CN107739872B - 一种铜铬锆合金接触线及其生产工艺 - Google Patents

一种铜铬锆合金接触线及其生产工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铜铬锆合金接触线及其生产工艺，由设定质量百分比的铜、铬、锆以及不可避免的杂质元素组成，制备时，主要工艺包括原料制备、上引连铸、CONFORM连续挤压、第一次冷加工、固溶处理、第二次冷加工、时效处理、拉制成品，上述工艺及材料制成的铜铬锆合金接触线，通过合理地调整接触线原料的配比，调整接触线中各元素组分的比例，结合特殊的生产工艺，能够生产出单根重量大于2吨、导电率75‑90%IACS、抗拉强度550‑700MPa的高强高导接触线产品，能够更好地满足当下电气化铁路高速发展的需要。

Description

一种铜铬锆合金接触线及其生产工艺
技术领域
本发明涉及电缆技术领域，更具体地说，它涉及一种铜铬锆合金接触线及其生产工艺。
背景技术
随着电气化铁路的高速发展，对接触网线材的要求越来越高。要求接触网线材在拥有高强度的同时又有高导电率。线材的高强度可以增加列车运行的安全性和稳定性，高导电率可以节省电能在传输过程中的损耗。
现在电气化铁路接触网所用的接触线主要有纯铜、铜银合金、铜镁合金、铜锡合金四种材质。其中纯铜接触线和铜银合金接触线的导电率为97%IACS，抗拉强度范围350-380MPa，大多应用于地铁项目；铜锡合金接触线的导电率为72%IACS，抗拉强度430MPa左右；低强度铜镁合金接触线的导电率为77%IACS，抗拉强度420-440MPa；高强度铜镁合金接触线导电率62%IACS，抗拉强度500MPa左右。高强度铜镁合金接触线是高速电气化铁路的应用得最多的产品，但是受到铜镁合金强化机制的影响，其抗拉强度和导电率成反比关系，因此铜镁合金接触线将会难以满足日益发展的电气化铁路对接触网线材的高强高导需求。
传统的铜铬锆合金大多采用大直径的坯锭进行卧式挤压，受挤压筒尺寸限制，一批杆料的重量只能控制在200公斤以内，无法连续生产出满足接触线生产长度的杆材（接触线生产长度根据站线锚段决定，单根需求重量主要集中在1-2吨的范围），且上述杆材生产出的接触线导电率通常集中在70% IACS左右，抗拉强度通常小于500MPa，在电气化铁路高速发展的今天已经难以满足需要。
发明内容
针对实际运用中这一问题，本发明目的一在于提供一种铜铬锆合金接触线，目的二在于提供一种生产制造上述铜铬锆合金接触线的生产工艺，所述的铜铬锆合金接触线的单根重量大于2吨（含2吨以内），导电率75-90% IACS，抗拉强度550-700MPa，具体方案如下：
一种铜铬锆合金接触线，所述铜铬锆合金接触线的合金元素包括质量百分比为ω(Cr)=0.15-1.2%，ω(Zr)=0.01-0.15%，余量为铜以及不可避免的杂质元素，其中，ω(Cu)≥98%，ω(Cr)/ ω(Zr)=9-12。
进一步的，生产上述接触线所用原材料为阴极铜、铜铬中间合金或纯铬、和铜锆中间合金或纯锆，所述铜铬中间合金的Cr含量范围为8-12%，铜锆中间合金的Zr含量范围为12-16%。
一种制作铜铬锆合金接触线的生产工艺，主要步骤包括：a.原料制备、b.上引连铸、c.CONFORM连续挤压、d.第一次冷加工、e.固溶处理、f.第二次冷加工、g.时效处理、h.拉制成品；
其中，
a.原料制备：按照如前所述的中间合金配比关系，制备中间合金;
