一种接触线用铜合金及其应用的制作方法

文档序号:3419738阅读:183来源:国知局

专利名称::一种接触线用铜合金及其应用的制作方法
技术领域
:本发明属于合金材料
技术领域
,主要涉及的是一种具备高强度和高导电等性能的主要用作接触线领域的铜合金材料及其制造方法和用途。
背景技术
:交通运输是国民经济的大命脉。当前,我国主要交通运输装备及核心技术水平与世界先进水平依然存在较大差距,如运输供给能力不足,综合交通体系建设滞后等。社会的发展对交通运输提出了更高的要求,交通科技面临重大战略需求。为此,在国务院制定的《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》交通运输重点领域中,将高速轨道交通系统列为优先主题。高速铁路对综合国力的提升具有重大影响。高速铁路带来了传统铁路产业和其它产业的复兴,推动了整个社会的发展。随着铁路运营任务的加重和其他交通运输方式的竟争日趋激烈,铁路重载化、高速化已成为世界铁路行业的发展趋势,铁路接触线是高速轨道交通的关键装备之一。高速铁路用导线既要提供高速列车所需的动力、照明和空调等用电能,又要承受较大的轴向拉力,所以随着列车速度的提高,对其综合性能的要求也越来越高。铜的电阻率很低,抗腐蚀性能好,是理想的高速铁路导线材料。公知的高速列车用接触线主要有纯铜接触线、铜合金型接触线和复合接触线。而接触线向铜合金化和复合金属化发展已成为世界接触线发展的总趋势,但列车的高速运行,要求接触线具有良好的抗拉强度和导电性。研究证明,具有好的综合性能主要还是铜合金型的接触线。高速铁路导线用铜合金材料的发展从高导电型的纯铜导线,Cu-Ag合金导线,发展到Cu-Sn合金,纯铜及Cu-Ag合金导线在国内已经实现了产业化的生产。但随着高速列车速度的进一步提高,需要更高强度及导电性能的合金导线与之匹配。目前所用的纯铜和铜银合金接触线强度仅为350-400MPa,只适合于中低速(250km/h以下)铁路,难于满足高速铁路的服役条件。日本早先在电气化铁路上采用的是铜银类接触线,在时速300km/h的新千线上采用的是Cu-O.3Sn合金,但由于合金的抗拉强度及抗软化温度较低,所以目前正在通过加大Sn的含量进行强度的提高,但这样势必会降低合金的导电率。我国己列入行业标准的铜锡接触线,抗拉强度接近铜银接触线,但电导率稍低(70%IACS),根据工程中接触网设计的具体要求,可用于时速在200km以下的接触网中。现在法国在时速为300km~350km的接触网中研制和试用的铜锡-120接触线,常温下铜锡-120接触线的抗拉强度和电导率分别为410MPa和70%IACS,从材质提高的可能性上看,既要大幅度提高强度,又要保持、甚至提高电导率,尚需添加第二,甚至第三元素才行。合金化法是传统的高强高导铜合金的制备方法,它通过固溶强化、沉淀强化和形变强化等手段来强化铜基体,从而得到高强度和高导电率兼顾的铜合金。合金化法的强化原理是向铜中添加合金元素,溶质原子溶入晶格后会引起晶格点阵畸变,造成应力场从而使强度提高,但是晶体中畸变的晶格点阵对运动电子的散射作用也相应加剧,降低了导电性。因此,其设计基本原理是采用常温下低溶解度的合金元素加入铜中,通过高温固溶处理,合金元素在铜基体中形成过饱和固溶体,电导率降低,强度提高,时效处理后,过饱和固溶体分解,大量的合金元素从铜基体中以沉淀相析出,可以迅速提高电导率,同时由于时效析出相的强化作用,而保持较高的强度。由此,可以看出,合金化法的固溶处理、沉淀强化和形变强化工艺对提高铜合金的电导率、抗软化性能和强度起着至关重要的作用。我国目前高速铁路导线尚未形成体系,研发具有独立知识产权的高速铁路接触线刻不容緩。
