（材料学专业论文）新型高强高导cuagcr合金的组织性能及时效动力学研究.pdf

摘要 学科专业； 论文作者； 指导教师： 答辩日期： 新型高强高导c u a g c r 合金 的组织性能及时效动力学研究 材料学 雷静果 井晓天教授 刘平教授 2 0 0 7 年3 月 摘要 签字： 签字： 随着电气化列车向高速、重载的发展，对接触线的材质及性能提出了更高的要求。高速铁路用 接触线材料，要求其强度大于5 5 0 m p a ，导电率大于8 0 i a c s ，3 0 0 保温2 h 后的抗拉强度下降率 不大于1 0 ，同时具有良好的耐磨性能。目前，日、德、法等许多国家都在研发满足这种要求的高 性能铜合金。 根据合金化原理，成功设计了新型高强高导c u a g c r 系合金，所设计的台金性能能够满足高速 铁路接触线的要求。与目前广泛使用的c u - o 1 a g 合金接触线的对比研究表明，微t c r 的加入可使合 金强度大大提高，并有效抑制退火过程中c u 0 1 a g 合金的再结晶；微量的a g 能明显抑制c u c t 合金 过时效的发生，提高合金的耐高温性能。如c u - a g - c r 合金经过合适的热处理工艺，显微硬度和导电率 分别可达1 6 2 h v 和8 2 i a c s ，抗拉强度趔l 5 9 4 m p a ，在3 0 0 ( 2 保温2 h 后的抗拉强度仅下降5 ，合金的 受电磨损性能是c u - 0 1 a g 合金的2 3 倍表明该合金兼具高强高导高耐磨性能，是目前接触线用铜 合金中综合性能较好的合金。 利用动态电阻法研究了c u a g c r 合金的相变动力学。采用自行设计的动态电阻测试仪研究了 c u a g c r 合金在不同速度下连续冷却、连续加热及等温时效时相对电阻率随时间的变化；首次建 立了c u - a g c r 合金的连续冷却、连续加热及等温时效时相对电阻率与时间的数学模型；并对 c u a g - c r 合金在连续冷却过程的析出相体积分数进行了计算，建立了合金的连续冷却转变曲线 利用透射电子显微镜，高分辨电子显微镜研究了c i l a g c r 合金的微观组织变化，首次运用 v i s u a l e l e c t r o n c r y s t a u g r a p h y ( v e c ) 技术研究了析出相与q l 基体之间的共格、半荚格关系及 共格失配。结果表明：合金在4 4 0 c 5 2 0 c 时效时，可观察到c r 的共格相与半共格相共存，共存 的半径范围为1 5 4 5 n m ，理论计算共格失配的临界尺寸为1 2 5 n m ；并在此基础上分析了含金的时 效强化机制，时效初期，合金的强化方式以共格强化为主，利用位错理论所计算c u - a g - c r 合金在4 8 0 时效2 h 的屈服强度增量与实验值接近，而在过时效条件下，以o r o w a l l 机制强化合金。 通过透射电镜、图像分析和统计分析等手段，首次分析了c u - a g - c r 合金时效析出相的长大粗化 l 缸一蔓扛盟鼙 西安理工大学博士学位论文 行为及其分布规律。结果表明：在4 8 0 c 时效时，c u - a g - c r 合金中球状c r 相长大行为与l s w 理论模 型符合较好，c r 相的平均半径与t “呈线性关系，表明c r 相的长大粗化过程为扩散控制。c r 相的尺 寸分布倾向于正态分布，与l s w 理论模型符合较好。 研究t c u - a g - c r 合金形变后的时效析出与再结晶的交互作用及其对合金组织与性能的影响。 发现在时效初期析出的弥散细小的析出相阻碍了再结晶过程的进行，c u - a g - c r 台金的再结晶通过 原位再结晶和不连续再结晶两种方式进行，原位再结晶使得合金析出相比较细小，合金保持较高 的硬度；而不连续再结晶使合金硬度迅速下降，在再结晶晶界迁移的前沿析出相也快速粗化。 c u - a “r 台金经预时效+ 冷变形后的二次时效过程中，预时效对合金二次时效强化效应产生显著的影 响，4 4 0 8 h 预时效最为明显，强化效应产生的温度范围为3 5 0 4 0 0 ，显微硬度升高3 0 h y 5 0 l t v 利用自制的磨损实验机对c u - a g - c r 合金和c u - a g 合金材料的滑动磨损行为进行对比研究。结果 表明：由于c r 的时效析出强化作用，高强高导的c u - a g - c r 合金的磨损性能相对于c u - a g 合金提高 2 - - 3 倍，大大提高了合金的使用寿命；在干滑动条件下，c u - a g - c r 合金的磨损主要为粘着磨损、磨粒 磨损，在受流状态下逐渐转化为以粘着磨损、磨粒磨损和电烧蚀磨损为主 设计了析出强化铜合金的在线固溶技术和在线固溶装置。首次提出将合金的在线固溶技术和在线 时效技术与目前先进的连铸连轧技术相结合，使得利用连铸连轧生产线直接生产出高强高导等具有优 良综合性能的析出强化型铜合金杆材成为可能。 