一种基于碳氮共渗的CuCrZr合金绞线生产工艺的制作方法

本发明涉及合金，特别涉及一种基于碳氮共渗的cucrzr合金绞线生产工艺。

背景技术：

1、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开始增多，其中，在高导电率的材料制造中，cucrzr合金的被广泛的应用，cucrzr合金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、细晶强化和形变强化得到的一种兼具高强度和高导电性能的功能性结构材料，但在现今的cucrzr合金加工工艺中，cucrzr合金的高导电性和高抗拉伸性，无法得到兼顾，获得高导电率特性的cucrzr合金绞线，将会导致抗拉伸强度降低，cucrzr合金的安全系数不足的问题出现。

2、基于以上特点，本发明提供了一种基于碳氮共渗的cucrzr合金绞线生产工艺，用于解决cucrzr合金绞线抗拉伸强度低，安全系数不足的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于碳氮共渗的cucrzr合金绞线生产工艺，通过使用激光冲击工艺和碳氮渗透对铜、cucr合金和cuzr合金进行分别处理，再通过使用优化后的激光冲击工艺和碳氮渗透参数，制备cucrzr合金绞线，所制备cucrzr合金绞线能够提升单丝强度，拥有高悬挂张力，高安全系数，且在提高cucrzr合金绞线抗拉伸强度的同时，能够稳定提高导电率，此外，cucrzr合金绞线还有着高传输载流量，低能耗的优异特性。

2、为了达成以上目的，本发明采取的技术方案为：

3、一种基于碳氮共渗的cucrzr合金绞线生产工艺，包括以下具体步骤：

4、步骤一，使用激光冲击工艺处理制备cucrzr合金绞线的原材料；

5、步骤二，使用碳氮共渗剂处理制备cucrzr合金绞线的原材料；

6、步骤三，制备cucrzr合金绞线；

7、步骤四，优化激光冲击工艺和碳氮共渗剂辅助制备cucrzr合金绞线的参数。

8、进一步的，在步骤一中，所用cucrzr合金绞线的原材料为铜、cucr合金和cuzr合金，其中，cucr合金中的cr含量为8-15%wt，cuzr合金中的zr含量为8-15%wt。

9、进一步的，在步骤一中，所用激光冲击工艺，激光冲击次数为1-10次，激光能量为2-15j，激光扫描速度为100-900mm/s，其中，对铜的激光冲击时，激光冲击搭接率为10-15%，对cucr合金的激光冲击时，激光冲击搭接率为30-36%，对cuz合金的激光冲击时，激光冲击搭接率为25-28%。

10、作为本发明的进一步方案中，在进行激光冲击工艺，使用铝箔对铜、cucr合金和cuzr合金的进行表面层的包裹，使用超蒸水，作为激光冲击铝箔对铜、cucr合金和cuzr合金的约束层。

11、进一步的，在步骤二中，使用碳氮共渗剂继续处理经过激光冲击工艺处理的铜、cucr合金和cuzr合金，碳氮共渗剂组分为甲烷、乙炔和氨气，所用甲烷、乙炔和氨气以体积份数为计量，其中，甲烷为1-6份，乙炔为2-8份，氨气为3-9份。

12、作为本发明的进一步方案，在步骤二中，使用碳氮共渗剂继续处理经过激光冲击工艺处理的铜、cucr合金和cuzr合金的步骤为：

13、步骤r1，分别从激光冲击工艺处理的体系中，取出铜、cucr合金和cuzr合金，使用铜镊将铜、cucr合金和cuzr合金覆盖在表面的铝箔吸收层剥离；

14、步骤r2，在剥离铝箔后，将铜、cucr合金和cuzr合金浸泡入无水乙醇溶液中，随后放入20-37℃的蒸馏水中，浸泡30min，再转入震颤器中，进行震颤1h，再使用二氧化碳气体在37℃的条件进行气体烘干；

15、步骤r3，将烘干后的铜、cucr合金和cuzr合金放入真空反应炉中，在碳氮共渗的平均流速为2-3l/min，温度为800℃的条件下反应30min后，铜进行油萃2h，cucr合金油萃3h和cuzr合金油萃2.5h；

16、步骤r4，待油淬温度降至20-25℃时，再次转入真空反应炉，在碳氮工渗的平均流速为5-8l/min，温度为180-200℃的条件下反应1.5h。

17、进一步的，在步骤三中，使用激光冲击工艺和碳氮共渗剂处理后的铜、cucr合金和cuzr合金材料，进行cucrzr合金绞线的制备，具体的步骤为：

18、步骤s1，使用水平电磁连铸铸造棒坯，加入铜、cucr合金和cuzr合金混合材料，在熔炼炉中进行非真空熔炼，熔炼温度大于1300℃，在非真空熔炼过程中，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的含量波动小于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，保温炉的温度大于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；

