CN112281018A - 一种高强度高导电铜锡合金接触线及其制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高强度高导电铜锡合金接触线及其制备工艺，该高强度高导电铜锡合金接触线的化学成分为：Sn0.01‑0.8wt%，Ca0.01‑0.3wt%，Zr 0.005‑0.05wt%，余量是Cu和不可避免的杂质，所述铜锡合金接触线的化学成分按照Cu、Sn、Ca、Zr顺序依次分批加入制备而成；制备工艺包括熔炼、上引连铸、固溶处理、时效处理、连续挤压、拉拔成型。本发明制备的铜锡合金接触线具有更高的强度和导电性能，拓宽了铜锡合金接触线的应用范围。

Description

一种高强度高导电铜锡合金接触线及其制备工艺
技术领域
本发明属于合金材料技术领域，具体涉及一种高强度高导电铜锡合金接触线及其制备工艺。
背景技术
随着电气化铁路的不断提速，这对接触线的综合性能提出更高要求。目前接触导线可分为铜铬锆、铜镁、铜锡、铜银合金接触线。纯铜、铜银合金接触线虽然具有高导电，但强度低，限制了其在时速300公里以上电气化铁道上的应用。虽然铜锡、铜镁合金接触线均可在时速300公里以上电气化铁道上使用，但铜锡接触线受强度的局限，注定其在300公里以上电气化铁道的应用不如铜镁接触线广泛。
另外，在铜锡合金接触线的制备方法中一般按原料配比一次性加入熔炼炉中熔炼，例如中国专利CN104051053A将原料（铜、锡、碲、镧）按配比置于真空熔炼炉中熔炼后经上引连铸、连续挤压、轧制、冷拔成型得到铜锡合金接触线，但这种一次性加入原料的方式不利于不同合金元素之间的融合，易出现烧损，同时铜合金熔液成分的均匀性差。
发明内容
本发明的目的是提供一种高强度高导电铜锡合金接触线及其制备工艺，所制备的铜锡合金接触线具有优异的导电性能和抗拉强度，拓宽了铜锡合金接触线的应用范围。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种高强度高导电铜锡合金接触线，所述铜锡合金接触线的化学成分组成为：Sn 0.01-0.8wt%，Ca 0.01-0.3wt%，Zr 0.005-0.05wt%，余量是Cu和不可避免的杂质；所述铜锡合金接触线的化学成分按照Cu、Sn、Ca、Zr顺序依次分批加入制备而成。
优选的，所述铜锡合金接触线的抗拉强度为400-580MPa，导电率为65-96%IACS。
一种高强度高导电铜锡合金接触线的制备工艺，包括以下步骤：
（1）在熔炼炉中加入电解铜熔炼，并加入木炭、石墨鳞片覆盖剂。
（2）再加入纯锡熔炼。
（3）再依次加入Cu-Ca、Cu-Zr中间合金熔炼，得到CuSnCaZr合金熔液。
（4）将结晶器直接插入步骤（3）制得的CuSnCaZr合金熔液中，将合金熔液上引连铸成合金杆。
（5）将步骤（4）得到的上引合金杆进行固溶处理，得到固溶态上引合金杆。
（6）将步骤（5）得到的固溶态上引合金杆进行时效处理，得到时效态上引合金杆。
（7）将步骤（6）得到的时效态上引合金杆通过连续挤压机，挤压得到挤压合金杆。
（8）对经过步骤（7）处理的挤压合金杆进行多道次的拉拔，得到高强度高导电铜锡合金接触线。
其中，步骤（1）-（6）中通入惰性气体保护。
优选的，一种高强度高导电铜锡合金接触线的制备工艺，具体包括以下步骤：
（1）在熔炼炉中加入电解铜熔炼，并加入木炭、石墨鳞片覆盖剂，熔炼温度为1100-1250℃。
（2）再加入纯锡熔炼，熔炼温度为1150-1200℃。
（3）再依次加入Cu-Ca、Cu-Zr中间合金熔炼得到CuSnCaZr合金熔液，熔炼温度为1100-1180℃。
（4）将步骤（3）制得的CuSnCaZr合金熔液控制在1100-1180℃，将结晶器直接插入合金熔液中，将合金熔液上引连铸成合金杆，上引速度150-350mm/min，上引合金杆直径16-30mm，结晶器冷却水进水温度20-35℃，结晶器冷却水出水温度25-50℃。
