一种金属接触线杆坯、金属接触线及该杆坯的制造方法 【技术领域】
本发明涉及到一种金属接触线杆坯，尤其是一种铜或铜合金接触线杆坯，利用该杆坯制造的接触线，以及这种金属接触线杆坯的制造方法。背景技术
铜或铜合金接触线是电气化铁路接触网中的重要组成部分，其机械性能、导电性能直接影响到电气化铁路的使用状态。现有的铜或铜合金接触线是采用以下几种方法制得的杆坯，经冷加工成型后制造：
1、铸锭、热轧法
经熔炉熔化或冶炼后的液态铜或铜合金，注入锭模中铸造成锭。而后将铸锭在加热炉中加热，经过轧机的若干道次轧制，制成成圈的接触线杆坯。这种方法地缺点是，一根杆坯的圈质量小(一般小于120kg，达不到1500-3000kg的要求)，在制造接触线时，需要事先将成圈的杆坯焊接接长，不符合铁路用户要求接触线杆坯不允许有焊接接头的规定。这种方法已不再使用。
2、上引(或水平)连铸、冷轧法
在有芯工频感应炉中熔化或熔炼后的液态铜或铜合金，用上引(或水平)连铸的方法铸成大长度铸坯，再经冷轧轧制成接触线杆坯。用这种方法制成无氧的铜或铜合金的接触线，具有高导电性能、良好的韧性、抗弯曲、扭转性能、良好的加工性能，可以制成满足铁路用户要求的1500m长度内没有焊接接头的接触线；生产灵活性大，可以根据市场需求量组织生产，当转换不同合金配方杆坯生产时，经济损失小。这种工艺方法的缺点是：成品接触线的金相组织为破碎不完全的铸造组织，晶粒比较粗大，仍存在明显的柱状晶和芯部大的等轴晶，如图1、2、4所示，因而机械性能的均匀性较差，在电气化铁路接触网上架设后，平顺性不能很好满足高速电气化铁路的使用要求。
3、连铸、热连轧法
铜在竖炉、反射炉或有芯工频感应电炉中熔化，经过流槽、保温炉、流槽、浇煲进入结晶轮中实现连续铸造；连铸坯在热状态下进入连轧机轧制成大长度杆坯。这种工艺方法生产效率高、适合大批量生产、杆坯金相组织为细晶粒的再结晶组织、制成的接触线在电气化铁路接触网上架设后，平顺性较好，如图3所示。其缺点：一是，杆坯含氧量高(250-400ppm)，杆坯中氧化物夹杂多(如常在晶界出现的Cu2O脆性化合物及非金属夹杂物等)，当被加工成接触线后抗弯曲性能变差，时常出现当弯曲超过90度就发生脆断的现象(这种现象在用这种工艺制造的国内外产品的使用过程中已多次遇到)；二是，制造铜合金杆坯时，尤其是易氧化、易蒸发的合金元素在液态合金经过流槽、保温炉、流槽、浇煲到连铸机的过程中容易氧化、蒸发损失，成分稳定性难以控制，流动过程中还会将各种氧化物、炉渣带入铸坯中，使铸坯金属整体性受到破坏，难以制得化学成分合格、质量稳定的杆坯。
4、浸涂法连铸、热连轧法
经过一道拉制和一道剥皮后的铜杆在真空或氮气保护下作为芯杆连续通过贮有铜液的坩埚，由于热沉积作用使铜杆变粗，质量增加200％，引出的铜杆在保护气体下进行适当冷却，形成连铸坯，然后在热状态下通过连轧机组轧制成大长度杆坯。在熔铜、浸涂、冷却和轧制的整个生产过程中，都是在中性气体保护的封闭系统中进行的。用这种方法可以生产出具有再结晶组织的无氧铜大长度杆坯。这种工艺主要用来制造拉细线和微细线的杆坯，直径为8mm左右，而接触线使用的杆坯直径要大得多，因而需要重新配置配套的工艺设备。这种工艺对于铜合金，尤其是易氧化、成分稳定性差的铜合金的熔炼及相关操作(合金的配制、扒渣等)过程难以实现；铜合金接触线杆坯生产时合金熔渣不容易去除，一方面易将渣带入杆坯中，影响杆坯质量，一方面容易造成流槽或浸涂坩埚的堵塞；另外，这种工艺设备普及率低、投资大、生产成本高。目前还没使用这种方法制造铜合金接触线杆坯的报导。