关键词；铜合金，接触线，相变动力学，时效，再结晶，磨损 论文类型：应用基础研究 本文研究工作得到国家高技术研究发展计划( s 6 3 ) 项目( 2 2 从3 3 1 1 l o ) 的资助 i i r e s e a r c ho nm i c r o s t r u c t u r e s a n dp r o p e r t i e sa n da g i n gk i n e t i c so f n e wh i g hs t r e n g t ha n dh i g hc o n d u c t i v i t yc u a g c ra l l o y s p e c i a l t y ：m a t e r i a l ss c i e n c e a p p l i c a n t ：l e ij i n g g u o s i g n a t u r e ： s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rj i n gx i a o - t i a n s i g n a t u r e - p r o f e s s o rl i up i n g a b s t r a c t 1 h eh i g h e rp r o p e r t i e sf o rc o n t a c tw i r em a t e r i a l sa l r cr e q u i r e dt o s a t i s f yt h er a # dd e v e l o p m e n to f h i g h 。s p c c de l e c t r i c a lr a i l w a y t h ei d e a lc o r l t a c tw i r em a t e r i a l ss h o u l dr e a c ht e n s i l es t r e n g t ho f5 5 0 m p a , t h e e l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t y8 0 i a c s ，a n dt h ed e c l i n er a t eo ft e n s i l es t r e n g t hl e s st h a n1 0 a t3 0 0 cf o r2 h n o w a d a y s ，m a n yc o u n t r i e s ，s u c ha sj a p a n ，g e r m a n ya n df r a n c ea l ed e v e l o p i n gh i g h e rp r o p e r t i e sc o p p e r a l l o ym a t e r i a l sf o rc o n t a c tw i r e i tw a sas u c c e s s f u ld e s i g no fn e wh i g hs t r e n g t ha n dh i g hc o n d u c t i v i t yc u - a g - c rs e r i e sa l l o y sb a s e d o nt h ea l l o y i n gp r i n c i p l e i tc a ns a t i s f yt h er e q u i r e so ft h eh i g h e rp r o p e r t i e so fh i g h - s p e c dr a i l w a yc o n t a c t w i r em a t e r i a l s c o n t r a s t i n gw i t hc u - - 0 1 a ga l l o yw i d e l yu s e df o rc o n t a c tw i r e ，t h es t i e n g t h e n i n gi n c r e a s e d g r e a t l ya n dt h er e c r y s t a l l i z a t i o nw a sr e s t r a i n e de f f e c t i v e l yw i t ht h et r a c ea d d i t i o no fc r ；t h eo v e r - a g i n gw a s r e s t r a i n e do b v i o u s l yw i t ht h et r a c ea d d i t i o n o fa g ，w h i c hm a d et h ea l l o yh a v i n gg o o dh i g h - t e m p e r a t u r e p e r f o r m a n c e t h em i c r o - h a r d n e s sa n dd e 涮r i c a lc o n d u c t i v i wc a dr e a c ht o1 6 2 h va n d8 2 i a c s , t h et e n s i l e s t r e n g t ho f5 9 4 