CN104658631A - 一种CuCrZr合金绞线及其生产工艺 - Google Patents

Abstract

一种CuCrZr合金绞线及其生产工艺，所述CuCrZr合金绞线中合金元素的含量为：Cr 0.3-1.0%wt，Zr 0.01-0.1%wt，其余为铜；其中，Cr与Zr的重量比为8.5-11。CuCrZr合金绞线的生产工艺包含以下步骤：A、通过水平电磁连铸铸造棒坯，B、热轧处理，C、固溶处理，D、冷轧处理，E、时效处理，F、拉拔单丝，G、绞合成型。本发明制造的绞线产品导电率为77～92%IACS、单丝抗拉强度为500～700MPa，满足高速铁路、低速重载、城轨地铁和桥隧锚段等各种不同接触网的需求。

Description

一种CuCrZr合金绞线及其生产工艺

技术领域

本发明涉及一种电气化铁路接触网所用的线材的生产工艺，尤其是一种合金绞线的生产工艺，属电缆技术领域。

背景技术

随着铁路及城轨、地铁交通的发展，对绞线的要求也越来越高。高速铁路接触网系统需要更大载流量来保证列车高速运行；低速重载铁路接触网系统也需要更大载流量以牵引装载更大质量的车体；城轨地铁和桥隧锚段由于空间限制，需要采用更少线材，同时提供更好的载流能力。因此，高导电率接触网线材的应用需求非常广泛。

目前，电气化铁路接触网用绞线有纯铜和铜镁合金两种材质。其中，铜绞线导电率为97%IACS，但单丝绞前强度仅有430MPa左右，主要用于低速铁路，而且其应用范围逐渐缩小。铜镁合金绞线根据镁含量不同分为低镁铜绞线和高镁铜绞线。低镁铜绞线导电率为77%IACS，单丝绞前强度为520MPa；高镁铜绞线导电率为62%IACS，单丝绞前强度为620MPa，铜镁合金绞线是当前电气化接触网主要应用的线材。因纯铜以细晶强化、形变强化为主；铜镁合金以细晶强化、形变强化、固溶强化为主，这就意味着当导电率高时，其合金含量必然要降低，而强度也随之下降，即绞线的导电率与强度之间形成反函数的关系。因此传统的铜绞线强度低，难以满足接触网的安全要求；铜镁合金绞线强度满足要求，但导电率低，增大了电能在线材上的损耗。

CuCrZr是一种热处理强化型铜合金，它是综合利用固溶强化、沉淀强化、细晶强化、形变强化等多种方式得到的一种兼具高强度和高导电性能的功能性结构材料。其中，CuCr、CuZr作为强化相弥散在Cu基体中，提高强度的同时又不会对导电率造成影响，能够满足目前接触网对绞线的要求。目前CuCrZr合金采用普通铸造方式仅能制得铸锭，难以制成具有大卷重的CuCrZr棒坯。因此CuCrZr合金只能用于制作电器零部件、电机端环等零部件，无法制作具有大长度的电气化接触网线材。

发明内容

本发明的目的在于提供一种CuCrZr合金绞线及其生产工艺，制造出导电率为77～92%IACS、单丝抗拉强度为500～700MPa的绞线产品，满足高速铁路、低速重载、城轨地铁和桥隧锚段等各种不同接触网的需求。

本发明所述问题是以下述技术方案解决的：

一种CuCrZr合金绞线，所述CuCrZr合金绞线中合金元素的含量为：Cr 0.3-1.0%wt，Zr 0.01-0.1%wt，其余为铜；其中，Cr与Zr的重量比为8.5-11。

上述CuCrZr合金绞线，所述CuCrZr合金绞线原料为铜、CuCr合金、CuZr合金，所述CuCr合金中的Cr含量为8-15%wt，所述CuZr合金中的Zr含量为8-15%wt。

