CN111575526B - 电气化铁路用铜硒接触线及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

一种电气化铁路用铜硒合金接触线及其制备工艺，所述铜硒合金接触线成分范围如下：硒0.30％‑0.80％(wt.％)，稀土元素0.03％‑0.08％(wt.％)，锆≤0.04％(wt.％)，杂质元素≤0.05％(wt.％)，余量铜。所述铜硒合金接触线是采用高频熔炼炉熔炼结合上引连铸快速冷却的方式得到铜硒合金铸杆，通过连续挤压和多道次拉拔冷加工工艺得到。本发明所获得的铜硒合金接触线具有优异的导电性和高的抗拉强度，完全符合电气化铁路接触线高强高导的要求。

Description

电气化铁路用铜硒接触线及其制备工艺

技术领域

本发明总体涉及高速铁路用接触网线材料，尤其涉及一种高速铁路用铜硒合金接触线及其生产工艺。

背景技术

目前我国高速铁路用接触网线材料主要有Cu-Ag、Cu-Mg、Cu-Sn三种，随着电气化铁路的快速发展以及人们对出行速度的高要求，迫切需要发展更高效更快速的新一代铁路干线，但是Cu-Sn合金虽然导电性较好但是强度很难达到高强度标准无法适用于时速300km/h以上的运营速度；Cu-Mg合金具有良好的抗拉强度可以满足高速铁路接触线强度要求，但是由于较低导电率的限制依然无法满足高速铁路取流标准。据计算当列车速度达到380km/h时高速铁路接触线的线波动速度596km/h，因此获得较大波动速度的有效措施是加大工作张力减轻接触线重量；同时高速列车快速行进的同时要求1000A以上平稳的取流效果，因此要求接触线具有良好的导电性和较大的载流量。因此得出满足未来快速铁路的接触线首先需要满足高的抗拉强度以满足列车运行时接触线波动带来的工作张力，其次接触线需要有良好的导电性以获得平稳的取流效果。

2005年日本首次在北京展会上带来了Cu-Cr-Zr时效强化型新型合金材料，具有优良的综合性能，但是Cu-Cr-Zr时效强化型新型合金存在许多缺点导致目前仍无法大规模使用Cu-Cr-Zr合金，首先制作成本高昂，与铜镁、铜锡、铜银等固溶强化型合金不同，Cu-Cr-Zr合金需要时效强化，因此会使用热处理相关设备，投入加大；其次Cr、Zr合金元素烧损严重普通熔炼炉难以实现上引连铸；最后Cu-Cr-Zr合金属于析出强化型合金，固溶时效处理工艺还不成熟等一系列因素严重限制了Cu-Cr-Zr合金在接触线行业的应用。

本发明获得的铜硒合金具有优异的综合性能，除了具有优异的导电性和强度表现极佳外还具有良好的切削加工性。实施案例1中经过测试铜硒合金接触线材料的导电性为91％IACS，抗拉强度540MPa以上，未来在快速铁路行业具有广阔的应用前景。

发明内容

本发明针对现有电气化铁路用接触线技术存在的不足，弥补了国内铜硒合金接触线生产工艺空白，提供了一种高强高导电铜硒合金接触线及其制备工艺。

本发明的特点是以硒元素代替镁、锡、银元素采用高频熔炼炉熔炼，并用石墨鳞片双层覆盖金属液表面以防止氧化，并采用上引连铸的方式结合快速冷却得到铜硒合金铸杆，之后经过连续挤压和在线固溶得到挤压杆，最后通过多道次拉拔之后获得铜硒合金成品接触线。该产品不仅满足TB/T2809-2017规定的接触线晶粒度的要求，也符合新一代铁路接触线高强高导的特性，同时硒元素具有环保无污染等优点。

本发明技术方案如下：本发明所获得铜硒合金接触线，其有效合金元素有Se、稀土元素RE、微量元素Zr和余量铜，采用高频熔炼炉熔炼结合上引连铸快速冷却的方式得到铜硒合金铸杆，通过连续挤压和多道次拉拔冷加工工艺得到铜硒合金接触线。

本发明提供的铜硒合金接触线材料各元素含量如下：

硒：0.30-0.80％(wt.％)

锆：≤0.04％(wt.％)

稀土元素：0.03％-0.08％(wt.％)

不可避免的杂质：≤0.05％(wt.％)