m p a t h ed e c l i n er a t ew a so n l y5 a t3 0 0 cf o r2 ho fc u a g - c ra l l o ya f t e rp r o p e rh e a t p r o c e s s i n g t h ee l e c t r i c a ls l i d i n gw e a rp 嘶o r m a n c eo fc u - a g - c ra l l o yw a s2 - - 3t i m e st h a nt h a to fc u m 1 a s a l l o y t h er e s u l t ss h o w dt h a tc u - a g c ra l l o yh a v i n gh i g hs t r e n g t h , h i g hc o n d u c t i v i t ya n dg o o dw e a r p e r f o r m a n c e , w h i c h i s t h e b e t t e r s u b s t i t u t e m a w r a l s f o r c o n t a c t w i r e b e i n g g o o d g e n e r a l p e r f o r m a n c e t h et r a n s f o r m a t i o nk i n e t i c sc u - a g - c rw a ss t u d i e db yd y n a m i cr e s i s t a n c et e c h n i q u e t h ev a r i a t i o no ft h e r e l a t i v er e s i s t a n c ew i t ht i m ew a sm e a s u r e dw i t hs e l f - m a d ed y n a m i cr e s i s t a n c et e s t i n gi n s t r u m e n t , w h e n c u - a g - c ra l l o yw a st r e a t e di nc o n t i n u o u sh e a t i n g , c o o l i n ga n di s o t h e r m a la tv a r i o u sh e a t i n g c e o l i n gr a t e s m o d e lo f r e a t i v er e s i s t a n c ef o rt h ev a r o u sr e a c t i o n sw a sf i r s tp r e s e n t e d , t r a n s f o r m a t i o nv o l u m e r a c t i o nw a s c a l c u l a t e da n dc o n t i n u o u sc o o l i n gt r a n s f o r m a t i o nc a w eo fc u 螂r i s p l o t t e di nt h i sw o r k b ym e a n so ft r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p eg e m ) ，h i g h - r e s o l u t i o nt r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p e i l l 笠粹嚣斟 西安理工大学博士学位论文 ( h r e m ) t h ea g i n gp r e c i p i t a t e si nt h ec u - a g - c ra l l o yw a ss t u d i e d i tw a sf i r s tt oa p p l yv e c ( v i s u a le l e c t r o n c r y s t a l l g r a p h y ) t e c h n i q u e t o a n a l y s i s t h ec o h e r e n t , s e m i - c o h e r e n ta n d t h ec o h e r e n c y l o s s b e t w e e n p r e c i p i t a t e s a n dc um a t r i x t h eh r e mo b s e r v a t i o n ss u g g e s t e dt h a tt h ec o h e r e n ta n ds e m i - c o h e r e n tp a r t i c l e sc o e x i s t w h e na g e da t4 4 0 c 5 2 0 c t h ec o e x i s t i n gr a d i u mo fc rc