建全高铁用铜标准体系

杨丽娟 |文

高铁虽然每年用铜量不大，但铜及铜合金材料在高速铁路结构材料的应用中占有很重要的地位。随着我国高铁技术的快速发展和全球化应用，建全高铁用铜及铜合金标准体系，是培育和推动铜及铜合金新材料在高铁领域中的应用，全面实现国产化的重要环节。

高速铁路是指通过改造原有线路（直线化、轨距标准化），使营运速率达到每小时200千米以上，或者专门修建新的高速新线，使营运速率达到每小时250千米以上的铁路运输系统。

高速铁路由车辆（车体、转向架、内装、设备）、轮轨、接触网导线和受电弓滑板、制动摩擦、路基等组成。其中接触网导线及零部件和牵引电机用材料采用铜及铜合金材料。研究高速铁路用铜及铜合金材料关键技术要求和检验方法标准，建全高速铁路用铜及铜合金标准体系，是培育和发展铜及铜合金新材料在我国高速铁路领域中的应用，全面实现国产化的重要环节。

接触网线夹零部件用铜合金材料标准

电气化铁路接触网是指沿铁路线路上方架设在空中的用于向电力机车供电的各种线、索及其配套的设施、零部件等。其中各种线夹零部件（包括定位线夹、吊悬线夹、中心锚结线夹及电连接线夹等）主要用于将接触线吊悬于准确的空中位置、尽可能平直，将承力索和其他设备进行可靠的机械和电气连接。接触网零部件连接方式多为钩、环连接，固定方式为螺栓。它们不仅要承受机械负荷、耐大气腐蚀，具有较好的应力松弛性，还要有一定的导电性能。因此对配合关系要求不高，但对材料的力学性能和导电性能要求严格，采用铜合金材料，与接触线和承力索为同类材质，可防止产生电化学腐蚀。

表1 镍硅青铜合金的化学成分

表2 镍硅青铜合金板带材的力学性能

表3 镍硅青铜合金棒材的力学性能

表4 我国牵引电机用铜及铜合金材料标准中规定的8个牌号和化学成分

由中铝洛阳铜业有限公司、中铁电气化局集团宝鸡器材有限公司负责起草的国家标准GB/T 30016-2013《接触网用青铜板带》、GB/T 30015-2013《接触网用青铜棒》已颁布实施。标准规定了电气化高速铁路接触网零件用镍硅青铜合金板带材和棒材的要求、试验方法、检验规则及标志、包装、运输、贮存和质量证明书和合同(或订货单)内容。镍硅青铜合金，其铜含量较高，在95．4%以上，导电性能优于其他铜合金，且可经热处理强化获得较高的硬度和强度，还有优良耐蚀、耐磨、抗疲劳性及优良热冷加工性能，特别适用于接触网的定位线夹、接触线接头线夹、电连接线夹等。GB/T 30016-2013《接触网用青铜板带》、GB/T30015-2013《接触网用青铜棒》标准中规定的镍硅青铜合金的化学成分和力学性能要求见表1、表2、表3。

GB/T30016-2013《接触网用青铜板带》标准TH04状态的力学性能指标与欧盟EN1652：1998《一般用途的板材、薄板材、带材和圆形材》R490态的力学性能指标相当，同时增加了硬度要求。GB/T30015-2013《接触网用青铜棒》标准O60和TQ55状态的力学性能指标与欧盟EN12163：1998《一般用途的棒材》R380、H100态的力学性能指标相当；TH04状态的力学性能指标与欧盟标准R490、H150态的力学性能指标相当；TH08状态的力学性能指标与欧盟标准R640、H180态的力学性能指标相当。

以前我国接触网各种线夹零部件多使用纯铜T2、黄铜H62、H68、铝青铜材料，但纯铜导电率虽然高，强度、硬度和耐磨性较差；黄铜H62、H68虽然有较好的力学性能，但又容易产生应力腐蚀，铝青铜有好的力学性能和工艺性能、耐磨、耐蚀等优点，但由于凝固范围窄，易生成集中缩孔。而欧洲、日本广泛采用镍硅青铜材料，其具有高强度、优良耐蚀、耐磨、抗疲劳性及优良热冷加工性能，属高强耐磨青铜，以前该材料我国几乎全是进口，经过多年的研发，我国现在已具备镍硅青铜的批量生产能力，并颁布了国家标准，硅青铜材料实现了在高速铁路接触网零部件材料中的完全国产化。

牵引电机用铜及铜合金材料标准

高速列车的牵引电机，功率大，转速高和环境温度高，需要高强度、高导电、高导热的高性能铜合金材料。动车组及高速动车组每列需牵引电机24～48台，每台牵引电机约需34kg导电铜型材、80kg锻造铜合金环材。由宁波博威合金材料股份有限公司、河南源通科技发展有限公司、南车株洲电机有限公司、永济新时速电机电器有限责任公司负责起草《牵引电机用导电铜合金型材》和《牵引电机用锻造铜合金环材》国家标准已通过专家审定，现正在待批中。标准规定了牵引电机用导电铜及铜合金型材和锻环的产品分类、要求、试验方法、检验规则及标志、包装、运输、贮存、质量证明书及合同（或订货单）等内容。《牵引电机用导电铜及铜合金型材》标准根据我国目前材料应用的实际，选取了国家标准中规定的8个牌号：TU1、TUAg0.1、TP1、TCr1-0.15、TCr1-0.18、H90、HB90-0.1、HCr90-0.3。《牵引电机用锻造铜合金环材》标准中规定的3个牌号： TU1、TCr1-0.15、TCr1-0.18、，化学成分见表4。