b.上引连铸：按照阴极铜的重量以及步骤a中含量范围的合金配比来计算并加入原料，熔化炉和保温炉工作在隔绝空气的环境下，上引铸杆的直径为20-30mm，单根引速控制在70-120kg/h，得到杆坯；
c、CONFORM连续挤压：将步骤b所制造的杆坯通过CONFORM连续挤压，工装模具和预热杆料预热温度500-700℃，保温2h，挤压间隙控制在0.4-1.2mm，挤压比控制在1.8-4，挤压杆直径范围28-40mm，杆坯进线速度控制在4-7m/min；
d、第一次冷加工：使用冷轧设备或拉拔设备将上述步骤c所得的杆坯加工至22-30mm，总冷加工量＞40%；
e、固溶处理：对上述的步骤d得到的杆坯进行固溶处理，固溶温度900-980℃，固溶时间30-90min，加热结束后立即放入水中淬火，淬火水温低于25℃，在水池中泡至室温；
f、第二次冷加工：使用拉拔设备将上述步骤e所得的固溶处理的杆坯加工至16-20mm，拉拔速度控制在15-30m/min，并用乳化液喷淋冷却，总冷加工变形量＞60%，每道冷加工变形量＞20%；
g、时效处理：将步骤f所得杆坯真空热处理，惰性气体保护，时效温度400-520℃，时效时间90-240min，随炉冷却至室温；
h、拉制成品：将步骤g所得杆坯拉拔成接触线，拉拔过程采用乳化液喷淋冷却，拉拔速度控制在15-20m/min。
进一步的，步骤d中，使用拉拔作为冷加工手段时拉拔速度控制在20-30m/min，并用乳化液喷淋冷却；采用冷轧作为冷加工手段时，冷轧收线速度控制在15-20m/min。
进一步的，步骤b中，通过控制铸杆的温度以及结晶器的水流量来保证结晶器冷却水进出水温差范围为8-12℃。
进一步的，步骤b中熔化炉和保温炉采用石墨鳞片或石墨颗粒覆盖，炉口通入惰性气体保护。
通过上述技术方案，步骤b中的熔化炉和保温炉采用石墨鳞片或石墨颗粒覆盖，炉口通入惰性气体保护，可以进一步隔离空气与铜液的接触，在步骤b中，上引铸杆的直径太小容易造成产能浪费，但直径太大会造成冷却不均匀，经试验确认直径最佳范围为20-30mm，铜铬锆合金引速过快也容易造成冷却效果不佳甚至引断，经试验确定单根上引铸杆的引速应当控制在70-120kg/h。在步骤c中，连续挤压的过程中坯料经过摩擦产生的高温下再结晶，细化铸杆的的晶粒（CONFORM连续挤压后的杆坯横向晶粒度尺寸＜0.03mm），提高最终产品的强度和导电率。步骤d中冷加工有利于破坏原有的粗晶粒结构，有利于固溶处理形成过饱和固溶体。步骤e中固溶主要为了在杆坯中得到CuCr和CuZr的过饱和固溶体，为后续的时效沉淀强化做好准备。固溶处理结束后冷却速度对铜铬锆合金的组织结构和性能都有很大的影响。冷却的速度太慢容易造成第二相粗大和偏析，因此固溶加热结束后立即放入水中淬火，直至冷却到室温。经步骤f第二次冷加工，固溶和时效间的冷加工变形对最终产品的组织和性能有很大影响。通过对比“固溶+水淬+冷加工+时效”和“固溶+水淬+时效”的组织结构，“固溶+水淬+冷加工+时效”使得晶粒变形细化同时使沉淀相分布更均匀。经时效处理后，会从CuCr和CuZr的过饱和固溶体中析出细小的沉淀颗粒，达到同时提高抗拉强度和导电率的强化效果。
综合上述技术方案及效果，与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
通过合理地调整接触线原料的配比，调整接触线中各元素组分的比例，结合特殊的生产工艺，能够生产出单根重量大于2吨、导电率75-90%IACS、抗拉强度550-700MPa的高强高导接触线产品，能够更好地满足当下电气化铁路高速发展的需要。
附图说明
图1为本发明的铜铬锆合金接触线结构示意图；
