鐵路用銅合金接觸線制造技術實踐

鐵路用銅合金接觸線制造技術實踐

官珊丹, 張光偉

(贛州江鎢拉法格高鐵銅材有限公司, 江西 贛州341000)

摘要：采用上引連續鑄造—連續擠壓—拉拔工藝制備銅合金接觸線是目前國內較為領先的生產工藝.介紹了生產過程中各個工序發現的問題,通過不斷的生產實踐,確定了工藝控制點,并提出了問題的解決之道.表面渦流探傷儀和DX3深度探傷儀的結合使用,可以確保缺陷的有效控制.通過上述努力,最終實現接觸線主要性能達到且超過鐵路行業標準TB/T 2809—2005的要求.

關鍵詞：銅合金； 接觸線; 生產工藝; 缺陷; 質量控制

收稿日期：2014-12-15

作者簡介：官珊丹(1986—)，女，助理工程師，主要從事金屬材料加工方面的研究.E-mail:275860850@qq.com

中圖分類號：TG 146.1`+1

文獻標志碼：A

Abstract：Producing the copper alloy contact wire by Up-casting-Conform-Drawing is acknowledged to be the domestic leading production technology.However,the problems also exist in every step of the production process.The practice shows that surface eddy current detectors in combination with DX3 deep detectors helped to determine the control points,thus ensure effective control of deficiencies.By using this method the main properties of the contact wire reached and exceeded the requirements of the railway industry standard TB/T 2809—2005.

Keywords：copper alloy; contact wire; production process; defect; quality control

Practising the Manufacturing of Copper Alloy Contact Wire for RailwayGUAN Shandan, ZHANG Guangwei

(Ganzhou Jiangwu Lafarga High-speed Railway Copper Materials

Co., Ltd., Ganzhou 341000, China)

0引言

為確保列車高速運行時能持續不斷地從牽引供電系統中獲得電能,牽引供電系統必須具備良好的弓網配合關系.接觸線作為電氣化鐵路弓網關系的重要介質,是接觸網中重要的組成部分.但接觸線工作環境惡劣,需要承受沖擊、振動、溫差變化、環境腐蝕、磨耗、電火花燒蝕和極大的工作張力,其性能直接影響高速列車的行車安全.所以,如何確保接觸線產品,尤其是銅合金接觸線產品連續、均勻和穩定的力學性能及電性能,成為各個生產企業必須解決的問題.

目前,國內生產銅合金接觸線采用的領先工藝為上引連擠工藝.該工藝生產出的產品,可確保在提高材料力學性能的同時,保證接觸線的導電性能.但該生產工藝,需要在生產的全過程中,對各個工序的工藝參數及生產裝備、條件進行有效控制,才能確保銅合金接觸線產品的性能均勻、穩定及連續.

本文就銅合金接觸線的各個生產工序的關鍵工藝及控制點進行了研究,并介紹了如何有效避免生產過程中各種質量問題的產生.

1工藝簡介

生產銅合金接觸線產品,目前采用的較為成熟的生產工藝為上引連鑄銅桿,經過連續擠壓再結晶強化后,再經過二輥冷軋機的冷加工變形,最后經過接觸線拉拔機,拉制成所需規格的銅合金接觸線產品,工藝流程如圖1所示.通過將合金含量控制在一定的范圍內,經過該工藝后,其所有的性能指標均可達到鐵標TB/T 2809—2005的要求.

圖1工藝流程圖

Fig.1Process flow chart

2上引連鑄

采用上引連鑄爐生產制造接觸線桿坯.上引連鑄爐是工頻感應爐,主要原理是通過熔溝內大電流產生電磁力,爐內銅液在電磁力攪拌下充分混合,合金元素在銅液中均勻分布.另外,上引連鑄爐中熔化腔和保溫腔之間有過渡腔,銅液從熔化腔經過渡腔流入保溫腔時避免直接流入,這不僅有利于銅液溫度和液位的平穩,同時可以比較容易地在過渡腔內清除渣質.這樣保溫腔內銅液的溫度穩定,成分均勻,液位平穩,銅液清潔,從而保證了通過上引爐生產的接觸線桿坯整線強度的均勻一致性,有效防止了接觸線出現局部強度低的情況.

表1為TB/T 2809—2005標準中對銅合金主要化學成分質量分數的要求.由于銅錫、銅鎂合金在熔煉過程中極易與氧反應形成硬脆相,降低合金桿的力學性能,對此,應嚴格控制爐溫、引速、冷卻強度和木炭覆蓋層厚度等工藝參數以及加料計算、操作過程,同時采用爐前取樣檢測的監控手段,很大程度地降低了合金的燒損,確保了合金成分的均勻.

通過不斷的試驗,發現在上引連鑄工序中易出現的質量缺陷主要有夾渣、裂紋和空心.通過不斷的摸索及工藝試驗,查找并確定了造成各類質量缺陷的原因,并制定了解決辦法,見表2.

