CN103316937A - 一种连续生产CuCrZr合金导线的设备及生产方法 - Google Patents

Abstract

一种连续生产CuCrZr合金导线的设备，包括推送装置和ECAP装置，ECAP装置至少有两个，推送装置包括机架和多个滚轮对，及动力机构；第一个ECAP装置的进口和相邻的ECAP装置之间分别设有一个推送装置；ECAP装置包括挤压通道和转角通道，两个挤压通道具有交叉角度。一种连续生产CuCrZr合金导线的方法，包括以下步骤：制备Cu合金铸杆；将Cu合金铸杆插入推送装置；将Cu合金铸杆送入ECAP装置变形；线材前进、变形，直到进入最后一个ECAP装置内；最后一个推送装置将线材向前推送出料。本发明具有既能实现线材的无限长生产，在线材连续的大变形程度的冷加工的同时合金杆中的晶粒横截面积又无需显著缩小的优点。

Description

一种连续生产CuCrZr合金导线的设备及生产方法

技术领域

本发明涉及合金制造领域，特别是一种连续生产CuCrZr合金导线的设备及生产方法。

背景技术

从2009年起我国高速电气化铁路(以下简称高铁)得到实质的飞跃式发展，京津线、京沪线和京广线相继开通。高铁最高时速达到了480公里/小时的世界纪录，目前稳定运行速度为300公里/小时。高速电气化铁路的发展对其关键部件—接触线—产生巨大的市场需求和苛刻的性能要求。要求用作接触线的材料同时具备以下特性：良好的导电性、高强度、低线密度、良好的耐磨擦性、良好的耐腐蚀性等，尤其强度和电导率是最核心指标。

目前高铁接触线采用的导体材料主要有Cu-Mg, Cu-Sn, Cu-Ag, Cu-Sn-Ag, Cu-Ag-Zr, Cu-Cr-Zr等系列Cu合金，其中Cu-Cr-Zr显示了更为优异的强度和电导率综合性能。

中国专利ZL200910097340.X披露了一种超长CuCrZr合金接触线的制备方法，合金成分质量百分数为含量为(0.30 ～0.50)％ Cr， (0.10 ～ 0.15)％ Zr， (0.01 ～ 0.02)％ Si，其余为Cu，该方法的步骤如下：

1) 感应炉升温至1200℃熔化电解Cu，采用木炭、石墨片保护，再添加Cu-Cr、Cu-Zr 及Cu-Si 中间合金；

2) 充分熔化后搅拌均匀并静置15min ；

3) 上引连铸毛坯杆；

4) 毛坯杆挤压；

5) 挤压杆退火；

6) 拉拔及轧制截面具有对称沟槽的成品接触线材；

制备抗拉强度为540 ～ 600MPa，相对电导率为(75 ～ 84)％ IACS，在400℃软化退火2h 后强度下降不超过10％的成品接触线单根长度为1000 ～ 1500m 的方法：

所采用的中间合金成分为Cu-5％ Cr、Cu-15％ Zr 及Cu-20％ Si ；

上引连铸温度为1200 ～ 1250℃，上引速率为150 ～ 250mm/min，上引毛坯杆规格为Φ16 ～ Φ22mm ；上引毛坯杆连续挤压后的挤压杆规格为Φ24 ～ Φ31mm ；挤压杆退火温度为450 ～ 500℃，退火时间为1 ～ 4h ；轧制或拉拔的成品接触线材公称截面积为110 ～ 150mm²。

上述制备方法采用的是上引连续铸造或者水平连续铸造方法，且以连续挤压和拉拔作为主要变形手段。虽然这种工艺方法简单高效，但其致命缺点是材料组织不致密，缺陷很多，拉拔过程中组织变形不彻底，芯部组织比较粗大。每经过一道拉拔，Cu合金杆的直径就减少一定比例，相应地产生一定程度的冷加工硬化效果。Cu合金杆的变形程度取决于最终横截面积与初始横截面积的比值。提高变形程度才能使Cu合金强度提高到所要求水平，也即需要降低最终横截面积与初始横截面积的比值。而实际应用的Cu合金杆横截面积已经确定，这意味着需要通过提高初始横截面积来实现大变形程度从而获得高强度。这可以通过提高连续挤压出口直径或者增大杆坯初始横截面积来实现。通过使用扩张模提高连续挤压出口直径虽然能在一定程度使杆坯粗化，但是粗化的能力是有限的，通常是从直径22 mm提高到31 mm，并且该过程存在增加内部界面的问题。而在实际生产中提高初始横截面积的难度非常大，涉及出炉口、结晶器、铸造速度、冷却强度等方面的改造，甚至有时是无法实现的。如何实现连续的大变形程度的冷加工同时晶粒横截面积又无需显著缩小是现实生产中最突出的问题。

