銅合金接觸線生產(chǎn)過(guò)程表面缺陷分析

吳冬寧，彭 勇，路 超，王國(guó)迎

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

目前，國(guó)內(nèi)外電氣化高速鐵路接觸網(wǎng)常采用高強(qiáng)度的銅鎂、銅錫合金接觸線線材。其生產(chǎn)普遍采用上引連鑄→連續(xù)擠壓→(或再冷軋)→拉拔→成品制程工藝[1]。由于接觸線是電氣化鐵路的生命線，若接觸線存在質(zhì)量缺陷，將嚴(yán)重影響高鐵機(jī)車的運(yùn)行安全，給乘客的生命安全帶來(lái)巨大威脅。因此，有必要對(duì)銅合金接觸線生產(chǎn)過(guò)程中的典型質(zhì)量缺陷進(jìn)行研究，確定其產(chǎn)生原因，并提出相應(yīng)的改進(jìn)建議，為生產(chǎn)性能穩(wěn)定的銅合金接觸線提供有力保障。波浪彎或頸縮是銅鎂、銅錫合金接觸線在生產(chǎn)過(guò)程中常見(jiàn)的典型質(zhì)量缺陷，本文重點(diǎn)對(duì)該缺陷進(jìn)行分析。

1 缺陷及危害

波浪彎或頸縮的特征是線材表面凹陷不平，燈光下反光。該缺陷對(duì)列車運(yùn)行的危害非常大，一方面，列車高速運(yùn)行過(guò)程中受電弓碳滑板與波浪彎、頸縮之間產(chǎn)生劇烈摩擦，瞬間產(chǎn)生離線火花，降低了列車的取流質(zhì)量，加劇了兩者的磨損，使接觸線和受電弓碳滑板的表面變得不光滑，從而縮短接觸線與受電弓的使用壽命；另一方面，此缺陷對(duì)接觸導(dǎo)線的力學(xué)性能尤其是疲勞性能均有不利影響，嚴(yán)重時(shí)甚至可能發(fā)生斷線事故。

2 缺陷產(chǎn)生原因

導(dǎo)致接觸線表面波浪彎、頸縮缺陷產(chǎn)生的原因，大致可以分為夾溢料、起殼、空心、夾灰(或鱗渣)4種。

2.1 夾溢料

夾溢料是指連續(xù)擠壓過(guò)程中擠壓溢料進(jìn)入擠壓銅桿，破壞了銅合金基體的均勻性、連續(xù)性[1]。在后續(xù)拉制過(guò)程中，易在接觸線表面產(chǎn)生波浪彎、頸縮缺陷，使接觸線有效截面減小，進(jìn)一步使其抗拉強(qiáng)度降低，增加了接觸線表面裂口，甚至拉斷的風(fēng)險(xiǎn)，如圖1所示。

對(duì)存在缺陷部位的接觸線進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，在斷口處可見(jiàn)多層折疊“V”型夾雜物，其尖端為接觸線的拉斷方向，夾雜物為連續(xù)擠壓機(jī)產(chǎn)生的擠壓溢料，溢料以橢圓型分布在接觸線的淺表層(圖1(a))。夾溢料剖面金相觀察(圖1(b))，夾溢料處明顯可見(jiàn)多層夾雜物，且溢料周圍分布著多條邊緣粗糙、不規(guī)則的裂紋，溢料終端裂口處出現(xiàn)延伸狀裂紋，裂紋最深處與表面的徑向距離約為3.5mm，靠近表面端在拉伸后裂口處斷開(kāi)，靠近表面材料為擠壓輪將溢料帶入腔體擠壓進(jìn)入表面。

渦流在線檢測(cè)儀廣泛應(yīng)用于各類有色金屬、黑色金屬管、棒、線、絲、型材的在線、離線探傷[4]。對(duì)金屬管、棒、線、絲、型材的缺陷，如表面及亞表層裂紋、暗縫、夾渣、空心、夾灰和開(kāi)口裂紋等缺陷均具有較高的檢測(cè)靈敏度，且在阻抗平面圖上表現(xiàn)出不同的渦流信號(hào)(圖1(c))。接觸線夾雜溢料處渦流場(chǎng)發(fā)生畸變中心區(qū)非常厚且軌跡亂，密度高，雙側(cè)信號(hào)幅度鏡像向中心部位延展均已經(jīng)超出報(bào)警區(qū)，缺陷主要分布在表面或亞表面區(qū)且部分少量溢料已經(jīng)滲透到深部(圖1(d))。

