高速電氣化鐵路銅接觸線研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 *

陳建清， 蘇業(yè)涵， 李 強， 江靜華， 馬愛斌,2

(1. 河海大學力學與材料學院, 江蘇 南京 211100； 2. 河海大學宿遷研究院, 江蘇 宿遷 223800)

引 言

鐵路是國家重要的基礎設施、國民經(jīng)濟大動脈和大眾化交通工具，而速度是衡量一個國家鐵路現(xiàn)代化程度的重要標志。高速鐵路是指由新一代列車提供的時速在200～350 km/h甚至更高的鐵路快速運輸服務。1997～2007年，中國鐵路進行了6次大提速，既有線路提速至時速250 km/h。2005年起，鐵道部《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》實施，大規(guī)模高鐵建設全面展開，截至2020年底，中國高速鐵路運營總里程達3.79萬 km，約占全世界高鐵總里程的68.8%。中國鐵路高速動車組的最高運營速度達到350 km/h，位居世界首位。

高速電氣化鐵路列車的動力來自沿鐵路線路架設的接觸網(wǎng)，依靠機車受電弓從接觸網(wǎng)導線取流，接觸線的作用是確保列車高速運行時能夠持續(xù)不斷地從牽引供電系統(tǒng)中得到電能。接觸線長期受一定張力，懸掛在鐵路線路上方，通過與電力機車受電弓滑板之間的接觸摩擦向電力機車輸送電流，其性能直接影響機車的受流穩(wěn)定性及安全性。

隨著我國高速電氣化鐵路的蓬勃發(fā)展，接觸線需求迅速增加，同時隨著電氣化鐵路進一步向著高速化、重載化方向發(fā)展，接觸線材料的性能要求也越來越高。本文從接觸線的工作狀態(tài)及工作環(huán)境出發(fā)，分析了高速鐵路對接觸線的性能要求，綜述了國內外常用的幾種銅接觸線的特點及研究現(xiàn)狀，比較了幾種銅合金在性能、制備工藝等方面的優(yōu)缺點，并以此為依據(jù)探討了高鐵接觸線的研究內容和發(fā)展方向。

1 接觸線性能要求

電力機車的受電弓沿著接觸線高速滑動時，受電弓與接觸線組成了一個振動系統(tǒng)，接觸線波動傳播速度Vc與接觸線張力和線密度ρL有如下關系[1]

(1)

式中Vc為接觸線波動傳播速度，單位:km/h；N為接觸線懸掛張力，單位:N；ρL為接觸線線密度，單位:kg/m。

當機車的運行速度接近接觸線波動速度時，接觸線的離線率增大，如果離線，會產(chǎn)生電火花、拉弧、事故大電流，從而使接觸線的溫度急劇升高，磨耗工作面處于局部過熱狀態(tài)而發(fā)生軟化，強度和表面硬度下降，使磨耗加快、使用壽命縮短，高溫強度降低引發(fā)斷線弓網(wǎng)事故。因此，要求接觸線具有高導電率，以保證受電弓良好的受流性，同時具有良好的耐熱性，抗軟化溫度高，以避免斷線弓網(wǎng)事故。

當列車運行速度低于波動速度的70%時，機車可獲得穩(wěn)定的受流狀態(tài)。因此，接觸線波動速度限制了機車的運行速度，提高電氣化鐵路機車的運行速度，關鍵是提高接觸線的波動速度。從公式(1)可以看出，要提高接觸線波動速度，必須增大接觸線的懸掛張力，降低接觸線的線密度，即提高接觸線的抗拉強度，選用高強度、低線密度的接觸線材料。

高速鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)普遍采用大電流、高行車密度模式，接觸線工作溫度在80～100 ℃[2]，隨著溫度上升，接觸線電阻增加，載流能力下降。高速和重載化對接觸線的載流能力提出了更高要求，要求電阻率小，導電率高。同時“碳達峰”和“碳中和”大背景下，節(jié)能環(huán)保越來越成為發(fā)展的制約因素，要求提高電能利用率，降低損耗，對接觸線的導電性提出了新要求，要求接觸線具有更好的電性能，即更高的導電率和更低的電阻溫度系數(shù)。

