EP0702375A2 - Oberleitungsdraht einer elektrischen Hochgeschwindigkeitsbahnstrecke und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

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EP0702375A2
EP0702375A2 EP95113311A EP95113311A EP0702375A2 EP 0702375 A2 EP0702375 A2 EP 0702375A2 EP 95113311 A EP95113311 A EP 95113311A EP 95113311 A EP95113311 A EP 95113311A EP 0702375 A2 EP0702375 A2 EP 0702375A2
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EP
European Patent Office
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wire
deformation
alloy
product
cold
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EP0702375B1 (de
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Christian Dr. Kuhrt
Arno Fink
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Siemens AG
Siemens Corp
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Siemens Corp
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B1/00—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
    • H01B1/02—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of metals or alloys
    • H01B1/026—Alloys based on copper
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C9/00—Alloys based on copper

Definitions

  • the invention relates to a catenary wire of a high-speed electrical railway line with a tensile strength (R m ) of the wire of at least 550 MPa and an electrical conductivity ( ⁇ ) of at least 65%, based on that of annealed pure copper according to the International Annealed Copper Standard (IACS) .
  • the invention further relates to a method for producing such an overhead contact wire.
  • Such an overhead contact wire and a corresponding manufacturing method are described in ER 0 569 036 A.
  • the contact wire material is therefore subject to the highest demands with regard to its mechanical tensile strength R m with high electrical conductivity ⁇ at the same time.
  • a CuAg alloy with an Ag content of 0.1% by weight Ag content is used for the contact wire of the Re250 control overhead line from Deutsche Bahn AG with a grooved profile and 120 mm2 diameter.
  • This alloy has a tensile strength R m of about 350 MPa (N / mm2) with a conductivity ⁇ of about 95%, based on that of annealed pure Cu according to IACS (International Annealed Copper Standard).
  • the contact wire is designed for regular operation at speeds of up to 250 km / h. Taking into account an unavoidable wear, it is prestressed at 125 MPa, ie with about 36% of its tensile strength ⁇ or a safety margin against breakage of about 2.8 (cf.
  • a contact wire pretension of up to 200 MPa is required to design the overhead contact line for regular operation at high speeds of over 300 km / h. Based on the aforementioned safety margin, this requires a contact wire alloy with a minimum tensile strength ⁇ of approximately 550 MPa. The tensile strength is determined by tensile tests according to DIN 50145/46 (cf. the book “Materials in Electrical Engineering” by H. Fischer, 3rd edition, G. Hanser Verlag Kunststoff Vienna, 1987, pages 113 to 121).
  • Such a high minimum tensile strength can be achieved, for example, with Cu alloys to be taken from the EP-A mentioned.
  • one of these alloys consists of the components Cr (0.1 to 1%), Zr (0.01 to 0.3%), Mg (0.001 to 0.05%), O (maximum 10 ppm) and Cu (balance) together including unavoidable impurities.
  • the selected composition of the alloy means that a casting strand obtained from the melted components must be cooled very quickly after hot rolling to an initial wire, either by immersing it in a water or oil bath, or after a slower air cooling, then an additional heat treatment (solution annealing) with rapid cooling must be subjected.
  • the preform obtained in this way is then subjected to a number of cold deformations which are interrupted by precipitation annealing. Because of the generally necessary rapid cooling of the preliminary product from the solution temperature (860-1000 ° C.), the known method is relatively complex and therefore not very suitable for commercial wire production.
  • the object of the present invention is to provide a catenary wire made of a material which, on the one hand, meets the minimum requirements mentioned with regard to the mechanical tensile strength R m and the electrical conductivity ⁇ and, on the other hand, enables the wire to be produced in a simplified manner compared to the known methods.
  • the catenary wire consists of an at least 5-component, hardenable Cu a Cr b Zr c Mg d X e alloy, where X is an element from the group of the elements Al, P, S, Fe, Ni , Zn, Ag, Cd, In, Sn, Sb and Bi and should apply to the components (each in percent by weight): 0.2 ⁇ b ⁇ 0.8, 0.02 ⁇ c ⁇ 0.4, 0.01 ⁇ d ⁇ 0.2, 0.01 ⁇ e ⁇ 0.4, With a + b + c + d + e ⁇ 100 including unavoidable pollution elements.
  • the invention is based on the knowledge that, with the choice of the Mg component in combination with the stated proportions of the other components, a special treatment of the wire precursor in the form of rapid cooling from the melting or solution temperature can advantageously be dispensed with .
  • a melted from the alloy according to the invention then normal in the usual way, for example from 1200 ° C. to room temperature in 5 to 10 minutes, cooled and optionally still, for example, pre-deformed starting product or wire preliminary product by hot rolling only needs to be cold-formed and stored in order to obtain a wire with the desired properties.
  • the materials to be selected for the X component (5th component) advantageously increase the yield strength of the Cu alloy and improve the formability of the wire intermediate. These properties are particularly important if only one single cold forming is to be provided in the manufacture of the wire.
  • the wire according to the invention has a Si-free Cu alloy.
