CN114622111B - 一种搭铁接线材料及其制备和加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种搭铁接线材料及其制备和加工方法，属于航空航天、轨道交通等技术领域。该搭铁接线材料，按重量百分比其组成为Cu：59～60％，Pb：1.5～2.5％，Mn：1.0～4.0％，Ni：1～3％，Zn：余量。制备流程为：配料→中间合金制备→“中频电磁搅拌—连续铸造”→法制备合金→预处理→铸锭热处理→锻造→机加工→成品检验、包装、入库。该合金材料的布氏硬度＞120HB；晶粒度8.5级；抗拉强度＞200Mpa；延伸率＞5％；该合金材料易切削、有优良的传热、导电性能，耐蚀性能，良好的机械加工性能及适当的强度。可用作搭铁的接线材料，用于航空航天，轨道交通等工业领域，具有广阔的市场应用前景。

Description

一种搭铁接线材料及其制备和加工方法

技术领域

本发明涉及一种搭铁接线材料及其制备和加工方法，属于航空航天、轨道交通等技术领域。

背景技术

搭铁接线是保证用电设备与车体之间有良好的连接，减少电路的电阻。搭铁接线材料是构成飞机、汽车等电路回路的一部分，在电路中起着十分重要的作用，搭铁接线材料好坏是电控系统和电气装置工作好坏的关键。搭铁接线材料作为极具特殊性能的材料，在航空产品的选材中，占有不可缺少的一席之地。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种搭铁接线材料，有优良的传热、导电性能，耐蚀性能，良好的机械加工性能，使屏内设备屏外设备相连接，方便构成回路，快速实现信号传输，既可以节约导线支出费用，降低成本；又可以减少因过多导线造成的铺线困难、故障点多的问题。还能将交通工具中的静电传递到机身结构进而释放到大气，降低了交通工具爆炸的可能。

一种搭铁接线材料，按重量百分比，其组成为：Cu：59～60％，Pb：1.5～2.5％，Mn：1.0～4.0％，Ni：1～3％，Zn：余量。

本发明的搭铁接线材料中，铅不固溶于铜，在铜中以单质状态分布，可以分布在晶内和晶界，发生相变和再结晶时，晶界的铅可以转移到晶内。因此合金具有较好的塑性，热加工性能优良，铅的质点越细小，分布越均匀，性能越优越；加入1.5～2.5％的Pb有利于加工成型。

细小的高熔点金属元素Ni作为结晶时的非自发形核的异质核心，从而使铜液结晶时晶粒细小，同时高熔点金属元素Ni有净化了铜的基体和晶界的作用。因此加入1.0～3.0％的Ni，可提高黄铜的再结晶温度，形成更细的晶粒，提高合金的力学性能。加入1.0～4.0％的Mn，可显著提高合金的强度和耐蚀性，而不降低其塑性。

上述搭铁接线材料中，按重量百分比，Mn的含量优选为1.0～3.0％，更优选为1.0～2.0％；Ni的含量优选为1～2％。

本发明的另一目的是提供该搭铁接线材料的制备方法及其加工工艺。

上述搭铁接线材料的制备和加工方法，其生产的工艺流程为：中间合金制备—高压氮气保护下“中频电磁搅拌-连续铸造”—“预处理-热处理”—锻造—机加工，包括以下步骤：

(1)制备中间合金：制备Cu-Zn、Cu-Mn、Cu-Ni中间合金；

(2)采用“中频电磁搅拌—连续铸造”法制备合金：按所述的配比备料，将铜、铅、Cu-Zn、Cu-Mn和Cu-Ni中间合金放入连续铸造的坩埚中，在高压氮气保护下加热熔炼和拉铸，熔炼过程中，对合金熔液进行持续的中频电磁搅拌，全部熔化后，进行拉铸，获得铸锭，铸锭规格为直径Φ35～Φ45mm；