通过以上分析可以清楚地看到，采用上所述公知的工艺方法，制造有再结晶金相组织、大长度、大直径，又是无氧的(含氧量小于等于20ppm)铜或铜合金接触线杆坯是难以实现的。尤其是，铜合金熔炼过程中的合金元素加入、脱氧、去渣等工艺环节很难在铸造和轧制的连续过程中完成。而具有再结晶金相组织、同时又是无氧的铜或铜合金的杆坯是制造高质量接触线所必须的。另外，要使连铸坯中心部位的铸态晶粒在热轧时得到加工，则需要较大的加工率，因而需要加大铸坯的断面(1600mm2以上)，这就也意味着需要更大的热连铸连轧机组(年产量3万吨以上)。这对于年总需求量小于5000吨的接触线市场，也是非常不经济的，尤其是对于生产铜合金杆坯来说就更不经济了(年总需求量更小)。考虑到同时有众多工厂为这有限的市场供货，分摊到各个工厂的生产量就更少，简直无经济效益可言了。
因此，本发明人依据多年的相关技术领域的实践活动经验，研发了发明的铜或铜合金接触线杆坯及其制造方法、以及用这种杆坯制造的接触线，以克服现有技术的缺陷，以满足电气化铁路的使用要求。发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种大长度金属接触线杆坯，其铸态组织为再结晶组织，并且含氧量小；
以及一种金属接触线杆坯的制造方法，采用上引(或水平)连铸工艺和连续挤压方法相结合可以生产出大长度、具有再结晶金相组织，又具有高导电率、高延展性的金属接触线杆坯；
同时，一种利用该杆坯制造的接触线。该接触线表面光洁、机械强度高、性能稳定、在接触网上架设后平顺性好、工作可靠性高，可以满足一般电气化铁路及高速电气化铁路的使用要求。
本发明提供：一种金属接触线杆坯，其金相组织为再结晶组织，含氧量小于等于20ppm。
如上所述的金属接触线杆坯，所述接触线杆坯每圈质量大于1500kg，直径大干16mm。
如上所述的金属接触线杆坯，所述的金属接触线杆坯为铜或铜合金接触线杆坯。
一种利用上述金属接触线杆坯制造的金属接触线，所述的金属接触线的金相组织为再结晶后加工组织，含氧量小于等于20ppm。
如上所述的金属接触线，所述金属接触线的横向晶粒尺寸小于0.03mm。
如上所述的金属接触线，所述金属接触线的每根长度大于等于1500m。
如上所述的金属接触线，所述的金属接触线为铜或铜合金接触线。
上述金属接触线杆坯的制造方法，包括以下步骤：
a、制备无氧铸杆，
b、对无氧铸杆进行预处理；
c、将预处理后的无氧铸杆进行连续挤压；
d、对连续挤压成形的杆坯冷却；
e、对冷却后的杆坯进行防氧化处理。
如上所述的金属接触线杆坯的制造方法，所述的制备无氧铸杆为采用工频感应电炉，进行上引连铸或水平连铸。
如上所述的金属接触线杆坯的制造方法，所述的对无氧铸杆进行预处理为清洗、烘干、矫直处理。
如上所述的金属接触线杆坯的制造方法，对无氧铸杆进行连续挤压包括：
a、将无氧铸杆送入挤压腔；
b、无氧铸杆在与挤压轮、模腔摩擦产生热量的作用下，被加热，并达到塑性状态；
c、由模具中被挤出的金相组织为再结晶组织的金属接触线杆坯。
如上所述的金属接触线杆坯的制造方法，所述的由模具中被挤出的接触线杆坯每圈质量大于1500kg，直径大于16mm。
如上所述的金属接触线杆坯的制造方法，所述的对无氧铸杆进行连续挤压可为康仿成型机成型方法。
如上所述的金属接触线杆坯的制造方法，所述的无氧铸杆为铜或铜合金无氧铸杆。
本发明的优点和特点：
本发明的接触线杆坯制造工艺相对于现有技术而言有以下的优点和特点：
