楊麗娟 |文

高鐵雖然每年用銅量不大，但銅及銅合金材料在高速鐵路結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用中占有很重要的地位。隨著我國高鐵技術(shù)的快速發(fā)展和全球化應(yīng)用，建全高鐵用銅及銅合金標(biāo)準(zhǔn)體系，是培育和推動(dòng)銅及銅合金新材料在高鐵領(lǐng)域中的應(yīng)用，全面實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化的重要環(huán)節(jié)。

高速鐵路是指通過改造原有線路（直線化、軌距標(biāo)準(zhǔn)化），使?fàn)I運(yùn)速率達(dá)到每小時(shí)200千米以上，或者專門修建新的高速新線，使?fàn)I運(yùn)速率達(dá)到每小時(shí)250千米以上的鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)。

高速鐵路由車輛（車體、轉(zhuǎn)向架、內(nèi)裝、設(shè)備）、輪軌、接觸網(wǎng)導(dǎo)線和受電弓滑板、制動(dòng)摩擦、路基等組成。其中接觸網(wǎng)導(dǎo)線及零部件和牽引電機(jī)用材料采用銅及銅合金材料。研究高速鐵路用銅及銅合金材料關(guān)鍵技術(shù)要求和檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)，建全高速鐵路用銅及銅合金標(biāo)準(zhǔn)體系，是培育和發(fā)展銅及銅合金新材料在我國高速鐵路領(lǐng)域中的應(yīng)用，全面實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化的重要環(huán)節(jié)。

接觸網(wǎng)線夾零部件用銅合金材料標(biāo)準(zhǔn)

電氣化鐵路接觸網(wǎng)是指沿鐵路線路上方架設(shè)在空中的用于向電力機(jī)車供電的各種線、索及其配套的設(shè)施、零部件等。其中各種線夾零部件（包括定位線夾、吊懸線夾、中心錨結(jié)線夾及電連接線夾等）主要用于將接觸線吊懸于準(zhǔn)確的空中位置、盡可能平直，將承力索和其他設(shè)備進(jìn)行可靠的機(jī)械和電氣連接。接觸網(wǎng)零部件連接方式多為鉤、環(huán)連接，固定方式為螺栓。它們不僅要承受機(jī)械負(fù)荷、耐大氣腐蝕，具有較好的應(yīng)力松弛性，還要有一定的導(dǎo)電性能。因此對(duì)配合關(guān)系要求不高，但對(duì)材料的力學(xué)性能和導(dǎo)電性能要求嚴(yán)格，采用銅合金材料，與接觸線和承力索為同類材質(zhì)，可防止產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。

表1 鎳硅青銅合金的化學(xué)成分

表2 鎳硅青銅合金板帶材的力學(xué)性能

表3 鎳硅青銅合金棒材的力學(xué)性能

表4 我國牽引電機(jī)用銅及銅合金材料標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的8個(gè)牌號(hào)和化學(xué)成分

由中鋁洛陽銅業(yè)有限公司、中鐵電氣化局集團(tuán)寶雞器材有限公司負(fù)責(zé)起草的國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 30016-2013《接觸網(wǎng)用青銅板帶》、GB/T 30015-2013《接觸網(wǎng)用青銅棒》已頒布實(shí)施。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了電氣化高速鐵路接觸網(wǎng)零件用鎳硅青銅合金板帶材和棒材的要求、試驗(yàn)方法、檢驗(yàn)規(guī)則及標(biāo)志、包裝、運(yùn)輸、貯存和質(zhì)量證明書和合同(或訂貨單)內(nèi)容。鎳硅青銅合金，其銅含量較高，在95．4%以上，導(dǎo)電性能優(yōu)于其他銅合金，且可經(jīng)熱處理強(qiáng)化獲得較高的硬度和強(qiáng)度，還有優(yōu)良耐蝕、耐磨、抗疲勞性及優(yōu)良熱冷加工性能，特別適用于接觸網(wǎng)的定位線夾、接觸線接頭線夾、電連接線夾等。GB/T 30016-2013《接觸網(wǎng)用青銅板帶》、GB/T30015-2013《接觸網(wǎng)用青銅棒》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的鎳硅青銅合金的化學(xué)成分和力學(xué)性能要求見表1、表2、表3。

GB/T30016-2013《接觸網(wǎng)用青銅板帶》標(biāo)準(zhǔn)TH04狀態(tài)的力學(xué)性能指標(biāo)與歐盟EN1652：1998《一般用途的板材、薄板材、帶材和圓形材》R490態(tài)的力學(xué)性能指標(biāo)相當(dāng)，同時(shí)增加了硬度要求。GB/T30015-2013《接觸網(wǎng)用青銅棒》標(biāo)準(zhǔn)O60和TQ55狀態(tài)的力學(xué)性能指標(biāo)與歐盟EN12163：1998《一般用途的棒材》R380、H100態(tài)的力學(xué)性能指標(biāo)相當(dāng)；TH04狀態(tài)的力學(xué)性能指標(biāo)與歐盟標(biāo)準(zhǔn)R490、H150態(tài)的力學(xué)性能指標(biāo)相當(dāng)；TH08狀態(tài)的力學(xué)性能指標(biāo)與歐盟標(biāo)準(zhǔn)R640、H180態(tài)的力學(xué)性能指標(biāo)相當(dāng)。

