電氣化鐵路用銅合金接觸線耐蝕性能研究

王遠(yuǎn)東

(中鐵建電氣化局集團(tuán)康遠(yuǎn)新材料有限公司，江蘇 靖江 214521 )

電氣化鐵路是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的大動(dòng)脈，在促進(jìn)社會(huì)發(fā)展、服務(wù)經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮著舉足輕重的作用。我國(guó)鐵路從建國(guó)之初的兩萬(wàn)多公里，到2020年?duì)I運(yùn)里程已經(jīng)位居世界第二，其中高鐵總里程穩(wěn)居世界第一。接觸線是電氣化鐵路接觸網(wǎng)的關(guān)鍵組成部分，當(dāng)前，電氣化鐵路用接觸線種類(lèi)繁多，雖然截面形狀相似且較為簡(jiǎn)單，但對(duì)其綜合性能要求極高[1]。目前國(guó)內(nèi)普遍采用銅合金接觸線，主要有銅銀、銅錫、銅鎂、銅鉻鋯等銅合金接觸線[2]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞著接觸線開(kāi)展了諸多研究，如支海軍等[3]在成型工藝方面開(kāi)展了相關(guān)研究，給出了最佳的生產(chǎn)工藝；管桂生[4]探究出錫含量、加工變形量對(duì)CTS150合金性能的影響規(guī)律，為后續(xù)銅錫合金生產(chǎn)工藝的優(yōu)化提供了思路。徐玉松等[5]通過(guò)添加稀土元素制備出高導(dǎo)電、高強(qiáng)度的銅錫合金接觸線；何宇[6-7]等通過(guò)Deform3D模擬軟件建立了銅鎂合金連續(xù)擠壓過(guò)程中接觸應(yīng)力分布函數(shù)，為調(diào)整銅鎂合金連續(xù)擠壓工藝提供了理論依據(jù)；李亞萍[8]指出Ca元素可以同時(shí)提高銅鎂合金接觸線的強(qiáng)度和導(dǎo)電。也有學(xué)者[9]指出通過(guò)添加其他合金元素，可以細(xì)化晶粒，抑制動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，以此改善銅鎂合金接觸線的性能。Gaganov等學(xué)者[10]重點(diǎn)研究了Zr對(duì)銅銀合金的影響，結(jié)果表明，當(dāng)Zr元素達(dá)到0.05%(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))時(shí)，可以有效抑制基體中析出相不連續(xù)的析出。Lyubimova等[11-12]研究指出，經(jīng)過(guò)劇烈變形后的CuAgZr合金，在再結(jié)晶溫度下保溫促進(jìn)了析出相的析出，提升了合金的強(qiáng)度；另外再結(jié)晶過(guò)程中形成的孿晶，使合金的彈性模量提高。上述研究主要集中在生產(chǎn)工藝、成分設(shè)計(jì)、加工變形等方面，至今未見(jiàn)關(guān)于接觸線耐蝕性能研究方面的報(bào)道。

接觸線在長(zhǎng)期服役過(guò)程中不僅受到碳滑板的高速摩擦，還受到服役環(huán)境的腐蝕作用，尤其在沿海地區(qū)、大氣污染地區(qū)，因條件惡劣腐蝕一旦發(fā)生將會(huì)加劇缺陷的擴(kuò)展，甚至?xí)霈F(xiàn)斷線的危險(xiǎn)，嚴(yán)重影響列車(chē)運(yùn)行安全。本文選取銅銀、銅錫、銅鎂合金接觸線為研究對(duì)象，在鹽霧腐蝕環(huán)境下，重點(diǎn)研究不同合金種類(lèi)接觸線的耐蝕性能，這對(duì)施工過(guò)程中接觸線的選型以及使用過(guò)程中的維護(hù)保養(yǎng)有著十分重大意義。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所用的接觸線分別為銅銀合金接觸線(CTA150)、銅錫合金接觸線(CTSH150)和銅鎂合金接觸線(CTMH150)。沿軸線方向?qū)⒔佑|線切割成長(zhǎng)度為100mm的試樣，實(shí)驗(yàn)前用酒精對(duì)樣品進(jìn)行清潔處理，去除表面油污、氧化皮等。依據(jù)GB/T 10125-2012《人造氣氛腐蝕實(shí)驗(yàn)鹽霧腐蝕方法中中性鹽霧實(shí)驗(yàn)》中的相關(guān)規(guī)定，在QYO15鹽霧腐蝕實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，鹽霧腐蝕實(shí)驗(yàn)時(shí)間為72h，溫度35℃±2℃，氯化鈉溶液的濃度50g/L±5g/L，腐蝕溶液pH 值6.5～7.2，沉降率1.5mL/h±0.5mL/h。為保證鹽霧實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，每類(lèi)接觸線選取3根作為一組，共計(jì)3組，在同一鹽霧腐蝕環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。鹽霧腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，立即將試樣在乙醇液中超聲清洗，除去表面附著物后，并用電子天平進(jìn)行稱(chēng)重。采用德國(guó)徠卡DM2500M金相顯微鏡、賽默飛Volumescope掃描電鏡進(jìn)行組織觀察。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 鹽霧腐蝕實(shí)驗(yàn)前后樣品形貌