图2为本发明的铜铬锆合金接触线工艺流程图。
附图标记：1、铜铬锆合金接触线本体；2、缺口；3、伸缩口。
具体实施方式
下面结合实施例及图对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不仅限于此。
一种铜铬锆合金接触线，其形状与现有技术类似，如图1所示，主要包括铜铬锆合金接触线本体1、缺口2以及伸缩口3。所述铜铬锆合金接触线的合金元素包括质量百分比为ω(Cr)=0.15-1.2%，ω(Zr)=0.01-0.15%，余量为铜以及不可避免的杂质元素，其中，ω(Cu)≥98%，ω(Cr)/ ω(Zr)=9-12。
生产上述接触线所用原材料为阴极铜、铜铬中间合金或纯铬、和铜锆中间合金或纯锆，所述铜铬中间合金的Cr含量范围为8-12%，铜锆中间合金的Zr含量范围为12-16%。
基于上述铜铬锆合金接触线的组分以及原料配比，本发明还提出了针对于上述接触线的生产工艺，参见图2（各实施例生产工艺参数不一，在此仅表示生产工艺流程），如下：
实施例一：
a．原料制备；
b．上引连铸：采用阴极铜板、铜铬中间合金、铜锆中间合金为原材料进行上引连铸，铜液温度控制在1200-1300℃，单根引速控制在100kg/h，结晶器冷却水进出水温差为8-10℃，上引铸杆的直径为25mm，其中ω(Cr)=0.72%，ω(Zr)=0.06%；
c．CONFORM连续挤压：工装模具和预热料预热温度650℃,保温2h，挤压间隙控制在0.6mm，挤压比控制在2.6，挤压杆直径36mm，杆坯进线速度控制在5m/min；
d．第一次冷加工：使用冷轧设备或拉拔设备将上述36mm挤压杆冷轧至28mm，总冷加工量＞40%，收线采用可脱卸线盘，收线结束后将线盘脱卸，线圈外径1.5m左右;
e．固溶处理：对上述的步骤d得到的杆坯进行固溶处理。固溶温度950℃，固溶时间90min。淬火水温低于25℃，保温与淬火之间的时间间隔小于1分钟，在水池中泡至室温;
f．第二次冷加工：使用拉拔设备将上述步骤e所得的固溶处理的杆坯加工至20mm，拉拔速度15-20m/min，总冷加工变形量＞60%，每道冷加工变形量＞20%，收线到脱卸式盘具上，收线完成后脱卸盘具，线圈外径小于2m；
g．时效处理：将步骤f所得杆坯真空热处理，惰性气体保护，时效温度480℃，时效时间150min；
h．拉制成品：将步骤g所得杆坯拉拔至120mm²接触线，拉拔过程采用乳化液喷淋冷却。拉拔速度控制在20m/min。
在步骤d中，使用拉拔作为冷加工手段时拉拔速度控制在20-30m/min，并用乳化液喷淋冷却；采用冷轧作为冷加工手段时，冷轧收线速度控制在15-20m/min。
经测试，本实施例一中所得接触线性能：抗拉强度600MPa，导电率80%IACS。
实施例二：
a．原料制备；
b．上引连铸：采用阴极铜板、纯铬、纯锆为原材料进行上引连铸，铜液温度控制在1300-1400℃，单根引速控制在80kg/h，开始引杆前保温2-3h以确保Cr、Zr元素均匀溶解入铜基体中，结晶器冷却水进出水温差8-10℃，上引铸杆的直径为30mm，采用石墨颗粒或石墨鳞片覆盖，覆盖剂厚度＞15mm，炉口不断通入惰性气体保护，避免铜水与空气接触，其中，ω(Cr)=0.68%，ω(Zr)=0.07%;
c．CONFORM连续挤压：工装模具和预热料预热温度650℃，保温2h，挤压间隙控制在0.6mm，挤压比控制在2.6，挤压杆直径28mm，杆坯进线速度控制在4m/min；
d．第一次冷加工：使用冷轧设备或拉拔设备将上述28mm挤压杆冷轧至22mm，总冷加工量＞40%，收线采用可脱卸线盘，收线结束后将线盘脱卸，线圈外径1.5m左右；
