CN103320642A - 铁路电气化用铜银合金接触导线的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种铁路电气化用铜银合金接触导线的制备方法，包括铜基和合金金属；所述的合金金属的重量百分比如下：银0.08-0.09%，锆0.008-0.010%，铌0.008-0.01%，钛0.005-0.008%，混合稀土0.018-0.020%；制备工艺采用上引连铸-连续挤压-冷轧-拉伸的工艺，本发明制备的接触线含氧量为无氧铜级，晶粒细小，机械性能明显提高，且沿长度方向均匀，平直度好，机车取车性能好，抗拉强度、延伸率、晶粒度以及韧性相比现有的导线有了很大提高，在高速铁路电气化领域具有大范围推广的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及导线领域，具体为一种铁路电气化用铜银合金接触导线的制备方法。
背景技术
为适应经济高速发展的需要，我国电气化铁路正向高速、重载的方向发展，国家也把高速铁路的建设作为“十二五”的重点项目，这都对接触导线的质量提出了更高的要求。接触导线通过与电力机车受电弓接触将电能传输给电力机车，是保证电气化铁路正常运营的关键构件之一，为实现列车的高速化，在要求接触导线材料具有良好导电性的同时，还应具有高的机械强度、高的抗软化温度及耐磨性。由于国内传统生产技术的限制，国产的接触导线强度低，平直度、耐磨性、抗蠕变能力差，越来越难以满足我国铁路提速和安全运行的需要。目前为止，国内所有的高速列车接触导线产品基本上依赖进口。中国是一个大国，高速和准高速电气化铁路用的接触导线，不能长期大量的仰仗进口，必须尽快地在高起点、高质量的基点上进行国产化。
铁路电气化用异型铜合金导线品种主要有双沟铜及合金导线和复合异型导线，不同的导线品种，加工技术及工艺也有所不同。
纯铜的导电性能很好，但机械强度较低，日本最初在时速210km的新干线上采用，由于耐磨耗性能差，运行2年左右就要换线，经过研究试验决定采用耐磨性能较好的铜锡合金接触导线。法国在时速270km和300km的东南线和大西洋线高速铁路上采用铜接触导线；在时速350km及以上的高速铁路（地中海）上采用铜锡合金接触导线和铜银合金接触导线。德国、西班牙在时速250km~300km采用铜银合金接触导线，在时速300km以上采用铜银合金接触导线。我国时速350km的京津城际、武广高铁、郑西高铁采用铜银合金接触导线。欧洲国家曾采用镉铜合金接触导线，但由于镉的公害已停止采用。日本在北陆新干线也采用铜包钢接触导线，但未能在其他线路上推广采用。
随着我国高速铁路的高速发展，电气化铁路向高速、重载的方向发展，可以预见未来时速超过350km高速铁路必然大面积使用，对接触线的材质以及各项性能必然提出更高的要求，而现有的接触线在机械性能上难以满足需要。
发明内容
本发明的目是提供一种铁路电气化用铜银合金接触导线的制备方法，解决现有接触线机械性能不能满足高速铁路电气化运行的需要。
本发明具体技术方案是：接触线成份包括铜基和合金金属；所述的合金金属的重量百分比如下：银0.08-0.09%，锆0.008-0.010%，铌0.008-0.01%，钛0.005-0.008%，混合稀土0.018-0.020%；制备步骤如下：
（1）、上引连铸法制造铜银合金铸杆：将铜料以及各合金金属分为多份，按比例间隔均匀投入到潜流式电磁搅拌工频感应组合电炉内熔炼为熔液，且铜液上覆盖木炭，通入氩气形成气氛保护，然后通过结晶器冷却并经牵引装置引出得到Φ17mm-Φ35mm的铜银合金铸杆；具体控制参数如下：熔炼时铜液温度为1190-1210℃，上引温度为1160-1180℃；牵引速度为520-540mm/min，铜液液位高度为320-350mm；结晶器插入熔液深度为22-25mm；结晶器进水温度为25-35℃、出水温度不超过55℃；铜液上的木炭覆盖为32-35cm；铜银合金铸杆的含氧量应控制在10ppm以下；