  • an Si component By avoiding an Si component, an undesirable reduction in the electrical conductivity ⁇ can be ruled out (cf. e.g. the book “Materials in Electrical Engineering", page 172).
  • the manufacturing method according to the invention is characterized in that first a wire intermediate is created, the Cu alloy is melted and then cooled comparatively more slowly compared to rapid cooling, then the wire intermediate is converted into an intermediate wire by means of at least one cold deformation, then the intermediate wire is subjected to at least one aging heat treatment and, if necessary, the steps of cold working and / or the aging treatment are repeated at least once more, the final shape of the wire being produced with the last cold working.
  • the intermediate wire product can be produced directly from the melt of the Cu alloy. However, it is also possible to convert an initial product formed from the slowly solidified melt into the intermediate wire product by means of at least one preliminary deformation.
  • the melt should have a comparatively lower cooling rate, in particular at a maximum of 20 ° C./s in the important temperature range from the melting temperature to around 700 ° C. , are cooled. Below 700 ° C the cooling rate can be significantly lower, for example 5 ° C / s. Such cooling rates can be achieved without great effort, so that the method according to the invention is advantageously easy to carry out.
  • the aging heat treatment is carried out in a manner known per se at an elevated temperature and over such a period of time that the precipitates required for hardening the material form on the dislocation structures produced by the cold deformation.
  • the material from the individual components is first melted, preferably in a protective gas atmosphere, such as under Ar.
  • the oxygen content in the melt should namely be as low as possible and preferably below 100 ppm.
  • the melting point of Cu (1084 ° C.), in particular to at least 1200 ° C., must be used for heating. If necessary, even higher temperatures are possible. This is why induction melting is advantageous intended.
  • the melt is then cooled at a cooling rate or rate (in ° C / min) which, in the temperature range important for the formation of the precipitation-hardened material, between the melting temperature and about 700 ° C is clearly below the cooling rates characteristic of rapid cooling of at least is about 100 ° C / s.
  • Cooling rates of at most 20 ° C./s in the temperature range mentioned are particularly suitable. Such cooling rates can be achieved, for example, by simply pouring them into a water-cooled mold under air or in a protective gas atmosphere. Quenching in a water or oil bath can therefore advantageously be dispensed with.
  • the direct pouring of the melt into a pre-wire with a diameter of 20 to 30 mm, for example, by pulling off the melt through a water-cooled, horizontally stored mold is particularly suitable here.
  • the melt mass which may be cast into blocks or bars, can then be remelted in order to create a wire preliminary product which is more suitable with regard to the wire shape.
  • the cooled melt mass can be processed into a wire intermediate as a pre-wire by hot rolling. Hot rolling can also directly follow the melting of the Cu alloy in a continuous step, a so-called casting roll. Remelting of the cooled melt mass to form an ingot is also possible, which is processed, for example by extrusion, to form a pre-wire. Pin-like bodies can also be worked out from a corresponding ingot, which are then deformed, for example by round hammers, to form a pre-wire.
  • the pre-wire cross-section should be set so that a cross-section reduction of 50 to 99%, preferably 60 to 95%, takes place in the subsequent at least one cold deformation in order to obtain the desired final cross-section of the overhead wire.
  • the wire pre-product (or the pre-wire) is then subjected to a first cold forming.
  • a first cold forming Such cold working can e.g. by pressing or rolling or hammering, in particular by pulling.
  • the degree of deformation is generally between 20 and 80%, preferably between 40 and 70%.
  • three drawing steps with a cross-sectional reduction of 38% to 34% (1st step) or from 34% to 30% (2nd step) or from 26% to 24% (3rd step) are selected.
  • dislocation structures are produced in the wire intermediate product to be obtained in a known manner, which are prerequisites for sufficient hardening of the material.
  • the first cold-forming step is then followed by a first aging heat treatment of the wire intermediate, which is advantageously carried out at a temperature between 350 ° C. and 600 ° C., preferably between 450 ° C. and 500 ° C.
  • a first aging heat treatment of the wire intermediate is advantageously carried out at a temperature between 350 ° C. and 600 ° C., preferably between 450 ° C. and 500 ° C.
  • the duration of this heat treatment is generally between 10 minutes and 10 hours. Considerable heating up and cooling down times have to be considered for large batches.
  • each cold deformation in particular the last cold deformation, can be composed of several cold deformation steps.
  • An at least 5-component Cu alloy of the composition Cu a Cr b Zr c Mg d X e is provided for the catenary wire to be produced in this way.
  • This proportion ⁇ of impurity elements is generally less than 100 ppm per impurity element.
  • the following table shows the tensile strength R m , the microhardness HV, the conductivity ⁇ and the elongation at break ⁇ B for some wires made of Cu alloys according to the invention in comparison to the known CuAg0.1 alloy for different processing states.
  • the microhardness HV50 was determined on cross sections perpendicular to the longitudinal direction of the wire.
  • the electrical conductivity ⁇ was measured with 0.2 to 1 A alternating current in lock-in technology at 370 Hz using a four-point method.
  • the conductivity values determined apply to a temperature of 20 ° C.