e．固溶处理：对上述的步骤d得到的杆坯进行固溶处理。固溶温度900℃，固溶时间50min，淬火水温低于30℃，保温与淬火之间的时间间隔越短越好，在水池中泡至室温；
f．第二次冷加工：使用拉拔设备将上述步骤e所得的固溶处理的杆坯加工至16mm，拉拔速度20m/min，总冷加工变形量＞60%，每道冷加工变形量＞20%，收线到脱卸式盘具上，收线完成后脱卸盘具，线圈外径小于2m；
g．时效处理：将步骤f所得杆坯真空热处理，惰性气体保护，时效温度460℃，时效时间2h；
h．拉制成品：将步骤g所得杆坯拉拔至150mm²接触线，拉拔过程采用乳化液喷淋冷却。拉拔速度控制在20m/min。
在步骤d中，使用拉拔作为冷加工手段时拉拔速度控制在20-30m/min，并用乳化液喷淋冷却；采用冷轧作为冷加工手段时，冷轧收线速度控制在15-20m/min。
经测试，本实施例二中所得接触线性能：抗拉强度570MPa，导电率85%IACS。
实施例三：
a．原料制备；
b．上引连铸：采用阴极铜板、纯铬、纯锆为原材料进行上引连铸，铜液温度控制在1300-1400℃，单根引速控制在70kg/h，开始引杆前保温2-3h以确保Cr、Zr元素均匀溶解入铜基体中，结晶器冷却水进出水温差8-10℃，上引铸杆的直径为20mm，采用石墨颗粒或石墨鳞片覆盖，覆盖剂厚度＞15mm，炉口不断通入惰性气体保护，避免铜水与空气接触，其中，ω(Cr)=0.15%，ω(Zr)=0.01%;
c．CONFORM连续挤压：工装模具和预热料预热温度500℃，保温2h，挤压间隙控制在0.4mm，挤压比控制在1.8，挤压杆直径40mm，杆坯进线速度控制在4m/min；
d．第一次冷加工：将上述步骤c中28mm挤压杆冷轧至22mm；总冷加工量＞40%，收线采用可脱卸线盘，收线结束后将线盘脱卸，线圈外径1.5m左右；
e．固溶处理：对上述的步骤d得到的杆坯进行固溶处理。固溶温度980℃，固溶时间50min，淬火水温低于25℃，保温与淬火之间的时间间隔越短越好，在水池中泡至室温；
f．第二次冷加工：使用拉拔设备将上述步骤e所得的固溶处理的杆坯加工至16mm，拉拔速度20m/min，总冷加工变形量＞60%，每道冷加工变形量＞20%，收线到脱卸式盘具上，收线完成后脱卸盘具，线圈外径小于2m；
g．时效处理：将步骤f所得杆坯真空热处理，惰性气体保护，时效温度400℃，时效时间1.5h；
h．拉制成品：将步骤g所得杆坯拉拔至150mm²接触线，拉拔过程采用乳化液喷淋冷却。拉拔速度控制在20m/min。
经测试，本实施例三中所得接触线性能：抗拉强度570MPa，导电率85%IACS。
实施例四：
a．原料制备；
b．上引连铸：采用阴极铜板、纯铬、纯锆为原材料进行上引连铸，铜液温度控制在1300-1400℃，单根引速控制在120kg/h，开始引杆前保温2-3h以确保Cr、Zr元素均匀溶解入铜基体中，结晶器冷却水进出水温差8-10℃，上引铸杆的直径为30mm，采用石墨颗粒或石墨鳞片覆盖，覆盖剂厚度＞15mm，炉口不断通入惰性气体保护，避免铜水与空气接触，其中，ω(Cr)=0.15%，ω(Zr)=0.01%;
c．CONFORM连续挤压：工装模具和预热料预热温度700℃，保温2h，挤压间隙控制在1.2mm，挤压比控制在4.0，挤压杆直径40mm，杆坯进线速度控制在4m/min；
d．第一次冷加工：将上述步骤c中28mm挤压杆冷轧至30mm；总冷加工量＞40%，收线采用可脱卸线盘，收线结束后将线盘脱卸，线圈外径1.5m左右；