圖1 夾雜溢現(xiàn)象Fig.1 Inclusion overflow

產(chǎn)生原因：①刮刀未將粘合在擠壓輪輪槽兩側(cè)的擠壓廢料刮除干凈，根部堆積溢料；②擠壓輪輪槽邊底銅包角磨損嚴(yán)重，輪槽變寬，長(zhǎng)時(shí)間工作后由于熱疲勞導(dǎo)致擠壓輪破裂；③堵頭變形、磨損，擠壓溢料增大；④刮刀磨損嚴(yán)重，與擠壓輪槽的間隙增大；⑤上引桿坯不圓，在擠壓模腔口或銅桿引導(dǎo)塊頭部產(chǎn)生堵溢料；⑥模腔長(zhǎng)時(shí)間工作后壓力變小，入料口寬度變大，工作間隙無(wú)法溢出溢料；⑦擠壓過(guò)程中未及時(shí)清理溢料。上述原因?qū)е聰D壓廢料增多，經(jīng)擠壓輪帶進(jìn)模腔進(jìn)行二次擠壓、成型，最終混入到擠壓銅桿內(nèi)部。

2.2 起殼

起殼是指銅合金接觸線剪切唇區(qū)金屬與放射區(qū)、纖維區(qū)金屬分離、不結(jié)合的現(xiàn)象，如圖2所示。對(duì)存在缺陷的接觸線進(jìn)行彎曲試驗(yàn)(圖2(a))，彎曲裂面形貌表現(xiàn)為空殼、分層，斷口處清潔，未發(fā)現(xiàn)夾雜物，接觸線放射區(qū)主體與缺陷處之間存在明顯的大裂口，且裂口分布在接觸線表面剪切區(qū)。分層缺陷分布在接觸線邊緣，斷裂口形貌呈階梯臺(tái)階狀，表壁光滑，呈剪切脆斷性趨勢(shì)(圖2(b))。起殼剖面金相觀察(圖2(c))，缺陷處裂口為一條主裂紋，與表面呈30°～40°的角，裂紋最深處與表面的徑向距離約為2mm，周圍不存在多條微裂紋，且主裂紋中心部位清潔，無(wú)夾雜，同時(shí)接觸線邊緣存在多條與主裂口平行的裂紋，最終導(dǎo)致此處產(chǎn)生分層起殼現(xiàn)象，與因夾雜溢料引起的缺陷金相存在明顯不同。

圖2 起殼現(xiàn)象Fig.2 Peeling phenomenon

接觸線起殼處阻抗圖(2(d))，阻抗圖表現(xiàn)為很大的曲線變化，說(shuō)明接觸線表面或內(nèi)部發(fā)生缺陷，并在阻抗圖上繪出相應(yīng)曲線，曲線超出報(bào)警區(qū)域(圓圈)，此缺陷處的渦流場(chǎng)發(fā)生畸變中心區(qū)也是厚且軌跡亂，密集度高，但是單側(cè)向中心部位延展，缺陷主要分布在表面或亞表面區(qū)且一端會(huì)滲透至深部。

產(chǎn)生原因：①銅桿合金成份不均勻，產(chǎn)生偏析，造成銅桿不同部位性能差異較大；②上引連鑄桿坯表面存在鎂斑、錫斑；③鑄坯桿表面有水漬；④上引銅桿表面油漬污染；⑤木炭及石墨鱗片覆蓋厚度不當(dāng)，覆蓋劑的組成不合理；⑥連續(xù)擠壓機(jī)壓實(shí)輪、擠壓輪破損，輪槽變寬；⑦擠壓堵料嚴(yán)重至壓桿瞬間打滑；⑧結(jié)晶器循環(huán)冷卻水溫度高[2]。以上原因會(huì)引起擠壓桿內(nèi)部存氣泡、氣孔、充不滿等缺陷，在接觸線拉制過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)起殼。

