一种大长度Cu-Cr-Zr-Si合金接触线的热机械处理生产工艺的制作方法
【专利说明】一种大长度Cu-Cr-Zr-Si合金接触线的热机械处理生产工
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技术领域
[0001]本发明涉及接触线的热机械处理生产工艺，尤其是涉及应用于高速电气化铁路供电系统的一种大长度Cu-Cr-Zr-Si合金接触线的热机械处理生产工艺。
【背景技术】
[0002]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更大质量的车体。因此，高性能接触网线材的发展需求非常就紧迫。
[0003]电气化铁路用接触线的作用是通过与电力机车受电弓滑板滑动摩擦直接接触向电力机车输送电流，所需导体合金要工作在强电流、高张力、强冲击、温度剧烈变化、复杂环境因素影响和滑板频繁磨耗等恶劣条件下，因此要求接触线材料必须具有较高的抗拉强度和电导率，并兼有较高的抗高温软化能力。随着铁路电气化的高速发展，电气化铁路运输一再提速，对于接触线性能要求越来越高。然而，导体合金的强度与导电性一般呈反函数关系，即若采用特定技术提高强度则往往以牺牲电导率为代价，或者为改善电导率则往往牺牲强度。因此，非常需要采用特定技术能够同时获得良好的强度和导电性能匹配水平，以满足高速铁路接触线用合金的使用性能。尤其对于时速350km以上的高速电气化列车，其抗拉强度应达到550MPa以上，相对电导率应高于75% IACS，在400°C以上软化退火2h后的强度仍需保持在90%以上。
[0004]目前高速电气化列车接触线采用的导体合金中，Cu-Cr-Zr系统展示了更为突出的强度和电导率匹配关系。然而，在材料制备过程中，由于Cr、Zr合金元素熔点显著高于Cu，且熔化状态下极易氧化、并与许多物质接触发生反应，加之熔体易吸气、偏析及杂质不易排除等因素，导致材料制备困难及实际性能难以达到理想匹配状态。
[0005]Cu-Cr-Zr合金高强高导接触线采用析出强化等多种强化手段，但析出强化型接触线生产工艺非常复杂，对生产工艺装备、合金熔炼技术水平、热处理以及坯料质量的要求很尚O
[0006]目前国际上最相关的技术表现在一些美国专利中。US6679955公开了 Cu-(3~20)%Ag - (0.5-1.5)%Cr -(0.05-0.5)%Zr合金的制备技术，依靠快速凝固获得过饱和固溶体经热处理沉淀硬化。US7172665公开了 Cu -(2~6)%Ag - (0.5~0.9) %Cr合金的制备技术，工艺中包括均匀化处理、热变形及固溶处理等复杂过程。US6881281提供了一种高强高导Cu -(0.05-1.0)%Cr - (0.05~0.25) %Zr合金，利用Zr及Cu-Zr化合物粒子改善了合金在250~550°C的晶界强度。US5210441和US5341025公布了一种集成电路引线框架用Cu -(0.1-1)%Cr -(0.01~0.5)%Zr合金，不适用于制备大长度产品以及无法应用于批量生产。US40677501 提供了改善 Cu -(0.05-1.25)%Cr -(0.01-1.0 ) %Zr - (0.01~1.0) %V 合金强度和电导率的加工工艺，依靠热轧及固溶提高Cu基体的溶质溶解度，便于后续的变形及时效过程产生有效的强化效应，同样仅适用于生产板材而不适于生产线材。US6767643及 US6093499 公开了 Cu -(0.01-2.0)%Cr -(0.01-1.0 )%Zr 及 Cu -(0.01-0.4)%Cr-(0.01-0.2 )%Zr -(0.02-2.0)% Zn的制备技术，尚视实际需要还要再添加Fe，Ti，Ni，Sn,In, Mn, P, Mg, Al, B, As, Cd, Co, Te, Ag及Hf等辅助元素，合金元素含量范围过大或比较复杂，性能难以控制，而且电导率也较低，仅约50% IACS。
[0007]上述技术能够得到效果优良的线材。但所制备的线材不能应用于大长度的接触网导线或仅适用于制备带材或箔材等型材，有的技术需有昂贵的Ag元素及复杂的辅助元素联合作用，成本很高，况且这些技术注重的是提高热传导性能而导电性能较差，也不能批量化工业生产，不能满足现代高速电气化铁路接触网的需要。必须另有专门技术解决此问题。