(3)预处理—铸锭热处理：对铸锭进行表面预处理，然后再进行热处理；

(4)锻造：热处理后的铸锭进行锻造，采用“镦粗—拔长”工序反复锻造，锻坯规格为直径Φ22～Φ24mm；

(5)机加工：按接线柱图纸进行数控加工，加工率控制在2～10％。

步骤(1)中，所述的Cu-Zn中间合金中，Zn的质量百分比含量为55-65％；Cu-Mn中间合金中，Mn的质量百分比含量为30-40％；Cu-Ni中间合金中，Ni的质量百分比含量为3-10％。

更优选的，所述的Cu-Zn中间合金为Cu-Zn₆₀中间合金，其中锌的含量为60wt％；Cu-Mn中间合金为Cu-Mn₃₅中间合金，其中锰的含量为35wt％；Cu-Ni中间合金为Cu-Ni₅中间合金，其中镍的含量为5wt％。

Cu-Zn中间合金的制备方法，包括如下步骤：向中频感应炉的石墨坩埚内加入铜锭，升温待铜锭熔化后，加入锌锭，使炉温升至使炉温升至800～850℃，充分搅拌，待铜锭、锌锭全部熔清后，浇铸，得到Cu-Zn中间合金。

Cu-Mn中间合金的制备方法，包括如下步骤：向中频感应炉的石墨坩埚内加入铜锭，升温待铜锭熔化后，加入锰块，使炉温升至使炉温升至800～900℃，充分搅拌，待铜锭、锰块全部熔清后，浇铸，得到Cu-Mn中间合金。

Cu-Ni中间合金的制备方法，包括如下步骤：向中频感应炉的石墨坩埚内加入铜锭，升温待铜锭熔化后，加入镍块，使炉温升至使炉温升至1000～1100℃，充分搅拌，待铜锭、镍块全部熔清后，浇铸，得到Cu-Ni中间合金。

原料中，铜锭选用无氧铜，锌锭的纯度大于99.99wt.％，镍块的纯度大于99.99wt.％，锰块的纯度大于99.99wt.％。

本发明制备方法中，先制备中间合金，有利于Ni、Mn等高温元素的添加。

步骤(2)中，备料：按重量百分比备料，Cu：59～60％；Pb：1.6～2.5％；Mn：1.0～4.0％；Ni：1～3％；Zn：余量。

原料中，铜选用无氧铜，铅的纯度大于99.9wt.％。

所述的坩埚为石英坩埚，氮气的压力为0.1-0.3Mpa，加热升温至800～1100℃，中频电磁搅拌的搅拌速度为800-1500r/min；全部熔化后，按照0.015m/s～0.020m/s的拉铸速度进行拉铸，获得铸锭。

“电磁搅拌—连续铸造”法制备合金，电磁搅拌器不仅能防止Pb比重偏析，使Pb能均匀分布在合金液中，还能够明显改善铸坯表面质量、细化晶粒，同时还能减少铸坯内部夹杂及中心疏松。

步骤(3)中，将熔铸后的铸锭，进行表面预处理，预处理为数控机床进行表面铣削，铣去0.01mm-0.02mm合金表面的氧化皮，避免影响后期加工。然后进行热处理，所述热处理为在730℃～850℃下保温20～90min；优选的，将预处理后的铸锭放入退火炉进行热处理，保温温度为750～800℃，保温时间为20～40min。热处理可以锻造前进行。

步骤(4)中，热处理后的铸锭进行锻造，采用中频感应加热锻造炉，材料的始锻温度为720～780℃，优选为730～780℃，终锻温度为600～650℃，采用“镦粗—拔长”工序，在此温度区间内反复锻造，最终得到满足要求的半成品棒材。

