RU2801137C2 - Method for manufacturing a contact wire for high-speed rail transport - Google Patents
Method for manufacturing a contact wire for high-speed rail transport Download PDFInfo
- Publication number
- RU2801137C2 RU2801137C2 RU2021136036A RU2021136036A RU2801137C2 RU 2801137 C2 RU2801137 C2 RU 2801137C2 RU 2021136036 A RU2021136036 A RU 2021136036A RU 2021136036 A RU2021136036 A RU 2021136036A RU 2801137 C2 RU2801137 C2 RU 2801137C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- wire
- temperature
- alloy
- copper
- billet
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к технологии получения контактных проводов высокоскоростной железнодорожной контактной сети из термоупрочняемого (дисперсионно-твердеющего) сплава.The invention relates to a technology for producing contact wires of a high-speed railway contact network from a heat-strengthened (dispersion-hardening) alloy.
Известно, что к проводам контактной сети для высокоскоростного железнодорожного транспорта, в процессе эксплуатации предъявляется, наряду с высокой электропроводностью, ряд основных требований: высокая прочность - для обеспечения повышенной силы натяжения проводов и, соответственно, противодействия активному механическому волновому процессу при высокоскоростной эксплуатации; высокая термостабильность, обеспечивающая условия эксплуатации при кратковременном нагреве проводов до 150°C и низкая скорость ползучести при температуре эксплуатации.It is known that, along with high electrical conductivity, a number of basic requirements are imposed on the wires of the contact network for high-speed rail transport during operation: high strength - to provide increased wire tension and, accordingly, counteract the active mechanical wave process during high-speed operation; high thermal stability, providing operating conditions with short-term heating of wires up to 150°C and low creep rate at operating temperature.
Известен способ изготовления контактных проводов (RU 2236918, МПК В21В 1/46, опубл. 27.09.2004), включающий получение расплава в печи с инертной атмосферой, рабочее пространство которой состоит из трех зон - зоны плавления, зоны легирования и зоны выдачи готового металла, его легирование элементами, имеющими гексагональную или тетрагональную кристаллическую решетку, и вытяжку из расплава литой заготовки требуемого сечения. Последующее формирование из нее профиля провода осуществляют в два этапа - получение прутка волочением со степенью деформации 15-50% и последующей прокаткой прутка со степенью деформации 50-70%. Однако этот метод используют преимущественно для получения катанки и дальнейшего передела - контактного провода из технически чистой меди или деформационно-упрочняемых медных сплавов с малой степенью легирования, например, из сплава Cu-0.2%Sn. Недостатком такой технологии является ограниченная производительность, т.к. идет пошаговая локальная кристаллизации расплава и большие энергетические затраты для поддержания довольно большого объема расплава в жидкой фазе длительное время. По механическим свойствам провода, изготовленные из меди и деформационно-упрочняемых малолегированных медных сплавов, демонстрируют предел прочности не выше 500 МПа, относительную пластичность 3-5% и невысокую термостабильность до 300°С.A known method for the manufacture of contact wires (RU 2236918, IPC V21V 1/46, publ. 09/27/2004), including the production of a melt in a furnace with an inert atmosphere, the working space of which consists of three zones - a melting zone, an alloying zone and a zone for issuing finished metal, alloying it with elements having a hexagonal or tetragonal crystal lattice, and extracting a cast billet of the required cross section from the melt. The subsequent formation of a wire profile from it is carried out in two stages - obtaining a bar by drawing with a degree of deformation of 15-50% and subsequent rolling of the bar with a degree of deformation of 50-70%. However, this method is mainly used to obtain wire rod and further processing - a contact wire from commercially pure copper or work-hardened copper alloys with a low degree of alloying, for example, from an alloy of Cu-0.2% Sn. The disadvantage of this technology is limited performance, tk. there is a step-by-step local crystallization of the melt and high energy costs to maintain a fairly large volume of the melt in the liquid phase for a long time. In terms of mechanical properties, wires made of copper and strain-hardened low-alloy copper alloys demonstrate a tensile strength of not more than 500 MPa, a relative plasticity of 3-5%, and low thermal stability up to 300°C.