上述CuCrZr合金绞线，所述CuCr合金中的Cr含量为12%wt，所述CuZr合金中的Zr含量为12%wt。

上述CuCrZr合金绞线，所述CuCrZr合金绞线的导电率为77～90%IACS，单丝抗拉强度500～700Mpa。

一种制备如上所述CuCrZr合金绞线的生产工艺，包含以下步骤：

A、水平电磁连铸铸造棒坯：按照化学组分及其含量配制绞线原料，在熔炼炉中进行非真空熔炼，熔炼完成的熔液导流至保温炉后，进行水平电磁连铸，将铜合金熔液在水平电磁连铸系统中引铸得到直径为20-120mm的棒坯，得到的棒坯采用循环喷淋式结晶器进行多层冷却处理；

B、热轧处理：将步骤A得到的CuCrZr合金棒坯预热至700-950℃，然后采用行星轧机热轧成直径为30-45mm的棒材；

C、固溶处理：使用固溶炉对步骤B得到的CuCrZr合金棒材进行固溶处理，固溶处理时采用曲线加热至最终固溶温度，最终固溶温度为900-990℃，保温20-60min；保温结束后，将棒材立即进行水淬，入水间隔＜10s，且棒材不能直接暴露在空气中；

D、冷轧处理：使用二辊轧机或者三辊轧机将CuCrZr合金棒材轧制为线材，轧制速度为2-30m/min；冷轧工序变形量＞80%；

E、时效处理：使用钟罩式时效炉对CuCrZr合金线材进行时效处理，时效时采用曲线加热达到最终时效温度，最终时效温度为350-550℃，保温时间为2-4h；保温结束后，线材冷却至100℃以下后由时效炉中取出；

F、拉拔单丝：采用拉丝机对完成时效处理的CuCrZr合金线材进行单丝拉拔，制得单根CuCrZr合金线，拉拔出线速度为20-50m/min；单丝拉拔过程中的冷加工总变形量＞80%；

G、绞合成型：采用框绞机将多根CuCrZr合金线绞合成CuCrZr合金绞线，绞合出线速度控制在为10-20m/min；绞合过程采用退扭装置。

上述CuCrZr合金绞线的生产工艺，所述步骤A中，在非真空熔炼过程中，对熔炼炉中的熔液每小时进行一次成分检验，要求熔液中Cr含量波动为±0.02%，Zr含量波动为±0.01%；熔炼炉的温度＞1300℃，保温炉的温度＞1200℃；在引铸棒坯的过程中，电磁场频率为20-60Hz，磁场电流为30-100A，引铸速度为80-550mm/min。

上述CuCrZr合金绞线的生产工艺，所述步骤B中热轧的轧制速度＜1500mm/min。

本发明的有益效果在于：

本发明的CuCrZr合金绞线产品具有与低镁含量的铜镁绞线相当的抗拉强度值，单丝强度提高大于500MPa，适应较高的悬挂张力，安全系数高。同时本发明的CuCrZr合金绞线的导电率可达90%IACS以上，相对于铜镁合金绞线的77%IACS和62%IACS而言，传输载流量高，节能降耗效果显著，完全满足目前接触网对绞线的需求。

CuCrZr合金绞线的生产工艺与铜绞线、铜镁合金绞线的生产工艺截然不同。后两者主要采用上引连铸-轧制-拉拔-绞合工艺制作，本发明的CuCrZr合金绞线采用水平电磁连铸-热轧-热处理-拉拔-绞合工艺制作。采用本专利工艺方法，通过改变热处理工艺参数，不仅通过固溶处理实现细晶强化和形变强化，还通过时效处理提高强度和导电率，调整了最终产品的机械和电气性能，达到强度与导电性能的共赢。制造导电率为77～92%IACS、单丝抗拉强度为500～700MPa的绞线产品，满足不同的高速铁路、低速重载、城轨地铁和桥隧锚段等各种不同接触网需求。

