劉軼倫

（中鐵建電氣化局集團(tuán) 康遠(yuǎn)新材料有限公司，江蘇江陰214500）

鐵路供電技術(shù)

高速鐵路新型銅鎂接觸線(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)*

劉軼倫

（中鐵建電氣化局集團(tuán) 康遠(yuǎn)新材料有限公司，江蘇江陰214500）

牽引供電系統(tǒng)中直接影響列車(chē)安全及運(yùn)行速度的因素之一就是接觸線(xiàn)，因此研究高速鐵路大張力接觸線(xiàn)的制造技術(shù)成為高鐵建設(shè)的一個(gè)重要課題。在傳統(tǒng)銅合金接觸線(xiàn)制造技術(shù)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)出上引連擠銅鎂合金接觸線(xiàn)制造工藝，解決了高強(qiáng)度銅鎂合金線(xiàn)材成型關(guān)鍵難題，使材料綜合性能得到了明顯提高。

高速鐵路；超細(xì)晶；銅鎂合金；接觸線(xiàn)

1 銅合金接觸線(xiàn)現(xiàn)狀

目前高速鐵路均采用銅合金接觸線(xiàn)，其基本要求就是安全節(jié)能。要求接觸線(xiàn)具有較高的抗拉強(qiáng)度、耐磨性、抗腐蝕性，還要有良好的抗高溫軟化特性，另外出于節(jié)能要求，還要有較好的導(dǎo)電性。由于純銅接觸線(xiàn)抗拉強(qiáng)度較低，高溫軟化性能較差，基本被淘汰。為了改善性能，通過(guò)添加銀、錫、鎂等成分來(lái)增加銅合金的機(jī)械強(qiáng)度和耐磨性。不同成分的銅合金接觸線(xiàn)主要用途如表1。

目前我國(guó)速度300 km/h高速鐵路全部采用銅鎂合金接觸線(xiàn)，工作張力為28.5～30 k N，更高速度鐵路接觸線(xiàn)的工作張力可達(dá)33～35 k N。2009年以前我國(guó)銅鎂接觸線(xiàn)基本依靠國(guó)外產(chǎn)品，我國(guó)京津城際采用的德國(guó)鑄態(tài)組織結(jié)構(gòu)120 mm2銅鎂接觸線(xiàn)抗拉強(qiáng)度為500 MPa，導(dǎo)電率62%IACS，是當(dāng)時(shí)技術(shù)水平最高的產(chǎn)品，但其為連鑄—冷加工工藝生產(chǎn)，鑄態(tài)組織結(jié)構(gòu)限制了其強(qiáng)度和柔韌性的進(jìn)一步提升［3］。隨著我國(guó)高鐵建設(shè)擴(kuò)大以及速度等級(jí)提高，國(guó)外產(chǎn)品無(wú)論從產(chǎn)能上還是性能上都已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足我國(guó)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。基于迫切的市場(chǎng)需求及國(guó)家科技支撐計(jì)劃的支持，2009年我國(guó)中鐵建電氣化局集團(tuán)康遠(yuǎn)新材料有限公司研制成功上引連續(xù)擠壓工藝生產(chǎn)的超細(xì)晶強(qiáng)化型銅合金接觸線(xiàn)，產(chǎn)品主要性能指標(biāo)得到了明顯提高，150 mm2銅鎂接觸線(xiàn)抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到560 MPa，導(dǎo)電率為65%以上，性能已經(jīng)完全超過(guò)國(guó)外產(chǎn)品。

表1 銅合金接觸線(xiàn)使用現(xiàn)狀

2 超細(xì)晶強(qiáng)化型銅鎂接觸線(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)

