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高速铁路用铜合金接触线材料及其加工工艺
2013-11-25  来源:  作者:中色( 天津) 有色金属有限公司 胡景

摘要: 目前我国电器化铁路迅猛发展,高速铁路用的铜合金接触线是一类必不可少的产品。本文针对速铁路用接触导线的需求背景,分析目前接触导线的材料分类,对于接触导线的制造工艺进行了总结。高速铁路用高强度高导电铜合金新产品的开发需要从合金成分的设计,工艺流程的设计综合考虑,以达到接触线强化与具有高的导电性的效果。

 

关键词: 高速铁路; 接触线; 铜合金; 加工工艺

 

1 高速铁路对接触线材料的要求

 

      接触导线是保证电气化铁路正常运营的关键构件,它通过与电力机车受电弓滑板直接接触滑动摩擦将电能从变电所传输给电力机车。接触线都被制作成圆柱状,在圆柱的两侧制有两个沟槽,沟槽的作用是为以后线夹安装方便,要求既不影响受电弓滑板的滑行取流,还要将接触线悬吊固定。接触导线在一定悬挂张力下工作。

 

      高速列车用的接触线和一般用的高架线不同,接触线在非常恶略的环境中工作,列车的时速相当快。为了实现电气化列车的高速化,必须使受电弓沿接触线高速滑行的过程中达到稳定的受流状态,降低离线率。这就需要提高接触导线的波动传播速度,增加接触线的张紧力,因此要求接触导线具有较高的抗拉强度。

 

      接触导线的主要作用是传输电流,所以要求导线的线损要小,接触线材料的导电率要高。

 

      由于接触线与电力机车受电弓滑板滑动摩擦接触向电力机车输送电流。它除正常的磨耗外,还会受到非正常的机械冲击负荷,焦耳热效应,摩擦生热和故障大电流的影响而发生弓网故障,甚至出现拉断或熔断事故。引起接触线温度升高,机械强度下降,电烧蚀损耗和机械磨损增加。所以要求接触线还要具有较高的抗软化温度,以提高接触线的耐高温性能和耐磨性能。

  

     综上所述高速铁路接触线材料应满足以下要求: 机械强度高,导电率好,耐磨性好,耐热性好,耐腐蚀性好。

 

     我国现在高速铁路的发展已经走在了世界前列,由于我国高铁运行速度高,对于接触网导线提出了更高的性能要求。由于国外目前的接触线对应的高速铁路的运行速度比我国的低,直接照搬国外的合金是不能满足现实要求的。开发具有自主知识产权、性能达到国际先进水平的接触网导线是铁路高速发展提出的迫切需求。

 

2 高速铁路用接触线用材料的现状

 

     目前高速铁路用接触线材料种类繁多,有纯铜,纯铝,铜合金,( 包括铜锡,铜银,铜镁,铜隔,等) ,复合接触线,包括( 铝包钢型接触线,铜包钢型接触线) 等,大多都处于试验及试用阶段。我国铁道部根据我国具体情况,制订了“电气化铁道用铜及铜合金接触线”标准,其中包含了铜,铜银合金,铜镁合金( Mg0 2%) ,铜镁合金( Mg0 5%) 铜锡合金。

 

 

      ( 1) 纯铜接触线,这类接触线加工时的强化方式只有冷作硬化,虽然具有较高的导电性,但是接触线强度很低,抗软化温度低,耐热性能差。只适合时速低于200 km 的铁路上应用。

 

      ( 2) 铜合金型接触线: 铜银合金,铜锡合金、铜镁合金接触线等,这类接触线由于合金元素的加入使得合金的导电性略有下降,但其机械性能,抗软化性能,耐磨性较纯铜有很大提高。世界各国由于各自的不同情况在高速铁路上所用的接触线材料也各不相同,法国在时速350 km 的高速列车上使用铜锡接触线,德国在时速250 km 列车上使用银铜合金线,在时速300 km 以上使用铜镁合金线,我国在时速350 km 的京津城际,武广高铁,郑西高铁使用铜镁合金线。

 

      我国对120 mm2 接触线机械性能及电阻率的要求如表1

 

3 高速铁路用高强高导铜合金材料的制备及接触线加工工艺

 

     3 1 高强度高导电率铜合金材料的制备

 

      高速铁路接触线要求材料具有高强度和高导电性。一般来说,如果要提高铜材的强度,就需要加入合金成分,对材料进行强化,但这样就会使得铜材的导电率下降; 而要追求材料高的导电率,接触线的强度又会降低。人们在解决接触线铜材高导电率和高强度之间矛盾的时候,以尽可能保持导电率不变为前提,采取各种强化措施来提高铜材的强度。

 

22

 

