電氣化鐵路用銅合金接觸線生產(chǎn)過程中常見的缺陷及預防措施

王國迎

(中鐵建電氣化局集團 康遠新材料有限公司，江蘇 靖江 214521 )

接觸線是電氣化鐵路的生命線，電氣化列車通過受電弓與其滑動接觸源源不斷的獲得電能。按照材質(zhì)可將接觸線分為三類[1]：純銅接觸線、銅合金接觸線以及復合金屬接觸線。國內(nèi)普遍采用銅合金接觸線，主要有銅銀、銅錫、銅鎂和銅鉻鋯合金接觸線等[2-4]。

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。目前，接觸線常見的生產(chǎn)方法有三種[5-7]，上引連鑄法、連鑄連軋法和連續(xù)擠壓法。連續(xù)擠壓法因具有產(chǎn)品晶粒細小、氧含量低、綜合性能優(yōu)良、節(jié)能環(huán)保等特有的優(yōu)勢，被廣泛應用于接觸線的生產(chǎn)過程中。

進入21世紀，電氣化鐵路朝著高速、重載的方向發(fā)展[8-9]，這對接觸線的質(zhì)量提出了更高要求。接觸線在服役過程中不僅受到碳滑板的高速摩擦，還受到劇烈的震動、高溫、腐蝕等作用。在這種條件下，接觸線如存在質(zhì)量缺陷，將會加劇缺陷的擴展，甚至會出現(xiàn)斷線的情況[10-12]，嚴重影響列車運行安全。本文針對接觸線生產(chǎn)過程中常見的質(zhì)量問題進行分析，并提出相應的預防措施，這對改善接觸線質(zhì)量、提高其可靠性有著十分重大意義。

筆者結(jié)合自身工作經(jīng)驗，針對連續(xù)擠壓法生產(chǎn)的接觸線常見缺陷進行分析，發(fā)現(xiàn)缺陷在各種類別的接觸線中均能出現(xiàn)，且無明顯規(guī)律性，依據(jù)缺陷分布位置將其劃分為兩大類，即表面缺陷和內(nèi)部缺陷。

1 表面缺陷

接觸線常見的表面缺陷有裂口、起皮、橫紋和表面毛糙。

1.1 裂口

裂口是指在接觸線拉拔過程中表面出現(xiàn)金屬基體連續(xù)或斷續(xù)分布的狀態(tài)(圖1)。

連續(xù)裂口 斷續(xù)裂口

裂口在各拉拔道次中均能出現(xiàn)，且隨著拉拔變形量的增大，裂口表現(xiàn)的越嚴重。服役過程中接觸線受到張力、震動、高溫等因素的作用，加速了裂口的擴展，最終導致接觸線斷線。

1.1.1 產(chǎn)生原因

①上引銅桿自身質(zhì)量不好，表面存在裂口(圖2)。連續(xù)擠壓過程中擠壓模腔內(nèi)溫度(550℃左右)遠低于銅合金的熔點(1080℃左右)，裂口的金屬得不到有效焊合，此時擠壓銅桿表面雖無異常，但在拉拔過程中重新將未焊合的金屬拉開，最終在接觸線表面出現(xiàn)裂口。

圖2 上引銅桿裂口 圖3 擠壓銅桿表面的充不滿

②擠壓銅桿表面未充滿，存在小裂紋(圖3)。在擠壓銅桿表面分布著不規(guī)則小裂紋，后續(xù)拉拔工序?qū)⑦@些小裂紋進一步放大，最終表現(xiàn)為裂口。

③拉拔過程中模具溫度升高，尤其是入口處與銅桿之間劇烈的摩擦而產(chǎn)生巨大熱量，使位于該接觸點的銅材變軟，加之模具磨損、粗糙，在模具內(nèi)表面出現(xiàn)粘銅(圖4)，使銅桿與模具之間的摩擦力不均勻，金屬流動不順暢，從銅桿上被撕下來，形成裂口(圖5)。