  • the specified properties are the same for corresponding catenary wires.
  • the 5-component alloy according to the invention is of course only a base alloy for a catenary wire for high-speed electrical railways, to which at least one further element may optionally be added in a relatively small proportion of less than 0.1% by weight.
  • additional elements are selected in particular from the elements provided for the X component.

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Abstract

Der Oberleitungsdraht für elektrische Hochgeschwindigkeitsbahnen weist eine Zugfestigkeit (Rm) von mindestens 550 MPa und eine elektrische Leitfähigkeit (κ) von mindestens 65 % nach IACS auf. Er besteht aus einer CuaCrbZrcMgdXe-Legierung mit 0,2 ≦ b ≦ 0,8; 0,02 ≦ c ≦ 0,4; 0,01 ≦ d ≦ 0,2; 0,01 ≦ e ≦ 0,4 mit a + b + c + d + e ≅ 100 (jeweils in Gew.-%). Als X-Komponente soll mindestens eines der Elemente Al, P, S, Fe, Ni, Zn, Ag, Cd, In, Sn, Sb und Bi vorgesehen sein. Der Draht wird vorteilhaft durch Erschmelzen der Legierung, langsames Abkühlen, eventuelles Vorverformen, mindestens einmaliges Kaltverformen und mindestens einmaliges Warmebehandeln zur Auslagerung hergestellt.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Oberleitungsdraht einer elektrischen Hochgeschwindigkeitsbahnstrecke mit einer Zugfestigkeit (Rm) des Drahtes von mindestens 550 MPa und einer elektrischen leitfähigkeit (κ) von mindestens 65 %, bezogen auf die von geglühtem reinen Kupfer gemäß International Annealed Copper Standard (IACS). Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Oberleitungsdrahtes.Ein derartiger Oberleitungsdraht und ein entsprechendes Herstellungsverfahren gehen aus der ER 0 569 036 A hervor.
  • Auf Hochgeschwindigkeitsbahnstrecken ist für eine sichere Energiezufuhr über ein Oberleitungssystem eine hohe mechanische Vorspannung des Fahrdrahtes eine unverzichtbare Voraussetzung. An den Fahrdrahtwerkstoff werden somit höchste Anforderungen bezuglich seiner mechanischen Zugfestigkeit Rm bei gleichzeitig hoher elektrischer leitfähigkeit κ gestellt.
  • Gegenwärtig wird für den Fahrdraht der Regeloberleitung Re250 der Deutschen Bahn AG mit Rillenprofil und 120 mm² Durchmesser eine CuAg-Legierung mit einem Ag-Anteil von 0,1 Gew.-% Ag-Anteil verwendet. Diese Legierung weist eine Zugfestigkeit Rm von etwa 350 MPa(N/mm²) auf bei einer leitfähigkeit κ von etwa 95 %, bezogen auf die von geglühtem reinen Cu gemäß IACS (International Annealed Copper Standard). Der Fahrdraht ist für einen Regelbetrieb mit Fahrgeschwindigkeiten von höchstens 250 km/h ausgelegt. Er ist unter Berücksichtigung einer unvermeidbaren Abnutzung mit 125 MPa vorgespannt, d.h. mit etwa 36 % seiner Zugfestigkeit κ bzw. einer Sicherheitsmarge gegen Bruch von etwa 2,8 (vgl. "Elektrische Bahnen", 80. Jg., 1982, H. 4, Seiten 119 bis 125 oder "Eisenbahntechnische Rundschau", Bd. 35, H. 9, Sept. 1986, Seiten 593 bis 599). Diese Vorspannung wurde für eine Hochgeschwindigkeitsfahrt mit über 400 km/h kurzfristig auf 175 MPa erhöht ("Elektrische Bahnen", 86. Jg., 1988, H. 9, Seiten 268 bis 289).
  • Zur Auslegung der Oberleitung für einen Regelbetrieb mit Hochgeschwindigkeiten von über 300 km/h wird eine Fahrdrahtvorspannung von bis zu 200 MPa gefordert. Dies bedingt unter Zugrundelegung der vorgenannten Sicherheitsmarge eine Fahrdrahtlegierung mit einer Mindestzugfestigkeit κ von etwa 550 MPa. Die Zugfestigkeit wird dabei durch Zugversuche nach DIN 50145/46 bestimmt (vgl. das Buch "Werkstoffe in der Elektrotechnik" von H. Fischer, 3. Auflage, G. Hanser Verlag München Wien, 1987, Seiten 113 bis 121).