步骤(5)中，首先对锻造成型的棒材进行超声无损检测，确定合金内部无缺陷后，根据接线柱图纸采用机加工的方式，加工成型。

机加工后，进行成品检验、包装、入库。

本发明的制备方法及其加工工艺，简单，快速，易加工，容易实现批量化生产。

本发明的优点：

1、本发明方法制造的搭铁接线材料通用性强，适用于多种领域。既可以应用于航空航天、轨道交通领域，又可以应用于电子、电器、通讯产品、医疗器械等领域。

2、使用本发明方法制造的搭铁接线材料，组织细密，塑性好、耐腐蚀、无毒、无污染。

3、本发明方法制造的搭铁接线材料有轻型化、小型化、高密度化等特点。

4、本发明方法制造的搭铁接线材料的工艺简单，生产效率和金属利用率高，成本低，适用于大批量生产。

本发明搭铁接线材料制备方法及其加工工艺，制备流程为：配料→中间合金制备→“中频电磁搅拌—连续铸造”→法制备合金→预处理→铸锭热处理→锻造→机加工→成品检验、包装、入库。该合金材料的布氏硬度：＞120HB；晶粒度8.5级；抗拉强度：＞200Mpa；延伸率：＞5％；该合金材料易切削、有优良的传热、导电性能，耐蚀性能，良好的机械加工性能及适当的强度。因此，可用作搭铁的接线材料，根据相应的需求，加工成飞机、汽车、动车接线柱，用于航空航天，轨道交通等工业领域，具有广阔的市场应用前景。

具体实施方式

下面将结合具体配料计算的实施例对本发明搭铁接线材料及其制备方法作进一步描述。

本发明搭铁接线材料制备方法及其加工工艺，按重量百分比，Cu：59～60％；Pb：1.5～2.5％；Mn：1.0～4.0％；Ni：1～3％；Zn：余量。采用“中间合金制备—高压氮气保护—“中频电磁搅拌—连续铸造”—预处理—锻造—机加工”方法，生产工艺包括以下步骤：(1)Cu-Zn、Cu-Mn、Cu-Ni中间合金制备；(2)“中频电磁搅拌—连续铸造”法制备合金：将熔化后的合金熔液进行“中频电磁搅拌—连续铸造”，铸锭规格为Φ35～Φ45mm；(3)预处理—铸锭热处理：铸锭进行表面处理后在730℃～850℃保温20～90min；(4)锻造：热处理后的铸锭进行锻造,始锻温度为720～780℃，终锻温度为600～650℃，在此温度区间内采用“镦粗—拔长”工序反复锻造，锻坯规格范围Φ20～Φ24mm；(5)机加工：按接线柱图纸进行数控加工,加工率控制在2～10％；(6)成品检验、包装、入库。

以下实施例中搭铁接线材料是通过以下方法制备得到的，具体包括以下步骤：

步骤1：原材料选用

选择原料，其中铜选用无氧铜，锌的纯度大于99.99％，铅的纯度大于99.9％，镍的纯度大于99.99％，锰的纯度大于99.99％。

步骤2：中间合金制备

Cu-Zn₆₀中间合金的熔炼

1)设备：3kg中频感应炉；

2)模具：水冷钢模：15×100×220mm；

3)配料：每炉按3kg配料；

4)操作：向中频感应炉的石墨坩埚内加入铜锭，升温，待铜锭熔化后，加入锌块，使炉温升至使炉温升至800～850℃，充分搅拌，待铅锭、锌锭全部熔清后，扒渣浇铸铸锭。

Cu-Mn₃₅中间合金的熔炼

1)设备：3kg中频感应炉；

2)模具：水冷钢模：15×100×220mm；

3)配料：每炉按3kg配料；

4)操作：向中频感应炉的石墨坩埚内加入铜锭，升温，待铜锭熔化后，加入锰块，使炉温升至使炉温升至800～900℃，充分搅拌，待铜锭、锰块全部熔清后，扒渣浇铸铸锭。

Cu-Ni5中间合金的熔炼

1)设备：3kg中频感应炉；

2)模具：水冷钢模15×100×220mm；

3)配料：每炉按3kg配料；

4)操作：向中频感应炉的石墨坩埚内加入铜锭，升温，待铜锭熔化后，加入镍块，使炉温升至使炉温升至1000～1100℃，充分搅拌，待铜锭、镍块全部熔清后，扒渣浇铸铸锭。