圖4 拉拔模具粘銅 圖5 接觸線堆銅

1.1.2 預防措施

①控制上引銅桿質(zhì)量，禁止有裂紋的銅桿流入連續(xù)擠壓工序；

②優(yōu)化擠壓工裝設計和擠壓工藝參數(shù)，保證擠壓銅桿的填充效果，避免缺陷出現(xiàn)；

③改進拉拔模具結(jié)構(gòu)，保證潤滑效果，使金屬流動、變形均勻、流暢。選擇適宜的拉拔速度，避免模具粘銅。

1.2 起皮

起皮是指在接觸線表面分布著魚鱗狀凸起的薄片狀金屬層(圖6)，嚴重影響接觸線的外觀質(zhì)量。

圖6 連續(xù)擠壓過程中的廢料

1.2.1 產(chǎn)生原因

①因上引銅桿表面油污，使得擠壓銅桿表面產(chǎn)生氣泡(圖7)。拉拔過程中這些氣泡被拉長、破裂，形成魚鱗狀起皮。

圖7 擠壓桿氣泡 圖8 擠壓銅桿夾雜

②上引或擠壓銅桿的淺表層存在偏析帶或夾雜帶(圖8)。拉拔過程中銅桿內(nèi)的金屬始終被偏析帶或夾雜帶所隔斷，而不能有效焊合，拉拔過程中這部分區(qū)域經(jīng)歷了拉長、變薄、破裂的階段，最終在接觸線表面產(chǎn)生起皮。

1.2.2 預防措施

①連續(xù)擠壓前將上引銅桿表面的油污去除干凈，保持銅桿表面干燥，以保證擠壓銅桿表面無氣泡。

②利用電磁攪拌等先進技術(shù)，確保爐內(nèi)銅液中合金元素混合均勻，減少上引銅桿的成分偏析，保證成分的均勻性；擠壓前將上引銅桿表面的異類斑點(由鎂、錫、爐渣等構(gòu)成)去除干凈，減少這些雜質(zhì)混入擠壓銅桿的幾率。

1.3 橫紋

橫紋是指在接觸線表面分布著與接觸線軸線垂直的微小裂紋(圖9)，經(jīng)彎曲處理后該特征更加明顯，其存在嚴重影響接觸線的反復彎曲及力學性能。

圖9 橫紋 圖10 上引銅桿疏松

1.3.1 產(chǎn)生原因

熔煉過程中氧氣、水氣進入銅液中，上引連鑄過程中氧氣和水氣從銅液中析出，并在上引銅桿內(nèi)部產(chǎn)生大量微小的氣孔，即疏松。拉拔過程中疏松(圖10)被進一步放大而表現(xiàn)為橫紋。另外，拉拔過程中塔輪上接觸線頂部受拉應力，底部受壓應力，多次繞經(jīng)塔輪，等同做了幾次彎曲試驗。上述兩種因素加快了接觸線表面橫紋的出現(xiàn)。

1.3.2 預防措施

①熔煉過程選用優(yōu)質(zhì)木炭和石墨鱗片，并增加其覆蓋厚度，做好隔氧、除濕防護，避免上引銅桿出現(xiàn)疏松。

②下盤時通過彎曲試驗檢驗上引銅桿質(zhì)量，依據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，上引銅桿表面裂紋越多，在拉拔過程中出現(xiàn)橫紋的幾率越大，應禁止該類上引銅桿流入生產(chǎn)線。

1.4 表面毛糙

表面毛糙是指在接觸線表面出現(xiàn)不光滑的現(xiàn)象(圖11)，常見的有起線、麻點(圖12)等。

圖11 表面毛糙 圖12 連續(xù)麻點

1.4.1 產(chǎn)生原因

①模具磨損嚴重，工作面的粗糙度增大，拉拔過程中劃傷接觸線，致其表面變得不光潔。

②拉拔過程中接觸線與模具之間相互摩擦，產(chǎn)生大量銅粉。隨著拉拔的進行，模具入口處銅粉逐漸聚集、壓實，形成銅粉硬塊。這些硬塊將會劃傷接觸線，使接觸線表面粗糙度增大。

1.4.2 預防措施

①及時修復磨損的模具，保證模具的工作面光潔。

②增大模具口處潤滑油的流量，保證潤滑效果，增加過濾銅粉裝置，減少銅粉在該處出現(xiàn)的幾率，避免模具入口處形成銅粉硬塊。

2 內(nèi)部缺陷

接觸線常見的內(nèi)部缺陷有冷隔和夾雜。

2.1 冷隔

冷隔是指在接觸線內(nèi)部金屬出現(xiàn)不連續(xù)的現(xiàn)象。冷隔的存在減少了接觸線的有效受力面積，易出現(xiàn)斷線，造成整盤線材報廢(圖13)。

圖13 冷隔引起的斷線

2.1.1 產(chǎn)生原因

上引速度過大，銅液液面波動較大，容易在上引銅桿內(nèi)部產(chǎn)生大氣泡。擠壓過程中銅桿內(nèi)金屬始終被大氣泡所阻隔，而不能有效焊合，最終在擠壓銅桿內(nèi)部形成冷隔。另外，擠壓工裝設計不合理，對上引銅桿的“去皮”效果減弱，上引銅桿表面的氧化層、油污折疊混入到擠壓銅桿，形成冷隔。存在冷隔的擠壓銅桿外觀質(zhì)量與正常銅桿無異，但僅是通過表層極薄的金屬相連，在拉拔過程中因承受不了巨大的拉力而常被拉斷。

