電氣化鐵路用銅及銅合金接觸線的研究現(xiàn)狀

王國迎，路 超，花思明，何 宇，沈 華，于 婷，吳 靜，吳冬寧

(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 )

鐵路是國民經(jīng)濟(jì)的大動脈，在促進(jìn)社會發(fā)展、服務(wù)經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮著舉足輕重的作用。我國鐵路從建國之初的2.18萬km，到如今營運(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[1]，列車通過受電弓滑板與接觸線緊密接觸，源源不斷的從接觸線上獲得電能。隨著電氣化鐵路的蓬勃發(fā)展[2]，接觸線需求量也將迅速增加。本文綜述了國內(nèi)外接觸線材料的研究現(xiàn)狀，展望了接觸線材料的發(fā)展趨勢。

1 常見的接觸線生產(chǎn)工藝

當(dāng)前，電氣化鐵路用接觸線種類繁多，雖然截面形狀相似且較為簡單，但是對其綜合性能要求極高，需要滿足以下要求[3-5]：(1)良好的力學(xué)性能，大的接觸線架線張力，可以增加弓網(wǎng)之間受流穩(wěn)定性；(2)高的導(dǎo)電性能，提高接觸線的導(dǎo)電率，將大幅度減小電能損耗；(3)良好的高溫抗軟化性能，要求其在300℃、2h保溫處理后，抗拉強(qiáng)度的軟化率大于90%；(4)良好的耐磨性能，使用壽命不低于20年；(5)良好的耐蝕性能，在使用過程中耐環(huán)境介質(zhì)的腐蝕(如酸雨、大氣污染等)；(6)較小的線脹系數(shù)，線脹系數(shù)不超過1.7×10-71/K。

目前，接觸線常見的生產(chǎn)方法有三種[6]，上引連鑄法、連鑄連軋法和連續(xù)擠壓法。具體流程如圖1所示，各生產(chǎn)方法的特點(diǎn)見表1。連續(xù)擠壓法(圖2)因其特有的優(yōu)勢，在接觸線的生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。

以連續(xù)擠壓法工藝為例，通常上引銅桿直徑在15mm～30mm，經(jīng)連續(xù)擠壓機(jī)擠壓成直徑為18mm～40mm的擠壓銅桿，最后經(jīng)過多道模拉拔成成品。在實(shí)際生產(chǎn)過程中常通過增加擠壓銅桿的直徑，進(jìn)而增加拉拔過程中的冷加工變形量，以增加成品的強(qiáng)度。通過比較不同工藝生產(chǎn)的CTAH120性能可知(圖3)，連續(xù)擠壓法生產(chǎn)的接觸線性能明顯優(yōu)于上引連鑄法和連鑄連軋法生產(chǎn)的接觸線。

表1 常見銅合金接觸線生產(chǎn)工藝的特點(diǎn)

2 接觸線的種類及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

接觸線橫截面如圖4所示。從材質(zhì)上劃分，可將銅及銅合金接觸線分為：(1)純銅接觸線；(2)銅銀合金接觸線；(3)銅錫合金接觸線；(4)銅鎂合金接觸線；(5)銅鉻鋯合金接觸線[8-9]。以150型號的接觸線為例，綜合性能如圖5所示，抗拉強(qiáng)度：CTCZ150>CTMH150>CTMM/CTSH150>CTM/CTSM150>CTS150>CTA150>CT150；導(dǎo)電性能：CTMH150

2.1 純銅接觸線

純銅接觸線的主要強(qiáng)化方式為加工硬化，即純銅上引桿經(jīng)過軋制、拉拔等冷變形提高自身的強(qiáng)度。以純銅120型號的接觸線為例(表2)，純銅接觸線的導(dǎo)電性能雖高，但抗拉強(qiáng)度較低，耐磨性差。隨著電氣化鐵路負(fù)載功率增大，磨損加劇，大大縮短其使用壽命，所以，僅適用于低速鐵路和城市軌道交通上。

另外，由于劇烈的冷加工變形，純銅基體內(nèi)積聚了較高的畸變能，在一定溫度下易發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶，導(dǎo)致線材力學(xué)性能的降低，表現(xiàn)出較差的抗軟化性能。有研究表明[11]，純銅接觸線的軟化溫度約為200℃，300℃軟化性能急劇惡化。為了改善純銅的力學(xué)、軟化等性能，有學(xué)者通過向純銅中加入微量的稀土元素[12-13]，提高再結(jié)晶溫度[14]，改善高溫軟化性能。雖然國內(nèi)外學(xué)者圍繞著純銅接觸線開展了大量研究，并取得了一定成果，但受自身強(qiáng)度低這塊短板的影響，限制了其在高速鐵路上的應(yīng)用。