（2）、连续挤压法制造挤压杆：铜银合金铸杆经过由氩气保护的感应加热炉预热至350℃然后进入连续挤压机挤压成型为Φ22mm-Φ40mm的挤压杆，其中挤压温度为478-480℃、挤压比为10-12、溢料间隙为0.4-0.6mm，所述挤压机主轴转速为6-8rpm；
（3）、连续冷连轧制造轧制杆：挤压杆经过连续冷轧机得到轧制杆，并通过调整轧制的道次来获得所需的轧制杆直径；
（4）、连拉成型制造接触导线：轧制杆通过四辊或五辊连拉机拉制成型。
以上方案还包括：
所述的接触线成份还包括碳化硅，其重量百分比为0.006-0.007%；所述的碳化硅选用粒度为8-10μm的α-SiC颗粒，其在步骤（1）中随合金金属投入到潜流式电磁搅拌工频感应组合电炉中。
所述的接触线成份还包括四针状氧化锌晶须，其重量百分比为0.006-0.007%，所述的四针状氧化锌晶须优选长度为10-12μm、直径为3-5μm的四针状氧化锌晶须，其在步骤（1）中随合金金属投入到潜流式电磁搅拌工频感应组合电炉中。
所述的混合稀土由钇、锫和镧组成，三者的质量比为1:0.2:0.5。
所述步骤（4）拉拔时以机油、纳米二硫化钼、纳米聚四氟乙烯按重量比1:0.08:0.12均和作为润滑剂，其中纳米二硫化钼的粒径为20-30nm，纳米聚四氟乙烯的粒径为60-80nm。
所述的潜流式电磁搅拌工频感应组合电炉采用W型熔沟；使铜液在熔沟内形成定向高速流动，有充分的热交换，使各种高熔点的氧化渣及已蚀损的石英砂随液流流出熔沟。加速熔铜内铜液的流动，这不仅可以缩短熔炼时间，提高电炉生产能力，而且降低了熔沟内的温度，避免熔渣堵塞，从而提高炉子的工作寿命，并且实现了节能降耗30%以上。
本发明制备的接触线含氧量为无氧铜级，晶粒细小，机械性能明显提高，且沿长度方向均匀，平直度好，机车取车性能好，抗拉强度、延伸率、晶粒度以及韧性相比现有的导线有了很大提高，在高速铁路电气化领域具有大范围推广的应用价值。
具体实施方式
实施例1
一种铁路电气化用铜银合金接触导线的制备方法，接触线成份按重量百分比如下：银0.08-0.09%，锆0.008-0.010%，铌0.008-0.01%，钛0.005-0.008%，混合稀土0.018-0.020%，余料为铜，铜优选含量≥99.95%的阴极铜，混合稀土由钇、锫和镧组成，三者的质量比为1:0.2:0.5；制备步骤如下：
（1）、上引连铸法制造铜银合金铸杆：将铜料以及各合金金属分为多份，按比例间隔均匀投入到潜流式电磁搅拌工频感应组合电炉内熔炼为熔液，且铜液上覆盖木炭，通入氩气形成气氛保护，然后通过结晶器冷却并经牵引装置引出得到Φ17mm-Φ35mm的铜银合金铸杆；具体控制参数如下：熔炼时铜液温度为1190-1210℃，上引温度为1160-1180℃；牵引速度为520-540mm/min，铜液液位高度为320-350mm；结晶器插入熔液深度为22-25mm；结晶器进水温度为25-35℃、出水温度不超过55℃；铜液上的木炭覆盖为32-35cm；铜银合金铸杆的含氧量应控制在10ppm以下；
（2）、连续挤压法制造挤压杆：铜银合金铸杆经过由氩气保护的感应加热炉预热至350℃然后进入连续挤压机挤压成型为Φ22mm-Φ40mm的挤压杆，其中挤压温度为478-480℃、挤压比为10-12、溢料间隙为0.4-0.6mm，所述挤压机主轴转速为6-8rpm；
（3）、连续冷连轧制造轧制杆：挤压杆经过连续冷轧机得到轧制杆，并通过调整轧制的道次来获得所需的轧制杆直径；
