CN110756611B - 一种大长度熔融渗透式铜钢复合线材的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种大长度熔融渗透式铜钢复合线材的制备方法，铜杆经过连续挤压机挤压进入第一模具再进入第二模具，处于第二模具上方的第二铜腔，钢水进入第二模具下方的钢腔，铜和钢水接触的一面开始熔化，形成一层铜水和钢水混合层，钢水、铜水和钢水的混合层经过循环冷却水的冷却作用下，形成固态钢、固态的铜钢复合层，接着经过整理模具，得到更加紧密晶体组织，通过整理模具的大小口的设计，在拉拔的作用下形成铜钢复合线材。本发明通过第一模具和第二模具的配合使用，将铜和钢熔融成液态相互渗透后冷却成铜钢复合层，钢的抗拉强度和铜的良好导电性相互独立，互不影响，实现了生产工艺创新和工装设备自主创新。

Description

一种大长度熔融渗透式铜钢复合线材的制备方法
技术领域
本发明涉及线材技术领域，具体涉及一种大长度熔融渗透式铜钢复合线材的制备方法。
背景技术
随着电子信息技术的发展，对铜合金导电材料的综合使用性能要求越来越高，要求其在保持高强度（硬度）、韧性、耐磨性的同时，仍保持较高的导电性、导热性、耐寒性、无铁磁性等特性。这些优良的特性，使铜合金逐渐成为电力、信息、交通、能源、轻工及航天航空等高科技领域中使用的重要金属材料。很多场合很少以纯铜的形式应用，这是因为纯铜的强度较低(230～300MPa)，冷加工后虽然可以达到400MPa，但伸长率仅为2%，在加热或一定温度下使用时，其强化效果很容易消失。所以，纯铜仅能应用于受力不大的电力、电器、电子的导电体、散热体、装饰件等。在保持纯铜的一些优良性能的前提下，尽可能提高铜的强度(硬度)和耐磨性，随即高强度高导电性铜合金逐渐被研发出来。
目前高速电气化铁路采用Cu-Mg、Cu-Sn合金线材，该类线材均是以丧失导电率为前提的。Cu-Cr-Zr线材还处实验室阶段或小批量试验阶段，虽在原有基础上有一定幅度的提高，但提高幅度有限，而大长度高强高导耐磨铬铜钢新型复合线材，大大增强线材的抗拉强度，而且保持较高的导电率，但此类合金材料生产控制困难、成本高、大批量生产质量不稳定等难点，而大长度熔融渗透式铜钢复合线材具高安全系数，高抗拉强度以及高导电性的特点，满足未来高速铁路线材发展要求。
目前，中国已成为了世界电气化铁路大国，根据我国《中长期铁路网规划》，到2020年，全国铁路营业里程达到10万公里，电气化率达到50%，运输能力满足国民经济和社会发展需要，主要技术装备达到或接近国际先进水平。
大长度熔融渗透式铜钢复合线材不仅能满足电气化铁路线材等产品单件重量大于1吨的要求，解决了困扰国内同行业的重大技术难题，有重大的工业推广价值，填补国内该新型复合材料生产工艺的一项空白，对于推动铜加工行业的技术进步和自主创新能力的建设有不可估量的现实意义。
线材强度的提高，将为我国高速铁路接触网设计提供了更安全更广阔的空间，导电性能的提升也会节省大量电能。同时在生产、试验、施工、运行等方面将会产生相应的自主创新科研成果，极大地促进了我国高速接触网技术的发展。
另外，新产品研发极大促进了装备技术的进步，工厂的生产装备进行了升级换代，整体生产水平得到了提高。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供了一种大长度熔融渗透式铜钢复合线材的制备方法，通过第一模具和第二模具的配合使用，将铜和钢熔融成液态相互渗透后冷却成铜钢复合层，实现铜钢复合线材连续生产，突破了导电率和抗拉强度相互矛盾，相互牺牲的难题，克服了铜包钢的铜、包覆层、钢芯因膨胀系不配匹等原因而相互脱离的等难题，实现了生产工艺创新和工装设备自主创新。
