CN114472578A - 一种掺Re铜锡合金接触线及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于铜锡合金接触线技术领域，具体涉及一种掺Re铜锡合金接触线及其制备方法。在铜锡合金的熔铸过程中，通过保温炉添加Re，然后连铸成上引铜杆，再经连续挤压工艺将上引铜杆挤压成待拉伸杆，最后经四模连续拉伸工艺得到合计成分为Cu‑Sn‑Re的掺Re铜锡合金接触线，其中，Re的添加量与得到的掺Re铜锡合的重量百分比为0.05～0.09％。本发明在熔铸过程中添加微量Re可以明显改善CuSn合金上引杆组织结构，能细化铸杆晶粒，提升其抗拉强度和导电率。同时添加微量Re后，大大降低了连铸过程中各种缺陷发生的情况。

Description

一种掺Re铜锡合金接触线及其制备方法
技术领域
本发明属于铜锡合金接触线技术领域，具体涉及一种掺Re铜锡合金接触线及其制备方法。
背景技术
随着科学技术及社会经济的不断进步。电气化铁路逐渐向高速、重载方向发展，对接触线要求具有高的抗拉强度、优良的导电性及一定的耐热、耐磨性。铜合金在高强度和高导电率之间一直存在矛盾。为了获得高水平的合金性能匹配、且适应大生产条件下的连续塑性加工要求，通常在铜中加入微量Ag、Mg、Mn、Sn等元素，利用固溶强化实现有限降低导电率前提下提高铜材料的强度；或者采用大变形强化技术，利用增加变形量来达到提升强度的效果；但后者所获取的强度容易在产品使用过程中因受热或自然时效而丧失。
发明内容
为满足电气化铁道用接触线日益提升的性能要求，本发明在CuSn合金中添加0.05～0.09％Re，通过"上引-连续挤压-拉拔"工艺，结合特定的工艺参数，可批量制备合金成分为Cu-Sn-RE的150型CuSn合金接触线。对得到的合金进行力学性能和电学性能进行测量，显著提高了接触线抗拉强度和导电率以及其他性能，可满足日益提升的性能匹配需求。
本发明所提供的技术方案如下：
一种掺Re铜锡合金接触线的制备方法，包括以下步骤：在铜锡合金的熔铸过程中，通过保温炉添加Re，然后连铸成上引铜杆，再经连续挤压工艺将上引铜杆挤压成待拉伸杆，最后经四模连续拉伸工艺得到合计成分为Cu-Sn-Re的掺Re铜锡合金接触线，其中，Re的添加量与得到的掺Re铜锡合的重量百分比为0.05～0.09％。
上述技术方案将0.05～0.09％的Re加入铜合金中，可以消除铸态树枝晶组织，并且得到细小均匀的等轴晶粒；合金材料抗拉强度和导电率显著提升，并且大大降低上引杆坯花心和开裂等缺陷的发生概率。Cu-Sn-Re合金接触线抗拉强度和导电率显著提升，相比于Cu-Sn合金接触线综合性能有了较大幅度的提高。
具体的：
上引铜杆的规格为
Figure BDA0003469274480000021
待拉伸杆的规格为
Figure BDA0003469274480000022
掺Re铜锡合金接触线的规格为150型铜锡合金接触线。
具体的，连铸成上引铜杆的工艺参数为：保温铜液温度1140～1160℃、进出水温差6～10℃、牵引速度为320～340mm/min，冷却水流量1600L/h，水压0.26Mpa。
本发明还提供了上述制备方法制备得到的掺Re铜锡合金接触线。
具体的：
抗拉强度小于或等于445MPa；
导电率小于或等于85.6％IACS。
上述技术方案将0.05～0.09％的Re加入铜合金中，可以消除铸态树枝晶组织，并且得到细小均匀的等轴晶粒；合金材料抗拉强度提升至175MPa，导电率提升至84％IACS，并且大大降低上引杆坯花心和开裂等缺陷的发生概率。Cu-Sn-Re合金接触线抗拉强度达到445MPa，导电率提升到85.6％IACS，相比于Cu-Sn合金接触线综合性能有了较大幅度的提高。
本发明在熔铸过程中添加微量Re可以明显改善CuSn合金上引杆组织结构，能细化铸杆晶粒，提升其抗拉强度和导电率。同时添加微量Re后，大大降低了连铸过程中各种缺陷发生的情况。
具体实施方式
以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
1.合金成分
1.1铜锡合金成分
铜合金材料分别为电解铜、锡锭和稀土中间合金。采用标准阴极铜，成分为：99.00％；锡锭(化学成分：Sn≥90.90％)，添加稀土为La-Ce混合稀土(中间合金)；添加B为中间合金。表1为本专利采用的铜锡合金成分。
表1铜锡合金成分
合金 Re B Sn Cu 杂质(小于)
Cu-Sn - - 0.3 余量 0.1
Cu-Sn-B 0.05 0.25 余量 0.1
Cu-Sn-Re 0.05 - 0.25 余量 0.1
1.2配料计算
配制合金时，Cu和Sn全部使用新金属作为原料，Re和B均采用质量分数为10％的中间合金。假设初始投料为300kg，以后每30分钟补充一次原料，使得工频感应炉保温区液面保持有效高度。
Cu-0.25Sn-0.05Re合金的配料比为：Cu：99.7％，Sn：0.25％，Re：0.05％配料中所需铜-稀土中间合金质量为：Cu-Re中间合金1.5kg，另需配纯金属数量为：0.75kg的锡，297.75kg的铜。