接觸線通過與機車上的受電弓滑板直接接觸向電力機車傳輸電流，接觸線與受電弓滑板之間為滑動摩擦，接觸線磨耗會使接觸線電阻增大。另一方面，摩擦生熱、焦耳熱效應會導致接觸線溫度升高、電阻增大、強度下降、電蝕燒損，引發(fā)拉斷或熔斷事故。因此，要求接觸線具備較好的耐磨耗性能以及耐軟化性能[3]。

我國2030年“八縱八橫”高速鐵路網(wǎng)規(guī)劃，貫通南北和東西，線路海陸環(huán)境、氣候環(huán)境復雜。接觸網(wǎng)要經(jīng)受高寒、高溫、酸雨等惡劣環(huán)境，沿海鐵路的接觸網(wǎng)經(jīng)受振動沖擊、海洋大氣腐蝕等考驗。接觸線工作在高溫、嚴寒、腐蝕、摩擦、磨損和極大張力的環(huán)境中，還要承受沖擊、震蕩載荷，要求接觸線抗大氣腐蝕性能好，同時具有較小的線膨脹系數(shù)，降低熱應力，避免熱應力破壞。

綜上，接觸線材料應具備優(yōu)良的綜合性能，主要包括以下幾個方面：

(1)高強，接觸線的抗拉強度決定了接觸線張力，而接觸線張力決定了列車速度上限；(2)高導，導電性決定了接觸線的載流能力和損耗；(3)耐熱性好，需要良好的抗高溫軟化性能，300 ℃/2h保溫處理后，抗拉強度的軟化率大于90%；(4)耐磨，良好的耐磨性能，使用壽命不低于20年；(5)耐腐蝕，沿海、工礦、酸雨地區(qū)使用的接觸線具有良好的耐腐蝕性；(6)具有較小的線膨脹系數(shù)，線膨脹系數(shù)不超過1.7×10-7/K[4]。表1為我國電氣化鐵路用銅及銅合金接觸線鐵道行業(yè)標準TB/T 2809-2017中給出的接觸線的常規(guī)機電性能[5]。

表1 接觸線常規(guī)機電性能

2 國內外常用接觸線及其研究現(xiàn)狀

接觸網(wǎng)系統(tǒng)采用的接觸線種類主要有銅、銅銀、銅錫、銅鎂、銅鉻鋯合金等。目前國內外電氣化鐵路常用接觸線種類及性能如表2所示[6]。

表2 國內外電氣化鐵路用接觸線的應用情況及主要性能

在歐洲和德國，時速250 km/h以下的線路主要采用Cu-Ag接觸線，300 km/h及以上的線路采用Cu-Mg接觸線，法國部分時速300 km/h以上的線路也選用Cu-Sn接觸線。日本新干線大部分采用Cu-Sn接觸線。

20世紀70年代初，我國第一條電氣化鐵路寶成線寶雞-鳳州段采用的是銅接觸線，但當時國家銅材匱乏，部分區(qū)段采用鋼鋁接觸線。改革開放以后隨著列車運行速度提高，鋼鋁接觸線逐漸退出了歷史舞臺，至90年代以前，我國基本采用銅接觸線。90年代以后研發(fā)出了銅銀接觸線，適用于時速200 km/h及以下線路，廣泛應用于我國繁忙干線和提速干線接觸網(wǎng)。2000年后，隨著列車的進一步提速和高鐵的發(fā)展，我國又研制出了銅錫合金接觸線、銅鎂合金接觸線、銅鉻鋯三元合金接觸線，前二者廣泛應用于我國電氣化鐵路接觸網(wǎng)導線，后者也獲得了一定范圍的應用。

