一种Cu-Cr-Zr合金棒材或线材的连续固溶淬火装置

摘要

本发明提供了一种高强高导Cu-Cr-Zr合金棒材或线材的连续固溶淬火装置及其工艺，属于金属材料制备加工技术领域。连续固溶淬火装置由驱动系统、控温系统、感应加热系统、淬火冷却系统和气体保护系统组成。感应加热系统采用“中频感应加热+高频感应加热”两段式加热方式，有利于防止Cu-Cr-Zr合金棒材或线材进入淬火区过程中温度的下降，提高淬火冷却效果。采用本发明的连续固溶淬火装置及工艺处理Cu-Cr-Zr合金棒材或线材，自动化程度高，生产效率高，尤其有利于保证合金棒材或线材淬火质量的均匀性和一致性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种高性能铜合金的连续热处理技术，属于金属材料制备加工技术领域，特别是提供了一种高强高导Cu-Cr-Zr合金棒材或线材的连续固溶淬火装置及其方法。

背景技术

Cu-Cr-Zr合金具有高的强度和优良的导电、导热性能，抗软化温度高，耐磨性能好，是高铁电网接触线等的关键材料，尤其是时速超过350km/h、1000A以上载流量高铁接触线材料的最佳选择。

目前国内外有关Cu-Cr-Zr合金接触线的典型制备工艺为真空熔铸—热挤压（热锻、热轧）—固溶淬火处理—冷拉拔—时效处理—冷拉拔[米绪军等，一种铜铬锆系合金及其制备和加工方法，中国发明专利，CN10171876A，2010-06-02]。该方法工艺较为成熟，适合规模工业生产，但由于采用电阻炉进行固溶和时效处理，产品质量的均匀性、一致性控制难度大，尤其在生产超长规格（如2~3km以上）接触线产品时问题较为突出。开发Cu-Cr-Zr合金棒材或线材的连续固溶淬火处理工艺是解决上述问题的有效措施。

感应加热连续热处理方法广泛应用于钢铁材料（薄钢带和线材等）和铜及铜合金管材的中间退火和成品退火[例如，赵鸿金等，在线感应退火对TP2铜管力学性能的影响，热加工工艺，2011，40(4)：136-138.]。连续退火具有产品质量均匀性和一致性好、热处理速度快、生产效率高等优点。然而，由于Cu-Cr-Zr合金固溶温度高（900℃以上）、时间长，坯料易氧化，淬火冷却速度要求高，传统的连续感应退火装置与工艺难以应用于Cu-Cr-Zr合金棒材或线材的固溶淬火处理。

发明内容

针对现有Cu-Cr-Zr合金棒材或线材固溶淬火热处理存在的问题，本发明提供了一种Cu-Cr-Zr合金棒材或线材的连续固溶淬火处理装置与工艺，有利于提高高性能Cu-Cr-Zr合金棒材或线材的质量。

本发明的技术方案为：一种Cu-Cr-Zr合金棒材或线材的连续固溶淬火装置，所述淬火装置包括驱动系统、控温系统、感应加热系统、淬火冷却系统和气体保护系统。

进一步地，所述驱动系统用于控制Cu-Cr-Zr合金棒材或线材在连续固溶淬火过程中平稳移动；

所述控温系统连接感应加热系统，用于采集温度同时控制感应加热系统进行加热；

所述感应加热系统置于所述Cu-Cr-Zr合金棒材或线材周侧，所述感应加热系统包括中频感应加热装置和高频感应加热装置；

所述淬火冷却系统置于所述感应加热系统末端处；

所述气体保护系统用于在连续固溶淬火过程中提供惰性气体保护环境。

进一步地，所述中频感应加热装置与所述高频感应加热装置连接，所述中频感应加热装置置于Cu-Cr-Zr合金棒材或线材送料方向相反的一侧，所述高频感应加热装置置于送料方向的一侧；

所述中频感应加热装置由频率1-10kHz、额定功率30-200kW的中频感应电源与感应线圈组成，所述高频感应加热装置由频率为30-80kHz、额定功率为30-150kW的电源与感应线圈组成，中频感应加热区长度为0.5-50m，高频感应加热区长度为30-1000mm。