1、充分利用上引(或水平)连铸工艺提供无氧(含氧量小于等于20ppm)的高质量的铸杆。
1)上引(或水平)连铸工艺生产成本低、产品的规格、品种转换灵活，生产的铜杆质量好、含氧量一般可以小到10ppm以下，导电率可以达到98％IACS以上，已为无氧铜铸杆生产企业所广泛采用。由于铸造过程是连续完成的，因此可以制得质量达到1500kg以上的铸杆，满足了接触线制造长度1500m以上不允许有焊接接头的要求；
2)上引(或水平)连铸工艺采用有芯工频感应电炉，金属熔体在引铸过程中没有流槽、浇煲、浇口，都是在与空气隔绝的情况下完成，特别适合于铜合金的熔炼，减少合金元素的在熔炼和铸造过程中的氧化、烧损、氧化渣的产生；
3)上引(或水平)连铸工艺采用有芯工频感应电炉，金属熔体在熔炼引铸过程中没有流槽、另置的保温炉、浇煲、浇口，在熔炼和上引连铸过程中没有明显的金属流动，液位基本上保持稳定，因而有利于在熔炼铜合金时准确配制合金，强力的电磁搅拌和热循环又可以使合金化学成分均匀，还不会产生浇注时可能出现的飞溅、冷隔、以及非金属夹杂物的混入等缺陷；
4)采用上引(或水平)连铸工艺提供无氧铜或铜合金铸杆，适合于年产量小于5000吨以下的小批量生产，与市场需求相适应。一般热连铸连轧设备的年产量至少也要在3万吨以上才是经济的。
2、采用对铸杆进行的连续挤压成形实际上是热加工，在成型过程中把铸杆的铸态金相组织改变为再结晶组织。虽然是热加工却无需对铸杆进行加热，避免了铸杆表面在加热时被氧化、节省了加热设备的投资以及能源消耗，降低了成本，同时也避免了废气排放等环境污染问题。
3、连续挤压成形在接触线杆坯成形过程中，不同于一般的轧制成形，从铸坯的外部向内部进行压力加工，而是完全改变了铸杆内部各部位金属原子在铸坯中原来的相对位置，因而不存在热轧过程中加工率不足时，铸坯中心部位晶粒得不到加工破碎的问题。
4、将上引(或水平)连铸与连续挤压成形组合用以制造接触线杆坯的工艺方法，再经冷加工，不仅可以制造高质量的无氧铜接触线、无氧铜合金接触线，而且可以适应市场需求，进行多品种、小批量(从几十吨到数千吨)的产品变换，生产机制灵活，可以获得最佳的技术经济效益。
5、本发明的金属接触线杆坯具有高导电率、高延展性。
6、以上所述金属接触线杆坯制成的金属接触线其横向晶粒尺寸细小均匀、几乎没有氧化物夹杂、品质纯净。因此，它不但具有高导电率、还具有高机械性能、高可靠性，并且沿长度方向机械性能均匀，在线路上经张力架设后平顺性好，有利于提高电力机车滑行时的受取电流的稳定性、减少离线火花、保护机车电机、减少干扰。附图说明
图1为采用上引连铸冷轧工艺方法制造的无氧铜银合金杆坯制成的接触线的横向金相组织照片(放大倍数10倍)；
图2为采用水平连铸冷轧工艺方法制造的无氧铜镁合金杆坯制成的接触线横向金相组织照片(放大倍数10倍)；
图3为采用连铸热连轧工艺方法制造的低氧铜银合金杆坯制成的接触线横向金相组织照片(放大倍数10倍)；
图4为采用上引连铸冷连轧工艺方法制造的无氧铜杆坯制成的接触线横向金相组织照片(放大倍数10倍)；
图5为采用本发明方法制造的无氧铜银合金杆坯制成的接触线横向金相组织照片(放大倍数10倍)；
图6为采用本发明方法制造的无氧铜镁合金杆坯制成的接触线横向金相组织照片(放大倍数10倍)。具体实施方式
本发明提出的一种金属接触线杆坯，其制造方法包括以下步骤：
a、制备无氧铸杆，
b、对无氧铸杆进行预处理；
c、对预处理后的无氧铸杆进行连续挤压；
d、对连续挤压成形的杆坯冷却；
