稀有金属 2006,(02),203-208 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2006.02.018
高速列车用铜合金接触线用材料及其加工工艺
谢水生 黄国杰
摘 要:
在研究和分析国内外高速列车用铜合金接触线的基础上, 结合目前铜合金接触线的生产现状, 对我国铜合金接触线材料和加工工艺进行了分析。随着电气化铁路运行向高速化发展, 开发新型的Cu-Cr-Zr系、Cu-Mg系铜合金接触线是必要且可行的。目前我国铜合金接触导线制造技术比较落后, 在铜熔体洁净化处理和连铸成形两个关键工序上, 缺乏有效手段, 大大影响了产品的最终性能。综合考虑产品的最终性能和大规模连续化生产的要求, 在加工工艺方面, 连铸连轧法和连续挤压法是未来开发的重点。
关键词:
高速列车接触线 ;震波速度 ;Cu-Cr-Zr ;Cu-Mg ;连铸连轧 ;连续挤压 ;高强高导铜合金 ;
中图分类号: U270.41
收稿日期: 2004-12-01
基金: 国家高技术研究发展计划 (2004AA33G060) 资助项目;
Materials and Process Technics of Copper Contact Wires for High-Speed Train
Abstract:
Based on systematical research and analysis on domestic and foreign high speed train contact wire, and combining current production status of the copper alloy contact wire, the contact wire materials and processing technics were analyzed. Along with high-speed developing of the electric train, the development of Cu-Cr-Zr and Cu-Mg copper alloys is necessary and feasible. At present, the manufacture technology of copper alloy contact wires is backward. It is short of effective means in purifying copper melt and continuous casting forming. This affects the final properties of product seriously. In order to meet the final properties of product and massive continuous production, continuous casting and rolling and continuous extrusion forming are of important in the sight of technics.
Keyword:
high-speed train contact wire; wave propagation velocity; Cu-Cr-Zr; Cu-Mg; continuous casting and rolling; continuous extrusion forming; high-strength and high-conductivity copper alloy;
Received: 2004-12-01
高速列车具有安全性好、 正点率高、 快速等优点。 能有效地改善交通环境, 带动国民经济的发展。 20世纪60年代以来, 随着铁路电气化的高速发展, 铁路运输一再提速 (一般运行速度在120~160 km·h-1 为中速, 160~200 km·h-1 为准高速, 200~400 km·h-1 为高速) , 对于电气化铁路用接触线性能要求越来越高, 因为在电气化铁路运行过程中, 接触导线不仅要承受较大的悬挂张力, 同时还经受着通过电流时引起的热作用。 因此, 材料要求具有良好导电性能的同时还应具有高的抗拉强度, 而且在电流负荷增大、 温度升高时仍然要保持较高的强度