19、步骤s2，进行热轧处理，对步骤s1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，轧制速度小于1500mm/min，所述棒材的直径为30-45mm；

20、步骤s3，进行固溶处理，使用隧道式固溶炉对步骤s2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900-990℃，保温时间为20-60min，保温结束后，将棒材进行水淬，入水间隔小于10s；

21、步骤s4，进行冷轧处理，使用三辊轧机将cucrzr合金棒材轧制为线材，轧制速度控制在2-30m/min，控制冷轧工序的变形量大于80%；

22、步骤s5，进行时效处理，使用钟罩式时效炉对cucrzr合金线材进行时效处理，使用氮气保护，时效时采用曲线加热，先加热至300-350℃，保温0.5-1h，再继续加热直至达到最终时效温度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，然后从时效炉中取出；

23、步骤s6，进行cucrzr合金绞线的成型制备，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大于80%，采用框绞机将cucrzr合金线，绞合成cucrzr合金绞线，绞合出线速度控制在10-20m/min。

24、作为本发明的进一步方案，在步骤三中，cucrzr合金绞线中合金元素的含量为：cr0.3-1.0%wt，zr 0.01-0.1%wt，其余为铜，其中，cr与zr的重量比为8.5-11，cucr合金中的cr含量为12%wt，cuzr合金中的zr含量为12%wt，cucrzr合金绞线的导电率为77-95%iacs，单丝抗拉强度500-700mpa。

25、进一步的，在步骤四中，基于激光冲击工艺，对激光冲击次数1-10次，激光能量2-15j和激光扫描速度100-900mm/s的激光冲击工艺参数进行优化，优化时，固定碳氮共渗剂的组分，甲烷为2份，乙炔为5份，氨气为7份，所选优化方式为正交分析法，其中，以激光冲击次数、激光能量和激光扫描速度为自变量，以cucrzr合金绞线的抗拉伸强度作为因变量，先分别进行单因素分析，在分析当中，将cucrzr合金绞线的显微硬度作为辅助因变量，与激光冲击次数、激光能量和激光扫描速度进行多因素分析，使用数据分析软件进行曲线的拟合，在曲线拟合度超过85%时，获取显微硬度的综合相关系数，并导入抗拉伸强度的正交分析中，进而获取最适的激光冲击工艺，所用获取最适的激光冲击工艺公式为：

26、；

27、其中，为抗拉伸强度的数值，为激光冲击次数与抗拉伸强度的相关系数，为激光能量与抗拉伸强度的相关系数，为激光扫描速度与抗拉伸强度的相关系数，-抗拉伸强度的正交分析中的系数，为显微硬度的相关系数，为激光冲击次数，为激光能量，为激光扫描速度。

28、作为本发明的进一步方案，在步骤四中，将cucrzr合金绞线的显微硬度作为辅助因变量，激光冲击次数、激光能量和激光扫描速度为自变量，使用数据分析软件进行曲线的拟合，获取显微硬度的综合相关系数中，所用的公式为：

29、；

30、其中，为激光冲击次数、激光能量和激光扫描速度与显微硬度的综合相关系数，为激光冲击次数、激光能量和激光扫描速度与显微硬度的常数，为显微硬度，为激光冲击次数，为激光能量，为激光扫描速度。

31、进一步的，在步骤四中，使用激光冲击工艺优化后的参数，对铜、cucr合金和cuzr合金进行处理，随后，使用激光冲击工艺优化参数的分析方法，对碳氮共渗剂的组分进行优化。

32、作为本发明的进一步方案，在步骤四中，激光冲击优化后的次数范围为2-3次，激光能量优化后的范围为4-6j，激光扫描优化后的速度为350-400mm/s，所用甲烷、乙炔和氨气以体积最适份数，甲烷最适份数为1-2份，乙炔最适份数为5-6份，氨气最适分数为6-7份，所获取的cucrzr合金绞线的导电率稳定大于90%iacs，单丝抗拉强度稳定在640-700mpa。

33、本发明的一种基于碳氮共渗的cucrzr合金绞线生产工艺，具有的有益技术效果：通过使用激光冲击工艺和碳氮渗透对铜、cucr合金和cuzr合金进行分别处理，再通过使用优化后的激光冲击工艺和碳氮渗透参数，制备cucrzr合金绞线，所制备cucrzr合金绞线能够提升单丝强度，拥有高悬挂张力，高安全系数，且在提高cucrzr合金绞线抗拉伸强度的同时，能够稳定提高导电率，此外，cucrzr合金绞线还有着高传输载流量，低能耗的优异特性。

34、该方法中未涉及部分均与现有技术相同或能够采用现有技术加以实现。