（4）、连拉成型制造接触导线：轧制杆通过四辊或五辊连拉机拉制成型；拉拔时以机油、纳米二硫化钼、纳米聚四氟乙烯按重量比1:0.08:0.12混合作为润滑剂，其中纳米二硫化钼的优选粒径为20-30nm，纳米聚四氟乙烯的优选粒径为60-80nm；机油可以选择45#机油。
实施例2
一种铁路电气化用铜银合金接触导线的制备方法，接触线成份按重量百分比如下：银0.08-0.09%，锆0.008-0.010%，铌0.008-0.01%，钛0.005-0.008%，混合稀土0.018-0.020%，碳化硅0.006-0.007%，余料为铜，铜优选含量≥99.95%的阴极铜，混合稀土由钇、锫和镧组成，三者的质量比为1:0.2:0.5；碳化硅选用粒度为8-10μm的α-SiC颗粒，制备步骤如下：
（1）、上引连铸法制造铜银合金铸杆：将铜料、各合金金属以及碳化硅分为多份，按比例间隔均匀投入到潜流式电磁搅拌工频感应组合电炉内熔炼为熔液，且铜液上覆盖木炭，通入氩气形成气氛保护，然后通过结晶器冷却并经牵引装置引出得到Φ17mm-Φ35mm的铜银合金铸杆；具体控制参数如下：熔炼时铜液温度为1190-1210℃，上引温度为1160-1180℃；牵引速度为520-540mm/min，铜液液位高度为320-350mm；结晶器插入熔液深度为22-25mm；结晶器进水温度为25-35℃、出水温度不超过55℃；铜液上的木炭覆盖为32-35cm；铜银合金铸杆的含氧量应控制在10ppm以下；
（2）、连续挤压法制造挤压杆：铜银合金铸杆经过由氩气保护的感应加热炉预热至350℃然后进入连续挤压机挤压成型为Φ22mm-Φ40mm的挤压杆，其中挤压温度为478-480℃、挤压比为10-12、溢料间隙为0.4-0.6mm，所述挤压机主轴转速为6-8rpm；
（3）、连续冷连轧制造轧制杆：挤压杆经过连续冷轧机得到轧制杆，并通过调整轧制的道次来获得所需的轧制杆直径；
（4）、连拉成型制造接触导线：轧制杆通过四辊或五辊连拉机拉制成型；拉拔时以机油、纳米二硫化钼、纳米聚四氟乙烯按重量比1:0.08:0.12混合作为润滑剂，其中纳米二硫化钼的优选粒径为20-30nm，纳米聚四氟乙烯的优选粒径为60-80nm；机油可以选择45#机油。
实施例3
一种铁路电气化用铜银合金接触导线的制备方法，接触线成份按重量百分比如下：银0.08-0.09%，锆0.008-0.010%，铌0.008-0.01%，钛0.005-0.008%，混合稀土0.018-0.020%，四针状氧化锌晶须0.006-0.007%，余料为铜，铜优选含量≥99.95%的阴极铜，混合稀土由钇、锫和镧组成，三者的质量比为1:0.2:0.5；四针状氧化锌晶须优选长度为10-12μm、直径为3-5μm的四针状氧化锌晶须，制备步骤如下：
（1）、上引连铸法制造铜银合金铸杆：将铜料、各合金金属以及四针状氧化锌晶须分为多份，按比例间隔均匀投入到潜流式电磁搅拌工频感应组合电炉内熔炼为熔液，且铜液上覆盖木炭，通入氩气形成气氛保护，然后通过结晶器冷却并经牵引装置引出得到Φ17mm-Φ35mm的铜银合金铸杆；具体控制参数如下：熔炼时铜液温度为1190-1210℃，上引温度为1160-1180℃；牵引速度为520-540mm/min，铜液液位高度为320-350mm；结晶器插入熔液深度为22-25mm；结晶器进水温度为25-35℃、出水温度不超过55℃；铜液上的木炭覆盖为32-35cm；铜银合金铸杆的含氧量应控制在10ppm以下；
（2）、连续挤压法制造挤压杆：铜银合金铸杆经过由氩气保护的感应加热炉预热至350℃然后进入连续挤压机挤压成型为Φ22mm-Φ40mm的挤压杆，其中挤压温度为478-480℃、挤压比为10-12、溢料间隙为0.4-0.6mm，所述挤压机主轴转速为6-8rpm；
