铜合金接触线的生产工艺现状范文

[摘要]简要介绍了铜合金接触线产品的分类、需求现状及趋势，重点阐述了铜合金接触线工艺的生产现状，根据目前市场对铜合金接触线产品性能的要求，和连续化生产的发展趋势，连铸连轧法和连续挤压法是未来铜合金接触线加工工艺主要的发展方向。

[关键词]接触线；加工工艺；现状；发展趋势

2004年国务院通过了《中长期铁路网规划》，预计到2020年，全国铁路运营里程将达到120km，在主要繁忙的干线实现客货分线，电化率和复线率将达到60％，铁路运输能力满足国民经济和社会发展的需要，主要技术装备水平达到或接近国际先进水平。随着我国电气化铁路和高速铁路建设进程的加快，接触线作为电气化接触网的主体，其需求也将迅速增加。接触线除了具有广阔的国内市场外，只要产品质量能够达到或超过国外先进水平，那么借助我国的人力、物力成本方面的优势，凭借产品优良的性价比，国产接触线将在国际市场的竞争中占据一席之地[1]。

1铜合金接触线的发展现状及趋势

随着电气化铁路向高速重载方向发展，接触线性能需具备更好的抗软化性、强度和耐磨性。最早使用的纯铜接触导线的导电率＞96%IACS，其强度偏低，特别是高温时强度更低，大载荷电流通过产生热效应作用时，强度衰减尤为显著。因此，纯铜接触线已不能满足高速重载的需要。目前，常用的铜合金接触线产品主要为铜—银合金接触线、铜—锡合金接触线、铜—镁合金接触线、铜—铬—锆合金接触线等。

1）铜-银合金接触线

铜-银合金接触线成为目前电气化铁路建设的主流产品，因其具有高温时强度较高以及载流能力较大等特点，解决了纯铜接触线高温强度低的问题。但其强化效果不突出，还不能应用于高速铁路线中。德国在研制的Re-250型接触网中使用该接触线，其可达到250km/h[2]，国产的铜—银合金接触线的性能水平已接近国外水平。

2）铜—锡合金接触线

铜—锡合金接触线将是中、高速电气化铁道接触线的首选材料。因其具有较高的抗拉强度、耐高温的软化性能和良好的导电性能，取流滑板与接触线之间的接触电阻小，产生的焦耳热小，从而改善了取流质量。目前，日本新干线使用的接触线主要是铜锡合金接触线。除了日本和法国采用铜—锡合金接触线，我国台湾、英国和澳大利亚也在使用这种接触线。由于铜锡合金接触线具有更高的抗拉强度，更好的耐磨耗性能，所以在国内铜锡合金接触线会逐步替代铜—银合金接触线成为提速线路的主导产品。

3）铜—镁合金接触线

铜—镁合金接触线具有强度高等优点，其强度可达500MPa能满足列车高速行驶的要求，这为应用于高速铁路线上奠定了基础。但该接触线的导电性差，只有62.1%IACS，且存在铜—镁合金难熔炼和铸造等问题，制备技术和设备的要求高。目前国内采用上引—挤压法开发出该接触线，但镁是活泼、易烧损的元素，因此控制镁的烧损是保证铜—镁合金成分均匀的关键。目前欧洲已采用不同炉型和上引连铸法生产出这种接触线，并在高速列车线路上试用。

4）铜包钢接触线

铜包钢接触线是一种具有高强度、高导电性和抗软化性能好等特点的异型线材。该接触线是在钢线外包覆紫铜的包覆技术制备而成的。铜包钢接触线的抗拉强度和导电率分别控制在450～490MPa和60%～80%IACS。但是由于大截面铜包钢接触线的线密度大，限制了加大悬挂张力来提高波动传播速度产生的效果。该接触线具有加工较困难，成形工艺较复杂，成本高等问题，限制了该接触线的大范围应用。目前，仅有日本的铁路线采用该种接触线[3]。

5）铜—铬—锆合金接触线

铜—铬—锆合金接触线是一种热处理强化型的铜合金产品，其抗拉强度和导电率分别为550MPa和78%IACS左右，适用于速度更高的铁路运输。虽然我国很早就生产和应用该合金做的部件，但金属铬和锆在高温熔炼铸造条件下极易挥发氧化，要实现大规模生产连续大长度无接头接触线，需要增加大型的热处理设备用于开发其连续生产工艺。