表2 純銅120接觸線機(jī)電性能

2.2 銅銀合金接觸線

在自然界所有金屬中，銀的導(dǎo)電性最好，采用合金化的方法向純銅中加入銀元素(0.08%～0.1%)，可以在導(dǎo)電率損失較小的情況下，通過固溶強(qiáng)化的手段進(jìn)一步提高純銅的抗拉強(qiáng)度，同時也改善了純銅高溫軟化性能。但由于其抗拉強(qiáng)度不能達(dá)到高速鐵路對強(qiáng)度的要求，因此只能應(yīng)用于低速鐵路(時速低于200km/h)。

微合金化對銅銀合金的影響是國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)。賈淑果等[15]通過添加稀土Ge元素，使銅銀合金接觸線的在保持高導(dǎo)電的前提下(94%IACS)，抗拉強(qiáng)度可達(dá)到470MPa，軟化溫度提高至370℃。袁杰等[16]圍繞連鑄連軋工藝開展了相關(guān)研究，同時也討論了銀含量對銅銀合金接觸線坯性能的影響。Jia等學(xué)者[17]重點(diǎn)研究了Cr元素對銅銀合金的耐蝕性能、抗軟化性能影響機(jī)理，為改善銅銀合金接觸線的性能提供了新思路。Gaganov等學(xué)者[18]重點(diǎn)研究了Zr對銅銀合金的影響，結(jié)果表明，當(dāng)Zr元素達(dá)到0.05%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，可以有效抑制基體中析出相不連續(xù)的析出。Lyubimova等[19-20]研究了冷加工對CuAgZr合金組織與性能的影響，研究結(jié)果表明，經(jīng)過劇烈變形后的合金，在再結(jié)晶溫度下保溫促進(jìn)了析出相的析出，提升了合金強(qiáng)度；另外再結(jié)晶過程中形成的孿晶，使合金的彈性模量提高。

2.3 銅錫合金接觸線

微量錫元素的加入，使銅錫合金接觸線具有較高的抗拉強(qiáng)度，良好的導(dǎo)電性能、抗軟化性能，同時提高了其耐磨性能。放眼世界，各國電氣化鐵路采用的接觸線大多以銅錫和銅鎂合金為主，相比之下，銅錫合金接觸線的生產(chǎn)工藝簡單，報(bào)廢率低，價格相對便宜，因此在電氣化鐵路中得到廣泛應(yīng)用。另外，與銅銀合金接觸線相比，銅錫合金接觸線具有更高的抗拉強(qiáng)度，良好的導(dǎo)電性能，因此，在國內(nèi)外銅錫合金接觸線正在逐步取代銅銀合金接觸線。

日本于上世紀(jì)末將超高強(qiáng)度的銅錫合金接觸線成功應(yīng)用于時速300km/h～350km/h的新干線上[21]，表明銅錫合金接觸線的應(yīng)用進(jìn)入了新紀(jì)元。法國研制的銅錫120接觸線，常溫抗拉強(qiáng)度和電導(dǎo)率分別可達(dá)537.5MPa和70%IACS[9]，這在一定程度上表明了銅錫接觸線性能的優(yōu)異性。在此背景下，激發(fā)了國內(nèi)外學(xué)者對銅錫合金接觸線的研究熱情。在銅錫合金接觸線成形工藝方面，支海軍等[28]開展了相關(guān)研究，給出了最佳的生產(chǎn)工藝，通過連鑄、連擠、連軋、3道次連拉成形的銅錫合金接觸線，綜合性能優(yōu)于法國研制的銅錫120接觸線，抗拉強(qiáng)度可高達(dá)538MPa，導(dǎo)電率為73.8%IACS。管桂生[23]探究出錫含量、加工變形量對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[24]通過添加稀土元素、優(yōu)化工藝參數(shù)，制備出高導(dǎo)電(84.5%IACS)、高強(qiáng)度(446MPa)的銅錫合金接觸線，這表明稀土元素在改善錫銅合金接觸線性能方面的巨大潛力。楊運(yùn)川[25]創(chuàng)造性地將SCR(連鑄連軋)工藝應(yīng)用在銅錫合金接觸線的生產(chǎn)上，結(jié)果表明，通過SCR工藝也能生產(chǎn)出綜合性能優(yōu)越的銅錫合金接觸線。