銅鎂接觸線(xiàn)生產(chǎn)有以下幾點(diǎn)基本要求：（1）生產(chǎn)工藝可靠；（2）產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定；（3）產(chǎn)量滿(mǎn)足供貨要求。傳統(tǒng)銅鎂合金接觸線(xiàn)是由增加合金成分及冷作硬化來(lái)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度提高的，但線(xiàn)材的導(dǎo)電率和韌性卻大幅下降，所以不能單純依靠提高合金成分和冷作硬化來(lái)提高接觸線(xiàn)的強(qiáng)度。通過(guò)金相分析，傳統(tǒng)銅鎂合金接觸線(xiàn)的金相為粗大晶粒的鑄態(tài)組織。當(dāng)加大拉拔變形量時(shí)由于鑄態(tài)組織結(jié)合力不均勻，極易發(fā)生拉拔裂紋，影響鐵路供電質(zhì)量及運(yùn)行安全。為了克服傳統(tǒng)銅鎂合金接觸線(xiàn)的不足，關(guān)鍵難題就是要突破銅鎂合金的強(qiáng)度—導(dǎo)電率矛盾，同時(shí)提升安全性與節(jié)能性，并能夠?qū)崿F(xiàn)大批量連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)。材料的細(xì)晶化可使其特性產(chǎn)生明顯改變，不僅抗拉強(qiáng)度增加，還提升了韌性，同時(shí)導(dǎo)電率幾乎不受影響。由于細(xì)晶強(qiáng)化極大地提升了線(xiàn)材的強(qiáng)度，因此固溶強(qiáng)化合金元素鎂的含量得以進(jìn)一步下降，合金元素含量的降低對(duì)電子的散射作用，使得導(dǎo)電率明顯升高。超細(xì)晶強(qiáng)化型銅鎂合金接觸線(xiàn)的生產(chǎn)工藝采用上引連鑄—連續(xù)擠壓工藝進(jìn)行生產(chǎn)，相比連鑄連軋等工藝，具有靈活可靠，產(chǎn)品氧含量極低等特點(diǎn)，可以制造出具有超細(xì)晶粒組織的銅合金接觸線(xiàn)。生產(chǎn)工藝流程如圖1。

圖1 生產(chǎn)工藝流程

該工藝比國(guó)外增加了連續(xù)擠壓環(huán)節(jié)，通過(guò)連續(xù)擠壓銅桿產(chǎn)生強(qiáng)烈擠壓變形，可以破壞原先的鑄態(tài)組織，重新形成致密細(xì)小的金相組織，使材料特性明顯改變。該方法能耗較低，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)。

2.1 銅鎂合金無(wú)氧均勻熔煉及上引連鑄

鎂性質(zhì)活潑，熔煉中極易揮發(fā)和氧化，并與傳統(tǒng)熔煉爐的爐體材料及氧反應(yīng)形成黏渣使?fàn)t體報(bào)廢。為防止腐蝕，國(guó)外采用石墨坩堝電阻加熱技術(shù)熔煉銅鎂合金，合金均勻化效果較差。為使產(chǎn)品性能穩(wěn)定，嚴(yán)格控制鎂合金成分并確保均勻性，開(kāi)發(fā)出以下連續(xù)鑄造新手段：

（1）淘汰電阻熱熔爐技術(shù)，采用感應(yīng)式差動(dòng)多體無(wú)氧銅鎂合金熔煉技術(shù)，利用電磁攪拌及對(duì)流作用，使銅鎂合金均勻分布，其爐體采用特殊的防腐石墨襯套解決熔渣堆積及爐料堵塞問(wèn)題，使熔爐壽命提高6倍。

此外，恒豐銀行昆明分行黨委、共青團(tuán)還積極組織黨員、青年員工參與了祿勸縣中屏鎮(zhèn)中屏中學(xué)留守兒童手拉手幫扶活動(dòng)，到貧困程度較深的保山市昌寧縣黑馬村回孩子們送去物資與精神食糧，到昆明陽(yáng)光養(yǎng)老院向孤寡老人送溫暖。組織員工進(jìn)社區(qū)、進(jìn)企業(yè)、進(jìn)鄉(xiāng)村，開(kāi)展豐富的金融知識(shí)普及活動(dòng)。

（2）采用濾網(wǎng)式超冷結(jié)晶上引連續(xù)鑄造裝置，有效隔離爐渣及氧氣，確保合金鑄桿結(jié)晶質(zhì)量，鑄桿含氧量為無(wú)氧銅級(jí)別。

（3）為保證合金成分，采用快速在線(xiàn)成分檢測(cè)技術(shù)及中間合金添加技術(shù)，合金成分誤差控制在0.02%以?xún)?nèi)，確保氧含量小于0.001 0%。

2.2 銅鎂合金高溫連續(xù)擠壓新技術(shù)