o h e r e n t ，s e m i - c o h e r e n tp r e c i p i t a t e sw a sa b o u t 1 5 4 5 n m t h ec a l c u l a t e dv a l u eo fc r i t i c a lt r a n s i t i o nr a d i u sf o rt h ec o h e r e n c yl o s sw a sg i v e na s1 2 5 n m n m “i h 嘴ns t r e n g t h e n i n gm e c h a n i s mo p c r a t e df o rc u - a g - c ra l l o ya tt h ep r i t n a r ya g i n gs t a g e t h ed e g r e eo f c o h e r e n ts t r e n g t h e n i n go fc u - a g - c ra n o ya g e da t4 8 0 。cf o r2 hw a sc o n s i s t e n tw i t ht h a tc a l c u l a t e db yt h e d i s l o c a t i o nt h e o r y , a n dt h eo r o w a nm e c h a n i s m o p e r a t e da tt h eo v e r - a g i n gs t a g e i tw a st h ef i r s tt i m et oa n a l y s i st h eg r o w t ha n dc o a r s e n i n ga n dt h er e g u l a r i t i e so fd i s t r i b u t i o no f a g i n gp r e c i p i t a t e si nc u - a g - c ra l l o yb ym e a n so ft e m , i m a g ea n a l y s i sa n ds t a t i s t i ca n a l y s i s t h er e s u l t s s h o w dt h a tt h eg r o w t hb e h a v i o ro fs p h e r i c a lc rp r e c i p i t a t e sw a si ng o o da g r e e m e n tw i t hl s wt h e o r e t i c a l m o d e lw h e nc u - a g - c ra l l o ya g e da t4 8 0 c 伽m e a nr a d i u so fc rp r e c i p i t a t e sw i t ht i sl i n e a rr e l a t i o n , w h i c hs u g g e s e d tt h a tt h eg r o w t ha n dc o a r s e n i n go fc rp r e c i p i t a t e sw e r ed o m i n a t e db yd i f f u s i o n t h es i z e d i s t r i b u t i o no f c rp r e c i p i t a t e sw a sp r o x i m i t yn o r m a ld i s t r i b u t i o nc u r v e ，w h i c hw a sa l s oi ng o o da g r e e m e n t w i t hl s wt h e o r e t i c a l t h ei n t e r a c t i o no f a g i n gp r e c i p i t a t e sa n dr e c r y s t a l l i z a t i o no nm i c r o 蝴a n dp r o p e r t i e so f d e f o r m e d c u - a g - c ra l l o yw e r ei n t e n s i v e l ye x p l o r e d ap h e n o m e n o no fs i m u l t a n e o u si n - s i t oa n dd i s c o n t i n u o u s r e c r y s t a l l i z a t i e nh a sb e e no b s e r v e dd u r i n ga g i n g t h ei n - s i t ur e c r y s t a l l i z a t i o nc a u s et h ea l i o yt om a i n t a i n r e l a t i v e l yh i g l is a e n g t kw h i