目前，国内200km/h以下的电气化铁路和城市地铁、轨道交通采用铜—银合金接触线；在200～250km/h的客运专线采用了铜—锡合金接触线；250～350km/h的客运专线采用高强铜锡合金接触线（CTSH）和铜—镁合金接触线；而对于350km/h以上的高速列车，其接触线性能有更高的要求，主要采用铜—铬—锆合金接触线。在德国，在250km/h以下的电气化铁路采用铜—银接触线，300km/h以上的电气化铁路采用铜—镁接触线。在法国，300km/h以上的电气化铁路采用铜—镁接触线和铜-锡接触线。在日本，各种不同时速的电气化铁路采用不同性能等级的铜-锡合金接触线。而现有的我国产品还不能胜任高速电气化铁路的需求，需从德国、法国等进口，且进口产品价格高。电气化铁路发展方向是高效快捷、环保节能，而接触线在高速电气化铁路发展上起着举足轻重的作用，为此开发有与之相匹配高速接触线十分必要。高速电气化铁路接触线主要有铜—银、铜—锡、铜—镁合金、铜包钢和铜—铬—锆合金接触线等种类，而能满足性能要求最理想的产品是铜包钢接触线，铜包钢接触线也是架空导线发展方向之一，但它是复合线材，加工方法较复杂，技术要求较高，成本较高，短时间内很难产业化。为胜任高速铁路运行的需要，开发微合金化铜合金产品，经过合理的形变处理或热处理即可获得高强度、导电性好的铜合金接触线。因此，业界广泛关注高强度、高导电性、易成形、高耐磨的铜合金接触线的开发，也是目前接触线最切合实际应用的研发方向[4]。

2铜合金接触线的生产工艺现状

目前，铜合金接触线是电气化铁路接触网最重要的材料之一，不同合金接触线产品的制备和加工工艺是不同的，现将其熔炼技术及加工工艺介绍如下。

2.1接触线的熔炼技术

纯铜接触线、铜合金接触线和复合接触线的熔炼技术有两种：真空熔炼技术和非真空熔炼技术。有些金属（如铬、锆等）在熔炼和铸造过程中极易氧化挥发，需综合考虑因素选择合适的熔炼技术。分析两种熔炼技术的优缺点如下：

1）真空熔炼技术

铜合金材料，是以铜为基，添加金属铬、锆、锡和镁等，由于金属铬和锆在高温熔炼铸造条件下与氧的亲和力极强，极易挥发氧化，因而难度较大。一般情况下需采用真空熔炼和铸造的方法，以减少氧化和挥发，保证产品最终具有符合要求的化学成分。但是由于真空感应电炉所特有的结构，真空熔炼存在如下问题：

（1）由于真空炉熔炼过程中，需要很高的真空度，对炉体的密封性要求很高，熔炼时，不能进行成分测量、成分调整和扒渣等操作。因此，对原料的成分和杂质含量要求很高；

（2）真空熔炼一般不会采用快速冷却的方法，一般铸锭晶体粗化，在变形工艺中，很容易出现裂纹，降低了铸锭成品率；

（3）真空炉本身的不连续操作，使其只能进行小规模生产，不能进行连续化大规模生产，生产效率低，限制了其产业化前景；

（4）设备投资大。

2）非真空熔炼技术

由于真空熔炼成本高、产量小，使得铜合金的非真空熔炼技术在企业中的需求很大，且此种技术非常成熟，也是企业建立连续化工业生产的前提。铜液在保护性气体氛围中熔炼，可使其融化时处于微氧化的气氛中，可以有效地排除空气，从而有效地减少熔体的吸气。特别是金属铬和锆等，极易氧化，需采取相应的措施，如釆用的覆盖剂为木炭等，Cr和Zr以中间合金的形式加入，有效的防止的Cr和Zr的氧化。从而得到性能水平高的铜—铬—锆合金材料，达到降低成本、进行连续化工业生产的目的。

2.2接触线的加工工艺

国内外生产接触线的生产方式主要有3种，即上引连铸—冷轧法、上引连铸—连续挤压法和连铸连轧—拉拔法，各工艺生产特点如下。

2.2.1上引连铸—冷轧法该生产方法的主要优势：

1）产品表面光亮，含氧量可控制在10×10-6以下，导电率高；

2）设备操作简单，劳动定员少；

3）设备占地面积小，一次性投资少；

4）设备结构简单，消耗件少，维护费用较低。

不足的地方：

1）常温下对上引杆轧制和拉拔时，并不能改善内部组织，拉拔后产品断面组织晶粒粗大，有未完全破碎的铸造组织；

2）铸造组织的残余应力，可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，高速机车通过时会产生连续的离线火花，降低了取流质量，同时也减少了接触线自身的寿命。

2.2.2上引连铸—连续挤压法

连续挤压是1972年由英国原子能工业局推出的一种塑性加工新方法，经过不断的完善和提高，连续挤压在工业领域的应用得到了进一步的扩展。实践证明，与传统轧制生产工艺相比，连续挤压生产接触线具有一系列优点。将上引法生产的铜杆，送入连续挤压机，产生挤压变形，通过冷却和防氧化系统，经固溶淬火时效工艺后，送入接触线拉丝机，然后由收线卷取成盘，剪切前可检测产品长度或重量，检验包装后入库。该生产方法的主要优势是：