与传统的铜绞线和铜镁合金绞线相比，本发明的CuCrZr合金绞线通过控制CuCrZr合金材料的合金元素含量和生产工艺相结合，提高了强度和导电率，实现了具有高强高导电率特点的绞线生产。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是本发明的步骤A水平电磁连铸系统的结构示意图。

图中各标号表示：1、保温炉，2、电磁搅拌器，3、一次冷却区，4、二次及三次冷却区，5、棒坯，6、牵引系统，7、石墨模。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明：

本发明CuCrZr合金绞线中合金元素的含量为：Cr 0.3-1.0%wt，Zr 0.01-0.1%wt，其余为铜。同时合金元素中Cr与Zr的重量比为8.5-11。CuCrZr合金绞线的制备原料为铜、CuCr合金和CuZr合金；所述CuCr合金中的Cr含量为8-15%wt，所述CuZr合金中的Zr含量为8-15%wt。

所述CuCrZr合金绞线的导电率77～90%IACS，单丝抗拉强度为500～700Mpa。可以根据实际要求，略微降低导电率，而大幅提高抗拉强度。

上述CuCrZr合金绞线的生产工艺包括以下步骤：A、水平电磁连铸铸造棒坯；B、热轧处理；C、固溶处理；D、冷轧处理；E、时效处理；F、拉拔单丝；G、绞合成型。所述步骤D冷轧处理和步骤E时效处理这三个步骤根据不同产品性能要求可以进行顺序调整。

A、水平电磁连铸铸造棒坯：

按照上述化学组分及其含量配制制作绞线需要的原料，在熔炼炉中进行非真空熔炼，熔炼温度＞1300℃，熔炼过程中时通过表面覆盖和气体保护的方式使得铜合金熔液与大气隔离。在非真空熔炼过程中，还需要对熔炼炉中的熔液定时进行成分检验，检验频率为每小时一次。要求熔液中Cr的含量波动不超过±0.02%，Zr的含量波动不超过±0.01%。

熔炼完成的熔液导流至保温炉，保温炉的温度＞1200℃。由保温炉流出后开始进行水平电磁连铸，将铜合金熔液在水平电磁连铸系统中引铸为棒坯，水平电磁连铸系统的简图如图1所示，保温炉1底部侧面的出口设置石墨模7，在石墨模7中完成一次冷却结晶为带液心的铸坯。即保温炉1中流出的铜合金熔液经过电磁搅拌器2开始冷却，经过一次冷却区3熔液冷凝成型，形成带液心的铸坯，经过二次及三次冷却区4后，完全凝固形成铸坯5，所述铸坯5由牵引系统6导出。水平电磁连铸过程中，电磁场频率为20-60Hz，磁场电流为30-100A，牵引系统的引铸速度为80-550mm/min，最终得到的棒坯直径为20-120mm。棒坯导出后，采用循环喷淋式结晶器对得到的棒坯进行多层冷却处理，保证棒坯表面质量。

B、热轧处理：

对步骤A得到的CuCrZr合金棒坯进行预热，预热温度为700-950℃，然后采用行星轧机将棒坯热轧成棒材，轧制速度＜1500mm/min，所述棒材的直径为30-45mm。热轧结束后，为便于移动搬运至下道工序，可将棒材收卷，收卷的盘卷直径为2000mm左右。

C、固溶处理：

使用钟罩式固溶炉或隧道式固溶炉对步骤B得到的CuCrZr合金棒材进行固溶处理，并采用气体保护使得棒材与大气隔离。固溶处理时采用曲线加热，首先加热至750-800℃保温1-1.5h，再加热至最终固溶温度，最终固溶温度为900-990℃，保温时间为20-60min。保温结束后，将棒材立即进行水淬，入水间隔＜10s；在水淬时保证棒材不直接暴露于空气中。