同理，Cu-0.25Sn-0.05B合金配料与之相同，300kg时所需的配料为：Cu-B中间合金1.5kg，锡0.75kg，铜297.75kg。
2.补料
在熔铸过程中，随着上引的进行，熔液液位不断下降，为了使得保温区金属液位稳定，需要定时补料。采用两个杆头，上引速度为340mm/min，铸杆直径为
Figure BDA0003469274480000041
合金密度约为8.89g/cm3。每30min需要补料的质量为57kg，其中：中间合金质量0.285kg，锡0.1425kg，电解铜56.5725kg。
采用标准阴极铜，成分为：Cu>99.0％；锡锭化学成分：Sn>99.9％；添加稀土为La-Ce混合稀土(中间合金)；添加硼为中间合金。如表1所示，为本专利所用铜锡合金成分。
合金上引连铸杆试制工艺参数为保温铜液温度1140～1160℃、进出水温差6～10℃、牵引速度为320～340mm/min，冷却水流量1600L/h，水压0.26Mpa。分别截取若干500mm铜杆胚料并经过简单的机械处理后测得两组试样的力学参数与电性能(平均值)，如表所示，可知添加稀土元素后，铜锡合金上引杆的综合性能得到优化，拉断能力提升了8.6％，电阻率降低了10.34％，导电率提高了11.53％。加入适量稀土元素能提升铸态上引杆强度并且显著提升导电性。
3.微量Re对上引杆性能的影响
两组不同成分铜锡合金杆分别取5组试样，每组两个试样，分别用于测量其抗拉强度和导电率。前者每隔1小时取一组样，后者自添加微量稀土30分钟后取第一组样，以后每隔1小时取一组样。铜合金试样截取长度为300mm，并经简单的机械处理后分别用相应测量设备进行测量。得到其机械性能分别如表2、表3所示。
表2 Cu-Sn和Cu-Sn-Re的拉断力和电阻率
Figure BDA0003469274480000042
Figure BDA0003469274480000051
表3 Cu-Sn和Cu-Sn-Re的机械性能比较
拉断力KN 抗拉强度MPa 电阻率Ωmm2/mm 相对电导率％IACS
Cu-Sn 51 162 0.02262 76.21
Cu-Sn-Re 55.42 176 0.02028 85.0
4.接触线成品综合性能比较
通过性能测试，并将生产的Cu-Sn-Re、Cu-Sn合金接触线，以及现行((TB/T2809-2005中华人民共和国铁道行业标准》和新铁标进行对比，见表4。相比于现行(TB/T2809-2005中华人民共和国铁道行业标准》，某企业正常生产的Cu-Sn合金接触线各项性能指标均超过其要求，抗拉强度达到431MPa，导电率到75.81％lACS。但相比于新铁标，其抗拉强度虽然刚好符合不低于430MPa最低要求。但是其导电率却未达到不低于80％IACS的标准，有很大提升空间。添加微量稀土元素后，Cu-Sn-Re合金接触线抗拉强度提升到450MPa，相比于前者提升了4.65％。超越了现行铁路接触线标准并且达到了新铁标要求。其导电率为85.0％IACS，相比于前者提升了11.3％。远远超过了现行铁路接触线标准并且也远超过了新铁标不低于80％IACS的要求。由此可得出，添加微量稀土元素后，适当提高了接触线抗拉强度，显著提高了接触线导电率，其综合性能远超越现行(TB/T2809-2005中华人民共和国铁道行业标准》要求。而现有技术中也有通过降低Sn含量和提高冷加工率的方法来达到力学电学性能双项提高的目的，但却牺牲了合金的软化温度，降低了产品使用的疲劳寿命。CuSn合金的稀土化处理既能提高合金的综合性能，又能降低接触线生产的工艺风险。
表4接触线综合性能对比
Figure BDA0003469274480000061
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种掺Re铜锡合金接触线的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：在铜锡合金的熔铸过程中，通过保温炉添加Re，然后连铸成上引铜杆，再经连续挤压工艺将上引铜杆挤压成待拉伸杆，最后经四模连续拉伸工艺得到合计成分为Cu-Sn-Re的掺Re铜锡合金接触线，其中，Re的添加量与得到的掺Re铜锡合的重量百分比为0.05～0.09％，Re分多次连续添加。
2.根据权利要求1所述的掺Re铜锡合金接触线的制备方法，其特征在于，其特征在于：
上引铜杆的规格为
Figure FDA0003469274470000011
待拉伸杆的规格为
Figure FDA0003469274470000012
掺Re铜锡合金接触线的规格为150型铜锡合金接触线。
3.根据权利要求1或2所述的掺Re铜锡合金接触线的制备方法，其特征在于：连铸成上引铜杆的工艺参数为：保温铜液温度1140～1160℃、进出水温差6～10℃、牵引速度为320～340mm/min，冷却水流量1600L/h，水压0.26Mpa。
4.一种根据权利要求1至3任一所述的制备方法制备得到的掺Re铜锡合金接触线。
5.根据权利要求4所述的掺Re铜锡合金接触线，其特征在于：
抗拉强度小于或等于445MPa；
导电率小于或等于85.6％IACS。
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