2.1 純銅接觸線

純銅具有優(yōu)良的導電性(導電率≥97%)、導熱性和耐腐蝕性，是優(yōu)異的導體材料。但是Cu的冷作硬化對強度提高有限，抗拉強度只有350～360 MPa，工作溫度90 ℃，而且受熱后容易發(fā)生再結晶，導致材料軟化，經(jīng)300 ℃軟化處理2 h后，抗拉強度降低40%，只有未處理前的60%，不但磨耗大，而且易造成事故。純銅接觸線適用于120 km/h及以下速度等級的線路，因其抗拉強度低、耐高溫軟化性能差，目前已基本不再采用[2,6-7]。

2.2 固溶強化型銅合金接觸線

在Cu中加入適量的合金元素，制成銅合金，通過固溶強化和沉淀強化，可以大幅提高其抗拉強度、軟化溫度和耐磨性，成為接觸線的主要材料。

2.2.1 銅銀合金接觸線

在Cu中添加適量的Ag形成固溶體，形成銅銀合金，可以提高其強度、耐磨性和耐熱性[8]。在Cu中添加0.05 %的Ag，其再結晶溫度由140 ℃提高至約340 ℃[9]。Ag和Cu是同族元素，電子結構類似，對電導率影響最小，銅銀合金電導率可以達到97%IACS以上。銅銀合金具有抗高溫軟化性能強和載流能力大的特點，工作溫度150 ℃，載流量提高13%～26%，軟化后強度降低4%～6%，解決了純銅接觸線高溫強度低的問題。德國的Re-250型接觸網(wǎng)中使用銅銀合金接觸線，機車時速可達250 km/h[10]，但也正因為Ag和Cu是同族元素，固溶強化效果不突出，銅銀合金的常溫力學性能提高有限，約為370 MPa左右。目前國產(chǎn)的銅銀合金接觸線已和國外水平相當[5]，可以替代進口產(chǎn)品，用于300 km/h以下高速鐵路。

2.2.2 銅錫合金接觸線

與銅銀合金相比，銅錫合金接觸線具有強度大、軟化溫度高、合適的導電性，綜合性能優(yōu)于銅銀合金接觸線。20世紀80年代起，日本就開始研究和使用銅錫合金接觸線，日本新干線使用銅錫合金接觸線的里程占總里程的80%[6]。1997年，日本利用銅錫合金接觸線，實現(xiàn)了300 km/h的目標[10]，我國目前有多條線路使用銅錫合金接觸線。Sn元素可以直接加入銅熔體，無損耗，成分均勻穩(wěn)定，制造工藝簡單，成品率高，價格便宜。隨著Sn元素含量的增加，合金電導率下降，抗拉強度提高。Sn的質量分數(shù)從0.050%提高至0.300%，導電率從91.3%IACS下降到78.8%IACS，抗拉強度從432 MPa提高至454 MPa[11]。添加了0.05%RE的Cu-0.25Sn合金，強度為446 MPa，導電率為84.5%IACS，超過了CTSM的性能要求[12]。添加0.07%La的Cu-0.58Sn-0.07La合金，抗拉強度增加14.8%，導電率增加2.27%[13]。