余量Cu。

本发明提供的高强高导铜硒合金接触线制备工艺具体步骤如下：

步骤一：准备原料阴极铜板、铜硒中间合金、铜锆中间合金和稀土铜中间合金，根据目标合金成分计算配比。

步骤二：熔炼前需要对阴极铜板表面油污、铜绿清理干净，放入熔炼炉前需要对原材料进行烘烤，待铜板熔化之后根据硒、锆、稀土元素含量将称量好的二元合金放入炉内，每次放入铜板之后都要进行覆盖石墨；结晶器利用虹吸作用将金属液吸入并结合快速冷却在牵引轮的牵引下得到铜硒合金铸杆。

步骤三：采用连续挤压机对铜硒合金铸杆进行挤压，连续挤压前端设置有中频感应加热装置，后端设置有在线固溶通道，挤压之前需要调整压实轮下压量和模腔间隙；合金铸杆经预热后进入模腔间隙，挤出杆通过在线固溶通道固溶处理后再进入冷却水槽进行降温处理，得到细晶组织挤压杆。

步骤四：经过多道次冷拉拔成型得到细晶组织的铜硒接触网线材。

具体情况下，步骤二中：结晶器采用的是石墨结晶器，并在石墨结晶器内壁涂有含锆元素的涂层，插入铜液前要烘烤1-2h，结晶器插入铜液深度150-200mm。牵引速度约200-300mm/min，冷却水流量约35-40L/min。

具体情况下，步骤三中，挤压操作前，挤压轮槽中预先压入底铜，压入轮槽的底铜使用的是纯铜杆加热至700℃-900℃，挤入轮槽前需要去除表面氧化皮，首尾相接依次压入轮槽。通过压入底铜来增加摩檫力，增强对合金铸杆的卷入能力。

具体情况下，步骤三中，连续挤压机杆坯进料口设置有长约500mm左右的中频感应加热装置，杆坯缓慢经过该装置，加热温度约300-400℃左右实现热挤，其作用主要是软化杆坯减小挤压难度，其次还能提高挤压工装寿命。

具体情况下，步骤三中，连续挤压机主要包括上下同轴线设置的压实轮和挤压轮，在压实轮和挤压轮后侧设置有靴座，靴座内侧设置弧形挡板，靴座下方设置有分流模，分流模前方设置有挡料块，挡料块紧挨挤压轮；分流模后方设置有在线固溶通道，在线固溶通道中设置有加热装置，在线固溶通道后方为冷却水池。

具体情况下，步骤三中，连续挤压机后端设置有在线固溶通道，通道中层缠绕有电阻丝，其效果等同于热处理炉，通道温度控制在500-600℃之间，目的在于连续挤压过程中能够有效的发生再结晶得到细晶组织，其次是为了硒能够更多的固溶到铜基体内。

本发明的有益效果为：

1.新型高强高导铜硒接触线。如本发明实施案例中铜硒合金导电率91％IACS，抗拉强度540MPa。

2.本发明以Se代替Mg\Sn\Ag元素，降低了制造成本改善了铜合金切削加工性，易于加工成型。

3.铜硒接触线与铜锡、铜镁、铜银相比较，铜硒合金无论是抗拉强度还是导电率均优异。完全可以满足未来电气化铁路的发展需求。

4.本发明开拓了硒的新用途，弥补了国内铜硒在接触线行业的空白，同时为电气化铁路高强高导接触网线提供了新的材料和发展方向。

5.铜硒合金属于固溶型强化合金，铜硒合金接触线加工与铜铬锆合金相比，加工工艺简单，更容易实现批量化生产，工艺稳定性更高。

附图说明

图1为本发明中上引连铸结晶器结构示意图。

图2为本发明中连续挤压机结构示意图。

图3为本发明中分流模结构示意图。

具体实施方式

一、铜硒合金材料的制备及性能评价

实施例1

以最终合金产品组分Cu-0.21Se-0.02Zr-0.063％Re(wt.％)为例，具体实施措施如下：

1、准备材料

铜硒二元合金、铜稀土合金和铜锆合金以及高纯度铜；并且将熔炼所需器材准备齐全，如坩埚、浇铸模具、配制涂料等等；

2、计算配比

根据合金成分含量计算所需用料，坩埚容量以1000g计算。所需合金重量如下:

