本發(fā)明屬于接觸線技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高強度高導電低密度銅包鈦復合接觸線及其制備方法。
背景技術(shù)：
接觸線是指電氣化鐵道架空接觸網(wǎng)中與機車受電弓滑板相接觸并傳輸電流的導線。其截面面積范圍85mm2～150mm2(截面直徑10.80mm～11.40mm)。主要采用銅、銅銀合金、高強度銅銀合金、銅錫合金、銅鎂合金、高強度銅鎂合金等制造。
隨著我國鐵路向高速、高效、節(jié)能環(huán)保、電氣化方向的發(fā)展，對接觸線性能提出了更高的要求：1、更高的張力，以提高接觸線網(wǎng)的穩(wěn)定性、波動傳播速度和機車受流質(zhì)量；2、高的機械強度及耐軟化性能；3、良好的導電性，減少電能損耗；4、高的耐腐蝕耐銹蝕性能；5、高的使用壽命；6、輕量化，易于長距離架設；7、高電阻與高導電特性共存，高電阻易于防霜凍和除冰雪；8、更低的材料成本。
目前主要有以下幾種解決辦法：1、通過優(yōu)化銅合金的成分和組織，有可能大幅度提高現(xiàn)有銅合金接觸線的導電性、耐磨損耐環(huán)境腐蝕性能，但抗拉強度、耐軟化性能、以及使用壽命的提升空間有限，同時該思路不涉及接觸線輕量化、低成本、高電阻率易于防霜凍和除冰雪等問題；2、采用銅包鋼復合接觸線，能夠在一定程度上提高接觸線的抗拉強度、實現(xiàn)材料的低成本，但該方法在實現(xiàn)接觸線材料輕量化(材料的密度降低不明顯)方面效果不明顯，電阻率提高有限，使得接觸線防霜凍和除冰雪的作用有限，同時鋼的耐腐蝕耐銹蝕耐氣候性能較差，不利于在極端氣候環(huán)境下提高接觸線的使用壽命和性能，再者，部分鋼鐵材料具有一定磁性，接觸線在通電狀態(tài)時會對電氣化通訊電信號的傳遞造成干擾。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種高強度高導電低密度銅包鈦復合接觸線。該銅包鈦復合接觸線由銅及銅合金層包覆鈦及鈦合金芯絲構(gòu)成，解決了現(xiàn)有接觸線抗拉強度低、耐軟化性能不高、密度高不易大跨度和大截面架空鋪設、高電阻與高導電特性不能共存等問題的復合材料接觸線。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種高強度高導電低密度銅包鈦復合接觸線，其特征在于，包括鈦絲線芯和包裹鈦絲線芯的銅層，所述銅包鈦接觸線的截面形狀為圓形，所述鈦絲線芯的材質(zhì)為純鈦或鈦合金，銅層的材質(zhì)為純銅或銅合金。
上述的一種高強度高導電低密度銅包鈦復合接觸線，其特征在于，所述銅包鈦復合接觸線的直徑為10mm～15mm，所述鈦絲線芯的直徑為所述銅包鈦復合接觸線的直徑的10％～90％。
上述的一種高強度高導電低密度銅包鈦復合接觸線，其特征在于，所述鈦絲線芯的長度為50m～10000m。
上述的一種高強度高導電低密度銅包鈦復合接觸線，其特征在于，所述銅包鈦復合接觸線的抗拉強度為350mpa～800mpa，楊氏模量為80gpa～150gpa，電阻率為0.01ω·m～0.03ω·m，載流量為200a～800a，導電率為10％iacs～95％iacs，密度為4.8g/cm3～8.5g/cm3。
另外，本發(fā)明還提供了一種制備上述高強度高導電低密度銅包鈦復合接觸線的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：