2.2.3 銅鎂合金接觸線

銅鎂接觸線最早由德國鐵路公司(DBAG)牽頭研制，Cu-Mg-120接觸線在法蘭克福線RE330接觸網(wǎng)上進行了運行試驗，時速可達到330 km/h。此后西班牙、法國、比利時相繼也采用了銅鎂合金接觸線。2002年，銅鎂合金接觸線在我國秦沈客運專線上試驗成功，時速達到了300 km/h，此后我國300 km/h及以上線路中大多使用銅鎂合金接觸線。目前TB/T2809-2017標準要求CTMH接觸線抗拉強度≥530 MPa，導電率≥65%IACS。銅鎂合金是固溶強化型合金，Mg元素的添加可以顯著提高抗拉強度，耐磨、耐熱性好，但是也會顯著降低合金的導電率。張光偉等[11]采用上引連鑄-連續(xù)擠壓法制備銅鎂合金接觸線，Mg元素的質量分數(shù)從0.025%提高至0.58%，抗拉強度從420 MPa提高至580 MPa，電導率從98.0%IACS下降至63.5%IACS。文獻[14-16]采用Conform-ECAP組合加工制備的Cu-0.2Mg合金的抗拉強度為566 MPa，導電率為85.3%IACS，Cu-0.4Mg合金抗拉強度達589 MPa，導電率為79.4%IACS。Cu-Mg合金經(jīng)高道次ECAP加工后，晶粒細化，晶粒內部整體位錯較低，使合金獲得了高強度的同時保持了良好的導電性能。Conform-ECAP-CW加工Cu-0.2Mg合金抗拉強度575 MPa，導電率81.5%IACS, Cu-0.4Mg合金抗拉強度達627 MPa，電導率72.4%IACS。冷加工進一步提高了合金的強度，但是合金導電率有所降低，但仍然明顯優(yōu)于TB/T 2809-2017標準CTMH的要求，也優(yōu)于銅鉻鋯接觸線(≥560 MPa，≥75%IACS)的要求[5]。

2.3 沉淀強化型銅合金接觸線

銅鉻鋯合金的強化機理屬于沉淀型強化，通過熱處理(固溶+時效)，使過飽和固溶體析出強化相，從而提高合金的強度和導電率，強度高(≥560 MPa)，同時導電率較固溶強化型銅錫、銅鎂合金顯著提高(75%IACS～90%IACS)。日本的PHC-110接觸線，抗拉強度和導電率可達555 MPa和78.8%IACS。我國TB/T2809-2017標準要求銅鉻鋯接觸線抗拉強度≥560 MPa ，電導率≥75%IACS[5]。2010年，京滬高鐵棗莊-蚌埠時速220 km/h先導試驗段采用銅鉻鋯接觸線，創(chuàng)造了486.1 km/h的世界高速鐵路運營試驗速度記錄。銅鉻鋯接觸線可用于350 km/h以上的高速鐵路，京滬、大西、武廣、朔華重載等鐵路線路均采用了銅鉻鋯接觸線。郭慶放等[17]采用引連鑄、連續(xù)擠壓、軋制、時效處理、剝皮、成品拉拔工藝制得的銅鉻鋯接觸線抗拉強度582 MPa，電導率85.8%IACS，延伸率6.0%。袁遠等[18]采用連續(xù)擠壓生產(chǎn)的銅鉻鋯接觸線抗拉強度569 MPa，電導率78%IACS。

銅鉻鋯合金的強化機制以析出強化為主，依靠后期熱處理過程中強化相的析出，并彌散分布于晶粒內部，強化效果取決于強化相的析出量及分布狀態(tài)。強化相的析出降低了晶粒內部及晶界處的合金元素含量，降低了電子散射，提高了導電率。通過熱處理工藝的調控，可以實現(xiàn)強度和電導率的調控，可控制備高強高導(≥580MPa、≥80%IACS)、中強高導(≥480MPa、≥88%IACS)、超高強中導(≥620MPa、≥75%)等多個系列接觸線產(chǎn)品，滿足不同的接觸網(wǎng)系統(tǒng)需求[2]。

銅鉻鋯合金接觸線材料，強度高、導電性好，耐磨、耐蝕性好，耐高溫軟化能力提高至400 ℃，具有廣闊的應用前景。但是其生產(chǎn)加工過程與普通的銅銀、銅錫和銅鎂合金接觸線的加工工藝迥然不同，需要多道次、長時間熱處理，工藝復雜，生產(chǎn)成本較其他接觸線高。

2.4 常用銅接觸線的主要特點

Ag元素導電性好，Ag的加入對銅銀合金的導電率影響較小，但是其強化效果也差，而且Ag屬貴金屬，原材料成本高。

Sn元素不易燒損，銅錫合金成分穩(wěn)定，加工費用低，適合大規(guī)模生產(chǎn)。而且銅錫具有良好的化學穩(wěn)定性和耐蝕性，能抵抗工業(yè)大氣、海洋大氣、天然氣氣氛等多種環(huán)境介質的腐蝕，適應性好。