铜硒合金：11g

铜锆合金：1g

铜稀土合金：3g

铜：余量

由于实际熔炼过程各元素由于活性不同导致元素会有少量烧损，因此各元素配比应根据具体烧损情况和熔炼工艺、操作方法的不同适量增加合金用量。

3、熔炼浇铸

将坩埚放入烘箱中200℃-300℃预热1-2h之后表面涂涂层，再次烘烤直至坩埚表面涂层均匀不起皮不脱落为止；熔炼之前将准备好的原材料铜合金块放入热处理炉中，设置温度200-300℃烘烤1-2h左右，之后依次将烘烤过后的合金放入石墨坩埚；采用高频真空炉熔炼合金，设置温度约1100℃-1200℃左右，待合金全部熔化之后保温约30min左右准备浇铸；浇铸前需要对浇铸模具进行250℃-300℃烘烤1-2h，并在表面涂上涂层至表面涂层均匀不脱落为止；浇铸时应一直通惰性保护气，浇铸完成之后待缓慢冷却之后取出合金块。

4、等通道转角挤压

将所得的铜硒合金铸锭切成挤压试样尺寸19.5×19.5×45mm。将铜硒合金试样表面涂上石墨乳并在挤压模具的腔体内均匀涂上石墨乳，放入挤压模具之后与挤压模具共同加热至500℃-600℃，保温15min-30min左右进行一道次和多道次挤压。

将挤压之后的铜硒合金试样切成标准哑铃状拉伸试样进行拉伸测试，得到铜硒合金抗拉强度约500MPa。随后取小试样磨成金相试样，用便携式测试装置进行导电率测试，得到导电率86.5％IACS。

实施例2

以最终合金产品组分Cu-0.31Se-0.04Zr-0.062％Re(wt.％)为例，根据合金成分含量计算所需用料，坩埚容量以1000g计算。所需合金重量如下:

铜硒合金：15.5g

铜锆合金：2g

铜稀土合金：3g

铜：余量

具体工艺步骤同实施例1。

将挤压之后的铜硒合金试样切成标准哑铃状拉伸试样进行拉伸测试，得到铜硒合金抗拉强度540MPa。随后取小试样磨成金相试样，用便携式测试装置进行导电率测试，得到导电率91％IACS。

实施例3

以最终合金产品组分Cu-0.42Se-0.04Zr-0.042Re(wt.％)为例，根据合金成分含量计算所需用料，坩埚容量以1000g计算。所需合金重量如下:

铜硒合金：21g

铜锆合金：2g

铜稀土合金：2.1g

铜：余量

具体工艺步骤同实施例1。

将挤压之后的铜硒合金试样切成标准哑铃状拉伸试样进行拉伸测试，得到铜硒合金抗拉强度560MPa。随后取小试样磨成金像试样，用便携式测试装置进行导电率测试，得到导电率85％IACS。

实施例4

以最终合金产品组分Cu-0.50Se-0.02Zr-0.045Re(wt.％)为例，根据合金成分含量计算所需用料，坩埚容量以1000g计算。所需合金重量如下:

铜硒合金：25g

铜锆合金：1g

铜稀土合金：2.3g

铜：余量

具体工艺步骤同实施例1。

将挤压之后的铜硒合金试样切成标准哑铃状拉伸试样进行拉伸测试，得到铜硒合金抗拉强度571MPa。随后取小试样磨成金像试样，用便携式测试装置进行导电率测试，得到导电率85％IACS。

实施例5

以最终合金产品组分Cu-0.72Se-0.04Zr-0.024Re(wt.％)为例，根据合金成分含量计算所需用料，坩埚容量以1000g计算。所需合金重量如下:

铜硒合金：36g

铜锆合金：2g

铜稀土合金：2.1g

铜：余量

具体工艺步骤同实施例1。

将挤压之后的铜硒合金试样切成标准哑铃状拉伸试样进行拉伸测试，得到铜硒合金抗拉强度585Mpa。随后取小试样磨成金像试样，用便携式测试装置进行导电率测试，得到导电率82％IACS。

实施例6

以最终合金产品组分Cu-0.90Se-0.04Zr-0.030Re(wt.％)为例，根据合金成分含量计算所需用料，坩埚容量以1000g计算。所需合金重量如下:

铜硒合金：45g

铜锆合金：2g

铜稀土合金：1.5g

铜：余量

具体工艺步骤同实施例1。

将挤压之后的铜硒合金试样切成标准哑铃状拉伸试样进行拉伸测试，得到铜硒合金抗拉强度501MPa。随后取小试样磨成金像试样，用便携式测试装置进行导电率测试，得到导电率83％IACS。

本发明分别进行了Se含量在0.3-0.8％(wt.％)和Se含量在0.3-0.8％(wt.％)以外的铜硒合金性能研究，通过对以上实施例所得到的铜硒合金试样的抗拉强度和导电率测试结果分析得出结论：当Se含量高于0.3-0.8％(wt.％)，或者低于0.3-0.8％(wt.％)时，发现铜硒合金无法达到最佳的性能。