发明内容本发明的目的是提供一种接触线用铜合金及其应用,本发明所研制的接触线用铜合金的延伸率及抗拉强度均较高,符合高速铁路的应用需求,特别适合于运行速度在300km/h以上的电气化列车运行使用。该导线的生产方法简单、成本低、易实现产业化。本发明的上述目的是通过以下技术方案来实现的一种接触线用铜合金,所述接触线用铜合金中至少含有锡,锡的含量为0.01-0.4%(重量%)。一种接触线用铜合金,铜合金中还含有铬、锆中的一种或两种,其含量为0.01~0.5%,其余为铜和不可避免的杂质。采用上述的接触线用铜合金制造铜合金线的方法是将高纯阴极铜加入感应电炉,边加料,边熔化,控制炉内的铜液温度在1100~1160°C;用加料装置将锡铬、锡锆或锡铬锆中间合金,连续性地加入中间包内,熔化的液体金属经溜槽连续地流入中间包,控制中间包温度为1080-1150°C;再经浇管注入旋转速度为750~900rpm的轮带式铸机内,控制冷却水压力为0.05~0.35MPa,经冷却凝固成型,得到铸坯;铸坯经铣棱、修整后,送入运行速度为600~800rpm的轧机内进行连续轧制,控制进轧温度为700~850°C,经多道次的轧制变形成各种规格的铜合金线坯;轧制成的线坯再经冷却、润滑、清洗、风干、涂蜡,由输送系统送到绕线机绕制成巻,在轧机和输送导轨内控制乳化液压力为0.10-0.15MPa;经检验合格后,压实、包装、过磅、入库,根据顾客的不同要求,通过改变轧机技术参数可以生产不同规格的此类铜合金接触线坯。将铜合金线坯经矫直处理,利用接触线拉拔设备或连续挤压成形设备经冷拉拔或挤压成型制得高速电气化铁路专用的接触线产品。本发明所使用的高纯阴极铜可以是1#电解铜。本发明具有如下优点(1)本发明的合金线坯的微观组织主要以再结晶晶粒和部分二次晶晶粒组成,晶界上未发现有显著增加的夹杂物,铸造组织晶粒稍显粗大、经后续加工后,出现较多的加工挛晶组织,晶粒大小分布均匀,气孔少。(2)本发明制造出高速电气化铁路用接触线产品,实现高速电气化铁路用材国产化,大力推动高速电气化铁路建设的进程,该导线的生产方法简单、成本低、易实现产业化。图1:本发明合金线坯生产的工艺流程框图图1中,阴极铜加入有芯工频感应电炉,得炫融铜液,铜液进中间包,向中间包中加入中间合金杆(线杆),得合金熔体,熔体进五轮连铸机内,得2000咖2铸坯,铸坯经校直、铣棱,送入连轧机组,得铜合金线坯;轧制成的线坯再经冷却、清洗、涂蜡,由输送系统送到绕线机绕制成巻,经检验合格后,包装入库。具体实施例方式实施例1把按表l中所述合金成分组成,在熔炼时先将阴极铜加入感应电炉进行熔炼,温度控制在1120~115(TC,铜液由感应电炉经过过渡溜糟流入中间包中。中间包的温度维持在1110~113(TC,同时通过送丝机构连续送入SnCr合金丝材,铜液在轮带式铸造机中冷却,控制铸机速度810rpm,冷却水压控制在O.05~0.35MPa,铜液凝固成铸坯,铸坯经过修整系统的铣棱处理后,在进轧温度740760。C下进入连轧机进行轧制,轧机速度控制在750~800rpm。连轧机中的乳化液压力控制在0.10~0.15MPa,乳化液成分工业酒精1~3%,乳化油浓度2~4%,PH值8-9,轧制的产品经过输送导轨及夹紧辊进入绕线机绕制成巻,得产品1。表l本发明接触线用高强高导铜合金成分组成实例(重量%)<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>实施例2把按表2中所述合金成分组成,在熔炼时先将阴极铜加入感应电炉进行熔炼,温度控制在1120~1150°C,铜液由感应电炉经过过渡溜糟流入中间包中。中间包的温度维持在1110~1130°C,同时通过送丝机构连续送入SnZr合金丝材,铜液在轮带式铸造机中冷却,控制铸冲几速度760rpm,冷却水压控制在O.05~0.35MPa,铜液凝固成铸坯,铸坯经过修整系统的铣棱处理后,在进轧温度740760。C下进入连轧机进行轧制,轧4几速度控制在750~800rpm。连轧才几中的乳化液压力控制在0.10~0.15MPa,乳化液成分工业酒精1~3%,乳化油浓度2~4%,PH值8-9,轧制的产品经过输送导轨及夹紧辊进入绕线机绕制成巻,得产品2。表2本发明接触线用高强高导铜合金成分组成实例(重量%)<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>实施例3把按表3中所述合金成分组成,在熔炼时先将阴极铜加入感应电炉进行熔炼,温度控制在1100~1130°C,铜液由感应电炉经过过渡溜糟流入中间包中。