高耐磨高强高导接触线的制备方法与流程

本发明属于复合材料领域，具体涉及一种兼备优良的传导性能、力学性能和耐磨性能的碳纳米管增强铜基复合材料高速铁路电网用接触线的制备方法。

技术背景

我国电气化铁路建设正处于一个高速发展时期，掀起了高速铁路装备的开发和研究热潮，对电网接触线提出了更高要求，即具有优良的导电性能(电导率≥78％iacs)、同时还要兼具高的抗拉强度(≥500mpa)、抗高温软化性能(≥300℃)、耐摩擦磨损性能，从而确保超高速铁路接触线的使用寿命、稳定性和安全性。

目前高铁接触线采用的材料主要有cu-mg、cu-sn、cu-ag、cu-sn-ag、cu-ag-zr、cu-cr-zr等铜合金，然而，大多数铜合金的室温及高温强度和硬度较低(纯铜硬度仅为118～126hv)，且耐磨性差，软化温度也低，性能上不能完全满足高速电气化铁路接触线的服役要求。当铜材料长时间处于360～540℃下时，其强度、导电性和导热性通常会急剧恶化，发生弓网故障等问题；在高速铁路接触线电网远距离送电时电能损耗过大；接触线在工作过程中磨损速率高，需定期更换和维护，制约着生产效率的提升，大大增加其使用成本。因此，亟需开发一种兼备优良的传导性能、抗拉强度、抗高温软化能力及耐磨性能的新型铜基复合材料高速铁路电网接触线，这对我国铜资源及电能的优化利用和高速铁路的发展具有重要意义。

中国发明专利“一种cu-cr-zr合金接触线的制备方法”(cn201510381070.0)公开了一种通过熔炼、喷射沉积连续挤压、行星轧制、时效、拉拔等工艺制备接触线的方法。中国发明专利“一种高强高导接触线用铜合金及其制备方法”(cn201510553761.4)和中国发明专利“一种高强高导接触线用稀土铜合金及其制备方法”(cn201510553712.0)公开了一种通过高频真空熔炼，热挤压、固溶处理、拉拔、时效处理制备高强高导铜合金的方法。中国发明专利“一种高速铁路电网接触线用高强高导铬锆铜合金的制备方法”(cn201610055508.0)公开了一种通过真空感应熔炼并快速浇铸、多道次拉拔、退火、拉拔、液氮冷冻处理制备高强高导铜合金的方法。所制铜合金抗拉强度＞800mpa，导电率＞78％iacs。上述方法都采用了熔炼工艺，能耗高，且工艺流程长，所需设备多。

中国发明专利“一种锡铜合金接触线的生产工艺”(cn201510472542.3)公开了一种通过上引连铸、连续挤压、拉拔工序制备接触线的方法。成品抗拉强度≥420mpa，电阻率≤0.02395ωmm²/m。中国发明专利“一种高耐磨铜合金接触线的生产工艺”(cn201610630067.2)公开了一种通过上引连铸、连续挤压、拉拔工艺制备高耐磨接触线的方法。所制铜合金抗拉强度400～570mpa，导电率＞80％iacs。电流为i＝30a时，接触线的电滑动磨损率为0.003-0.004mg/m。上述方法都采用了上引连铸工艺，能耗高，且工艺流程长，所需设备多。

技术实现要素：

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种实用、有效、可控的高耐磨高强高导接触线的制备方法。

本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：

本发明提供一种高耐磨高强高导接触线的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一.将表面镀镍铜的碳纳米管分散到无水乙醇中，加入纯铜粉，水浴超声结合机械搅拌至无水乙醇全部蒸发，真空干燥，制得复合粉末；步骤二.将复合粉末装入纯铜管中，真空条件下加热并除气处理后，封闭、焊合两端，真空或保护气氛下加热保温，制得坯料；步骤三.将坯料进行径向旋转锻造拔长，退火后车去外皮，得到去皮棒料；步骤四.对去皮棒料进行冷拉拔，制得高耐磨高强高导接触线；其中，在步骤一中，碳纳米管在复合粉末中的含量为1～10vol.％。

进一步地，本发明提供的高耐磨高强高导接触线的制备方法还可以具有以下特征：在步骤一中，水浴超声条件为：温度40～60℃，频率59hz，功率60～100w。

进一步地，本发明提供的高耐磨高强高导接触线的制备方法还可以具有以下特征：在步骤一中，真空干燥的条件为：温度40～60℃，真空度不低于1.5×10^-2mpa，干燥时间20～36小时。