在固溶处理中使用的料架采用特种不锈钢材质制成，所述料架为桁架式结构，保证料架能抵抗高温急冷的温度变化，防止发生溃塌。

D、冷轧处理：

使用二辊轧机或者三辊轧机将CuCrZr合金棒材轧制为要求产品规格的线材，轧制速度控制在2-30m/min；控制冷轧工序的变形量＞80%。

E、时效处理：

使用钟罩式时效炉对CuCrZr合金线材进行时效处理，并采用气体保护使得线材与大气隔离。时效时采用曲线加热，首先加热至300-350℃保温0.5-1h，之后继续加热直至达到最终时效温度，最终时效温度为350-550℃，保温时间为2-4h。保温结束后，线材随炉先冷却至100℃以下，然后由时效炉中取出。

F、拉拔单丝：

采用拉丝机对完成时效处理的CuCrZr合金线材进行单丝拉拔，制得单根CuCrZr合金线。拉拔出线速度控制在20-50m/min。控制单丝拉拔过程中的冷加工总变形量＞80%。

G、绞合成型：

采用框绞机将多根CuCrZr合金线绞合成CuCrZr合金绞线，合理安排各层绞合节径比，并保证外层节径比小于内层节径比。绞合出线速度控制在10-20m/min。在绞合过程采用退扭装置，保证绞线不散股。最常用的120mm2规格CuCrZr合金绞线的绞合结构采用1×37股，保证绞线更加柔韧。

本发明中通过固溶处理进行细晶强化和形变强化，并依靠时效处理提高CuCrZr合金绞线的强度和导电率。通过时效处理，达到强度与导电性能的共赢。本发明在控制合金元素含量的同时使用适当的生产工艺，制得具有高强高导电率特点的CuCrZr合金绞线。

在本生产工艺中，根据所需CuCrZr合金绞线不同的性能要求，可以将步骤D冷轧处理和步骤E时效处理的顺序加以调整。当需要制得导电性能好而强度适中的产品时，在不改变合金元素含量的前提下，把时效处理后置，先进行冷轧处理将CuCrZr合金棒材轧制为接近最终成品直径的线材后再进行强化处理，减小了在拉拔单丝时冷加工的变形量，保持时效处理后的高导电率。当需要制得强度高导电性能适中的产品时，在不改变合金元素含量的前提下，可以把时效处理步骤前置，先进行时效处理后再进行冷轧处理。当需要同时提高强度和导电率时，在生产周期允许的前提下重复进行多次冷轧处理和时效处理，在拉拔单丝步骤前能够使CuCrZr合金线材直径接近单丝成品直径，减小时效处理后拉拔单丝时冷加工的变形量。

实施例1

A、水平电磁连铸：

采用1号电解铜、CuCr、CuZr合金为原料，使用电炉熔炼后进行水平电磁连铸，电磁场频率为50Hz，电流为30A，引铸速度为150mm/min，得到的棒坯直径为90mm，经检验得到棒坯的合金元素含量为Cr：0.35%wt，Zr：0.06%wt。

B、热轧处理：

先将CuCrZr合金棒坯预热至750℃，然后将棒坯热轧成直径35mm的棒材，轧制速度1200mm/min。热轧结束后，将棒材收成盘卷。

C、固溶处理：

使用钟罩式固溶炉对CuCrZr合金棒材进行固溶处理，并采用气体保护使得棒材与大气隔离；先加热至780℃保温1h，再加热至最终固溶温度，最终固溶温度为950℃，保温时间60min。

D、时效处理：

使用时效炉对固溶处理后的棒材进行时效处理，首先加热至320℃保温40min，之后继续加热直至达到最终时效温度，最终时效温度为350℃，保温4h，时效炉内采用气体保护使线材与大气隔离；保温结束后，将线材冷却至100℃以下后出炉。

E、冷轧处理：

使用三辊冷轧机，将时效处理后的棒材轧制为直径7.2mm的线材，轧制速度为20m/min。

F、拉拔单丝：

采用多模拉丝机，将7.2mm直径的线材拉拔为直径2.03mm的单丝，制得单根CuCrZr合金线，将CuCrZr合金线卷绕在铁轴上。单丝拉拔出线速度为45m/min。