  • Eine derart hohe Mindestzugfestigkeit kann z.B. mit aus der genannten EP-A zu entnehmenden Cu-Legierungen erreicht werden. Gemäß einem speziellen Ausführungsbeispiel setzt sich eine dieser Legierungen aus den Komponenten Cr (0,1 bis 1 %), Zr (0,01 bis 0,3 %), Mg (0,001 bis 0,05 %), O (maximal 10 ppm) und Cu (Rest) unter Einschluß unvermeidbarer Verunreinigungen zusammen. Die gewählte Zusammensetzung der Legierung bedingt dabei, daß ein aus den erschmolzenen Komponenten gewonnener Gießstrang nach einem Warmwalzen zu einem Ausgangsdraht entweder durch Eintauchen in ein Wasser- oder Ölbad sehr rasch abgekühlt werden muß oder nach einer langsameren Luftabkühlung anschließend einer zusätzlichen Wärmebehandlung (Lösungsglühung) mit Raschabkühlung unterzogen werden muß. Der so gewonnene Vorkörper wird dann mehreren Kaltverformungen unterzogen, die von Ausscheidungsglühungen unterbrochen sind. Wegen der generell notwendigen raschen Abkühlung des Vorprodukts von der Lösungstemperatur (860 - 1000°C) ist das bekannte Verfahren verhältnismäßig aufwendig und deshalb für eine kommerzielle Drahtfertigung wenig geeignet.
  • Aus der US-PS 4,755,235 ist ferner ein elektrischer Draht aus einer ausscheidungsgehärteten Cu-Legierung mit Cr (0,05 bis 1,5 Gew.-%), Zr (0,05 bis 0,5 Gew.-%) und Mg (0,005 bis 0,1 Gew.-%) zu entnehmen. Auch hier soll eine Legierungsschmelze rasch abgekühlt werden (innerhalb 1 bis 2 Minuten von etwa 1200°C auf Raumtemperatur).
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Oberleitungsdraht aus einem Material anzugeben, das einerseits die genannten Mindestanforderungen bezuglich der mechanischen Zugfestigkeit Rm und der elektrischen Leitfähigkeit κ erfüllt und das andererseits eine gegenüber den bekannten Verfahren vereinfachte Herstellung des Drahtes ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Oberleitungsdraht aus einer wenigstens 5-komponentigen, aushartbaren CuaCrbZrcMgdXe-Legierung besteht, wobei X ein Element aus der Gruppe der Elemente Al, P, S, Fe, Ni, Zn, Ag, Cd, In, Sn, Sb und Bi ist und für die Komponenten gelten soll (jeweils in Gewichtsprozent): 0,2 ≦ b ≦ 0,8, 0,02 ≦ c ≦ 0,4, 0,01 ≦ d ≦ 0,2, 0,01 ≦ e ≦ 0,4,
    Figure imgb0001
     mit a + b + c + d + e ≅ 100
    Figure imgb0002
     unter Einschluß unvermeidbarer Verunreinigungselemente.
  • Die Erfindung geht dabei von der Erkennntnis aus, daß mit der Wahl der Mg-Komponente in Kombination mit den genannten Anteilen der übrigen Komponenten vorteilhaft auf eine besondere Behandlung des Draht-Vorproduktes in Form einer raschen Abkühlung von der Schmelz- bzw. Lösungstemperatur verzichtet werden kann. Ein aus der erfindungsgemäßen Legierung erschmolzenes, dann in üblicher Weise normal, z.B. von 1200°C auf Raumtemperatur in 5 bis 10 min, abgekühltes und gegebenenfalls noch beispielsweise durch Warmwalzen vorverformtes Ausgangsprodukt bzw. Drahtvorprodukt braucht also nur noch kaltverformt und ausgelagert zu werden, um einen Draht mit den gewünschten Eigenschaften zu erhalten. Es wurde erkannt, daß die für die X-Komponente (5. Komponente) zu wählenden Materialien vorteilhaft die Streckgrenze der Cu-Legierung erhöhen und die Umformbarkeit des Drahtvorproduktes verbessern. Diese Eigenschaften sind insbesondere von Bedeutung, wenn bei der Herstellung des Drahtes nur ein einmaliges Kaltverformen vorgesehen werden soll.
  • Besonders vorteilhaft wird als X-Komponente Al oder In gewählt. Die entsprechende Cu-Legierung zeichnet sich durch verhältnismäßig hohe Zugfestigkeitswerte Rm und verhältnismäßig hohe Werte der 0,01 %-Dehnungsgrenze (= technische Elastizitätsgrenze) aus.
  • Außerdem ist es vorteilhaft, wenn der erfindungsgemäße Draht eine Si-freie Cu-Legierung aufweist. Denn durch die Vermeidung eines Si-Anteils läßt sich so eine unerwünschte Verminderung der elektrischen Leitfähigkeit κ ausschließen (vgl. z.B. das genannte Buch "Werkstoffe in der Elektrotechnik", Seite 172).
  • Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß zunächst ein Drahtvorprodukt erstellt wird, wobei die Cu-Legierung erschmolzen und anschließend gegenüber einer Raschabkühlung vergleichsweise langsamer abgekühlt wird, darauf das Drahtvorprodukt mittels mindestens einer Kaltverformung in ein Drahtzwischenprodukt überführt wird, dann das Drahtzwischenprodukt mindestens einer Auslagerungswärmebehandlung unterzogen wird und gegebenenfalls die Schritte der Kaltverformung und/oder der Auslagerungsbehandlung mindestens noch einmal wiederholt werden, wobei mit der letzten Kaltverformung die Endform des Drahtes erzeugt wird. Dabei kann das Drahtvorprodukt unmittelbar aus der Schmelze der Cu-Legierung gegossen werden. Es ist aber auch möglich, ein aus der langsam erstarrten Schmelze ausgebildetes Ausgangsprodukt mittels mindestens einer Vorverformung in das Drahtvorprodukt zu überführen. Da die für eine Raschabkühlung charakteristischen Abkühlraten bei etwa 100°C/s und höher liegen, soll bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Schmelze mit vergleichsweise kleinerer Abkühlrate, insbesondere mit höchstens 20°C/s in dem wichtigen Temperaturbereich von der Schmelztemperatur auf etwa 700°C, abgekühlt werden. Unterhalb von 700°C kann die Abkühlrate noch deutlich geringer sein und beispielsweise bei 5°C/s liegen. Solche Abkühlraten lassen sich ohne größeren Aufwand realisieren, so daß das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft entsprechend einfach durchzuführen ist. Die Auslagerungswärmebehandlung wird in an sich bekannter Weise bei erhöhter Temperatur und über einen solchen Zeitraum durchgeführt, daß sich die für eine Härtung des Materials erforderlichen Ausscheidungen an den mit der Kaltverformung erzeugten Versetzungsstrukturen ausbilden.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen des Oberleitungsdrahtes und des Verfahrens zu seiner Herstellung gehen aus den jeweils abhängigen Ansprüchen hervor.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen noch weiter erläutert.
  • Zur Herstellung eines Oberleitungsdrahtes aus einer Cu-Legierung mit der erfindungsgemäßen Zusammensetzung wird zunächst das Material aus den einzelnen Komponenten vorzugsweise in einer Schutzgasatmosphäre wie z.B. unter Ar erschmolzen. Der Sauerstoffgehalt in der Schmelze sollte nämlich möglichst niedrig sein und vorzugsweise unter 100 ppm liegen. Um eine gute Homogenität der Schmelze zu gewährleisten, muß über den Schmelzpunkt von Cu (1084°C), insbesondere auf mindestens 1200°C erhitzt werden. Gegebenenfalls kommen noch höhere Temperaturen in Frage. Deswegen wird vorteilhaft ein Induktionsschmelzen vorgesehen. Die Schmelze wird dann mit einer Abkühlgeschwindigkeit bzw. -rate (in °C/min) abgekühlt, die in dem für die Ausbildung des ausscheidungsgehärteten Materials wichtigen Temperaturbereich zwischen der Schmelztemperatur und etwa 700°C deutlich unterhalb der für eine rasche Abkühlung charakteristischen Abkühlraten von mindestens etwa 100°C/s liegt. So kommen insbesondere Abkühlraten von höchstens 20°C/s in dem genannten Temperaturbereich in Frage. Solche Abkühlraten lassen sich beispielsweise durch ein einfaches Abgießen in eine wassergekühlte Kokille unter Luft oder in einer Schutzgasatmosphäre realisieren. Auf ein Abschrecken in einem Wasser- oder Ölbad kann also vorteilhaft verzichtet werden. Das direkte Abgießen der Schmelze zu einem Vordraht mit z.B. 20 bis 30 mm Durchmesser mittels Abziehens der Schmelze durch eine wassergekühlte, horizontal gelagerte Kokille ist hier besonders geeignet.
  • Die gegebenenfalls zu Blöcken oder Barren abgegossene Schmelzmasse kann dann noch umgeschmolzen werden, um daraus ein hinsichtlich der Drahtform geeigneteres Drahtvorprodukt zu schaffen. Darüber hinaus läßt sich die abgekühlte Schmelzmasse durch ein Warmwalzen zu einem Drahtvorprodukt als ein Vordraht verarbeiten. Das Warmwalzen kann sich auch in einem kontinuierlichen Schritt, einem sogenannten Gießwalzen, unmittelbar an das Erschmelzen der Cu-Legierung anschließen. Ferner ist auch ein Umschmelzen der abgekühlten Schmelzmasse zu einem Barren möglich, der z.B. durch Strangpressen zu einem Vordraht verarbeitet wird. Aus einem entsprechenden Barren können auch stiftartige Körper herausgearbeitet werden, die dann z.B. durch Rundhämmern zu einem Vordraht verformt werden. Der Vordrahtquerschnitt sollte dabei so eingestellt werden, daß bei der sich anschließenden mindestens einen Kaltverformung eine Querschnittsreduktion von 50 bis 99 %, vorzugsweise von 60 bis 95 %, erfolgt, um so den gewünschten Endquerschnitt des Oberleitungsdrahtes zu erhalten.
  • Das Drahtvorprodukt (bzw. der Vordraht) wird anschließend einer ersten Kaltverformung unterzogen. Eine solche Kaltverformung kann z.B. durch Pressen oder Walzen oder Hämmern, insbesondere durch Ziehen, vorgenommen werden. Der Verformungsgrad liegt dabei im allgemeinen zwischen 20 und 80 %, vorzugsweise zwischen 40 und 70 %. Beispielsweise werden drei Ziehschritte mit einer Querschnittsreduktion von 38 % bis 34 % (1. Schritt) bzw. von 34 % bis 30 % (2. Schritt) bzw. von 26 % bis 24 % (3. Schritt) gewählt. Mit dieser Kaltverformung werden in dem so zu erhaltenden Drahtzwischenprodukt in bekannter Weise Versetzungsstrukturen erzeugt, die Voraussetzung für eine hinreichende Härtung des Materials sind.
