高速铁路新型铜镁接触线关键技术*

刘轶伦

（中铁建电气化局集团 康远新材料有限公司，江苏江阴214500）

铁路供电技术

高速铁路新型铜镁接触线关键技术*

刘轶伦

（中铁建电气化局集团 康远新材料有限公司，江苏江阴214500）

牵引供电系统中直接影响列车安全及运行速度的因素之一就是接触线，因此研究高速铁路大张力接触线的制造技术成为高铁建设的一个重要课题。在传统铜合金接触线制造技术的基础上，开发出上引连挤铜镁合金接触线制造工艺，解决了高强度铜镁合金线材成型关键难题，使材料综合性能得到了明显提高。

高速铁路；超细晶；铜镁合金；接触线

1 铜合金接触线现状

目前高速铁路均采用铜合金接触线，其基本要求就是安全节能。要求接触线具有较高的抗拉强度、耐磨性、抗腐蚀性，还要有良好的抗高温软化特性，另外出于节能要求，还要有较好的导电性。由于纯铜接触线抗拉强度较低，高温软化性能较差，基本被淘汰。为了改善性能，通过添加银、锡、镁等成分来增加铜合金的机械强度和耐磨性。不同成分的铜合金接触线主要用途如表1。

目前我国速度300 km/h高速铁路全部采用铜镁合金接触线，工作张力为28.5～30 k N，更高速度铁路接触线的工作张力可达33～35 k N。2009年以前我国铜镁接触线基本依靠国外产品，我国京津城际采用的德国铸态组织结构120 mm2铜镁接触线抗拉强度为500 MPa，导电率62%IACS，是当时技术水平最高的产品，但其为连铸—冷加工工艺生产，铸态组织结构限制了其强度和柔韧性的进一步提升［3］。随着我国高铁建设扩大以及速度等级提高，国外产品无论从产能上还是性能上都已经无法满足我国技术标准。基于迫切的市场需求及国家科技支撑计划的支持，2009年我国中铁建电气化局集团康远新材料有限公司研制成功上引连续挤压工艺生产的超细晶强化型铜合金接触线，产品主要性能指标得到了明显提高，150 mm2铜镁接触线抗拉强度可以达到560 MPa，导电率为65%以上，性能已经完全超过国外产品。

表1 铜合金接触线使用现状

2 超细晶强化型铜镁接触线关键技术

铜镁接触线生产有以下几点基本要求：（1）生产工艺可靠；（2）产品质量稳定；（3）产量满足供货要求。传统铜镁合金接触线是由增加合金成分及冷作硬化来实现强度提高的，但线材的导电率和韧性却大幅下降，所以不能单纯依靠提高合金成分和冷作硬化来提高接触线的强度。通过金相分析，传统铜镁合金接触线的金相为粗大晶粒的铸态组织。当加大拉拔变形量时由于铸态组织结合力不均匀，极易发生拉拔裂纹，影响铁路供电质量及运行安全。为了克服传统铜镁合金接触线的不足，关键难题就是要突破铜镁合金的强度—导电率矛盾，同时提升安全性与节能性，并能够实现大批量连续稳定生产。材料的细晶化可使其特性产生明显改变，不仅抗拉强度增加，还提升了韧性，同时导电率几乎不受影响。由于细晶强化极大地提升了线材的强度，因此固溶强化合金元素镁的含量得以进一步下降，合金元素含量的降低对电子的散射作用，使得导电率明显升高。超细晶强化型铜镁合金接触线的生产工艺采用上引连铸—连续挤压工艺进行生产，相比连铸连轧等工艺，具有灵活可靠，产品氧含量极低等特点，可以制造出具有超细晶粒组织的铜合金接触线。生产工艺流程如图1。

图1 生产工艺流程

该工艺比国外增加了连续挤压环节，通过连续挤压铜杆产生强烈挤压变形，可以破坏原先的铸态组织，重新形成致密细小的金相组织，使材料特性明显改变。该方法能耗较低，可以实现连续生产。

2.1 铜镁合金无氧均匀熔炼及上引连铸

镁性质活泼，熔炼中极易挥发和氧化，并与传统熔炼炉的炉体材料及氧反应形成黏渣使炉体报废。为防止腐蚀，国外采用石墨坩埚电阻加热技术熔炼铜镁合金，合金均匀化效果较差。为使产品性能稳定，严格控制镁合金成分并确保均匀性，开发出以下连续铸造新手段：