      虽然第二项强化方法已有很多的研究报道,但是此方法目前要生产大长度的铜合金接触线在设备方面还存在一定的困难,从生产成本考虑也不太经济。所以目前铜合金接触线主要以固溶强化、细晶强化、冷加工强化等手段来强化铜基体,达到使材料具有高强度高导电率的目的。从表二可以看到, AgCdMgSn 等元素对铜导电率降低较小,适合作为铜接触线材料的强化元素。

 

      3 2 接触线的加工工艺

 

      现行接触线生产方法有上引连铸- 冷轧法、连铸连轧法和上引连铸- 连续挤压法。

 

      ( 1) 上引连铸- 冷轧法是较早使用的接触线生产方法。由于连续铸造和熔炼的过程都是在无氧条件下进行的,所以生产出的产品含氧量很低,夹杂物少,产品具有较好的韧性。由于上引炉体积相对较小,可以达到小批量多品种的生产要求。

 

      ( 2) 连铸连轧法。适用于单一产品大批量生产,生产效率较高,生产成本低。但由于其生产过程工艺控制不稳定,产品氧含量较高通常在0 02% 0 04%产品夹杂物相对无氧杆而言较高,韧性降低。所以此方法适合生产铜及不易氧化的铜合金产品 ( 如铜银合金,铜锡合金) 而不适合生产铜镁合金产品。

 

      ( 3) 上引连铸- 连续挤压工艺一般用来制造超细晶强化型铜合金接触线。连铸杆件在连续挤压的过程中受到剧烈的变形,旧的铸态组织遭到破坏,新的金相组织晶粒细小,组织致密。坯料的再结晶过程能够将材料的铸造缺陷消除。该工艺能使得产品性能优异,质量稳定,大大提高了接触线的机械性能。

 

  

4 铜镁合金接触线生产介绍

 

      铜镁合金接触线具有机械强度高,耐磨性、耐热性、及抗高温氧化性好,导电率适中的特点,抗拉强度为490 MPa 左右,电导率可达63%,所以时速300km 及以上的高速列车通常都使用这类接触线。目前铜镁合金杆均由上引连铸法生产,上引杆再经冷轧法或连续挤压法加工成铜镁合金接触线。

 

     ( 1) 铜镁合金的熔炼和铸造: 铜镁合金熔体中的镁易氧化烧损,使得熔炼和铸造过程难度较大。一般采用真空熔炼。近些年我国在铜镁合金接触线方面研究取得成功,上引连铸炉连铸铜镁合金杆坯已经规模化生产。连铸过程中,铜镁合金熔体采用木炭等覆盖剂覆盖保护,为了减少金属镁的烧损,镁以铜镁中间合金的形式加入。操作过程中应严格控制工艺参数,避免出现镁含量不稳定,合金杆化学成分不均的问题。

 

      ( 2) 合金杆冷轧- 拉拔法加工接触线: 此方式最早用于紫铜材料加工接触线,现国内一些厂家仍采用此工艺。但由于此过程接触线由铸态杆直接冷加工而成,材料本身没有经过再结晶退火过程,材料内部还存在部分的铸造组织,所以其强度没有连续挤压法制作的接触线强度高。

 

      ( 3) 合金杆连续挤压法加工接触线: 铸造态铜镁合金杆在连续挤压机内经连续挤压后成为加工态合金杆。连续挤压过程使产品晶粒细小、组织均匀,机械性能有很大提高。如表五所示抗拉强度约提高30%左右。

 

      虽然连续挤压技术应用在纯铜方面已经成熟,但是加入其它元素的铜合金其强度硬度和抗高温变形能力较纯铜有很大的提高,使得铜合金的挤压温度较纯铜提高很多,铜镁合金则提高更多( 如表四所示) ,所以对挤压模具,挤压送料轮,挤压腔体的材质提出更高的要求,必须选择适宜的材料,来适应挤压过程。某单位在铜镁合金挤压过程数据如下。

 

 

      据了解镁铜合金连续挤压过程均存在工装模具使用时间短,生产成本较高的问题。目前已有多家生产单位在研究解决问题的方法,并已取得一定的进展。如果解决了这一问题,在工装模具材料的选择上有一较大的突破,将会使其它铜合金产品的加工工艺发生重大的变革。

 

5 结语

 

      高速铁路用高强度高导电铜合金新产品的开发对于促进高铁配套材料的国产化具有重要的意义,有显著的社会效益和经济效益。

 

      随着生产技术的不断完善,生产工艺的日趋成熟,接触线产品的开发将向材料成本相对较低,而各项性能指标相对较好的铜镁合金类型进行开发。上引连铸- 连续挤压- 拉拔成型生产工艺是未来生产高质量铜合金接触线的有效途径。

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