进一步地，本发明提供的高耐磨高强高导接触线的制备方法的方法还可以具有以下特征：在步骤二中，纯铜管的纯度为99％～99.8％，壁厚为1.5～3mm。

进一步地，本发明提供的高耐磨高强高导接触线的制备方法还可以具有以下特征：在步骤二中，加热并除气条件为：加热至300～400℃，除气时间0.5～3h。

进一步地，本发明提供的高耐磨高强高导接触线的制备方法还可以具有以下特征：在步骤二中，保温条件为：保温温度850～1000℃，保温时间1.5～4h。

进一步地，本发明提供的高耐磨高强高导接触线的制备方法还可以具有以下特征：在步骤二中，是将吸附材料粗品在80～120℃恒温干燥箱中干燥10～15h。

进一步地，本发明提供的高耐磨高强高导接触线的制备方法还可以具有以下特征：在步骤三中，径向旋转锻造拔长的条件为：在径向旋转锻造模具中，每次下压后旋转角度45°，锻造温度550～950℃，2～7道次，总锻造比5～15。

进一步地，本发明提供的高耐磨高强高导接触线的制备方法的方法还可以具有以下特征：在步骤三中，退火的条件为：退火温度250～300℃，保温1h。

进一步地，本发明提供的高耐磨高强高导接触线的制备方法的方法还可以具有以下特征：在步骤四中，冷拉拔的条件为：2～9道次，总减面率30～80％，拉拔温度100～200℃。

发明的作用与效果

采用本发明提供的制备方法所制得的碳纳米管增强铜基复合材料电网接触线，接触线中铜晶粒及碳纳米管沿轴向定向排布，接触线的耐磨性、轴向力学性能及电学性能良好，致密度≥99.5％，电流为i＝30a时，接触线的电滑动磨损率0.025～0.036mg/m，抗拉强度524～585mpa，软化温度≥600℃，电导率86.7～93.2％iacs，完全满足高速电气化铁路接触线的服役要求。并且，本发明生产工艺流程短、简单可靠。

附图说明

图1是本发明实施例中制备方法的流程图；

图2是本发明实施例中径向旋转热锻过程的示意图；

图3是本发明实施例中冷拉拔过程的示意图；

图4是本发明实施例一中制得的接触线的扫描电镜照片(放大5万倍)。

具体实施方式

以下参照附图对本发明涉及的高耐磨高强高导接触线的制备方法作详细阐述。

<实施例一>

如图1所示，本实施例一提供的高耐磨高强高导接触线的制备方法，包括以下步骤：

步骤一.将表面镀镍铜的碳纳米管分散后加入无水乙醇中，碳纳米管加入量为5vol.％，在频率59hz，功率100w，水浴温度40℃的条件下，水浴超声结合机械搅拌混合纯铜粉，直至无水乙醇挥发、混合物成泥浆状后，在40℃，真空度为1.5×10^-2mpa下真空干燥24小时，制得复合粉末；

步骤二.将制得的复合粉末装入壁厚2mm的纯铜管中，真空中以15℃/min的速度加热升温至400℃，并除气2h，封闭、焊合两端，真空或保护气氛下，以15℃/min的速度继续加热升温至850℃后，继续保温15分钟，以20℃/min的速度继续加热升温至950℃后，继续保温4h，制得坯料；

步骤三.如图2所示，将制得的坯料在模具中进行径向旋转锻造拔长，每次下压后旋转45°，锻造温度650～950℃，5道次，总锻造比12，然后在300℃，保温1h后，退火，车去外皮，得到去皮棒料；

步骤四.如图3所示，对去皮棒料进行冷拉拔，7道次，总减面率65％，拉拔温度180℃，制得接触线。

如图4所示，采用扫描电镜观察制得的接触线的结构，可以看到样品中铜晶粒沿拔长方向变细拉长，cnts单根分散于基体，且沿拔长方向取向排布的趋势明显，表明上述步骤可使cnts均匀分散于致密的复合材料中，并沿拔长方向取向排布。

<实施例二>

本实施例二提供的高耐磨高强高导接触线的制备方法，包括以下步骤：

步骤一.将表面镀镍铜的碳纳米管分散后加入无水乙醇中，碳纳米管加入量为1vol.％，在频率59hz，功率60w，水浴温度45℃的条件下，水浴超声结合机械搅拌混合纯铜粉，直至无水乙醇挥发、混合物成泥浆状后，在45℃，真空度为1.5×10^-2mpa下真空干燥20小时，制得复合粉末；