进一步地，所述驱动系统包括推送辊和牵引辊，所述推送辊和牵引辊的辊面刻有凹槽；

所述Cu-Cr-Zr合金棒材或线材直径为6-10mm；所述驱动系统的走料速度为20-10000mm/min。

进一步地，所述控温系统包括测温热电偶、非接触式红外测温仪、温度显示装置及PLC控温模块；

所述控制系统控制温度的范围为100-1200℃。

进一步地，所述淬火冷却系统包括喷淋冷却方式及直接穿水冷却方式；

所述淬火冷却系统进行冷却时候，水流量为50-800L/h，且水流量与Cu-Cr-Zr合金半径平方、走料速度以及合金温度成正比。

进一步地，所述气体保护系统包括石英玻璃管及惰性气体吹入装置。

一种Cu-Cr-Zr合金棒材或线材的连续固溶淬火方法，应用上述的连续固溶淬火装置，其特征在于，包括如下步骤：

（1）将直径为6-100mm、含0.1-1.6wt%Cr，0.02-0.20wt%Zr，杂质<0.2wt%的Cu-Cr-Zr合金棒材或线材置于推送辊入口端上，向气体保护系统中通入氩气；

（2）启动控温系统和驱动系统，走料速度设定为20~10000mm/min，中频加热区和高频加热区温度设定为900~1070℃；

（3）控制Cu-Cr-Zr合金棒材或线材的走料速度，使其任一加热部位在中频加热区的滞留时间为5~30min；

（4）Cu-Cr-Zr合金棒材或线材通过高频感应加热区后进行喷水或穿水淬火，完成连续固溶淬火。

本发明具有以下有益效果：

1）采用感应加热连续固溶淬火方式，自动化程度高，生产效率高，尤其有利于保证Cu-Cr-Zr合金棒材或线材淬火质量的均匀性和一致性；

2）连续固溶淬火装置采用“中频感应加热+高频感应加热”两段式加热方式，有利于防止Cu-Cr-Zr合金棒材或线材从中频感应区进入淬火区过程中温度的下降，提高淬火冷却效果；

3）连续固溶淬火装置采用惰性气体（氩气）保护，有效防止了Cu-Cr-Zr合金棒材或线材加热、保温过程的氧化。

附图说明

图1为本发明提出的一种Cu-Cr-Zr合金棒材或线材的连续固溶淬火装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

Cu-Cr-Zr合金棒材或线材的连续固溶淬火装置由驱动系统、控温系统、感应加热系统、淬火冷却系统和气体保护系统组成。

所述驱动系统由推送辊1和牵引辊5组成，用于控制Cu-Cr-Zr合金棒材或线材在连续固溶淬火过程中平稳移动，其特征为辊面部位刻有凹槽，适合直径6~100mm棒材或线材的夹持，走料速度调节范围为20~10000mm/min；

所述控温系统由普通测温热电偶或非接触式红外测温仪和温度显示记录、PLC控温模块（6和7）等组成，用于Cu-Cr-Zr合金棒材或线材连续固溶淬火过程中的温度控制，温度范围为100~1200℃；

所述感应加热系统由中频感应加热装置2和高频感应加热装置3组成，中频感应加热装置由频率1~10kHz、额定功率30~200kW的中频感应电源与感应线圈组成，高频感应加热装置由频率为30~80kHz、额定功率为30~150kW的电源与感应线圈组成，中频感应加热区长度为0.5~50m，高频感应加热区长度为30~1000mm。

所述淬火冷却系统4采用冷却水喷淋装置对Cu-Cr-Zr合金棒材或线材进行强制冷却，水流量为50~800L/h；所述淬火冷却系统4也可以采用直接穿水冷却方式。

所述气体保护系统由石英玻璃管和惰性气体（如氩气）吹入装置组成，以防止Cu-Cr-Zr合金棒材或线材在固溶过程中的氧化。

实施例1：直径30mmCu-1.2%Cr-0.16%Zr合金棒材的固溶淬火

实施该例的Cu-Cr-Zr合金棒材的连续固溶淬火装置基本参数为：控温系统采用非接触式红外测温仪和PLC控温模块；中频感应加热装置由频率3kHz、额定功率45kW的中频感应电源与感应线圈组成，高频感应加热装置由频率为50kHz、额定功率为45kW的电源与感应线圈组成，中频感应加热区长度为2m，高频感应加热区长度为50mm；采用冷却水喷淋装置对棒材进行强制冷却，水流量为80L/h；Cu-Cr-Zr合金棒材固溶处理过程采用氩气保护。

