CN114480894A - 一种高强度铜锡合金接触线工业化生产工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高强度铜锡合金接触线工业化生产工艺,它包含以下工艺步骤:步骤一、双熔沟三体熔炼炉熔炼;步骤二、上引连续铸造;步骤三、连续挤压机挤压;步骤四、多道次轧制;步骤五、冷拉拔成型。本发明通过向铜锡合金中添加锌元素,改善合金的流动性,使得合金成分更加均匀,减轻锡的反偏析程度,提高合金的充型能力和补缩能力,减轻疏松;通过对上引连铸和挤压工艺参数的控制,以及轧辊特殊形状的设计和拉拔模具降温腔的应用,进一步提高了产品质量和生产效率,为高强度铜锡合金接触线的批量化稳定生产提供保障;该工艺能够实现大长度连续稳定生产,且成品率高,接触线的抗拉强度达到520MPa以上,导电率保持在70%IACS以上,完全能够满足时速300公里以上高速铁路的应用需求。
Description
技术领域
本发明涉及技术领域,具体涉及一种高强度铜锡合金接触线工业化生产工艺。
背景技术
随着经济与科技的不断发展,电气化铁路正在向高速化不断迈进,这就对铁路接触网提出了更高的要求。为确保高速列车安全运行,要求接触线具有良好的导电、高强度、耐磨以及耐高温等性能和大长度、连续稳定的生产工艺。铜锡合金系接触线具有耐磨性能高、高温稳定性强、合金熔炼相对容易等特点,但其受强度和生产技术的限制,在我国时速300公里以上高速铁路的应用较为罕见,而且大长度连续生产高强度铜锡合金接触线还存在不稳定的问题。
另外,应用于时速300公里以上高强度铜锡合金接触线的工业化生产问题在国内外还鲜有报道。中国专利CN201410262535.6提出通过添加碲、稀土镧元素制备铜锡合金接触线,虽其性能满足标准要求,但需采用真空熔炼技术进行熔炼,生产成本高、操作难度大,且碲元素的加入容易造成材料的加工脆性,大长度连续生产存在问题;中国专利CN201610630068.7通过添加铌、钴、镍、硅等元素制备铜锡合金接触线,合金元素种类多不仅使操作繁琐,而且极易引入杂质使杂质含量难以掌控,严重时杂质含量超标,因而采用该技术难以实现批量化生产。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足,提供了一种适用于时速300公里以上高速铁路高强度铜锡合金接触线的工业化生产工艺,所制备的接触线性能达到行业标准TB/T2809-2017的要求,成品率高,可实现大长度、连续批量化稳定生产。
本发明的目的是这样实现的:
一种高强度铜锡合金接触线工业化生产工艺,它包括以下步骤:
步骤一、双熔沟三体熔炼炉熔炼;向三体熔炼炉的熔炼区加入阴极铜板,并加入干木炭作为覆盖剂,覆盖厚度为80mm~150mm,在保温区加入石墨鳞片覆盖,覆盖厚度为80mm~120mm,中间隔氧仓用干木炭覆盖,厚度为150mm~160mm,并根据熔炼实际工况进行扒渣和搅拌作业,待炉况稳定后加入锡元素以及锌元素,制得铜锡锌合金熔液;
步骤二、上引连铸;将结晶器插入合金熔液保温区中,利用虹吸效应,通过牵引杆将铜杆引出,制得上引杆坯;
步骤三、将上引杆坯经连续挤压机进行挤压,制得挤压杆;
步骤四、将挤压杆经多道次轧机轧制为轧杆;
步骤五、将轧杆经拉拔机进行多道次冷拉成型制得成品。
优选的,所述步骤一中所述的铜锡锌合金熔液中,锌含量为0.02%-0.04wt%,锡含量0.45%~0.55wt%,余量为铜和不可避免的杂质。
优选的,所述步骤一中,熔炼温度控制在1150℃~1200℃。
优选的,所述步骤二中牵引节距控制在3.0mm~3.5mm,上引速度控制在200~400mm/min,结晶器进水温度20℃~40℃。上引杆尺寸为φ25~30mm。通过锌元素的净化作用以及对上引工艺参数的控制,得到成分均匀,晶粒细小的铜锡合金铸造杆坯。
优选的,所述步骤三中压实轮下压量控制在3mm~7mm,挤压轮与模腔的间隙控制在0.40mm~0.80mm。挤压杆尺寸为φ23~26mm。
优选的,所述步骤三中为了防止挤压杆的氧化,挤压杆挤出后经酒精含量为30%的冷却水冷却,进水温度控制在20~40℃,冷却完毕后用压缩空气将挤压杆表面水分吹干。
