CN1011681B - 包铜的钢质架空线及其制造方法 - Google Patents

Abstract

在包铜的钢质架空线中，由钢导线形成的芯线的外周表面被铜或铜合金包覆层覆盖，包覆层占包铜钢架空线横截面面积的45-75%，芯线和包覆层由冶金学方法牢固地结合在一起，这样即使磨掉包覆层，腐蚀也不会在它们的边界处发展。由浸渍形成法获得的复合铸棒经过热轧，从而使包覆层冶金学地结合到钢芯线上。因此可以低的成本制造具有均匀包覆层厚度的包铜的钢质架空线。

Description

本发明涉及包括钢芯线和覆盖在芯线外周表面上的铜或铜合金层的包铜的钢架空线和它的制造方法，更具体地说，是涉及一种具有高抗张强度和改善耐磨性的包铜钢架空线和它的制造方法。

通常，铜线或铜合金线被用作铁路用架空线，确实希望现代的电气火车以高速运行，因此需要架空线具有提高的强度。

为了增加电气火车的运行速度，首先应该增加架空线的波动传播速度，所述波动传播速度C可由下式给出：

C＝ $\sqrt{\mathrm{T/\rho }}$ ……（1）

其中T为架线张力，ρ为架空线的线密度（单位长度的重量）。

由等式（1）看出，升高张力T或降低线密度ρ能增加波动传播速度C。

因此，提出具有低线密度ρ和高传播速度C的铝-复合架空线作为架空线，这种电线由钢导线和加压结合在其上的铝覆盖层构成。

然而，按照这种常规铝-复合架空线，目前用于其上的金属定位装置由铜合金制成，因此可能在金属定位装置和架空线的铝覆盖层之间产生电化学腐蚀，只有通过由不会与铝产生电化学腐蚀的材料制成金属定位装置才能防止这种腐蚀，然而，就成本性能而言，这种措施是不实际的。

同时提出的是将铜基材料和强度比铜高的铁基材料结合起来的复合架空线，通过结合入铁基材料，改善了这种架空线的强度。由于提高了架空线的强度，架线张力T可比在常规情况中的设置得高，以提高传播速度C。

然而，在这种由铁基和铜基材料构成的复合架空线中，可能在这两种材料之间造成腐蚀，实际上伴随产生了许多问题。为了防止这种腐蚀，在铁基和铜基材料之间插入一层铅或锡层（见日本专利公开第53-122786号），然而，这层中间层的插入会降低架空线的强度，而且需要更复杂的制造工艺。

进而，这些常规架空线中没有一种具有足够的耐磨性，因此，在频繁使用的铁路线上，为了提高寿命性能，希望发展具有高耐磨性的架空线。

本发明的一个目的是提供一种与金属定位装置不产生电化学腐蚀的，耐磨性和抗腐蚀性改善的，并且有更高强度以承受更高架线张力的包铜的钢架空线。

本发明的另一个目的是提供一种以低成本和高精度制造具有上述特性的包铜钢架空线的方法。

根据本发明，提供了一种包括由钢导线形成的芯线和由铜或铜合金形成且覆盖在芯线外周表面的覆盖层的包铜钢架空线，包覆层占据了包铜钢架空线的横截面面积的约45%至75%，所述包覆层在冶金学上结合到芯线上。

根据本发明的制造包铜钢架空线的方法，它包括连续将钢导线浸入熔融铜或熔融铜合金中，然后将铜或铜合金凝固以使其附着到钢导线的外周表面上，而由此获得基本由钢导线和覆盖钢导线外周表面的铜或铜合金层构成的铸棒的过程和在750至850℃温度下以轧制比为10至40%热轧所述铸棒的过程。

由于根据本发明的包铜钢质架空线使用钢导线作为芯线，它能享有高强度和高架线张力，因此，通过使用这种架空线，可增加电气火车的运行速度。

并且，由于它基本上是由钢质导线构成的，因此架空线具有高的 耐磨性。

此外，由于用铜或铜合金包覆层以横截面面积比为45-75%覆盖所述芯线，因此可避免与铜合金定位装置的电化学腐蚀，因此，可由常规的金属定位装置直接安装架空线，同时，架空线能享有所要求的导电性（50%IACS（国际韧铜标准）或更高）。

再者，根据本发明，作为芯线的钢导线和作为包覆层的铜或铜合金区域在冶金学上互相结合，因此腐蚀不能在芯线和包覆层之间的边界上发展。由此，即使边界是暴露的，例如，可防止水等物体透入边界。