目前，我國現(xiàn)行鐵標(biāo)TB/T2809-2017對銅錫合金接觸線提出了更高的要求，以CTSH120接觸線為例，錫含量0.35%～0.70%(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))，采用連續(xù)擠壓法生產(chǎn)，要求其抗拉強(qiáng)度大于510MPa，導(dǎo)電率大于68%IACS，橫向晶粒尺寸小于0.03mm。

2.4 銅鎂合金接觸線

銅鎂合金接觸線是繼銅錫合金接觸線之后里程碑式的線材，具有高的抗拉強(qiáng)度、良好的耐磨性能、高溫抗軟化性能、適中的導(dǎo)電率等特點(diǎn)[26]，主要應(yīng)用于時速300km/h以上的高鐵接觸網(wǎng)中。金屬鎂十分活潑，熔點(diǎn)低，易燒損，銅鎂合金接觸線的生產(chǎn)過程中，嚴(yán)格控制鎂含量，保證接觸線鎂成分均勻是個技術(shù)難點(diǎn)[27]，通常隨著鎂含量的增加，加工成形難度逐漸增大。

銅鎂合金接觸線由德國率先研制，并應(yīng)用于Re330型接觸網(wǎng)中，抗拉強(qiáng)度490MPa，導(dǎo)電率為62%IACS[8]，導(dǎo)電性能低于銅錫合金接觸線。我國自上世紀(jì)90年代開始了對銅鎂合金接觸線進(jìn)行研究，期間通過優(yōu)化成分、革新工藝等手段，于2002年，成功將銅鎂合金接觸線應(yīng)用在在我國秦沈客運(yùn)專線上[28]。

近年來國內(nèi)外主要開展了以下研究：劉軼倫、邱正曉等[29-30]圍繞銅鎂合金接觸線制造工藝開展了相關(guān)研究，指出上引連鑄+連續(xù)擠壓工藝可以生產(chǎn)出高性能的銅鎂合金接觸線；同時研究了鎂含量對銅鎂合金接觸線組織和性能的影響，指出銅鎂合金接觸線的高強(qiáng)高導(dǎo)性能來源于形變強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化的共同作用；另外，通過工藝、性能等方面的對比，得出相同條件下銅鎂合金比銅錫合金更具有技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，且主要性能指標(biāo)有較大余量[31]。

何宇、袁遠(yuǎn)等人利用Deform3D模擬軟件對銅鎂合金接觸線進(jìn)行了分析，建立了銅鎂合金連續(xù)擠壓過程中接觸應(yīng)力分布函數(shù)[32]，分析了連續(xù)擠壓過程中銅鎂合金二級微觀組織轉(zhuǎn)變[33]，這為生產(chǎn)過程中調(diào)整銅鎂合金連續(xù)擠壓工藝提供了理論依據(jù)；另外，還對銅鎂合金連續(xù)擠壓過程中出現(xiàn)的分層[34]以及接觸線分層[35]進(jìn)行了分析，這對指導(dǎo)銅鎂合金接觸線的生產(chǎn)具有十分重要的意義。

李亞萍等[36]指出Ca元素可以同時提高銅鎂合金接觸線的強(qiáng)度和導(dǎo)電。也有學(xué)者指出[37-39]通過添加其他合金元素，可以細(xì)化晶粒，抑制動態(tài)再結(jié)晶，以此改善銅鎂合金接觸線的性能，這為開發(fā)新型銅鎂合金提供了新的設(shè)計(jì)思路。

隨著鎂銅合金加工技術(shù)的不斷發(fā)展，目前，我國已有多個廠家可以實(shí)現(xiàn)多型號銅鎂合金接觸線的批量化生產(chǎn)，其生產(chǎn)工藝常采用連續(xù)擠壓法，鎂含量0.10%～0.70%(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))，依據(jù)鐵標(biāo)TB/T2809-2017中對力學(xué)性能和導(dǎo)電性能的要求，可將其劃分為CTM、CTMM和CTMH三類，相關(guān)性能見表3。

表3 銅鎂合金接觸線機(jī)電性能

2.5 銅鉻鋯合金接觸線

銅鉻鋯合金屬于時效強(qiáng)化型合金，在傳統(tǒng)銅鉻合金系的基礎(chǔ)上加入少量Zr元素，可促進(jìn)析出相的析出，細(xì)化析出相，同時改善合金的力學(xué)性能和高溫軟化性能[40-41]。

