一種CuCrZr合金絞線及其生產(chǎn)工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電氣化鐵路接觸網(wǎng)所用的線材的生產(chǎn)工藝，尤其是一種合金絞線的生產(chǎn)工藝，屬電纜技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著鐵路及城軌、地鐵交通的發(fā)展，對絞線的要求也越來越高。高速鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)需要更大載流量來保證列車高速運(yùn)行；低速重載鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)也需要更大載流量以牽引裝載更大質(zhì)量的車體；城軌地鐵和橋隧錨段由于空間限制，需要采用更少線材，同時(shí)提供更好的載流能力。因此，高導(dǎo)電率接觸網(wǎng)線材的應(yīng)用需求非常廣泛。
[0003]目前，電氣化鐵路接觸網(wǎng)用絞線有純銅和銅鎂合金兩種材質(zhì)。其中，銅絞線導(dǎo)電率為97%IACS，但單絲絞前強(qiáng)度僅有430MPa左右，主要用于低速鐵路，而且其應(yīng)用范圍逐漸縮小。銅鎂合金絞線根據(jù)鎂含量不同分為低鎂銅絞線和高鎂銅絞線。低鎂銅絞線導(dǎo)電率為77%IACS，單絲絞前強(qiáng)度為520MPa ;高鎂銅絞線導(dǎo)電率為62%IACS，單絲絞前強(qiáng)度為620MPa，銅鎂合金絞線是當(dāng)前電氣化接觸網(wǎng)主要應(yīng)用的線材。因純銅以細(xì)晶強(qiáng)化、形變強(qiáng)化為主；銅鎂合金以細(xì)晶強(qiáng)化、形變強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化為主，這就意味著當(dāng)導(dǎo)電率高時(shí)，其合金含量必然要降低，而強(qiáng)度也隨之下降，即絞線的導(dǎo)電率與強(qiáng)度之間形成反函數(shù)的關(guān)系。因此傳統(tǒng)的銅絞線強(qiáng)度低，難以滿足接觸網(wǎng)的安全要求；銅鎂合金絞線強(qiáng)度滿足要求，但導(dǎo)電率低，增大了電能在線材上的損耗。
[0004]CuCrZr是一種熱處理強(qiáng)化型銅合金，它是綜合利用固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、形變強(qiáng)化等多種方式得到的一種兼具高強(qiáng)度和高導(dǎo)電性能的功能性結(jié)構(gòu)材料。其中，CuCr, CuZr作為強(qiáng)化相彌散在Cu基體中，提高強(qiáng)度的同時(shí)又不會對導(dǎo)電率造成影響，能夠滿足目前接觸網(wǎng)對絞線的要求。目前CuCrZr合金采用普通鑄造方式僅能制得鑄錠，難以制成具有大卷重的CuCrZr棒坯。因此CuCrZr合金只能用于制作電器零部件、電機(jī)端環(huán)等零部件，無法制作具有大長度的電氣化接觸網(wǎng)線材。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種CuCrZr合金絞線及其生產(chǎn)工藝，制造出導(dǎo)電率為77?92%IACS、單絲抗拉強(qiáng)度為500?700MPa的絞線產(chǎn)品，滿足高速鐵路、低速重載、城軌地鐵和橋隧錨段等各種不同接觸網(wǎng)的需求。
[0006]本發(fā)明所述問題是以下述技術(shù)方案解決的:
一種CuCrZr合金絞線，所述CuCrZr合金絞線中合金元素的含量為:Cr 0.3_1.0%wt，Zr0.01-0.l%wt，其余為銅；其中，Cr與Zr的重量比為8.5-11。
[0007]上述CuCrZr合金絞線，所述CuCrZr合金絞線原料為銅、CuCr合金、CuZr合金，所述CuCr合金中的Cr含量為8_15%wt，所述CuZr合金中的Zr含量為8_15%wt。
