劉軼倫

（中鐵建電氣化局集團 康遠新材料有限公司，江蘇江陰214500）

鐵路供電技術(shù)

高速鐵路新型銅鎂接觸線關(guān)鍵技術(shù)*

劉軼倫

（中鐵建電氣化局集團 康遠新材料有限公司，江蘇江陰214500）

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

高速鐵路；超細晶；銅鎂合金；接觸線

1 銅合金接觸線現(xiàn)狀

目前高速鐵路均采用銅合金接觸線，其基本要求就是安全節(jié)能。要求接觸線具有較高的抗拉強度、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。由于純銅接觸線抗拉強度較低，高溫軟化性能較差，基本被淘汰。為了改善性能，通過添加銀、錫、鎂等成分來增加銅合金的機械強度和耐磨性。不同成分的銅合金接觸線主要用途如表1。

目前我國速度300 km/h高速鐵路全部采用銅鎂合金接觸線，工作張力為28.5～30 k N，更高速度鐵路接觸線的工作張力可達33～35 k N。2009年以前我國銅鎂接觸線基本依靠國外產(chǎn)品，我國京津城際采用的德國鑄態(tài)組織結(jié)構(gòu)120 mm2銅鎂接觸線抗拉強度為500 MPa，導(dǎo)電率62%IACS，是當時技術(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)限制了其強度和柔韌性的進一步提升［3］。隨著我國高鐵建設(shè)擴大以及速度等級提高，國外產(chǎn)品無論從產(chǎn)能上還是性能上都已經(jīng)無法滿足我國技術(shù)標準。基于迫切的市場需求及國家科技支撐計劃的支持，2009年我國中鐵建電氣化局集團康遠新材料有限公司研制成功上引連續(xù)擠壓工藝生產(chǎn)的超細晶強化型銅合金接觸線，產(chǎn)品主要性能指標得到了明顯提高，150 mm2銅鎂接觸線抗拉強度可以達到560 MPa，導(dǎo)電率為65%以上，性能已經(jīng)完全超過國外產(chǎn)品。

表1 銅合金接觸線使用現(xiàn)狀

2 超細晶強化型銅鎂接觸線關(guān)鍵技術(shù)

銅鎂接觸線生產(chǎn)有以下幾點基本要求：（1）生產(chǎn)工藝可靠；（2）產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定；（3）產(chǎn)量滿足供貨要求。傳統(tǒng)銅鎂合金接觸線是由增加合金成分及冷作硬化來實現(xiàn)強度提高的，但線材的導(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提高接觸線的強度。通過金相分析，傳統(tǒng)銅鎂合金接觸線的金相為粗大晶粒的鑄態(tài)組織。當加大拉拔變形量時由于鑄態(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)量及運行安全。為了克服傳統(tǒng)銅鎂合金接觸線的不足，關(guān)鍵難題就是要突破銅鎂合金的強度—導(dǎo)電率矛盾，同時提升安全性與節(jié)能性，并能夠?qū)崿F(xiàn)大批量連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)。材料的細晶化可使其特性產(chǎn)生明顯改變，不僅抗拉強度增加，還提升了韌性，同時導(dǎo)電率幾乎不受影響。由于細晶強化極大地提升了線材的強度，因此固溶強化合金元素鎂的含量得以進一步下降，合金元素含量的降低對電子的散射作用，使得導(dǎo)電率明顯升高。超細晶強化型銅鎂合金接觸線的生產(chǎn)工藝采用上引連鑄—連續(xù)擠壓工藝進行生產(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，可以制造出具有超細晶粒組織的銅合金接觸線。生產(chǎn)工藝流程如圖1。

圖1 生產(chǎn)工藝流程

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

2.1 銅鎂合金無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)形成黏渣使爐體報廢。為防止腐蝕，國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，嚴格控制鎂合金成分并確保均勻性，開發(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)式差動多體無氧銅鎂合金熔煉技術(shù)，利用電磁攪拌及對流作用，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)中屏中學留守兒童手拉手幫扶活動，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，到昆明陽光養(yǎng)老院向孤寡老人送溫暖。組織員工進社區(qū)、進企業(yè)、進鄉(xiāng)村，開展豐富的金融知識普及活動。

（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，鑄桿含氧量為無氧銅級別。

（3）為保證合金成分，采用快速在線成分檢測技術(shù)及中間合金添加技術(shù)，合金成分誤差控制在0.02%以內(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)