接觸線(xiàn)為大長(zhǎng)度銅合金產(chǎn)品，不得有任何接頭，所以生產(chǎn)方式必須為連續(xù)進(jìn)行。國(guó)外銅鎂合金經(jīng)電阻加熱熔煉，上引連鑄后直接拉拔成形。電阻加熱時(shí)合金元素?cái)U(kuò)散速度較慢，通過(guò)上引連鑄后晶粒粗大且合金分布不均，從而造成鑄桿縱向差異。隨后的冷加工不能改變鑄桿的鑄態(tài)結(jié)構(gòu)，無(wú)法消除晶粒度粗大、組織結(jié)構(gòu)不均勻等固有缺陷，嚴(yán)重制約了性能提升。增大加工變形量以及含鎂量等手段可提高強(qiáng)度，但產(chǎn)品易出現(xiàn)開(kāi)裂及導(dǎo)電率下降。采用連續(xù)擠壓能夠?qū)崿F(xiàn)銅鎂合金的超細(xì)晶化，明顯提升材料性能。圖2表明了以上兩種工藝生產(chǎn)的接觸線(xiàn)拉斷口的區(qū)別。鑄態(tài)粗晶接觸線(xiàn)產(chǎn)生明顯裂紋，說(shuō)明其韌性不如新型超細(xì)晶接觸線(xiàn)。

圖2 銅鎂接觸線(xiàn)拉斷面對(duì)比

與臥式擠壓不同，連續(xù)擠壓是連續(xù)進(jìn)行，模具持續(xù)受到高溫高壓影響，理論上可以使無(wú)限長(zhǎng)鑄桿在高溫下再結(jié)晶以消除鑄態(tài)缺陷，并形成各種尺寸的連續(xù)桿坯。原理如圖3所示。

圖3 連續(xù)擠壓原理

擠壓輪帶動(dòng)鑄態(tài)銅合金桿進(jìn)入連續(xù)擠壓機(jī)，銅桿受堵頭阻擋，被強(qiáng)迫壓入擠壓腔體，此時(shí)原有鑄態(tài)組織破碎并產(chǎn)生大量形變熱。在腔體內(nèi)銅材料受強(qiáng)烈應(yīng)力及高溫作用，發(fā)生再結(jié)晶，生成微晶粒組織，后通過(guò)擠壓腔出口形成超細(xì)晶粒接觸線(xiàn)桿坯。

連續(xù)擠壓工藝最初用于鋁、純銅及銀銅等帶材生產(chǎn)，擠壓強(qiáng)度較低，擠壓溫度一般不超過(guò)550℃。由于銅鎂合金硬度遠(yuǎn)高于銅銀合金，擠壓形變產(chǎn)生的溫度可達(dá)到700℃，擠壓壓力200～300 MPa，超出傳統(tǒng)連續(xù)擠壓設(shè)備承受力，在高溫及巨大壓力下擠壓模具極易變形破裂。必須對(duì)連續(xù)擠壓機(jī)組關(guān)鍵部件進(jìn)行創(chuàng)新和改進(jìn)，大幅提高設(shè)備的使用壽命，解決高溫高強(qiáng)化連續(xù)擠壓模具變形、脆裂等難題，才能使擠壓連續(xù)穩(wěn)定。具體為以下手段：

（1）采用新型耐高溫高壓合金模具以及新裝備。將關(guān)鍵的堵頭材料工作溫度提高至800℃以上不破壞，壽命提高50倍，可連續(xù)擠壓銅鎂、銅錫等合金50～100 t，現(xiàn)有其他堵頭材料只能達(dá)到1～5 t，即出現(xiàn)裂紋或變形。

（2）模具優(yōu)化設(shè)計(jì)及材料變形控制技術(shù)，將銅鎂合金鑄態(tài)組織破碎并產(chǎn)生再結(jié)晶，使平均直徑2 000μm的鑄態(tài)晶粒轉(zhuǎn)變成小于8μm的超細(xì)晶，消除缺陷，確保材料致密性及連續(xù)性，并形成連續(xù)長(zhǎng)度銅鎂合金材料。

（3）采用高速循環(huán)冷卻及再結(jié)晶區(qū)域控制技術(shù)，提高材料冷卻效率，有效抑制晶粒長(zhǎng)大，使再結(jié)晶過(guò)程控制在擠壓腔內(nèi)，優(yōu)化細(xì)晶結(jié)構(gòu)，分布均勻。