[0008]上述CuCrZr合金絞線，所述CuCr合金中的Cr含量為12%wt，所述CuZr合金中的Zr含量為12%wt。
[0009]上述CuCrZr合金絞線，所述CuCrZr合金絞線的導(dǎo)電率為77?90%IACS，單絲抗拉強(qiáng)度 500 ?700Mpa。
[0010]一種制備如上所述CuCrZr合金絞線的生產(chǎn)工藝，包含以下步驟:
A、水平電磁連鑄鑄造棒坯:按照化學(xué)組分及其含量配制絞線原料，在熔煉爐中進(jìn)行非真空熔煉，熔煉完成的熔液導(dǎo)流至保溫爐后，進(jìn)行水平電磁連鑄，將銅合金熔液在水平電磁連鑄系統(tǒng)中引鑄得到直徑為20-120mm的棒坯，得到的棒坯采用循環(huán)噴淋式結(jié)晶器進(jìn)行多層冷卻處理；
B、熱軋?zhí)幚?將步驟A得到的CuCrZr合金棒坯預(yù)熱至700_950°C，然后采用行星軋機(jī)熱乳成直徑為30-45mm的棒材；
C、固溶處理:使用固溶爐對步驟B得到的CuCrZr合金棒材進(jìn)行固溶處理，固溶處理時(shí)采用曲線加熱至最終固溶溫度，最終固溶溫度為900-990°C，保溫20-60min ;保溫結(jié)束后，將棒材立即進(jìn)行水淬，入水間隔< 10s，且棒材不能直接暴露在空氣中；
D、冷軋?zhí)幚?使用二輥軋機(jī)或者三輥軋機(jī)將CuCrZr合金棒材軋制為線材，軋制速度為
2-30m/min ;冷軋工序變形量> 80% ；
E、時(shí)效處理:使用鐘罩式時(shí)效爐對CuCrZr合金線材進(jìn)行時(shí)效處理，時(shí)效時(shí)采用曲線加熱達(dá)到最終時(shí)效溫度，最終時(shí)效溫度為350-550°C，保溫時(shí)間為2-4h ;保溫結(jié)束后，線材冷卻至100°C以下后由時(shí)效爐中取出；
F、拉拔單絲:采用拉絲機(jī)對完成時(shí)效處理的CuCrZr合金線材進(jìn)行單絲拉拔，制得單根CuCrZr合金線，拉拔出線速度為20_50m/min ;單絲拉拔過程中的冷加工總變形量> 80% ；
G、絞合成型:采用框絞機(jī)將多根CuCrZr合金線絞合成CuCrZr合金絞線，絞合出線速度控制在為10-20m/min ;絞合過程采用退扭裝置。
[0011]上述CuCrZr合金絞線的生產(chǎn)工藝，所述步驟A中，在非真空恪煉過程中，對恪煉爐中的熔液每小時(shí)進(jìn)行一次成分檢驗(yàn)，要求熔液中Cr含量波動為±0.02%，Zr含量波動為±0.01%;熔煉爐的溫度> 1300°C，保溫爐的溫度> 1200°C ;在引鑄棒坯的過程中，電磁場頻率為20-60HZ，磁場電流為30-100A，引鑄速度為80-550mm/min。
[0012]上述CuCrZr合金絞線的生產(chǎn)工藝，所述步驟B中熱乳的乳制速度< 1500mm/min。
[0013]本發(fā)明的有益效果在于:
本發(fā)明的CuCrZr合金絞線產(chǎn)品具有與低鎂含量的銅鎂絞線相當(dāng)?shù)目估瓘?qiáng)度值，單絲強(qiáng)度提高大于500MPa，適應(yīng)較高的懸掛張力，安全系數(shù)高。同時(shí)本發(fā)明的CuCrZr合金絞線的導(dǎo)電率可達(dá)90%IACS以上，相對于銅鎂合金絞線的77%IACS和62%IACS而言，傳輸載流量高，節(jié)能降耗效果顯著，完全滿足目前接觸網(wǎng)對絞線的需求。
[0014]CuCrZr合金絞線的生產(chǎn)工藝與銅絞線、銅鎂合金絞線的生產(chǎn)工藝截然不同。后兩者主要采用上引連鑄-軋制-拉拔-絞合工藝制作，本發(fā)明的CuCrZr合金絞線采用水平電磁連鑄-熱軋-熱處理-拉拔-絞合工藝制作。采用本專利工藝方法，通過改變熱處理工藝參數(shù)，不僅通過固溶處理實(shí)現(xiàn)細(xì)晶強(qiáng)化和形變強(qiáng)化，還通過時(shí)效處理提高強(qiáng)度和導(dǎo)電率，調(diào)整了最終產(chǎn)品的機(jī)械和電氣性能，達(dá)到強(qiáng)度與導(dǎo)電性能的共贏。制造導(dǎo)電率為77?92%IACS、單絲抗拉強(qiáng)度為500?700MPa的絞線產(chǎn)品，滿足不同的高速鐵路、低速重載、城軌地鐵和橋隧錨段等各種不同接觸網(wǎng)需求。