另外，由于钢导线和铜或铜合金冶金学地结合，可抑制包覆层在它们的边界处从芯线上分离，因此，包覆层和芯线能以足够的强度结合。

根据本发明，在用于制造包铜的钢架空线的方法中，将作为芯线的钢质导线浸入熔融的铜或铜合金中以使熔融金属在凝固时附着在钢导线的外周表面上。这样，可获得由包覆有铜或铜合金的包铜钢质导线构成的铸棒。当然后将铸棒在预定条件下热轧时，作为芯线的钢导线和作为包覆层的铜或铜合金在冶金学上互相结合在一起，因此芯线和包覆层被牢固地结合在一起，由此，在芯线和包覆层之间可获得高的结合强度，并且可防止腐蚀在芯线和包覆层之间的边界上发展。

还有，根据本发明，通过将钢导线浸入熔融铜或熔融铜合金中，可使它由铜或铜合金包覆，由这个方法，可以比电镀方法或类似方法成本低的情况下制造象架空线那样具有大直径并在其上具有厚的包覆层的复合导线棒。

图1是根据本发明的一个实施例的包铜的钢质架空线的剖视图。

图2是显示架空线在磨损后的剖视图。

图3是显示用于本发明实施例中的浸渍形成装置的示意图。

图1是根据本发明一个实施例的包铜钢架空线的取沿其直径方向的剖视图，所述架空线在其中央部分具有由钢质导线形成的芯线1，除了相应于适配凹槽3的区域外，芯线1被包覆层2以充分均匀的厚度覆盖。包覆层2由铜或铜合金形成，并在包覆层2的外周表面形成一对V形凹槽3以在架空线的轴向方向上延伸。凹槽3由金属定位装置（没有显示）夹持住，由此悬空架空线。

钢质导线被用作芯线1以改善架空线的耐磨性以及其强度。可使用任何类型的钢作为钢导线，然而，如果钢导线的强度太高，在其制造过程或架线期间，架空线将很难处理。因此，钢导线材料最好应具有含碳量为0.35%或更小（重量百分数），如果碳含量高于0.35%（重量百分数），则钢导线的强度太高，以致于在例如通过所谓的浸渍形成方法对复合导线的制造过程中，缩短了修边模的寿命。

铜或铜合金被用作包覆层2以保证达到架空线所需的导电性和防止与金属定位装置产生电化学腐蚀。

由铜或铜合金构成的包覆层2占据了全部包铜钢质架空线横截面面积的45-75%。

如果包覆层2的覆盖比为45%或更小，其厚度小于在复合导线中切割的凹槽3的预定深度，结果使钢芯线1由凹槽3暴露在外。如果包覆层2的覆盖比超过75%，芯线部分自然地变得太小，以致于减小了耐磨性的改善效果，因此，包覆层2的覆盖比调整至横截面面积比为45-75%（包覆层的横截面面积与整个架空线的横截面面积之比）。

为了使用这种包铜的钢质复合导线作为架空线，其导电性应为50%    IACS或更高（与退火纯铜的导电性为100%相比）。因此，在各种条件下，包括钢和铜或铜合金的类型，应选择一定的覆盖比等以使其导电性为50%或更大。

上述铜合金可以是含有包括Ag、Zr、Cr、Sn和P的那些 元素中至少一种元素的铜合金，其含量为约0.3%（重量百分数）。通过使用这种铜合金，可改善包覆层2的耐热性。

本发明的特征在于，作为芯线1的钢质导线和作为包覆层2的铜或铜合金区域由冶金学方法彼此结合，在以后将详细描述的用于制造复合导线的方法中，其中将包覆层用冶金学方法结合到芯线上，采用例如所谓的浸渍形成方法，将钢导线浸入熔融的铜或熔融的铜合金中，并热轧如此得到的包铜铸钢棒，通过调整铜导线浸在熔融铜中的时间，可调节包覆层2的厚度。

在复合导线中，其中包覆层用冶金学方法结合到芯线上，原子在钢导线和铜或铜合金区域之间的界面处扩散，从而保证了很牢固的结合，因此，即使例如沿其径向在复合导线上施加压力，也不能将钢导线和铜或铜合金区域分开，这个结果同样适用于当复合导线受到拉伸断裂应力或弯曲应力的时候。

因此，即使架空线被磨损掉而使钢芯线1暴露在外（如图2所示），也可防止水或类似物质透过芯线1和铜或铜合金包覆层2之间的边界，由此使边界区域不会被优先腐蚀。

如果钢导线暴露在外，它会受到腐蚀而使架空线有轻微的损伤，然而，这种损伤的程度低于归因于擦伤和由导电弓架滑动而引起的电火花的架空线的损伤程度，特别在那些交通繁忙或导电弓架频繁通过的铁路线上，架空线的损伤主要是因为磨损和电火花，而钢导线的腐蚀对架空线的耐久性只有很小的影响。