接觸線為大長度銅合金產(chǎn)品，不得有任何接頭，所以生產(chǎn)方式必須為連續(xù)進行。國外銅鎂合金經(jīng)電阻加熱熔煉，上引連鑄后直接拉拔成形。電阻加熱時合金元素擴散速度較慢，通過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)，無法消除晶粒度粗大、組織結(jié)構(gòu)不均勻等固有缺陷，嚴重制約了性能提升。增大加工變形量以及含鎂量等手段可提高強度，但產(chǎn)品易出現(xiàn)開裂及導(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)的接觸線拉斷口的區(qū)別。鑄態(tài)粗晶接觸線產(chǎn)生明顯裂紋，說明其韌性不如新型超細晶接觸線。

圖2 銅鎂接觸線拉斷面對比

與臥式擠壓不同，連續(xù)擠壓是連續(xù)進行，模具持續(xù)受到高溫高壓影響，理論上可以使無限長鑄桿在高溫下再結(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

擠壓輪帶動鑄態(tài)銅合金桿進入連續(xù)擠壓機，銅桿受堵頭阻擋，被強迫壓入擠壓腔體，此時原有鑄態(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，后通過擠壓腔出口形成超細晶粒接觸線桿坯。

連續(xù)擠壓工藝最初用于鋁、純銅及銀銅等帶材生產(chǎn)，擠壓強度較低，擠壓溫度一般不超過550℃。由于銅鎂合金硬度遠高于銅銀合金，擠壓形變產(chǎn)生的溫度可達到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。必須對連續(xù)擠壓機組關(guān)鍵部件進行創(chuàng)新和改進，大幅提高設(shè)備的使用壽命，解決高溫高強化連續(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到1～5 t，即出現(xiàn)裂紋或變形。

（2）模具優(yōu)化設(shè)計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的超細晶，消除缺陷，確保材料致密性及連續(xù)性，并形成連續(xù)長度銅鎂合金材料。

（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，有效抑制晶粒長大，使再結(jié)晶過程控制在擠壓腔內(nèi)，優(yōu)化細晶結(jié)構(gòu)，分布均勻。

2.3 高強度銅合金細晶纖維化精密成形技術(shù)

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

（1）高速自動化精密纖維成形控制技術(shù)。采用自動化控制，關(guān)鍵部件使用高強度材料以延長使用壽命，提高了加工精度及生產(chǎn)穩(wěn)定性；設(shè)計專用多機架精密軋機及精密拉拔成形工藝，實現(xiàn)了細晶纖維化高速成形。經(jīng)過該工序，桿坯的細晶組織被拉長，形成明顯的纖維化，進一步提升產(chǎn)品強度及耐疲勞性等機械性能。不僅產(chǎn)量提高20%，達到2萬t/年，還保證了產(chǎn)品質(zhì)量，可以滿足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)線材表面堆積損壞模具等問題，根據(jù)銅鎂合金的變形要求改進模具材料及結(jié)構(gòu)參數(shù)，對模具間延伸系數(shù)分配進行了優(yōu)化，拉拔表面光滑均勻無裂紋。

（3）產(chǎn)品兼容性良好。采用激光步進排線及計米技術(shù)，線長精確度達到0.1%。產(chǎn)品上盤緊密應(yīng)力均勻，有利于施工放線。產(chǎn)品與現(xiàn)有施工設(shè)備及配套零部件完全兼容。

3 新型接觸線主要特性指標及對比

3.1 材料的組織特性

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

圖4 放大500倍的微觀材料纖維結(jié)構(gòu)

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

圖5 接觸線橫截面組織對比

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

3.2 材料的機電特性

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

表2 與同期同類產(chǎn)品主要指標對比（規(guī)格150 mm2）

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

4 結(jié)束語

研制成功的完全自主知識產(chǎn)權(quán)超細晶強化型銅鎂接觸線滿足于我國高速鐵路技術(shù)標準，機電性能均優(yōu)于國外同類產(chǎn)品。其根本原因在于接觸線材料在擠壓過程中實現(xiàn)了再結(jié)晶改造，形成細小致密的晶粒。根據(jù)研究來看，上引連擠工藝產(chǎn)品種類多樣，生產(chǎn)效率較高，綜合性價比優(yōu)異。新型的銅鎂接觸線強度可以滿足速度300～400 km/h高速鐵路的要求，并且在同等強度下，比傳統(tǒng)銅鎂接觸線節(jié)電至少5～10%。采用超細晶強化型銅鎂接觸線，除了安全性能得到提高以外，還可以降低損耗，符合國家節(jié)能減排的要求。

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

［2］ 張 強.客運專線接觸線的使用與研究狀況［J］.北京：電氣化鐵道，2006，增刊：272-279.

［3］ 張 強，王作祥.銅鎂合金接觸線的引進與技術(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

*國家科技支撐計劃（2009BAG12A09）

2—）男，高級工程師（

2013－11－06）