1）熔炼和连续铸造过程都是在隔绝空气的条件下进行，生产的铸杆质量好、夹杂物非常少、含氧量非常低；

2）炉子容量小，拆炉、洗炉成本低，生产铜合金品种比较灵活，可达到多品种小批量的生产要求；

3）工艺简单。连续挤压是依靠旋转的挤压轮对坯料的直接摩擦产生的，其操作可不受最大行程的限制，可不间断地连续生产；

4）坯料无须连续加热。连续挤压是通过坯料与进料导板的摩擦生热产生金属变形时所需的变形温度，铜合金在变形时的温度最高可达800～850℃，因此无须加热，可降低60％的能耗；

5）变形金属受力状态好，组织致密。在连续挤压过程中坯料处于三向压应力状态，有利于消除铸造缺陷，提高金属的塑性，且发生再结晶，改善组织，晶粒细化，从而改善了其机械性能和电性能；

6）产品规格多。同一种直径的杆坯既可以生产比杆坯截面还小的产品，也可以生产比杆坯截面更大的产品，从而满足不同截面积产品的需要。

2.2.3连铸连轧—拉拔

将铜-锡合金接触线坯送入接触线拉丝机，拉拔成形，收线卷取成盘，剪切前可检测产品长度或重量，检验包装后入库。该生产方法的主要优势是[5]：

1）产量大，年产规模可达300kt以上；

2）能耗低，铸坯直接进行热轧，无需二次加热；

3）环保，使用异丙醇溶液对铜杆进行冷却清洗，使其表面光亮，无污染；

4）产品质量好，质量稳定，机械性能优异，可满足多头高速拉丝机的要求。

不足之处：

1）生产过程不易控制，产品氧含量较高，韧性降低。

2）适合生产铜和不易氧化的铜合金产品（如铜—银合金产品，铜—锡合金产品），而镁和锆元素极易氧化，故不适合生产铜—镁合金产品和铜—铬—锆合金产品。开发高强度高导电铜合金新产品是促进高速铁路配套材料的国产化起着非常重要的意义，有非常显著的经济效益和社会效益。随着科学技术的发展，生产技术的日趋成熟，生产工艺的不断完善，接触线产品的开发的方向是各项性能相对较好的铜—铬—锆合金类型。

目前我国高速电气化铁路用接触线大部分依靠进口，为了满足高速电气化铁路的发展需要，开发新型的铜—铬—锆接触线是必要且可行的。我国电力机车接触线制造技术相对落后，在铜合金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未来铜合金接触线加工工艺主要的发展方向[6]。

3结束语

铜合金接触线需具备优良的综合力学性能，使用寿命长，抗事故能力强，大修周期延长，能节省大修投资，减少大修带来运输干扰影响。满足机械性能要求，提高导电率是铜合金接触线发展的方向。持续载流量的增加，既可创造更高的运输经济效益，又提高了项目的投入产出效果。且新型铜合金接触线的生产要求工艺流程短，加工成本低，生产节能环保，经济效益好[7]。Cu-Sn系、Cu-Mg系、Cu-Cr-Zr系合金以及多元微合金化铜合金是适用于中高速铁路架空用接触线的主要材料，Cu-Cr-Zr系适合于高速铁路架空用接触线。我国高速铁路的发展及其市场前景非常广阔，有利于将其研究与产业化推广，也必将成为我国今后高速电气化铁道用架空导线的发展趋势。

参考文献

［1］慕思国.高强高导Cu-Cr-Zr系合金制备新工艺及理论研究［D］.长沙：中南大学，2008.

［2］赵大军，唐丽，管桂生.我国电气化铁道用接触线的现状和发展趋势［J］.铁道机车车辆，2008（5）：74-77.

［3］支海军，徐玉松，陆敏松等.高速电气化铁道用铜锡合金接触线成形工艺的确定［J］.机械工程材料，2011，35（10）：76-79.

［4］李明茂，杨斌,王智祥.高强高导CuCrZr合金熔炼技术研究［J］.特种铸造及有色合金，2005，25（4）：252-253.

［5］熊霞.铜杆线的生产现状及发展趋势［J］.有色冶金设计与研究，2014（3）：24-26.

［6］吴予才.高速铁路用铜合金接触网导线及铜扁线的产业化研究［D］.北京：北京有色金属研究总院，2011.

［7］吴朋越，谢水生，黄国杰.高速列车用铜合金接触线用材料及其加工工艺［J］.稀有金属，2006，30（2）：203-206.

作者：张衬新 单位：中国瑞林工程技术有限公司