如此构成的包铜钢架空线由铜或铜合金包覆层2以预定的覆盖比覆盖，从而包覆层2与用于悬挂架空线的金属定位装置接触，由此，在用铜合金制成的金属定位装置和架空线之间不会产生电蚀。而且，由于钢导线被用作芯线1，使架空线具有高的强度和耐磨性，如果架空线的强度是这样高，则可设置高的架线张力T。结果，可增加如前所 述的波动传播速度C，从而使得电气火车能以高速运行。

由于钢芯线1和铜或铜合金包覆层2通过冶金学方法彼此结合，其结合强度高，因此即使当在架空线上施加弯曲应力时，也不能在结合面上剥离包覆层2，另外，即使架空线被磨损掉而使芯线1暴露在外，也不会选择地腐蚀结合面。

下面是制造以上述方式构成的架空线的方法的详细描述。首先参照图3来描述用于上述本发明实施例中的所谓浸渍形成装置。在这种浸渍形成装置中，铜或铜合金覆盖装置20被安排在导线送料装置10之上。

送料装置10的密封室11提供有一排气口15，它与一合适的真空排气装置（没有画出）耦合，室11的内部通过排气口15抽真空以使其保持在预定的真空度下。修边模12位于室11侧面的导线进口处，将钢导线4通过此进口送入室11中，由修边模12切削去其最外层表面层。

滚筒13设置在室11中，将钢导线4绕过滚筒13，以使其被拉而转为向上运动，在室11中的上部安排二对夹送辊16，由夹送辊16驱动拉出钢导线4以使其从室11送入覆盖装置20中。

用于校正钢导线4的弯曲的校直装置14被安排在室11中的夹送辊16和滚筒13之间的区域，校直装置14包括适应于在被滚筒13弯曲的钢导线4的内侧上滚压的两个辊子14a和14c和可在钢导线外侧滚压的位于辊子14a和14c之间的辊子14b。使从滚筒13送入的钢导线4依次与辊子14a、14b和14c滚轧接触，由此校正了由滚筒13产生的弯曲，由一个合适的驱动装置（没画出）可使辊子14a、14b和14c牢靠地旋转，或者可以象张紧皮带轮那样仅由钢导线4驱动之。辊子14a、14b和14c之间的距离可以调整，这取决于钢导线的种类、弯曲程度等等。

覆盖装置20包括储存有熔融铜或铜合金21的坩埚22，由耐熔材料 例如石墨制成的坩埚22被以一定方式耦合到送料装置10的室11上，使得室11的顶端出口由坩埚22的外底部表面密封，在坩埚22的底部，形成有一个具有直径稍比钢导线4直径大的导入孔23，由此，以液密方式将钢导线4通过孔23导入熔炉22。

在坩埚22的侧面形成的熔融金属送料口24与一铜或铜合金熔融装置30相连，因此，熔融金属21通过送料口24被送入坩埚22中。

导线拉出装置（没有画出）被安排在覆盖装置20的上部，由拉出装置将由包覆有铜或铜合金的钢导线4构成的复合铸棒5向上拉出。在下阶段中将复合铸棒5从覆盖装置20输送到热轧装置中（没有示出）。

根据上述本发明的实施例，通过使用具有上述结构的浸渍形成装置，可使钢质导线包覆上铜或铜合金，然后将所得的复合导线热轧。

首先，将钢导线4送入抽真空的室11中，在此同时，其最外层被不断地由修边模12切削去，如图3所示，在以此方式清洁其表面后，钢导线4绕着滚筒13通过以使运动路线改变为向上，尽管这样由滚筒13弯曲了钢导线4，它可再由校直装置14的辊子14a、14b和14c校直。

随后，由夹送辊16将钢导线4向上拉出，并通过坩埚底部的导入孔23将其导入坩埚22中，然后，将钢导线4通过坩埚22向上拉出，这样就使在坩埚中的熔融金属21在此期间附着到钢导线上。附着的熔融金属21凝固，由此完成而得到了由具有铜或铜合金在其外周表面的钢导线4构成的复合铸棒5。

然后采用热轧装置在750至850℃和以轧制比为10至40%对复合铸棒5进行热轧。由此，作为芯线的钢导线和作为包覆层的铜或铜合金区域以金属-金属结合，这就是将包覆层用冶金学方法结合到芯线上。