  • Dem ersten Kaltverformungsschritt schließt sich dann eine erste Auslagerungswärmebehandlung des Drahtzwischenproduktes an, die vorteilhaft bei einer Temperatur zwischen 350°C und 600°C, vorzugsweise zwischen 450°C und 500°C, durchgeführt wird. Mit dieser Wärmebehandlung wird eine Härtung des Materials aufgrund von Ausscheidungen an den mit der Kaltverformung erzeugten Versetzungsstrukturen erreicht. Die Dauer dieser Wärmebehandlung liegt im allgemeinen zwischen 10 Minuten und 10 Stunden. Bei großen Chargen sind dabei erhebliche Aufheiz- und Abkühlzeiten zu berücksichtigen.
  • Die Verarbeitungsschritte der Kaltverformung und/oder Härtung durch Wärmebehandlung werden zweckmäßigerweise wiederholt, wobei vorteilhaft mit einer Kaltverformung abgeschlossen wird, um das gewünschte Endprodukt des Oberleitungsdrahtes im hartgezogenen Zustand zu erhalten. Wenn diese letzte Kaltverformung in nur einem Schritt vorgenommen werden soll, dann sollte die hier zu wählende Querschnittsreduktion nicht über 20 % bis 22 % betragen. Selbstverständlich kann sich aber jede Kaltverformung, also insbesondere auch die letzte Kaltverformung, aus mehreren Kaltverformungsschritten zusammensetzen.
  • Hinsichtlich einer möglichst einfachen Herstellung des Oberleitungsdrahtes kann man gegebenenfalls auch eine nur einstufige Kaltverformung vorsehen. Der Verformungsgrad liegt hier natürlich höher.
  • Für den so herzustellenden Oberleitungsdraht wird eine mindestens 5-komponentige Cu-Legierung der Zusammensetzung CuaCrbZrcMgdXe vorgesehen. Um eine Mindestfestigkeit Rm von 550 MPa und eine elektrische Leitfähigkeit κ von mindestens 65 % IACS gewährleisten zu können, werden für die einzelnen Komponenten erfindungsgemäß folgende Anteile (jeweils in Gew.-%) gewählt: 0,2 ≦ b ≦ 0,8, 0,02 ≦ c ≦ 0,4, 0,01 ≦ d ≦ 0,2, 0,01 ≦ e ≦ 0,4
    Figure imgb0003
     und a + b + c + d + e = 100 - δ,
    Figure imgb0004
     wobei δ durch den Einschluß unvermeidbarer Verunreinigungselemente in der Legierung bestimmt ist. Dieser Anteil δ an Verunreinigungselementen liegt im allgemeinen unter 100 ppm pro Verunreinigungselement.
  • Im Hinblick auf die geforderten Materialeigenschaften und die verhältnismäßig einfache Verarbeitungsmöglichkeit zu einem Oberleitungsdraht ist es als besonders vorteilhaft anzusehen, wenn der Anteil d der Mg-Komponente mindestens 0,05 Gew.-% beträgt. Offenbar hält dann der Mg-Zusatz auch die beiden anderen Komponenten Cr und Zr während der verhältnismäßig langsamen Abkühlungsphase der Schmelze in Lösung. Zugleich wird vorteilhaft ein Anteil b der Cr-Komponente gewählt, der mindestens 0,3 Gew.-% beträgt und vorteilhaft unter 0,6 Gew.-% liegt. Ferner sollte der Anteil c der Zr-Komponente mindestens 0,15 Gew.-% betragen. Darüber hinaus soll die Cu-Legierung des erfindungsgemäßen Oberleitungsdrahtes zumindest eines der Elemente aus der Gruppe Al, P, S, Fe, Ni, Zn, Ag, Cd, In, Sn, Sb und Bi mit einem Anteil zwischen 0,01 und 0,4 Gew.-% enthalten. Diese Elemente, die im wesentlichen auch nach der Warmebehandlung im Cu gelöst bleiben, sind insbesondere unter den folgenden zwei Gesichtspunkten von Vorteil:
    • 1) Das Material besitzt gegenüber der nur 4-komponentigen CuCrZrMg-Legierung eine verbesserte Kaltumformbarkeit.
    • 2) Der Kaltverfestigungsgrad wahrend der abschließenden Kaltumformung ist vergleichsweise höher, so daß eine gegenüber der 4-komponentigen Legierung erhöhte Elastizitätsgrenze erreicht wird. Diese Vorteile kommen insbesondere bei einer nur einstufigen Kaltverformung zum Tragen.
  • Die genannten Anteile der einzelnen Komponenten gewährleisten eine gute Aushärtbarkeit und somit Zugfestigkeit der Legierung bei einer hinreichenden Leitfähigkeit und einer genügenden Bruchdehnung des Materials.