（5）将步骤（4）得到的上引合金杆在680-750℃条件下，进行1-2.5h的固溶处理，得到固溶态上引合金杆。
（6）将步骤（5）得到的固溶态上引合金杆在400-500℃条件下，进行2-5h的时效处理，得到时效态上引合金杆。
（7）将步骤（6）得到的时效态上引合金杆通过连续挤压机，挤压成直径为20-35mm的挤压合金杆。
（8）根据所需接触线截面尺寸，对经过步骤（7）处理的挤压铜杆进行多道次的拉拔，得到相应型号的铜锡合金接触线。
其中，步骤（1）-（6）中通入惰性气体保护。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
（1）本发明生产的铜锡合金接触线与现有的铜锡合金接触线相比，其具有更高的强度和导电性能，拓宽了合金接触线的应用范围。
（2）本发明的铜锡合金接触线的化学成分按照Cu、Sn、Ca、Zr顺序依次分批加入制备而成，Cu作为铜合金主体先加入熔炼，后加入化学性能比较稳定的Sn，再加入比较活泼、易烧损的Ca可以减少烧损，待Cu、Ag、Sn合金充分融合后，最后加入Zr元素，有利于净化熔体，同时可促进析出相的析出，细化析出相，改善合金的力学性能和提高高温抗软化性能。因此，本发明铜锡合金接触线按照先后顺序加料有利于不同合金元素之间的融合，避免不必要的元素烧损净化熔体，提高铜合金熔液成分的均匀性。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
一种高强度高导电铜锡合金接触线，所述铜锡合金接触线的化学成分组成为：Sn0.08wt%，Ca 0.04wt%，Zr 0.005wt%，余量是Cu和不可避免的杂质；所述铜锡合金接触线的化学成分按照Cu、Sn、Ca、Zr顺序依次分批加入制备而成。
一种高强度高导电铜锡合金接触线的制备工艺，具体包括以下步骤：
（1）在熔炼炉中加入电解铜熔炼，并加入木炭、石墨鳞片覆盖剂，熔炼温度控制在1190℃。
（2）再加入纯锡熔炼，熔炼温度控制在1160℃。
（3）再依次加入Cu-Ca、Cu-Zr中间合金熔炼，熔炼温度控制在1100℃。
（4）将步骤（3）制得的CuSn0.08Ca0.04Zr0.005合金熔液温度控制在1150℃，将结晶器直接插入合金熔液中，进行上引连铸，上引速度240mm/min，上引铜杆直径20mm，结晶器冷却水进水温度23℃，结晶器冷却水出水温度25℃。
（5）将步骤（4）得到的上引合金杆在700℃条件下，进行2h的固溶处理，得到固溶态上引合金杆，期间通入惰性气体进行保护。
（6）将步骤（5）得到的固溶态上引合金杆在450℃条件下，进行4h的时效处理，得到时效态上引合金杆，期间通入惰性气体进行保护。
（7）将步骤（6）得到的时效态上引合金杆通过连续挤压机，挤压成直径为28mm的挤压合金杆。
（8）根据所需接触线截面尺寸，对经过步骤（7）处理的挤压铜杆进行多道次的拉拔，拉制成150型号高强度高导电铜锡合金接触线。
实施例2
一种高强度高导电铜锡合金接触线，所述铜锡合金接触线的化学成分组成为：Sn0.30wt%，Ca 0.06wt%，Zr 0.01wt%，余量是Cu和不可避免的杂质；所述铜锡合金接触线的化学成分按照Cu、Sn、Ca、Zr顺序依次分批加入制备而成。
按照实施例1工艺步骤（1）-（8），得到高强度高导电铜锡合金接触线，其中步骤（4）中的上引速度220mm/min，上引铜杆直径23mm；步骤（5）中挤压成直径为24mm的挤压合金杆。
实施例3
一种高强度高导电铜锡合金接触线，所述高强度高导电铜锡合金接触线的化学成分组成为：Sn 0.50wt%，Ca 0.1wt%，Zr 0.02wt%，余量是Cu和不可避免的杂质；所述铜锡合金接触线的化学成分按照Cu、Sn、Ca、Zr顺序依次分批加入制备而成。
按照实施例1工艺步骤（1）-（8），得到高强度高导电铜锡合金接触线，其中步骤（4）中的上引速度220mm/min，上引铜杆直径23mm；步骤（5）中挤压成直径为28mm的挤压合金杆。