l et h ed i s c o n t i n u er e c r y s t e l l i z a t i o nc a u s et h ep r e c i p i t a t e sc o a r s e n i n ga n dt h e s t r e n g t hr a p i d l yd e c r e a s e d t h ep r e - a g m gp r o c e s sf o rt h ec u - a g - c ra l l o yw e r er e s p o n s i b l ef o rt h es i g n i f i c a n t s u e n g t h e o k 培e f f e c ti nr e - a g i n gp r o c e s s t h er e - a g i n gs u e n g t h e n i n gw i t hp i e - a g m ga t4 4 0 细8 hw a st h e m o s tr e m a r k a b l e u p o nr e - a g i n ga t3 5 0 c 4 0 0 c ，t h ed e t e c t e ds t r e n g t h e n i n gw a s3 0 h v 5 0 1 - i vi nt e r m so f m i c r o - h a r d u e s si n c r e m e n t t h ew e a l b e h a v i o ro f c u - a g - c ra n o ya n dc u - a ga l l o yw e c o n t r a s t e du s i n gs e l f - m a d ew e a ra p p a r a t u s t h ee l e c t r i c a ls l i d i n gw e a rp e r f o r m a n c eo f t h eh i g i ls t r e n g t ha n dh i g hc o n d u c t i v i t yc u - a g c ra l l o yi n c r e a s e d 2 - 3 t i m e s t h a n t h a t o f c u - a g a n o y d u e t o t h ea g i n gs t r e n g t h e n i n g a c t i o n o f c r , w h i c hc a n i n c r e a s eo f s e r v i c e l i f eb yf a r a d h e s i v ew e a ra n da b r a s i v ew e a rw e r et h ed o m i n a n tm e c h a n i s m su n d e ru n l u b d c a t e dc o n d i t i o n s d u r i n gt h ee l e c t r i c a ls l i d i n gp r o c e s s e s ，t h ea d h e s i v ew e a r , a b r a s i v ew e a ra n de l e c t r i c a le r o s i o nw g r ot h e d o r a i n a n tm e c h a n i s m s t h ei d e a so fo n - l i n es o l u t i o nt e c h n i q u ea n dd e v i c ef o rp r e c i p i t a t i o ns u e n g t h e nc o p p e ra l l o y sw a sp u t f o r w a r d i tw a sf w s tt op r o p o s et h ew a yo f t h ec o m b i n a t i o nt h ec o p p e ra l l o y se n - l i n es o l u t i o na n da g i n gw i t h t h ec o n t i n u o u sc a s t i n ga n dr o l l i n gp r o c e s s ，t h u si ti sp o s s i b l et om a n u f a c t u r et h es o l u t i o nh i g hs 仰e n g t ha n d l l i g l lc o n d u c t i v i t yc o p p e ra l l o y sr o da n dw i r e s k e y w o r d s ：c o p p e ra l l o y , c o n t a c tw i r e ，t r a n s f o r m a t i o nk i n e t i c s ，a g i n g , r e c r y s t a l l i z a t i o n ，w e a r t h e s i st y p e ：a p p l i c a t i o nf u n d a m e n t a l s 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：! 