优选的,所述步骤四中挤压杆经六道次轧机轧制,为了保证在轧制过程中材料不发生扭转变形,前五道次轧辊设计为菱形,最后一道轧辊设计为圆形。
优选的,所述步骤五中为了保证拉拔模具尺寸的稳定,避免因连续生产导致的成品尺寸超差,设有模具降温腔,拉拔模具可浸泡在冷却水中实现快速散热,冷却水温度通过螺杆冷冻机控制。这在一定程度上保证了生产稳定性。
本发明的有益效果是:
本发明在铜锡合金熔液中添加元素锌,锌对铜锡合金的导电率影响极小,且对铜锡固溶体具有强化作用,另外,锌可以改善合金的流动性,使得合金熔液的成分更加均匀;锌还可以减轻锡的反偏析程度,避免锡汗的产生, 防止锡汗等低熔点物质在连续挤压过程中产生过热现象出现裂纹等缺陷;提高合金的充型能力和补缩能力,有助于减轻疏松。
此外,本发明通过对上引连铸和挤压工艺参数的控制,以及轧辊特殊形状的设计和拉拔模具降温腔的应用,进一步提高了产品质量和生产效率,为高强度铜锡合金接触线的批量化稳定生产提供保障。
通过上述生产工艺,能够实现大长度连续批量化稳定生产,且成品率高,接触线的抗拉强度达到520MPa以上,导电率保持在70%IACS以上,完全能够满足时速300公里以上高速铁路的应用需求。
具体实施方式
实施例1:
一种高强度铜锡合金接触线工业化生产工艺,它包括以下步骤:
步骤一、双熔沟三体熔炼炉熔炼。
向三体熔炼炉的熔炼区加入阴极铜板(所述阴极铜板不低于1号标准铜),并加入干木炭作为覆盖剂,覆盖厚度为120mm,在保温区加入石墨鳞片覆盖,覆盖厚度为100mm,中间隔氧仓用干木炭覆盖,厚度为150mm,并根据熔炼实际工况进行扒渣和搅拌作业,待炉况稳定后加入锡元素以及锌元素,待合金原料完全熔化后,保温10min,使元素混合均匀,熔炼温度1160℃,锌含量为0.03wt%,锡含量0.50wt%,余量为铜和不可避免的杂质,制得铜锡锌合金熔液。
步骤二、上引连续铸造。
将结晶器插入合金熔液保温区中,利用虹吸效应,通过牵引杆将铜杆引出,制得合金杆坯,上引杆尺寸为φ25mm。牵引节距3.0mm,上引速度220mm/min,结晶器进水温度20℃。
步骤三、连续挤压机挤压。
将上引杆坯经连续挤压机进行挤压,挤压尺寸为φ24mm。压实轮下压量4mm,挤压轮与模腔的间隙0.50mm。挤压杆挤出后经酒精含量为30%的冷却水冷却,进水温度20℃,冷却完毕后用压缩空气将挤压杆表面水分吹干。进水温度通过螺杆冷冻机控制。
步骤四、多道次轧制。
将挤压杆经六道次轧机轧制为φ20mm轧杆。为了保证在轧制过程中材料不发生扭转变形,前五道次轧辊设计为菱形,最后一道轧辊设计为圆形。
步骤五、冷拉拔成型。
将轧杆经拉拔机进行多道次冷拉成型制得成品。为了保证拉拔模具尺寸的稳定,避免成品尺寸超差,设计了模具降温腔,模具可浸泡在冷却水中实现快速散热。冷却水温度通过螺杆冷冻机控制。这在一定程度上保证了生产稳定性。
实施例2:
一种高强度铜锡合金接触线工业化生产工艺,它包括以下步骤:
步骤一、双熔沟三体熔炼炉熔炼。
向三体熔炼炉的熔炼区加入阴极铜板(所述阴极铜板不低于1号标准铜),并加入干木炭作为覆盖剂,覆盖厚度为120mm,在保温区加入石墨鳞片覆盖,覆盖厚度为100mm,中间隔氧仓用干木炭覆盖,厚度为150mm,并根据熔炼实际工况进行扒渣和搅拌作业,待炉况稳定后加入锡元素以及锌元素,待合金原料完全熔化后,保温10min,使元素混合均匀,熔炼温度1160℃,锌含量为0.03wt%,锡含量0.50%wt%,余量为铜和不可避免的杂质,制得铜锡锌合金熔液。
步骤二、上引连续铸造。
将结晶器插入合金熔液保温区中,利用虹吸效应,通过牵引杆将铜杆引出,制得合金杆坯,上引杆尺寸为φ28mm。牵引节距3.3mm,上引速度300mm/min,结晶器进水温度20℃。
步骤三、连续挤压机挤压。
将上引杆坯经连续挤压机进行挤压,挤压尺寸为φ26mm。压实轮下压量5mm,挤压轮与模腔的间隙0.50mm。挤压杆挤出后经酒精含量为30%的冷却水冷却,进水温度30℃,冷却完毕后用压缩空气将挤压杆表面水分吹干。进水温度通过螺杆冷冻机控制。
步骤四、多道次轧制。
将挤压杆经六道次轧机轧制为φ20mm轧杆。为了保证在轧制过程中材料不发生扭转变形,前五道次轧辊设计为菱形,最后一道轧辊设计为圆形。
步骤五、冷拉拔成型。