（3）、连续冷连轧制造轧制杆：挤压杆经过连续冷轧机得到轧制杆，并通过调整轧制的道次来获得所需的轧制杆直径；
（4）、连拉成型制造接触导线：轧制杆通过四辊或五辊连拉机拉制成型；拉拔时以机油、纳米二硫化钼、纳米聚四氟乙烯按重量比1:0.08:0.12混合作为润滑剂，其中纳米二硫化钼的优选粒径为20-30nm，纳米聚四氟乙烯的优选粒径为60-80nm；机油可以选择45#机油。
实施例4
一种铁路电气化用铜银合金接触导线的制备方法，接触线成份按重量百分比如下：银0.08-0.09%，锆0.008-0.010%，铌0.008-0.01%，钛0.005-0.008%，混合稀土0.018-0.020%，碳化硅0.006-0.007%，四针状氧化锌晶须0.006-0.007%，余料为铜，铜优选含量≥99.95%的阴极铜，混合稀土由钇、锫和镧组成，三者的质量比为1:0.2:0.5；碳化硅选用粒度为8-10μm的α-SiC颗粒；四针状氧化锌晶须优选长度为10-12μm、直径为3-5μm的四针状氧化锌晶须，制备步骤如下：
（1）、上引连铸法制造铜银合金铸杆：将铜料、各合金金属、碳化硅以及四针状氧化锌晶须分为多份，按比例间隔均匀投入到潜流式电磁搅拌工频感应组合电炉内熔炼为熔液，且铜液上覆盖木炭，通入氩气形成气氛保护，然后通过结晶器冷却并经牵引装置引出得到Φ17mm-Φ35mm的铜银合金铸杆；具体控制参数如下：熔炼时铜液温度为1190-1210℃，上引温度为1160-1180℃；牵引速度为520-540mm/min，铜液液位高度为320-350mm；结晶器插入熔液深度为22-25mm；结晶器进水温度为25-35℃、出水温度不超过55℃；铜液上的木炭覆盖为32-35cm；铜银合金铸杆的含氧量应控制在10ppm以下；
（2）、连续挤压法制造挤压杆：铜银合金铸杆经过由氩气保护的感应加热炉预热至350℃然后进入连续挤压机挤压成型为Φ22mm-Φ40mm的挤压杆，其中挤压温度为478-480℃、挤压比为10-12、溢料间隙为0.4-0.6mm，所述挤压机主轴转速为6-8rpm；
（3）、连续冷连轧制造轧制杆：挤压杆经过连续冷轧机得到轧制杆，并通过调整轧制的道次来获得所需的轧制杆直径；
（4）、连拉成型制造接触导线：轧制杆通过四辊或五辊连拉机拉制成型；拉拔时以机油、纳米二硫化钼、纳米聚四氟乙烯按重量比1:0.08:0.12混合作为润滑剂，其中纳米二硫化钼的优选粒径为20-30nm，纳米聚四氟乙烯的优选粒径为60-80nm；机油可以选择45#机油。
实施例1-4分别制备的CTAH-150铜银接触导线晶粒度小于0.008mm，具体的综合性能如下：
抗拉强度MPa：实施例1为456，实施例2为482，实施例3为584，实施例4为625；
拉断力KN（未软化）:实施例1为62.59，实施例2为75.56，实施例3为88.26，实施例4为96.45；
拉断力KN（软化后）: 实施例1为56.26，实施例2为68.24，实施例3为82.23，实施例4为88.63；
伸长率%（未软化）：实施例1为4.9，实施例2为4.2，实施例3为3.9，实施例4为3.7；
反复弯曲试验：弯曲计次数为每180°为一次，弯曲4次后，实施例1-4制备的铜银接触导线均没有裂纹。
电阻率Ω·mm2/m：实施例1为0.01723，实施例2为0.01789，实施例3为0.01768，实施例4为0.01796；
