新一代国产化高速铁路接触线的研究与开发_

性能和导电性
Table 1 Machanical properties and conductiveity of
3 国内对时效强化型铜合金接触线的
研究
高强度和高导电始终是接触线性能要求的重要 指标，而对于铜合金接触线，长期以来一直存在着高 强度与高导电率之间的矛盾，在各种制备材料的方法 中,而只有利用时效析出强化则可以使铜合金的强度 和导电性达到较好的结合。
时效强化一般是采用低固溶度的合金元素加入 铜中，通过高温固溶处理，合金元素在铜中形成过饱 和固溶体，造成铜晶格严重畸变，而使强度大大提高， 导电性恶化。经时效处理后，大部分合金元素又从固 溶体中析出，形成弥散分布的沉淀相，从而又使合金 的导电率迅速提高，而这些弥散相有效地阻止了晶界 和位错的移动，因而仍保持较高的强度。在时效强化 铜合金方面，国内研究有明显优势的单位有北京有色
出强化则可以使铜合金的强度和导电性达到较好的 结合。
到目前为止,世界各国所开发出来的接触线材均 满足不了高速铁路的发展对接触线材料的要求[9]，而 我国高速电气化铁路，准高速电气化铁路正在迅速发 展，显然接触线有着很大的国内外市场。因此，必须 尽快地在高起点、高质量的基点上进行新一代国产化 接触线的研究与开发。
雷静果 等：新一代国产化高速铁路接触线的研究与开发
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新一代国产化高速铁路接触线的研究与开发*
∗
雷静果 1,2，刘 平 2，赵冬梅 2，井晓天 1，郅 晓 3
(1. 西安理工大学 材料科学与工程学院，陕西 西安 710048; 2. 河南科技大学 材料科学与工程学院，河南 洛阳 471003; 3. 中国洛阳浮法玻璃集团有限责任公司，河南 洛阳 471000)
（2）铜包钢接触线 GT-CS110 和 GT-CSD-110 铜包钢接触线是由日本采用浸涂法研究开发的新产 品,拟在时速 300km 的高速接触网中使用，目前已进 入试运行阶段，并达到了预期的效果。这两种接触线 通过调整铜、钢面积之比，以获得不同的强度和电导 率供工程设计选择和试用。前者的抗拉强度和电导率 分别为 655MPa 和 60.2%IACS，后者则分别为 493MPa 和 81.1%IACS。用浸涂法制造无氧铜杆，我国有引进 设备和正常的生产规范，如果生产允许和投资效果明 显，扩大研究开发铜包钢接触线是有基础的，至于用 浸涂法制造铜包钢杆和线，我国也有一定的实践，问 题是尚需针对铜包钢接触线进行设备改造、工艺改进 和产品开发。
（4）镉铜合金接触线 镉铜有较高的抗拉强度 和电导率，但镉有毒，因此在环保和劳保没有妥善解
材料
2004 年增刊（35）卷
决的条件下，难于实现大规模生产。 （5）镁铜合金接触线 德国在开发时速达
330km 的 Re-330 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 拉强度和电导率可分别达到 503MPa 和 70%IACS。 要进一步提高强度，保持或提高电导率，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，这些都需我们去 研究和开发。 2.2.2 复合金属接触线
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研究总院、中南大学、河南科技大学。 表1是国内新开发出用作接触线材料的
Cu-Ag-Cr，Cu-Ag-Zr，Cu-Cr-Zr 合金的机械性能和导 电性能，并与德国用的 Cu-Mg，Cu-Ag 接触线的性能 进行了对比。由表可以看出，与 Cu-Ag 接触线相比， 由于微量 Cr 和 Zr 的时效强化作用，Cu-Ag-Cr 和 Cu-Ag-Zr 合金接触线的机械性能有较大的提高，而 导 电 性 也 损 失 很 少 ， 如 Cu-0.1Ag-Cr 强 度 可 达 到 595MPa，比 Cu-Ag 接触线提高了45%，在300℃时高 温强度仅降低了1%，软化温度达到450℃，相对 Cu-Ag 接触线提高了150℃，而电导率仍保持在80%IACS 以 上。Cu-Cr-Zr 合金的综合性能有明显提高，尤其是强 度 提 高 的 幅 度 较 大 ， 如 Cu-Cr-Zr 的 强 度 可 达 到 620MPa，电导率仍保持在80%IACS 以上。文献[10] 研究结果也表明，Cu-Cr-Zr 合金具有550MPa 的抗拉 强度，78%IACS 的电导率和良好的磨损性能。加了 稀土元素 Ce 后，Cu-Ag-Cr、Cu-Cr-Zr 合金的强度提 高，导电率有所降低。 表 1 国内开发的几种成分接触导线用铜合金的机械
导线的理想材料。
关键词：高速铁路；接触导线；铜银铬合金；铬锆铜
合金
中图分类号：U225.4+1
文献标识码：A
文章编号：1001-9731（2004）增刊-1057-04
1引言
铁路高速化已成为电气化铁路的主要发展趋势， 到目前为止，已建成高速电气化铁路的国家有日本、 法国、德国、意大利、西班牙和比利时。我国将动工 的 京 沪 高 速 铁 路 初 定 的 速 度 目 标 为 350km/h （ 全 长 1300km），耗资将达1000亿元人民币，这个速度也是 国际高速电气化铁路的发展趋向。京沪轮轨高速电气 化铁路对接触线提出了抗拉强度＞600MPa，导电率 ＞80%IACS 的要求。可以看出轮轨高速电气化对接 触线的性能要求是相当高的[1~8]。