2.3 空心

空心是線材內(nèi)部存在明顯的空洞，大部分為熔鑄中銅液自上而下冷卻結(jié)晶，結(jié)晶前析出的氫氣無(wú)法逸出，從而聚集形成氣孔，如圖3所示。

(a)空心宏觀形貌 (b)空心剖面金相 (c)空心阻抗圖圖3 空心現(xiàn)象Fig.3 Hollow phenomenon

接觸線缺陷縱截剖面形貌中部出現(xiàn)明顯的中空孔洞(圖3(a))，內(nèi)表面光滑，被拉長(zhǎng)為錐形，空心處清潔、未見(jiàn)夾雜物，且空心周圍斷口顏色與整體斷口顏色一致，以倒碗形[3]分布在銅桿中心位置?？招慕鹣嘤^察(圖3(b))，中心部位有明顯的孔洞，周圍未出現(xiàn)同心圈裂紋，邊緣輪廓光滑為連續(xù)上引鑄造冷卻結(jié)晶形成，倒碗形底部無(wú)沉淀物。

接觸線空心處阻抗圖(3(c))，此缺陷產(chǎn)生的渦流在接觸線內(nèi)部呈不均勻分布，根據(jù)渦流密度分布原理，渦流密度(厚、薄)分布與缺陷的深度成反比[6]，空心處渦流場(chǎng)發(fā)生畸變中心區(qū)很薄且軌跡清晰，密度低呈單點(diǎn)狀，可以判斷此接觸線內(nèi)部缺陷分布在深部區(qū)，表面及亞表面區(qū)無(wú)缺陷存在，雙側(cè)深部呈現(xiàn)不對(duì)稱多支形，說(shuō)明接觸線中心部位的空心截面為不規(guī)則圓形狀。

產(chǎn)生原因：①上引熔煉電解銅板表面有硫酸化合物銅豆[3]；②上引熔煉時(shí)添加的回料被酸性油漬污染；③上引熔煉時(shí)電解銅板有水漬未烘干加入熔爐；④熔爐覆蓋劑木炭潮濕未烘烤；⑤新筑爐開(kāi)爐時(shí)未對(duì)潮氣爐襯進(jìn)行保溫烘干即上引；⑥人為操作不當(dāng)致上引時(shí)未連鑄，瞬間銅液中斷；⑦熔煉溫度過(guò)高；⑧上引結(jié)晶器冷卻水溫度、上引速度、頻率、節(jié)距參數(shù)控制不當(dāng)使液穴加深；⑨擠壓工裝腔體引導(dǎo)塊前端堵料；⑩上引石墨模具使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)及致密度差造成其內(nèi)表面損傷或模具一次冷卻螺紋區(qū)產(chǎn)生裂紋，進(jìn)而會(huì)造成上引連鑄時(shí)銅液流動(dòng)受阻應(yīng)力集中，散熱變差大、溫度波動(dòng)大、熱應(yīng)力集中。以上原因會(huì)使上引桿坯內(nèi)部產(chǎn)生空心、氣孔、結(jié)晶疏松[2]，最終導(dǎo)致接觸線拉制過(guò)程中出現(xiàn)表面頸縮缺陷。

2.4 夾灰或鱗渣

夾灰或鱗渣是指線材內(nèi)部混入銅液隔氧覆蓋劑木炭或石墨鱗片，導(dǎo)致溶點(diǎn)差異無(wú)法形成回溶體，如圖4所示。接觸線拉伸斷口顯示(圖4(a))，缺陷處斷口明顯可見(jiàn)木炭或石墨鱗片的殘存物，斷口表面凹凸不平，受冷加工影響，木炭或石墨鱗片在接觸線內(nèi)部存不斷續(xù)分布。夾雜灰或鱗渣金相觀察(圖4(b))，夾雜缺陷位于內(nèi)部偏中心部位，存有明顯的木炭或鱗渣，且周圍裂紋沿木炭或鱗渣破碎方向延伸，與內(nèi)部空心缺陷邊緣光滑無(wú)向四周延展存在明顯區(qū)別。接觸線夾雜灰或鱗渣處阻抗圖(圖4(c))，此缺陷處的渦流場(chǎng)淺表面分布是均勻的，區(qū)域厚度薄且軌跡清晰，密度低呈偏中心區(qū)單點(diǎn)狀[5]，深部呈雙側(cè)對(duì)稱延伸，為偏中心處的夾雜導(dǎo)致上引鑄造結(jié)晶冷卻不均勻產(chǎn)生內(nèi)部裂紋向四周延展。