步骤二.将制得的复合粉末装入壁厚1.5mm的纯铜管中，真空中以15℃/min的速度加热升温至300℃，并除气1.5h，封闭、焊合两端，真空或保护气氛下，以15℃/min的速度继续加热升温至850℃后，继续保温15分钟，以20℃/min的速度继续加热升温至950℃后，继续保温1.5h，制得坯料；

步骤三.如图2所示，将制得的坯料在模具中进行径向旋转锻造拔长，每次下压后旋转45°，锻造温度550～900℃，2道次，总锻造比5，然后在250℃，保温1h后，退火，车去外皮，得到去皮棒料；

步骤四.对去皮棒料进行冷拉拔，2道次，总减面率30％，拉拔温度100℃，制得接触线。

<实施例三>

本实施例三提供的高耐磨高强高导接触线的制备方法，包括以下步骤：

步骤一.将表面镀镍铜的碳纳米管分散后加入无水乙醇中，碳纳米管加入量为3vol.％，在频率59hz，功率75w，水浴温度50℃的条件下，水浴超声结合机械搅拌混合纯铜粉，直至无水乙醇挥发、混合物成泥浆状后，在50℃，真空度为1.5×10^-2mpa下真空干燥24小时，制得复合粉末；

步骤二.将制得的复合粉末装入壁厚2mm的纯铜管中，真空中以15℃/min的速度加热升温至350℃，并除气2h，封闭、焊合两端，真空或保护气氛下，以15℃/min的速度继续加热升温至850℃后，继续保温15分钟，以20℃/min的速度继续加热升温至950℃后，继续保温2.5h，制得坯料；

步骤三.如图2所示，将制得的坯料在模具中进行径向旋转锻造拔长，每次下压后旋转45°，锻造温度650～950℃，4道次，总锻造比7，然后在300℃，保温1h后，退火，车去外皮，得到去皮棒料；

步骤四.对去皮棒料进行冷拉拔，5道次，总减面率55％，拉拔温度150℃，制得接触线。

<实施例四>

本实施例四提供的高耐磨高强高导接触线的制备方法，包括以下步骤：

步骤一.将表面镀镍铜的碳纳米管分散后加入无水乙醇中，碳纳米管加入量为7vol.％，在频率59hz，功率80w，水浴温度55℃的条件下，水浴超声结合机械搅拌混合纯铜粉，直至无水乙醇挥发、混合物成泥浆状后，在55℃，真空度为1.5×10^-2mpa下真空干燥28小时，制得复合粉末；

步骤二.将制得的复合粉末装入壁厚2mm的纯铜管中，真空中以15℃/min的速度加热升温至350℃，并除气3h，封闭、焊合两端，真空或保护气氛下，以15℃/min的速度继续加热升温至850℃后，继续保温15分钟，以20℃/min的速度继续加热升温至950℃后，继续保温3h，制得坯料；

步骤三.如图2所示，将制得的坯料在模具中进行径向旋转锻造拔长，每次下压后旋转45°，锻造温度650～950℃，6道次，总锻造比10，然后在300℃，保温1h后，退火，车去外皮，得到去皮棒料；

步骤四.对去皮棒料进行冷拉拔，6道次，总减面率60％，拉拔温度180℃，制得接触线。

<实施例五>

本实施例五提供的高耐磨高强高导接触线的制备方法，包括以下步骤：

步骤一.将表面镀镍铜的碳纳米管分散后加入无水乙醇中，碳纳米管加入量为10vol.％，在频率59hz，功率100w，水浴温度60℃的条件下，水浴超声结合机械搅拌混合纯铜粉，直至无水乙醇挥发、混合物成泥浆状后，在60℃，真空度为1.5×10^-2mpa下真空干燥36小时，制得复合粉末；

步骤二.将制得的复合粉末装入壁厚3mm的纯铜管中，真空中以15℃/min的速度加热升温至350℃，并除气3h，封闭、焊合两端，真空或保护气氛下，以15℃/min的速度继续加热升温至850℃后，继续保温15分钟，以20℃/min的速度继续加热升温至950℃后，继续保温3.5h，制得坯料；

步骤三.如图2所示，将制得的坯料在模具中进行径向旋转锻造拔长，每次下压后旋转45°，锻造温度650～950℃，7道次，总锻造比15，然后在250℃，保温1h后，退火，车去外皮，得到去皮棒料；

步骤四.对去皮棒料进行冷拉拔，9道次，总减面率80％，拉拔温度200℃，制得接触线。

表1.实施例一至五制备的接触线的性能列表

以上五个实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的高耐磨高强高导接触线的制备方法并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。