（1）淘汰电阻热熔炉技术，采用感应式差动多体无氧铜镁合金熔炼技术，利用电磁搅拌及对流作用，使铜镁合金均匀分布，其炉体采用特殊的防腐石墨衬套解决熔渣堆积及炉料堵塞问题，使熔炉寿命提高6倍。

此外，恒丰银行昆明分行党委、共青团还积极组织党员、青年员工参与了禄劝县中屏镇中屏中学留守儿童手拉手帮扶活动，到贫困程度较深的保山市昌宁县黑马村回孩子们送去物资与精神食粮，到昆明阳光养老院向孤寡老人送温暖。组织员工进社区、进企业、进乡村，开展丰富的金融知识普及活动。

（2）采用滤网式超冷结晶上引连续铸造装置，有效隔离炉渣及氧气，确保合金铸杆结晶质量，铸杆含氧量为无氧铜级别。

（3）为保证合金成分，采用快速在线成分检测技术及中间合金添加技术，合金成分误差控制在0.02%以内，确保氧含量小于0.001 0%。

2.2 铜镁合金高温连续挤压新技术

接触线为大长度铜合金产品，不得有任何接头，所以生产方式必须为连续进行。国外铜镁合金经电阻加热熔炼，上引连铸后直接拉拔成形。电阻加热时合金元素扩散速度较慢，通过上引连铸后晶粒粗大且合金分布不均，从而造成铸杆纵向差异。随后的冷加工不能改变铸杆的铸态结构，无法消除晶粒度粗大、组织结构不均匀等固有缺陷，严重制约了性能提升。增大加工变形量以及含镁量等手段可提高强度，但产品易出现开裂及导电率下降。采用连续挤压能够实现铜镁合金的超细晶化，明显提升材料性能。图2表明了以上两种工艺生产的接触线拉断口的区别。铸态粗晶接触线产生明显裂纹，说明其韧性不如新型超细晶接触线。

图2 铜镁接触线拉断面对比

与卧式挤压不同，连续挤压是连续进行，模具持续受到高温高压影响，理论上可以使无限长铸杆在高温下再结晶以消除铸态缺陷，并形成各种尺寸的连续杆坯。原理如图3所示。

图3 连续挤压原理

挤压轮带动铸态铜合金杆进入连续挤压机，铜杆受堵头阻挡，被强迫压入挤压腔体，此时原有铸态组织破碎并产生大量形变热。在腔体内铜材料受强烈应力及高温作用，发生再结晶，生成微晶粒组织，后通过挤压腔出口形成超细晶粒接触线杆坯。

连续挤压工艺最初用于铝、纯铜及银铜等带材生产，挤压强度较低，挤压温度一般不超过550℃。由于铜镁合金硬度远高于铜银合金，挤压形变产生的温度可达到700℃，挤压压力200～300 MPa，超出传统连续挤压设备承受力，在高温及巨大压力下挤压模具极易变形破裂。必须对连续挤压机组关键部件进行创新和改进，大幅提高设备的使用寿命，解决高温高强化连续挤压模具变形、脆裂等难题，才能使挤压连续稳定。具体为以下手段：

（1）采用新型耐高温高压合金模具以及新装备。将关键的堵头材料工作温度提高至800℃以上不破坏，寿命提高50倍，可连续挤压铜镁、铜锡等合金50～100 t，现有其他堵头材料只能达到1～5 t，即出现裂纹或变形。

（2）模具优化设计及材料变形控制技术，将铜镁合金铸态组织破碎并产生再结晶，使平均直径2 000μm的铸态晶粒转变成小于8μm的超细晶，消除缺陷，确保材料致密性及连续性，并形成连续长度铜镁合金材料。

（3）采用高速循环冷却及再结晶区域控制技术，提高材料冷却效率，有效抑制晶粒长大，使再结晶过程控制在挤压腔内，优化细晶结构，分布均匀。

2.3 高强度铜合金细晶纤维化精密成形技术

高速铁路接触线为异型裸线，必须精确符合设计确定的截面尺寸，否则会出现夹具脱落断线隐患。但是由于挤压后铜镁材料强度大幅提高，对材料的后续加工成形造成较大影响，设备形变及模具变化严重影响产品尺寸精度，因此传统成形工艺不能满足要求。针对这些问题，采取了以下手段：