Наиболее близким к предлагаемому является способ изготовления электроконтактных проводов из сплавов на основе меди (RU 2540944, МПК В60М 1/13, В21В 1/46 опубл. 10.02.2015), включающий получение расплава медного сплава, подачу сплава в кристаллизатор, кристаллизацию сплава в виде непрерывнолитой заготовки, прокатку упомянутой заготовки непосредственно за кристаллизацией на катанку в условиях, обеспечивающих закалку сплава, старение при 400-500°C и последующее формирование электроконтактного провода.Closest to the present invention is a method of manufacturing electrocontact wires from copper-based alloys (RU 2540944, IPC V60M 1/13, V21V 1/46 publ. continuously cast billet, rolling said billet immediately after crystallization onto a wire rod under conditions that provide hardening of the alloy, aging at 400-500°C and subsequent formation of an electrocontact wire.
Недостатком данного способа является то, что закалка сплава на твердый раствор идет с температуры порядка 800°C путем водяного охлаждения проката в межклетьевом пространстве, т.е. пошагово с постепенным снижением температуры. Однако такой режим обработки противоречит рекомендациям по оптимальной температуре закалки на твердый раствор низколегированных бронз, которая, как правило, происходит единовременно и составляет 900-1000°С. Поэтому эффективность упрочнения от после деформационной термической обработки (старения) катанки недостаточно высока. Другим недостатком является необходимость изготовления провода в два этапа: на первом получать катанку на линии Литейно-прокатного агрегата (ЛПА), а на втором - непосредственно фасонный провод на линии волочения, что увеличивает временные и финансовые затраты на производство, в том числе за счет необходимости использования больших производственных площадей для размещения оборудования.The disadvantage of this method is that the solution quenching of the alloy proceeds from a temperature of about 800°C by water cooling of rolled products in the interstand space, i.e. step by step with a gradual decrease in temperature. However, this mode of processing is contrary to the recommendations on the optimum temperature for solid solution hardening of low-alloy bronzes, which, as a rule, occurs at a time and is 900-1000°C. Therefore, the efficiency of hardening after deformation heat treatment (aging) of wire rod is not high enough. Another disadvantage is the need to manufacture the wire in two stages: at the first stage, to receive the wire rod on the line of the Casting and Rolling Machine (LRA), and on the second stage, directly to the shaped wire on the drawing line, which increases the time and financial costs of production, including due to the need use of large production areas for equipment placement.
Задачей и техническим результатом изобретения является повышение комплекса физико-механических свойств контактного провода для высокоскоростных железнодорожных магистралей при снижении затрат на его изготовление.The objective and technical result of the invention is to increase the complex of physical and mechanical properties of the contact wire for high-speed railway lines while reducing the cost of its manufacture.
Указанный технический результат достигается способом изготовления электроконтактного провода из сплава на основе меди, включающим получение расплава медного сплава, подачу жидкого сплава в кристаллизатор, кристаллизацию сплава в виде непрерывнолитой заготовки, деформацию упомянутой заготовки на катанку, закалку, старение, формирование электроконтактного провода, в котором в отличие от прототипа изготовление провода осуществляют в условиях непрерывного процесса, причем закалку проводят непосредственно после кристаллизации сплава с температуры 1000-1050°C охлаждением воздушно-водяной смесью со скоростью, обеспечивающей формирование пересыщенного твердого раствора хрома в меди с концентрацией не менее 0,2 % вес., далее проводят деформацию заготовки методом равноканального углового прессования по схеме Конформ, совмещенного с выдавливанием, с накопленной степенью деформации не менее е=2,5 при температуре не более 450°C, после чего проводят формирование фасонного профиля контактного провода прокаткой в фасонных валках при температуре 400-450°С и намотку его в бухту, которую погружают в колпаковую печь при температуре 450°С на 1-3 часа для старения с целью достижения окончательных физико-механических свойств контактного провода.The specified technical result is achieved by a method for manufacturing an electrocontact wire from a copper-based alloy, including obtaining a copper alloy melt, supplying a liquid alloy to a mold, crystallizing the alloy in the form of a continuously cast billet, deformation of the said billet into a rolled wire, hardening, aging, formation of an electrocontact wire, in which unlike the prototype, the wire is manufactured under continuous process conditions, and quenching is carried out immediately after the crystallization of the alloy from a temperature of 1000-1050 ° C by cooling with an air-water mixture at a rate that ensures the formation of a supersaturated solid solution of chromium in copper with a concentration of at least 0.2 wt %. ., then the workpiece is deformed by the method of equal-channel angular pressing according to the Conform scheme, combined with extrusion, with an accumulated degree of deformation of at least e = 2.5 at a temperature of not more than 450 ° C, after which the shaped profile of the contact wire is formed by rolling in shaped rolls at temperature of 400-450°C and winding it into a coil, which is immersed in a bell-type furnace at a temperature of 450°C for 1-3 hours for aging in order to achieve the final physical and mechanical properties of the contact wire.
