CN111763846A - 一种电气化铁路用Cu-Cr-Zr合金绞线的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电气化铁路用Cu‑Cr‑Zr合金绞线的制造方法，S1配料：按照成分选择并准备相应的原料；S2熔炼及铸造：根据各元素的配比及各自特定加入方式将原料装入熔炼炉进行熔炼，保温后开始上引铸造，获得铜杆坯料；S3轧制：将铜杆坯料进行加热轧制，获得热轧坯料；S4固溶热处理：将热轧坯料进行固溶热处理，保温后水淬；S5冷轧：将固溶热处理后的坯料进行多道次冷轧，获得冷轧坯料；S6时效热处理：将冷轧坯料进行时效热处理；S7绞线绞合：将时效后的冷轧坯料进行多道次拉拔获得绞线单线成品，并将多线绞合获得成品绞线。本发明制备方法所制备的合金绞线性能、组织优异，材料利用率高、能耗小，实现了Cu‑Cr‑Zr铁路绞线的产业化生产。

Description

一种电气化铁路用Cu-Cr-Zr合金绞线的制造方法
技术领域
本发明涉及绞线制造技术领域，具体是涉及一种电气化铁路用Cu-Cr-Zr合金绞线的制造方法。
背景技术
铁路高速化已成为电气化铁路的主要发展趋势，随着电气化铁路的快速发展，高速电气化对绞线的性能要求不断提高，公认的比较理想的铜合金绞线材料是时效强化型的Cu-Cr-Zr合金，高强度和高导电始终是绞线性能要求的重要指标，而对于铜合金绞线，长期以来一直存在着高强度与高导电率之间的矛盾，在各种制备材料的方法中，而只有利用时效析出强化则可以使铜合金的强度和导电性达到较好的结合，到目前为止，世界各国所开发出来的绞线均满足不了高速铁路的发展对绞线材料的要求，而我国高速电气化铁路正在迅速发展，显然绞线有着很大的国内外市场。
目前Cu-Cr-Zr合金主要的制备方法有真空感应熔炼、下引半连续铸造等，受到熔炼环境的限制，熔炼的Cu-Cr-Zr合金不能有效解决铸坯中Cr、Zr主要合金元素分布及均匀性的问题，还存在铸坯杂质含量高、气体元素含量高、铸态组织相对粗大等诸多问题的，降低了合金的性能。最重要的是不能实现大长度大单重的连续生产，生产效率低、生产工艺流程长、生产成本高等，无法满足电气化铁路绞线的产品要求。
鉴于以上，必须尽快地在高起点、高质量的基点上进行新一代绞线产品的研究与开发，现需要开发一种高质量连续铸造Cu-Cr-Zr合金绞线的制备方法以优化上述技术问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种电气化铁路用Cu-Cr-Zr合金绞线的制造方法。
本发明的技术方案是：一种电气化铁路用Cu-Cr-Zr合金绞线的制造方法，包括以下步骤：
S1配料：按照Cu-Cr-Zr合金材料成分要求对各合金元素进行配比，选择并准备相应的原料；
S2熔炼及铸造：根据各元素的配比及各自特定加入方式将原料装入熔炼炉进行熔炼，送料进入加料区域的同时加热，原料熔炼后铸造机液位控制区域，整个过程充入氩气保护，保温1-2h后开始上引铸造，确保合金溶液在碳基坩埚***的自然脱氧环境中获得足够的保温时间，获得Φ25-35mm的铜杆坯料；
S3轧制：将Φ25-35mm的铜杆坯料进行加热轧制，加热温度800-1000℃，多道次轧制获得Φ10-20mm热轧坯料；
S4固溶热处理：将Φ10-20mm热轧坯料进行固溶热处理，固溶温度850-1000℃，保温时间1-2小时，水淬；通过固溶热处理合金元素固溶到铜基体里面，再通过步骤S6的时效热处理使第二相溶质原子及化合物析出，达到强化合金的效果；
S5冷轧：将固溶热处理后的Φ10-20mm坯料进行多道次冷轧或冷拉拔，获得Φ8-Φ10mm冷轧坯料；
S6时效热处理：将Φ8-Φ10mm冷轧坯料进行时效热处理，时效温度500-600℃，保温时间3-5小时；通过时效热处理使第二相溶质原子及化合物析出，以配合步骤S4固溶热处理处理，达到强化合金的效果；