如果所采用的轧制比低于10%，不能将钢导线和铜或铜合金区域满 意地结合在一起，另一方面，如果该轧制比高于40%，则加工程度太高以至不能获得均匀厚度的铜或铜合金包覆层，根据本发明，由于这些原因，将轧制比设置在10至40%范围内，采用的轧制温度范围为750至850℃，以保证牢固的冶金学上的结合并促进上述轧制比的轧制加工。

在热轧之后，对复合导线拉拔和开槽，更具体地说，是在覆盖在钢芯线1上的铜或铜合金包覆层2上形成一对V形凹槽3，如图1的剖视图所示。由此，制得架空线。

根据本实施例，采用所谓的浸渍形成法，用铜或铜合金覆盖钢导线，从而能以低的成本制造包铜的钢质架空线。所述架空线主要由直径为10mm或更大的粗导线棒构成，形成的包覆层（铜或铜合金）必须有足够的厚度以保证架线凹槽的形成，因此，当由电镀或类似方法形成包覆层时，包铜的钢导线的制造成本就很高。与之相反，如果由浸渍形成法形成铜或铜合金层，如本实施例中的情况，可以低成本制造用作架空线的复合导线。

在本实施例中，绕着滚筒13通过并经弯曲的钢导线4由校直装置14的辊子14a、14b和14c校直，用于铜导线的常规浸渍形成装置不具有这种校直装置。当浸渍成形钢导线时，如本实施例中的情况，在不使用校直装置14的条件下使钢导线平滑地导入坩埚22是困难的。

由于钢导线4比铜导线硬，当它绕着滚筒13通过时，它肯定会弯曲，仅仅通过用夹送辊16拉出钢导线4不能校正这种弯曲。因此，钢导线4可能不会被坩埚22的导入孔23抓住，这样就使操作中断。然而，在本实施例，由三个辊子14a、14b和14c校直钢导线4，它能被稳定地送入坩埚22中而不会在孔23处卡住或被阻碍。

下列是根据本发明包铜的钢架空线例子的试验结果描述，将其与对照例和已有技术中的架空线的试验结果相比较。

在所述例子和对照例的架空线中，芯线由低碳钢导线棒JISG-3505/SWRM-10（直径为14mm）形成，其成分见表1。

表1

JISG3505/    C    Mn    P    S

SWRM-10

0.08    0.30    0.045    0.045

（重量%）    至0.13    至0.60    或更小    或更小

该低碳钢导线棒的最外层部分由修边模12去除，获得直径为12.7mm的芯线，由校直装置14将芯线校直，然后将其传送到覆盖装置20，这种情况下，当合适地调整辊子14a、14b和14c间的距离时，能够在一段1000mm长的区域内将弯曲程度限制在约3-10mm。另一方面，当不使用校直装置14时，则在1000mm区域内，钢芯线弯曲约40至60mm，这样就不能稳定地通过导入孔23。

根据例1，其中例如采用覆盖比为45%，依照浸渍形成法，通过由覆盖装置20在钢芯线4的外周表面覆盖铜而制造直径为17mm的包铜的钢铸棒，然后将铸棒热轧（轧制比为30%）而获得直径为14.5mm的复合导线，通过这种热轧，将钢芯线和铜区域在冶金学上结合起来。

接着，将所述导线拉拔至直径为13.1mm的导线棒，然后对其开槽，从而完成得到了具有图1所示横截面形状和横截面面积为110mm²的架空线，以与例1的架空线相同的方式，制造得具有不同覆盖比的例2、例3、对照例1和对照例2的架空线。

通过调节钢导线的坩埚22中的浸渍时间或其他条件，可改变铜包覆层的覆盖比，由此，可形成所需要厚度的铜包覆层。

测量这些架空线的导电性和抗张强度，同时在架空线上试验钢的曝露量、定位装置固定能力和耐磨性，表2显示了这些测量和试验的 结果以及已有技术架空线的试验结果。

表2

含铜比    导电性    抗张强度    凹槽处    定位装    耐磨性

（%） （%IA （kgf/mm²） 的钢曝 置固定

CS）    露量    能力

1    45    50    70    无    好    好

例    2    55    60    65    无    好    好

3    75    77    50    无    好    好

对    1    40    45    75    一些    差    好

照

例    2    80    81    47    无    好    中等

已    1    100    100    35    无    好    差

有

技    2    100    75    40    无    好    中等

术

例    3    -    49    24    无    差    好

以与例1、例2和例3相同的方式制造对照例1和对照例2中的架空线。然而，对照例1的铜体积比（覆盖比）低至40%，而对照例2的铜体积比却高至80%。已有技术例1、2和3的架空线分别为铜导线、铜合金导线和包铝的钢导线，已有技术例3架空线的横截面面积为200mm²，而其他架空线的横截面面积则为110mm²。