本发明的目的是这样实现的：
一种大长度熔融渗透式铜钢复合线材的制备方法，包括以下步骤：
a.铜杆经过连续挤压机挤压进入第一模具；
b.铜杆经过第一模具，进入第二模具，处于第二模具上方的第二铜腔；
c.钢水进容器之前，在钢水的容器中加入氮气保护气，隔绝空气，并通过压力调节阀调节容器内的压强；
d.经过氮气保护气的钢水进入第二模具下方的钢腔，铜和钢水接触的一面开始熔化，形成一层铜水和钢水混合层，铜水的密度大，钢水的密度小，铜水会向下，和钢水相混合；
e.铜水和钢水的混合层经过X型耐高温自匀器，再经过石墨狼牙棒自匀器，铜水和钢水充分混合；
f.铜水和钢水的混合层，再经过线圈的电流作用下，形成涡流，充分混合钢水和铜水；
g.钢水、铜水和钢水的混合层经过循环冷却水的冷却作用下，形成固态钢、固态的铜钢复合层；
h.接着经过整理模具，得到更加紧密晶体组织，通过整理模具的大小口的设计，在拉拔的作用下形成铜钢复合线材。
优选的，所述钢水的容器内压强为1.02个标准大气压。
优选的，通过控制连续挤压机的转速、铜杆经过第一模具的速度、钢水进第二模具的速度、拉拔出料的速度，来控制钢水与铜接触的时间，从而控制铜钢复合层的厚度。
优选的，铜钢复合层的厚度为0.5-2mm。
本发明的有益效果是：
本发明通过第一模具和第二模具的配合使用，将铜和钢熔融成液态相互渗透后冷却成铜钢复合层，实现铜钢复合线材连续生产，突破了导电率和抗拉强度相互矛盾，相互牺牲的难题，克服了铜包钢的铜、包覆层、钢芯因膨胀系不配匹等原因而相互脱离的等难题，钢的抗拉强度和铜的良好导电性相互独立，互不影响，实现了生产工艺创新和工装设备自主创新。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为X型耐高温自匀器的结构示意图。
图3为石墨狼牙棒自匀器的结构示意图。
图4为实施例1——第一种模具组合及产品示意图。
图5为实施例2——第二种模具组合及产品示意图。
图6为实施例3——第三种模具组合及产品示意图。
图7为实施例4——第四种模具组合及产品示意图。
其中：第一模具1；第一铜腔1.1；第二模具2；第二铜腔2.1；钢腔2.2；铜杆3；连续挤压机4；钢水容器5；钢水6；氮气7；整理模具8；X型耐高温自匀器9；导流板连接轴9.1；铜水导流板9.2；钢水导流板9.3；石墨狼牙棒自匀器10；通电线圈11；冷却循环水12；压力调节阀13；铜钢复合线材14；铜层14.1；钢层14.2；铜钢复合层14.3；沟槽14.4。
具体实施方式
实施例1：
参见图1-4，本发明涉及一种大长度熔融渗透式铜钢复合线材连续挤压设备，包括先后设置的第一模具1和第二模具2，所述第一模具1内设有第一铜腔1.1，所述第二模具2内设有第二铜腔2.1和钢腔2.2，所述第二铜腔2.1位于钢腔2.2之上，铜杆3经过连续挤压机4挤压依次进入第一铜腔1.1、第二铜腔2.1，所述第二模具2分为钢水注入段、铜水钢水混合段和铜水钢水冷却段，钢水容器5的钢水6和氮气7进入钢水注入段的钢腔2.2，钢水6与第二铜腔2.1的铜熔融形成液态的铜水钢水混合层，液态的铜水钢水混合层经过铜水钢水混合段混合、铜水钢水冷却段冷却形成固态的铜钢复合层，经整理模具8拉拔成铜钢复合线材14。