盘：鹜遗垮声多月2 庐日 学位论文使用授权声明 本人鼋碧篮在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编人有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：举 导师签名： 墼蹿弓月瑚 第1 幸绪论 1 绪论 高强高导铜合金材料具有优良的综合物理性能和力学性能，它既具有高的强度和良好 的塑性，又具有紫铜的优良导电性能，是制备各类电极、触头材料、大型高速涡轮发动机 的转子导线、大推力火箭发动机内衬、连铸机结晶器内衬、集成电路的引线框架、电车及 电力火车的架空导线等的理想材料。随着电子工业的飞速发展，世界各国对高强高导铜合 金材料的需求越来越多，英、美、日等国家对此进行了大量的开发和研制工作，近年来这 类材料得到了迅猛发展1 1 1 5 1 。 随着电气化列车向高速、重载的发展，对高速列车用接触线的材质及性能提出了更高 的要求，这也推动了接触线材料的发展。用于高速电气化铁路接触线的高强高导铜合金的 研究也成为当前铜合金研究的热点之一。已开发出高强度高导电铜合金主要有c u - z x 、c u c r 、 c a - c a 、c a - f c 、c a - m g 、c u - n b 等系列合金以及高强度高导电复合材料，其中不少合金已用 在高速铁路的接触线上，这些接触线材料虽都有各自的特点，但突出的不足之处是材料强 度和导电性的矛盾，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 致力于研制和开发同时具有高强度和高导电性的新型接触线材料，最理想的接触线材料是 通过合金化制备的高强度高导电铜合金一时效强化型铜合金1 1 6 m j ，我国高速铁路接触线 的开发和选型主要应向该方向发展。因此，结合我国资源的特点，开发出性能优异、具有 自主知识产权的高性能铜合金具有重要的意义。 1 1 铜合金接触线材料发展概况 1 1 1 电气化铁路的发展 1 9 6 4 年世界上第一条高速铁瞎一日本新干线问世；到2 0 世纪7 0 年代末，在工业发达的 西欧、日本、前苏联以及东欧等国家的主要铁路干线都已经实现了电气化，而且基本上已经成 网。此后日、法、德、意、西班牙、比利时等国又相继建成4 6 0 0 余公里高速铁路。而在一些发 展中国家，如我国、印度、南非、朝鲜、巴西、智利等国家的电气化铁路发展也很快。我国在 “九五”期间，建成开通了电气化铁路姗公里，平均每年建成电气化铁路1 0 0 0 里以上。 目前，世界已进入建设高速电气化铁路的一个新时期，世界上正在建设和已立项准备建 设的新线有4 5 条，总长为1 1 0 0 0 公里，预计到2 0 1 5 年世界修建高速电气化铁路的国家和地区将 达到2 3 个，里程将达到3 0 0 0 0 公里。 高速电气化铁路已经成为p t - 国家社会经济发展水平和铁路现代化的主要标志之一。随 着我国经济实力的不断提升和建设高速电气化铁路所需各项技术的日臻完善提高，我国的电气 化铁路里程也己跃居世界前列 z 4 , z s l 。 2 0 0 4 年，国务院审议通过了我国铁路史上第一个中长期铁路网规划，确定n 2 0 2 0 年，未来1 5 年我国将建设1 2 万公里的快速客运专线。“十一五”是我国铁路大规模建设最关 键的阶段，在这五年内，中国将完成时速在3 0 0 公里以上的客运专线大约5 4 5 7 公里。如果按里 程比较的话，5 4 5 7 公里的高速铁路网络，远远超过法国、日本和德国现有高速铁路规模。我国 西安理工大学博士学位论文 将在“十一五”期间建成的9 8 0 0 公里客运专线，占中长期铁路网规划中1 2 7 y 公里客运专 线总长的8 0 。而到2 0 2 哞的这段规划期间，我国铁路建设预计的2 万亿元总投资中，将有1 2 5 万亿元在这最初的5 年中投入。这样大的规模，远远超过了西班牙( 4 1 0 亿欧元) 、意大利( 2 8 8 亿 欧元) 等国家在建的高速铁路网络的规模。 世界各国已把目光投向了中国市场，巨大的市场引发了法国t g v 技术，德国i c e 技 术和日本新干线争夺以京沪高速铁路为代表的中国高速铁路项目。德国在这次争夺战中取 得了领先优势，2 0 0 5 年1 1 月，西门子公司与中国铁道部在柏林签订合同，西门予公司为 中国提供6 0 列时速3 0 0 公里的高速列车。这也证明，我国在高速铁路方面的技术还比较 落后，随着我国高速铁路项目的不断推进，拥有自主创新的高速铁路技术体系显得尤为重 要，这对于我国高速铁路的建设和发展，具有深远而现实的意义。 