步骤2：合金连续铸造

1)设备：水平连铸机

2)模具：石墨模：Φ40mm；

3)配料：每炉按7.5kg配料；

4)操作：按重量百分比备料：Cu：59～60％；Pb：1.6～2.5％；Mn：1.0～4.0％；Ni：1～3％；Zn：余量。在石英坩埚内加入Cu-Zn、Cu-Ni中间合金和铜锭、Cu-Mn中间合金、纯铅锭后，设定为温度为1000～1100℃，打开保护气体，保护气体为高压氮气，氮气的压力为0.1-0.3Mpa，待合金熔液全部熔化后，设定拉铸速度为0.015～0.020m/s，开始拉铸，获得铸锭。

步骤3：预处理

1)设备：数控机床；

2)操作：将得到的合金铸锭置于数控机床内，进行表面铣削，铣去0.01mm-0.02mm合金表面的氧化皮，避免影响后期加工。

步骤4：锻造

1)设备：中频感应加热锻造炉；

2)操作：将预处理后的铸锭放入锻造炉中，温度：750～800℃，时间：20～40min，材料的始锻温度为730～780℃，终锻温度为600～650℃，通过“镦粗—拔长”工序，在此温度区间内反复锻造，最终得到满足要求的锻坯。

步骤5：机加工

1)设备：超声无损检测仪，数控机床；

2)操作：首先对锻造成型的棒材进行超声无损检测，确保锻坯内部无缺陷，然后将锻造后的合金锻坯置于数控机床和铣床，按接线材料的图纸进行机加工。

实施例1：

(1)水平连铸机的炉量为7kg

加入Cu-Zn₆₀中间合金：4.375kg、Cu-Ni₅中间合金：1.4Kg原料铜：0.92kg、Cu-Mn₃₅中间合金：0.2kg、纯铅锭：0.105kg放入拉铸机石英坩埚进行熔炼，熔炼温度为1000℃，按照0.015m/s的拉铸速度进行拉铸，获得铸锭。整个熔铸过程在氮气保护下进行，在熔炼过程中，对合金熔液进行持续的中频电磁搅拌，搅拌速度为800r/min；待合金熔液全部熔化后，充入氮气，氮气的压力为0.2Mpa，所得即为含Cu：59wt％、Pb：1.5wt％、Ni：1wt％、Mn：1wt％、Zn：余量的合金铸锭。铸锭规格为Φ35mm。

(2)合金铸锭在数控机床进行表面预处理。

(3)将预处理后的铸锭放入锻造炉中，保温温度：750℃，保温时间：40min，材料的始锻温度为730℃，终锻温度为600℃，通过“镦粗—拔长”工序，在此温度区间内反复锻造，最终得到满足要求的半成品棒材，棒材直径为Φ22mm。

(4)按图纸进行机加工，加工率为8％。

实施例2：

(1)合金熔铸时中频感应炉的炉量为7.5kg

加入Cu-Zn₆₀中间合金：：4.4375kg、Cu-Ni₅中间合金：2.25Kg原料铜：0.35kg、Cu-Mn₃₅中间合金：0.32kg、纯铅锭：0.15kg放入拉铸机石英坩埚进行熔炼，熔炼温度为1050℃，按照0.018m/s的拉铸速度进行拉铸，获得铸锭。整个熔铸过程在高压氮气保护下进行，在熔炼过程中，对合金熔液进行持续的中频电磁搅拌，搅拌速度为1100r/min；待合金熔液全部熔化后，充入氮气，氮气的压力为0.25Mpa，所得即为含Cu：59.5wt％、Pb：2wt％、Ni：1.5wt％、Mn 1.5wt％、Zn：余量的合金铸锭。铸锭规格为Φ40mm。