实施例4
一种高强度高导电铜锡合金接触线，所述高强度高导电铜锡合金接触线的化学成分组成为：Sn 0.60wt%，Ca 0.15wt%，Zr 0.03wt%余量是Cu和不可避免的杂质；所述铜锡合金接触线的化学成分按照Cu、Sn、Ca、Zr顺序依次分批加入制备而成。
按照实施例1工艺步骤（1）-（8），得到高强度高导电铜锡合金接触线，其中步骤（4）中的上引速度240mm/min，上引铜杆直径20mm；步骤（5）中挤压成直径为30mm的挤压合金杆。
对比例1
与实施例1的区别仅在于：将电解铜、纯锡、Cu-Ca中间合金、Cu-Zr中间合金按配比一次性加入熔炼炉中。
对比例2
与实施例1的区别仅在于：制备方法的步骤（1）、（2）、（3）的顺序改为（1）、（3）、（2）。
相关性能检测参照TB/T2809-2017《电气化铁路用铜及铜合金接触线》中规定的试验方法进行，结果如下所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
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)

1.一种高强度高导电铜锡合金接触线，其特征在于：所述铜锡合金接触线的化学成分组成为：Sn 0.01-0.8wt%，Ca 0.01-0.3wt%，Zr 0.005-0.05wt%，余量是Cu和不可避免的杂质；所述铜锡合金接触线的化学成分按照Cu、Sn、Ca、Zr顺序依次分批加入制备而成。
2.根据权利要求1所述的高强度高导电铜锡合金接触线，其特征在于：所述高铜锡合金接触线的抗拉强度为400-580MPa，导电率为65-96%IACS。
3.一种高强度高导电铜锡合金接触线的制备工艺，其特征在于：包括以下步骤：
（1）在熔炼炉中加入电解铜熔炼，并加入木炭、石墨鳞片覆盖剂；
（2）再加入纯锡熔炼；
（3）再依次加入Cu-Ca、Cu-Zr中间合金熔炼，得到CuSnCaZr合金熔液；
（4）将结晶器直接插入步骤（3）制得的CuSnCaZr合金熔液中，将合金熔液上引连铸成合金杆；
（5）将步骤（4）得到的上引合金杆进行固溶处理，得到固溶态上引合金杆；
（6）将步骤（5）得到的固溶态上引合金杆进行时效处理，得到时效态上引合金杆；
（7）将步骤（6）得到的时效态上引合金杆通过连续挤压机，挤压得到挤压合金杆；
（8）对经过步骤（7）处理的挤压合金杆进行多道次的拉拔，得到高强度高导电铜锡合金接触线；
其中，步骤（1）-（6）中通入惰性气体保护。
4.根据权利要求3所述的高强度高导电铜锡合金接触线的制备工艺，其特征在于：具体包括以下步骤：
（1）在熔炼炉中加入电解铜熔炼，并加入木炭、石墨鳞片覆盖剂，熔炼温度为1100-1250℃；
（2）再加入纯锡熔炼，熔炼温度为1150-1200℃；
（3）再依次加入Cu-Ca、Cu-Zr中间合金熔炼得到CuSnCaZr合金熔液，熔炼温度为1100-1180℃；
（4）将步骤（3）制得的CuSnCaZr合金熔液控制在1100-1180℃，将结晶器直接插入合金熔液中，将合金熔液上引连铸成合金杆，上引速度150-350mm/min，上引合金杆直径16-30mm，结晶器冷却水进水温度20-35℃，结晶器冷却水出水温度25-50℃；
（5）将步骤（4）得到的上引合金杆在680-750℃条件下，进行1-2.5h的固溶处理，得到固溶态上引合金杆；
（6）将步骤（5）得到的固溶态上引合金杆在400-500℃条件下，进行2-5h的时效处理，得到时效态上引合金杆；
（7）将步骤（6）得到的时效态上引合金杆通过连续挤压机，挤压成直径为20-35mm的挤压合金杆；
（8）根据所需接触线截面尺寸，对经过步骤（7）处理的挤压铜杆进行多道次的拉拔，得到相应型号的铜锡合金接触线；
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