  • Die nachfolgende Tabelle zeigt die Zugfestigkeit Rm, die Mikrohärte HV, die Leitfähigkeit κ und die Bruchdehnung εB für einige Drähte aus erfindungsgemäßen Cu-Legierungen im Vergleich zu der bekannten CuAg0.1-Legierung für verschiedene Verarbeitungszustände. Zur mechanischen Charakterisierung wurden standardmäßig die Zugfestigkeit Rm, die sogenannte 0,01 %-Dehngrenze (= technische Elastizitätsgrenze) Rp0,01 und die Bruchdehnung εB ≅ A₁₀₀ bei Raumtemperatur bestimmt. Dies geschah in Zerreißversuchen an 100 mm langen Drahtstücken mit meist 1 mm φ bei einer Dehngeschwindigkeit von 1 mm/min entsprechend 1,7 x 10⁻⁴ s⁻¹. An Querschliffen senkrecht zur Drahtlängsrichtung wurde die Mikrohärte HV₅₀ bestimmt. Die elektrische Leitfähigkeit κ wurde mit 0,2 bis 1 A Wechselstrom in Lock-in-Technik bei 370 Hz mit Hilfe einer Vierpunktmethode gemessen. Die ermittelten Leitfähigkeitswerte gelten für eine Temperatur von 20°C. Die angegebenen Eigenschaften sind bei entsprechenden Oberleitungsdrähten dieselben.
    Figure imgb0005
  • Zur Herstellung der in der Tabelle aufgeführten Legierungen wurde von hochreinen Elementen (99,99 %) der Komponenten ausgegangen. Mit den Elementen wurden in einer Ar-Schutzgasatmosphäre zylindrische Reguli (ca. 60 g) in einem MgO-Tiegel induktiv erschmolzen und anschließend in einem Lichtbogenofen zu Barren (Länge ca. 10 bis 15 cm) umgeschmolzen. Aus den Barren wurden funkenerosiv und durch Drehen Stifte mit kreisförmigem Querschnitt (typisch 3 mm Durchmesser ⌀) herausgeschnitten, wobei der beim Schmelzen gebildete Schlackesack entfernt wurde. Die Stifte wurden zunächst auf ca. 2 mm ⌀ rundgehämmert und anschließend auf ca. 1,5 mm ⌀ gezogen. Die Kaltumformung wurde mit kleinen Stichabnahmen von 0,1 bis 0,05 mm durchgeführt. Eine relative Querschnittsreduktion beim Kaltziehen von ca. 75 %, entsprechend einer Längung von l/l₀ = 44, d.h. einem Umformungsgrad φ = ln (l/l 0 )
    Figure imgb0006
     von 1,39, konnte bei allen untersuchten Legierungen aufgrund eines hohen Kaltverformungsvermögens ohne Materialfehler erzielt werden. Die Wärmebehandlungen wurden in einem Quarzrohr unter Ar-Atmosphäre durchgeführt. Nach Auslagerungsglühungen (450 bis 500°C) wurde das Material im Quarzrohr außerhalb des Ofens relativ langsam abgekühlt.
  • Abweichend von den in der Tabelle aufgeführten Cu-Legierungen sind insbesondere auch mit den folgenden erfindungsgemäßen Legierungen die genannten Zugfestigkeits- und Leitfähigkeitsbedingungen zu erfüllen (Angaben jeweils in Gew.-%):
    CuCr 0,3 Zr 0,2 Mg 0,1 In 0,1
    CuCr 0,3 Zr 0,1 Mg 0,1 Al 0,05
    CuCr 0,3 Zr 0,05 Mg 0,05 In 0,15
    CuCr 0,3 Zr 0,2 Mg 0,05 Al 0,085
    CuCr 0,55 Zr 0,2 Mg 0,2 Sn 0,05
    CuCr 0,55 Zr 0,1 Mg 0,1 Zn 0,15
    CuCr 0,55 Zr 0,05 Mg 0,05 Ni 0,2
    CuCr 0,55 Zr 0,05 Mg 0,2 Cd 0,05
    CuCr 0,5 Zr 0,18 Mg 0,06 Ag 0,15
    CuCr 0,6 Zr 0,15 Mg 0,05 Bi 0,15
    CuCr 0,3 Zr 0,1 Mg 0,05 Fe 0,03
    CuCr 0,4 Zr 0,1 Mg 0,08 P 0,04
    CuCr 0,3 Zr 0,05 Mg 0,1 S 0,05
    CuCr 0,5 Zr 0,18 Mg 0,05 Sb 0,1
  • Die erfindungsgemäße 5-komponentige Legierung stellt selbstverständlich nur eine Basislegierung für einen Oberleitungsdraht für elektrische Hochgeschwindigkeitsbahnen dar, zu der gegebenenfalls mindestens ein weiteres Element zu einem verhältnismäßig geringen Anteil von unter 0,1 Gew.-% hinzulegiert sein kann. Solche Zusatzelemente werden insbesondere aus den für die X-Komponente vorgesehenen Elementen ausgewählt.