2.3 高強(qiáng)度銅合金細(xì)晶纖維化精密成形技術(shù)

高速鐵路接觸線(xiàn)為異型裸線(xiàn)，必須精確符合設(shè)計(jì)確定的截面尺寸，否則會(huì)出現(xiàn)夾具脫落斷線(xiàn)隱患。但是由于擠壓后銅鎂材料強(qiáng)度大幅提高，對(duì)材料的后續(xù)加工成形造成較大影響，設(shè)備形變及模具變化嚴(yán)重影響產(chǎn)品尺寸精度，因此傳統(tǒng)成形工藝不能滿(mǎn)足要求。針對(duì)這些問(wèn)題，采取了以下手段：

（1）高速自動(dòng)化精密纖維成形控制技術(shù)。采用自動(dòng)化控制，關(guān)鍵部件使用高強(qiáng)度材料以延長(zhǎng)使用壽命，提高了加工精度及生產(chǎn)穩(wěn)定性；設(shè)計(jì)專(zhuān)用多機(jī)架精密軋機(jī)及精密拉拔成形工藝，實(shí)現(xiàn)了細(xì)晶纖維化高速成形。經(jīng)過(guò)該工序，桿坯的細(xì)晶組織被拉長(zhǎng)，形成明顯的纖維化，進(jìn)一步提升產(chǎn)品強(qiáng)度及耐疲勞性等機(jī)械性能。不僅產(chǎn)量提高20%，達(dá)到2萬(wàn)t/年，還保證了產(chǎn)品質(zhì)量，可以滿(mǎn)足3 000 km/年高鐵建設(shè)要求。

（2）成形模具優(yōu)化技術(shù)。為避免出現(xiàn)線(xiàn)材表面堆積損壞模具等問(wèn)題，根據(jù)銅鎂合金的變形要求改進(jìn)模具材料及結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)模具間延伸系數(shù)分配進(jìn)行了優(yōu)化，拉拔表面光滑均勻無(wú)裂紋。

（3）產(chǎn)品兼容性良好。采用激光步進(jìn)排線(xiàn)及計(jì)米技術(shù)，線(xiàn)長(zhǎng)精確度達(dá)到0.1%。產(chǎn)品上盤(pán)緊密應(yīng)力均勻，有利于施工放線(xiàn)。產(chǎn)品與現(xiàn)有施工設(shè)備及配套零部件完全兼容。

3 新型接觸線(xiàn)主要特性指標(biāo)及對(duì)比

3.1 材料的組織特性

接觸線(xiàn)材料為細(xì)晶纖維組織結(jié)構(gòu)，圖4為微觀(guān)組織，顯示材料的細(xì)晶纖維構(gòu)造，提高產(chǎn)品強(qiáng)度及柔韌性。

圖4 放大500倍的微觀(guān)材料纖維結(jié)構(gòu)

超細(xì)晶銅鎂接觸線(xiàn)晶粒在8μm以下，而普通銅鎂接觸線(xiàn)晶粒為鑄態(tài)粗晶，在2 000μm左右。兩種工藝接觸線(xiàn)晶粒宏觀(guān)對(duì)比如圖5所示。

圖5 接觸線(xiàn)橫截面組織對(duì)比

低放大倍數(shù)下，傳統(tǒng)銅鎂接觸線(xiàn)內(nèi)部晶粒大小清晰可見(jiàn)，而采用連擠工藝制造的銅鎂接觸線(xiàn)的晶粒肉眼無(wú)法分辨。高放大倍數(shù)下新產(chǎn)品的晶粒組織細(xì)密，與傳統(tǒng)產(chǎn)品的鑄態(tài)粗晶組織形成鮮明對(duì)比。

