上引連擠法與銅合金接觸線產(chǎn)品譜系化

張 強

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上引連擠法與銅合金接觸線產(chǎn)品譜系化

張 強

基于對銅及銅合金接觸線制造技術(shù)的介紹，闡述了上引連擠法工藝特點和銅合金接觸線產(chǎn)品譜系化，并對上引連擠法高導(dǎo)電銅合金接觸線進行運用分析，以期進一步推廣應(yīng)用。

接觸網(wǎng)；銅合金接觸線；上引連擠法；產(chǎn)品譜系化

0 引言

我國2001年研發(fā)的上引連擠法銅及銅合金接觸線制造技術(shù)具有自主知識產(chǎn)權(quán)，已被俄羅斯、西班牙、德國、瑞典等國家企業(yè)采用。采用該技術(shù)制造的接觸線產(chǎn)品機電性能優(yōu)異，在包括時速350 km高鐵在內(nèi)的電氣化鐵路推廣應(yīng)用十余年來，累計使用超過10萬條公里。近年來，應(yīng)用該技術(shù)延伸開發(fā)了可以替代銅銀合金的適用于普速、重載和時速400 km線路的新型接觸線產(chǎn)品（已向國外供貨），分別滿足鐵路不同工況運用要求，實現(xiàn)了產(chǎn)品譜系化，具有最佳技術(shù)經(jīng)濟效益。

1 銅及銅合金接觸線制造技術(shù)簡介

實際應(yīng)用的銅合金接觸線的強化機理包含固溶強化和析出強化。固溶強化型銅合金（銅銀、銅錫、銅鎂）接觸線的機電性能可滿足時速400 km及以下的各速度等級線路的運用要求，已被世界各國電氣化鐵路廣泛采用，其制造工藝簡單（無需熱處理），生產(chǎn)成本低；析出強化型銅合金（銅鉻鋯等）接觸線是一種高強高導(dǎo)銅合金接觸線，但在其制造過程中，需經(jīng)過專門的熱處理，生產(chǎn)工序復(fù)雜，控制難度大，生產(chǎn)成本高。本文主要對固溶強化型銅及銅合金接觸線制造工藝進行研究。

固溶強化型銅及銅合金接觸線的制造工藝主要有3種：連鑄熱連軋法、上引法和上引連擠法，其主要差別在于桿坯制造工藝的不同。

1.1 連鑄熱連軋法

連鑄熱連軋法工藝是將連鑄熱連軋銅桿生產(chǎn)線生產(chǎn)的桿坯經(jīng)冷加工制成接觸線。該工藝可以用于制造銅、銅銀、銅錫合金接觸線（桿坯為再結(jié)晶組織，晶粒細小，橫向晶粒尺寸約為0.015 mm，接觸線產(chǎn)品沿長度方向性能均勻，機車取流時幾乎無火花）。

該工藝的不足：（1）當(dāng)含氧量超標(biāo)（(O)＞0.04%）時，易導(dǎo)致接觸線彎曲脆性斷裂；（2）產(chǎn)品正常含氧量為0.02～0.04%，屬于低氧銅級，無法制造極易氧化的銅鎂合金桿坯；（3）一次性批量生產(chǎn)的桿坯較少時，生產(chǎn)成本較高。

1.2 上引法

采用上引法制造的接觸線桿坯含氧量(O)≤0.002%，為無氧銅級，品質(zhì)純凈，韌性好，可以用于銅、銅銀、銅錫和銅鎂合金桿坯生產(chǎn)，可適應(yīng)大、小批量的生產(chǎn)要求。

該工藝的缺點：桿坯內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)不均勻，晶粒粗大（橫向晶粒尺寸大于2.0 mm），所制成的接觸線抗拉強度偏低，且沿長度方向性能分散性大，機車通過時易出現(xiàn)火花、拉弧。