[0015]與傳統(tǒng)的銅絞線和銅鎂合金絞線相比，本發(fā)明的CuCrZr合金絞線通過控制CuCrZr合金材料的合金元素含量和生產(chǎn)工藝相結(jié)合，提高了強(qiáng)度和導(dǎo)電率，實(shí)現(xiàn)了具有高強(qiáng)高導(dǎo)電率特點(diǎn)的絞線生產(chǎn)。
【附圖說明】
[0016]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0017]圖1是本發(fā)明的步驟A水平電磁連鑄系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖中各標(biāo)號表示:1、保溫爐，2、電磁攪拌器，3、一次冷卻區(qū)，4、二次及三次冷卻區(qū)，
5、棒坯，6、牽引系統(tǒng)，7、石墨模。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明:
本發(fā)明CuCrZr合金絞線中合金元素的含量為:Cr 0.3-1.0%wt，Zr 0.01-0.l%wt，其余為銅。同時(shí)合金元素中Cr與Zr的重量比為8.5-11。CuCrZr合金絞線的制備原料為銅、CuCr合金和CuZr合金；所述CuCr合金中的Cr含量為8_15%wt，所述CuZr合金中的Zr含量為 8-15%wt。
[0020]所述CuCrZr合金絞線的導(dǎo)電率77?90%IACS，單絲抗拉強(qiáng)度為500?700Mpa?？梢愿鶕?jù)實(shí)際要求，略微降低導(dǎo)電率，而大幅提高抗拉強(qiáng)度。
[0021]上述CuCrZr合金絞線的生產(chǎn)工藝包括以下步驟:A、水平電磁連鑄鑄造棒坯、熱軋?zhí)幚恚籆、固溶處理；D、冷軋?zhí)幚?；E、時(shí)效處理；F、拉拔單絲；G、絞合成型。所述步驟D冷軋?zhí)幚砗筒襟EE時(shí)效處理這三個(gè)步驟根據(jù)不同產(chǎn)品性能要求可以進(jìn)行順序調(diào)整。
[0022]A、水平電磁連鑄鑄造棒坯:
按照上述化學(xué)組分及其含量配制制作絞線需要的原料，在熔煉爐中進(jìn)行非真空熔煉，熔煉溫度> 1300°C，熔煉過程中時(shí)通過表面覆蓋和氣體保護(hù)的方式使得銅合金熔液與大氣隔離。在非真空熔煉過程中，還需要對熔煉爐中的熔液定時(shí)進(jìn)行成分檢驗(yàn)，檢驗(yàn)頻率為每小時(shí)一次。要求熔液中Cr的含量波動不超過±0.02%，Zr的含量波動不超過±0.01%。
[0023]熔煉完成的熔液導(dǎo)流至保溫爐，保溫爐的溫度> 1200°C。由保溫爐流出后開始進(jìn)行水平電磁連鑄，將銅合金熔液在水平電磁連鑄系統(tǒng)中引鑄為棒坯，水平電磁連鑄系統(tǒng)的簡圖如圖1所示，保溫爐I底部側(cè)面的出口設(shè)置石墨模7，在石墨模7中完成一次冷卻結(jié)晶為帶液心的鑄坯。即保溫爐I中流出的銅合金熔液經(jīng)過電磁攪拌器2開始冷卻，經(jīng)過一次冷卻區(qū)3熔液冷凝成型，形成帶液心的鑄坯，經(jīng)過二次及三次冷卻區(qū)4后，完全凝固形成鑄坯5，所述鑄坯5由牽引系統(tǒng)6導(dǎo)出。水平電磁連鑄過程中，電磁場頻率為20-60HZ，磁場電流為30-100A，牽引系統(tǒng)的引鑄速度為80-550mm/min，最終得到的棒坯直徑為20-120mm。棒坯導(dǎo)出后，采用循環(huán)噴淋式結(jié)晶器對得到的棒坯進(jìn)行多層冷卻處理，保證棒坯表面質(zhì)量。
[0024]B、熱軋?zhí)幚?