将轧杆经拉拔机进行多道次冷拉成型制得成品。为了保证拉拔模具尺寸的稳定,避免成品尺寸超差,设计了模具降温腔,模具可浸泡在冷却水中实现快速散热。冷却水温度通过螺杆冷冻机控制。这在一定程度上保证了生产稳定性。
对比例1:
与实施例1的区别在于,铜锡合金熔液中未添加锌元素。
对比例2:
与实施例1的区别在于:上引杆尺寸为φ20mm,挤压杆尺寸为φ30mm。
对比例3:
与实施例1的区别在于:所述铜锡锌合金熔液中锌含量为0.05wt%,锡含量0.6wt%。
对比例4:
与实施例1的区别在于:所述铜锡锌合金熔液中锌含量为0.01wt%,锡含量0.4wt%。
将实施例1和2、对比例1-4进行性能测试,测试结果如下表:
从上表可知,实施例1和实施例2成品率高,抗拉强度达到520MPa以上,同时导电率保持在70%IACS以上;
对比例1抗拉强度未达到标准要求,上引杆表面易出现锡汗等表面缺陷,导致成品报废,成品率低;
对比例2弯曲性能不合格,且在挤压过程中容易出现表面裂口等缺陷,不良率上升,影响了生产稳定性和生产效率;
对比例3导电率66.8%IACS,不能满足TB/T 2809-2017中导电率≥68%IACS的要求;
对比例4抗拉强度不能满足标准要求,且由于锌的含量过低,上引杆表面易出现轻微锡汗。
综上所述,采用实施例1和实施例2生产的高强度铜锡合金接触线不仅各项机电性能满足要求,可实现大长度连续批量化生产,而且操作简单,生产成本低、成品率高。
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 (9)
1.一种高强度铜锡合金接触线工业化生产工艺,其特征在于:它包括以下步骤:
步骤一、双熔沟三体熔炼炉;向三体熔炼炉的熔炼区加入阴极铜板,并加入干木炭作为覆盖剂,在保温区加入石墨鳞片覆盖,中间隔氧仓用干木炭覆盖,并根据熔炼实际工况进行扒渣和搅拌作业,待炉况稳定后加入锡元素以及锌元素,制得铜锡锌合金熔液;
步骤二、上引连铸;将结晶器插入合金熔液保温区中,利用虹吸效应,通过牵引杆将铜杆引出,制得上引杆坯;
步骤三、将上引杆坯经连续挤压机进行挤压,制得挤压杆;
步骤四、将挤压杆经多道次轧机轧制为轧杆;
步骤五、将轧杆经拉拔机进行多道次冷拉成型制得成品。
2.根据权利要求1所述的一种高强度铜锡合金接触线工业化生产工艺,其特征在于:所述步骤一中所述的铜锡锌合金熔液中,锌含量为0.02%-0.04wt%,锡含量0.45%~0.55wt%,余量为铜和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的锌对铜锡合金的导电率影响极小,且对铜锡固溶体具有强化作用,另外,锌可以改善铜锡合金的流动性,使得合金熔液的成分更加均匀;锌还可以减轻锡的反偏析程度,避免锡汗的产生,防止锡汗等低熔点物质在连续挤压过程中产生过热现象出现裂纹等缺陷;提高合金的充型能力和补缩能力,有助于减轻疏松。
4.根据权利要求1所述的一种高强度铜锡合金接触线工业化生产工艺,其特征在于:所述步骤一中,熔炼温度控制在1150℃~1200℃。
5.根据权利要求1所述的一种高强度铜锡合金接触线工业化生产工艺,其特征在于:所述步骤二中牵引节距控制在3.0mm~3.5mm,上引速度控制在200~400mm/min,结晶器进水温度20℃~40℃。
6.根据权利要求1所述的一种高强度铜锡合金接触线工业化生产工艺,其特征在于:所述步骤三中压实轮下压量控制在3mm~7mm,挤压轮与模腔的间隙控制在0.40mm~0.80mm。
7.根据权利要求1所述的一种高强度铜锡合金接触线工业化生产工艺,其特征在于:所述步骤三中,挤压杆挤出后经酒精含量为30%的冷却水冷却,进水温度控制在20~40℃,冷却完毕后用压缩空气将挤压杆表面水分吹干。
8.根据权利要求1所述的一种高强度铜锡合金接触线工业化生产工艺,其特征在于:所述步骤四中挤压杆经六道次轧机轧制,前五道次轧辊设计为菱形,最后一道轧辊设计为圆形。
9.根据权利要求1所述的一种高强度铜锡合金接触线工业化生产工艺,其特征在于:所述步骤五中设有模具降温腔,模具可浸泡在冷却水中实现快速散热,冷却水温度通过螺杆冷冻机控制。
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