一种铜锡合金接触线及其制备方法
阅读说明：本技术 一种铜锡合金接触线及其制备方法 (Copper-tin alloy contact wire and preparation method thereof ) 是由 张卫波 张剑 李涛 于治亭 闫子贺 高萌 赵东波 于 2021-06-07 设计创作，主要内容包括：本申请具体公开了一种铜锡合金接触线及其制备方法。一种铜锡合金接触线,按重量百分比计,包括以下元素,锡0.5%～0.6%；氧≤0.003%；镧0.005%～0.04%；锆0.001%～0.01%；镧,锆,其他杂质的总重量≤0.10%；余量为铜；其具有机械强度高,导电性能好的优点。一种铜锡合金的制备方法包括：熔炼,上引连铸,挤压成型,拉拔成型。(The application particularly discloses a copper-tin alloy contact wire and a preparation method thereof. A copper-tin alloy contact wire comprises the following elements, by weight, 0.5% -0.6% of tin; oxygen is less than or equal to 0.003 percent; 0.005-0.04% of lanthanum; 0.001 to 0.01 percent of zirconium; the total weight of lanthanum, zirconium and other impurities is less than or equal to 0.10 percent; the balance being copper; it has the advantages of high mechanical strength and good conductivity. The preparation method of the copper-tin alloy comprises the following steps: smelting, upward continuous casting, extrusion forming and drawing forming.)
技术领域
本申请涉及电工合金材料领域，更具体地说，它涉及一种铜锡合金接触线及其制备方法。
背景技术
接触线是指用作电气化铁道接触网中，用于向高速移动的列车供电的一种供电设施。在电气化铁路运行过程中，接触线不仅要承受较大的悬挂张力，同时还经受通过电流时引起的热作用。因此接触线在具有较低电阻率的前提下还需要具有较高的抗拉强度以及耐磨耐腐蚀性能。随着列车的不断提速，对接触线的性能也提出了更高的要求。
相关领域中的接触线常采用铜银合金，铜锡合金，铜镁合金等，并且为了提高接触线的各项参数，接触线在生产过程中还会添加其他的微量元素，如铌、钴、镍、钇、钪、锆、硅、碲等元素，接触线在被这些元素改性后，可以改善接触线的抗拉强度、塑性，电阻率等一系列的参数。
然而多种微量元素在加入的同时，不可避免的会引入更多的杂质，随着微量元素组成的增多，杂质的种类和数量也会不可控的增大，杂质的引入会影响接触线的各项参数，如铁元素的存在会使接触线的电阻率增大；硫、氧、氢等元素的掺杂会导致接触线的塑性变差；铅的混入会降低接触线的抗拉强度以及拉伸性能。因此导致了实际生产中对微量元素的选择难度大，对原料的纯度要求高，生产工艺复杂，不利于工业化大批量生产。
发明内容
为了简化原料配比，便于工业化大批量生产，本申请提供一种铜锡合金接触线及其制备方法。
第一方面，本申请提供一种铜锡合金接触线，采用如下的技术方案：
一种铜锡合金接触线，按重量百分比计，包括以下元素，锡0.5％～0.6％；氧≤0.003％；镧0.005％～0.04％；锆0.001％～0.01％；镧，锆，其他杂质的总重量≤0.10％；余量为铜。
通过采用上述技术方案，通过对铜、锡、镧、锆几种元素的调整，从而制备成的接触线具有更高的抗拉强度以及更长的拉伸率，从而可以应用在铁路段对列车进行供电，尤其是可以应用于300-350km/h的铁路段。并且由于本申请的铜锡合金接触线具有较小的电阻率，减少了铁路电网电力运输时的能量损耗，以及接触线本身的发热现象，提高了接触线的耐久性。该铜锡合金原料组分及配比简单，易于实现，受原料的限制小，便于工业上大批量生产。