3.2 材料的機(jī)電特性

采用上引—連續(xù)擠壓—冷加工成形技術(shù)制備的超細(xì)晶強(qiáng)化型銅鎂合金接觸線(xiàn)具有以下幾個(gè)顯著特點(diǎn)：（1）產(chǎn)品為無(wú)氧銅級(jí)別（含氧量小于0.001 0%）；（2）材料組織細(xì)密。材料超細(xì)晶化，使得接觸線(xiàn)的機(jī)械性能得到顯著的提升；（3）強(qiáng)度提高10%以上。連續(xù)擠壓產(chǎn)品微觀(guān)組織為細(xì)小纖維狀，使得抗拉強(qiáng)度明顯提高。超細(xì)晶強(qiáng)化型銅鎂接觸線(xiàn)強(qiáng)度可以達(dá)到560 MPa或以上；（4）導(dǎo)電性能提高。由于晶粒細(xì)化提高了材料的強(qiáng)度，因此減少鎂含量降低其對(duì)電阻率的影響，而具有較高的導(dǎo)電率；（5）產(chǎn)品實(shí)用性良好（與現(xiàn)有施工技術(shù)及零部件完全兼容）。超細(xì)晶強(qiáng)化型銅鎂接觸線(xiàn)細(xì)晶結(jié)構(gòu)使得其彈性及柔韌性?xún)?yōu)于現(xiàn)有鑄態(tài)銅鎂接觸線(xiàn)，折彎性能提高2次以上。進(jìn)行施工時(shí)平直性良好，降低了施工難度，能夠提高施工效率及質(zhì)量；（6）工藝簡(jiǎn)單、穩(wěn)定，裝備技術(shù)成熟，產(chǎn)量高。超細(xì)晶強(qiáng)化型銅鎂接觸線(xiàn)所采用的工藝標(biāo)準(zhǔn)均已定型（表2）。

表2 與同期同類(lèi)產(chǎn)品主要指標(biāo)對(duì)比（規(guī)格150 mm2）

可以看出，與國(guó)外產(chǎn)品相比，新型接觸線(xiàn)抗拉強(qiáng)度提升10%以上，導(dǎo)電率提升5%以上，韌性提升25%，不僅增加列車(chē)運(yùn)行安全系數(shù)，還將接觸網(wǎng)能耗降低5%。

4 結(jié)束語(yǔ)

研制成功的完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)超細(xì)晶強(qiáng)化型銅鎂接觸線(xiàn)滿(mǎn)足于我國(guó)高速鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，機(jī)電性能均優(yōu)于國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品。其根本原因在于接觸線(xiàn)材料在擠壓過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了再結(jié)晶改造，形成細(xì)小致密的晶粒。根據(jù)研究來(lái)看，上引連擠工藝產(chǎn)品種類(lèi)多樣，生產(chǎn)效率較高，綜合性?xún)r(jià)比優(yōu)異。新型的銅鎂接觸線(xiàn)強(qiáng)度可以滿(mǎn)足速度300～400 km/h高速鐵路的要求，并且在同等強(qiáng)度下，比傳統(tǒng)銅鎂接觸線(xiàn)節(jié)電至少5～10%。采用超細(xì)晶強(qiáng)化型銅鎂接觸線(xiàn)，除了安全性能得到提高以外，還可以降低損耗，符合國(guó)家節(jié)能減排的要求。

［1］ 黃崇祺.中國(guó)電力牽引用接觸線(xiàn)（電車(chē)線(xiàn)）的發(fā)展［J］.北京：中國(guó)鐵道科學(xué)，2003，24（5）：61-65.

［2］ 張 強(qiáng).客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)接觸線(xiàn)的使用與研究狀況［J］.北京：電氣化鐵道，2006，增刊：272-279.

［3］ 張 強(qiáng)，王作祥.銅鎂合金接觸線(xiàn)的引進(jìn)與技術(shù)自主再創(chuàng)新［J］.北京：電氣化鐵道，2009，（01）：23-27.

The Ultra-fine Grain Strengthened Cu-Mg Contact Wire of High Speed Railway

LIU Yilun
（China Railway Construction Electrification Bureau Kangyuan New Material Co.，Ltd.，Jiangyin 214500 Jiangsu，China）

The contact wire is one of the equipments in the power supply system that directly effect train speed and safety.For the construction of Chinese high speed railway，it is critical to study strengthened contact wire technology.This paper shows a new technology that squeezes cast Cu-Mg alloy into ultra-fine grain strengthened material，which can be used to produce high-strengthen contact wire.

high speed railway；ultra-fine grain；Cu-Mg alloy；contact wire

U225.4＋1

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.02.28

1008－7842（2014）02－0112－04

*國(guó)家科技支撐計(jì)劃（2009BAG12A09）

2—）男，高級(jí)工程師（

2013－11－06）