铜合金接触线生产过程表面缺陷分析

吴冬宁，彭 勇，路 超，王国迎

(中铁建电气化局集团康远新材料有限公司，江苏 靖江 214500 )

目前，国内外电气化高速铁路接触网常采用高强度的铜镁、铜锡合金接触线线材。其生产普遍采用上引连铸→连续挤压→(或再冷轧)→拉拔→成品制程工艺[1]。由于接触线是电气化铁路的生命线，若接触线存在质量缺陷，将严重影响高铁机车的运行安全，给乘客的生命安全带来巨大威胁。因此，有必要对铜合金接触线生产过程中的典型质量缺陷进行研究，确定其产生原因，并提出相应的改进建议，为生产性能稳定的铜合金接触线提供有力保障。波浪弯或颈缩是铜镁、铜锡合金接触线在生产过程中常见的典型质量缺陷，本文重点对该缺陷进行分析。

1 缺陷及危害

波浪弯或颈缩的特征是线材表面凹陷不平，灯光下反光。该缺陷对列车运行的危害非常大，一方面，列车高速运行过程中受电弓碳滑板与波浪弯、颈缩之间产生剧烈摩擦，瞬间产生离线火花，降低了列车的取流质量，加剧了两者的磨损，使接触线和受电弓碳滑板的表面变得不光滑，从而缩短接触线与受电弓的使用寿命；另一方面，此缺陷对接触导线的力学性能尤其是疲劳性能均有不利影响，严重时甚至可能发生断线事故。

2 缺陷产生原因

导致接触线表面波浪弯、颈缩缺陷产生的原因，大致可以分为夹溢料、起壳、空心、夹灰(或鳞渣)4种。

2.1 夹溢料

夹溢料是指连续挤压过程中挤压溢料进入挤压铜杆，破坏了铜合金基体的均匀性、连续性[1]。在后续拉制过程中，易在接触线表面产生波浪弯、颈缩缺陷，使接触线有效截面减小，进一步使其抗拉强度降低，增加了接触线表面裂口，甚至拉断的风险，如图1所示。

对存在缺陷部位的接触线进行拉伸试验，在断口处可见多层折叠“V”型夹杂物，其尖端为接触线的拉断方向，夹杂物为连续挤压机产生的挤压溢料，溢料以椭圆型分布在接触线的浅表层(图1(a))。夹溢料剖面金相观察(图1(b))，夹溢料处明显可见多层夹杂物，且溢料周围分布着多条边缘粗糙、不规则的裂纹，溢料终端裂口处出现延伸状裂纹，裂纹最深处与表面的径向距离约为3.5mm，靠近表面端在拉伸后裂口处断开，靠近表面材料为挤压轮将溢料带入腔体挤压进入表面。

涡流在线检测仪广泛应用于各类有色金属、黑色金属管、棒、线、丝、型材的在线、离线探伤[4]。对金属管、棒、线、丝、型材的缺陷，如表面及亚表层裂纹、暗缝、夹渣、空心、夹灰和开口裂纹等缺陷均具有较高的检测灵敏度，且在阻抗平面图上表现出不同的涡流信号(图1(c))。接触线夹杂溢料处涡流场发生畸变中心区非常厚且轨迹乱，密度高，双侧信号幅度镜像向中心部位延展均已经超出报警区，缺陷主要分布在表面或亚表面区且部分少量溢料已经渗透到深部(图1(d))。

图1 夹杂溢现象Fig.1 Inclusion overflow

产生原因：①刮刀未将粘合在挤压轮轮槽两侧的挤压废料刮除干净，根部堆积溢料；②挤压轮轮槽边底铜包角磨损严重，轮槽变宽，长时间工作后由于热疲劳导致挤压轮破裂；③堵头变形、磨损，挤压溢料增大；④刮刀磨损严重，与挤压轮槽的间隙增大；⑤上引杆坯不圆，在挤压模腔口或铜杆引导块头部产生堵溢料；⑥模腔长时间工作后压力变小，入料口宽度变大，工作间隙无法溢出溢料；⑦挤压过程中未及时清理溢料。上述原因导致挤压废料增多，经挤压轮带进模腔进行二次挤压、成型，最终混入到挤压铜杆内部。

