CN111799035A - 一种高速电气化铁路用铬锆铜接触线加工工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高速电气化铁路用铬锆铜接触线加工工艺，具体按照以下步骤进行：上引连续铸造铬锆铜杆坯—连续挤压—固溶热处理—连续轧制—时效热处理—脱皮拉拔至成品，该工艺不仅实现了高速铁路铬锆铜接触线大长度大单重产业化生产，而且使产品性能更加优异，通过连续挤压、轧制使材料组织进一步细化均匀，平均晶粒度10‑50μm，材料机械性能进一步提高，抗拉强度Rm达600Mpa以上，电导率80％IACS以上，具有质量稳定优异，材料利用率高等优势，为铬锆铜接触线国产化闯出了一条新路子，适合广泛推广。

Description

一种高速电气化铁路用铬锆铜接触线加工工艺
技术领域
本发明涉及铬锆铜接触线加工制造领域，尤其涉及一种高速电气化铁路用铬锆铜接触线加工工艺。
背景技术
铁路高速化已成为电气化铁路的主要发展趋势，到目前为止，已建成高速电气化铁路的国家有中国、日本、法国、德国、意大利、西班牙和比利时。我国京沪高速铁路速度目标为350km/h(全长1300km)，耗资达1000亿元人民币，这个速度也是国际高速电气化铁路的发展趋向。轮轨高速电气化对接触线的性能要求是相当高的。根据高速列车对接触线的要求，世界发达国家都在发展自己的高速铁路接触线，接触线的材质和品种繁多，但接触线向铜合金化和复合金属化的发展已成为世界接触线发展的总趋势。
公认的比较理想的铜合金接触线材料是时效强化型的铬锆铜合金，我国已于2017年将该材料接触线列入了国家铁道行业标准。但一直一来由于现有制备材料装备及技术的限制，该材料接触线还不能实现产业化生产。
目前铬锆铜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，熔炼的铬锆铜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接触线的产品要求。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种高速电气化铁路用铬锆铜接触线加工工艺。
本发明的技术要点为：
一种高速电气化铁路用铬锆铜接触线加工工艺，具体按照以下步骤进行：
步骤1：采用上引连续铸技术获得铬锆铜铜杆，将上引无氧铜杆、铜铬芯包线、铜锆芯包线作为原材料，在上引立式连续铸造机上对铬锆铜铜杆上引并连续铸造，得到成分满足Cr：0.6％-1.0％，Zr:0.06％-0.2％,Cu：余量的上引铸造铬锆铜铜杆,上引铸造过程控制合适的上引速度对铜杆的成分均匀性，表面及内部质量至关重要,通过加料速度来控制Cr、Zr、Cu成分的配比，使此成分配比在符合铁道行业标准TB/T2809-2017中铜铬锆CTCZ要求的情况下，能够获得成分配比更加均衡的铜杆盘圆料。
步骤2：将步骤1得到的上引连续铸造铜杆盘圆料表面清理后采用连续挤压技术生产铬锆铜接触线铜杆坯料，在630型铜连续挤压机上进行，正常开机后，设定电压值为370V-390V，在此范围内，设备工装冷却水箱水温为10℃-50℃,产品冷却水箱水温为40℃，液压系统润滑系统温度为10℃-45℃，设备参数稳定后再缓慢升高主轴转速使挤压温度保持在600℃-800℃，额定转速范围控制在5-18r/MP，对铜杆进行连续的挤压，在630型设备上实现了铜铬锆这种材料的连续挤压，将小直径的料挤压成大直径的料的，并将温度保持在600℃-800℃，既能使材料塑性变形，又不会导致材料融化。
