银铜合金接触线的制造新工艺_牛玉英

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1 国内外接触线的制造方法
到目前为止, 国内外生产各类接触线的方法主 要有: 铜或铜合金锭 ) 加热 ) 轧制 ) 拉拔法 ( 简称 铜锭轧制法) ; 铜芯 ) 浸涂 ) 轧制 ) 拉拔法 ( 简称浸 涂法) ; 连铸 ) 连轧 ) 拉制法 ( 简称连铸连轧法) 和 上引连铸 ) 冷轧 ) 拉拔法 ( 简 称上引连铸法) 等 4 种[ 3] 。各种方法的共同特点是最后一道工序都是拉 拔, 其主要差别在于拉拔前坯料的制备。
国外制造接触线普遍采用连铸连轧法。但采用 这种方法制造的接触线含氧量高, 易在晶界上形成 脆性的氧化亚铜, 造成接触线抗弯折性能不良、抗 疲劳性能差, 在施工过程中容易出现折断, 高速运 行条件下容易发生疲劳断裂事故, 在我国电气化铁 路运用中曾多次 发生; 另外, 连铸连轧设备 庞大、 投资大, 是为满足年产量在 30000t 以上产量的纯铜 杆生产要求而设计的, 而我国的铜合金接触线需求 总量通常为每年 5000t 左右。显然, 这种方法不适
图 3 银铜合金工艺接触线的组织 @ 10 a) 上引连铸; b) ; 连铸连轧; c) 连续挤压
F ig1 3 T issue o f Ag- Cu allo y contact w ire @ 10
31 2 性能比较 各种方法制造的银铜合金接触线的性能比较如
表 1 所示。
表 1 银铜合金 接触线的性能比较 T ab1 1 P ro per ty comparat ive of Ag- Cu allo y contact w ire
而大大提高列车运行速度[ 7] 。 针对传统的接触线制造方法都存在各自的问题
这一现状, 大连交通大学连续挤压工程研究中心和 有关单位合作, 将连续挤压技术应用于制造银铜合 金接触 线的 新 工 艺, 即: 上 引 连铸 ) ) ) 连续 挤 压 ) ) ) ( 轧制) ) ) ) 拉拔工艺 ( 简称连续挤压法) 。该 工艺采用 516 m m 的上引无氧铜杆为坯料, 在大连 交通大学研制的 T L J350 机上经连续挤压扩张成型 为 522 mm 或 524 mm 的杆坯, 再经过轧制和冷拔 成型, 制成截面为 120 m m2或 150 mm2的接触线。
3 银铜接触线的性能比较
31 1 接触线的晶粒度与接触线的制造工艺 接触线材料应做到内部金相组织晶粒细小、分
布均匀, 具有高的强度和均匀的刚度。如果接触线 内部存在孔洞, 晶粒过大或分布不均, 接触线在加 上工作张力后, 会造成刚度不均, 当受电弓滑板在 沿导线底面摩擦时, 容易受到小的冲击, 形成小的 离线火花[ 8] 。而且晶粒粗大也是造成银铜合金接触 线平直度差、强度低的主要原因[ 9] 。
根据多年 的理论研究和 实际试验, 可以认为: 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
第3期
牛玉英 等: 银铜合金接触线的制造新工艺
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图 2 连续挤压工作原理 Fig1 2 PΒιβλιοθήκη Baidurinciple o f co nt inuo us ex trusion
新的银铜合金接触线制造方法 )) ) 连续挤压法。通过对上引连铸、连铸连轧、连续挤压工艺所生产的银铜合金接触
线的组织和性能的比较分析, 得出了连续挤压法 是一种 优于上 引连铸和 连铸连 轧工艺 的银铜 合金接 触线制 造方法
的结论。
关键词: 银铜合金; 接触线; 连续挤压; 工艺
中图分类号: U 2251 41
浸涂法生产工艺复杂、成本高, 而且难于生产 铜合金产品。
连铸连轧法是采用连铸连轧设备, 连铸坯由连 轧机轧成 520mm 杆坯, 用 3% ~ 5% 酒精高压水去 除氧化, 然后经涂腊保护, 最后通过冷拔加工方法 制出成品。其优点是连铸连轧坯经过热加工成细小 等轴晶粒的再结晶组织。用这种杆坯制造的接触线, 其横向晶粒尺寸小于 01 03mm, 机械性能高, 机车 取流性能好, 离线火花程度小[ 4] 。
