建全高鐵用銅標準體系

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構材料的應用中占有很重要的地位。隨著我國高鐵技術的快速發展和全球化應用，建全高鐵用銅及銅合金標準體系，是培育和推動銅及銅合金新材料在高鐵領域中的應用，全面實現國產化的重要環節。

高速鐵路是指通過改造原有線路（直線化、軌距標準化），使營運速率達到每小時200千米以上，或者專門修建新的高速新線，使營運速率達到每小時250千米以上的鐵路運輸系統。

高速鐵路由車輛（車體、轉向架、內裝、設備）、輪軌、接觸網導線和受電弓滑板、制動摩擦、路基等組成。其中接觸網導線及零部件和牽引電機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鍵技術要求和檢驗方法標準，建全高速鐵路用銅及銅合金標準體系，是培育和發展銅及銅合金新材料在我國高速鐵路領域中的應用，全面實現國產化的重要環節。

接觸網線夾零部件用銅合金材料標準

電氣化鐵路接觸網是指沿鐵路線路上方架設在空中的用于向電力機車供電的各種線、索及其配套的設施、零部件等。其中各種線夾零部件（包括定位線夾、吊懸線夾、中心錨結線夾及電連接線夾等）主要用于將接觸線吊懸于準確的空中位置、盡可能平直，將承力索和其他設備進行可靠的機械和電氣連接。接觸網零部件連接方式多為鉤、環連接，固定方式為螺栓。它們不僅要承受機械負荷、耐大氣腐蝕，具有較好的應力松弛性，還要有一定的導電性能。因此對配合關系要求不高，但對材料的力學性能和導電性能要求嚴格，采用銅合金材料，與接觸線和承力索為同類材質，可防止產生電化學腐蝕。

表1 鎳硅青銅合金的化學成分

表2 鎳硅青銅合金板帶材的力學性能

表3 鎳硅青銅合金棒材的力學性能

表4 我國牽引電機用銅及銅合金材料標準中規定的8個牌號和化學成分

由中鋁洛陽銅業有限公司、中鐵電氣化局集團寶雞器材有限公司負責起草的國家標準GB/T 30016-2013《接觸網用青銅板帶》、GB/T 30015-2013《接觸網用青銅棒》已頒布實施。標準規定了電氣化高速鐵路接觸網零件用鎳硅青銅合金板帶材和棒材的要求、試驗方法、檢驗規則及標志、包裝、運輸、貯存和質量證明書和合同(或訂貨單)內容。鎳硅青銅合金，其銅含量較高，在95．4%以上，導電性能優于其他銅合金，且可經熱處理強化獲得較高的硬度和強度，還有優良耐蝕、耐磨、抗疲勞性及優良熱冷加工性能，特別適用于接觸網的定位線夾、接觸線接頭線夾、電連接線夾等。GB/T 30016-2013《接觸網用青銅板帶》、GB/T30015-2013《接觸網用青銅棒》標準中規定的鎳硅青銅合金的化學成分和力學性能要求見表1、表2、表3。

GB/T30016-2013《接觸網用青銅板帶》標準TH04狀態的力學性能指標與歐盟EN1652：1998《一般用途的板材、薄板材、帶材和圓形材》R490態的力學性能指標相當，同時增加了硬度要求。GB/T30015-2013《接觸網用青銅棒》標準O60和TQ55狀態的力學性能指標與歐盟EN12163：1998《一般用途的棒材》R380、H100態的力學性能指標相當；TH04狀態的力學性能指標與歐盟標準R490、H150態的力學性能指標相當；TH08狀態的力學性能指標與歐盟標準R640、H180態的力學性能指標相當。

以前我國接觸網各種線夾零部件多使用純銅T2、黃銅H62、H68、鋁青銅材料，但純銅導電率雖然高，強度、硬度和耐磨性較差；黃銅H62、H68雖然有較好的力學性能，但又容易產生應力腐蝕，鋁青銅有好的力學性能和工藝性能、耐磨、耐蝕等優點，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，其具有高強度、優良耐蝕、耐磨、抗疲勞性及優良熱冷加工性能，屬高強耐磨青銅，以前該材料我國幾乎全是進口，經過多年的研發，我國現在已具備鎳硅青銅的批量生產能力，并頒布了國家標準，硅青銅材料實現了在高速鐵路接觸網零部件材料中的完全國產化。

