铜合金接触线的研究现状

铜合金接触线的研究现状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,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]。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[10～14]。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[16～19]。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[4,8,20～23]。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Cu2Ag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200km·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200km·h-1以下的接触网中。现在法国在时速为300～350km·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360.8MPa和70%IACS[3]。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≥550MPa;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55515MPa和7818%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。(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330km·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503MPa和70%I2ACS。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。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1500m(重1500kg)的接触线。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Φ30mm的上引杆冷轧成Φ16.4mm,再拉拔成截面积为120mm2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、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:30mm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]。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100t,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Cu2Ag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。