二、铜硒合金接触线的生产工艺

以上述第一部分得到的最佳合金元素成分来作为铜硒合金接触线的原料配比基础，具体如下：硒0.30％-0.80％(wt.％)，稀土元素0.03％-0.08％(wt.％)，锆≤0.04％(wt.％)，杂质元素≤0.05％(wt.％)，余量铜。

铜硒合金接触线的具体生产工艺为：

(1)步骤一：准备原料阴极铜板、铜硒中间合金、铜锆中间合金和稀土铜中间合金(稀土元素主要为铈和/或镧)，根据合金成分计算配比。

(2)步骤二：熔炼前需要对阴极铜板表面油污、铜绿等清理干净，放入熔炼炉前需要对原材料进行烘烤10-20min，待铜板熔化之后根据硒、锆、稀土元素含量将称量好的二元合金放入保温炉腔内，目的是减少合金元素的烧损；每次放入铜板之后都要用石墨覆盖，石墨厚度约50-100mm，石墨均经过S、P含量检测之后，且低于标准值方可使用；利用结晶器虹吸作用将铜液吸入并结合快速冷却在牵引轮的牵引下得到Φ20～Φ30mm铜硒合金铸杆，牵引速度约200-300mm/min，冷却水流量约35-40L/min。

(3)步骤三：连续挤压开始前需要将模具在500℃炉内烘烤2-3h，挤压之前需要调整压实轮下压量和模腔间隙，并在挤压轮槽中压入底铜；调整感应加热装置的温度约300-400℃以及在线固溶通道温度约500-600℃，挤出杆通过冷却水槽进行降温处理，挤压之后得到Φ25～Φ30mm细晶组织挤压杆，平均晶粒尺寸≤0.030mm。

(4)步骤四：经过多道次冷拉拔成型得到120mm²和150mm²高强度高导电细晶组织的铜硒接触网线材，拉拔过程中需要乳化液润滑降温并全程开启探伤仪进行成品接触线检测。

具体情况下，步骤二中采用的上引连铸结晶器结构如图1所示，其中结晶器采用石墨模4，外周采用隔热保护套3，石墨模4和隔热保护套3之间通冷却水。金属液2在结晶器的虹吸作用下向上引出，经快速冷却后形成合金铸杆1，通过外部的牵引轮连续引出至连续挤压机。

具体情况下，步骤三中采用的连续挤压机结构如图2所示，该连续挤压机主要包括上下同轴线设置的压实轮8和挤压轮11，在压实轮8和挤压轮11前侧设置有中频感应加热设备9，在压实轮8和挤压轮11后侧设置有靴座6，靴座6内侧设置弧形挡板7，靴座6下方设置有分流模5，分流模5前方设置有挡料块12，挡料块12紧挨挤压轮11；分流模5后方设置有在线固溶通道15，在线固溶通道15中设置有加热装置，在线固溶通道15后方为冷却水池。参见图3，分流模5的空腔直径前大后小，锥度为5-10°。分流模5前后可以分别设置有前合金镶块13和后合金镶块14，组成整套挤压模具。连续挤压机采用可拆卸式合金镶块，目的是便于更换磨损合金块。

步骤三中，连续挤压机前端设置长约500mm左右的中频感应加热装置，杆坯缓慢经过该装置，加热温度约300℃左右实现热挤，其作用主要是软化杆坯减小挤压难度，其次还能提高挤压工装寿命。

步骤三中，挤压开始前先在挤压轮槽中压入底铜，压入轮槽的底铜使用的是纯铜杆，加热至700℃-900℃左右，挤入轮槽前需要去除表面氧化皮，首尾相接依次压入轮槽。通过压入底铜来增加摩檫力，增强对合金铸杆的卷入能力。

步骤三中，在线固溶通道中缠绕有电阻丝，其效果等同于热处理炉，通道温度控制在500-600℃之间，目的在于连续挤压过程中能够有效的发生再结晶得到细晶组织，其次是为了硒能够更多的固溶到铜基体内。

步骤四中，挤压杆坯经过多道次拉拔得到截面积为120mm²或150mm²的铜硒合金接触线，拉拔过程中进行无损探伤检测，检测铜硒合金接触线表面是否有起皮或者有微裂纹等缺陷，拉拔模具模角范围5-15°，每道模具角度依次减小。

