銅合金接觸線的生產工藝現狀范文

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[摘要]簡要介紹了銅合金接觸線產品的分類、需求現狀及趨勢，重點闡述了銅合金接觸線工藝的生產現狀，根據目前市場對銅合金接觸線產品性能的要求，和連續化生產的發展趨勢，連鑄連軋法和連續擠壓法是未來銅合金接觸線加工工藝主要的發展方向。

[關鍵詞]接觸線；加工工藝；現狀；發展趨勢

2004年國務院通過了《中長期鐵路網規劃》，預計到2020年，全國鐵路運營里程將達到120km，在主要繁忙的干線實現客貨分線，電化率和復線率將達到60％，鐵路運輸能力滿足國民經濟和社會發展的需要，主要技術裝備水平達到或接近國際先進水平。隨著我國電氣化鐵路和高速鐵路建設進程的加快，接觸線作為電氣化接觸網的主體，其需求也將迅速增加。接觸線除了具有廣闊的國內市場外，只要產品質量能夠達到或超過國外先進水平，那么借助我國的人力、物力成本方面的優勢，憑借產品優良的性價比，國產接觸線將在國際市場的競爭中占據一席之地[1]。

1銅合金接觸線的發展現狀及趨勢

隨著電氣化鐵路向高速重載方向發展，接觸線性能需具備更好的抗軟化性、強度和耐磨性。最早使用的純銅接觸導線的導電率＞96%IACS，其強度偏低，特別是高溫時強度更低，大載荷電流通過產生熱效應作用時，強度衰減尤為顯著。因此，純銅接觸線已不能滿足高速重載的需要。目前，常用的銅合金接觸線產品主要為銅—銀合金接觸線、銅—錫合金接觸線、銅—鎂合金接觸線、銅—鉻—鋯合金接觸線等。

1）銅-銀合金接觸線

銅-銀合金接觸線成為目前電氣化鐵路建設的主流產品，因其具有高溫時強度較高以及載流能力較大等特點，解決了純銅接觸線高溫強度低的問題。但其強化效果不突出，還不能應用于高速鐵路線中。德國在研制的Re-250型接觸網中使用該接觸線，其可達到250km/h[2]，國產的銅—銀合金接觸線的性能水平已接近國外水平。

2）銅—錫合金接觸線

銅—錫合金接觸線將是中、高速電氣化鐵道接觸線的首選材料。因其具有較高的抗拉強度、耐高溫的軟化性能和良好的導電性能，取流滑板與接觸線之間的接觸電阻小，產生的焦耳熱小，從而改善了取流質量。目前，日本新干線使用的接觸線主要是銅錫合金接觸線。除了日本和法國采用銅—錫合金接觸線，我國臺灣、英國和澳大利亞也在使用這種接觸線。由于銅錫合金接觸線具有更高的抗拉強度，更好的耐磨耗性能，所以在國內銅錫合金接觸線會逐步替代銅—銀合金接觸線成為提速線路的主導產品。

3）銅—鎂合金接觸線

銅—鎂合金接觸線具有強度高等優點，其強度可達500MPa能滿足列車高速行駛的要求，這為應用于高速鐵路線上奠定了基礎。但該接觸線的導電性差，只有62.1%IACS，且存在銅—鎂合金難熔煉和鑄造等問題，制備技術和設備的要求高。目前國內采用上引—擠壓法開發出該接觸線，但鎂是活潑、易燒損的元素，因此控制鎂的燒損是保證銅—鎂合金成分均勻的關鍵。目前歐洲已采用不同爐型和上引連鑄法生產出這種接觸線，并在高速列車線路上試用。