1 1 2 列车的高速化对接触线材料的要求 电气化铁路接触网是电气化铁路的重要组成部分，它主要由接触线、载流承力索、不 载流承力索和吊弦( 线) 等部件构成，架空电缆的基本设计如图1 1 所示： 图1 - 1 架空电缆的示意图 f i g 1 1s c h e m a t i co f o v e r h e a de l e c t r i cc a b l e 接触网导线也称为电车线，是接触网中重要的组成部分之一。接触线一般制成两侧带 沟槽的圆柱状，其沟槽为便于安装线夹并按技术要求悬吊固定接触线位置而又不影响受电 弓滑板的滑行取流。接触线下面与受电弓滑板接触的部分呈圆弧状，称为接触线的工作面， 接触线的结构如图1 2 所示。接触线通过与电力机车受电弓滑板直接接触将电能从牵引变 电所传输给机车，是保证电气化铁路正常运营的关键构件。 为实现电气化列车的高速化，必须在受电弓沿接触线高速滑行的过程中达到稳定的受 流状态。根据国外高速电气化列车实际的运行经验，当列车的运行速度在波动传播速度的 7 0 以下时，可以达到稳定的受流状态。 2 第1 幸绪论 f i g 1 - 2s c h e m a t i c o f c o p p e r a l l o y c o n t a c t w i r e 电力机车受电弓沿接触线高速滑动时，引起接触线上下振动的横波，其波动传播速度 v c 与接触线的架线张力r 和线密度p ( 单位长度的重量) 有关“8 - 2 0 1 ，即： 一晦 m 。， 式中，”一接触线的波动传播速度k m h 1 ； 严一接触线的架线张力n ； p 一接触线的线密度k g n f l 因此，高速电气化列车提速的关键就是提高接触导线的波动传播速度，以提高接触网 的稳定性，改善受流质量，这样必须增大接触线的架线张力，其实质是提高接触线材料的 抗拉强度。例如列车速度达到3 5 0 - 4 0 0 k m h ，则波动传播速度需要达到5 0 0 - 5 6 0 k m h 以上， 假设接触线的线密度为l k g m ，接触线的张力应是1 9 3 2 4 2 k n ，若选用密度约为8 9 9 e r a 3 的铜合金，接触线的截面积应为| | o m m 2 。当截面积的磨损极限8 0 1 1 1 i n 2 ，且安全系数为2 2 时，其抗拉强度应大于5 3 0 6 6 5 m p a ；另外新型导线的电阻必须小于0 2 o k r n ，也即导电 率必须大于7 8 i a c s ( 国际退火铜标准) 。 一般说来，电气化铁路接触线应满足以下性能【2 3 2 6 】： ( 1 ) 机械性能( 抗拉强度) 高，综合拉断力不小于4 0 k n 。 ( 2 ) 高导电率，良好的受流性，以减少电能损耗和电磨损。 ( 3 ) 耐磨性好，接触导线的使用寿命不小于2 0 年。 ( 4 ) 耐热性好，抗软化温度高，软化处理( 3 0 0 保温2 h ) 后其常温抗拉强度不小于初 始态的9 0 。 ( 5 ) 抗大气腐蚀性能好，这在空气污染严重、温暖潮湿的沿海及工业区尤为重要。 ( 6 ) 线膨胀系数小，以提高接触网的稳定性。 结合国外高速铁路的发展水平，我国正在筹建的京妒高速电气化铁路( 时速3 0 0 - 一3 5 0 3 西安理工大擘博士学位论文 妇帕) 的可行性研究中，已对接触线提出了初步具体的要求，见表1 - 1 。此要求为我国接 触线的发展指明了目标，同时也代表了世界高性能接触线的发展方向。 表1 - 1 高速铁路接触线的主要技术性能指标田1 1 1 1 ：! ：! ! ! ! 竺! 虫! ：! ! ! ! ! ! 12 翌些垡! ! ! 竺竺! ! 丝! ! 兰垩! ! 韭：塑竺! 翌! ! 兰坚 要求项目要求参数备注 1 1 3 国内外高速列车接触线的现状及发展 1 9 9 8 年5 月2 8 日全线建成的广深线，它标志着我国结束了无高速电气化铁路的历史， 广深线的最高速度为2 0 0 k m h ( 属准高速) ，接触网用的是德国产1 2 0 r a m 2 银铜接触线。国 际上，日本、德国和法国的高速铁路起步较早，其技术水平基本上可以代表当今世界高速 铁路的最高水平。表1 - 2 对我国与日本、法国、德国目前高速铁路使用的接触线性能作了 比较。 表1 2 高速电气化铁路接触线的性能比较【1 8 , 1 9 l t a b 1 2p m p e r t i e so fc o n t a c tw i r e su s e di nh i g h s p e e dr a i l w a y 速度接触线室温室温 3 0 0 e 导电率架线 ( k m h 4 ) 国别截面积抗拉强度拉断力抗拉强度( i a c s ) 张力 ( r a m z ) 0 a p a ) ( 御a ) t k , 0 2 , 4 0 日铜1 7 0 3 4 05 7 8 22 1 2 99 7 01 4 7 3 0 0法铜1 5 0 3 5 85 3 72 2 4 29 7 0 2 0 2 5 0 德银铜1 2 0 3 9 54 7 43 7 7 9 6 51 5 1 4 0 中京郑银铜1 2 0 3 6 54 3 83 铝2 9 6 61 5 1 8 0中环行锡银铜1 2 0 3 6 7 54 4 13 5 1 