中间包的温度维持在1080~112(TC,同时通过送丝机构连续送入SnCr合金丝材,铜液在轮带式铸造机中冷却,控制铸机速度860rpm,冷却水压控制在O.05~0.35MPa,铜液凝固成铸坯,铸坯经过修整系统的铣棱处理后,在进轧温度800850。C下进入连轧机进行轧制,轧机速度控制在725~750rpm。连轧机中的乳化液压力控制在0.10~0.15MPa,乳化液成分工业酒精1~3%,乳化油浓度2~4%,PH值8~9,轧制的产品经过输送导轨及夹紧辊进入绕线机绕制成巻,得产品3。表3本发明接触线用高强高导铜合金成分组成实例(重量%)<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>实施例4把按表3中所述合金成分组成,在熔炼时先将阴极铜加入感应电炉进行熔炼,温度控制在1100~1130°C,铜液由感应电炉经过过渡溜糟流入中间包中。中间包的温度维持在1080~1120°C,同时通过送丝机构连续送入SnZr合金丝材,铜液在轮带式铸造机中冷却,控制铸机速度880rpm,冷却水压控制在O.05~0.35MPa,铜液凝固成铸坯,铸坯经过修整系统的铣棱处理后,在进轧温度800~850'C下进入连轧机进行轧制,轧机速度控制在725~750rpm。连轧机中的乳化液压力控制在0.10~0.15MPa,乳化液成分工业酒精1-3%,乳化油浓度2-4%,PH值8-9,轧制的产品经过输送导轨及夹紧辊进入绕线机绕制成巻,得产品4。表4本发明接触线用高强高导铜合金成分组成实例(重量%)合金元素CuSnZr其他杂质总和含量賴0.30.1<0.01实施例5把按表5中所述合金成分组成,在熔炼时先将阴极铜加入感应电炉进行熔炼,温度控制在1120-1160°C,铜液由感应电炉经过过渡溜糟流入中间包中。中间包的温度维持在1120~1150°C,同时通过送丝机构连续送入SnCr、SnZr及CrZr合金丝材,铜液在轮带式铸造机中冷却,控制铸机速度800rpm,冷却水压控制在0.05~0.35MPa,铜液凝固成铸坯,铸坯经过修整系统的铣棱处理后,在进轧温度750-780。C下进入连轧机进行轧制,轧机速度控制在725~750rpm。连轧机中的乳化液压力控制在O.10~0.15MPa,乳化液成分工业酒精1-3%,乳化油浓度2-4%,PH值8~9,轧制的产品经过输送导轨及夹紧辊进入绕线机绕制成巻,得产品5。表5本发明接触线用高强高导铜合金成分组成实例(重量%)合金元素CuSnCrZr其他杂质总和含量絲0.050.20.45<0.01实施例6把按表6中所述合金成分组成,在熔炼时先将阴极铜加入感应电炉进行熔炼,温度控制在1120~116(TC,铜液由感应电炉经过过渡溜糟流入中间包中。中间包的温度维持在1120~1150°C,同时通过送丝机构连续送入SnCr、SnZr及CrZr合金丝材,铜液在轮带式铸造机中冷却,控制铸机速度850rpm,冷却水压控制在O.05~0.35MPa,铜液凝固成铸坯,铸坯经过修整系统的铣棱处理后,在进轧温度700-7507'C下进入连轧机进行轧制,轧机速度控制在725~750rpm。连轧机中的化液压力控制在O.10~0.15MPa,乳化液成分工业酒精1~3%,乳化油浓度2-4%,PH值8~9,轧制的产品经过输送导轨及夹紧辊进入绕线机绕制成巻,得产品6。表6本发明接触线用高强高导铜合金成分组成实例(重量%)<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>按照本发明以上各实施例,制成^20合金坯料后再拉制成CTS120接触线,进行性能的测试如下1、抗拉强度试验取本发明的接触线用铜合金产品l、产品2、产品5、铜锡合金、铜银合金及纯铜,制成标准拉伸试样,进行常温抗拉试验,结果如表7所示。表7本发明接触线用铜合金与其他铜合金抗拉强度的比较<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>从表7中可知,发明实例的合金性能与正在应用的一些接触线用合金性能相比,抗拉强度较高,延伸率也较好,延伸率只比纯铜的差些,纯铜延伸率较高,但是其抗拉强度偏低,不能适用于高速铁路,而本发明所研制的高强高导接触线用铜合金的延伸率及抗拉强度均较高,符合高速铁路的应用需求。