EP0702375A2 - Overhead contact wire of high speed electrical railways and process for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
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.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 (κ) 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.
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.On high-speed rail lines, high mechanical pretensioning of the contact wire is an indispensable prerequisite for the safe supply of energy via an overhead line system. The contact wire material is therefore subject to the highest demands with regard to its mechanical tensile strength R m with high electrical conductivity κ at the same time.
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).At present, 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 κ 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 κ or a safety margin against breakage of about 2.8 (cf. "Electrical Railways", 80th year, 1982, p. 4, Pages 119 to 125 or "Railway engineering Rundschau ", vol. 35, H. 9, Sept. 1986, pages 593 to 599). This pretension was briefly increased to 175 MPa for a high-speed drive at over 400 km / h (" electric railways ", 86th year, 1988 , H. 9, pages 268 to 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).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 κ 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 Munich Vienna, 1987, pages 113 to 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.Such a high minimum tensile strength can be achieved, for example, with Cu alloys to be taken from the EP-A mentioned. According to a special embodiment, 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.
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).From US Pat. No. 4,755,235 an electrical wire made of a precipitation hardened Cu alloy with Cr (0.05 to 1.5% by weight), Zr (0.05 to 0.5% by weight) and Mg ( 0.005 to 0.1% by weight). Here too, an alloy melt should be cooled rapidly (within 1 to 2 minutes from about 1200 ° C to room temperature).
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.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 κ and, on the other hand, enables the wire to be produced in a simplified manner compared to the known methods.
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):
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.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. It was recognized that 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.
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.Al or In is particularly advantageously selected as the X component. The corresponding Cu alloy is characterized by relatively high tensile strength values R m and relatively high values of the 0.01% elongation limit (= technical elastic limit).
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).It is also advantageous if the wire according to the invention has a Si-free Cu alloy. By avoiding an Si component, an undesirable reduction in the electrical conductivity κ can be ruled out (cf. e.g. the book "Materials in Electrical Engineering", page 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.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. Since the cooling rates which are characteristic of rapid cooling are around 100 ° C./s and higher, in the process according to the invention 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.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Oberleitungsdrahtes und des Verfahrens zu seiner Herstellung gehen aus den jeweils abhängigen Ansprüchen hervor.Advantageous further developments of the catenary wire and the method for its production emerge from the respective dependent claims.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen noch weiter erläutert.The invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments.
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.To produce a catenary wire from a Cu alloy with the composition according to the invention, 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. In order to ensure good homogeneity of the melt, 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.
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.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. In addition, 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.
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.The wire pre-product (or the pre-wire) is then subjected to 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%. For example, 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. With this cold deformation, 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.
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.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. With this heat treatment, hardening of the material is achieved due to precipitations on the dislocation structures produced with the cold forming. 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.
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.The processing steps of cold working and / or hardening by heat treatment are expediently repeated, it advantageously being concluded with cold working in order to obtain the desired end product of the overhead contact wire in the hard-drawn state. If this last cold deformation is to be carried out in just one step, the cross-sectional reduction to be selected here should not exceed 20% to 22%. Of course, each cold deformation, in particular the last cold deformation, can be composed of several cold deformation steps.
Hinsichtlich einer möglichst einfachen Herstellung des Oberleitungsdrahtes kann man gegebenenfalls auch eine nur einstufige Kaltverformung vorsehen. Der Verformungsgrad liegt hier natürlich höher.With regard to making the overhead contact wire as simple as possible, it is also possible, if appropriate, to provide only one-step cold forming. The degree of deformation is of course higher here.
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:
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.
- 1) The material has improved cold formability compared to the only 4-component CuCrZrMg alloy.
- 2) The degree of work hardening during the final cold forming is comparatively higher, so that a higher elastic limit than the 4-component alloy is reached. These advantages come into play particularly in the case of only one-step cold forming.
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.The stated proportions of the individual components ensure good hardenability and thus tensile strength of the alloy with sufficient conductivity and sufficient elongation at break of the material.
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.
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
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.-%):
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.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. Such additional elements are selected in particular from the elements provided for the X component.
Claims (24)
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:
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 applies to the components (each in% by weight):
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