优选的，按重量百分比计，所述铜锡合金接触线包括以下元素，锡0.5％～0.6％；氧≤0.003％；镧0.02％～0.04％；锆0.001％～0.01％；镧，锆，其他杂质的总重量≤0.10％；余量为铜。
铜锡合金接触线中镧元素的重量百分比可以是0.03％；锆元素的重量百分比可以是0.005％。
通过采用上述技术方案，镧元素和锆元素的加入可以细化晶粒，从而提高接触线的抗拉强度和延伸率并增强接触线的热稳定性。其中镧元素配比的增大，还可以使得接触线的表面更加光滑，从而减小了制得的接触线在使用过程中的磨损。
第二方面，本申请提供一种铜锡合金接触线的制备方法，采用如下的技术方案：一种铜锡合金接触线的制备方法，包括以下步骤：
熔炼，将原料铜，锡，镧，锆按配比混合加热至1145～1165℃，熔炼；熔炼时原料上方覆盖有木炭和石墨鳞片；
上引连铸，将结晶器插入合金溶液内，结晶器采用水冷却，结晶器进出水温差为5～15℃；连续引铸坯料杆；
挤压成型，将胚料杆置于挤压机内，连续挤压成合金挤压杆；
拉拔成型，将合金挤压杆冷拔成型，拉拔时采用多道成型，每道压缩比为10％～23％。
优选的，熔炼时的温度可以是1145℃、1150℃、1155℃、1160℃、1165℃。
通过采用上述技术方案，原料在熔炉中进行熔炼后采用上引法进行引杆拉拔，从而生产出铜锡合金接触线，整套工序生产连续性强，工作效率高，并且产品的质量稳定。生产过程中熔炼的温度对后期接触线的机械性能以及电学性能具有较大的影响，在合理范围内，接触线的抗拉强度以及电导率随熔炼温度的升高而增大，但是当温度过高时，接触线的各项参数显著降低。
镧元素和锆元素的加入，细化合金晶粒，提高了合金的抗拉强度以及延伸率。当铜锡合金在以不大于23％的压缩比进行冷拔时，铜锡合金的各处均匀伸长，制得的接触线完整光滑；减少了拉拔过程中的接触线内部产生微小裂缝缺陷，从而影响接触线强度的情况。当铜锡合金在拉拔过程中压缩比过大时，容易导致接触线断裂，或者接触线内部产生裂纹，从而影响接触线的性能。
优选的，拉拔过程中可以选用4道拉拔，根据合金挤压杆的直径以及每道拉拔时的压缩比控制所得接触线的直径。
优选的，所述原料铜氧含量不大于0.001％。
通过采用上述技术方案，由于原料铜作为铜锡合金接触线中的最主要的基本组分，通过对原料铜品质的限定，降低了氧元素的掺入，并且减小了其他杂质元素的含量，提高了所制备的铜锡合金的纯度。
优选的，所述木炭厚度为120～150mm；石墨鳞片厚度为80～120mm。
通过采用上述技术方案，木炭与石墨鳞片覆盖在合金溶液上方，对合金溶液进行与外界进行了隔绝，减少了外界杂质尤其是氧元素的掺入，从而提高了合金的质量。
优选的，所述结晶器下端伸入合金液面以下130～180mm。
通过采用上述技术方案，结晶器伸入合金液面下端后，一方面在引杆连铸过程中，结晶器吸取的合金溶液远离合金溶液的表面，从而减少了引铸过程中外界杂质的掺入，另一方面使得引铸时压力更加稳定，减少了铜锡合金坯料杆内部的微小气泡，从而提高了铜锡合金接触线整体的机械强度并减小了接触线的电阻率。
优选的，所述步骤向上连铸中牵引节距为3～5mm，引铸速度180～300mm/min。
通过采用上述技术方案，通过对牵引节距以及引铸速度的限定，使得引铸过程更加均匀、连续，从而提高了铜锡合金胚料杆的品质。
优选的，所述步骤挤压成型前还需要对胚料杆进行清洗、烘干。
通过采用上述技术方案，胚料杆经过清洗烘干后，胚料杆的外壁更加洁净，光滑，平整，从而方便了后期的拉拔成型。
优选的，步骤挤压成型时，挤压机的工作压力为1000～1100MPa，挤压温度450～650℃。
通过采用上述技术方案，挤压机对胚料杆进行挤压，从而进一步的改善了接触线的机械性能，使得接触线的抗拉强度进一步的提高。
综上所述，本申请具有以下有益效果：
1、本申请采用铜、锡、镧、锆，制备出了一种铜锡合金接触线，不仅可以对200-250km/h的铁路段进行适用，还可以对300-350km/h的铁路段进行适用具有强度高，耐磨损，导电性能好等优点。该铜锡合金接触线的原料组分及配比简单，受原料限制小，便于工业上大批量生产。
2、本申请的方法，通过生产工艺以及生产中各项参数的进一步优化，进一步的提高了接触线的各项性能，提高了接触线的性能。
具体实施方式
本申请所用原料均可以通过市售购买获得
本申请所用原料铜选用牌号为c10100(ASTM美国铜合金标准牌号)的铜。
实施例1