[1 ]
。
我国铁路广深线、 京郑线等都大量或全部使用了法国或德国产品, 花费了大量外汇
[2 ]
。 因此, 对国产铜及铜合金接触线的研制开发即成为我国企业和科研单位的重要课题之一。 铁道科学研究院机车车辆研究所与上海康成铜材有限公司、 上海电缆厂的科技人员长期从事铜合金接触线的配方和制造工艺的研究。 多项研究成果已在铁路上推广应用, 并取得了良好的技术经济效益。
1 高速列车用接触线的材料性能要求和主要技术指标
接触线是接触网中重要的组成部分之一。 接触线一般制成两侧带沟槽的圆柱状如图1所示, 表1为接触线的规格及尺寸。 其沟槽为便于安装线夹, 要求悬吊固定接触线而又不影响受电弓滑板的滑行取流。 常规的接触线是采用拉拔工艺生产。 铜的电阻率低、 导电性高、 抗腐蚀性能好, 是理想的接触线材料。
接触线既要提供高速列车所需的动力、 照明和空调等用电, 又要承受较大的轴向拉力, 同时接触线可能工作在极冷、 极热、 腐蚀性强等环境中, 总的来说, 电力传输线必须具有以下性能
[3 ,4 ,5 ,6 ,7 ]
: 能够满足高速列车速度和电流的要求 (3000 V直流或者25 kV 50~60 Hz交流电流) , 具有足够的抗拉
图1 接触线 (a) 接触线截面图; (b) 接触线外形图 ( (a) 图的具体参数请见表1) Fig.1 Contact wires
强度来承受振动, 高导电率, 耐磨性好, 耐热性好, 抗软化温度高, 软化处理 (300 ℃保温2 h) 后其常温抗拉强度不小于初始态的90%, 抗大气腐蚀性能好 (这在温暖潮湿的沿海及工业区尤为重要) , 线膨胀系数小 (以提高接触网的稳定性)
[8 ]
。 表2为各国不同高架网系统采用的性能参数。
2 铜合金接触线的研究现状
2.1 铜合金接触线的基本情况
铜材导电性好, 但强度不足。 长期以来, 在铜接触导线研究方面, 一直存在高强度和高导电率之间的矛盾。 一般来说, 要保持铜的高导电率, 则强度往往不足; 而要提高强度, 则需加入合金成分, 那样又会很大程度上降低铜材的导电率
[9 ]
。 在Cu中加入一些高熔点、 高强度的金属和铜形成固溶体, 导致铜原子点阵畸变, 使电子运动阻力增加, 因而电阻增大, 加入量越多, 晶格畸变程度越大, 因而电阻率上升, 导电率下降。 人们在解决高强度和高导电率这对矛盾时, 大都是在尽可能少的降低铜导线导电率的前提下, 采用固溶强化、 变形强化或沉淀强化来提高铜材的强度。
国内外对于高速轨道用关键材料都进行了长期的基础研究和应用研究
[10 ,11 ,12 ,13 ,14 ]
。 高速轨道用接触导线一般添加一些高熔点、 高硬度、 低固溶度的金属, 如Cr, Nb, Ag等, 借助合金质点的纤维状排列, 在不影响导电率的前提下来增加铜线材的强
表1 接触线的规格及尺寸Table 1 Standards and dimensions of contact wires
标称截面积/ mm2
计算截面积/ mm2
尺寸及偏差
A /mm
B /mm
C /mm
D /mm
E / mm
K / mm
R / mm
G / (°)
H / (°)
±1%
±2%
±2%
+4%, -2%
±1%
85
86
10.80
10.76
9.40
7.24
6.80
4.60
0.40
27
51
110
111
12.34
12.34
9.73
7.24
6.80
4.47
0.40
27
51
120
121
12.90
12.90
9.76
7.24
6.80
4.35
0.40
27
51
150
151
14.40
14.40
9.71
7.24
6.80
4.00
0.40
27
51