Технический результат достигается благодаря следующему.Повышенные физико-механические свойства обеспечиваются за счет непрерывного процесса термомеханической обработки с использованием операций закалки на твердый раствор и последующей обработки с использованием принципов интенсивной пластической деформации. При этом за счет предложенных режимов обработки одновременно происходит как увеличение плотности дефектов (дислокациий, вакансий и т.п.), так и измельчение структуры. Кроме того, происходит процесс динамического старения, особенность которого заключается в том, что в условиях деформационной обработки и повышенной температуры увеличивается диффузионная активность атомов хрома, при этом происходит образование мелкодисперсных частиц размером 20-30 нм, которые способствуют торможению движения дислокаций, в результате чего дополнительно увеличивается плотность дефектов. Дополнительное дисперсионное упрочнение и увеличение электропроводности обеспечивается в процессе постдеформационного старения. Таким образом, высокие характеристики прочности обусловлены синергией процессов зернограничного, дислокационного и дисперсионного упрочнения.The technical result is achieved due to the following . Improved physical and mechanical properties are provided by a continuous process of thermomechanical processing using solid solution quenching operations and subsequent processing using the principles of severe plastic deformation. In this case, due to the proposed processing modes, both an increase in the density of defects (dislocations, vacancies, etc.) and a refinement of the structure occur simultaneously. In addition, a dynamic aging process occurs, the peculiarity of which is that under the conditions of deformation processing and elevated temperature, the diffusion activity of chromium atoms increases, while fine particles 20–30 nm in size are formed, which contribute to the deceleration of the movement of dislocations, resulting in additional the density of defects increases. Additional dispersion strengthening and an increase in electrical conductivity are provided in the process of post-deformation aging. Thus, the high strength characteristics are due to the synergy of the processes of grain boundary, dislocation, and dispersion strengthening.
Способ осуществляют следующим образом. The method is carried out as follows .
В условиях непрерывного процесса, получают расплав медного сплава, подают жидкий сплав в кристаллизатор, далее проходит кристаллизация сплава с формированием непрерывнолитой заготовки. Непосредственно после кристаллизации сплава проводят закалку с температуры 1000-1050°C сохлаждением воздушно-водяной смесью со скоростью, обеспечивающей предельные концентрации хрома в меди с содержанием не менее 0,2% вес. Следует учитывать, что пересыщенные растворы характеризуются энергетически крайне неравновесным состоянием и при последующем термо-деформационномвоздействии стремятся понизить энергию системы, например, в нашем случае, путем выделения из матрицы избыточного хрома в виде наночастиц чистого хрома.Under continuous process conditions, a copper alloy melt is obtained, the liquid alloy is fed into the mold, then the alloy crystallizes to form a continuously cast billet. Immediately after crystallization of the alloy, quenching is carried out from a temperature of 1000-1050°C by cooling with an air-water mixture at a rate that ensures the maximum concentration of chromium in copper with a content of at least 0.2% by weight. It should be taken into account that supersaturated solutions are characterized by an energetically extremely nonequilibrium state and, with subsequent thermal deformation, they tend to reduce the energy of the system, for example, in our case, by separating excess chromium from the matrix in the form of pure chromium nanoparticles.