1.3 上引連擠法

上引連擠法工藝制造的接觸線桿坯兼有上述2種工藝產(chǎn)品的優(yōu)點，沒有其不足，制造的接觸線晶粒更為細?。M向晶粒尺寸小于0.008 mm），強度高，韌性好（圖1），沿長度方向性能均勻，機車取流平穩(wěn)。

圖1 不同工藝制造的銅鎂合金接觸線橫向晶粒大小比較

1.4 技術(shù)指標(biāo)比較

從技術(shù)性能方面將上引連擠法產(chǎn)品與另外2種工藝產(chǎn)品進行比較，如表1—表4所示。

表1 上引連擠法與連鑄熱連軋法產(chǎn)品性能比較（銅銀合金接觸線150 mm2）[1]

注：“耐軟化/%”為軟化后、前拉斷力之比；“反復(fù)彎曲次數(shù)”為每彎曲90°計為1次。

表2 上引連擠法與上引法產(chǎn)品性能比較（銅銀合金接觸線120 mm2）

由表1、表2可知，上引連擠法產(chǎn)品各項性能均勻高于連鑄熱連軋法和上引法的產(chǎn)品。

表3 上引連擠法與上引法產(chǎn)品拉斷力均勻性能比較（銅銀合金接觸線120 mm2） kN

試樣順序號為在同一根接觸線上連續(xù)取樣的順序。由表3可知，上引連擠法產(chǎn)品拉斷力高于上引法產(chǎn)品，標(biāo)準偏差小、性能均勻。

表4 上引連擠法與上引法產(chǎn)品性能比較（銅鎂合金接觸線）

由表4可知，上引連擠法制造的銅鎂合金接觸線機電性能遠高于歐標(biāo)[2]（鐵標(biāo)[3]）水平，上引連擠法與上引法生產(chǎn)的同規(guī)格產(chǎn)品比較：（1）導(dǎo)電率相近（69.3%IACS與69.2%IACS）時，抗拉強度高出近53 MPa；（2）抗拉強度相近（486 MPa與489 MPa）時，導(dǎo)電率高出10.2 %IACS。

2 上引連擠法工藝特點

（1）產(chǎn)品性能優(yōu)異，質(zhì)量穩(wěn)定。上引連擠法開發(fā)推廣應(yīng)用已達16年，實現(xiàn)了產(chǎn)品晶粒細化，沿長度方向性能均勻，質(zhì)量穩(wěn)定，徹底消除了國產(chǎn)上引法產(chǎn)品晶粒粗大、金相組織不均勻、取流火花大、現(xiàn)場故障多的缺陷。采用該法制造的銅鎂合金接觸線性能遠超國外同類產(chǎn)品，達到了世界領(lǐng)先水平。經(jīng)現(xiàn)場運用，故障率極低，效果良好。

采用上引連擠法制造的第一根銅銀合金接觸線于2003年在新鄭官亭提速正線投入使用，運行情況良好，機車取流平穩(wěn)，受到用戶肯定[4]。自2005年至今，產(chǎn)品累計用量超過10萬條公里（每km約1.2 t）。事實證明，上引連擠法制造的產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、工藝成熟。為保證產(chǎn)品在實際運用中的安全可靠性，企業(yè)必須嚴格執(zhí)行生產(chǎn)過程中的全面質(zhì)量管理體系，確保出廠產(chǎn)品質(zhì)量達標(biāo)。

（2）雖然采用上引連擠工藝的企業(yè)不同，但其產(chǎn)品金相組織相同，性能水平相同，質(zhì)量穩(wěn)定。上引連擠法工藝通過高溫變形及冷卻再結(jié)晶過程控制，破碎了合金的鑄態(tài)組織，實現(xiàn)了晶粒細化，提高了接觸線性能水平。相同的制造工藝確保了不同企業(yè)相同的產(chǎn)品性能。盡管企業(yè)的地域不同、進入鐵路市場時間不同、生產(chǎn)設(shè)備不同、工人操作各具特色，但均可保證產(chǎn)品內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)相同，技術(shù)指標(biāo)水平相同，性能穩(wěn)定，重現(xiàn)性好。