实施该例的工艺为：

（1）将直径为30mm、含1.2wt%Cr，0.16wt%Zr，杂质<0.2wt%的Cu-Cr-Zr合金棒材置于入口端的驱动系统上，向气体保护系统中通入氩气；

（2）启动控温系统和驱动系统，走料速度设定为100mm/min，中频加热区和高频加热区温度设定为960℃；

（3）控制Cu-Cr-Zr合金棒材的走料速度，使其任一加热部位在中频加热区的滞留时间为20min；

（4）Cu-Cr-Zr合金棒材或线材通过高频感应加热区后进行喷水淬火。

该工艺所制备的固溶态Cu-Cr-Zr合金组织性能的均匀性和一致性优于采用电阻炉处理样品，且该工艺可实现Cu-Cr-Zr合金的连续固溶淬火处理，大大提高了生产效率。

实施例2：直径50mmCu-1.0%Cr-0.08%Zr合金棒材的固溶淬火

实施该例的Cu-Cr-Zr合金棒材的连续固溶淬火装置基本参数为：控温系统采用非接触式红外测温仪和PLC控温模块；中频感应加热装置由频率3kHz、额定功率45kW的中频感应电源与感应线圈组成，高频感应加热装置由频率为50kHz、额定功率为45kW的电源与感应线圈组成，中频感应加热区长度为2.4m，高频感应加热区长度为80mm；采用冷却水喷淋装置对棒材进行强制冷却水流量为100L/h；Cu-Cr-Zr合金棒材热处理全过程采用氩气保护。

实施该例的工艺为：

（1）将直径为50mm、含1.0wt%Cr，0.08wt%Zr，杂质<0.2wt%的Cu-Cr-Zr合金棒材置于入口端的驱动系统上，向气体保护系统中通入氩气；

（2）启动控温系统和驱动系统，走料速度设定为80mm/min，中频加热区和高频加热区温度设定为980℃；

（3）控制Cu-Cr-Zr合金棒材或线材的走料速度，使其任一加热部位在中频加热区的滞留时间为30min；

（4）Cu-Cr-Zr合金棒材或线材通过高频感应加热区后进行喷水淬火。

该工艺所制备的固溶态Cu-Cr-Zr合金组织性能的均匀性和一致性优于采用电阻炉处理样品，且该工艺可实现Cu-Cr-Zr合金的连续固溶淬火处理，大大提高了生产效率。

实施例3：直径10mmCu-0.6%Cr-0.04%Zr合金线材的固溶淬火

实施该例的Cu-Cr-Zr合金棒材的连续固溶淬火装置基本参数为：控温系统采用非接触式红外测温仪和PLC控温模块；中频感应加热装置由频率3kHz、额定功率45kW的中频感应电源与感应线圈组成，高频感应加热装置由频率为50kHz、额定功率为45kW的电源与感应线圈组成，中频感应加热区长度为1.5m，高频感应加热区长度为30mm；采用冷却水喷淋装置对棒材进行强制冷却水流量为60L/h；Cu-Cr-Zr合金棒材热处理全过程采用氩气保护。

实施该例的工艺为：

（1）将直径为10mm、含0.6wt%Cr，0.04wt%Zr，杂质<0.2wt%的Cu-Cr-Zr合金棒材置于入口端的驱动系统上，向气体保护系统中通入氩气；

（2）启动控温系统和驱动系统，走料速度设定为100mm/min，中频加热区和高频加热区温度设定为950℃；

（3）控制Cu-Cr-Zr合金棒材或线材的走料速度，使其任一加热部位在加热区的滞留时间为15min；

（4）Cu-Cr-Zr合金棒材或线材通过高频感应加热区后进行喷水淬火。

该工艺所制备的固溶态Cu-Cr-Zr合金组织性能的均匀性和一致性优于采用电阻炉处理样品，且该工艺可实现Cu-Cr-Zr合金的连续固溶淬火处理，大大提高了生产效率。