步驟一、沿銅棒坯的中軸線開設與鈦棒坯直徑相等的安裝孔，再將鈦棒坯裝配在所述安裝孔內(nèi)，得到復合坯；所述銅棒坯為純銅棒坯或者銅合金棒坯，所述鈦棒坯為純鈦棒坯或鈦合金棒坯；
步驟二、將步驟一中所述復合坯的兩端進行封焊，然后加熱至900℃～1000℃后進行擠壓處理，得到復合棒；
步驟三、對步驟二中所述復合棒進行拉拔，然后經(jīng)熱處理得到銅包鈦復合接觸線。
上述的方法，其特征在于，步驟二中采用真空電子束焊對所述復合坯的兩端進行封焊。
上述的方法，其特征在于，步驟三中所述熱處理的溫度為850℃，時間為1h。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點：
1、本發(fā)明的銅包鈦復合接觸線由銅及銅合金層包覆鈦及鈦合金芯絲構(gòu)成，大大降低了接觸線的密度，大幅度提高接觸線整體抗拉強度，其抗拉強度為350mpa～800mpa，楊氏模量80gpa～150gpa，能夠?qū)崿F(xiàn)接觸線的輕量化和大跨度架設的要求，節(jié)約接觸線的使用和維護成本。
2、本發(fā)明的銅包鈦復合接觸線的電阻率為0.01ω·m～0.03ω·m，載流量為200a～800a，導電率(20℃)為10％iacs～95％iacs，電阻溫度系數(shù)0.00150～0.00500(1/k)，由于銅及銅合金的導電性能優(yōu)良而鈦及鈦合金的導電性差電阻率大，可以實現(xiàn)接觸線高電阻與高導電特性共存的要求，從而易于利于焦耳電熱效應解決接觸線除冰雪和霜凍的問題。
3、本發(fā)明的銅包鈦復合接觸線由銅及銅合金層包覆鈦及鈦合金芯絲構(gòu)成，能夠大幅提高接觸線的耐腐蝕耐銹蝕性能和使用壽命、同時鈦及鈦合金無磁性不會對電氣化通訊電信號的傳遞造成干擾。
4、本發(fā)明的銅包鈦復合接觸線的線膨脹系數(shù)為10×10-6～30×10-6(1/k)經(jīng)軟化處理后，線材的拉斷力為10kn～200kn，電阻溫度系數(shù)0.00150～0.00500(1/k)，并且由于鈦及鈦合金具備優(yōu)良的高溫性能，能夠在保證銅及銅合金組織形貌要求的前提下保持高的強韌性。
下面通過附圖和實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步的詳細說明。
附圖說明
圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖標記說明：
1—鈦絲線芯；2—銅層。
具體實施方式
實施例1
如圖1所示，本實施例包括鈦絲線芯1和包裹鈦絲線芯1的銅層2，所述銅包鈦接觸線的截面形狀為圓形，所述鈦絲線芯1的材質(zhì)為純鈦，銅層2的材質(zhì)為純銅。
本實施例中，所述銅包鈦復合接觸線的直徑為10mm，所述鈦絲線芯1的直徑為所述銅包鈦復合接觸線的直徑的90％。
本實施例中，所述鈦絲線芯1的長度為1000m。
本實施例高強度高導電低密度銅包鈦復合接觸線的制備方法包括以下步驟：
步驟一、沿純銅棒坯的中軸線開設與純鈦棒坯直徑相等的安裝孔，再將純鈦棒坯裝配在所述安裝孔內(nèi)，得到復合坯；
步驟二、采用真空電子束焊對步驟一中所述復合坯的兩端進行封焊，時銅和鈦的結(jié)合面處于真空狀態(tài)，防止銅和鈦在后續(xù)加熱過程中產(chǎn)生氧化從而影響結(jié)合強度，然后加熱至950℃后進行擠壓處理，得到復合棒；
步驟三、對步驟二中所述復合棒進行拉拔，拉拔后在850℃的條件下熱處理處理1h后，得到銅包鈦復合接觸線。
本實施例中制得的銅包鈦復合接觸線的抗拉強度為575mpa，楊氏模量為100gpa，電阻率20℃為0.01ω·m～0.03ω·m，載流量為200a～800a，密度為4.95g/cm3，