由表1腐蝕前后的形貌可知，經(jīng)72h鹽霧腐蝕后，CTA150、CTSH150、CTMH150均發(fā)生不同程度的腐蝕，失去金屬光澤，顏色變深，因長(zhǎng)時(shí)間積聚腐蝕液在接觸線槽部出現(xiàn)明顯的銅綠。將試樣在乙醇溶液中超聲清洗后，肉眼可觀察到CTA150和CTSH150腐蝕比較均勻，腐蝕面粗糙，無(wú)明顯腐蝕坑，初步判定發(fā)生的是均勻腐蝕；而CTMH150局部腐蝕嚴(yán)重，腐蝕面粗糙，發(fā)生了較為嚴(yán)重的局部腐蝕。由此可初步推出銅銀合金、銅錫合金的耐蝕性?xún)?yōu)于銅鎂合金。

表1 腐蝕前后樣品形貌

2.2 腐蝕試樣腐蝕速率

合金材料腐蝕程度的評(píng)定方法主要采用兩種方法，即失重法和深度法。

(2)深度法。Vd=8.76Vw/ρ；式中，Vd和Vw為腐蝕速率，mm/a和g/(m2·h)；ρ為腐蝕材料的密度，g/cm3。參照TB/T 2809-2017《電氣化鐵路用銅及銅合金接觸線》可知，銅銀合金和銅鎂合金接觸線的密度為8.89g/cm3，銅錫合金接觸線的密度為8.92g/cm3。

表2為不同種類(lèi)銅合金接觸線經(jīng)72h鹽霧腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，三種材料的腐蝕速率均在同一數(shù)量級(jí)水平，其中CTA150、CTSH150 和CTMH150接觸線的年化腐蝕速率分別為0.066mm/a、0.051mm/a和0.047mm/a，進(jìn)一步說(shuō)明銅銀合金、銅錫合金的耐蝕性?xún)?yōu)于銅鎂合金。

表2 鹽霧腐蝕結(jié)果

2.3 腐蝕后宏觀組織特征及腐蝕性能評(píng)級(jí)

72h鹽霧腐蝕后宏觀組織特征如圖1所示。在放大20倍條件下進(jìn)行觀察，未在CTA150和CTSH150接觸線表面發(fā)現(xiàn)明顯腐蝕缺陷(如腐蝕坑、腐蝕分層等)；而在CTMH150接觸線表面存在少量的小尺寸斑點(diǎn)狀腐蝕坑，并出現(xiàn)局部輕微腐蝕(局部凹坑腐蝕)。這說(shuō)明銅銀合金和銅錫合金耐腐蝕性能優(yōu)異，而銅鎂合金可能是因?yàn)榫植砍煞纸M織性能不均勻?qū)е鲁霈F(xiàn)少量的腐蝕斑點(diǎn)。

圖1 不同接觸線72h鹽霧腐蝕后的宏觀組織Fig.1 Macrostructure of different contact lines after 72h salt spray corrosion

依據(jù)GB/T 6461-2002《金屬基體上金屬和其他無(wú)機(jī)覆蓋層經(jīng)腐蝕實(shí)驗(yàn)后的試樣和試件的評(píng)級(jí)》的相關(guān)規(guī)定來(lái)進(jìn)行耐蝕性能評(píng)級(jí)，CTA150接觸線和CTSH150接觸線鹽霧實(shí)驗(yàn)72h后耐蝕性能評(píng)級(jí)均為RA=10，CTMH150接觸線鹽霧實(shí)驗(yàn)72h后的耐蝕性能評(píng)級(jí)RA=9級(jí)。

2.4 樣品微觀形貌和成分的變化

利用掃描電鏡對(duì)腐蝕樣品進(jìn)行微觀觀察和成分測(cè)定。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，經(jīng)過(guò)72h鹽霧腐蝕實(shí)驗(yàn)后，腐蝕后的CTA150接觸線表面出現(xiàn)條紋狀結(jié)構(gòu)，未見(jiàn)明顯的腐蝕坑，表現(xiàn)出均勻腐蝕的特征，對(duì)腐蝕選區(qū)進(jìn)行成分分析，檢測(cè)到大量的氧和氯元素(圖2)；腐蝕后的CTSH150接觸線表面出現(xiàn)呈粗糙結(jié)構(gòu)對(duì)腐蝕選區(qū)進(jìn)行成分分析，檢測(cè)到大量的氧、氯和硅元素(圖3)；腐蝕后的CTMH150接觸線表面出現(xiàn)對(duì)耐腐蝕性能影響大的點(diǎn)狀局部腐蝕(腐蝕坑)，對(duì)腐蝕選區(qū)進(jìn)行成分分析，檢測(cè)到大量的氧、硅、鋁、氯、鉀、鎂和鐵等元素(圖4)。