20 e 导电率 延伸率 软化后延 拉断力 软化后拉 扭转 / ( % IA CS) % 伸率, % kN 断力, kN 圈数
银铜接触线 ( 连续挤压工艺) 1021 2
71 78 111 4 471 42 441 90 71 25
图 3 为不同工艺生产的银铜合金接触线 ( CT H A120) 的组织。从图中可以明显看到: 上引 连铸法制造的接触线, 其组织是边部有发达的柱状 晶, 中心为粗大等轴晶。连铸连轧法制造的接触线 其晶粒度比 连铸法 的小, 晶 粒尺 寸小于 01 03mm; 然而, 连续挤压工艺生产的接触线, 晶粒比连铸法 生产的更细小, 远远大于上引法生产的, 晶粒尺寸 约为 01 02m m。因为铸态坯料经连续挤压在再结晶 温度以上发生塑性变形, 形成晶粒细小、分布均匀 的动态再结晶组织, 完全消除了铸态晶粒组织。经 过其后的冷加工 ( 冷拔/ 冷轧) 变形 获得成品 接触 线, 其晶粒变得更加细小, 晶粒外形沿着变形方向 明显拉长 ( 见图 4) 。
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。过去采用这种方法制造接 触线的最大问题在于晶粒粗大。 530 mm 的上引杆 在常温下轧制和拉拔, 变形穿透力小, 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, 也降低了接触线 自身的寿命。
目前使用的接触线形状如图 1 所示, 由于其纵 向上有两条沟槽又称为双沟槽线。我国电气化铁路 使用的接触线规格主要有 85 型、110 型、120 型和
图 1 接触线形状 F ig1 1 Co ntact w ir e shape
150 型 ( 其中数字代表接触线的横截面积 m m2) 。电 气化铁路用接触线不同于一般的架空输电, 它要在 长期承受较大悬挂张力条件下经受机车受电弓滑板 的磨耗向机车供电。除正常的磨耗外, 还常常受到 非正常的机械冲击负荷和事故大电流的影响。高速 摩擦产生的火花或大电流都会使接触线局部产生瞬 时高温, 过高的温度必然会导致金属接触线的软化,
* 国家自然科学基金项目 ( 50175012) 。 牛玉英 E- mail: enidnyy @ 1631 co m 作者 简 介: 牛 玉 英, 女, 1974 年生, 吉 林省 洮 南 市 人, 博士研究生, 研究方向为塑性成形及模拟技术 收稿日期: 2005- 05- 24; 修订日期: 2005- 10- 12
文献标识码: A 文章编 号: 1007- 2012 ( 2006) 03- 0065- 04
引言
接触线 ( 又称电车线) 是一种传输电力的裸线, 通过它与受电弓的直接接触将电能从牵引变电所传 输给受电设备, 是电气化铁路 接触网的主要 元件。 广泛应用于铁路、交通、城市交通、煤矿、冶金等 企业, 其中绝大部分是用于电气化铁路。
在大张力的作用下, 接触线便有可能被拉断而造成 重大事故。
接触线的波动传播速度决定了机车的最高运行 速度。接触线波动传播速度越高, 机车的运行速度 也可以越高。接触线的波动传播速度 C 为[ 1] :
C= T/P 式中 C ) ) ) 波动传播速度, m/ s
T ) ) ) 接触线标准架设张力, N P ) ) ) 接触线的单位重量, kg / m 由式中可 见, 要提高接 触线的波动 传播速度, 就要加大接触线的架设张力, 以保证接触线与受电 弓接触时不晃动。为了获得大的张力, 就要求接触 线有足够的强度。因此, 电气化铁路接触线, 特别 是应用于中、高速 ( 140km/ h~ 300km / h) 的接 触 线, 除了应具有良好的导电性外, 还应具备足够的 强度、耐磨性和高温抗软化性能, 同时具有一定的 防腐蚀能力。 