[0008]目前国内最接近的技术是专利ZL200810121203.0公开了一种高性能接触线用Cu- (0.30 ?0.50) % Cr- (0.10 ?0.15) % Zr- (0.01 ?0.02) % Si 合金制备工艺，通过控制凝固及冷却速率，得到细小铸态晶粒和二次枝晶间距的过饱和基体组织，配合轧制、拉拔变形及退火热处理并控制变形程度和热处理参数，有机结合应变强化效应和沉淀强化效应，在简化工艺、设备及成分比较简单的条件下，使得合金具有优良的抗拉强度、电导率及抗高温软化能力，进一步研发可适于工业化生产。
[0009]专利ZL200910097340.X是在专利ZL200810121203.0基础上进一步研发出的生产方法。通过上引连续铸造、挤压、热处理、冷拉拔及轧制等工艺，制备公称截面积为110~150_2的接触线，在简化工艺、设备及合金成分比较简单的条件下，使得单根成品接触线长度可达到1000?1500 mo但此技术存在的主要问题是上引连续铸造中的大长度坯杆质量稳定性难以控制、冶金缺陷多导致废品率高，成材率差，铸造粗大晶粒在后续热加工中遗传度高，严重损害产品性能，难以满足需要，进一步降低了成品率。必须采用更先进科学的技术。
[0010]因此，目前无论国际或国内相关技术均存在明显不足或亟需解决的关键问题，应该有所发明，有所进步才能满足现代科技和工业水平高速发展的需要。
【发明内容】
[0011]本发明的目的在于提供一种大长度Cu-Cr-Zr-Si合金接触线的热机械处理生产工艺。通过液面有效保护下的非真空熔炼、附加专用电磁搅拌并局部加热装置的水平连铸，一次性大变形热轧制、冷变形及热机械热处理等工艺环节，保证了连续长度上冶金质量的稳定性和低冶金缺陷出现率，能够制备出具有良好强度、高电导率及抗高温软化性能的大长度Cu-Cr-Zr-Si合金接触线材。
[0012]本发明所述问题是以下述技术方案实现的:
本发明合金接触线组分按质量％计，Cu- (0.30~0.60) % Cr- (0.10-0.15) %Zr- (0.01-0.02) % Si，其特征在于其热机械处理生产工艺的步骤如下:
(1)熔炼:在感应熔炼炉中进行熔炼；
(2)水平连铸:熔炼完成的熔液导流至保温炉静置后在水平连铸系统中以80?550mm/min速度引铸直径为16?120mm合金棒还；
(3)热轧及连续挤压处理:将合金棒坯在高频感应装置中预热后热轧或连续挤压成直径为30?45mm的合金棒材；
(4)固溶处理:对热轧得到的合金棒材盘卷在惰性混合气体保护下两级加热后在<10s内入水冷却，水冷期间冷却水有效散热； (5)冷轧:将固溶处理后的合金棒材常温下轧制为合金线材，乳制速度为2?3m/min;冷轧道次变形程度控制在> 6%，总变形量> 70% ；
(6)时效处理:对冷轧后合金线材惰性气体保护下进行两级时效处理；
(7)对时效处理的Cu-Cr-Zr-Si单根合金线材进行拉拔及轧制成两面具有对称沟槽的截面积为110~150 mm2的合金接触线，单根合金接触线长度为1800?2000 m。
[0013]所述步骤(I)中的熔炼操作应先将阴极Cu置于感应炉，向炉内充纯Ar至30kPa挤排炉内空气，以10°C /min的速率升温至材料熔化后通入10?20ml/s流量纯Ar加15?30ml/s流量的纯N混合气体形成惰性气体完整保护层，再在熔体表面覆盖约40mm厚干燥木炭层加强保护并阻隔熔体的热辐射效应，再加入Cu-Cr中间合金，熔化后再加入Cu-Zr中间合金及Cu-Si中间合金，熔体在1250°C电磁搅拌均匀静置20min，整个过程必须控制熔体表面木炭及混合气体覆盖层的严密性和稳定性。
[0014]所述步骤(2)中的水平连铸必须在附加有电磁搅拌及局部加热装置的水平连铸系统中进行，电磁搅拌频率为20Hz?60Hz，磁场电流为30A?100A，电磁搅拌及局部加热装置必须保证熔体在结晶器入口局部温度为1200°C。
[0015]所述步骤(3)中对水平连铸得到的直径大于80mm的合金棒坯车除1mm厚表面缺陷层，在550?950°C—道次热轧成直径为30?45mm的合金棒材，形成动态再结晶细化粗大铸态组织。
[0016]所述步骤(3)中对水平连铸得到的直径小于30mm的合金棒坯在550°C连续挤压成直径为30?45mm的合金棒材，以细化组织。
[0017]所述步骤(4)中的两级加热，是在惰性气体保护下加热至720°C?800°C，保温Ih ?1.5h，再加热至 940°C?990°C，保温 20min ?600min。
[0018]所述步骤(6)中的两级时效处理，加热至300°C?3