发明内容

为了克服现有技术无法实现线材连续的大变形程度的冷加工同时横截面积又无需显著缩小的缺点，本发明提供了一种既能实现线材的无限长生产，在线材连续的大变形程度的冷加工的同时晶粒的横截面积又无需显著缩小的连续生产CuCrZr合金导线的设备及其生产方法。

一种连续生产CuCrZr合金导线的设备，包括推送装置和ECAP装置（等通道转角挤压装置），ECAP装置至少有两个，推送装置包括机架和设置于机架上的多个滚轮对，以及驱动滚轮转动的动力机构，型材位于两个滚轮之间；第一个ECAP装置的进口和相邻的ECAP装置之间分别设有一个推送装置；ECAP装置包括两个横截面形状完全的挤压通道和连接两个挤压通道的转角通道，两个挤压通道具有交叉角度。型材紧贴于滚轮表面，型材依靠其与滚轮之间的摩擦力被向前推送。

进一步，最后一个ECAP装置的出口处设有一个推送装置。

进一步，从第一个ECAP装置到最后一个ECAP装置的通道横截面积逐渐缩小，最后一个ECAP装置的通道的形状与成品线材的形状一致。

进一步，所述的动力机构包括与滚轮对的第一滚轮固定连接的第一齿轮，与第一齿轮啮合的第一齿条，和推动第一齿条的第一气缸，以及与第二滚轮固定连接的第二齿轮，与第二齿轮啮合的第二齿条，和推动第二齿条的第二气缸；第一齿轮和第二齿轮分别具有轮齿部和光滑部，轮齿部与对应的齿条啮合，光滑部与齿条间隙配合；第一气缸顶出时第一齿条与第一齿轮的轮齿部啮合，同时第二气缸复位，第二齿条与第二齿轮的光滑部相对运动，第一气缸和第二气缸的顶出方向相反。

当第一齿条带动第一滚轮顺时针转动时，第二齿条与第二齿轮的光滑部对应，第一滚轮与线材之间的摩擦力迫使线材向前推送，同时第二滚轮在摩擦力的作用下逆时针转动。当第一气缸复位时，第二气缸开始顶推，第二气缸带动第二滚轮逆时针转动，同样依靠第二滚轮与线材之间的摩擦力迫使线材向前推送，同时第一滚轮在摩擦力的作用下顺时针转动。当第一气缸再次顶出时，第一齿条带动第一滚轮顺时针运动。第一气缸和第二气缸如此交替动作，使线材持续不断的送入ECAP装置中。由于推动装置提供的是从后向前的顶推力，因此，推送装置的位置不动，即可将线材源源不断的送入ECAP装置内，经ECAP装置等转角挤压后，形成所需的成品线材。

一种连续生产CuCrZr合金导线的方法，包括以下步骤：

1）、用上引法制备Cu合金铸杆；Cu合金铸杆的横截面积大于ECAP装置的通道的横截面积；

2）、将Cu合金铸杆插入第一个推送装置的第一滚轮和第二滚轮之间，第一滚轮和第二滚轮压紧Cu合金铸杆；

3）、开启推送装置的动力机构，第一气缸和第二气缸交替动作，持续地将Cu合金铸杆送入第一个ECAP装置的通道内，Cu合金铸杆；产生第一次变形；

4）、第一次形变后的线材进入第一个ECAP装置与第二个ECAP装置之间的推送装置内，该推送装置将线材送入下一个ECAP装置发生下一次变形，线材如此前进、变形，直到进入最后一个ECAP装置内；

5）、线材在最后一个ECAP装置内发生最后一次形变后，进入最后一个推送装置内，该推送装置将线材向前推送出料，形成成品线材。

进一步，步骤5）中，最后一个推送装置将线材送入异形轧机加工出对称沟槽，再将Cu合金线材连续收卷；将收卷后的样品送入光亮退火炉，同时实现样品表面光亮处理和内部时效析出强化处理；最后检验，包装，入库，出厂。

本发明的有益效果如下：

1、采用推送装置将Cu合金铸杆、线材从后向前推送，推动装置固定不动，能够实现连续地、源源不断的输送线材。

2、采用ECAP装置利用等通道转角挤压技术使Cu合金铸杆产生均匀的纯剪切变形，能够在不改变合金杆横截面积的情况下使材料产生大的塑性变形。

3、由于Cu合金铸杆能够连续输入，因此Cu合金铸杆无需很大的初始横截面积，同时高强高导特性。

附图说明

图1是本发明的示意图。

图2是推送装置的示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，一种连续生产CuCrZr合金导线的设备，包括推送装置2和ECAP装置3（等通道转角挤压装置），ECAP装置3至少有两个，推送装置2包括机架和设置于机架上的多个滚轮对，以及驱动滚轮转动的动力机构，型材1位于两个滚轮之间；第一个ECAP装置3的进口和相邻的ECAP装置3之间分别设有一个推送装置2；ECAP装置3包括两个横截面形状完全的挤压通道3A、3B和连接两个挤压通道3A、3B的转角通道3C，两个挤压通道3A、3B具有交叉角度。型材1紧贴于滚轮表面，型材1依靠其与滚轮之间的摩擦力被向前推送。型材1指的是Cu合金铸杆或者线材。