（2）锡铜合金接触线 日本早先在电气化铁路 上也采用银铜接触线，后来采用含0.3%左右锡的锡铜 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，但电导率稍低(70%IACS)，根据 工程中接触网设计的具体要求，也许可用于时速在 200km 以下的接触网中。现在法国在时速为300～ 350km 的接触网中研制和试用的锡铜-120接触线，常 温抗拉锡铜-120接触线，其抗拉强度和电导率分别为 360.8MPa 和70% IACS，从材质提高的可能性上看， 要达到法国的水平，既要大幅度提高强度，又要保持、 甚至提高电导率，恐怕要添加第二，甚至第三元素才 行，这需要进一步的研究开发。
（3）铬锆铜合金接触线 日本开发的 PHC-110 接触线，抗拉强度和电导率分别可达555.5MPa 和 78.8%IACS。这种析出强化型合金在生产中必须进行 热处理才行。将铬锆铜合金做成大长度的接触线，实 现大规模的生产，还缺少此类大型的热处理和熔炼设 备，热、冷加工工艺，特别是大规模连续生产的热加 工工艺尚需摸索。
根据高速列车对接触线的要求，世界发达国家都 在发展自己的高速铁路接触线，接触线的材质和品种 繁多，但接触线向铜合金化和复合金属化的发展已成 为世界接触线发展的总趋势。公认的比较理想的铜合 金接触线材料是时效强化型铜合金，高强度和高导电 始终是接触线性能要求的重要指标，而对于铜合金接 触线，长期以来一直存在着高强度与高导电率之间的 矛盾，在各种制备材料的方法中，而只有利用时效析
目前接触线多采用上引法生产的铜杆,上引法是 利用一种管式铜套（即石墨结晶器）其下端伸入并浸 没在熔化的铜液面下，上端与真空泵连通，开始时将 结晶器内空气抽出，在真空作用下，使管内产生负压， 铜液徐徐吸引向上，并在引升器附近很快凝固成光亮 铸锭。然后经冷轧或冷拉成杆。上引法由于生产工艺 简单、投资少、上马快、产品质量好，被广大国内用 户所接受，成为我国铜杆生产的主要方法之一，然而， 上引法的能耗较大。国内已有 200 条以上生产线，如 何提高经济效率，降低能耗是个现实问题。上述几种 工艺国内铜杆加工能力已有 280 万～300 万吨，是需 求量的 3 倍左右。提高设备的使用率，提高产品质量， 降低成本才能在竞争中取得立足之地。
图 1 铜银合金接触线结构示意图 Fig 1 Schematic for cross-section area of Cu-Ag contact wires
* 基金项目：国家“863”高技术研究发展计划资助项目（2002AA331112）
收稿日期：2004-05-30
通讯作者：雷静果
作者简介：雷静果（1973－），女，西安理工大学博士生，主要从事高强高导铜合金的研究与开发。
技术和工艺很关键，国内铜杆的生产方法主要有 3 种：浸涂法、连铸连轧法及上引法。浸涂法含氧量低 具有无氧铜的优点，即柔软，无氢脆，可焊性优良， 导电率高，表面清洁，拉线断头率低，是电磁线、通 讯电缆及其它特种用途电线电缆的优良导体材料，但 设备投资非常大，国内目前尚无设备制造厂生产。铜 连铸连轧法适用于规模生产，产品质量好，生产率高， 耗电少，但设备投资大。近两至三年来，有 10 余条 年产几万吨级的国产铜连铸连轧生产线投放市场。 (以前从意大利、德国、美国进口约 10 余条)。从发展 的角度，只要能确保一定生产规模，从质量和价值上 还是有竞争力的。
目前，正在使用的接触线大体上可分为以下几 种。 2.2.1 铜合金型接触线
（1）银铜合金类接触线 包括银铜和锡银铜。 德国在 Re-250 型接触网中使用时速可达 250km。我 国现已生产和标准化(铁道系统行业标准)的银铜和锡 银铜接触线，按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。
摘 要：在分析国内外高速电气化铁路接触网用接触
导线的使用现状及发展趋势的基础上，建议我国应尽
快研制国产铜合金接触线，以加速高速铁路接触线国
产化的进程。进一步指出时效强化型铜合金 Cu-Ag、
Cu-Cr 合金，可通过添加微量合金元素 Cr、Zr，使其
导电率大于 80%IACS，强度达到 600MPa，作为接触
从国外情况看，各个国家高速铁路所采用的接触 线材料虽都有各自的优点和不足之处，但突出的问题 是导电性好的材料其强度不高，合金的综合性能不理 想，目前各国都在致力于接触线新材料的研制和开发 工作。
雷静果 等：新一代国产化高速铁路接触线的研究与开发
2.3 接触线的制造技术 接触线一般都是由铜杆经过线拉而成，铜杆制造
（1）铝包钢接触线 我国通过改型生产的 CGLN-250 铝包钢接触线有较多的生产和使用经验。 继中国之后日本也研制和试用了 TA-196 铝包钢接触 线。根据高速接触网用接触线的要求，这两种铝包钢 接触 和 46.3%IACS、46.5%IACS，但它 们的拉断力不低，分别为 54kN 和 68 6kN，而且线密 度也比较低。日本的 TA-196 和我国的 CGLN-250 相 比，两者电导率相当，但前者抗拉强度和拉断力都比 较高，线密度也更低，显然在 TA-196 中组成材料之 一的钢，其抗拉强度有了改进提高。因此，铝包钢接 触线在准高速、高速接触网中的应用前景，似乎应在 保持或稍加提高接触线拉断力的条件下，尽量提高电 导率。从电导率着眼，铜总比铝好，所以在控制同样 拉断力的条件下，铜包钢接触线要比铝包钢接触线的 电导率容易提高，而且可以高得多。