S7绞线绞合：将时效后的Φ8-Φ10mm冷轧坯料进一步进行多道次拉拔，获得Φ2.25-Φ3.15mm绞线单线成品，并将Φ2.25-Φ3.15mm多线绞合获得成品绞线。
本发明合金绞线的制造方法基于上引法连续铸造对Cu-Cr-Zr合金进行制备，并实现批量生产绞线产品，所制备的合金绞线性能、组织优异，材料利用率高、能耗小，实现了Cu-Cr-Zr铁路绞线的产业化生产，解决了制约高速铁路发展的瓶颈问题。
进一步地，所述步骤S1中Cu-Cr-Zr合金材料各成分质量百分计为：Cr：0.2％-1.0％，Zr:0.02％-0.2％，Cu：余量。上述Cu-Cr-Zr合金配比在满足产品使用必须符合国家标准的前提下，将各个成分范围通过工艺优化等缩小至一个较窄的范围，以达到更优的使用性能，例如，实际成分在Cr：0.8％-0.9％，Zr：0.08-0.10％，Cu：余量，产品实际检测抗拉强度绞前绞后能到540-600Mpa，电导率90-94％IACS。
进一步地，所述步骤S2中各元素的各自特定加入方式具体为：Cr和Zr以包芯线的形式加入，Cu选用无氧铜杆形式加入。由于Cr、Zr高温熔化都是很容易和氧反应形成氧化物夹杂，通过包芯线方式并且整个熔炼过程在密封的气氛保护环境下进行，这种方式能够获得成分非常均匀的材料，避免了与空气接触产生氧化物夹杂等缺陷，减少合金元素的消耗。
进一步地，所述步骤S2中上引铸造使用Cu-Cr-Zr合金上引设备，所述Cu-Cr-Zr合金上引设备的加热元件及坩埚均采用石墨材质制成。通过石墨材质可以提高温度均匀性及铸造***稳定性，同时配合加料方式采用包芯线形式加入，与传统上引铸造具有更优铸造性能。
进一步地，所述步骤S2中上引铸造的上引速度控制在800-1400mm/min。通过上引速度控制在上述范围内能够获得综合性能良好的铜杆坯料。
进一步地，所述步骤S2中上引铸造采用充入氩气方式隔氧，并采用水冷方式冷却，其所用冷却水持续通入直流电，其电流密度为0.35-0.75A/cm2，并且进水温度控制在21-24℃；其中，所述冷却水为含有质量浓度1.7-4.3％的硝酸钾的蒸馏水。通过冷却水夹带微电流并通过硝酸钾的配合使电流有效通入，可以在上引铸造冷却过程中，使沉淀硬化型合金内部晶向组织更为均匀，同时提高表面抗拉强度及韧性；
进一步地，所述步骤S4中水淬采用含有特制剂的蒸馏水进行水淬处理，具体为：
1)选取含有质量浓度为4.5-5.8％特制剂的蒸馏水，将Φ10-20mm热轧坯料伸入由环形桶制雾形成环形的出雾区，降温至350-450℃；
2)随后将其继续伸入至环形桶下方的水深槽中降至室温，所述水深槽中填充有含有质量浓度为1.5-2.3％特制剂的蒸馏水。
其中，所述环形桶与水深槽上下密封拼接而成，且环形桶内壁周向等间距设有多组雾化喷头，环形桶、水深槽一侧侧壁各设有一个用于存放含特制剂的蒸馏水的第一储液盒、第二储液盒，环形桶上端侧壁设有水泵，所述水泵一端通过管道与第一储液盒连接，其另一端通过管道与环形桶桶壁内中空腔连通；水深槽另一侧侧壁上设有出液口；
通过上述水淬处理，利用环形雾冷包裹一段冷却，再通过浸泡液冷至室温，配合不同含量的上述特制剂的蒸馏水对Cu-Cr-Zr合金进行水淬处理，可以提高Cu-Cr-Zr合金的抗拉强度以及电导率等相关性能，提高其应用于铁路绞线的使用效果。
更进一步地，所述特制剂按质量分数计具体为：10-15份聚丙烯酰胺、3-7份氯化钾、5-10份聚乙烯醇、1-3份乙二胺四乙酸二钠。上述配比下组成的特制剂，其与蒸馏水按比例混合形成的水淬用剂，能够有效配合上述处理工艺，对Cu-Cr-Zr合金进行水淬处理，从而提高其抗拉强度以及电导率等相关性能。
本发明的有益效果是：
(1)本发明合金绞线的制造方法基于上引法连续铸造对Cu-Cr-Zr合金进行制备，并实现批量生产绞线产品，所制备的合金绞线性能、组织优异，材料利用率高、能耗小，实现了Cu-Cr-Zr铁路绞线的产业化生产，解决了制约高速铁路发展的瓶颈问题。