2、导电率测试取本发明的接触线用铜合金产品l、产品4、产品6、铜锡合金、铜银合金及纯铜,进行导电率的测试,结果如表8所示。表8本发明接触线用铜合金与其他铜合金导电率的比较<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>从表8可以看出,本发明的接触线用铜合金材料的导电率高于Cu-Sn合金,略低于Cu-Ag合金,符合高速铁路接触线的应用需求。3、抗软化温度的测试取本发明的接触线用铜合金产品2、产品3、产品6、铜锡合金、铜银合金及纯铜,制成标准拉伸试样,进行抗软化温度的试验,结果如表9所示。表9本发明接触线用铜合金与其他铜合金抗软化温度的比较<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>从表9可以看出,本发明的接触线用铜合金材料的抗软化温度远远高于纯铜、Cu-Sn及Cu-Ag合金,符合高速铁路接触线对软化温度高的应用需求。综合考虑以上试验情况,本发明的高强高导接触线用铜合金与常用的纯铜类导线,Cu-Ag合金,Cu-Sn合金相比,合金内部的强化机理是不同的,强度及软化温度高于以上几种,导电率也大于80%IACS,满足高速铁路对高强高导接触线的要求,综合性能良好。本发明的高强高导接触线用铜合金符合高速铁路的发展及应用需求,因此,本发明是一种很有市场潜力及应用前景的一种新型的接触线用铜合金材料。权利要求1、一种接触线用铜合金,其特征在于所述接触线用铜合金中至少含有锡,锡的含量为0.01~0.4%(重量%)。2.根据权利要求1所述的接触线用铜合金,其特征在于铜合金中还含有铬、锆中的一种或两种,其含量为0.01~0.5%,其余为铜和不可避免的杂质。3.—种采用权利要求1所述的接触线用铜合金制造铜合金线的方法,其特征在于将高纯阴极铜加入感应电炉,边加料,边熔化,控制炉内的铜液温度在1100~1160°C;用加料装置将锡铬、锡锆或锡铬锆中间合金,连续性地加入中间包内,熔化的液体金属经溜槽连续地流入中间包,控制中间包温度为1080~115(TC;再经浇管注入旋转速度为750-900rpm的轮带式铸^L内,控制冷却水压力为0.05-0.35MPa,经冷却凝固成型,得到铸坯;铸坯经铣棱、修整后,送入运行速度为600-800rpm的轧机内进行连续轧制,控制进轧温度为700~850°C,经多道次的轧制变形成各种规格的铜合金线坯;轧制成的线坯再经冷却、润滑、清洗、风干、涂蜡,由输送系统送到绕线机绕制成巻,在轧机和输送导轨内控制乳化液压力为0.10~0.15MPa;经检验合格后,压实、包装、过磅、入库,4、根据权利要求3所述的制造铜合金线的方法,其特征在于将铜合金线坯经矫直处理,利用接触线拉拔设备或连续挤压成形设备经冷拉拔或挤压成型制得高速电气化铁路专用的接触线产品。全文摘要一种接触线用铜合金及其应用,所述接触线用铜合金中至少含有锡,锡的含量为0.01~0.4%(重量%)。用上述铜合金制造铜合金线的方法是将高纯阴极铜加入感应电炉,控制炉内的铜液温度在1100~1160℃;用加料装置将锡铬、锡锆或锡铬锆中间合金,连续性地加入中间包内,控制中间包温度为1080~1150℃;再经浇管注入旋转速度为750~900rpm的轮带式铸机内,控制冷却水压力为0.05~0.35MPa,经冷却凝固成型,得到铸坯;铸坯经铣棱、修整后,送入运行速度为600~800rpm的轧机内进行连续轧制,控制进轧温度为700~850℃,经多道次的轧制变形成各种规格的铜合金线坯。本发明的优点是所研制的接触线用铜合金的延伸率及抗拉强度均较高,符合高速铁路的应用需求,特别适合于运行速度在300km/h以上的电气化列车运行使用。该导线的生产方法简单、成本低、易实现产业化。文档编号B22D11/22GK101684529SQ200810222689公开日2010年3月31日申请日期2008年9月22日优先权日2008年9月22日发明者史谊峰,张邦琪,刚李,杨志兵,米绪军,谢水生,赵大军,鹏高,高宝东,黄国杰申请人:云南铜业股份有限公司;北京有色金属研究总院
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