表2 不同高架网系统采用的性能参数Table 2 Property parameters of different elevated network systems
参数
日本
法国
德国
意大利
TGV东南
TGV大西洋
悬挂类型
繁密复合型
缝合和简单型
简单型
缝合和简单型
双缝合和简单型
标准跨度
50
63 (缝合线15)
63
65 (缝合线18)
60 (缝合线14)
标准的线高度/m
5.0
4.95
4.95
5.3
4.85
系统高度/mm
1500
1400
1400
1800
1400
线的牌号 悬挂线
St 180 mm2 (1.450 kg·m-1 )
Bz 65 mm2 (0.59 kg·m-1 )
Bz 65 mm2 (0.59 kg·m-1 )
Bz11 70 mm2 (0.63 kg·m-1 )
CdCu 153.7 mm2 (1.42 kg·m-1 )
辅助悬挂线
Cu 150 mm2 (1.375 kg·m-1 )
Bz 35 mm2
-
Bz11 35 mm2 (0.31 kg·m-1 )
-
接触线
Cu 170 mm2 (1.511 kg·m-1 )
CdCu 120 mm2
Cu 150 mm2 (1.33 kg·m-1 )
CuAg Ri 120 mm2 (1.08 kg·m-1 )
CuAg 151.7 mm2 (1.35 kg·m-1 )
接触线总密度
4.34
1.65
1.92
1.71
2.77×2
悬挂线的张力 悬挂线/N
24500
14000
14000
15000
18400
辅助悬挂线/N
14700
4000 (缝合线)
-
2800 (缝合线)
2900 (缝合线)
接触线/N
14700
14000
20000
15000
14700
总张力/N
(53900)
(28000)
(34000)
(30000)
(33100×2)
接触线的震波速度/ (km·h-1 )
355
414
441
424
376
β (火车速度/震波速度)
0.68 (=240/355) 0.76 (=270/355)
0.65 (=270/414)
0.68 (=300/441)
0.59 (=250/424)
0.66 (=250/376)
预松弛
没有
1/1000
1/1000
1/1000
1/1000
度和耐磨性。 另外日本还采用大变形强化技术, 进行Cr, Nb系铜基复合材料强化的研究工作。 国内上海大学和西北工业大学提出采用定向凝固工艺来提高铜合金强度。 定向凝固技术使Cr在铜线中成纤维状排列, 提高强度, 同时解决高导电率和高强度的矛盾, 这项工艺目前还处于基础研究阶段。
我国在高速列车建设方面起步较晚, 电力机车接触导线制造技术相对落后, 在铜熔体洁净化处理和连铸成形两个关键工序上, 缺乏有效手段, 大大影响了最终产品性能。 目前, 采用的生产接触导线的工艺主要是采用上引连铸加拉拔工艺
[15 ]
。 由于国产上引设备多为连体炉 (即熔化炉与保温炉为一体) , 加料后立刻引出, 没有沉静过程, 造成炉料温差大、 杂质不易排除、 脱氧不彻底、 吸气严重等问题。
2.2 铜合金接触线材料方面的研究
铜合金接触导线的主要优点是: 高温强度高, 耐磨性好, 并且有良好的导电性能。 基于以上优点, 国内外对铜合金接触线材料进行了大量研究
[16 ,17 ,18 ,19 ]
。 表3为国内外已经产业化或试制的铜合金接触线的主要技术性能指标
[4 ,8 ,20 ,21 ,22 ,23 ,23 ]
。
2.2.1 银铜合金类接触线 云南铜业在SCR1300连铸连轧生产线上能生产出质量优良的Cu-Ag接触线, 经冷拉或冷轧成形为加工组织致密的高强度、 耐磨接触铜合金导线, 完全克服了传统技术 (上引法) 生产的铸态组织的缺点, 可满足机车200 km·h-1 以上的运行速度。 其性能已和德国产银铜接触线相当, 但在接触线的平直度上尚需稍作改进提高, 以降低受电弓和接触线的离线率
[7 ]
。