（1）高速自动化精密纤维成形控制技术。采用自动化控制，关键部件使用高强度材料以延长使用寿命，提高了加工精度及生产稳定性；设计专用多机架精密轧机及精密拉拔成形工艺，实现了细晶纤维化高速成形。经过该工序，杆坯的细晶组织被拉长，形成明显的纤维化，进一步提升产品强度及耐疲劳性等机械性能。不仅产量提高20%，达到2万t/年，还保证了产品质量，可以满足3 000 km/年高铁建设要求。

（2）成形模具优化技术。为避免出现线材表面堆积损坏模具等问题，根据铜镁合金的变形要求改进模具材料及结构参数，对模具间延伸系数分配进行了优化，拉拔表面光滑均匀无裂纹。

（3）产品兼容性良好。采用激光步进排线及计米技术，线长精确度达到0.1%。产品上盘紧密应力均匀，有利于施工放线。产品与现有施工设备及配套零部件完全兼容。

3 新型接触线主要特性指标及对比

3.1 材料的组织特性

接触线材料为细晶纤维组织结构，图4为微观组织，显示材料的细晶纤维构造，提高产品强度及柔韧性。

图4 放大500倍的微观材料纤维结构

超细晶铜镁接触线晶粒在8μm以下，而普通铜镁接触线晶粒为铸态粗晶，在2 000μm左右。两种工艺接触线晶粒宏观对比如图5所示。

图5 接触线横截面组织对比

低放大倍数下，传统铜镁接触线内部晶粒大小清晰可见，而采用连挤工艺制造的铜镁接触线的晶粒肉眼无法分辨。高放大倍数下新产品的晶粒组织细密，与传统产品的铸态粗晶组织形成鲜明对比。

3.2 材料的机电特性

采用上引—连续挤压—冷加工成形技术制备的超细晶强化型铜镁合金接触线具有以下几个显著特点：（1）产品为无氧铜级别（含氧量小于0.001 0%）；（2）材料组织细密。材料超细晶化，使得接触线的机械性能得到显著的提升；（3）强度提高10%以上。连续挤压产品微观组织为细小纤维状，使得抗拉强度明显提高。超细晶强化型铜镁接触线强度可以达到560 MPa或以上；（4）导电性能提高。由于晶粒细化提高了材料的强度，因此减少镁含量降低其对电阻率的影响，而具有较高的导电率；（5）产品实用性良好（与现有施工技术及零部件完全兼容）。超细晶强化型铜镁接触线细晶结构使得其弹性及柔韧性优于现有铸态铜镁接触线，折弯性能提高2次以上。进行施工时平直性良好，降低了施工难度，能够提高施工效率及质量；（6）工艺简单、稳定，装备技术成熟，产量高。超细晶强化型铜镁接触线所采用的工艺标准均已定型（表2）。

表2 与同期同类产品主要指标对比（规格150 mm2）

可以看出，与国外产品相比，新型接触线抗拉强度提升10%以上，导电率提升5%以上，韧性提升25%，不仅增加列车运行安全系数，还将接触网能耗降低5%。

4 结束语

研制成功的完全自主知识产权超细晶强化型铜镁接触线满足于我国高速铁路技术标准，机电性能均优于国外同类产品。其根本原因在于接触线材料在挤压过程中实现了再结晶改造，形成细小致密的晶粒。根据研究来看，上引连挤工艺产品种类多样，生产效率较高，综合性价比优异。新型的铜镁接触线强度可以满足速度300～400 km/h高速铁路的要求，并且在同等强度下，比传统铜镁接触线节电至少5～10%。采用超细晶强化型铜镁接触线，除了安全性能得到提高以外，还可以降低损耗，符合国家节能减排的要求。

［1］ 黄崇祺.中国电力牵引用接触线（电车线）的发展［J］.北京：中国铁道科学，2003，24（5）：61-65.

［2］ 张 强.客运专线接触线的使用与研究状况［J］.北京：电气化铁道，2006，增刊：272-279.

［3］ 张 强，王作祥.铜镁合金接触线的引进与技术自主再创新［J］.北京：电气化铁道，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

*国家科技支撑计划（2009BAG12A09）

2—）男，高级工程师（

2013－11－06）