(2)合金铸锭在数控机床进行表面预处理。

(3)将预处理后的铸锭放入锻造炉中，保温温度：780℃，保温时间：30min，材料的始锻温度为750℃，终锻温度为630℃，通过“镦粗—拔长”工序，在此温度区间内反复锻造，最终得到满足要求的半成品棒材，棒材直径为Φ23mm。

(4)按图纸进行机加工，加工率为5％。

实施例3：

(1)合金熔铸时中频感应炉的炉量为8kg

加入Cu-Zn₆₀中间合金：4.6kg、Cu-Ni₅中间合金：2.4Kg原料铜：0.46kg、Cu-Mn₃₅中间合金：0.34kg、纯铅锭：0.2kg放入拉铸机石英坩埚进行熔炼，熔炼温度为1100℃，按照0.020m/s的拉铸速度进行拉铸，获得铸锭。整个熔铸过程在高压氮气保护下进行，在熔炼过程中，对合金熔液进行持续的中频电磁搅拌，搅拌速度为1500r/min；待合金熔液全部熔化后，充入氮气，氮气的压力为0.3Mpa，所得即为含Cu：60wt％、Pb：2.5wt％、Ni：1.5wt％、Mn：1.5wt％、Zn：余量的合金铸锭。铸锭规格为Φ45mm。

(2)合金铸锭在数控机床进行表面预处理。

(3)将预处理后的铸锭放入锻造炉中，保温温度：800℃，保温时间：20min，材料的始锻温度为750℃，终锻温度为650℃，通过“镦粗—拔长”工序，在此温度区间内反复锻造，最终得到满足要求的半成品棒材，棒材直径为Φ24mm。

(4)按图纸进行机加工，加工率为10％。

分别对实施例1-3制备的接线柱材料进行晶粒度、布氏硬度、抗拉强度、延伸率等测试，取得试验数据见表1。

表1实施例1-3制备搭铁接线材料的测试性能

上述实施例中仅仅举出本发明搭铁接线材料部分的实施例，在上述本发明的技术方案中：所述的搭铁接线材料合金中金属元素的含量和锻造中保温、始锻、终锻温度和时间，在规定范围内可自由选择，此处不再一一列举，故以上的说明所包含的技术方案应视为例示性，而非用以限制本发明申请专利的。

Claims (10)

1.一种搭铁接线材料，其特征在于：按重量百分比，其组成为：Cu：59~60%，Pb：1.5~2.5%，Mn：1.5~4.0%，Ni：1.5~3%，Zn：余量；

所述的搭铁接线材料的制备和加工方法，包括以下步骤：

（1）制备中间合金：制备Cu-Zn、Cu-Mn、Cu-Ni中间合金；

（2）采用“中频电磁搅拌—连续铸造”法制备合金：按所述的配比备料，将铜、铅、Cu-Zn、Cu-Mn和Cu-Ni中间合金放入连续铸造的坩埚中，在高压氮气保护下加热熔炼和拉铸，在熔炼过程中，对合金熔液进行持续的中频电磁搅拌；全部熔化后，进行拉铸，获得铸锭，铸锭规格为Φ35～Φ45mm；