日本最早開發(fā)和應(yīng)用了銅鉻鋯接觸線(PHC110)，其抗拉強(qiáng)度和導(dǎo)電率分別達(dá)到555.5MPa和78.8%IACS。銅鉻鋯合金接觸線具有較高的力學(xué)和導(dǎo)電性能，再結(jié)晶溫度高達(dá)500℃。

由于Zr元素極易氧化燒損，通常需要在真空條件下熔鑄銅鉻鋯合金，但在工業(yè)化生產(chǎn)中真空熔煉受到限制，因此非真空熔煉引起了學(xué)者的關(guān)注。

銅鉻鋯合金接觸線的生產(chǎn)工藝極其復(fù)雜，澆鑄和連續(xù)鑄造坯料均存在嚴(yán)重的鑄造缺陷，熔煉過程中Zr元素易氧化，與爐襯材料反應(yīng)，和熔體微量的氧化物形成絡(luò)合物，導(dǎo)致熔體粘度變大，使上引連鑄變得困難。另外，加工過程中需要對銅鉻鋯合金進(jìn)行固溶、時效處理。通常一個區(qū)間錨段的接觸線長度在1500m左右，而實(shí)現(xiàn)大規(guī)模批量化生產(chǎn)，目前尚缺少大型的專業(yè)熱處理設(shè)備，缺乏成熟的熱處理和冷加工工藝，因此，制約了銅鉻鋯合金接觸線的大規(guī)模應(yīng)用。目前，國內(nèi)雖有少數(shù)幾個廠家掌握了銅鉻鋯合金接觸線的生產(chǎn)工藝，但規(guī)模化生產(chǎn)仍存在相當(dāng)大的難度。

翁遠(yuǎn)輝等[42]研究了不同覆蓋劑對Cr、Zr收得率的影響，并指出將木炭和石墨鱗片復(fù)合使用，可提高Cr、Zr元素的收得率。慕思國等[43]通過熱力學(xué)計(jì)算指出，ZrO2和MgO可以作為熔煉Cu-Cr-Zr系合金的坩堝和爐襯材料。張小平等[44]開展了非真空條件下CuCrZr合金的抗燒損研究，指出Mg元素可以作為有效的脫氧劑，提高Zr元素的收得率。

在熱處理工藝方面，鐘建偉、白寧等[45-46]重點(diǎn)研究了固溶處理、冷變形、時效處理工藝，指出固溶后冷變形加時效可以顯著提高合金的導(dǎo)電率和顯微硬度。蘇娟華等[47]認(rèn)為快速凝固可以明顯細(xì)化Cu-Cr-Zr-Mg合金晶粒。周海濤等[48-49]提出了多級形變時效工藝，指出二級時效可促進(jìn)析出相的析出，細(xì)化析出相的尺寸，同時提高合金的軟化溫度。

3 展望

隨著電氣化鐵路的不斷提速，對接觸線的強(qiáng)度和導(dǎo)電性提出了更高要求，未來高速鐵路時速有望突破400km/h～450km/h，這對接觸線的綜合性能提出了更高要求，因此開發(fā)新型高強(qiáng)高導(dǎo)接觸線是未來的研究熱點(diǎn)。結(jié)合當(dāng)前研究現(xiàn)狀，筆者認(rèn)為需要從以下幾方面開展工作：

(1)在傳統(tǒng)接觸線的基礎(chǔ)上優(yōu)化合金配比，改進(jìn)各道工序，進(jìn)一步提高接觸線導(dǎo)電率。銅合金接觸線，均為犧牲合金的導(dǎo)電性能，達(dá)到提高接觸線力學(xué)性能的目的，導(dǎo)致導(dǎo)電率無法達(dá)到較高水平。若能在滿足運(yùn)行安全穩(wěn)定的前提下提升產(chǎn)品導(dǎo)電性能，則可節(jié)省大量電費(fèi)，如能通過合金設(shè)計(jì)、工藝優(yōu)化、精細(xì)化生產(chǎn)等措施，以最小的強(qiáng)度損失，最大限度的提高合金導(dǎo)電性能，則經(jīng)濟(jì)效益巨大。

(2)高性能合金體系開發(fā)。如CuAgCr、CuMgCa、CuCrP、CuCrZrMg、Cu-Al2O3等合金[50-52]，上述合金體系均為高強(qiáng)高導(dǎo)型合金，將是未來接觸線理想的備選材料。

(3)應(yīng)用先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)。運(yùn)用電磁冶金、快速凝固、粉末冶金、復(fù)合材料制備等技術(shù)制備的合金材料[53-54]，綜合性能比傳統(tǒng)合金化法制備的更優(yōu)越，但受工藝、制造成本條件限制，目前尚不能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。