（3）上引連擠法為產(chǎn)品譜系化創(chuàng)造了條件。上引連擠法具有以下技術(shù)優(yōu)勢：

a.可以精確控制合金元素含量的準確性和均勻性（合金成分偏差控制在±2%以內(nèi)）；

b.可方便地變換擠壓坯桿徑大小，選擇最佳的冷加工率，通過調(diào)整工藝配置，實現(xiàn)所需產(chǎn)品機電性能的調(diào)控。

企業(yè)通過對以上2方面的調(diào)控，可以制造抗拉強度380～580 MPa，導(dǎo)電率從90%IACS到62%IACS（150 mm2）的譜系化接觸線產(chǎn)品。

3 銅合金接觸線產(chǎn)品譜系化

電氣化鐵路對接觸線的基本要求：抗拉強度高，可承受設(shè)計懸掛張力，具備足夠的安全系數(shù)，運行安全可靠；沿長度方向性能均勻（晶粒細小均勻），架線后平順性好，機車取流平穩(wěn)；具有較高的導(dǎo)電率，電能損耗低；具有最佳的運用技術(shù)經(jīng)濟效益。

固溶強化型銅合金接觸線中合金元素含量對其抗拉強度及導(dǎo)電率產(chǎn)生相反的影響，合金元素含量高可明顯提高抗拉強度，但導(dǎo)電率降低，反之亦然。冷加工率有助于提高抗拉強度，對導(dǎo)電率影響較小。

電氣化鐵路運行工況大致可分為以下4種：

（1）普速（含準高速、城軌）和重載鐵路（時速≤160 km），懸掛張力10～15 kN；

（2）客運專線（時速200～250 km），懸掛張力20～25 kN；

（3）高速鐵路（時速300～350 km），懸掛張力28.5～31.5 kN；

（4）速度更高的高速鐵路（時速約400 km），預(yù)計懸掛張力≥35 kN。

國內(nèi)許多企業(yè)為此開發(fā)了可適用于上述工況的抗拉強度與導(dǎo)電率相互匹配的譜系化銅合金接觸線產(chǎn)品，如表5所示（以150 mm2規(guī)格為例）。

表5 我國開發(fā)的高性能銅合金接觸線譜系化產(chǎn)品及與歐盟標(biāo)準的比較（150 mm2）

注：*可替代銅銀合金接觸線，歐盟標(biāo)準中沒有這一檔的銅錫合金、銅鎂合金產(chǎn)品。

4 高導(dǎo)電銅合金替代銅銀合金接觸線

本文所述的高導(dǎo)電銅合金接觸線是指微含量銅鎂（錫）合金接觸線（合金含量控制在0.1%以下），其抗拉強度高于銅銀合金接觸線，僅導(dǎo)電率略低，但價格低廉，可滿足普速、準高速、重載線路的應(yīng)用要求。按接觸線年用量（新建、改造、大修鐵路和城鐵）約4萬t計算，采用高導(dǎo)電銅合金接觸線替代銅銀合金接觸線一年可節(jié)省銀40 t，合計1.8億元。

銅銀合金和高導(dǎo)電微含量銅鎂（錫）合金接觸線每噸合金元素用量均為1 kg。單價（每kg）分別是銀4 500元，錫150元，鎂15元。每t合金中錫和鎂的用量價格都在銅價格（46 000元/t）的波動范圍之內(nèi)，幾乎可以忽略不計。