На практике довольно часто используют деформацию при комнатнойтемпературе, котораядополнительно повышает степень энергетической метастабильности. В данных условиях диффузионная активность понижена, т.е. процесс распада пересыщенного твердого раствора, а следовательно, и процесс снижения избыточной энергии, заторможен. При этомповышение плотности дефектов в виде дислокаций и новых границ при измельчении исходных зеренведет к повышению энергии системы. Поэтому деформация при температурах, близких и не превышающих температуру рекристаллизации, экономически более приемлема, так как обеспечивает как измельчение исходной структуры (деформационное упрочнение),так и способствует ускорению диффузионной активности для формирования новых упрочняющих частиц (дисперсное упрочнение). Кроме того, выделение хрома из медной матрицы способствует увеличению электропроводности материала.In practice, deformation at room temperature is often used, which additionally increases the degree of energy metastability. Under these conditions, the diffusion activity is reduced; the process of decomposition of a supersaturated solid solution, and consequently, the process of reducing excess energy, is retarded. In this case, an increase in the density of defects in the form of dislocations and new boundaries during grinding of the initial grains leads to an increase in the energy of the system. Therefore, deformation at temperatures close to and not exceeding the recrystallization temperature is more economically acceptable, since it provides both refinement of the original structure (strain hardening) and accelerates the diffusion activity for the formation of new strengthening particles (dispersion hardening). In addition, the release of chromium from the copper matrix contributes to an increase in the electrical conductivity of the material.
После закалки проводят деформацию заготовки методом равноканального углового прессования (РКУП) по схеме Конформ, совмещенного с выдавливанием, с накопленной степенью деформации не менее е=2,5 при температуре не более 450°C. Деформационная обработка методом РКУП-Конформ, совмещенного с выдавливанием, направлена, во-первых, на повышение комплекса механических свойств за счет измельчения микроструктуры заготовки до ультрамелкозернистого состояния (при е=2,5), а во-вторых на формообразование заготовки для последующей прокатки. Выбор температурного режима основан на том, что деформационный разогрев может достичь критической величины. По своей природе большие деформации идут с активным выделением тепла и способствуют активному повышению температуры в очаге деформации, например, для Конформ процесса эта температура может составлять 300-500 градусов. Поэтому контроль температуры в очаге деформации является важным технологическим фактором, обеспечивающим качество продукции, за счет исключения рекристаллизационных процессов, приводящих к разупрочнению материала. После РКУП-Конформ, совмещенного с выдавливанием, проводят формирование фасонного профиля контактного провода прокаткой в фасонных валках при температуре 400-450°С. Выбор данного температурного режима обусловлен тем, что с учетом величины деформационного разогрева процесс распада пересыщенного твердого раствора при таких температурах происходит наиболее активно и, при этом, температура не будет превышать критического значения (~600°С), при превышении которого происходят процессы рекристаллизации и полигонизации. Полученный прокаткой фасонный провод наматывают в бухту, которую погружают в колпаковую печь при температуре 450°С на 1-3 часа для старения с целью достижения окончательных физико-механических свойств контактного провода. По результатам исследований установлено, что выбранный режим старения ведет к активному дисперсионному упрочнению материала и, при этом, не происходит перестаривания, а соответственно и разупрочнения.After hardening, the billet is deformed by equal-channel angular pressing (ECAP) according to the Conform scheme combined with extrusion, with an accumulated degree of deformation of at least e=2.5 at a temperature of not more than 450°C. Deformation processing by the ECAP-Conform method combined with extrusion is aimed, firstly, at increasing the complex of mechanical properties by grinding the workpiece microstructure to an ultrafine-grained state (at e = 2.5), and secondly, at shaping the workpiece for subsequent rolling. The choice of temperature regime is based on the fact that deformation heating can reach a critical value. By their nature, large deformations go with active heat release and contribute to an active increase in temperature in the deformation zone, for example, for the Conform process, this temperature can be 300-500 degrees. Therefore, temperature control in the deformation zone is an important technological factor that ensures product quality by eliminating recrystallization processes that lead to material softening. After ECAP-Conform, combined with extrusion, the shaped profile of the contact wire is formed by rolling in shaped rolls at a temperature of 400-450°C. The choice of this temperature regime is due to the fact that, taking into account the magnitude of deformation heating, the process of decomposition of a supersaturated solid solution at such temperatures occurs most actively and, at the same time, the temperature will not exceed the critical value (~600°C), above which recrystallization and polygonization processes occur. . The shaped wire obtained by rolling is wound into a coil, which is immersed in a bell-type furnace at a temperature of 450°C for 1-3 hours for aging in order to achieve the final physical and mechanical properties of the contact wire. According to the research results, it was found that the selected aging mode leads to active dispersion strengthening of the material and, at the same time, there is no overaging, and, accordingly, softening.