步骤3：将步骤2得到的连续盘圆杆料，进行固溶热处理，固溶热处理温度900-980℃，保温时间1-2小时，水淬，铜铬锆这种材料是沉淀硬化型合金，通过固溶处理使Cr、Zr固溶于铜基体中，水淬是为了快速冷却是固溶在铜基体中的原子不析出，达到良好的固溶效果。
步骤4：对从步骤3中获得经过固溶热处理后的盘圆杆料，进行多道次连续轧制；
步骤5：将步骤4中获得盘圆料进行时效热处理，保温温度400-480℃，保温时间3-5小时；通过时效热处理提高产品的强度硬度电导率，获得良好的金相组织、电性能及机械性能；通过时效热处理提高产品的强度硬度电导率，获得良好的金相组织、电性能及机械性能，铜铬锆这种材料是沉淀硬化型合金，固溶时效热处理是提高材料机械性能的主要途径，通过步骤3固溶处理后，合金元素固溶到铜基体里面，必须再通过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。400-480℃，保温时间3-5小时是试验获得最佳工艺，200-300保温温度过低时，温度达不到第二相析出的动力，保温时间较短，会使第二相析出不充分，强度等性能不能满足产品要求。
步骤6：对时效热处理后的铜杆坯料通过拉拔设备进行脱皮拉拔，脱皮厚度0.4-0.6mm，脱皮后的杆坯继续拉拔至接触线成品截面，脱皮厚度取定于产品的表面情况。
进一步的，所述步骤1中上引无氧铜杆的铜含量在99.97％以上，且含氧量低于5ppm，上引速度控制在800-1400mm/min，无氧铜杆的杂质含量低于0.003％，几乎为零，无氧铜无氢脆现象，导电率高，加工性能和焊接性能、耐蚀性能和低温性能均好。
进一步的，选取所述步骤1中铜杆直径Φ20-30mm的上引铸造铬锆铜铜杆来进行步骤2中的操作，在满足连铸铸造的规格条件的同时，满足后续设备连续挤压机的进料要求。
进一步的，所述步骤2中铜杆坯料直径为Φ25-35mm，在进行连续挤压时，将较短直径的铜杆坯料挤压成较大直径的铜杆坯料，又为了控制铜杆不会发生过分形变导致铜杆坯料损坏，设定直径为Φ25-35mm。
进一步的，所述步骤4中，将盘圆杆料连续轧制直至Φ18-22mm，在经过固溶热处理后的盘圆杆料起塑性得到大幅提高，可对其进行大程度的挤压，经过连续挤压的盘圆杆料晶粒更加细致，结构更加紧密。
进一步的，在步骤4中对盘圆杆料进行轧制时，设置多个不同方位的两两配合的轧辊从不同方位对盘圆杆料进行轧制，每段区间的轧制角度偏差为25°，经过不断改变铜杆的截面形转，可对其内部的晶粒进行重新排布，相比与目前单方面的纵向轧制和水平轧制，且设置25°角为一轧制周期，此轧制方式效率更高，且轧制出的杆料内部不会发生畸形形变使其更具加工性。
更进一步的，步骤4中在对盘圆杆料进行轧制时，从第一组轧辊开始，控制轧制辊的尺寸层层递减，可使用两组轧制辊为一个轧制区间，不同方向角度的对盘圆杆料进行连续的轧制，使晶粒被拉长、再被压扁，经过多次拉长压扁后的晶粒会破碎成亚晶粒，成为细条状或纤维状的组织，从而提高盘圆杆料的强度和硬度，不断减小的轧辊尺寸，随着对盘圆杆料进行的不断轧制，杆料的直径越来越小，此时采用过大尺寸的轧辊会使杆料受到较大的压力，从而使杆料内部产生应力。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
第一，本发明采用上引连续铸造技术，突破了铬锆铜合金材料传统制备难题，获得铬锆铜合金上引铜杆坯料，实现大长度大单重产业化连续生产；该方法制备铜杆表面质量良好，性能组织一致，质量稳定，生产过程材料利用率高、能耗较小。