高導(dǎo)電微含量銅鎂（錫）合金接觸線的性能：

（1）抗拉強度保證值為380 MPa（銅銀合金接觸線為360 MPa）；

（2）耐軟化性能與銅銀合金接觸線相當(dāng)，均可達到90%以上；

（3）導(dǎo)電率（20℃時）保證值為90%IACS（銅銀合金接觸線為97%IACS）。

20℃時，微合金銅鎂（錫）接觸線的導(dǎo)電率（室溫導(dǎo)電率）與銅銀合金接觸線相比低7%IACS，但接觸線的工作溫度遠高于20℃（允許最高工作溫度90或150℃），此時，銅銀合金接觸線的導(dǎo)電率（工作導(dǎo)電率）已降為76.6%IACS，微合金銅鎂（錫）接觸線與其導(dǎo)電率（工作導(dǎo)電率）差僅為2%IACS左右。因此，在接觸線工作條件下，銅鎂（錫）合金接觸線與銅銀合金接觸線的導(dǎo)電率相差不大（詳見表6及圖2、圖3）。

實際運用過程中，接觸線截面積因磨耗而減小，電阻增大，載流量降低；微量銅鎂（錫）合金接觸線的抗拉強度高于銅銀合金接觸線，耐磨耗性能提高，磨耗速度減緩。

綜合以上分析，銅鎂、銅錫合金接觸線與銅銀合金接觸線相比，其直流電阻、載流量的差值更小，即電能消耗差值微不足道，而使用壽命更長，且為國家節(jié)省貴金屬銀，具備最佳的技術(shù)經(jīng)濟效益。

表6 銅銀、銅微鎂（錫）合金接觸線在不同工作溫度下的直流電阻、載流量

圖2 工作條件下直流電阻比較

圖3 工作條件下載流量比較

5 在時速400 km線路的運用要求

下文討論超高強度銅鎂合金接觸線在時速400 km線路的運用要求。

5.1 產(chǎn)品性能

如前文所述，采用上引連擠法調(diào)整鎂含量及冷加工率，可以制造抗拉強度560 MPa以上，導(dǎo)電率62% IACS以上的超高強度銅鎂合金接觸線（規(guī)格150 mm2），以滿足時速400 km線路的運用要求。歐盟標(biāo)準最高值為強度470 MPa，導(dǎo)電率62%IACS。

表7列出多家企業(yè)在2012—2015年期間生產(chǎn)供貨或試制的產(chǎn)品性能（經(jīng)中鐵認證中心檢驗站檢測）。其中，康遠新材料有限公司2013年向韓國西部湖南高速線五松光州間時速400 km，長56 km試驗區(qū)段提供150 mm2銅鎂合金接觸線107 t，該試驗段已于2015年開通。韓方要求指標(biāo)為抗拉強度533 MPa，導(dǎo)電率70% IACS，實際值為553 MPa和71.1% IACS。

表7 多家企業(yè)開發(fā)生產(chǎn)的高強度高導(dǎo)電銅鎂合金接觸線（150 mm2）產(chǎn)品性能

由表7可得出：當(dāng)抗拉強度為550 MPa時，導(dǎo)電率可達到68% IACS以上；當(dāng)抗拉強度為 560 MPa時，導(dǎo)電率可達到66%IACS以上；當(dāng)抗拉強度為580 MPa時，導(dǎo)電率可達到63% IACS以上?？紤]批量生產(chǎn)需留出足夠裕度，保證值可確定為抗拉強度560 MPa，導(dǎo)電率62% IACS。

5.2 運用中的關(guān)鍵參數(shù)

表8列出超高強度銅鎂合金接觸線應(yīng)用于時速400 km線路時的關(guān)鍵參數(shù)（懸掛張力、波動傳播系數(shù)值、安全系數(shù)）及與國內(nèi)外運用的接觸線關(guān)鍵參數(shù)對比。由表8可知，在懸掛張力35、37、39 kN時的值和安全系數(shù)都在可控范圍內(nèi)。

表8 超高強度銅鎂合金接觸線與國內(nèi)外高速接觸網(wǎng)中應(yīng)用的接觸線關(guān)鍵參數(shù)對比[5]

注：=列車運行速度/接觸線波動傳播速度；安全系數(shù)=接觸線抗拉強度×接觸線標(biāo)稱截面積×0.8/（懸掛張力×1.05）；CuMg-I、CuMg-II、CuMg-III抗拉強度分別為510、530、560 MPa的銅鎂合金接觸線。