4）銅包鋼接觸線

銅包鋼接觸線是一種具有高強度、高導電性和抗軟化性能好等特點的異型線材。該接觸線是在鋼線外包覆紫銅的包覆技術制備而成的。銅包鋼接觸線的抗拉強度和導電率分別控制在450～490MPa和60%～80%IACS。但是由于大截面銅包鋼接觸線的線密度大，限制了加大懸掛張力來提高波動傳播速度產生的效果。該接觸線具有加工較困難，成形工藝較復雜，成本高等問題，限制了該接觸線的大范圍應用。目前，僅有日本的鐵路線采用該種接觸線[3]。

5）銅—鉻—鋯合金接觸線

銅—鉻—鋯合金接觸線是一種熱處理強化型的銅合金產品，其抗拉強度和導電率分別為550MPa和78%IACS左右，適用于速度更高的鐵路運輸。雖然我國很早就生產和應用該合金做的部件，但金屬鉻和鋯在高溫熔煉鑄造條件下極易揮發氧化，要實現大規模生產連續大長度無接頭接觸線，需要增加大型的熱處理設備用于開發其連續生產工藝。

目前，國內200km/h以下的電氣化鐵路和城市地鐵、軌道交通采用銅—銀合金接觸線；在200～250km/h的客運專線采用了銅—錫合金接觸線；250～350km/h的客運專線采用高強銅錫合金接觸線（CTSH）和銅—鎂合金接觸線；而對于350km/h以上的高速列車，其接觸線性能有更高的要求，主要采用銅—鉻—鋯合金接觸線。在德國，在250km/h以下的電氣化鐵路采用銅—銀接觸線，300km/h以上的電氣化鐵路采用銅—鎂接觸線。在法國，300km/h以上的電氣化鐵路采用銅—鎂接觸線和銅-錫接觸線。在日本，各種不同時速的電氣化鐵路采用不同性能等級的銅-錫合金接觸線。而現有的我國產品還不能勝任高速電氣化鐵路的需求，需從德國、法國等進口，且進口產品價格高。電氣化鐵路發展方向是高效快捷、環保節能，而接觸線在高速電氣化鐵路發展上起著舉足輕重的作用，為此開發有與之相匹配高速接觸線十分必要。高速電氣化鐵路接觸線主要有銅—銀、銅—錫、銅—鎂合金、銅包鋼和銅—鉻—鋯合金接觸線等種類，而能滿足性能要求最理想的產品是銅包鋼接觸線，銅包鋼接觸線也是架空導線發展方向之一，但它是復合線材，加工方法較復雜，技術要求較高，成本較高，短時間內很難產業化。為勝任高速鐵路運行的需要，開發微合金化銅合金產品，經過合理的形變處理或熱處理即可獲得高強度、導電性好的銅合金接觸線。因此，業界廣泛關注高強度、高導電性、易成形、高耐磨的銅合金接觸線的開發，也是目前接觸線最切合實際應用的研發方向[4]。

2銅合金接觸線的生產工藝現狀

目前，銅合金接觸線是電氣化鐵路接觸網最重要的材料之一，不同合金接觸線產品的制備和加工工藝是不同的，現將其熔煉技術及加工工藝介紹如下。

2.1接觸線的熔煉技術

純銅接觸線、銅合金接觸線和復合接觸線的熔煉技術有兩種：真空熔煉技術和非真空熔煉技術。有些金屬（如鉻、鋯等）在熔煉和鑄造過程中極易氧化揮發，需綜合考慮因素選擇合適的熔煉技術。分析兩種熔煉技術的優缺點如下：

1）真空熔煉技術

銅合金材料，是以銅為基，添加金屬鉻、鋯、錫和鎂等，由于金屬鉻和鋯在高溫熔煉鑄造條件下與氧的親和力極強，極易揮發氧化，因而難度較大。一般情況下需采用真空熔煉和鑄造的方法，以減少氧化和揮發，保證產品最終具有符合要求的化學成分。但是由于真空感應電爐所特有的結構，真空熔煉存在如下問題：