Пример осуществления изобретения. An example of the invention .
В качестве исходного материала была взята термоупрочняемая бронза, легированная хромом - Cu-1.1%Cr. Была использована заготовка после стадии кристаллизации. Заготовка прямоугольного сечения с размерами 24×48 мм была нагрета до температуры 1000±10°С, затем проведен процесс закалки воздушно-водной смесью интенсивным распылением, при этом скорость охлаждения при закалке способствовала формированию пересыщенного твердого раствора с концентрацией хрома в медной матрице 0,2% вес. Контроль концентрации осуществлялся по значениям электропроводности, с использованием правила Маттиссена. Далее проводили деформацию заготовки методом равноканального углового прессования по схеме Конформ, совмещенного с выдавливанием, температурный контроль осуществляли с помощью тепловизора Testo 872, температура заготовки на выходе составила 400-450°С. Заготовка на выходе имела круглое сечение с диаметром 14 мм, площадь поперечного сечения при этом - 155 мм2, накопленная степень деформации составила е=2,8. Далее проводили прокатку в фасонных валках с формированием фасонного профиля провода площадью поперечного сечения 120 мм2 при температуре 380-400°С, с контролем температуры тепловизором Testo 872. Полученный контактный провод был подвергнут постдеформационному старению в печи шахтного типа при температуре 450±10°С в течение 3 часов. Характер сформированной структуры и свойства полученного провода представлены в таблице:Heat-strengthened bronze alloyed with chromium - Cu-1.1% Cr was taken as the starting material. Was used blank after the stage of crystallization. A rectangular billet with dimensions of 24 × 48 mm was heated to a temperature of 1000 ± 10°C, then the process of quenching with an air-water mixture by intense spraying was carried out, while the cooling rate during quenching contributed to the formation of a supersaturated solid solution with a chromium concentration in the copper matrix of 0.2 % weight. The concentration control was carried out according to the electrical conductivity values, using the Matthiessen rule. Next, the billet was deformed by equal-channel angular pressing according to the Conform scheme combined with extrusion; temperature control was carried out using a Testo 872 thermal imager; The workpiece at the exit had a circular cross section with a diameter of 14 mm, the cross-sectional area in this case - 155 mm 2 , the accumulated degree of deformation was e=2.8. Next, rolling was carried out in shaped rolls with the formation of a shaped wire profile with a cross-sectional area of 120 mm 2 at a temperature of 380-400 ° C, with temperature control by a Testo 872 thermal imager. within 3 hours. The nature of the formed structure and the properties of the resulting wire are presented in the table:
Представленные характеристики демонстрируют высокие физико-механические свойства провода, причем, одновременно прочности и пластичности за счет формирования ультрамелкозернистой структуры.The presented characteristics demonstrate high physical and mechanical properties of the wire, and at the same time strength and ductility due to the formation of an ultrafine-grained structure.