本實施例中制得的銅包鈦復合接觸線的反復彎曲折彎半徑為30mm次數(shù)為30次。
本實施例制得的銅包鈦復合接觸線在惰性氣氛條件下加熱至300℃，并保溫2h后，隨爐冷卻后，得到軟化的銅包鈦復合接觸線，其拉斷力為150kn。
實施例2
如圖1所示，本實施例包括鈦絲線芯1和包裹鈦絲線芯1的銅層2，所述銅包鈦接觸線的截面形狀為圓形，所述鈦絲線芯1的材質(zhì)為tc4鈦合金，銅層2的材質(zhì)為cu-0.08ag銅合金。
本實施例中，所述銅包鈦復合接觸線的直徑為15mm，所述鈦絲線芯1的直徑為所述銅包鈦復合接觸線的直徑的50％。
本實施例中，所述鈦絲線芯1的長度為50m。
本實施例高強度高導電低密度銅包鈦復合接觸線的制備方法包括以下步驟：
步驟一、沿cu-0.08ag銅合金棒坯的中軸線開設與tc4鈦合金棒坯直徑相等的安裝孔，再將tc4鈦合金棒坯裝配在所述安裝孔內(nèi)，得到復合坯；
步驟二、采用真空電子束焊對步驟一中所述復合坯的兩端進行封焊，時銅和鈦的結(jié)合面處于真空狀態(tài)，防止銅和鈦在后續(xù)加熱過程中產(chǎn)生氧化從而影響結(jié)合強度，然后加熱至900℃后進行擠壓處理，得到復合棒；
步驟三、對步驟二中所述復合棒進行拉拔，拉拔后在850℃的條件下熱處理處理1h后，得到銅包鈦復合接觸線。
本實施例中制得的銅包鈦復合接觸線的抗拉強度為800mpa，楊氏模量為150gpa，電阻率20℃為0.03ω·m，載流量為800a，密度為6.7g/cm3，
本實施例中制得的銅包鈦復合接觸線的反復彎曲折彎半徑為30mm次數(shù)為30次。
本實施例制得的銅包鈦復合接觸線在惰性氣氛條件下加熱至300℃，并保溫2h后，隨爐冷卻后，得到軟化的銅包鈦復合接觸線，其拉斷力為150kn。
實施例3
如圖1所示，本實施例包括鈦絲線芯1和包裹鈦絲線芯1的銅層2，所述銅包鈦接觸線的截面形狀為圓形，所述鈦絲線芯1的材質(zhì)為ta5鈦合金，銅層2的材質(zhì)為cu-0.15sn銅合金。
本實施例中，所述銅包鈦復合接觸線的直徑為12mm，所述鈦絲線芯1的直徑為所述銅包鈦復合接觸線的直徑的10％。
本實施例中，所述鈦絲線芯1的長度為10000m。
本實施例高強度高導電低密度銅包鈦復合接觸線的制備方法包括以下步驟：
步驟一、沿cu-0.15sn銅合金棒坯的中軸線開設與ta5鈦合金棒坯直徑相等的安裝孔，再將ta5鈦合金棒坯裝配在所述安裝孔內(nèi)，得到復合坯；
步驟二、采用真空電子束焊對步驟一中所述復合坯的兩端進行封焊，時銅和鈦的結(jié)合面處于真空狀態(tài)，防止銅和鈦在后續(xù)加熱過程中產(chǎn)生氧化從而影響結(jié)合強度，然后加熱至900℃后進行擠壓處理，得到復合棒；
步驟三、對步驟二中所述復合棒進行拉拔，拉拔后在850℃的條件下熱處理處理1h后，得到銅包鈦復合接觸線。
本實施例中制得的銅包鈦復合接觸線的抗拉強度為200mpa，楊氏模量為80gpa，電阻率(20℃)為0.01ω·m，載流量為200a，導電率為95％iacs，密度為7.85g/cm3，
本實施例中，所述銅包鈦復合接觸線的線膨脹系數(shù)為15×10-6(1/k)，電阻溫度系數(shù)為0.002(1/k)。
本實施例中制得的銅包鈦復合接觸線的反復彎曲(折彎半徑為30mm)次數(shù)為15次。
本實施例制得的銅包鈦復合接觸線在惰性氣氛條件下加熱至300℃，并保溫2h后，隨爐冷卻后，得到軟化的銅包鈦復合接觸線，其拉斷力為56kn。
實施例4