Claims (24)

  1. Oberleitungsdraht einer elektrischen Hochgeschwindigkeitsbahnstrecke mit einer Zugfestigkeit (Rm) des Drahtes von mindestens 550 MPa und einer elektrischen Leitfähigkeit (κ), bezogen auf die von geglühtem reinen Cu (International Annealed Copper Standard), von mindestens 65 %, bestehend aus einer wenigstens 5-komponentigen, aushartbaren CuaCrbZrcMgdXe-Legierung,
    wobei X ein Element aus der Gruppe der Elemente Al, P, S, Fe, Ni, Zn, Ag, Cd, In, Sn, Sb und Bi ist und für die Komponenten (jeweils in Gew.-%) gilt: 0,2 ≦ b ≦ 0,8 0,02 ≦ c ≦ 0,4, 0,01 ≦ d ≦ 0,2, 0,01 ≦ e ≦ 0,4,
    Figure imgb0007
     mit a + b + c + d + e ≅ 100
    Figure imgb0008
     unter Einschluß unvermeidbarer Verunreinigungselemente.
  2. Draht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß daß für die Xe-Komponente gilt: 0,02 ≦ e ≦ 0,2.
    Figure imgb0009
  3. Draht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Mgd-Komponente gilt: d ≧ 0,05 Gew.-%.
    Figure imgb0010
  4. Draht nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die Zrc-Komponente gilt: c ≦ 0,2 Gew.-%.
    Figure imgb0011
  5. Draht nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß für die Crb-Komponente gilt: 0,3 Gew.-% ≦ b ≦ 0,6 Gew.-%.
    Figure imgb0012
  6. Draht nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Cu-Legierung mindestens ein weiteres Element aus der Gruppe der X-Elemente zu einem Anteil unter 0,1 Gew.-% hinzulegiert ist.
  7. Draht nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Cu-Legierung praktisch frei von Si ist.
  8. Draht nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Cu-Legierung als weitere Komponente Si mit einem Anteil von höchstens 0,1 Gew.-% enthält.
  9. Verfahren zur Herstellung des Oberleitungsdrahtes nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet, durch folgende Schritte:
    a) Es wird zunächst ein Drahtvorprodukt erstellt, wobei die Cu-Legierung erschmolzen und anschließend gegenüber einer Raschabkühlung vergleichsweise langsamer abgekühlt wird,
    b) darauf wird das Drahtvorprodukt mittels mindestens einer Kaltverformung in ein Drahtzwischenprodukt überführt,
    c) dann wird das Drahtzwischenprodukt mindestens einer Auslagerungswärmebehandlung unterzogen,
    d) gegebenenfalls werden die Schritte b) und/oder c) mindestens noch einmal wiederholt,
    wobei mit der letzten Kaltverformung die Endform des Drahtes erzeugt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Drahtvorprodukt dadurch ausgebildet wird, daß zunächst ein Ausgangsprodukt aus den Elementen der Cu-Legierung mittels Erschmelzens und anschließender Abkühlung erstellt wird und dann das Ausgangsprodukt mittels mindestens einer Vorverformung in das Drahtvorprodukt überführt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Vorverformung bei erhöhter Temperatur vorgenommen wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Vorverformung mittels Pressens und/oder Walzens und/oder Hämmerns vorgenommen wird.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der mindestens einen Vorverformung des Ausgangsproduktes ein Drahtvorprodukt gebildet wird, dessen Querschnitt eine Querschnittsreduktion durch das mindestens eine nachfolgende Kaltverformen von 50 bis 99 %, vorzugsweise von 60 bis 95 %, erforderlich macht, um den gewünschten Endquerschnitt des Drahtes zu erhalten.
  14. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Drahtvorprodukt aus der Schmelze der Cu-Legierung gegossen wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abkühlung der Schmelze in Schritt a) im Temperaturbereich zwischen der Schmelztemperatur und 700°C mit einer Abkühlrate von unter 100°C/s, vorzugsweise von höchstens 20°C/s erfolgt.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Erschmelzen bei Schritt a) bei einer Temperatur von mindestens 1200°C vorgenommen wird.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Kaltverformungen vorgesehen werden, wobei mit der letzten Kaltverformung eine vergleichsweise geringere Querschnittsreduktion erfolgt.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß mit der ersten Kaltverformung eine Querschnittsreduktion zwischen 60 und 80 % und mit der letzten Kaltverformung eine Querschnittsreduktion zwischen 10 und 30 % erfolgt.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß mit der letzten Kaltverformung das Endprodukt des Drahtes erhalten wird.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer einzigen Kaltverformung des Drahtvorproduktes die Endform des Drahtes erzeugt wird.
  21. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Kaltverformung mehrere Verformungsschritte umfaßt.
  22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die letzte Kaltverformung mehrere Verformungsschritte umfaßt.
  23. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Kaltverformung mittels Pressens und/oder Walzens und/oder Hämmerns und/oder Ziehens vorgenommen wird.
  24. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Auslagerungswärmebehandlung bei einer Temperatur zwischen 350°C und 600°C vorgenommen wird.
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