牽引電機用銅及銅合金材料標準

高速列車的牽引電機，功率大，轉速高和環境溫度高，需要高強度、高導電、高導熱的高性能銅合金材料。動車組及高速動車組每列需牽引電機24～48臺，每臺牽引電機約需34kg導電銅型材、80kg鍛造銅合金環材。由寧波博威合金材料股份有限公司、河南源通科技發展有限公司、南車株洲電機有限公司、永濟新時速電機電器有限責任公司負責起草《牽引電機用導電銅合金型材》和《牽引電機用鍛造銅合金環材》國家標準已通過專家審定，現正在待批中。標準規定了牽引電機用導電銅及銅合金型材和鍛環的產品分類、要求、試驗方法、檢驗規則及標志、包裝、運輸、貯存、質量證明書及合同（或訂貨單）等內容。《牽引電機用導電銅及銅合金型材》標準根據我國目前材料應用的實際，選取了國家標準中規定的8個牌號：TU1、TUAg0.1、TP1、TCr1-0.15、TCr1-0.18、H90、HB90-0.1、HCr90-0.3。《牽引電機用鍛造銅合金環材》標準中規定的3個牌號： TU1、TCr1-0.15、TCr1-0.18、，化學成分見表4。

其中TP1等同美國C12000牌號，TCr1-0.15等同美國C18150牌號，H90等同美國C22000牌號，TU1、TUAg0.1、TCr1-0.18、H90是國內常用牌號；HB90-0.1、HCr90-0.3是自主研發的新牌號，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，并保持了材料的導電性。

表5 《牽引電機用導電銅及銅合金型材》的力學性能

表6 《牽引電機用銅及銅合金鍛環》的室溫力學性能

表7 《牽引電機用導電銅及銅合金型材》的電性能

表8 《牽引電機用銅及銅合金鍛環》的電性能

《牽引電機用導電銅及銅合金型材》和《牽引電機用銅及銅合金鍛環》根據生產實測值和需方訂貨技術條件要求確定了的高、低溫力學性能，見表5和表6，電性能見表7和表8。

中國北車集團從2005年開始了鐵路機車和動車技術引進，其牽引電機先后引進了日本東芝、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。中國南車株洲電機、中國北車永濟電機與河南源通、寧波博威等單位合作先后投入了較多的人力、物力和財力，先后開發應用了無氧銅、磷脫氧銅、黃銅、鉻鋯銅等多種規格牌號的軌道交通牽引電機用銅及銅合金材料，并配套進行了的大量焊接工藝性能的驗證和首件試制、模卡試驗和裝機型式試驗，根據端環導條釬焊工藝驗證和各項試驗結果，以及電機實踐運行考核，在此基礎上制定了《牽引電機用導電銅及銅合金型材》和《牽引電機用銅及銅合金鍛環》國家標準。該標準與國外同類的歐盟標準EN13605：2002《銅及銅合金導電用銅型材和型線材》、ASTMB187/B187M-2006《導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》標準主要指標相比，各項性能指標及要求與國外同類標準相當，部分指標優于國外同類標準要求。至此牽引電機用導電銅及銅合金型材鍛環全面實現了國產化，已投入運用的大功率交流傳動電力機車超過1500臺，高速動車組超過200列車，在我國上海、株洲、重慶、西寧、蘭州、向塘、鷹潭、洛陽、襄陽等多個機務段安全運營，單機最大運營公里數超過160萬公里，應用質量穩定。

接觸網導線和承力索用銅及銅合金材料標準

接觸網導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，國家標準GB/T20509-2006《電力機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度。目前，我國研發的擁有完全自主知識產權的高品質銅鎂合金線坯已能完成批量生產，并優于歐盟標準要求，GB/T20509-2006應及時修訂，增加銅鎂合金。

據悉，我國研發的擁有完全自主知識產權的上引連續擠壓制造接觸線、承力索技術已經成熟，幾乎為所有本行業國內企業和國內的合資企業所采用，淘汰了傳統的上引加冷加工成型生產工藝。2012年，中國鐵道總公司已對2005年版的接觸線、承力索鐵道行業標準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》進行了修訂（現已進入審批階段）。修訂后的技術指標全面高于歐盟標準、德國標準的指標。

結語

高速鐵路是國家重大工程建設項目，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構材料的應用中占有重要地位。隨著我國高鐵技術的快速發展和全球化應用，對銅及銅合金材料提出了更高要求，也推動了銅及銅合金新材料的發展。及時建立銅及銅合金新材料標準及配套理化檢測標準體系，對高速鐵路用的銅及銅合金新材料的檢測、結構強度的設計、材料的選用與加工工藝方面提供技術評定依據，可進一步規范高速鐵路用銅及銅合金材料的產品性能、提高產品質量、促進企業技術進步、提升產品的應用及競爭力、促進材料的國產化、提升用戶的信任度，對保障高速鐵路用銅及銅合金材料，滿足高速鐵路建設全面實現國產化和全球化應用具有重要意義。