CN105513714B - 一种铜包碳纤维复合导线的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于复合线材制备技术领域的一种铜包碳纤维复合导线的制备方法。该制备方法首先用熔炼炉水平连铸出纯铜或铜合金管坯，然后采用行星轧机轧制出铜包碳纤维复合坯，最后对铜包碳纤维复合坯进行多道次拉拔，形成铜包碳纤维复合导线。用该方法制备出的铜包碳纤维复合导线可作为高铁接触线，既保证了良好的导电性能，又满足了高速列车对接触线抗拉强度的要求，特别是能够很好地满足高铁提速对接触线综合性能的要求，而且该复合导线的生产工艺简单，成本低廉，综合性能优异。
Description
技术领域
本发明属于复合线材制备技术领域，特别涉及一种铜包碳纤维复合导线的制备方法。
背景技术
我国高速电气化铁路到2020年将达到1.2万公里，其中京沪高速铁路运营速度将达到380km/h。接触线作为电气化铁路弓网关系中的重要介质，其作用就是确保列车高速运行时能够持续不断的从牵引供电系统中得到电能，因此必须具备良好的弓网关系。改善弓网关系的重要手段之一就是提高接触线的张力，使接触线振动迅速衰减，从而减小振动对接受电流的影响，因此必须要求高速接触线能够承受较大的工作张力。
接触线是所有供电类导线中工作环境最恶劣的一种，正常工作时需要承受冲击、振动、温差变化、环境腐蚀、磨耗、电火花烧蚀和极大的工作张力，因此其性能直接影响到高速列车的安全运行。
同时，出于节能要求，还要有较好的导电性，虽然纯铜导电性好，但纯铜的接触线抗拉强度较低，高温软化性能较差，基本被淘汰。为了改善性能，通过添加银、锡、镁等成分来增加铜合金的机械强度和耐磨性。目前我国速度在300km/h以上的高速铁路全部采用铜镁合金接触线。
现有技术中，高铁用接触线生产基本采用“上引连铸+连续挤压+拉拔”工艺或“连铸连轧+拉拔”工艺两种。实际应用中，导电率高的合金成分抗拉强度较低，选择接触线时为了保证抗拉强度就必须要使用低导电率的合金成分，导致了能源的极大浪费。因此制备出满足高导电率和高抗拉强度的高品质接触线成为迫切需要解决的问题。
发明内容
为了克服现有技术中存在的缺点，本发明的目的在于提供一种铜包碳纤维复合导线的制备方法。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种铜包碳纤维复合导线的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)用熔炼炉水平连铸出纯铜或铜合金的连铸管坯；
(2)采用行星轧机轧制出铜包碳纤维复合坯，具体方法如下：
在合金钢芯棒内穿孔，将碳纤维杆料穿过合金钢芯棒，然后将合金钢芯棒置于连铸管坯内；轧制连铸管坯时将连铸管坯出料的头部与碳纤维杆料的头部固定，随着连铸管坯的轧制即可将碳纤维杆料带入到轧制好的连铸管坯内，制成铜包碳纤维复合坯；
(3)将铜包碳纤维复合坯经过多道次拉拔，使外层铜减径减壁直至与碳纤维杆贴合，形成铜包碳纤维复合导线。
步骤(1)中所述连铸管坯的外径为50-100mm，内径为20-30mm，长度大于40m。
步骤(2)中所述碳纤维杆料的直径为4-6mm。
步骤(2)中轧制成的铜包碳纤维复合坯的外径为30-50mm，内径为10-30mm，长度大于400m，轧制变形率大于90％。
步骤(2)中轧制成的铜包碳纤维复合坯中碳纤维杆料的长度是压制后连铸管坯长度的4-5倍。
所述铜包碳纤维复合导线中外层铜的截面积为90-150mm2，内层碳纤维的截面积为10-30mm2。
制备成的铜包碳纤维复合导线的导电率大于90％IACS，长度大于1.6km。
本发明的优点为：
(1)连铸管坯规格和材质适应范围广，外径规格为50-100mm，可适用于纯铜或铜合金等多种材质；