0 9 0 01 5 3 5 0法锡铜1 2 0 5 3 7 56 4 54 8 3 8 7 7 62 4 3 3 0德镁铜1 2 0 5 0 36 0 44 6 56 8 1 2 0 3 0 0 日钢铜1 1 0 6 5 5 7 3 26 0 86 0 , 2 2 0 3 0 0日钢铜1 1 0 4 9 35 4 33 7 38 1 12 1 ) 3 7 0日钢铝1 9 6 3 5 0 6 8 64 6 51 5 2 0 对比国外高速铁路接触线使用现状和国内接触线的生产现状，可看出，我国对京沪轮 轨高速铁酷的要求是相当高的( 抗拉强度 一5 5 0 m p a ，导电率 一8 0 i a c s ，高温抗拉强度 下降率小于1 0 ) ，这将作为我国接触线研究与开发的努力方向。 a 铜及铜合金 ( 1 ) 纯铜接触线 纯铜具有优良的传导性能、耐腐蚀性能及工艺性能，在研究制造接触线初期，人们首 4 第1 章绪论 先考虑到纯铜。纯铜接触线的抗拉强度一般为3 5 0 m p a 。导电率为9 7 5 i a c s ，它是无氧 铜杆拉拔成型后使用的接触导线，其强化仅仅依靠加工硬化来实现，由于强度低，易发生 断线，弓网故障高；抗软化温度低，耐热性能差。此外，纯铜接触导线暴露出来的主要缺 点是耐磨性差，在高速、重载线路上随着牵引电力机车功率增大，电气磨耗随之增大，使 其寿命大大缩短。因此，在高速、重载线路上，纯铜接触导线无法满足要求，只适合在速 度低于2 0 0 k m h 的低速铁路上使用。 ( 2 ) 银铜合金类接触线闭 银铜合金类接触线包括银铜和锡银铜。银铜材质的梯形铜排，电缆行业早有生产的经 验。我国现己生产和标准化( 铁道系统行业标准) 的银铜和锡银铜接触线，其力学性能己 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，德国在r e - 2 5 0 型接触网中使用银铜合金，列车速度可达2 5 0 k m h 。银铜 接触线的软化温度比纯铜接触线大大提高，可以达到3 0 0 c 以上，但是加入银后强度提高 不大，另外银的价钱也较贵。 ( 3 ) 锡铜合金接触线 我国己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 ( 7 0 i _ 虻s ) 。根据工程中接触网设计的具体要求，可用于速度为2 0 0 k m h 以下的接触网 中。现在法国在速度为3 一3 5 0 k n v h 的接触网中研制和试用的锡铜一1 2 0 接触线，常温 抗拉强度和导电率分别可达5 3 7 5 m p a 和7 7 6 i a c s ；对照我国目前的锡铜1 2 0 接触线， 其抗拉强度和导电率分别为3 6 0 8 m p a 和7 0 i a c s ，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，又要保持导电率，要添加第二、第三元素才行，这需要 进一步的研究开发。 ( 4 ) 铬锆铜合金接触线 日本开发的p h c - 1 1 0 接触线晰出强化型铜合金，p r e o p i t a t i o n - h a r d e n e d - c o p p e r ) ，在 c u c r - z r 中添加微量元素m g 、s i 形成多元强化相( c r 相、m 9 2 s i 、c u 3 z r ) 明显提高了铜合 金的高温性能，软基体中的硬质点c r 又大大提高了接触导线的耐磨性能，抗拉强度和导 电率分别可达5 5 5 5 m p a 和7 8 8 i a c s ，其线密度也比较低，这种合金为析出强化型，在 生产中必须进行热处理。将铬锆铜合金做成部件，在国内外的合金厂中都有生产和应用， 但在我国电线电缆厂中要做成大长度的接触线，实现大规模的生产，还缺少大型的热处理 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。 ( 5 ) 镉铜合金接触线 镉铜有比较高的抗拉强度和导电率，但因镉有毒，在生产中危害人体，因此在环保和 劳保还没有妥善解决的条件下，是难于实现大规模生产的。 ( 6 ) 镁铜合金接触线 镁铜合金接触线目前的抗拉强度和导电率可分别达到5 0 3 m p a 和6 8 i i a c s 。若要进 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才行。德国在开发时速达 5 西安理工大学博士学位论文 3 3 0 k i n 的r e - 3 3 0 型接触网中研制的镁铜1 2 0 接触线己进入试运行阶段，并取得了预期的 效果。另外，在大规模生产中，镁是难于连续稳定控制的元素，这些都需进一步研究和开 发。 b 复合金属接触线 ( 1 ) 铝包钢接触线 日本的1 ) 0 1 9 6 和我国的c g l n - 2 5 0 为铝包钢接触线，根据高速接触网用接触线的 要求，这两种接触线，抗拉强度和导电率都比较低，分别为2 1 6 m p a 、3 5 0 m p a 和4 6 3 i a c s 、 4 6 5 i a c s