如圖1所示，本實施例包括鈦絲線芯1和包裹鈦絲線芯1的銅層2，所述銅包鈦接觸線的截面形狀為圓形，所述鈦絲線芯1的材質(zhì)為純鈦合金，銅層2的材質(zhì)為cu-0.15sn銅合金。
本實施例中，所述銅包鈦復合接觸線的直徑為12mm，所述鈦絲線芯1的直徑為所述銅包鈦復合接觸線的直徑的67％。
本實施例中，所述鈦絲線芯1的長度為5000m。
本實施例高強度高導電低密度銅包鈦復合接觸線的制備方法包括以下步驟：
步驟一、沿cu-0.15sn銅合金棒坯的中軸線開設與純鈦棒坯直徑相等的安裝孔，再將純鈦棒坯裝配在所述安裝孔內(nèi)，得到復合坯；
步驟二、采用真空電子束焊對步驟一中所述復合坯的兩端進行封焊，時銅和鈦的結(jié)合面處于真空狀態(tài)，防止銅和鈦在后續(xù)加熱過程中產(chǎn)生氧化從而影響結(jié)合強度，然后加熱至900℃后進行擠壓處理，得到復合棒；
步驟三、對步驟二中所述復合棒進行拉拔，拉拔后在850℃的條件下熱處理處理1h后，得到銅包鈦復合接觸線。
本實施例中制得的銅包鈦復合接觸線的抗拉強度為618mpa，楊氏模量為95gpa，電阻率(20℃)為0.021ω·m，載流量為600a，導電率為70％iacs，密度為6g/cm3，
本實施例中，所述銅包鈦復合接觸線的線膨脹系數(shù)為15×10-6(1/k)，電阻溫度系數(shù)為0.002(1/k)。
本實施例中制得的銅包鈦復合接觸線的反復彎曲(折彎半徑為30mm)次數(shù)為20次。
本實施例制得的銅包鈦復合接觸線在惰性氣氛條件下加熱至300℃，并保溫2h后，隨爐冷卻后，得到軟化的銅包鈦復合接觸線，其拉斷力為80kn。
實施例5
如圖1所示，本實施例包括鈦絲線芯1和包裹鈦絲線芯1的銅層2，所述銅包鈦接觸線的截面形狀為圓形，所述鈦絲線芯1的材質(zhì)為tc4鈦合金，銅層2的材質(zhì)為純銅。
本實施例中，所述銅包鈦復合接觸線的直徑為10mm，所述鈦絲線芯1的直徑為所述銅包鈦復合接觸線的直徑的10％。
本實施例中，所述鈦絲線芯1的長度為500m。
本實施例高強度高導電低密度銅包鈦復合接觸線的制備方法包括以下步驟：
步驟一、沿純銅棒坯的中軸線開設與tc4鈦合金棒坯直徑相等的安裝孔，再將tc4鈦合金棒坯裝配在所述安裝孔內(nèi)，得到復合坯；
步驟二、采用真空電子束焊對步驟一中所述復合坯的兩端進行封焊，時銅和鈦的結(jié)合面處于真空狀態(tài)，防止銅和鈦在后續(xù)加熱過程中產(chǎn)生氧化從而影響結(jié)合強度，然后加熱至900℃后進行擠壓處理，得到復合棒；
步驟三、對步驟二中所述復合棒進行拉拔，拉拔后在850℃的條件下熱處理處理1h后，得到銅包鈦復合接觸線。
本實施例中制得的銅包鈦復合接觸線的抗拉強度為600mpa，楊氏模量為90gpa，電阻率20℃為0.015ω·m，載流量為312a，密度為8.5g/cm3，
本實施例中制得的銅包鈦復合接觸線的反復彎曲折彎半徑為30mm次數(shù)為20次。
本實施例制得的銅包鈦復合接觸線在惰性氣氛條件下加熱至300℃，并保溫2h后，隨爐冷卻后，得到軟化的銅包鈦復合接觸線，其拉斷力為100kn。
以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例，并非對本發(fā)明作任何限制。凡是根據(jù)發(fā)明技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效變化，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護范圍內(nèi)。