(2)三辊行星轧机轧制时压下量大，延伸率高，使管坯内部的气孔、微裂纹、疏松等缺陷压合，成品内部组织致密度显著提高；
(3)大变形量和高摩擦功转变成大量的热量，促使管坯产生动态再结晶，晶粒得到细化，使轧制的管坯尺寸精度提高；
(4)该方法制备的铜包碳纤维复合导线可作为高铁接触线，既保证了良好的导电性能，又满足了高速列车对接触线抗拉强度的要求，特别是能够很好地满足高铁提速对接触线综合性能的要求，而且该复合导线的生产工艺简单，成本低廉，综合性能优异。
附图说明
图1为三辊行星轧机轧制铜包碳纤维复合坯的断面示意图；
其中，1-外层铜管，2-芯棒，3-碳纤维杆，4-轧辊；Ⅰ-减径段，Ⅱ-集中变形段，Ⅲ-精整段，Ⅳ-归圆段。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行具体描述，以下实施例仅用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制。
实施例1：制备纯铜包碳纤维复合导线。
1.用熔炼炉水平连铸出纯铜连铸管坯，制成的纯铜连铸管坯的外径为90mm，内径为30mm，长度45m。
2.采用行星轧机轧制出纯铜包碳纤维复合坯，具体方法如下：
在合金钢芯棒内穿孔，将直径为4mm的碳纤维杆料穿过合金钢芯棒，然后将合金钢芯棒置于纯铜连铸管坯内；轧制纯铜连铸管坯时将其出料的头部与碳纤维杆料的头部固定，随着纯铜连铸管坯的轧制即可将碳纤维杆料带入轧制好的纯铜连铸管坯内，制成纯铜包碳纤维复合坯；
制成的纯铜包碳纤维复合坯的外径为40mm，内径为30mm，长度超过400m的管材，轧制变形率超过90％；其内部包覆的碳纤维杆料的长度是轧制后纯铜连铸管坯长度的5倍。
3.采用行星轧机轧制时，纯铜连铸管坯可以动态再结晶，因此，轧制后的纯铜连铸管坯，无需退火，可以直接拉拔。将纯铜包碳纤维复合坯经过多道次拉拔，使外层纯铜减径减壁直至与碳纤维贴合，拉拔后的纯铜连铸管坯与碳纤维杆贴合后两者长度基本相同，制成纯铜包碳纤维复合导线。该纯铜包碳纤维复合导线的外层铜截面积为105mm2，内层碳纤维截面积为12.56mm2，由于铜的塑性好，拉拔工艺中间无需退火；
制成的纯铜包碳纤维复合导线外层纯铜的抗拉强度在300MPa以上，内层碳纤维杆料的抗拉强度为3300MPa，加权抗拉强度为620MPa，导电率为94％IACS，长度为2km。
实施例2：制备铜镁合金(镁含量0.1％)包碳纤维复合导线。
1.用熔炼炉水平连铸出铜镁合金连铸管坯，该管坯的外径为80mm，内径为26mm，长度为50m。
2.采用行星轧机轧制出铜镁合金包碳纤维复合坯，具体方法如下：
在合金钢芯棒内穿孔，将直径为4.5mm的碳纤维杆料穿过合金钢芯棒，然后将合金钢芯棒置于铜镁合金连铸管坯内；轧制铜镁合金连铸管坯时将其出料的头部与碳纤维杆料的头部固定，随着铜镁合金连铸管的轧制即可将碳纤维杆料带入轧制好的铜镁合金连铸管坯内，制成铜镁合金包碳纤维复合坯；
制成的铜镁合金包碳纤维复合坯的外径为40mm，内径为26mm，长度大于400m，轧制变形率大于90％；其内部包覆的碳纤维杆料的长度是轧制后铜镁合金连铸管坯长度的4倍。
3.采用行星轧机轧制时，铜镁合金连铸管坯可以动态再结晶，因此，轧制后的铜镁合金连铸管坯无需退火，可以直接拉拔。将铜镁合金包碳纤维复合坯经过多道次拉拔，使外层铜镁合金减径减壁直至与碳纤维贴合，拉拔后的铜镁合金管连铸管坯与碳纤维杆贴合后两者长度基本相同，制成铜镁合金包碳纤维复合导线。该铜镁合金包碳纤维复合导线的外层铜截面积为135mm2，内层碳纤维截面积为16mm2，由于铜镁合金的塑性好，拉拔工艺中间无需退火；