(a)夾灰、鱗渣宏觀形貌 (b)夾灰、鱗渣剖面金相 (c)夾灰、鱗渣阻抗圖圖4 夾灰或鱗渣現(xiàn)象Fig.4 Ash or scaly slag phenomenon

產(chǎn)生原因：①熔爐內(nèi)銅液面波動(dòng)太大；②熔爐銅水少，銅液面低；③一次加入熔煉爐廢料包太多[3]；④熔爐加入的廢料包尺寸大；⑤熔爐木炭及石墨鱗片覆蓋劑長(zhǎng)時(shí)間未更換；⑥熔爐壽命已到，銅液翻滾致石墨保護(hù)套熔溝內(nèi)結(jié)渣灰脫落；⑦覆蓋劑木炭炭化率低及塊狀尺寸太大；⑧桿坯表面鎂渣斑附著物嚴(yán)重；⑼熔爐熔煉溫度低，銅液粘稠。以上原因使上引連鑄時(shí)木炭或石墨鱗片混入到上引銅桿內(nèi)部，最終造成接觸線表面產(chǎn)生波浪彎或頸縮缺陷。

3 改進(jìn)建議

接觸線表面波浪彎或頸縮的產(chǎn)生與上引連鑄和連續(xù)擠壓兩道工序關(guān)系密切，與拉拔工序也存在一定聯(lián)系。 為提高銅合金接觸線的產(chǎn)品質(zhì)量，本文針對(duì)接觸線生產(chǎn)過(guò)程中各工序提出以下建議。

3.1 上引工序

(1)優(yōu)化上引熔煉工藝參數(shù)，如熔煉溫度、冷卻水溫度、上引速度、停拉比、節(jié)距等；統(tǒng)計(jì)熔爐的壽命，做到及時(shí)停爐，重新鑄爐，生產(chǎn)出高純度細(xì)晶粒鑄桿。

(2)規(guī)范操作規(guī)程，嚴(yán)格執(zhí)行工藝要求。如烘干木炭再覆蓋、覆蓋劑的覆蓋厚度及體積、及時(shí)清理木炭及鱗渣，緩慢加入銅板，加料做到少量多次，定期清洗結(jié)晶器、更換石墨模具，使用合理組成的覆蓋劑，控制合金元素的燒損、偏析、夾雜。

(3)創(chuàng)新工藝，采取措施提高銅桿質(zhì)量。如上引模具增添石墨網(wǎng)帽、熔溝加裝石墨保護(hù)套、設(shè)置一體式模具、改進(jìn)縫隙涂抹配方、模具內(nèi)壁增涂高純耐磨石墨涂層等。

3.2 擠壓工序

(1)嚴(yán)格控制擠壓工裝，減少擠壓廢料進(jìn)入銅桿的幾率，以及腔體引導(dǎo)塊前端堆料的形成，測(cè)量模腔與擠壓輪間的間隙，及時(shí)更換變形的堵頭和模腔、磨損嚴(yán)重的擠壓輪和刮刀、清理腔體堵料等。

(2)生產(chǎn)過(guò)程中及時(shí)清理廢料，避免產(chǎn)生堆積混入擠壓銅桿。

(3)優(yōu)化工藝參數(shù)，確保模腔內(nèi)的擠壓溫度及擠壓速度處于合理狀態(tài)[7]。

(4)擠壓前做好上引銅桿的預(yù)處理，確保上引銅桿表面清潔。在擠壓進(jìn)桿處安裝上引桿清理裝置去除上引銅桿表面的油漬、水漬、錫斑、鎂斑等污染。

3.3 拉拔工序

(1)拉制前嚴(yán)格檢查擠壓銅桿質(zhì)量，不將有問(wèn)題的擠壓銅桿流入拉拔工序。

(2)充分利用在線渦流探傷設(shè)備，若有質(zhì)量報(bào)警，需立即停機(jī)，分析解決問(wèn)題。

(3)加強(qiáng)質(zhì)量培訓(xùn)，樹(shù)立質(zhì)量安全意識(shí)，細(xì)化工序操作職責(zé)，嚴(yán)格按照工藝流程規(guī)范實(shí)施運(yùn)行。