ECAP装置3具有两个横截面形状完全相同并相互交叉的通道3A、3B，两个通道3A、3B之间通过转角通道3C连接。ECAP装置3通过通道3A、3B对铸杆或线材的挤压，使合金铸杆的晶粒重行排列，从而将原料Cu合金铸杆拉长，能够产生均匀的纯剪切变形，能够在不改变晶粒横截面积的情况下产生大的塑性变形，使材料的重复变形成为可能，获得大的累计应变，显著提高材料的强度。

最后一个ECAP装置3的出口处设有一个推送装置2。

从第一个ECAP装置3到最后一个ECAP装置3的通道3A、3B横截面积逐渐缩小，最后一个ECAP装置3的通道3A、3B的形状与成品线材的形状一致。

如图2所示，所述的动力机构包括与滚轮对的第一滚轮21固定连接的第一齿轮411，与第一齿轮41啮合的第一齿条412，和推动第一齿条412的第一气缸，以及与第二滚轮22固定连接的第二齿轮421，与第二齿轮421啮合的第二齿条422，和推动第二齿条422的第二气缸；第一齿轮41和第二齿轮421分别具有轮齿部和光滑部，轮齿部与对应的齿条啮合，光滑部与齿条间隙配合；第一气缸顶出时第一齿条412与第一齿轮41的轮齿部啮合，同时第二气缸复位，第二齿条422与第二齿轮421的光滑部相对运动，第一气缸和第二气缸的顶出方向相反。图2中省略了第一气缸和第二气缸，但是气缸与齿条的结合方式是本领域技术人员的公知常识。

当第一齿条412带动第一滚轮21顺时针转动时，第二齿条422与第二齿轮421的光滑部对应，第一滚轮21与线材之间的摩擦力迫使线材向前推送，同时第二滚轮22在摩擦力的作用下逆时针转动。当第一气缸复位时，第二气缸开始顶推，第二气缸带动第二滚轮22逆时针转动，同样依靠第二滚轮22与线材之间的摩擦力迫使线材向前推送，同时第一滚轮21在摩擦力的作用下顺时针转动。当第一气缸再次顶出时，第一齿条412带动第一滚轮21顺时针运动。第一气缸和第二气缸如此交替动作，使线材持续不断的送入ECAP装置3中。由于推动装置提供的是从后向前的顶推力，因此，推送装置2的位置不动，即可将线材源源不断的送入ECAP装置3内，经ECAP装置3等转角挤压后，形成所需的成品线材。

本发明的有益效果如下：

1、采用推送装置2将Cu合金铸杆、线材从后向前推送，推动装置固定不动，能够实现连续地、源源不断的输送线材。

2、采用ECAP装置3利用等通道3A、3B转角挤压技术使Cu合金铸杆产生均匀的纯剪切变形，能够在不改变合金杆横截面积的情况下使材料产生大的塑性变形。

3、采用气缸作为动力源，气缸提供的推力大，且气缸的成本比电机低。

实施例2

一种连续生产CuCrZr合金导线的方法，包括以下步骤：

1）、用上引法制备Cu合金铸杆；Cu合金铸杆的横截面积大于ECAP装置3的通道3A、3B的横截面积；

2）、将Cu合金铸杆插入第一个推送装置2的第一滚轮21和第二滚轮22之间，第一滚轮21和第二滚轮22压紧Cu合金铸杆；

3）、开启推送装置2的动力机构，第一气缸和第二气缸交替动作，持续地将Cu合金铸杆送入第一个ECAP装置3的通道3A、3B内，Cu合金铸杆；产生第一次变形；

4）、第一次形变后的线材进入第一个ECAP装置3与第二个ECAP装置3之间的推送装置2内，该推送装置2将线材送入下一个ECAP装置3发生下一次变形，线材如此前进、变形，直到进入最后一个ECAP装置3内；

5）、线材在最后一个ECAP装置3内发生最后一次形变后，进入最后一个推送装置2内，该推送装置2将线材向前推送出料，形成成品线材。

步骤5）中，最后一个推送装置2将线材送入异形轧机加工出对称沟槽，再将Cu合金线材连续收卷；将收卷后的样品送入光亮退火炉，同时实现样品表面光亮处理和内部时效析出强化处理；最后检验，包装，入库，出厂。