2.2.2 锡铜合金接触线 我国已列入行业标准的锡铜接触线, 抗拉强度接近银铜接触线, 但导电率稍低 (70%IACS) , 根据工程中接触网设计的具体要求, 可用于时速在200 km·h-1 以下的接触网中。 现在法国在时速为300~350 km·h-1 的接触网中研制和试用的锡铜120接触线, 其抗拉强度和导电率分别为360.8 MPa和70%IACS
[3 ]
。
表3 国内外铜合金接触线的主要技术性能指标Table 3 Primary properties of contact wires produced in domestics and abroad
材料
合金成分
最小抗拉 强度/MPa
最小导电率/ % IACS
备注
铜银接触线
Cu-0.1%Ag
353
96.5
CTHA120 (TB/T2821-1997)
Cu-0.1%Ag
367
96.5
Ris120 (DIN43141)
Cu-0.12Ag
369
97.0
JIS36512-3F
Cu-0.1%Ag
410
97.0
-
铜银锡接触线
Ag-Sn-Cu
368
90.0
CTHB1-120 (TB/T2821-1997)
Ag-Sn-Cu0.04
376
85.5
CTHB2-120 (TB/T2821-1997)
Ag-0.07Sn-Cu
409
90.0
中国专利, No.93117113
铜镉接触线
107-CuCd
439
84.0
107-CuCd (BS23)
Cu-Cd
457
80.0
Alloy80 (ASTMB9)
Cu-1.0%Cd
400
90.0
C16200 (Cu-1.0%Cd)
Cu-Cd
440
90.0
NFC34-800
C3-Cd (Cu-Cd)
431
92.8
NFC34-110
Cu-0.7Cd
413
86.2
DIN43141
Cu-1.0Cd
434
80.2
DIN43141
CuO1.0%Cd
425
82.6
Rik100 (DIN17666)
铜镁接触线
Cu-Mg
490
68.0
Rim120 (DIN/EN50149)
Cu-0.4Mg
455
72.0
半硬点385 ℃
Cu-0.6Mg
500
68.0
半硬点385 ℃
铜铬锆接触线
Cu-0.6Cr-0.12Zr-0.03Mg
586
85.0
时效强化
Cu-0.31Cr-0.07Zr-0.02Si
555
78.0
110 mm2 接触导线
Cu-0.31Cr-0.07Zr-0.02Si
609
80.7
Φ 4 mm圆截面Cu-Cr-Zr导线
Cu-0.4Cr-0.14Zr-0.06Si
567
80.1
PHC析出强化铜合金
Cu-Cr-Zr-Ce
642
78.0
~
Cu-Cr-Zr
620
82.0
~
铜银锆接触线
Cu-0.1Ag-Zr
580
82.0
~
2.2.3 高强高导铜合金接触线 随着电气化铁路运行向高速发展, 必然要求加大接触线的悬挂张力, 提高载流能力、 接触网的稳定性, 改善机车受流质量, 在要求接触线材料具有良好导电性的同时, 还应具有高的抗拉强度。 目前, 高速电气化铁路对铜合金接触导线的技术要求是: 抗拉强度σb ≥550 MPa; 导电率ρ≥75%IACS。
(1) 铜铬锆合金接触线: 日本开发的PHC110接触线, 抗拉强度和导电率分别达555.5 MPa和78.8%IACS。 这是一种热处理型的铜合金, 由此种合金做的部件在国内合金厂中早有生产和应用, 但在我国电线电缆厂中要实现连续大长度无接头的连续生产的热加工工艺尚需摸索。 规模生产, 尚需增加大型的热处理设备, 开发连续生产的加工工艺
[3 ]
。
(2) 镉铜合金接触线: 镉铜虽然有比较高的抗拉强度和导电率, 但镉有毒难于实现大规模生产。
(3) 镁铜合金接触线: 德国在揩发时速达330 km·h-1 的Re330型接触网中研制的镁铜120接触线已进入试运行阶段, 并取得了预期的效果。 目前的抗拉强度和导电率可分别达到503 MPa和70%IACS。 要进一步提高强度, 保持或提高导电率, 还需添加第二甚至第三元素。 另外, 镁在制作镁铜合金的大规模生产中是难于连续稳定控制的元素, 这些都需研究