Mg元素強化效果比Sn元素好，同樣的導電率下，銅鎂合金的強度比銅錫合金高。但是Mg元素易燒損，熔煉成分不易控制，而且熔體中的Mg易與耐火材料發(fā)生反應，爐齡短，加工費用較銅錫合金高。

銅鉻鋯合金屬于析出強化型合金，可形成彌散分布相，由此阻礙位錯運動，提高合金強度，同時由于合金元素的析出，降低了合金中的固溶元素含量，對導電率影響較小，可以獲得較好的綜合性能。但是非真空條件下Cr和Zr元素易燒損，金屬液流動性差，合金成分不易控制，固溶-時效熱處理工藝復雜，生產(chǎn)難度大，工藝流程復雜，生產(chǎn)設備昂貴。表3給出了不同種類接觸線性能的比較及適用范圍[7]。

表3 不同種類接觸線性能及特點

3 銅接觸線發(fā)展趨勢

目前我國在銅合金接觸線制造領域已經(jīng)處于國際領先水平[19]。前述銅銀、銅錫、銅鎂、銅鉻鋯已可規(guī)?；a(chǎn)，替代進口。250 km/h及以下線路一般采用銅錫合金接觸線，時速300 km及以上線路一般采用銅鎂合金接觸線，銅鉻鋯三元合金接觸線在個別線路進行了批量試用。

未來，更快高鐵仍然是我國鐵路發(fā)展的重要方向，高速鐵路運營速度的提升包括既有高速鐵路提升和新建高速鐵路提升兩種類型[20]，安全、可靠、經(jīng)濟的接觸線始終是影響高鐵發(fā)展的關鍵因素之一，要求接觸線材料具有更優(yōu)異的綜合性能。對現(xiàn)有的接觸線種類，亟需優(yōu)化合金成分設計，嚴格控制原材料中的雜質及合金化過程。優(yōu)化當前銅合金線坯的工藝流程，嚴格控制鑄造過程的冷卻環(huán)境，嚴格控制軋制條件和拉制條件，提高產(chǎn)品的可靠性、降低成本。同時需加強先進生產(chǎn)工藝和加工裝備的研發(fā)。

為了適應更高的運營速度，加強新型高性能合金體系開發(fā)，對現(xiàn)有銅銀、銅錫、銅鎂合金進行性能優(yōu)化、微合金化[12,21-22]，開發(fā)三元系甚至多元系合金，進一步提高強度、導電率、耐磨、耐腐蝕、耐高溫軟化性能等綜合性能。

探索高強高導銅合金制備新工藝，如：彌散強化型銅基復合材料原位合成技術。彌散強化銅合金接觸線通過在銅基體中生成彌散分布的、具有高穩(wěn)定性和高強度的細小陶瓷顆粒提高合金的強度。袁遠等[23]采用內氧化法制備的Cu-Al2O3彌散強化銅合金接觸線，抗拉強度達568 MPa，電導率達84%IACS。Ni等[24]原位合成Cu-TiC彌散強化銅合金抗拉強度586.4MPa，電導率70.7%IACS，機電性能均優(yōu)于TB/T2809-2017標準中銅鉻鋯合金接觸線的技術要求[5]，是接觸線理想的備選材料，有望成為接觸線未來的發(fā)展趨勢。

4 結束語

中國高鐵事業(yè)的快速發(fā)展，已經(jīng)成為一張亮麗的國家名片，是中國自主創(chuàng)新的一個成功范例[20]?！耙粠б宦贰薄ⅰ案哞F名片”走出去都離不開高性能接觸線材料，高性能銅合金接觸線材料具有廣闊的應用前景。我國接觸線制造也從依賴進口發(fā)展到世界領先水平，未來的發(fā)展要進一步加強自主創(chuàng)新，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的新型高性能合金體系，優(yōu)化加工工藝，加強大型熱處理和加工裝備的研發(fā)，以適應國內高鐵發(fā)展和高鐵走出去的需求。