第二，通过连续挤压、轧制使材料组织进一步细化均匀，杆坯的晶粒更加细小、组织更加细密，平均晶粒度10-50μm，铬锆铜材料属时效强化型合金，通过固溶时效热处理得到良好的电性能和更高的强度性能，材料机械性能也进一步提高，抗拉强度Rm达600Mpa以上，电导率80％IACS以上，具有质量稳定优异，材料利用率高等优势。
附图说明
图1是本发明上引连铸+连续挤压+连续轧制后的金相组织示意图。
具体实施方式
实施例一：
一种高速电气化铁路用铬锆铜接触线加工工艺，具体按照以下步骤进行：
步骤1：采用上引连续铸技术获得铬锆铜铜杆，将上引无氧铜杆、铜铬芯包线、铜锆芯包线作为原材料，在上引立式连续铸造机上对铬锆铜铜杆上引并连续铸造，得到成分满足Cr：0.6％，Zr:0.06％,Cu：余量的上引铸造铬锆铜铜杆，所述上引无氧铜杆的铜含量在99.97％以上，且含氧量低于5ppm，上引速度控制为1200mm/min，选取铜杆直径Φ25mm的上引铸造铬锆铜铜杆作为铜杆盘圆料；
步骤2：将步骤1得到的上引连续铸造铜杆盘圆料表面清理后采用连续挤压技术生产铬锆铜接触线铜杆坯料，在630型铜连续挤压机上进行，正常开机后，设定电压值为380V，在此范围内，设备工装冷却水箱水温为35℃,产品冷却水箱水温为40℃，液压系统润滑系统温度为35℃，再缓慢升高主轴转速使挤压温度保持在750℃，额定转速范围控制在10r/MP，对铜杆进行连续的挤压使铜杆直径为Φ30mm；
步骤3：将步骤2得到的连续盘圆杆料，进行固溶热处理，固溶热处理温度950℃，保温时间2小时，水淬；
步骤4：对从步骤3中获得经过固溶热处理后的盘圆杆料进行轧制，将盘圆杆料连续轧制直至铜杆Φ20mm；
步骤5：将步骤4中获得盘圆料进行时效热处理，保温温度460℃，保温时间4.5小时；
步骤6：对时效热处理后的铜杆坯料通过拉拔设备进行脱皮拉拔，脱皮厚度0.5mm，脱皮后的杆坯继续拉拔至接触线成品截面。
得到：截面面积为121mm2，抗拉强度为：650Mpa，软化率为：96％，伸长率：5.8％、扭转圈数至断开：7圈、导电率(20℃)：84％。
实施例二：
与所述实施例一不同之处在于：
采用上引连续铸技术获得铬锆铜铜杆，将上引无氧铜杆、铜铬芯包线、铜锆芯包线作为原材料，在上引立式连续铸造机上对铬锆铜铜杆上引并连续铸造，得到成分满足Cr：0.8％，Zr:0.09％,Cu：余量的上引铸造铬锆铜铜杆，所述上引无氧铜杆的铜含量在99.97％以上，且含氧量低于5ppm，上引速度控制为800mm/min，选取铜杆直径Φ25mm的上引铸造铬锆铜铜杆作为铜杆盘圆料。
得到：截面面积为121mm2，抗拉强度为：670Mpa，软化率为：95％，伸长率：6％、扭转圈数至断开：7圈、导电率(20℃)：86％。
实施例三：
与所述实施例二不同之处在于：
采用上引连续铸技术获得铬锆铜铜杆，将上引无氧铜杆、铜铬芯包线、铜锆芯包线作为原材料，在上引立式连续铸造机上对铬锆铜铜杆上引并连续铸造，得到成分满足Cr：1.0％，Zr:0.2％,Cu：余量的上引铸造铬锆铜铜杆，所述上引无氧铜杆的铜含量在99.97％以上，且含氧量低于5ppm，上引速度控制为800mm/min，选取铜杆直径Φ30mm的上引铸造铬锆铜铜杆作为铜杆盘圆料。
步骤4：对从步骤3中获得经过固溶热处理后的盘圆杆料进行轧制，将盘圆杆料连续轧制直至铜杆Φ22mm。
得到：截面面积为151mm2，抗拉强度为：670Mpa，软化率为：95％，伸长率：6％、扭转圈数至断开：7圈、导电率(20℃)：89％。
实施例四：
与所述实施例三不同之处在于：
对从步骤3中获得经过固溶热处理后的盘圆杆料进行轧制时，设置4组不同方位的两两配合的轧辊从不同方位对盘圆杆料进行轧制，且每组之间的轧制角度为25°。