G、绞合成型：

将多根直径2.03mm的CuCrZr合金线通过框绞机绞制为1×37股CuCrZr合金绞线，绞线直径规格为120mm2。

CuCrZr合金绞线制作完成，得到的CuCrZr合金绞线的导电率为78.7%IACS，单丝抗拉强度为636MPa。

实施例2

A、水平电磁连铸：

采用1号电解铜、CuCr、CuZr合金为原料，使用电炉熔炼后进行水平电磁连铸，电磁场频率40Hz，电流60A，引铸速度260mm/min，得到的棒坯直径为60mm，经检验得到棒坯的合金元素含量为Cr：0.42%wt，Zr：0.03%wt。

B、热轧处理：

将CuCrZr合金棒坯预热至750℃，将棒坯热轧成直径30mm的棒材，轧制速度1000mm/min。热轧结束后，将棒材收卷。

C、固溶处理：

使用隧道式固溶炉对CuCrZr合金棒材进行固溶处理，并采用气体保护使得棒材与大气隔离；先加热至760℃保温80min，再加热至最终固溶温度，最终固溶温度为980℃，保温时间30min。

D、冷轧处理：

使用三辊冷轧机，将固溶处理后的棒材轧制为直径7.2mm的线材，轧制速度为20m/min。

E、时效处理：

使用时效炉对线材进行时效处理，首先加热至340℃保温30min，之后继续加热直至达到最终时效温度，最终时效温度为400℃，保温2h，时效炉内采用气体保护使线材与大气隔离；保温结束后，将线材冷却至100℃以下后出炉。

F、拉拔单丝：

采用多模拉丝机，将7.2mm直径线材拉拔为直径2.25mm的单丝，制得单根CuCrZr合金线，将CuCrZr合金线卷绕在铁轴上。单丝拉拔出线速度为40m/min。

G、绞合成型：

根据规格要求，将多根直径2.25mmCuCrZr合金线通过框绞机绞制为1×37股绞线，绞线直径规格为150mm2。

CuCrZr合金绞线制作完成，得到的CuCrZr合金绞线的导电率为87.6%IACS，单丝抗拉强度为544MPa。

实施例3

A、水平电磁连铸：

采用1号电解铜、CuCr、CuZr合金为原料，使用电炉熔炼后进行水平电磁连铸，电磁场频率40Hz，电流80A，引铸速度320mm/min，得到的棒坯直径为45mm，经检验得到棒坯的合金元素含量为Cr：0.65%wt，Zr：0.04%wt。

B、热轧处理：

将CuCrZr合金棒坯预热至750℃，将棒坯热轧成直径38mm的棒材，轧制速度＜1500mm/min。热轧结束后，将棒材收卷。

C、固溶处理：

使用钟罩式固溶炉对CuCrZr合金棒材进行固溶处理，并采用气体保护使得棒材与大气隔离；先加热至760℃保温70min，再加热至最终固溶温度，最终固溶温度为980℃，保温时间50min。

D、第一次冷轧处理：

使用三辊冷轧机，将固溶处理后的棒材轧制为直径14mm的线材，轧制出线速度为15m/min。

E、第一次时效处理：

使用时效炉对第一次冷轧处理得到的线材进行第一次时效处理，首先加热至340℃保温50min，之后继续加热直至达到最终时效温度，最终时效温度为450℃，保温4h，时效炉内采用气体保护使线材与大气隔离；保温结束后，将线材冷却至100℃以下后出炉。

F、第二次冷轧处理：

使用三辊冷轧机，将第一次时效处理后的直径为14mm的线材轧制为直径为7.2mm的线材，轧制出线速度为30m/min。

G、第二次时效处理：

使用时效炉对第二次冷轧处理后的直径为7.2mm的线材进行第二次时效处理，首先加热至350℃保温30min，之后继续加热直至达到最终时效温度，最终时效温度为480℃，保温4h，时效炉内采用气体保护使线材与大气隔离；保温结束后，将线材冷却至100℃以下后出炉。