e、对冷却后的杆坯进行防氧化处理。
其中，所述的制备无氧铸杆为采用工频感应电炉，进行上引连铸或水平连铸。所述的对无氧铸杆进行预处理为清洗、烘干、矫直处理。并在连续挤压成形后立即进行冷却、并进行防氧化处理，可以防止晶粒的长大，得到晶粒细小、光亮的杆坯。
对无氧铸杆进行连续挤压包括：
a、将无氧铸杆送入挤压腔；
b、无氧铸杆在与挤压轮、模腔摩擦产生热量的作用下，被加热，并达到塑性状态；
c、由模具中被挤出的金相组织为再结晶组织的金属接触线杆坯。
其中，所述的被加热的无氧铸杆可达到500℃以上的温度，成为塑性状态。所述的由模具中被挤出金相组织为再结晶组织的金属接触线杆坯，其含氧量小于等于20ppm。
所述的对无氧铸杆进行连续挤压可为康仿成型机成型方式，将上述经上引(或水平)连铸得到无氧的铜或铜合金铸杆进行清洗、烘干、矫直，不经加热，送入CONFORM连续挤压成型机(即：康仿成型机)，制成大长度、直径为16mm以上的杆坯。在康仿成型机中，辊身开槽的挤压轮同靴座相吻合并且有一定的间隙，从而构成了一个挤压腔。挤压轮旋转时，上述铸杆料在轮槽周边的摩擦作用下被拽引到挡料块前，由于摩擦使得材料的温度升高，达到塑性状态时，材料便从模具中挤出成型，可制成铜或铜合金铸杆。该方法生产成本低、产品的规格、品种转换灵活，其质量高于以其它方式制造的同类产品。
本发明以上述方法制成的金属接触线杆坯每圈质量大于1500kg，直径大于16mm。并且所述接触线杆坯每圈质量最好为2000-3000kg，其含氧量小于等于20ppm，该接触线杆坯是直径16mm的大长度(715m)具有再结晶细晶粒组织的无氧铜或铜合金接触线用杆坯。
本发明的金属接触线杆坯具有高导电率、高延展性，可满足制造出的接触线表面光洁、机械强度高、性能稳定、在接触网上架设后平顺性好、工作可靠性高的要求。
本发明还包括用上述金属接触线杆坯制造的金属接触线。它是利用以上述方法制成的金属接触线杆坯，再经过冷加工后制成的金属接触线。其中所述的金属接触线的金相组织为再结晶后加工组织，每根长度大于等于1500m，含氧量小于等于20ppm，其横向晶粒尺寸小于或等于0.03mm、含氧量小于20ppm。
金属接触线杆坯可以是铜或铜合金接触线杆坯，从而制成铜或铜合金接触线。例如，无氧铜银合金接触线、无氧铜镁合金接触线。用此种杆坯经过进一步的冷加工(轧制、拉拔)，即可制得长度为1872m的120mm2接触线。
图5和图6分别表示了无氧铜银合金杆坯制成的120mm2铜银合金接触线横向金相组织照片(放大倍数10倍)和无氧铜镁合金杆坯制成的120mm2铜镁合金接触线横向金相组织照片(放大倍数10倍)。它们具有相同的制造工艺：用上引连铸的方法制成直径12.5mm的铜银(或铜镁)合金连铸杆坯；这种连铸杆坯经清洗、烘干、矫直的预处理，送入康仿成型机进行连续挤压成型为直径20mm的金属接触线杆坯。在这个加工过程中杆坯的铸造晶粒组织被破碎、同时发生再结晶过程，被挤出的杆坯的金相组织成为再结晶组织，再经冷却和防氧化处理即得到本发明的杆坯；将得到的这种杆坯按照公知的方法进行拉拔即可制成铜银(或铜镁)合金接触线。其金相组织为再结晶后的加工组织，横向晶粒尺寸小于0.02mm。同图1到图4的金相组织照片相比较，可以清楚地看到其横向晶粒尺寸细小均匀、几乎没有氧化物夹杂、品质纯净。因此，它不但具有高导电率、还具有高机械性能、高可靠性，并且沿长度方向机械性能均匀，在线路上经张力架设后平顺性好，有利于提高电力机车滑行时的受取电流的稳定性、减少离线火花、保护机车电机、减少干扰。