圖2 腐蝕后CTA150接觸線 圖3 腐蝕后CTSH150接觸線 圖4 腐蝕后CTMH150接觸線 腐蝕形貌SEM照片及成分 腐蝕形貌SEM照片及成分 腐蝕形貌SEM照片及成分Fig.2 SEM photos contact line corrosion Fig.3 SEM photos of CTSH150 contact line corrosion Fig.4 SEM photos of contact line corrosion morphology morphology and composition of CTA150 after corrosion morphology and composition after corrosion and composition of CTMH150 after corrosion

相關(guān)資料顯示[13]，在金屬材料中提升金屬耐蝕性能的途徑主要有四個(gè)。其一，熱力學(xué)控制，通過(guò)添加標(biāo)準(zhǔn)電極電位比較高的元素，提升金屬的熱力學(xué)穩(wěn)定性，從而提高陰極金屬的平衡電位，以降低體系的腐蝕傾向。其二，陰極控制，通過(guò)增大陰極反應(yīng)的阻力。其三，陽(yáng)極控制，通過(guò)增大陽(yáng)極反應(yīng)的阻力，如加入易鈍化元素使之鈍化或加入強(qiáng)陰極性元素促使陽(yáng)極鈍化。其四，歐姆電阻控制，也就是增大腐蝕體系的電阻。

對(duì)于銅銀合金，通過(guò)向純銅中添加標(biāo)準(zhǔn)電極電位比較高的銀元素(0.799V)，提升了銅銀合金的熱力學(xué)穩(wěn)定性，降低了合金體系腐蝕傾向，因此，在相同實(shí)驗(yàn)條件下，銅銀合金更具耐蝕性。

銅錫合金主要通過(guò)歐姆電阻控制機(jī)制，增大合金材料的電阻來(lái)提升合金材的耐蝕性。即通過(guò)合金化促使合金表面生產(chǎn)具有保護(hù)作用的耐蝕膜層，該膜分布均勻、致密、與基體結(jié)合力好，膜中的化合物通過(guò)協(xié)同作用，降低了氧化層的孔隙度，避免了局部腐蝕(如點(diǎn)蝕)，并且降低了環(huán)境中氯離子等腐蝕介質(zhì)對(duì)銅基體的侵蝕，阻礙了銅離子的擴(kuò)散而極大地增強(qiáng)了膜層的耐蝕性。對(duì)于銅鎂合金，一方面由于鎂元素標(biāo)準(zhǔn)電極電位較低(-2.363V)，降低了銅鎂合金的熱力學(xué)穩(wěn)定性，增加了合金體系腐蝕傾向；另一方面，腐蝕產(chǎn)物中存在硅、鋁、鉀鐵等元素，表面產(chǎn)生大量的腐蝕坑，說(shuō)明該合金內(nèi)部發(fā)生了原電池反應(yīng)，因此，腐蝕性能較銅銀、銅錫合金的差。

3 結(jié)論

(1)鹽霧腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，銅銀合金、銅錫合金和銅鎂合金的年化腐蝕速率均在同一水平，年化腐蝕速率分別為0.066mm/a、0.051mm/a和0.047mm/a，其中銅銀合金和銅錫合金的耐蝕性能評(píng)級(jí)均為RA=10級(jí)，優(yōu)于銅鎂合金(RA=9級(jí))。

(2)鹽霧腐蝕過(guò)程中銅銀合金表面屬均勻腐蝕，呈條紋狀結(jié)構(gòu)；銅錫合金表面屬均勻腐蝕，呈粗糙結(jié)構(gòu)；銅鎂合金表面出現(xiàn)均勻腐蝕和點(diǎn)狀局部腐蝕。

(3)三種合金系的耐蝕性機(jī)制不同，銅銀合金主要通過(guò)添加標(biāo)準(zhǔn)電極電位比較高的銀元素，提升了其耐蝕性能；銅錫合金主要通過(guò)歐姆電阻控制機(jī)制及腐蝕過(guò)程中耐蝕膜層的作用，達(dá)到抑制腐蝕的目的；銅鎂合金則因鎂元素標(biāo)準(zhǔn)電極電位較低及基體內(nèi)部原電池反應(yīng)，致使耐蝕性能降低。

Study on Corrosion Resistance of Copper Alloy Contact Wire Used in Electrified Railway

Wang Yuandong

(China Railway Construction Electrification Bureau Group Kang Yuan New Material Co., Ltd., Jingjiang 214521, China)

Abstract: In this paper, the corrosion resistance of copper-silver alloy contact wire, copper-tin alloy contact wire and copper-magnesium alloy contact wire are studied by salt spray corrosion tests, microstructure analysis and micro-area composition analysis. The results show that the annual corrosion rates of copper-silver alloy, copper-tin alloy and copper-magnesium alloy contact lines are all at the same level, and the grade of corrosion resistance of copper-silver alloy and copper-tin alloy is better than that of copper-magnesium alloy.

Keywords: copper alloy contact wire; corrosion resistance; annualized corrosion rate