表1　TB/T 2809—2005中銅合金的主要化學成分

表2　上引連鑄產品的主要缺陷及產生原因

3連續擠壓

連續擠壓機的工作原理:通過電機旋轉帶動擠壓輪,桿坯進入擠壓輪輪槽,由于槽壁的摩擦力作用,桿坯被牽引到由擠壓輪和腔體形成的弧形擠壓腔內,在高壓和高溫作用下,桿坯通過模口擠出,形成管材或者型材產品.

金屬在模腔內受3向壓應力作用,塑性得到最好的發揮,并且由于擠壓死區的存在,桿坯的表面質量得到了很大提高.在擠壓過程中,坯料溫度在短時間內迅速升高到500℃以上,腔體內壓強達到1 000 MPa左右.

上引連鑄銅合金桿在擠壓過程中發生動態再結晶,與傳統工藝相比,形成的晶粒更為細小、均勻,晶粒間直徑差別更小,含氧質量分數<0.001 0%.擠壓設備采用國內具備銅鎂合金生產成熟設計制造經驗的廠家生產,其優勢在于:銅桿經過擠壓,內部晶粒細小,組織均勻一致,可有效提高接觸線的抗拉強度、導電率和疲勞強度,且設備狀態穩定,便于連續作業.

擠壓工序的生產關鍵除了與擠壓本身的工藝參數及設備穩定性密切相關外,還有以下幾點關鍵因素,直接影響擠壓產品的表面質量:

(1) 上引銅桿的存儲時間不宜過長,以防止表面灰層、油污、氧化皮多,且受潮嚴重.

(2) 擠壓前,銅桿應經過清潔設備,將表面的灰層、油污清刷干凈.

(3) 擠壓前,銅桿應經過干燥設備,將表面的水分去除,以防止起泡.

(4) 生產不同牌號的產品時,應當選擇不同的擠壓速度,這樣才能保證擠壓機的正常運轉.

表3為連續擠壓產品的主要缺陷及產生原因.

表3　連續擠壓產品的主要缺陷及產生原因

4接觸線拉拔

接觸線成型采用4模連續拉伸巨拉機組,各拉絲鼓輪采用單獨電機驅動,配模方式靈活,拉絲鼓輪表面光滑,并略帶錐體設計,避免了線與線之間相互滑動而產生的擦傷,提高了接觸線的表面質量.拉絲鼓輪采用內外水循環系統進行冷卻,冷卻充分,確保鼓輪內銅線不致過熱,有效提高了拉拔線速度.

在拉拔過程中,為了生產出表面優良、性能合格并穩定的接觸線成品,除了與原料桿的質量密切相關外,還與拉拔過程中的各種工藝參數及工藝條件密不可分.突出表現在冷卻水的冷卻部位、冷卻強度、模具配置、模具材質及生產中系數的調整等.

表4、表5為鐵標TB/T 2809—2005中對銅合金接觸線產品性能的要求.表6為拉拔產品的主要缺陷、產生原因及解決辦法.

表4　電阻率

表5　不同型號接觸線的力學性能

表6　拉拔產品的主要缺陷及產生原因

5檢測

5.1　表面質量檢測

目前使用較多的表面檢測設備是渦流探傷儀.其原理是利用導電材料在交變磁場中產生渦流的性質,檢測導電材料疊加磁場的變化信號以表征材料缺陷.該設備設計精密,探測準確率高,運轉穩定,誤報率小,可調節頻率以滿足不同深度的探測需求.

5.2　內部缺陷檢測

除配備有傳統的渦流探傷儀檢測表面外,還配置了深度探傷儀.該檢測設備專用于接觸線類產品的在線檢驗,能夠探測產品內部的瑕疵,檢驗精度高、設備靈敏性好、信息分析準確,可發現產品內部的裂紋、孔洞等瑕疵.設備與機臺聯動,已實現開機自動記錄,遇缺陷自動停機.

5.3　性能檢測

根據鐵標TB/T 2809—2005的要求,需對標準中規定的所有性能指標進行檢測,以確保銅合金接觸線產品滿足用戶的使用要求.通過“上引連鑄—連續擠壓—拉拔”工藝,產品的實測性能見表7,全部符合標準要求,滿足用戶的使用需求.

表7　接觸線產品實測性能

6結論

(1) 上引連鑄的關鍵工藝在于爐溫、引速、冷卻強度和木炭覆蓋層厚度的控制.

(2) 連續擠壓的關鍵控制點在于上引銅桿的表面狀況、存儲時間及擠壓速度.

(3) 接觸線拉拔的生產關鍵控制點在于拉拔系數的調整、乳化液的潤滑、模具的材質及配置等.

(4) 接觸線的檢測手段,應采用表面渦流探傷檢測及內部深度探傷檢測相結合,以確保真正做到缺陷的有效控制.

(5) 使用“上引連鑄—連續擠壓—拉拔”工藝,在連續擠壓工序,上引的鑄態組織經過再結晶后變為超細的晶粒,可以大大提高產品的強度并保證了一定的導電率.因為拉拔進桿為軟態產品,可以降低勞動強度,規避了一定的操作風險,并且能有效地提高拉拔工序的生產效率,具有較高的經濟和社會效益.

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