一种铜锡合金接触线，采用如下原料制备，高纯阴极铜99.494kg、锡锭0.5kg、镧锭0.005kg、锆锭0.001kg。
实施例2
一种铜锡合金接触线，采用如下原料制备，高纯阴极铜99.425kg、锡锭0.55kg、镧锭0.02kg、锆锭0.005kg。
实施例3
一种铜锡合金接触线，采用如下原料制备，高纯阴极铜99.35kg、锡锭0.6kg、镧锭0.04kg、锆锭0.01kg。
实施例4
一种铜锡合金接触线，采用如下原料制备，高纯阴极铜99.415kg、锡锭0.55kg、镧锭0.03kg、锆锭0.005kg。
实施例5
一种铜锡合金接触线，采用如下原料制备，高纯阴极铜99.415kg、锡锭0.55kg、镧锭0.04kg、锆锭0.005kg。
实施例1-5采用如下方法制备：
熔炼，将原料铜，锡，镧，锆按配比混合加热至1165℃，熔炼；熔炼时原料上方覆盖有木炭和石墨鳞片，木炭厚度为120mm，石墨鳞片厚度为80mm
上引连铸，将结晶器插入合金溶液内，结晶器采用水冷却，结晶器进出水温差为5℃±0.5℃，结晶器下端插入合金液面下方130mm；连续引铸坯料杆，其中牵引节距为3mm，引铸速度180mm/min；
清洁，胚料杆依次经过刷洗机、超声波清洗机、烘干机，进行清洗烘干；
挤压成型，将胚料杆置于挤压机内，连续挤压成合金挤压杆，挤压机的工作压力为1000MPa，挤压温度450℃。
拉拔成型，将合金挤压杆冷拔成型，拉拔时采用4道成型，每道压缩比为10％。
实施例6
与实施例2的不同之处在于本实施例在制备铜锡合金接触线时，熔炼温度为1160℃。
实施例7
与实施例2的不同之处在于本实施例在制备铜锡合金接触线时，熔炼温度为1155℃。
实施例8
与实施例2的不同之处在于本实施例在制备铜锡合金接触线时，熔炼温度为1150℃。
实施例9
与实施例2的不同之处在于本实施例在制备铜锡合金接触线时，熔炼温度为1145℃。
对比例1
一种铜锡合金接触线，由以下原料制备，包括氧含量重量百分比不大于0.001％的高纯阴极铜99.45kg，锡锭0.55kg，其制备方法与实施例2相同。
对比例2
一种铜锡合金接触线，由以下原料制备，包括氧含量重量百分比不大于0.001％的高纯阴极铜99kg，锡锭0.55kg、镧锭0.35kg、锆锭0.1kg，其制备方法与实施例2相同。
对比例3
与实施例4的不同之处在于本实施例在制备铜锡合金接触线时，熔炼温度为1180℃。
性能检测试验
根据中华人民共和国铁道行业标准TB/T 2809-2017公开的检验方法对实施例1-10及制备例1-4所制备的铜锡合金接触线性能进行检测。
检测范围包括：
1、尺寸检测
1.1.尺寸A截面直径(高度)(单位：mm)；
1.2.尺寸B截面宽度(单位：mm)。
2、力学性能
2.1.抗拉强度(单位：MPa)；
2.2.伸长率。
3、导电性能
3.1电阻率(20℃)(单位：Ω·mm2/m)。
抗拉强度、电阻率(20℃)为根据实测的接触线截面积计算所得。
表1实施例1-10及对比例1-4的性能检测
结合实施例1、2、3和对比例1、2并结合表1可以看出，通过控制铜、锡、镧、锆之间用量的配比，制备出的铜锡合金接触线具有更好的抗拉强度以及更低的电阻率，提高了接触线使用的耐久性并且减少了故障率。较低的电阻率减少了接触线通电时的能量损失，并且降低了接触线的发热，进一步的提高了接触线的耐用性。本申请实施例中所制备的铜锡合金接触线可以应用于200～250km/h的路段，同时还可进一步的用于300～350km/h的路段，提高了铜锡合金接触线针对于多种路段的适用性。
结合实施例2、4、5可以看出，随着镧用量的增大，铜锡合金接触线整体的抗拉强度的以及伸长率逐渐增大，说明镧元素的加入的可以有效的提高合金的机械性能。从而使得所制备的接触线可以适用于更多场景。
结合实施例2、6、7、8、9和对比例3可以看出，熔炼温度对于铜锡合金接触线的抗拉强度以及电阻率具有影响。在1145-1165℃的熔炼温度范围内，熔炼温度升高可以提高接触线的抗拉强度并且降低电阻率，并且随着温度的升高，抗拉强度的增量逐渐减小。当熔炼温度过高并达到1180℃时，会导致的接触线的抗拉强度显著降低。可能的原因在于随着熔炼温度的过度升高，容易导致的结晶后的晶粒粗大，并且镧元素和锡元素的烧损严重，从而导致制得的接触线的脆性升高，韧性降低，从而影响铜锡合金的抗拉强度。
本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。