以前我國接觸網(wǎng)各種線夾零部件多使用純銅T2、黃銅H62、H68、鋁青銅材料，但純銅導(dǎo)電率雖然高，強(qiáng)度、硬度和耐磨性較差；黃銅H62、H68雖然有較好的力學(xué)性能，但又容易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，鋁青銅有好的力學(xué)性能和工藝性能、耐磨、耐蝕等優(yōu)點(diǎn)，但由于凝固范圍窄，易生成集中縮孔。而歐洲、日本廣泛采用鎳硅青銅材料，其具有高強(qiáng)度、優(yōu)良耐蝕、耐磨、抗疲勞性及優(yōu)良熱冷加工性能，屬高強(qiáng)耐磨青銅，以前該材料我國幾乎全是進(jìn)口，經(jīng)過多年的研發(fā)，我國現(xiàn)在已具備鎳硅青銅的批量生產(chǎn)能力，并頒布了國家標(biāo)準(zhǔn)，硅青銅材料實(shí)現(xiàn)了在高速鐵路接觸網(wǎng)零部件材料中的完全國產(chǎn)化。

牽引電機(jī)用銅及銅合金材料標(biāo)準(zhǔn)

高速列車的牽引電機(jī)，功率大，轉(zhuǎn)速高和環(huán)境溫度高，需要高強(qiáng)度、高導(dǎo)電、高導(dǎo)熱的高性能銅合金材料。動(dòng)車組及高速動(dòng)車組每列需牽引電機(jī)24～48臺(tái)，每臺(tái)牽引電機(jī)約需34kg導(dǎo)電銅型材、80kg鍛造銅合金環(huán)材。由寧波博威合金材料股份有限公司、河南源通科技發(fā)展有限公司、南車株洲電機(jī)有限公司、永濟(jì)新時(shí)速電機(jī)電器有限責(zé)任公司負(fù)責(zé)起草《牽引電機(jī)用導(dǎo)電銅合金型材》和《牽引電機(jī)用鍛造銅合金環(huán)材》國家標(biāo)準(zhǔn)已通過專家審定，現(xiàn)正在待批中。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了牽引電機(jī)用導(dǎo)電銅及銅合金型材和鍛環(huán)的產(chǎn)品分類、要求、試驗(yàn)方法、檢驗(yàn)規(guī)則及標(biāo)志、包裝、運(yùn)輸、貯存、質(zhì)量證明書及合同（或訂貨單）等內(nèi)容?！稜恳姍C(jī)用導(dǎo)電銅及銅合金型材》標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)我國目前材料應(yīng)用的實(shí)際，選取了國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的8個(gè)牌號(hào)：TU1、TUAg0.1、TP1、TCr1-0.15、TCr1-0.18、H90、HB90-0.1、HCr90-0.3?！稜恳姍C(jī)用鍛造銅合金環(huán)材》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的3個(gè)牌號(hào)： TU1、TCr1-0.15、TCr1-0.18、，化學(xué)成分見表4。

其中TP1等同美國C12000牌號(hào)，TCr1-0.15等同美國C18150牌號(hào)，H90等同美國C22000牌號(hào)，TU1、TUAg0.1、TCr1-0.18、H90是國內(nèi)常用牌號(hào)；HB90-0.1、HCr90-0.3是自主研發(fā)的新牌號(hào)，HB90-0.1是在H90黃銅中加入硼，HCr90-0.3是在H90黃銅中加入鉻，改善了材料的耐蝕性和抗軟化性，并保持了材料的導(dǎo)電性。

表5 《牽引電機(jī)用導(dǎo)電銅及銅合金型材》的力學(xué)性能

表6 《牽引電機(jī)用銅及銅合金鍛環(huán)》的室溫力學(xué)性能

表7 《牽引電機(jī)用導(dǎo)電銅及銅合金型材》的電性能

表8 《牽引電機(jī)用銅及銅合金鍛環(huán)》的電性能

《牽引電機(jī)用導(dǎo)電銅及銅合金型材》和《牽引電機(jī)用銅及銅合金鍛環(huán)》根據(jù)生產(chǎn)實(shí)測(cè)值和需方訂貨技術(shù)條件要求確定了的高、低溫力學(xué)性能，見表5和表6，電性能見表7和表8。

