型接触线。该成份的接触线综合性能见表1。
实施例二各组分按以下重量备料锡 5000×0.2％×(1+3％)＝10.3kg锆 5000×0.01％×(1+30％)＝0.65kg镁 5000×0.009％×(1+20％)＝0.54kg混合稀土 5000×0.016％×(1+20％)＝0.96kg银 5000×0.01％＝0.5kg铜 5000×(100-0.2-0.009-0.01-0.016-0.01)％＝4987.8kg将备料中铜重量的8％的铜即399kg与10.3kg锡、0.65kg锆、0.54kg镁、0.5kg银在真空感应熔炼炉中熔炼成合金母体，并分成400等份，每份与0.0024kg混合稀土、11.47kg铜投加到具有密封装置的工频感应电炉中，按上述熔炼、上引工艺上引16.0mm铸杆。所得铸杆总重量为5吨，其中各元素含量为锡0.20％、镁0.009％、锆0.01％、混合稀土0.016％、银0.01％、铜余量。将铸杆在氩气保护的感应炉中加热到300℃后经连续挤压机挤压成22mm坯杆，再通过四辊连拉机拉制成CTS-120型、CTS-150型接触线。该成份的接触线综合性能见表1。
实施例三各组分按以下重量备料锡6000×0.3％×(1+3％)＝18.54kg锆6000×0.01％×(1+30％)＝0.78kg镁6000×0.007％×(1+20％)＝0.504kg混合稀土 6000×0.02％×(1+20％)＝1.44kg银6000×0.007％＝0.42kg铜6000×(100-0.3-0.007-0.01-0.02-0.007)％＝5979.36kg将备料中铜重量的10％的铜即598kg与18.54kg锡、0.78kg锆、0.504kg镁、0.42kg银在真空感应熔炼炉中熔炼成合金母体，并分成600等份，每份与0.0024kg混合稀土、9kg铜投加到具有密封装置的工频感应电炉中，按上述熔炼、上引工艺上引17.0mm铸杆。所得铸杆总重量为6吨，其中各元素含量为锡0.3％、镁0.007％、锆0.01％、混合稀土0.02％、银0.007％、铜余量。将铸杆在氩气保护的感应炉中加热到300℃后经连续挤压机挤压成24mm坯杆，再通过四辊连拉机拉制成CTS-120型、CTS-150型接触线。该成份的接触线综合性能见表1。
表1实施例一、实施例二及实施例三成分的接触线综合性能
经过反复试验，按实施例二工艺制造的接触线综合性能最佳，实际生产可按本方案实施。
本发明根据多元少量强化机制，采用上述工艺制造的接触线性能符合铁标TB/T2809-2005的技术要求(见表2)，说明本发明是用于300公里时速以上电气化铁道接触网中的理想接触线。
表2发明与国内标准的技术参数对照表
权利要求
1.一种高速电气化铁道用铜锡合金接触线，其特征在于由铜基和添加组分组成，所说的添加组分为锡、锆元素及混合稀土，各添加组分的重量百分比为锡0.15～0.35％、锆0.005～0.01％、混合稀土0.005～0.02％。
2.根据权利要求1所述的高速电气化铁道用铜锡合金接触线，其特征在于所说的铜基中的添加组分还包括镁、银元素，其中镁的重量百分比为0.005～0.01％、银为0.01～0.03％。
3.根据权利要求1或2所述的高速电气化铁道用铜锡合金接触线，其特征是所述的混合稀土为铈和镧元素，二者重量比为1∶(0.5～1)。
4.一种权利要求1或2的高速电气化铁道用铜锡合金接触线的制造方法，它包括如下步骤(1)将各添加组分及铜按配比备料，将所备铜重量的1％～15％与除混合稀土以外的添加组分在真空感应电炉中浇铸成合金母体，其余铜作为上引连铸用铜备用；(2)将合金母体与混合稀土混合后与余量铜投加到密闭状态下的工频感应电炉中上引得无氧铜锡合金铸杆；(3)所得铸杆在氩气保护气氛中预热至280～350℃；(4)将预热的铸杆采用连续挤压机挤压成坯杆；(5)挤压坯杆经连续拉拔得铜锡合金接触线。
5.根据权利要求4所述的高速电气化铁道用铜锡合金接触线的制造方法，其特征在于熔炼时各组分有如下损耗量锡1-4％、锆20-40％、混合稀土20-40％、镁10-30％，备料时按以上损耗量增补。
6.根据权利要求4或5所述的高速电气化铁道用铜锡合金接触线的制造方法，其特征在于真空感应熔铜炉熔铸温度为1200～1300℃，真空度不大于0.1Pa。
7.根据权利要求4或5所述的高速电气化铁道用铜锡合金接触线的制造方法，其特征在于上引时工频感应电炉熔化腔温度为1150～1210℃，引杆区温度为1120℃～1160℃，上引节距小于4mm。
8.根据权利要求4或5所述的高速电气化铁道用铜锡合金接触线的制造方法，其特征在于连续挤压是由15-18mm铸杆挤压成19-26mm坯杆，挤压温度为550～650℃。
9.根据权利要求4或5所述的高速电气化铁道用铜锡合金接触线的制造方法，其特征在于连续拉拔采用四辊连拉机进行拉制，拉制润滑剂为45号机油与抗极压剂二硫化钼磷酸酯按重量比1∶(0.3～0.5)组成的混合物。
全文摘要
本发明公开了一种高速电气化铁道用铜锡合金接触线，由铜基和添加组分组成，所说的添加组分为锡、锆元素及混合稀土，各添加组分的重量百分比为锡0.15～0.35％、锆0.005～0.01％、混合稀土0.005～0.02％，添加组分还可以包括镁、银元素，其中镁的重量百分比为0.005～0.01％、银为0.01～0.03％。本发明制造的接触线晶粒细、强度高，塑性、耐磨性好，抗拉强度≥430MPa，伸长率≥3.5％，晶粒度≤0.01mm，电阻率≤0.02250Ω·mm
文档编号H01B13/00GK1873840SQ20061003998
公开日2006年12月6日 申请日期2006年4月28日 优先权日2006年4月28日
发明者杨吉林, 张元建, 卜荣明 申请人:泰兴市无氧铜材厂