(2)本发明合金绞线制备的加入方式，通过包芯线方式并且整个熔炼过程在密封的气氛保护环境下进行，这种方式能够获得成分非常均匀的材料，避免了与空气接触产生氧化物夹杂等缺陷，减少合金元素的消耗。
(3)本发明通过水淬处理，通过不同含量特制剂的蒸馏水对Cu-Cr-Zr合金进行水淬处理，并对应配合环形雾冷以及浸泡水冷，可以提高Cu-Cr-Zr合金的抗拉强度以及电导率等相关性能，提高其应用于铁路绞线的使用效果。
附图说明
图1是本发明具体实施例中成品绞线端面结构1×37示意图。
图2是本发明具体实施例中成品绞线端面结构1×37示意图。
图3是本发明具体实施例中水淬专用装置的整体结构示意图。
图4是本发明具体实施例中水淬专用装置的整体结构剖视图。
其中，1-环形桶、11-雾化喷头、12-第一储液盒、13-水泵、14-中空腔、2-水深槽、21-第二储液盒、22-出液口。
具体实施方式
实施例1
一种电气化铁路用Cu-Cr-Zr合金绞线的制造方法，包括以下步骤：
S1配料：按照Cu-Cr-Zr合金材料成分要求对各合金元素进行配比，Cu-Cr-Zr合金材料各成分质量百分计为：Cr：0.85％，Zr：0.09％，Cu：余量，选择并准备相应的原料；
S2熔炼及铸造：根据各元素的配比及各自特定加入方式将原料装入熔炼炉进行熔炼，Cr和Zr以包芯线的形式加入，Cu选用无氧铜杆形式加入，送料进入加料区域的同时加热，原料熔炼后铸造机液位控制区域，整个过程充入氩气保护，保温1-2h后开始上引铸造，确保合金溶液在碳基坩埚***的自然脱氧环境中获得足够的保温时间，获得Φ25-35mm的铜杆坯料；
其中，上引铸造使用的上引铸造机的加热元件及坩埚均采用石墨材质制成，上引铸造的上引速度控制在1200mm/min，上引铸造采用充入氩气方式隔氧，并采用水冷方式冷却，其所用冷却水进水温度控制在23℃；
S3轧制：将Φ25-35mm的铜杆坯料进行加热轧制，加热温度950℃，多道次轧制获得Φ10-20mm热轧坯料；
S4固溶热处理：将Φ10-20mm热轧坯料进行固溶热处理，固溶温度890℃，保温时间1.5小时，水淬；
S5冷轧：将固溶热处理后的Φ10-20mm坯料进行多道次冷轧，获得Φ8-Φ10mm冷轧坯料；
S6时效热处理：将Φ8-Φ10mm冷轧坯料进行时效热处理，时效温度540℃，保温时间3-5小时；
S7绞线绞合：将时效后的Φ8-Φ10mm冷轧坯料进一步进行多道次拉拔，获得Φ2.25-Φ3.15mm绞线单线成品，并将Φ2.25-Φ3.15mm多线绞合获得如图1或2所示的成品绞线。
上述合金绞线的制造方法基于上引法连续铸造对Cu-Cr-Zr合金进行制备，并实现批量生产绞线产品，所制备的合金绞线性能、组织优异，材料利用率高、能耗小，实现了Cu-Cr-Zr铁路绞线的产业化生产，解决了制约高速铁路发展的瓶颈问题。
实施例2
本实施例与实施例1基本相同，与其不同之处在于，步骤S1中Cu-Cr-Zr合金材料各成分质量百分计为：Cr：0.8％，Zr：0.08％，Cu：余量。
实施例3
本实施例与实施例1基本相同，与其不同之处在于，步骤S1中Cu-Cr-Zr合金材料各成分质量百分计为：Cr：0.9％，Zr：0.10％，Cu：余量。
实施例4
本实施例与实施例1基本相同，与其不同之处在于，步骤S2中水冷方式所用冷却水进行持续通入直流电，其电流密度为0.55A/cm2，并且进水温度控制在23℃；其中，冷却水为含有质量浓度3.7％的硝酸钾的蒸馏水。
本方案还提供了一种用于步骤S4中水淬专用装置，具体为：