（1）由于真空爐熔煉過程中，需要很高的真空度，對爐體的密封性要求很高，熔煉時，不能進行成分測量、成分調整和扒渣等操作。因此，對原料的成分和雜質含量要求很高；

（2）真空熔煉一般不會采用快速冷卻的方法，一般鑄錠晶體粗化，在變形工藝中，很容易出現裂紋，降低了鑄錠成品率；

（3）真空爐本身的不連續操作，使其只能進行小規模生產，不能進行連續化大規模生產，生產效率低，限制了其產業化前景；

（4）設備投資大。

2）非真空熔煉技術

由于真空熔煉成本高、產量小，使得銅合金的非真空熔煉技術在企業中的需求很大，且此種技術非常成熟，也是企業建立連續化工業生產的前提。銅液在保護性氣體氛圍中熔煉，可使其融化時處于微氧化的氣氛中，可以有效地排除空氣，從而有效地減少熔體的吸氣。特別是金屬鉻和鋯等，極易氧化，需采取相應的措施，如釆用的覆蓋劑為木炭等，Cr和Zr以中間合金的形式加入，有效的防止的Cr和Zr的氧化。從而得到性能水平高的銅—鉻—鋯合金材料，達到降低成本、進行連續化工業生產的目的。

2.2接觸線的加工工藝

國內外生產接觸線的生產方式主要有3種，即上引連鑄—冷軋法、上引連鑄—連續擠壓法和連鑄連軋—拉拔法，各工藝生產特點如下。

2.2.1上引連鑄—冷軋法該生產方法的主要優勢：

1）產品表面光亮，含氧量可控制在10×10-6以下，導電率高；

2）設備操作簡單，勞動定員少；

3）設備占地面積小，一次性投資少；

4）設備結構簡單，消耗件少，維護費用較低。

不足的地方：

1）常溫下對上引桿軋制和拉拔時，并不能改善內部組織，拉拔后產品斷面組織晶粒粗大，有未完全破碎的鑄造組織；

2）鑄造組織的殘余應力，可使接觸線架設后沿其長度方向有許多不規則的微小波浪彎，高速機車通過時會產生連續的離線火花，降低了取流質量，同時也減少了接觸線自身的壽命。

2.2.2上引連鑄—連續擠壓法

連續擠壓是1972年由英國原子能工業局推出的一種塑性加工新方法，經過不斷的完善和提高，連續擠壓在工業領域的應用得到了進一步的擴展。實踐證明，與傳統軋制生產工藝相比，連續擠壓生產接觸線具有一系列優點。將上引法生產的銅桿，送入連續擠壓機，產生擠壓變形，通過冷卻和防氧化系統，經固溶淬火時效工藝后，送入接觸線拉絲機，然后由收線卷取成盤，剪切前可檢測產品長度或重量，檢驗包裝后入庫。該生產方法的主要優勢是：

1）熔煉和連續鑄造過程都是在隔絕空氣的條件下進行，生產的鑄桿質量好、夾雜物非常少、含氧量非常低；

2）爐子容量小，拆爐、洗爐成本低，生產銅合金品種比較靈活，可達到多品種小批量的生產要求；

3）工藝簡單。連續擠壓是依靠旋轉的擠壓輪對坯料的直接摩擦產生的，其操作可不受最大行程的限制，可不間斷地連續生產；

4）坯料無須連續加熱。連續擠壓是通過坯料與進料導板的摩擦生熱產生金屬變形時所需的變形溫度，銅合金在變形時的溫度最高可達800～850℃，因此無須加熱，可降低60％的能耗；

5）變形金屬受力狀態好，組織致密。在連續擠壓過程中坯料處于三向壓應力狀態，有利于消除鑄造缺陷，提高金屬的塑性，且發生再結晶，改善組織，晶粒細化，從而改善了其機械性能和電性能；