随着我国铁路、地铁和轻轨交通的不断新建和 改建, 线路的总长 度和接触线的用 量在不断增长; 同时, 铁路正实现全面提速, 速度将从过去的常速 运行 ( 100km / h~ 120km/ h) 状态, 在 合适的铁 路 上 提 高 到 中 速 ( 120km/ h ~ 160km/ h ) 、 准 高 速 ( 160km / h ~ 200km/ h ) , 甚 至 高 速 ( 200km/ h ~ 400km/ h) 。纯铜接触线是一种拉拔后不经退火就直 接使用的硬铜导线, 其强化仅靠冷 作硬化来实现, 这类接触线具有导电性能优良、耐腐蚀性能强、施 工性能好的优点, 但其机械强度往往偏低, 尤其是 在高温下抗拉强度大幅度下降。如导线的最高温度 不大于 100 e 时, 抗拉 强度在 363MP a 以上, 但温 度大于 150 e 后, 抗拉强度急速下降; 温度为 250 e 时, 抗拉强度为 226M Pa; 而当温度达到 300 e 时,
铜锭轧制法是最为传统的工艺, 采用含氧量很 高的铜锭 ( 重约 120kg) , 经热轧后, 成为表面氧化 严重的黑铜杆, 需经酸洗, 然后通过冷拉制成成品。 在该工艺中, 铸锭含氧量高, 产品长度受到铸锭重 量和热轧条件的限制, 并要焊接接长, 因此难于制 造低含氧量、长 度大于 1500m ( 1500kg ) 的产 品, 目前基本淘汰。
合于小批量、间断性生产的铜合金接触线产品的生 产。
上引连铸法一般是由 530mm 的上引杆冷轧成 5161 4m m 圆杆, 再通过 3~ 5 道次拉 拔成 120m m2 的接触线。其优点 是原坯料为上引 连铸法生产的。 这种铸造方法的好处是熔炼的金属直接结晶成杆坯, 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的, 生产的铸杆品质 纯净, 夹杂 物极 少, 含 氧量极 低, 一 般少 于 20 @ 10- 6 , 特别适合于各种铜合金的熔炼; 另外, 炉容 小, 拆炉、洗炉成本低, 变换生产铜合金品种灵活, 适合小批量间断性供货的要求, 生产成本比连铸连 轧法低[ 5] 。
由此可见, 寻找一种既可以获得均匀、细化的 晶粒组织, 又能克服因含氧量过高而导致的脆断的 接触线制造工艺迫在眉睫。
2 新工艺的提出
连续挤压 ( Continuo us Ext rusion For ming ) 是 20 世纪 70 年代发展起来的一种新的塑性加工技术。 其原理是利用一个带轮槽的连续旋转的挤压轮, 通 过轮槽与坯料之间的摩擦力, 将坯料连续不断地曳 入模腔, 并在模腔内发生塑性变形, 最后从挤压模 孔挤出连续的挤压产品 ( 见图 2 所示) 。改变挤压模 孔的形状, 就可以生产各种线材、型材、管材等产 品。这种方法巧妙地将在压力加工中通常做无用功 的摩擦力转化为变形的驱动力和使坯料升温的热源, 而且可连续挤出制品, 因此使其成为一种高效、节 能的加工新技术[ 6] 。
第 13 卷 第 3 期 2006 年 6 月
塑性工程学报
JOURNAL OF PL AST ICIT Y ENGINEERING
Vol1 13 No1 3 Jun1 2006
银铜合金接触线的制造新工艺*
( 大连交通大学 材料科学与工程学院, 大连 116028) 牛玉英 宋宝韫 刘元文
摘 要: 概述了电气化铁路银铜合金接触线的常用工艺方法, 说明了研究新的接触线制造工艺的必要性, 并提出了
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塑性工程学报
第 13 卷
抗拉强度仅为 157MP a。由于铜接 触线这种高温软 化的性能, 显然在高速下使用是不适宜的。在铜中 加入合金元素后, 除银元素外, 还有其它元素, 但 其他 元 素会 使 导 电 率 降 低, 通 常 为 60% ~ 75% IA CS, 只有含银的 AgCu 线其导电率与铜 线相近, 可达到 97% IACS 以上。在这样的条件下, 采用较 高抗拉强度 ( 拉断力) 、导电性能几乎和铜一样的铜 银合金接触 线, 就 成了现 在和 将来 首选 的线种 之 一[ 2] 。
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