如图3、4所示，环形桶1与水深槽2上下密封拼接而成，且环形桶1内壁周向等间距设有多组雾化喷头11，环形桶1、水深槽2一侧侧壁各设有一个用于存放含特制剂的蒸馏水的第一储液盒12、第二储液盒21，环形桶1上端侧壁设有水泵13，水泵13一端通过管道与第一储液盒12连接，其另一端通过管道与环形桶1桶壁内中空腔14连通；水深槽2另一侧侧壁上设有出液口22；其中，上述水泵13选用市售水泵并对其外形调整以适配本装置的安装需求。
实施例5
本实施例与实施例4基本相同，与其不同之处在于，步骤S4中水淬采用含有特制剂的蒸馏水进行水淬处理，包括以下步骤：
1)选取含有质量浓度为5.3％特制剂的蒸馏水，将Φ10-20mm热轧坯料伸入由环形桶1制雾形成环形的出雾区，降温至420℃；
2)随后将其继续伸入至环形桶1下方的水深槽2中降至室温，水深槽2中填充有含有质量浓度为1.9％特制剂的蒸馏水。
其中，特制剂按质量分数计具体为：13份聚丙烯酰胺、5份氯化钾、7份聚乙烯醇、2份乙二胺四乙酸二钠。
通过上述水淬处理，利用环形雾冷包裹一段冷却，再通过浸泡液冷至室温，配合不同含量的上述特制剂的蒸馏水对Cu-Cr-Zr合金进行水淬处理，可以提高Cu-Cr-Zr合金的抗拉强度以及电导率等相关性能，提高其应用于铁路绞线的使用效果。
实施例6
本实施例与实施例5基本相同，与其不同之处在于特制剂的配组不同，具体为：特制剂按质量分数计具体为：10份聚丙烯酰胺、3份氯化钾、5份聚乙烯醇、1份乙二胺四乙酸二钠。
实施例7
本实施例与实施例5基本相同，与其不同之处在于特制剂的配组不同，具体为：特制剂按质量分数计具体为：15份聚丙烯酰胺、7份氯化钾、10份聚乙烯醇、3份乙二胺四乙酸二钠。
Cu-Cr-Zr合金绞线性能试验
一、实验样本
选用实施例1-7各个制备方法制备出Cu-Cr-Zr合金绞线，对其进行顺次实验分组，依次记作实验例1-7；
二、实验项目
分别对实验例1-7的抗拉强度以及电导率进行测试，具体如下：
1)抗拉强度：选取各个实验例的Cu-Cr-Zr合金绞线样本，参照GB228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》，在WDW-1电子万能试验机上进行拉伸试验，试验结果如下表1所示：
表1 Cu-Cr-Zr合金绞线样本的抗拉强度测试
Figure BDA0002541501180000081
2)电导率：选取各个实验例的Cu-Cr-Zr合金绞线样本，使用金属导电率涡流测量仪FD101对各个样本进行导电率测试，实验结果如下表2所示：
表2 Cu-Cr-Zr合金绞线样本的导电率测试
Figure BDA0002541501180000082
三、实验结论
1)由表1测试数据可知，
对比实验例1-3，实验例1与实验例2、3相比其抗拉强度相对较高，可见不同Cu-Cr-Zr合金绞线的成分配比对抗拉强度有一定影响，其中，以实施例1中Cu、Cr、Zr的配比最优；
对比实验例1与4，实验例4与实验例1相比其抗拉强度相对较高，可见对冷却水进行硝酸钾添加并施加一定微弱直流电对抗拉强度有一定影响，可能与淬火冷却有一定关联但影响不大，其中，以实施例4的方法制备的Cu-Cr-Zr合金绞线的抗拉强度性能更优；
对比实验例4与5，实验例5与实验例4相比其抗拉强度相对较高，可见通过上述水淬处理对Cu-Cr-Zr合金的抗拉强度有一定影响，其中，以实施例5的方法制备的Cu-Cr-Zr合金绞线的抗拉强度性能更优；
对比实验例5-7，实验例5与实验例6、7相对其抗拉强度相对较高，可见不同的特制剂配比对水淬处理效果有一定影响，其中，以实施例5中特制剂的各成分配比最优。
2)由表2测试数据可知，
对比实验例1-3，实验例1与实验例2、3相比其导电率相对较高，可见不同Cu-Cr-Zr合金绞线的成分配比对导电率有一定影响，其中，以实施例1中Cu、Cr、Zr的配比最优；
对比实验例1与4，实验例4与实验例1相比其导电率相对较高，可见对冷却水进行硝酸钾添加并施加一定微弱直流电对导电率基本无影响；