[8 ]
。
2.3 接触线加工工艺方面的研究
目前接触线的生产工艺主要有铜锭轧制法、 上引法、 连铸连轧法和连续挤压等, 其工艺流程图如图2所示。
铜锭轧制法设备密闭性差, 经热轧后, 成为表面氧化严重的黑铜杆, 需经酸洗, 并要焊接接长, 故不能制造无焊接接头的长度大于1500 m (重1500 kg) 的接触线
[24 ]
。 采用这种工艺生产的接触线的缺陷, 随着使用年限的延长逐渐暴露出来, 造成断线事故屡屡发生, 无法满足高速电气化铁路的运行要求。
上引连铸法生产接触线一般都是由Φ 30 mm的上引杆冷轧成Φ 16.4 mm, 再拉拔成截面积为120 mm2 的最终产品。 这种方法的优点是熔炼和连续铸造过程不经过流槽、 中间包和浇包, 都是在隔绝空气的条件下进行, 生产的铸杆品质纯净、 夹杂物极少、 含氧量极低, 特别适合于各种铜合金的熔炼; 炉容小, 拆炉、 洗炉成本低, 变换生产铜合金品种灵活
[15 ,25 ]
。 国内大部分工厂一直采用上引连铸法制造铜接触线和银铜合金接触线。 这种方法存在的主要问题是: 30 mm的上引杆在常温下轧制和拉拔时, 不能改善内部组织, 拉拔后产品断面组织为晶粒粗大、 未完全破碎的铸造组织。 由于这种组织造成的残余应力, 使接触线架设后沿其长度方向有许多不规则的微小波浪弯, 高速电力机车通过时会产生连续细碎的离线火花, 降低了机车的取流质量, 同时也降低了接触线自身的寿命
[15 ]
。
图2 生产铜合金接触线各种方法的工艺流程Fig.2 Processes used for produce contact wires by different methods
采用连铸连轧生产铜合金接触线, 获得的材料内部组织为细小、 均匀的晶粒。 同时产品还具有强度高、 软化温度高、 平直度好、 耐磨性和抗蠕变能力高等特点, 完全克服了传统技术生产的铸态组织的缺点
[7 ]
。 但是连铸连轧工艺是为满足年产量在3万t以上产量的纯铜杆生产要求而设计的, 生产设备的日产量至少在100 t, 不能保证需求量很少的电车线随时供货。 而且更换合金需要频繁拆炉筑炉, 设备能力利用率低, 生产制造成本高。 目前, 日本、 德国、 法国、 瑞典等大多数发达国家均采用“连铸连轧”法来生产高速电气化铁路用Cu-Ag合金电车线。
采用连续挤压工艺根据多年的理论研究和实际试验, 如果将连续挤压技术应用到接触线生产工艺, 通过对金属变形机理的研究, 就能制造出晶粒细小的银铜合金接触线, 提高其抗拉强度以增加拉断力, 从而大大提高列车运行速度
[15 ,26 ]
。 采用连续挤压工艺有如下优点: 坯料无需加热。 连续挤压是通过坯料与进料导板的摩擦生热来控制金属的形变温度, 铜合金在变形时的温度可达500 ℃甚至更高, 因此无需加热, 能量消耗可降低30%以上
[15 ,27 ,28 ]
; 实现无间断的连续生产。 变形金属受力状态好, 组织致密。 坯料在连续挤压过程中处于强烈的三向压应力状态, 有利于提高金属的塑性, 消除铸造缺陷, 发生再结晶, 改善金属组织结构, 细化内部晶粒, 从而提高了金属的机械性能和电性能; 同一种直径的杆坯既可以生产更小截面的产品, 也可以通过扩张模生产比杆坯截面还大的产品, 从而满足不同线径产品的需要。 连续挤压的缺点是生产时在接触线表面容易产生气泡。
综合考虑产品的最终性能和大规模连续化生产的要求, 连铸连轧法和连续挤压法是主要的发展方向。
3 结 论
1. 目前我国铜合金接触线大部分依靠进口, 为了满足电气化铁路运行向高速化发展, 开发新型的Cu-Cr-Zr系、 Cu-Mg系铜合金接触线是必要且可行的。
2. 我国电力机车接触导线制造技术相对落后, 在铜熔体洁净化处理和连铸成形两个关键工序上, 缺乏有效手段, 大大影响了最终产品性能。 综合考虑产品的最终性能和大规模连续化生产的要求, 连铸连轧法和连续挤压法是是未来铜合金接触线加工工艺主要的发展方向。
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