所述线材用于接触线或特高压输变电线材。
所述第一铜腔1.1与第二铜腔2.1的结构相同。
在第二模具2的截面位于钢腔2.2和第二铜腔2.1的接触面两端对称设有挡块，所述挡块使拉成成型的铜钢复合线材14具有沟槽，便于安装线材的线夹。
所述第二模具2的铜水钢水混合段设有液体自匀装置。
所述液体自匀装置包括依次设有X型耐高温自匀器9和石墨狼牙棒自匀器10。
所述X型耐高温自匀器9包括导流板连接轴9.1，所述导流板连接轴9.1连接铜水导流板9.2和钢水导流板9.3，所述钢水导流板9.3和铜水导流板9.2相互交叉。
所述第二模具2的铜水钢水混合段绕设有通电线圈11。
所述第二模具2的铜水钢水冷却段对应设有冷却循环水12。
所述钢水容器5设有压力调节阀13。
一种大长度熔融渗透式铜钢复合线材连续挤压制备方法，采用上述设备，包括以下步骤：
a.铜杆经过连续挤压机挤压进入第一模具；
b.铜杆经过第一模具，进入第二模具，处于第二模具上方的第二铜腔；
c.钢水进容器之前，由于接触空气，并带有氧气，钢水的容器中加入氮气保护气，并通过压力调节阀13，保持容器内的一定压强，压强为1.02个标准大气压，加入氮气保护气的目的，是隔绝空气，隔绝氧气；
d.经过氮气保护气的钢水进入第二模具下方的钢腔，由于钢的熔点为1535℃，钢水的温度保持在2000℃左右，由于铜的熔点为1083℃，铜和钢水接触的一面，由于钢水温度高达2000℃，所以铜的接触面开始熔化，形成一层铜水和钢水混合层，铜的密度为8.9g/cm，钢的密度为7.8g/cm，铜水的密度大，钢水的密度小，铜水会向下，和钢水相混合；
e.铜水和钢水的混合层经过X型耐高温自匀器，再经过石墨狼牙棒自匀器，铜水和钢水充分混合；由于石墨狼牙棒自匀器上的多个尖刺作用，铜水和钢水被破碎并重新分布，使混合均匀；
f.铜水和钢水的混合层，再经过线圈的电流作用下，形成涡流，充分混合钢水和铜水；
g.钢水、铜水和钢水的混合层经过循环冷却水的冷却作用下，形成固态钢、铜钢复合层（固态）；
h.接着经过整理模具，得到更加紧密晶体组织，通过整理模具的大小口的设计，使得线材的形变量缩小2-3%，通过拉拔的作用下形成铜钢复合线材。
控制连续挤压机的转速，控制铜杆经过第一模具的速度，同时控制钢水进第二模具的速度和拉拔出料的速度，就可以控制钢水和铜接触的时间，铜表面的熔化的铜就会得到有效控制，这样铜水和钢水厚度就能得到有效控制，也就控制了铜钢复合层的厚度，铜钢复合层的厚度为0.5-2mm。
由实施例1拉拔出的铜钢复合线材14的截面大体为圆形，铜钢复合线材14包括铜层14.1和钢层14.2，所述铜层14.1和钢层14.2通过熔融互相表面渗透结合为一体，熔融渗透的表面形成铜钢复合层14.3。
在线材截面对应铜钢复合层14.3的两侧对称设有沟槽14.4,所述沟槽14.4与挡块对应。
所述钢层14.2的截面积小于铜层14.1的截面积。
实施例2：
参见图5，在第二模具2的截面位于钢腔2.2和第二铜腔2.1的接触面设有相互扣合结构；所述扣合结构为燕尾槽结构；所述钢层设有燕尾凸起，所述铜层对应燕尾凸起设有燕尾凹槽。其余实施例1相同。
由实施例2拉拔出的铜钢复合线材14的截面大体为圆形，铜钢复合线材14包括铜层14.1和钢层14.2，所述铜层14.1和钢层14.2通过熔融互相表面渗透结合为一体，熔融渗透的表面形成铜钢复合层14.3。