2.2 起壳

起壳是指铜合金接触线剪切唇区金属与放射区、纤维区金属分离、不结合的现象，如图2所示。对存在缺陷的接触线进行弯曲试验(图2(a))，弯曲裂面形貌表现为空壳、分层，断口处清洁，未发现夹杂物，接触线放射区主体与缺陷处之间存在明显的大裂口，且裂口分布在接触线表面剪切区。分层缺陷分布在接触线边缘，断裂口形貌呈阶梯台阶状，表壁光滑，呈剪切脆断性趋势(图2(b))。起壳剖面金相观察(图2(c))，缺陷处裂口为一条主裂纹，与表面呈30°～40°的角，裂纹最深处与表面的径向距离约为2mm，周围不存在多条微裂纹，且主裂纹中心部位清洁，无夹杂，同时接触线边缘存在多条与主裂口平行的裂纹，最终导致此处产生分层起壳现象，与因夹杂溢料引起的缺陷金相存在明显不同。

图2 起壳现象Fig.2 Peeling phenomenon

接触线起壳处阻抗图(2(d))，阻抗图表现为很大的曲线变化，说明接触线表面或内部发生缺陷，并在阻抗图上绘出相应曲线，曲线超出报警区域(圆圈)，此缺陷处的涡流场发生畸变中心区也是厚且轨迹乱，密集度高，但是单侧向中心部位延展，缺陷主要分布在表面或亚表面区且一端会渗透至深部。

产生原因：①铜杆合金成份不均匀，产生偏析，造成铜杆不同部位性能差异较大；②上引连铸杆坯表面存在镁斑、锡斑；③铸坯杆表面有水渍；④上引铜杆表面油渍污染；⑤木炭及石墨鳞片覆盖厚度不当，覆盖剂的组成不合理；⑥连续挤压机压实轮、挤压轮破损，轮槽变宽；⑦挤压堵料严重至压杆瞬间打滑；⑧结晶器循环冷却水温度高[2]。以上原因会引起挤压杆内部存气泡、气孔、充不满等缺陷，在接触线拉制过程中会出现起壳。

2.3 空心

空心是线材内部存在明显的空洞，大部分为熔铸中铜液自上而下冷却结晶，结晶前析出的氢气无法逸出，从而聚集形成气孔，如图3所示。

(a)空心宏观形貌 (b)空心剖面金相 (c)空心阻抗图图3 空心现象Fig.3 Hollow phenomenon

接触线缺陷纵截剖面形貌中部出现明显的中空孔洞(图3(a))，内表面光滑，被拉长为锥形，空心处清洁、未见夹杂物，且空心周围断口颜色与整体断口颜色一致，以倒碗形[3]分布在铜杆中心位置。空心金相观察(图3(b))，中心部位有明显的孔洞，周围未出现同心圈裂纹，边缘轮廓光滑为连续上引铸造冷却结晶形成，倒碗形底部无沉淀物。

接触线空心处阻抗图(3(c))，此缺陷产生的涡流在接触线内部呈不均匀分布，根据涡流密度分布原理，涡流密度(厚、薄)分布与缺陷的深度成反比[6]，空心处涡流场发生畸变中心区很薄且轨迹清晰，密度低呈单点状，可以判断此接触线内部缺陷分布在深部区，表面及亚表面区无缺陷存在，双侧深部呈现不对称多支形，说明接触线中心部位的空心截面为不规则圆形状。

产生原因：①上引熔炼电解铜板表面有硫酸化合物铜豆[3]；②上引熔炼时添加的回料被酸性油渍污染；③上引熔炼时电解铜板有水渍未烘干加入熔炉；④熔炉覆盖剂木炭潮湿未烘烤；⑤新筑炉开炉时未对潮气炉衬进行保温烘干即上引；⑥人为操作不当致上引时未连铸，瞬间铜液中断；⑦熔炼温度过高；⑧上引结晶器冷却水温度、上引速度、频率、节距参数控制不当使液穴加深；⑨挤压工装腔体引导块前端堵料；⑩上引石墨模具使用时间过长及致密度差造成其内表面损伤或模具一次冷却螺纹区产生裂纹，进而会造成上引连铸时铜液流动受阻应力集中，散热变差大、温度波动大、热应力集中。以上原因会使上引杆坯内部产生空心、气孔、结晶疏松[2]，最终导致接触线拉制过程中出现表面颈缩缺陷。

