電氣化鐵路Cu-Mg合金接觸線研究現(xiàn)狀及展望

朱一平，劉東雨

（華北電力大學(xué)（北京）能源動力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 昌平 102206）

目前，我國已建成世界規(guī)模最大高速鐵路網(wǎng)，高鐵網(wǎng)對50萬人口以上城市覆蓋率達(dá)到86%。隨著高速動車組運(yùn)行速度的提高，電氣化鐵路接觸線材料的性能要求也越來越高。目前接觸線使用最廣泛的材料是銅錫合金和銅鎂合金，但銅鎂合金接觸線的性能更好。且隨著上引連擠工藝的投入使用，銅鎂合金接觸線的機(jī)電性能得到了大幅度提高。但高速鐵路速度的進(jìn)一步提升，就需要對銅鎂合金接觸線進(jìn)行優(yōu)化。

1 國家標(biāo)準(zhǔn)

鐵道部于2017年發(fā)布了TB/T 2809—2017《電氣化鐵路用銅及銅合金接觸線》。與2005年的舊標(biāo)準(zhǔn)相比，新標(biāo)準(zhǔn)對接觸線關(guān)鍵指標(biāo)抗拉強(qiáng)度和導(dǎo)電率的要求都有提升[1-2]。不同型號接觸線的表示方法如圖1所示。

根據(jù)新標(biāo)準(zhǔn)要求，銅及銅鎂合金的化學(xué)成分如表1。從表1中可以看出，新標(biāo)準(zhǔn)對于銅鎂合金接觸線中的鎂含量給出了一個較為寬泛的范圍，而且三種不同性能接觸線的鎂含量有交叉的部分。這也給銅鎂合金接觸線的研發(fā)與生產(chǎn)提供了一個較大的空間。

表1 銅鎂合金接觸線化學(xué)成分

新發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)中給出的接觸線部分機(jī)電性能要求見表2。在舊標(biāo)準(zhǔn)中，銅鎂合金接觸線只分為CTM、CTMH兩種，而新標(biāo)準(zhǔn)中的CTMM的機(jī)電性能大致與舊標(biāo)準(zhǔn)中的CTMH相當(dāng)。

表2 銅鎂合金接觸線部分機(jī)電性能

2 銅鎂合金接觸線的生產(chǎn)

目前，銅鎂合金接觸線的生產(chǎn)方式為上引連續(xù)擠壓法。連續(xù)擠壓的工作原理[3]如圖2所示，利用一個帶輪槽的擠壓輪，利用輪槽與上引桿坯料之間的摩擦力，將坯料不斷地拽入模腔內(nèi)，并在模腔里發(fā)生塑性變形，最后從擠壓?？讛D出產(chǎn)品。摩擦力在塑性加工中通常做無用功，而在連續(xù)擠壓工藝中，摩擦力恰恰是變形的驅(qū)動力。摩擦和塑性變形產(chǎn)生的熱量可使坯料溫度提升至600℃～800℃。因此，連續(xù)擠壓工藝具有以下優(yōu)點(diǎn)：①坯料無需進(jìn)行加熱，整個工藝中的全部能量來源于摩擦。②可得到細(xì)小的再結(jié)晶晶粒組織，晶粒大小約為0.02 mm。③接觸線表面整潔、光亮，且平直度好。④可以連續(xù)生產(chǎn)上千米甚至上萬米的成卷制品制造，由于接觸線不能有焊接接頭，故能連續(xù)生產(chǎn)上千米接觸線尤為重要。⑤利用不同形狀的擠壓?？祝梢陨a(chǎn)不同形狀、規(guī)格的產(chǎn)品。

圖1 接觸線型號表示方法

圖2 連續(xù)擠壓的工作原理

連續(xù)擠壓法也有著不足之處，筆者在工廠調(diào)研時發(fā)現(xiàn)，連續(xù)擠壓法生產(chǎn)的銅帶材，在橫向不同部位上（兩邊與中間），導(dǎo)電性能有著明顯的差異。這說明在連續(xù)擠壓時，不同部位坯料的溫度與受力并不均勻。盧利平等人[4]用Deform-3D軟件對銅鎂合金線材連續(xù)擠壓過程進(jìn)行數(shù)值模擬。其研究表明，坯料在腔體入口處流動速度最快，溫度最高，而在腔體兩側(cè)流動速度接近零，溫度最低。這就導(dǎo)致擴(kuò)展腔兩側(cè)的坯料，硬度最小，晶粒粗大。謝玲玲等人[5]認(rèn)為，在擠壓過程中，模具與坯料的摩擦力使中心金屬的流動比表面金屬快；且型腔部位的橫截面積的增大也會導(dǎo)致金屬的流動速度變慢。故謝玲玲等人認(rèn)為在模具內(nèi)設(shè)置促流角會使金屬流動更均勻。