在线材截面对应铜钢复合层14.3的两侧对称设有沟槽14.4,所述沟槽14.4与挡块对应。
所述铜层14.1和钢层14.2之间设有相互扣合结构。
所述扣合结构为燕尾槽结构。
所述钢层14.2设有燕尾凸起，所述铜层14.1对应燕尾凸起设有燕尾凹槽。
所述钢层14.2的截面积小于铜层14.1的截面积。
实施例3：
参见图6，在第二模具2的截面位于钢腔2.2和第二铜腔2.1的接触面两端没有挡块，其余与实施例1相同。
由实施例3拉拔出的铜钢复合线材14的截面大体为圆形，铜钢复合线材14包括铜层14.1和钢层14.2，所述铜层14.1和钢层14.2通过熔融互相表面渗透结合为一体，熔融渗透的表面形成铜钢复合层14.3。
所述钢层14.2的截面积小于铜层14.1的截面积。
实施例4：
参见图7，在第二模具2的截面位于钢腔2.2和第二铜腔2.1的接触面两端没有挡块；在第二模具2的截面位于钢腔2.2和第二铜腔2.1的接触面设有相互扣合结构；所述扣合结构为燕尾槽结构；所述钢层设有燕尾凸起，所述铜层对应燕尾凸起设有燕尾凹槽；其余实施例1相同。
由实施例4拉拔出的铜钢复合线材14的截面大体为圆形，铜钢复合线材14包括铜层14.1和钢层14.2，所述铜层14.1和钢层14.2通过熔融互相表面渗透结合为一体，熔融渗透的表面形成铜钢复合层14.3。
所述铜层14.1和钢层14.2之间设有相互扣合结构。
所述扣合结构为燕尾槽结构。
所述钢层14.2设有燕尾凸起，所述铜层14.1对应燕尾凸起设有燕尾凹槽。
所述钢层14.2的截面积小于铜层14.1的截面积。
除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种大长度熔融渗透式铜钢复合线材的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
a.铜杆经过连续挤压机挤压进入第一模具；
b.铜杆经过第一模具，进入第二模具，处于第二模具上方的第二铜腔；
c.钢水进容器之前，在钢水的容器中加入氮气保护气，隔绝空气，并通过压力调节阀调节容器内的压强；
d.经过氮气保护气的钢水进入第二模具下方的钢腔，铜和钢水接触的一面开始熔化，形成一层铜水和钢水混合层，铜水的密度大，钢水的密度小，铜水会向下，和钢水相混合；
e.铜水和钢水的混合层经过X型耐高温自匀器，再经过石墨狼牙棒自匀器，铜水和钢水充分混合；
f.铜水和钢水的混合层，再经过线圈的电流作用下，形成涡流，充分混合钢水和铜水；
g.钢水、铜水和钢水的混合层经过循环冷却水的冷却作用下，形成固态钢、固态的铜钢复合层；
h.接着经过整理模具，得到更加紧密晶体组织，通过整理模具的大小口的设计，在拉拔的作用下形成铜钢复合线材。
2.根据权利要求1所述的一种大长度熔融渗透式铜钢复合线材的制备方法，其特征在于：所述钢水的容器内压强为1.02个标准大气压。
3.根据权利要求1所述的一种大长度熔融渗透式铜钢复合线材的制备方法，其特征在于：通过控制连续挤压机的转速、铜杆经过第一模具的速度、钢水进第二模具的速度、拉拔出料的速度，来控制钢水与铜接触的时间，从而控制铜钢复合层的厚度。
4.根据权利要求3所述的一种大长度熔融渗透式铜钢复合线材的制备方法，其特征在于：铜钢复合层的厚度为0.5-2mm。
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