在例1、例2和例3中，各架空线的抗张强度可高到50kgf/mm²或更高，钢芯线和铜包覆层被牢固地在冶金学上结合起来，因此，这些例子中的架空线具有高的耐电化学腐蚀性。而且，例1、例2和例3中的架空线具有50%IACS或更高的导电性和高的耐磨性。已证实 如果铜包覆层被磨损掉而使钢芯线开始曝露，架空线不会再容易地磨损。另外，由于可用常规的金属定位装置安装架空线，所以其定位装置固定能力高。

在对照例1中，与之相反，覆盖比低至40%，因此导电性也低至45%。因而，或许可能通过凹槽而曝露所述钢，从而遭受电化学腐蚀，即其定位装置固定能力低。再者，在对照例2中，覆盖比高至80%，从而使钢质导线部分太小而不能产生耐磨性的改善效果。因此，对照例2的耐磨性不够高。

在已有技术例1和例2的铜质架空线和铜合金架空线中，强度和耐磨性都低，已有技术例3的包铝的钢质架空线的强度也低，此外，它可能受到与铜合金定位装置的电蚀，结果导致低的定位装置固定能力。

尽管上述例子中的架空线具有横截面面积为110mm²，应该知道，本发明也可应用于任何其他类型的架空线，例如那些具有横截面面积为170mm²的架空线。

下列是关于钢导线钢种和修边模耐久性之间关系的研究结果的描述。表3显示了钢导线的钢种、碳含量、修边能力评价和钢导线强度（退火后）之间的关系。

表3

钢导线的钢种    碳含量    修边能力    钢导线强度（kgf/mm）

SWRM-6    0.06    好    38

SWRM-10    0.11    好    45

SWRH-37    0.35    好    55

SWRH-42A    0.40    差    60

当修边模12的耐久性短于3小时时，对修边能力的评价为“差”;当模子的耐久性为3小时或更长，则为“好”。如表3所示，如果碳含量高于0.35%（重量%）（SWRH-42A），钢导线强度是这样的高以致于修边模12的耐久性低，因此，为了更换模具，必须更频繁地打断操作，由此导致高的成本。因此，所用的钢导线最好应具有碳含量为0.35%或更少（重量比）。

如果不用碳含量为0.35%或更小（重量）的钢导线，也可采用合金导线等等，这里假定其退火后强度等于钢导线的强度。

Claims (10)

1、一种导电率为50%IACS以上的包铜的钢质架空线，其特征在于它包括：由钢质导线形成的芯线；

由铜或铜合金形成的覆盖在所述芯线外周表面的包覆层，所述包覆层是以熔融浸渍形成的，它占据此包铜的钢质架空线横截面面积的45至75%，并且它被以热轧方式冶金学地结合在所述芯线上，所述钢导线的碳含量为0.35%或更小(重量%)。

2、根据权利要求1所述的包铜的钢质架空线，其特征在于所述热轧温度范围为750～850℃。

3、根据权利要求1或2所述的包铜的钢质架空线，其特征在于所述热轧的轧制比范围为10%至40%。

4、根据权利要求1所述的包铜的钢质架空线，其特征在于所述铜合金包含由包括Ag、Zr、Cr、Sn和P的元素组中选取的至少一种元素。

5、一种制造包铜的钢质架空线的方法，其特征在于它包括：

连续将钢导线浸入熔融铜或熔融铜合金中，并随后使铜或铜合金凝固以使其附着到所述钢导线的外周表面上，由此获得基本上由所述钢导线和覆盖在所述钢导线外周表面上的铜或铜合金构成的铸棒的过程;和

在750℃至850℃温度以轧制比为10%至40%热轧所述铸棒的过程。

6、根据权利要求5所述的方法，其特征在于所述钢导线的碳含量为0.35%或更小（重量%）。

7、根据权利要求5所述的方法，其特征在于在所述热轧后，所述铜或铜合金区域的横截面面积为包铜的钢质架空线横截面面积45%至75%。

8、根据权利要求5所述的方法，其特征在于所述钢导线是在校直之后被浸入熔融铜或熔融铜合金之中的。

9、根据权利要求8所述的方法，其特征在于所述钢导线是在用修边模切去所述钢导线的最外层之后浸入熔融铜或熔融铜合金之中。

10、根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于所述经校直的钢导线通过包含熔融铜或熔融铜合金的容器的底部导入该容器，以使当在所述容器中拉出所述钢导线时，所述熔融金属附着到所述钢导线的外周表面上。