得到：截面面积为151mm2，抗拉强度为：675Mpa，软化率为：94％，伸长率：5％、扭转圈数至断开：7圈、导电率(20℃)：90％。
实施例五：
与所述实施例四不同之处在于：
步骤4中，从第一组轧辊开始，控制轧制辊的尺寸层层递减，通过8组不同尺寸的轧制辊对盘圆杆料进行轧制，轧制辊尺寸按照分组依次为：Φ500×500mm、Φ500×450mm、Φ450×450mm、Φ450×400mm、Φ400×400mm、Φ350×350mm、Φ350×300mm、Φ300×300mm。
得到：截面面积为151mm2，抗拉强度为：690Mpa，软化率为：94％，伸长率：5％、扭转圈数至断开：7圈、导电率(20℃)：92％。
通过上述实施例可得出：实施例五中从不同角度对盘圆杆料进行轧制，且每组轧制轧制尺寸递减，使得制备出的铬锆铜接触线的抗拉强度和导电率得到大幅提升。

Claims (7)

1.一种高速电气化铁路用铬锆铜接触线加工工艺，其特征在于，具体按照以下步骤进行：
步骤1：采用上引连续铸技术获得铬锆铜铜杆，将上引无氧铜杆、铜铬芯包线、铜锆芯包线作为原材料，在上引立式连续铸造机上对铬锆铜铜杆上引并连续铸造，得到成分满足Cr：0.6％-1.0％，Zr:0.06％-0.2％,Cu：余量的上引铸造铬锆铜铜杆；
步骤2：将步骤1得到的上引连续铸造铜杆盘圆料表面清理后采用连续挤压技术生产铬锆铜接触线铜杆坯料，在连续挤压机上进行连续挤压，正常开机后，设定电压值为370V-390V，在此范围内，设备工装冷却水箱水温为10℃-50℃,产品冷却水箱水温为40℃，液压系统润滑系统温度为10℃-45℃，设备参数稳定后再缓慢升高主轴转速使挤压温度保持在600℃-800℃，额定转速范围控制在5-18r/MP，对铜杆进行连续的挤压；
步骤3：将步骤2得到的连续盘圆杆料，进行固溶热处理，固溶热处理温度900-980℃，保温时间1-2小时，水淬；
步骤4：对从步骤3中获得经过固溶热处理后的盘圆杆料，进行多道次连续轧制；
步骤5：将步骤4中获得盘圆料进行时效热处理，保温温度400-480℃，保温时间3-5小时；
步骤6：对时效热处理后的铜杆坯料通过拉拔设备进行脱皮拉拔，脱皮厚度0.4-0.6mm，脱皮后的杆坯继续拉拔至接触线成品截面。
2.根据权利要求1所述的一种高速电气化铁路用铬锆铜接触线加工工艺，其特征在于，所述步骤1中上引无氧铜杆的铜含量在99.97％以上，且含氧量低于5ppm，上引速度控制在800-1400mm/min。
3.根据权利要求1所述的一种高速电气化铁路用铬锆铜接触线加工工艺，其特征在于，选取所述步骤1中铜杆直径Φ20-30mm的上引铸造铬锆铜铜杆来进行步骤2中的操作。
4.根据权利要求1所述的一种高速电气化铁路用铬锆铜接触线加工工艺，其特征在于，所述步骤2中铜杆直径为Φ25-35mm。
5.根据权利要求1所述的一种高速电气化铁路用铬锆铜接触线加工工艺，其特征在于，所述步骤4中，将盘圆杆料连续轧制直至铜杆Φ18-22mm。
6.根据权利要求1所述的一种高速电气化铁路用铬锆铜接触线加工工艺，其特征在于，在步骤4中对盘圆杆料进行轧制时，设置多个不同方位的两两配合的轧辊从不同方位对盘圆杆料进行轧制，在对盘圆杆料进行不同方向轧制时，每段区间的轧制角度偏差为25°。
7.根据权利要求6所述的一种高速电气化铁路用铬锆铜接触线加工工艺，其特征在于，步骤4中在对盘圆杆料进行轧制时，从第一组轧辊开始，控制轧制辊的尺寸层层递减，具体在操作时：可使用两组轧制辊为一个轧制区间，轧制辊的尺寸区间为：Φ500×500mm-Φ300×300mm。
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