Claims (1)
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2021136036A RU2021136036A (en) | 2023-06-08 |
| RU2801137C2 true RU2801137C2 (en) | 2023-08-02 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4491169A (en) * | 1981-10-30 | 1985-01-01 | Etablissments Griset | Apparatus for the continuous casting of products especially of metals, such as copper alloys |
| RU2089334C1 (en) * | 1995-05-17 | 1997-09-10 | Валентин Янович Берент | Method of combined continuous casting and rolling of copper and its alloys |
| RU2540944C1 (en) * | 2013-09-26 | 2015-02-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Electric contact wire manufacturing method and electric contact wire |
| RU2637454C1 (en) * | 2013-12-23 | 2017-12-04 | Виктор Викторович Шигин | Method of combined casting and rolling of copper alloys of copper scrap |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4491169A (en) * | 1981-10-30 | 1985-01-01 | Etablissments Griset | Apparatus for the continuous casting of products especially of metals, such as copper alloys |
| RU2089334C1 (en) * | 1995-05-17 | 1997-09-10 | Валентин Янович Берент | Method of combined continuous casting and rolling of copper and its alloys |
| RU2540944C1 (en) * | 2013-09-26 | 2015-02-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Electric contact wire manufacturing method and electric contact wire |
| RU2637454C1 (en) * | 2013-12-23 | 2017-12-04 | Виктор Викторович Шигин | Method of combined casting and rolling of copper alloys of copper scrap |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5147040B2 (en) | Method for producing copper alloy conductor | |
| JP4479510B2 (en) | Copper alloy conductor, trolley wire / cable using the same, and method for producing copper alloy conductor | |
| JP6533402B2 (en) | Cu-Ni-Si copper alloy sheet, method for producing the same, and lead frame | |
| JP2006193807A5 (en) | ||
| JP6155923B2 (en) | Method for producing copper-silver alloy wire | |
| CN111057888B (en) | Preparation method of high-strength ultrahigh-conductivity copper alloy contact net lead | |
| CN111519116B (en) | Preparation method of large-length solderless copper-chromium-zirconium contact line | |
| JP2017179457A (en) | Al-Mg-Si-BASED ALLOY MATERIAL | |
| JP4380441B2 (en) | Trolley wire manufacturing method | |
| JP2005336549A (en) | Aluminum alloy for conductive wire for automobile, and method for manufacturing wire of the alloy | |
| CN109680194B (en) | Preparation method of high-strength extruded section of Mg-Zn-Sn-Mn alloy | |
| CN114086042B (en) | High-toughness aluminum alloy with multiple mixed crystal structures formed by micro-shear band induction and preparation method and application thereof | |
| JP4497164B2 (en) | Copper alloy conductor and cable using the same | |
| UA121986C2 (en) | Methods for producing titanium and titanium alloy articles | |
| EP1864723B1 (en) | Process for producing continuous magnesium material | |
| JP3948451B2 (en) | Copper alloy material, method for producing copper alloy conductor using the same, copper alloy conductor obtained by the method, and cable using the same | |
| CN112143943B (en) | Preparation method of heat-resistant aluminum alloy conductor | |
| RU2801137C2 (en) | Method for manufacturing a contact wire for high-speed rail transport | |
| RU2685842C1 (en) | Manufacturing method of electric contact wire for high-speed railway transport | |
| JP2017179453A (en) | MANUFACTURING METHOD OF Al-Mg-Si-BASED ALLOY SHEET | |
| CN110872665B (en) | Al-Mg-Si alloy plate | |
| RU2741873C1 (en) | Method of making electric contact wire from heat-strengthened copper-based alloy (versions) | |
| JP2017179456A (en) | Al-Mg-Si-BASED ALLOY MATERIAL | |
| CN115305420A (en) | Method for preparing nano-layer sheet copper-chromium-zirconium alloy through composite plastic deformation | |
| JP2016180130A (en) | Cu-Ni-Si-BASED COPPER ALLOY SHEET MATERIAL AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME, AND LEAD FRAME |