對步驟A得到的CuCrZr合金棒坯進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為700_950°C，然后采用行星軋機(jī)將棒還熱乳成棒材，乳制速度< 1500mm/min，所述棒材的直徑為30_45mm。熱乳結(jié)束后，為便于移動搬運(yùn)至下道工序，可將棒材收卷，收卷的盤卷直徑為2000_左右。
[0025]C、固溶處理:
使用鐘罩式固溶爐或隧道式固溶爐對步驟B得到的CuCrZr合金棒材進(jìn)行固溶處理，并采用氣體保護(hù)使得棒材與大氣隔離。固溶處理時(shí)采用曲線加熱，首先加熱至750-800°C保溫1-1.5h，再加熱至最終固溶溫度，最終固溶溫度為900-990°C，保溫時(shí)間為20_60min。保溫結(jié)束后，將棒材立即進(jìn)行水淬，入水間隔< 1s ;在水淬時(shí)保證棒材不直接暴露于空氣中。
[0026]在固溶處理中使用的料架采用特種不銹鋼材質(zhì)制成，所述料架為桁架式結(jié)構(gòu)，保證料架能抵抗高溫急冷的溫度變化，防止發(fā)生潰塌。
[0027]D、冷軋?zhí)幚?
使用二輥軋機(jī)或者三輥軋機(jī)將CuCrZr合金棒材軋制為要求產(chǎn)品規(guī)格的線材，軋制速度控制在2-30m/min ;控制冷軋工序的變形量> 80%。
[0028]E、時(shí)效處理:
使用鐘罩式時(shí)效爐對CuCrZr合金線材進(jìn)行時(shí)效處理，并采用氣體保護(hù)使得線材與大氣隔離。時(shí)效時(shí)采用曲線加熱，首先加熱至300-350°C保溫0.5-lh，之后繼續(xù)加熱直至達(dá)到最終時(shí)效溫度，最終時(shí)效溫度為350-550°C，保溫時(shí)間為2-4h。保溫結(jié)束后，線材隨爐先冷卻至100°C以下，然后由時(shí)效爐中取出。
[0029]F、拉拔單絲:
采用拉絲機(jī)對完成時(shí)效處理的CuCrZr合金線材進(jìn)行單絲拉拔，制得單根CuCrZr合金線。拉拔出線速度控制在20-50m/min?？刂茊谓z拉拔過程中的冷加工總變形量> 80%。
[0030]G、絞合成型:
采用框絞機(jī)將多根CuCrZr合金線絞合成CuCrZr合金絞線，合理安排各層絞合節(jié)徑比，并保證外層節(jié)徑比小于內(nèi)層節(jié)徑比。絞合出線速度控制在10-20m/min。在絞合過程采用退扭裝置，保證絞線不散股。最常用的120mm2規(guī)格CuCrZr合金絞線的絞合結(jié)構(gòu)采用1X37股，保證絞線更加柔韌。
[0031]本發(fā)明中通過固溶處理進(jìn)行細(xì)晶強(qiáng)化和形變強(qiáng)化，并依