制成的铜镁合金包碳纤维复合导线的外层铜镁合金抗拉强度为320MPa，内层碳纤维杆料的抗拉强度为3300MPa，加权抗拉强度为635MPa，导电率为92％IACS，长度为1.8km。
实施例3：制备铜锡合金(锡含量0.1％)包碳纤维复合导线。
1.用熔炼炉水平连铸出铜锡合金连铸管坯，该管坯的外径为100mm，内径为40mm，长度为50m。
2.采用行星轧机轧制出铜锡合金包碳纤维复合坯，具体制备方法如下：
在合金钢芯棒内穿孔，将直径5mm的碳纤维杆料穿过合金钢芯棒，然后将合金钢芯棒置于铜锡合金连铸管坯内；轧制铜锡合金连铸管坯时将其出料的头部与碳纤维杆料的头部固定，随着铜锡合金管连铸管坯的轧制即可将碳纤维杆料带入轧制好的铜锡合金连铸管坯内，制成铜锡合金包碳纤维复合坯；
制成的铜锡合金包碳纤维复合坯的外径为50mm，内径为40mm，长度大于400m，轧制变形率超过90％；其内部包覆的碳纤维杆料的长度是轧制后铜锡合金连铸管坯长度的5倍。
3.采用三辊行星轧机轧制时，铜锡合金管可以动态再结晶，因此，轧制后的铜锡合金连铸管坯无需退火，可以直接拉拔。将铜锡合金包碳纤维复合坯经过多道次拉拔，使外层铜锡合金减径减壁直至与碳纤维贴合，拉拔后的铜锡合金管和碳纤维杆贴合后两者长度基本相同，制成铜锡合金包碳纤维复合导线。该铜锡合金包碳纤维复合导线的外层铜锡合金的截面积占131mm2，内层碳纤维的截面积为19mm2，由于铜锡合金的塑性好，拉拔工艺中间无需退火；
制成的铜锡合金包碳纤维复合导线的外层铜锡合金的抗拉强度为300MPa，内层碳纤维杆料的抗拉强度为3300MPa，加权抗拉强度为680MPa，导电率为93％IACS，长度为2km。
Claims (7)
1.一种铜包碳纤维复合导线的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)用熔炼炉水平连铸出纯铜或铜合金的连铸管坯；
(2)采用行星轧机轧制出铜包碳纤维复合坯，具体方法如下：
在合金钢芯棒内穿孔，将碳纤维杆料穿过合金钢芯棒，然后将合金钢芯棒置于连铸管坯内；轧制连铸管坯时将连铸管坯出料的头部与碳纤维杆料的头部固定，随着连铸管坯的轧制即可将碳纤维杆料带入到轧制好的连铸管坯内，制成铜包碳纤维复合坯；
(3)将铜包碳纤维复合坯经过多道次拉拔，使外层铜减径减壁直至与碳纤维杆贴合，形成铜包碳纤维复合导线。
2.根据权利要求1所述的一种铜包碳纤维复合导线的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述连铸管坯的外径为50-100mm，内径为20-30mm，长度大于40m。
3.根据权利要求1所述的一种铜包碳纤维复合导线的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述碳纤维杆料的直径为4-6mm。
4.根据权利要求1所述的一种铜包碳纤维复合导线的制备方法，其特征在于，步骤(2)中轧制成的铜包碳纤维复合坯的外径为30-50mm，内径为10-30mm，长度大于400m，轧制变形率大于90％。
5.根据权利要求1所述的一种铜包碳纤维复合导线的制备方法，其特征在于，步骤(2)中轧制成的铜包碳纤维复合坯中碳纤维杆料的长度是压制后连铸管坯长度的4-5倍。
6.根据权利要求1所述的一种铜包碳纤维复合导线的制备方法，其特征在于，所述铜包碳纤维复合导线中外层铜的截面积为90-150mm2，内层碳纤维的截面积为10-30mm2。
7.权利要求1-6任一项所述的一种铜包碳纤维复合导线的制备方法，其特征在于，所述制备方法制备的复合导线的导电率大于90％IACS，长度大于1.6km。
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