对比实验例4与5，实验例5与实验例4相比其导电率相对较高，可见通过上述水淬处理对Cu-Cr-Zr合金的导电率有一定影响，其中，以实施例5的方法制备的Cu-Cr-Zr合金绞线的导电率性能更优；
对比实验例5-7，实验例5与实验例6、7相对其导电率相对较高，可见不同的特制剂配比对水淬处理效果有一定影响，其中，以实施例5中特制剂的各成分配比最优。

Claims (9)

1.一种电气化铁路用Cu-Cr-Zr合金绞线的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1配料：按照Cu-Cr-Zr合金材料成分要求对各合金元素进行配比，选择并准备相应的原料；
S2熔炼及铸造：根据各元素的配比及各自特定加入方式将原料装入熔炼炉进行熔炼，期间充入氩气保护，保温一定时间后开始上引铸造，获得Φ25-35mm的铜杆坯料；
S3轧制：将Φ25-35mm的铜杆坯料进行加热轧制，加热温度800-1000℃，多道次轧制获得Φ10-20mm热轧坯料；
S4固溶热处理：将Φ10-20mm热轧坯料进行固溶热处理，固溶温度850-1000℃，保温时间1-2小时，水淬；
S5冷轧：将固溶热处理后的Φ10-20mm坯料进行多道次冷轧，获得Φ8-Φ10mm冷轧坯料；
S6时效热处理：将Φ8-Φ10mm冷轧坯料进行时效热处理，时效温度500-600℃，保温时间3-5小时；
S7绞线绞合：将时效后的Φ8-Φ10mm冷轧坯料进一步进行多道次拉拔，获得Φ2.25-Φ3.15mm绞线单线成品，并将Φ2.25-Φ3.15mm多线绞合获得成品绞线。
2.如权利要求1所述的一种电气化铁路用Cu-Cr-Zr合金绞线的制造方法，其特征在于，所述步骤S1中Cu-Cr-Zr合金材料各成分质量百分计为：Cr：0.2％-1.0％，Zr:0.02％-0.2％，Cu：余量。
3.如权利要求1所述的一种电气化铁路用Cu-Cr-Zr合金绞线的制造方法，其特征在于，所述步骤S2中各元素的各自特定加入方式具体为：Cr和Zr以包芯线的形式加入，Cu选用无氧铜杆形式加入。
4.如权利要求1所述的一种电气化铁路用Cu-Cr-Zr合金绞线的制造方法，其特征在于，所述步骤S2中上引铸造使用Cu-Cr-Zr合金上引设备，所述Cu-Cr-Zr合金上引设备的加热元件及坩埚均采用石墨材质制成。
5.如权利要求1所述的一种电气化铁路用Cu-Cr-Zr合金绞线的制造方法，其特征在于，所述步骤S2中上引铸造的上引速度控制在800-1400mm/min。
6.如权利要求1所述的一种电气化铁路用Cu-Cr-Zr合金绞线的制造方法，其特征在于，所述步骤S2中上引铸造采用充入氩气方式隔氧，并采用水冷方式冷却，其所用冷却水持续通入直流电，其电流密度为0.35-0.75A/cm2，并且进水温度控制在21-24℃；其中，所述冷却水为含有质量浓度1.7-4.3％的硝酸钾的蒸馏水。
7.如权利要求1所述的一种电气化铁路用Cu-Cr-Zr合金绞线的制造方法，其特征在于，所述步骤S2中Cr和Zr以包芯线的形式加入，Cu选用无氧铜杆形式加入。
8.如权利要求1所述的一种电气化铁路用Cu-Cr-Zr合金绞线的制造方法，其特征在于，所述步骤S4中水淬采用含有特制剂的蒸馏水进行水淬处理，具体为：1)选取含有质量浓度为4.5-5.8％特制剂的蒸馏水，将Φ10-20mm热轧坯料伸入由环形桶制雾形成环形的出雾区，降温至350-450℃；2)随后将其继续伸入至环形桶下方的水深槽中降至室温，所述水深槽中填充有含有质量浓度为1.5-2.3％特制剂的蒸馏水。
9.如权利要求8所述的一种电气化铁路用Cu-Cr-Zr合金绞线的制造方法，其特征在于，所述特制剂按质量分数计具体为：10-15份聚丙烯酰胺、3-7份氯化钾、5-10份聚乙烯醇、1-3份乙二胺四乙酸二钠。
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