其中TP1等同美国C12000牌号，TCr1-0.15等同美国C18150牌号，H90等同美国C22000牌号，TU1、TUAg0.1、TCr1-0.18、H90是国内常用牌号；HB90-0.1、HCr90-0.3是自主研发的新牌号，HB90-0.1是在H90黄铜中加入硼，HCr90-0.3是在H90黄铜中加入铬，改善了材料的耐蚀性和抗软化性，并保持了材料的导电性。

表5 《牵引电机用导电铜及铜合金型材》的力学性能

表6 《牵引电机用铜及铜合金锻环》的室温力学性能

表7 《牵引电机用导电铜及铜合金型材》的电性能

表8 《牵引电机用铜及铜合金锻环》的电性能

《牵引电机用导电铜及铜合金型材》和《牵引电机用铜及铜合金锻环》根据生产实测值和需方订货技术条件要求确定了的高、低温力学性能，见表5和表6，电性能见表7和表8。

中国北车集团从2005年开始了铁路机车和动车技术引进，其牵引电机先后引进了日本东芝、日立、三菱，法国阿尔斯通，德国西门子，美国GE、EMD等国外知名公司的技术。中国南车株洲电机、中国北车永济电机与河南源通、宁波博威等单位合作先后投入了较多的人力、物力和财力，先后开发应用了无氧铜、磷脱氧铜、黄铜、铬锆铜等多种规格牌号的轨道交通牵引电机用铜及铜合金材料，并配套进行了的大量焊接工艺性能的验证和首件试制、模卡试验和装机型式试验，根据端环导条钎焊工艺验证和各项试验结果，以及电机实践运行考核，在此基础上制定了《牵引电机用导电铜及铜合金型材》和《牵引电机用铜及铜合金锻环》国家标准。该标准与国外同类的欧盟标准EN13605：2002《铜及铜合金导电用铜型材和型线材》、ASTMB187/B187M-2006《导电用铜棒材和型材及一般用途的棒材和型材》和EN12420-1999《铜及铜合金煅件》标准主要指标相比，各项性能指标及要求与国外同类标准相当，部分指标优于国外同类标准要求。至此牵引电机用导电铜及铜合金型材锻环全面实现了国产化，已投入运用的大功率交流传动电力机车超过1500台，高速动车组超过200列车，在我国上海、株洲、重庆、西宁、兰州、向塘、鹰潭、洛阳、襄阳等多个机务段安全运营，单机最大运营公里数超过160万公里，应用质量稳定。

接触网导线和承力索用铜及铜合金材料标准

接触网导线采用的铜及铜合金材料有纯铜、铜银合金、铜镁合金、铜锡合金等，承力索为铜镁合金，国家标准GB/T20509-2006《电力机车接触材料用铜及铜合金线坯》适用于直径18mm～25mm、供高速电气化铁路接触材料用铜及铜合金线坯。包括纯铜、铜银合金、铜锡合金，但缺铜镁合金，铜镁合金比铜锡合金有更高的强度。目前，我国研发的拥有完全自主知识产权的高品质铜镁合金线坯已能完成批量生产，并优于欧盟标准要求，GB/T20509-2006应及时修订，增加铜镁合金。

据悉，我国研发的拥有完全自主知识产权的上引连续挤压制造接触线、承力索技术已经成熟，几乎为所有本行业国内企业和国内的合资企业所采用，淘汰了传统的上引加冷加工成型生产工艺。2012年，中国铁道总公司已对2005年版的接触线、承力索铁道行业标准TB/T2809-2005《电气化铁道用铜及铜合金接触线》、TB/T3111-2005《电气化铁道用铜及铜合金绞线》进行了修订（现已进入审批阶段）。修订后的技术指标全面高于欧盟标准、德国标准的指标。

结语

高速铁路是国家重大工程建设项目，虽然每年用铜量不超过10万吨，但铜及铜合金材料在高速铁路结构材料的应用中占有重要地位。随着我国高铁技术的快速发展和全球化应用，对铜及铜合金材料提出了更高要求，也推动了铜及铜合金新材料的发展。及时建立铜及铜合金新材料标准及配套理化检测标准体系，对高速铁路用的铜及铜合金新材料的检测、结构强度的设计、材料的选用与加工工艺方面提供技术评定依据，可进一步规范高速铁路用铜及铜合金材料的产品性能、提高产品质量、促进企业技术进步、提升产品的应用及竞争力、促进材料的国产化、提升用户的信任度，对保障高速铁路用铜及铜合金材料，满足高速铁路建设全面实现国产化和全球化应用具有重要意义。