（3）预处理—铸锭热处理：对铸锭进行表面预处理，然后再进行热处理；

（4）锻造：热处理后的铸锭进行锻造，采用“镦粗—拔长”工序反复锻造，锻坯规格为Φ20～Φ24mm；

（5）机加工：按接线柱图纸进行数控加工，加工率控制在2～10％。

2.根据权利要求1所述的搭铁接线材料，其特征在于：按重量百分比，Mn的含量为1.0~3.0%，Ni的含量为1~2%。

3.根据权利要求1或2所述的搭铁接线材料的制备和加工方法，包括以下步骤：

（1）制备中间合金：制备Cu-Zn、Cu-Mn、Cu-Ni中间合金；

（2）采用“中频电磁搅拌—连续铸造”法制备合金：按所述的配比备料，将铜、铅、Cu-Zn、Cu-Mn和Cu-Ni中间合金放入连续铸造的坩埚中，在高压氮气保护下加热熔炼和拉铸，在熔炼过程中，对合金熔液进行持续的中频电磁搅拌；全部熔化后，进行拉铸，获得铸锭，铸锭规格为Φ35～Φ45mm；

（3）预处理—铸锭热处理：对铸锭进行表面预处理，然后再进行热处理；

（4）锻造：热处理后的铸锭进行锻造，采用“镦粗—拔长”工序反复锻造，锻坯规格为Φ20～Φ24mm；

（5）机加工：按接线柱图纸进行数控加工，加工率控制在2～10％。

4.根据权利要求3所述的搭铁接线材料的制备和加工方法，其特征在于：所述的Cu-Zn中间合金中，Zn的质量百分比含量为55-65%；Cu-Mn中间合金中，Mn的质量百分比含量为35-45%；Cu-Ni中间合金中，Ni的质量百分比含量为3-10%。

5.根据权利要求4所述的搭铁接线材料的制备和加工方法，其特征在于：Cu-Zn中间合金的制备方法，包括如下步骤：向中频感应炉的石墨坩埚内加入铜锭，升温待铜锭熔化后，加入锌锭，使炉温升至使炉温升至800~850℃，充分搅拌，待铜锭、锌锭全部熔清后，浇铸，得到Cu-Zn中间合金；

Cu-Mn中间合金的制备方法，包括如下步骤：向中频感应炉的石墨坩埚内加入铜锭，升温待铜锭熔化后，加入锰块，使炉温升至使炉温升至800~900℃，充分搅拌，待铜锭、锰块全部熔清后，浇铸，得到Cu-Mn中间合金；

Cu-Ni中间合金的制备方法，包括如下步骤：向中频感应炉的石墨坩埚内加入铜锭，升温待铜锭熔化后，加入镍块，使炉温升至使炉温升至1000~1100℃，充分搅拌，待铜锭、镍块全部熔清后，浇铸，得到Cu-Ni中间合金。

6.根据权利要求3或4所述的搭铁接线材料的制备和加工方法，其特征在于：所述的铜锭为无氧铜，锌锭的纯度大于99.99wt.%，镍块的纯度大于99.99wt.%，锰块的纯度大于99.99wt.%，铅的纯度大于99.9wt.%。

7.根据权利要求3所述的搭铁接线材料的制备和加工方法，其特征在于：所述的坩埚为石英坩埚，高压氮气的压力为0.1-0.3MPa，加热升温至800~1100℃，中频电磁搅拌的搅拌速度为800-1500r/min；全部熔化后，按照0.015m/s~0.020m/s的拉铸速度进行拉铸，获得铸锭。

8.根据权利要求3所述的搭铁接线材料的制备和加工方法，其特征在于：将熔铸后的铸锭，进行表面预处理，预处理为数控机床进行表面铣削，铣去0.01mm-0.02mm合金表面的氧化皮；所述热处理为在730℃～850℃下保温20～90min。

9.根据权利要求3所述的搭铁接线材料的制备和加工方法，其特征在于：热处理后的铸锭进行锻造，采用中频感应加热锻造炉，材料的始锻温度为720~780℃，终锻温度为600~650℃，采用镦粗—拔长工序，在此温度区间内反复锻造，得到满足要求的半成品棒材。

10.根据权利要求3所述的搭铁接线材料的制备和加工方法，其特征在于：首先对锻造成型的棒材进行超声无损检测，确定合金内部无缺陷后，根据接线柱图纸采用机加工的方式，加工成型。