5.3 導(dǎo)電率的影響

對于高強高導(dǎo)析出強化型銅鉻鋯合金接觸線，我國不少企業(yè)在進行研制開發(fā)，部分企業(yè)的產(chǎn)品已在多條鐵路上進行了長時間運行試驗，尚待正式批量生產(chǎn)和采用考驗。其制造工藝復(fù)雜，需要2次熱處理和2次冷加工，控制難度大，生產(chǎn)成本較高。

超高強度銅鎂合金接觸線的導(dǎo)電率為62% IACS，與現(xiàn)行歐標(biāo)銅鎂合金線相同，但比銅鉻鋯合金接觸線的75% IACS低13% IACS。

德國開發(fā)Re330接觸網(wǎng)時，在世界上首次提出用導(dǎo)電率62% IACS的銅鎂合金接觸線替代導(dǎo)電率97% IACS的銅銀合金接觸線，降低值達到35% IACS，但抗拉強度（120 mm2）可以從銅銀合金接觸線的360 MPa提高到銅鎂合金接觸線的 490 MPa，主要考慮的是抗拉強度對接觸網(wǎng)工作狀態(tài)的影響[6]。

我國的鐵路供電系統(tǒng)及具體線路設(shè)計條件與德國不同，對于接觸線抗拉強度及導(dǎo)電率的要求可能不同，技術(shù)經(jīng)濟效益的綜合考慮也不同。本文述及的超高強度銅鎂合金接觸線可應(yīng)用于時速 400 km電氣化鐵路的設(shè)想，可為設(shè)計單位和建設(shè)單位對接觸線的選材提供一種方案。

6 結(jié)語

我國自主創(chuàng)新的上引連擠接觸線制造工藝使我國固溶強化型銅合金接觸線技術(shù)穩(wěn)居國際領(lǐng)先水平多年；上引連擠技術(shù)的發(fā)展又促成了銅合金接觸線產(chǎn)品譜系化，可滿足鐵路運輸各工況要求，具有良好的技術(shù)經(jīng)濟效益?；谏弦B擠技術(shù)的進步，微合金化的高導(dǎo)電銅鎂（錫）合金接觸線可逐步替代銅銀合金接觸線，節(jié)省了貴金屬銀，也可在城市軌道交通中推廣應(yīng)用。超高強度銅鎂合金接觸線為時速400 km電氣化鐵路接觸線的選材提供了有利補充。

[1] 賈永軍，李維源. 銅及銅合金接觸線制造新工藝[J]. 接觸線制造新工藝技術(shù)交流會論文集，2005.

[2] EN50149：2012 Railway applications - Fixed installations - Electric traction - Copper and copper alloy grooved contact wires.

[3] 中華人民共和國鐵道部. TB/T2809-2005 電氣化鐵道用銅及銅合金接觸線[S]. 北京：中國鐵道出版社會，2005.

[4] 鄭州供電段. 連續(xù)擠壓、拉拔銅銀合金接觸線現(xiàn)場試運行報告[J]. 接觸線制造新工藝技術(shù)交流會論文集，2005.

[5] 錢立新. 世界高速鐵路技術(shù)[M]. 北京：中國鐵道出版社，2003.

[6] 門漢文. 德國鐵路新開發(fā)的Re型高速接觸網(wǎng)[R]. 國外高速鐵路接觸網(wǎng)（專題調(diào)研報告），鐵道部電化局科技中心，1998.

On the basis of introduction of copper and copper alloy contact wire manufacturing technologies, the upward continuous extruding method and product spectrum of copper alloy contact wire have been illustrated, and the application analysis of the high conductive copper alloy contact wire manufactured by upward continuous extruding method has been made so as to popularize its application.

OCS; copper alloy contact wire; upward continuous extruding method; product spectrum

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.03.022

U225.4+1

B

1007-936X(2018)03-0070-06

2017-07-26

張 強.中國鐵道科學(xué)研究院，研究員。