本发明的有益效果如下：

1、采用推送装置2将Cu合金铸杆、线材从后向前推送，推动装置固定不动，能够实现连续地、源源不断的输送线材。

2、采用ECAP装置3利用等通道3A、3B转角挤压技术使Cu合金铸杆产生均匀的纯剪切变形，能够在不改变晶粒的横截面积的情况下使材料产生大的塑性变形。

3、由于Cu合金铸杆能够连续输入，因此Cu合金铸杆无需很大的初始横截面积，同时高强高导特性。

实施例3

结合实际试验，进一步说明本发明：

所制备的合金铸杆采用电解Cu及Cu-Cr、Cu-Zr中间合金按质量百分数配料，Cr含量为(0.05~1)%，Zr含量为(0.05~0.5)%，其余为Cu。所采用的中间合金成分为：Cu-5%Cr和Cu-15%Zr。所采用的熔炼方式为将电解Cu置于感应炉中，采用木炭、石墨片保护，于1200 ^oC熔化后加入Cu-Cr和Cu-Zr中间合金，充分熔化后搅拌均匀并静置15 min后开始上引连铸Cu合金铸杆，利用改造过的ECAP装置对Cu合金铸杆进行多道次的变形，之后拉拔成具有对称沟槽的公称截面积的线材，然后进行光亮和时效热处理，最后检验包装入库。

    具体实施控制的工艺参数为夹送附件的转速，ECAP挤压道次，ECAP挤压温度和成品线材公称截面积。

在不同实施例中控制的后续工艺参数如下表1所示：                                                

上述实施例中制备的合金性能如下表2： 

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (6)

1.一种连续生产CuCrZr合金导线的设备，其特征在于：包括推送装置和ECAP装置，ECAP装置至少有两个，推送装置包括机架和设置于机架上的多个滚轮对，以及驱动滚轮转动的动力机构，型材位于两个滚轮之间；第一个ECAP装置的进口和相邻的ECAP装置之间分别设有一个推送装置；ECAP装置包括两个横截面形状完全的挤压通道和连接两个挤压通道的转角通道，两个挤压通道具有交叉角度。

2.如权利要求1所述的连续生产CuCrZr合金导线的设备，其特征在于：最后一个ECAP装置的出口处设有一个推送装置。

3.如权利要求2所述的连续生产CuCrZr合金导线的设备，其特征在于：从第一个ECAP装置到最后一个ECAP装置的通道横截面积逐渐缩小，最后一个ECAP装置的通道的形状与成品线材的形状一致。

4.如权利要求1-3之一所述的连续生产CuCrZr合金导线的设备，其特征在于：所述的动力机构包括与滚轮对的第一滚轮固定连接的第一齿轮，与第一齿轮啮合的第一齿条，和推动第一齿条的第一气缸，以及与第二滚轮固定连接的第二齿轮，与第二齿轮啮合的第二齿条，和推动第二齿条的第二气缸；第一齿轮和第二齿轮分别具有轮齿部和光滑部，轮齿部与对应的齿条啮合，光滑部与齿条间隙配合；第一气缸顶出时第一齿条与第一齿轮的轮齿部啮合，同时第二气缸复位，第二齿条与第二齿轮的光滑部相对运动，第一气缸和第二气缸的顶出方向相反。

5.一种连续生产CuCrZr合金导线的方法，其特征在于：包括以下步骤：

1）、用上引法制备Cu合金铸杆；Cu合金铸杆的横截面积大于ECAP装置的通道的横截面积；

2）、将Cu合金铸杆插入第一个推送装置的第一滚轮和第二滚轮之间，第一滚轮和第二滚轮压紧Cu合金铸杆；

3）、开启推送装置的动力机构，第一气缸和第二气缸交替动作，持续地将Cu合金铸杆送入第一个ECAP装置的通道内，Cu合金铸杆；产生第一次变形；

4）、第一次形变后的线材进入第一个ECAP装置与第二个ECAP装置之间的推送装置内，该推送装置将线材送入下一个ECAP装置发生下一次变形，线材如此前进、变形，直到进入最后一个ECAP装置内；

5）、线材在最后一个ECAP装置内发生最后一次形变后，进入最后一个推送装置内，该推送装置将线材向前推送出料，形成成品线材。

6.如权利要求5所述的连续生产CuCrZr合金导线的方法，其特征在于步骤5）中，最后一个推送装置将线材送入异形轧机加工出对称沟槽，再将Cu合金线材连续收卷；将收卷后的样品送入光亮退火炉，同时实现样品表面光亮处理和内部时效析出强化处理；最后检验，包装，入库，出厂。

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