H、拉拔单丝：

采用多模拉丝机，将进过第二次时效处理后的直径7.2mm的线材拉拔为2.03mm的单丝，制得单根CuCrZr合金线，将CuCrZr合金线卷绕在铁轴上。单丝拉拔出线速度为45m/min。

I、绞合成型

根据规格要求，将直径2.03mm的CuCrZr合金线通过框绞机绞制为1×37股绞线，绞线直径规格为120mm2。

CuCrZr合金绞线制作完成，得到的CuCrZr合金绞线的导电率为91.2%IACS，单丝抗拉强度为616MPa。

Claims (6)

1.一种CuCrZr合金绞线，其特征在于：所述CuCrZr合金绞线中合金元素的含量为：Cr 0.3-1.0%wt，Zr 0.01-0.1%wt，其余为铜；其中，Cr与Zr的重量比为8.5-11。

2.根据权利要求1所述的一种CuCrZr合金绞线，其特征在于：所述CuCrZr合金绞线原料为铜、CuCr合金、CuZr合金，所述CuCr合金中的Cr含量为8-15%wt，所述CuZr合金中的Zr含量为8-15%wt。

3.根据权利要求2所述的一种CuCrZr合金绞线，其特征在于：所述CuCrZr合金绞线的导电率为77～90%IACS，单丝抗拉强度500～700Mpa。

4.一种如权利要求1-3任一项所述的CuCrZr合金绞线的生产工艺，其特征在于，包含以下步骤：

A、水平电磁连铸铸造棒坯：按照化学组分及其含量配制绞线原料，在熔炼炉中进行非真空熔炼，熔炼完成的熔液导流至保温炉后，进行水平电磁连铸，将铜合金熔液在水平电磁连铸系统中引铸得到直径为20-120mm的棒坯，得到的棒坯采用循环喷淋式结晶器进行多层冷却处理；

B、热轧处理：将步骤A得到的CuCrZr合金棒坯预热至700-950℃，然后采用行星轧机热轧成直径为30-45mm的棒材；

C、固溶处理：使用固溶炉对步骤B得到的CuCrZr合金棒材进行固溶处理，固溶处理时采用曲线加热至最终固溶温度，最终固溶温度为900-990℃，保温20-60min；保温结束后，将棒材立即进行水淬，入水间隔＜10s，且棒材不能直接暴露在空气中；

D、冷轧处理：使用二辊轧机或者三辊轧机将CuCrZr合金棒材轧制为线材，轧制速度为2-30m/min；冷轧工序变形量＞80%；

E、时效处理：使用钟罩式时效炉对CuCrZr合金线材进行时效处理，时效时采用曲线加热达到最终时效温度，最终时效温度为350-550℃，保温时间为2-4h；保温结束后，线材冷却至100℃以下后由时效炉中取出；

F、拉拔单丝：采用拉丝机对完成时效处理的CuCrZr合金线材进行单丝拉拔，制得单根CuCrZr合金线，拉拔出线速度为20-50m/min；单丝拉拔过程中的冷加工总变形量＞80%；

G、绞合成型：采用框绞机将多根CuCrZr合金线绞合成CuCrZr合金绞线，绞合出线速度控制在为10-20m/min；绞合过程采用退扭装置。

5.根据权利要求4所述的一种CuCrZr合金绞线的生产工艺，其特征在于：所述步骤A中，在非真空熔炼过程中，对熔炼炉中的熔液每小时进行一次成分检验，要求熔液中Cr含量波动为±0.02%，Zr含量波动为±0.01%；熔炼炉的温度＞1300℃，保温炉的温度＞1200℃；在引铸棒坯的过程中，电磁场频率为20-60Hz，磁场电流为30-100A，引铸速度为80-550mm/min。

6.根据权利要求5所述的一种CuCrZr合金绞线的生产工艺，其特征在于：所述步骤B中热轧的轧制速度＜1500mm/min。