中國北車集團(tuán)從2005年開始了鐵路機(jī)車和動(dòng)車技術(shù)引進(jìn)，其牽引電機(jī)先后引進(jìn)了日本東芝、日立、三菱，法國阿爾斯通，德國西門子，美國GE、EMD等國外知名公司的技術(shù)。中國南車株洲電機(jī)、中國北車永濟(jì)電機(jī)與河南源通、寧波博威等單位合作先后投入了較多的人力、物力和財(cái)力，先后開發(fā)應(yīng)用了無氧銅、磷脫氧銅、黃銅、鉻鋯銅等多種規(guī)格牌號(hào)的軌道交通牽引電機(jī)用銅及銅合金材料，并配套進(jìn)行了的大量焊接工藝性能的驗(yàn)證和首件試制、模卡試驗(yàn)和裝機(jī)型式試驗(yàn)，根據(jù)端環(huán)導(dǎo)條釬焊工藝驗(yàn)證和各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果，以及電機(jī)實(shí)踐運(yùn)行考核，在此基礎(chǔ)上制定了《牽引電機(jī)用導(dǎo)電銅及銅合金型材》和《牽引電機(jī)用銅及銅合金鍛環(huán)》國家標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)與國外同類的歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN13605：2002《銅及銅合金導(dǎo)電用銅型材和型線材》、ASTMB187/B187M-2006《導(dǎo)電用銅棒材和型材及一般用途的棒材和型材》和EN12420-1999《銅及銅合金煅件》標(biāo)準(zhǔn)主要指標(biāo)相比，各項(xiàng)性能指標(biāo)及要求與國外同類標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)，部分指標(biāo)優(yōu)于國外同類標(biāo)準(zhǔn)要求。至此牽引電機(jī)用導(dǎo)電銅及銅合金型材鍛環(huán)全面實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化，已投入運(yùn)用的大功率交流傳動(dòng)電力機(jī)車超過1500臺(tái)，高速動(dòng)車組超過200列車，在我國上海、株洲、重慶、西寧、蘭州、向塘、鷹潭、洛陽、襄陽等多個(gè)機(jī)務(wù)段安全運(yùn)營，單機(jī)最大運(yùn)營公里數(shù)超過160萬公里，應(yīng)用質(zhì)量穩(wěn)定。

接觸網(wǎng)導(dǎo)線和承力索用銅及銅合金材料標(biāo)準(zhǔn)

接觸網(wǎng)導(dǎo)線采用的銅及銅合金材料有純銅、銅銀合金、銅鎂合金、銅錫合金等，承力索為銅鎂合金，國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T20509-2006《電力機(jī)車接觸材料用銅及銅合金線坯》適用于直徑18mm～25mm、供高速電氣化鐵路接觸材料用銅及銅合金線坯。包括純銅、銅銀合金、銅錫合金，但缺銅鎂合金，銅鎂合金比銅錫合金有更高的強(qiáng)度。目前，我國研發(fā)的擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高品質(zhì)銅鎂合金線坯已能完成批量生產(chǎn)，并優(yōu)于歐盟標(biāo)準(zhǔn)要求，GB/T20509-2006應(yīng)及時(shí)修訂，增加銅鎂合金。

據(jù)悉，我國研發(fā)的擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的上引連續(xù)擠壓制造接觸線、承力索技術(shù)已經(jīng)成熟，幾乎為所有本行業(yè)國內(nèi)企業(yè)和國內(nèi)的合資企業(yè)所采用，淘汰了傳統(tǒng)的上引加冷加工成型生產(chǎn)工藝。2012年，中國鐵道總公司已對(duì)2005年版的接觸線、承力索鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T2809-2005《電氣化鐵道用銅及銅合金接觸線》、TB/T3111-2005《電氣化鐵道用銅及銅合金絞線》進(jìn)行了修訂（現(xiàn)已進(jìn)入審批階段）。修訂后的技術(shù)指標(biāo)全面高于歐盟標(biāo)準(zhǔn)、德國標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)。

結(jié)語

高速鐵路是國家重大工程建設(shè)項(xiàng)目，雖然每年用銅量不超過10萬噸，但銅及銅合金材料在高速鐵路結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用中占有重要地位。隨著我國高鐵技術(shù)的快速發(fā)展和全球化應(yīng)用，對(duì)銅及銅合金材料提出了更高要求，也推動(dòng)了銅及銅合金新材料的發(fā)展。及時(shí)建立銅及銅合金新材料標(biāo)準(zhǔn)及配套理化檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)體系，對(duì)高速鐵路用的銅及銅合金新材料的檢測(cè)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的設(shè)計(jì)、材料的選用與加工工藝方面提供技術(shù)評(píng)定依據(jù)，可進(jìn)一步規(guī)范高速鐵路用銅及銅合金材料的產(chǎn)品性能、提高產(chǎn)品質(zhì)量、促進(jìn)企業(yè)技術(shù)進(jìn)步、提升產(chǎn)品的應(yīng)用及競爭力、促進(jìn)材料的國產(chǎn)化、提升用戶的信任度，對(duì)保障高速鐵路用銅及銅合金材料，滿足高速鐵路建設(shè)全面實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化和全球化應(yīng)用具有重要意義。