通过以上数据可知，实施例1-4制造的铜银接触导线的综合指标完全符合国家对电气化铁道用铜合金接触线的标准（TB/H 2809-2005），并且机械性能还大大优于国家标准；并且总体来看，实施例4制备的铜银接触导线的机械性能效果最佳，由于添加了SiC颗粒和四针状氧化锌晶须，二者在铜基体中分布弥散、均匀，大大增强了铜银接触导线的以上机械性能；并且由于两种增强粒子均具有较佳的耐磨性，经过摩擦试验证明，铜银接触导线磨损率大大降低；因此本发明制造的铜银接触导线上本能够更好的适应未来高速铁路（时速350km以上）的电气化用线。
Claims (7)
1.一种铁路电气化用铜银合金接触导线的制备方法，其特征在于：所述的接触线成份包括铜基和合金金属；所述的合金金属的重量百分比如下：银0.08-0.09%，锆0.008-0.010%，铌0.008-0.01%，钛0.005-0.008%，混合稀土0.018-0.020%；制备步骤如下：
（1）、上引连铸法制造铜银合金铸杆：将铜料以及各合金金属分为多份，按比例间隔均匀投入到潜流式电磁搅拌工频感应组合电炉内熔炼为熔液，且铜液上覆盖木炭，通入氩气形成气氛保护，然后通过结晶器冷却并经牵引装置引出得到Φ17mm-Φ35mm的铜银合金铸杆；具体控制参数如下：熔炼时铜液温度为1190-1210℃，上引温度为1160-1180℃；牵引速度为520-540mm/min，铜液液位高度为320-350mm；结晶器插入熔液深度为22-25mm；结晶器进水温度为25-35℃、出水温度不超过55℃；铜液上的木炭覆盖为32-35cm；铜银合金铸杆的含氧量应控制在10ppm以下；
（2）、连续挤压法制造挤压杆：铜银合金铸杆经过由氩气保护的感应加热炉预热至350℃然后进入连续挤压机挤压成型为Φ22mm-Φ40mm的挤压杆，其中挤压温度为478-480℃、挤压比为10-12、溢料间隙为0.4-0.6mm，所述挤压机主轴转速为6-8rpm；
（3）、连续冷连轧制造轧制杆：挤压杆经过连续冷轧机得到轧制杆，并通过调整轧制的道次来获得所需的轧制杆直径；
（4）、连拉成型制造接触导线：轧制杆通过四辊或五辊连拉机拉制成型。
2.根据权利要求1所述的铁路电气化用铜银合金接触导线的制备方法，其特征在于：所述的接触线成份还包括碳化硅，其重量百分比为0.006-0.007%；所述的碳化硅选用粒度为8-10μm的α-SiC颗粒，其在步骤（1）中随合金金属投入到潜流式电磁搅拌工频感应组合电炉中。
3.根据权利要求1或2所述的铁路电气化用铜银合金接触导线的制备方法，其特征在于：所述的接触线成份还包括四针状氧化锌晶须，其重量百分比为0.006-0.007%，所述的四针状氧化锌晶须优选长度为10-12μm、直径为3-5μm的四针状氧化锌晶须，其在步骤（1）中随合金金属投入到潜流式电磁搅拌工频感应组合电炉中。
4.根据权利要求1或2所述的铁路电气化用铜银合金接触导线的制备方法，其特征在于：所述的混合稀土由钇、锫和镧组成，三者的质量比为1:0.2:0.5。
5.根据权利要求1或2所述的铁路电气化用铜银合金接触导线的制备方法，其特征在于：所述步骤（4）拉拔时以机油、纳米二硫化钼、纳米聚四氟乙烯按重量比1:0.08:0.12均和作为润滑剂，其中纳米二硫化钼的粒径为20-30nm，纳米聚四氟乙烯的粒径为60-80nm。
6.根据权利要求3所述的铁路电气化用铜银合金接触导线的制备方法，其特征在于：所述的混合稀土由钇、锫和镧组成，三者的质量比为1:0.2:0.5；所述步骤（4）拉拔时以机油、纳米二硫化钼、纳米聚四氟乙烯按重量比1:0.08:0.12混合作为润滑剂，其中纳米二硫化钼的粒径为20-30nm，纳米聚四氟乙烯的粒径为60-80nm。
7.根据权利要求1或2所述的铁路电气化用铜银合金接触导线的制备方法，其特征在于：所述的潜流式电磁搅拌工频感应组合电炉采用W型熔沟。
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