2.4 夹灰或鳞渣

夹灰或鳞渣是指线材内部混入铜液隔氧覆盖剂木炭或石墨鳞片，导致溶点差异无法形成回溶体，如图4所示。接触线拉伸断口显示(图4(a))，缺陷处断口明显可见木炭或石墨鳞片的残存物，断口表面凹凸不平，受冷加工影响，木炭或石墨鳞片在接触线内部存不断续分布。夹杂灰或鳞渣金相观察(图4(b))，夹杂缺陷位于内部偏中心部位，存有明显的木炭或鳞渣，且周围裂纹沿木炭或鳞渣破碎方向延伸，与内部空心缺陷边缘光滑无向四周延展存在明显区别。接触线夹杂灰或鳞渣处阻抗图(图4(c))，此缺陷处的涡流场浅表面分布是均匀的，区域厚度薄且轨迹清晰，密度低呈偏中心区单点状[5]，深部呈双侧对称延伸，为偏中心处的夹杂导致上引铸造结晶冷却不均匀产生内部裂纹向四周延展。

(a)夹灰、鳞渣宏观形貌 (b)夹灰、鳞渣剖面金相 (c)夹灰、鳞渣阻抗图图4 夹灰或鳞渣现象Fig.4 Ash or scaly slag phenomenon

产生原因：①熔炉内铜液面波动太大；②熔炉铜水少，铜液面低；③一次加入熔炼炉废料包太多[3]；④熔炉加入的废料包尺寸大；⑤熔炉木炭及石墨鳞片覆盖剂长时间未更换；⑥熔炉寿命已到，铜液翻滚致石墨保护套熔沟内结渣灰脱落；⑦覆盖剂木炭炭化率低及块状尺寸太大；⑧杆坯表面镁渣斑附着物严重；⑼熔炉熔炼温度低，铜液粘稠。以上原因使上引连铸时木炭或石墨鳞片混入到上引铜杆内部，最终造成接触线表面产生波浪弯或颈缩缺陷。

3 改进建议

接触线表面波浪弯或颈缩的产生与上引连铸和连续挤压两道工序关系密切，与拉拔工序也存在一定联系。 为提高铜合金接触线的产品质量，本文针对接触线生产过程中各工序提出以下建议。

3.1 上引工序

(1)优化上引熔炼工艺参数，如熔炼温度、冷却水温度、上引速度、停拉比、节距等；统计熔炉的寿命，做到及时停炉，重新铸炉，生产出高纯度细晶粒铸杆。

(2)规范操作规程，严格执行工艺要求。如烘干木炭再覆盖、覆盖剂的覆盖厚度及体积、及时清理木炭及鳞渣，缓慢加入铜板，加料做到少量多次，定期清洗结晶器、更换石墨模具，使用合理组成的覆盖剂，控制合金元素的烧损、偏析、夹杂。

(3)创新工艺，采取措施提高铜杆质量。如上引模具增添石墨网帽、熔沟加装石墨保护套、设置一体式模具、改进缝隙涂抹配方、模具内壁增涂高纯耐磨石墨涂层等。

3.2 挤压工序

(1)严格控制挤压工装，减少挤压废料进入铜杆的几率，以及腔体引导块前端堆料的形成，测量模腔与挤压轮间的间隙，及时更换变形的堵头和模腔、磨损严重的挤压轮和刮刀、清理腔体堵料等。

(2)生产过程中及时清理废料，避免产生堆积混入挤压铜杆。

(3)优化工艺参数，确保模腔内的挤压温度及挤压速度处于合理状态[7]。

(4)挤压前做好上引铜杆的预处理，确保上引铜杆表面清洁。在挤压进杆处安装上引杆清理装置去除上引铜杆表面的油渍、水渍、锡斑、镁斑等污染。

3.3 拉拔工序

(1)拉制前严格检查挤压铜杆质量，不将有问题的挤压铜杆流入拉拔工序。

(2)充分利用在线涡流探伤设备，若有质量报警，需立即停机，分析解决问题。

(3)加强质量培训，树立质量安全意识，细化工序操作职责，严格按照工艺流程规范实施运行。