e．固溶处理：对上述的步骤d得到的杆坯进行固溶处理。固溶温度900℃，固溶时间30min，淬火水温低于90℃，保温与淬火之间的时间间隔越短越好，在水池中泡至室温；
f．第二次冷加工：使用拉拔设备将上述步骤e所得的固溶处理的杆坯加工至16mm，拉拔速度20m/min，总冷加工变形量＞60%，每道冷加工变形量＞20%，收线到脱卸式盘具上，收线完成后脱卸盘具，线圈外径小于2m；
g．时效处理：将步骤f所得杆坯真空热处理，惰性气体保护，时效温度520℃，时效时间3h；
h．拉制成品：将步骤g所得杆坯拉拔至150mm²接触线，拉拔过程采用乳化液喷淋冷却。拉拔速度控制在15m/min。
经测试，本实施例四中所得接触线性能：抗拉强度570MPa，导电率85%IACS。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种制作铜铬锆合金接触线的生产工艺，其特征在于，
所述接触线由以下质量百分比的物料组成：ω(Cu)≥98%，ω(Cr)=0.15-1.2%，ω(Zr)=0.01-0.15%，余量为不可避免的杂质元素，其中，ω(Cr)/ ω(Zr)=9-12；
所述接触线的主要原材料为阴极铜、铜铬中间合金、铜锆中间合金，或阴极铜、纯铬、海绵锆，其中，所述铜铬中间合金的Cr含量范围为8-12%，铜锆中间合金的Zr含量范围为12-16%；
生产工艺包括如下步骤：
a、原料制备：按照如上所述的铜铬锆合金接触线中中间合金配比关系，制备中间合金；
b、上引连铸：按照阴极铜的重量以及步骤a中含量范围的合金配比来计算并加入原料，熔化炉和保温炉隔绝空气工作，上引铸杆的直径为20-30mm，单根引速控制在70-120kg/h，得到杆坯；
c、CONFORM连续挤压：将步骤b所制造的杆坯通过CONFORM连续挤压，工装模具和预热杆料预热温度500-700℃，保温2h，挤压间隙控制在0.4-1.2mm，挤压比控制在1.8-4，挤压杆直径范围28-40mm，杆坯进线速度控制在4-7m/min；
d、第一次冷加工：使用冷轧设备或拉拔设备将上述步骤c中的挤压杆加工至22-30mm，总冷加工量＞40%；
e、固溶处理：对上述的步骤d得到的杆坯进行固溶处理，固溶温度900-980℃，固溶时间30-90min，加热结束后立即放入水中淬火，淬火水温低于25℃，在水池中泡至室温；
f、第二次冷加工：使用拉拔设备将上述步骤e所得的固溶处理的杆坯加工至16-20mm，拉拔速度控制在15-30m/min，并用乳化液喷淋冷却，总冷加工变形量＞60%，每道冷加工变形量＞20%；
g、时效处理：将步骤f所得杆坯真空热处理，惰性气体保护，时效温度400-520℃，时效时间90-240min，随炉冷却至室温；
h、拉制成品：将步骤g所得杆坯拉拔成接触线，拉拔过程采用乳化液喷淋冷却，拉拔速度控制在15-20m/min。
2.根据权利要求1所述的生产工艺，其特征在于，步骤d中，使用拉拔作为冷加工手段时拉拔速度控制在20-30m/min，并用乳化液喷淋冷却；采用冷轧作为冷加工手段时，冷轧收线速度控制在15-20m/min。
3.根据权利要求1所述的生产工艺，其特征在于，步骤b中，通过控制铸杆的温度以及结晶器的水流量来保证结晶器冷却水进出水温差范围为8-12℃。
4.根据权利要求1所述的生产工艺，其特征在于，步骤b中熔化炉和保温炉采用石墨鳞片或石墨颗粒覆盖，炉口通入惰性气体保护。
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