3 銅鎂合金成分調(diào)整

共晶溫度725℃時，鎂在銅中的溶解度為w(Mg)=2.77%，并隨著溫度的下降而急劇減少，常溫下小于1%。雖然固溶態(tài)鎂原子對合金起到固溶強(qiáng)化的作用，但對導(dǎo)電率的危害極大，微量的鎂就會導(dǎo)致銅鎂合金的導(dǎo)電率大幅下降。

邱正曉[6]用上引連擠法制備了Cu-0.2Mg、Cu-0.4Mg、Cu-0.6Mg合金三種接觸線，并測試了合金的力學(xué)性能、導(dǎo)電性能，具體數(shù)值見表3。

表3 不同成分銅鎂合金接觸線的抗拉強(qiáng)度和導(dǎo)電率

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：Cu-0.2Mg合金接觸線能達(dá)到新標(biāo)準(zhǔn)中的CTM標(biāo)準(zhǔn)；Cu-0.4Mg合金接觸線能達(dá)到CTMM標(biāo)準(zhǔn)；而Cu-0.6Mg合金接觸線雖然抗拉強(qiáng)度達(dá)到567 Mpa，但其導(dǎo)電率只有64%IACS，是不符合標(biāo)準(zhǔn)的。

提高Cu-0.6Mg合金接觸線導(dǎo)電率的方法有兩種：①降低合金中鎂的含量；②加入微量稀土元素。若降低鎂含量，必然會導(dǎo)致合金抗拉強(qiáng)度的降低，顯然不是一個兩全其美的方法。加入稀土元素的作用為除雜、凈化銅液[7]。周皓等人[8]通過向Cu-0.4Mg合金中加入0.1%的稀土，研究了微量稀土元素對Cu-0.4Mg合金組織和性能的影響。結(jié)果表明，稀土的添加具有明顯細(xì)化銅鎂合金晶粒的作用，且能提高了合金的抗拉強(qiáng)度和導(dǎo)電率。

雖然合金的原材料為標(biāo)準(zhǔn)陰極銅(Cu-CATH-2)，但陰極銅表面的“銅綠”、“銅豆”含有大量的雜質(zhì)元素，如Pb、Bi、Se、Fe等。這些雜質(zhì)元素即使含量極低，也會大大降低銅合金的導(dǎo)電率，因此需要盡可能除去。稀土的化學(xué)性質(zhì)活潑，能夠與Pb、Bi、Se等相互作用，生成熔點(diǎn)很高的稀土化合物，這些高熔點(diǎn)稀土化合物有的上浮成渣，有的以極細(xì)小的顆粒形式懸浮于銅液熔體中。這些細(xì)小顆粒會成為彌散形核的結(jié)晶晶核，由于形核核心的增多，銅合金的晶粒被細(xì)化。

4 展望

我國目前新開發(fā)的具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的銅鉻鋯合金接觸線，具有強(qiáng)度高，導(dǎo)電性好等優(yōu)點(diǎn)。銅鉻鋯合金的機(jī)電性能好于銅鎂合金，但其生產(chǎn)過程中需要進(jìn)行熱處理，這就大大增加了銅鉻鋯合金接觸線的生產(chǎn)難度，且一次性生產(chǎn)上千米的銅鉻鋯合金接觸線也是一大難題。銅鎂合金接觸線可通過控制陰極銅的質(zhì)量，加入稀土除雜，改善擠壓模具等優(yōu)化生產(chǎn)工藝，以到更好的性能——在保證導(dǎo)電率符合標(biāo)準(zhǔn)的同時，抗拉強(qiáng)度可與銅鉻鋯合金接觸線持平。