6）產品規格多。同一種直徑的桿坯既可以生產比桿坯截面還小的產品，也可以生產比桿坯截面更大的產品，從而滿足不同截面積產品的需要。

2.2.3連鑄連軋—拉拔

將銅-錫合金接觸線坯送入接觸線拉絲機，拉拔成形，收線卷取成盤，剪切前可檢測產品長度或重量，檢驗包裝后入庫。該生產方法的主要優勢是[5]：

1）產量大，年產規模可達300kt以上；

2）能耗低，鑄坯直接進行熱軋，無需二次加熱；

3）環保，使用異丙醇溶液對銅桿進行冷卻清洗，使其表面光亮，無污染；

4）產品質量好，質量穩定，機械性能優異，可滿足多頭高速拉絲機的要求。

不足之處：

1）生產過程不易控制，產品氧含量較高，韌性降低。

2）適合生產銅和不易氧化的銅合金產品（如銅—銀合金產品，銅—錫合金產品），而鎂和鋯元素極易氧化，故不適合生產銅—鎂合金產品和銅—鉻—鋯合金產品。開發高強度高導電銅合金新產品是促進高速鐵路配套材料的國產化起著非常重要的意義，有非常顯著的經濟效益和社會效益。隨著科學技術的發展，生產技術的日趨成熟，生產工藝的不斷完善，接觸線產品的開發的方向是各項性能相對較好的銅—鉻—鋯合金類型。

目前我國高速電氣化鐵路用接觸線大部分依靠進口，為了滿足高速電氣化鐵路的發展需要，開發新型的銅—鉻—鋯接觸線是必要且可行的。我國電力機車接觸線制造技術相對落后，在銅合金熔體潔凈化處理和連鑄成形兩個關鍵工序上，缺乏有效手段，大大影響了最終產品性能。綜合考慮產品的最終性能和大規模連續化生產的要求，連鑄連軋法和連續擠壓法是未來銅合金接觸線加工工藝主要的發展方向[6]。

3結束語

銅合金接觸線需具備優良的綜合力學性能，使用壽命長，抗事故能力強，大修周期延長，能節省大修投資，減少大修帶來運輸干擾影響。滿足機械性能要求，提高導電率是銅合金接觸線發展的方向。持續載流量的增加，既可創造更高的運輸經濟效益，又提高了項目的投入產出效果。且新型銅合金接觸線的生產要求工藝流程短，加工成本低，生產節能環保，經濟效益好[7]。Cu-Sn系、Cu-Mg系、Cu-Cr-Zr系合金以及多元微合金化銅合金是適用于中高速鐵路架空用接觸線的主要材料，Cu-Cr-Zr系適合于高速鐵路架空用接觸線。我國高速鐵路的發展及其市場前景非常廣闊，有利于將其研究與產業化推廣，也必將成為我國今后高速電氣化鐵道用架空導線的發展趨勢。

參考文獻

［1］慕思國.高強高導Cu-Cr-Zr系合金制備新工藝及理論研究［D］.長沙：中南大學，2008.

［2］趙大軍，唐麗，管桂生.我國電氣化鐵道用接觸線的現狀和發展趨勢［J］.鐵道機車車輛，2008（5）：74-77.

［3］支海軍，徐玉松，陸敏松等.高速電氣化鐵道用銅錫合金接觸線成形工藝的確定［J］.機械工程材料，2011，35（10）：76-79.

［4］李明茂，楊斌,王智祥.高強高導CuCrZr合金熔煉技術研究［J］.特種鑄造及有色合金，2005，25（4）：252-253.

［5］熊霞.銅桿線的生產現狀及發展趨勢［J］.有色冶金設計與研究，2014（3）：24-26.

［6］吳予才.高速鐵路用銅合金接觸網導線及銅扁線的產業化研究［D］.北京：北京有色金屬研究總院，2011.

［7］吳朋越，謝水生，黃國杰.高速列車用銅合金接觸線用材料及其加工工藝［J］.稀有金屬，2006，30（2）：203-206.

作者：張襯新 單位：中國瑞林工程技術有限公司