实施例7

一种高速铁路用铜硒合金接触线制备工艺，铜硒合金接触线截面积为120mm²，它包含以下步骤：

步骤一：计算合金配比。由于熔炼过程中合金会有部分烧损，应根据各元素烧损情况适当增加合金用量，以保证所得铜硒合金铸杆成分为目标合金。

步骤二：计算配比之后，准备原材料标准阴极铜、铜硒二元合金、铜锆合金和铜稀土合金，并清理阴极铜板表面铜绿和污垢。

步骤三：将阴极铜烘烤10-15min后投入高频熔炼炉内，并覆盖石墨鳞片厚度100mm，防止铜液氧化；待铜板熔化之后依次将称量好的铜硒中间合金、铜锆合金、铜稀土合金投入炉中。将结晶器烘烤1-2h后放入铜液中，插入深度180mm，利用结晶器虹吸作用并结合快速冷却的方式，通过牵引轮作用将合金铸杆引出，此时牵引轮速度230mm/min，冷却水速度35L/min，得到晶粒细小组织均匀的铜硒合金铸杆。

步骤四：连续挤压机工艺。挤压之前需要对挤压模具进行500℃预热处理，调整挤压设备间隙0.9mm，压实轮下压距离7.6mm。调整感应加热装置温度300℃，在线固溶通道温度550℃；连续挤压过程中如果铸杆上石墨较多，则需要用酒精清洗铸杆表面石墨，防止石墨进入轮槽出现挤压不畅；冷却水槽中循环水温度20℃，循环速度50L/min。

步骤五：冷拉拔成型。利用冷拉拔机对挤压坯料进行5道次冷拉拔成型，冷拉拔过程中需要用润滑剂进行润滑降温，并且全程开启探伤仪以检测接触线表面是否存在缺陷，最终得到高强高导铜硒成品接触线，经检测，铜硒合金接触线晶粒度平均尺寸约为20um。

上述实施例只为说明本发明实现的技术效果及技术特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种电气化铁路用铜硒合金接触线，其特征在于：所述铜硒合金接触线最终成分按重量百分比计为：

0.21%硒、0.063%稀土元素、0.02%锆、余量铜；或

0.31%硒、0.062%稀土元素、0.04%锆、余量铜；或

0.42%硒、0.042%稀土元素、0.04%锆、余量铜；或

0.50%硒、0.045%稀土元素、0.02%锆、余量铜；或

0.72%硒、0.024%稀土元素、0.04%锆、余量铜；或

0.90%硒、0.030%稀土元素、0.04%锆、余量铜；

所述铜硒合金接触线是采用熔炼炉熔炼结合上引连铸快速冷却的方式得到铜硒合金铸杆，通过连续挤压和多道次拉拔冷加工工艺得到；

制备工艺步骤如下：

步骤一：准备原料阴极铜板、铜硒中间合金、铜锆中间合金和稀土铜中间合金，根据目标合金成分计算配比；

步骤二：熔炼前需要对阴极铜板表面油污、铜绿清理干净，放入熔炼炉前需要对原材料进行烘烤，待铜板熔化之后根据硒、锆、稀土元素含量将称量好的二元合金放入炉内，每次放入铜板之后都要进行覆盖石墨；结晶器利用虹吸作用将金属液吸入并结合快速冷却在牵引轮的牵引下得到铜硒合金铸杆；

步骤三：采用连续挤压机对铜硒合金铸杆进行挤压，连续挤压前端设置有中频感应加热装置，杆坯缓慢经过该装置，加热温度300-400℃实现热挤；后端设置有在线固溶通道，在线固溶通道温度控制在500-600℃之间，挤压之前需要调整压实轮下压量和模腔间隙；合金铸杆经预热后进入模腔间隙，挤出杆通过在线固溶通道固溶处理后再进入冷却水槽进行降温处理，得到细晶组织挤压杆；

步骤四：经过多道次冷拉拔成型得到细晶组织的铜硒接触网线材；所述铜硒合金接触线平均晶粒尺寸≤0.030mm。

2.根据权利要求1所述的铜硒合金接触线，其特征在于：所述稀土元素为铈和/或镧元素。

3.根据权利要求1所述的铜硒合金接触线，其特征在于：步骤二中，结晶器采用的是石墨结晶器，并在石墨结晶器内壁涂有含锆元素的涂层，插入铜液前要烘烤1-2h，结晶器插入铜液深度150-200mm；牵引速度约200-300mm/min，冷却水流量约35-40L/min。

4.根据权利要求1所述的铜硒合金接触线，其特征在于：步骤三中，挤压操作前，挤压轮槽中预先压入底铜，压入轮槽的底铜使用的是纯铜杆加热至700℃-900℃，挤入轮槽前需要去除表面氧化皮，首尾相接依次压入轮槽。

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