2.1.2 預防措施

選擇適宜的上引速度，減少銅液波動，防止上引銅桿中大氣泡的產(chǎn)生。保持上引銅桿表面清潔，選擇合適的擠壓工裝，確保銅桿“去皮”效果，防止在擠壓銅桿內(nèi)部產(chǎn)生冷隔。

2.2 夾雜

夾雜是指接觸線中混入異類雜質(zhì)的現(xiàn)象，雜質(zhì)的存在破壞了接觸線基體的連續(xù)性、性能的穩(wěn)定性，同時減小了接觸線的有效受力和導電面積，增加了接觸線在服役過程中出現(xiàn)故障、甚至斷線的幾率。常見的夾雜又可以分為夾廢料、夾灰、夾鐵。

2.2.1 產(chǎn)生原因

①夾廢料。連續(xù)擠壓過程中擠壓廢料刮除不干凈(圖14)，廢料隨著擠壓輪混入擠壓銅桿，最終在接觸線內(nèi)部出現(xiàn)夾雜。

圖14 連續(xù)擠壓過程中的廢料 圖15 接觸線夾灰

②夾灰。熔煉過程為確保隔氧、除濕效果，需要在銅液表面覆木炭、石墨鱗片，在加陰極銅板、安裝上引結(jié)晶器或者清灰(木炭、石墨鱗片)過程中，因人為操作不當，導致木炭、石墨鱗片隨銅液混入到上引銅桿中，最終遺留到接觸線內(nèi)部(圖15)。

③夾鐵。由于連續(xù)擠壓工裝磨損(如擠壓輪、壓實輪、堵頭等)，產(chǎn)生的鐵屑(圖16)混入到擠壓銅桿內(nèi)部(圖17)。

圖16 擠壓模具掉鐵 圖17 接觸線夾鐵

2.3.2 預防措施

①調(diào)整刮刀與擠壓輪的距離，及時更換不合格的刮刀，確保擠壓廢料刮除干凈。

②熔煉時規(guī)范操作，如緩慢添加陰極銅板、清灰時不攪拌銅液、安裝結(jié)晶器前將周圍的石墨鱗片拔除干凈等；另外，在結(jié)晶模具上增加過濾裝置，過濾銅液中的木炭和石墨鱗片。

③安裝擠壓工裝前，用磁鐵對關(guān)鍵位置進行吸鐵檢查，及時修復磨損的部位，降低掉鐵幾率。

3 結(jié)論

本文針對接觸線生產(chǎn)過程中常見的問題進行了系統(tǒng)分析，并提出相應的預防措施。認為接觸線生產(chǎn)過程中表面缺陷和內(nèi)部缺陷的出現(xiàn)，不是單一原因造成的，而是多個因素綜合的結(jié)果。表面缺陷如裂口、起皮、表面毛糙等，主要與上引銅桿、擠壓銅桿表面質(zhì)量、拉拔模具、銅粉等有較大關(guān)系，因此為消除這類缺陷，要從提高銅桿表面質(zhì)量、改善潤滑效果、減少堆銅等方面入手。而內(nèi)部缺陷如冷隔、夾雜，主要是因為破壞了接觸線內(nèi)部金屬的連續(xù)性，因此為避免該類缺陷，應設法避免異類雜質(zhì)、大氣泡等通過進入上引銅桿、擠壓銅桿內(nèi)部而最終遺傳到接觸線內(nèi)部。為了提高接觸線的質(zhì)量，筆者認為應從以下幾方面開展工作：

(1)從源頭上嚴格質(zhì)量標準，保障上引銅桿符合要求。上引工序務必規(guī)范上引連鑄操作規(guī)程，嚴控上引銅桿質(zhì)量，如保證上引銅桿表面清潔、無異類斑點，內(nèi)部無夾灰、冷隔等缺陷。

(2)在過程中強化檢驗力度， 建立擠壓銅桿準用制度。選擇合理的連續(xù)擠壓工裝、擠壓工藝，減少或避免擠壓銅桿內(nèi)部的夾鐵、冷隔、夾雜等缺陷，禁止有問題的銅桿流入拉拔工序。

(3)反復探索優(yōu)化拉拔工藝，不斷提高最終成型水平。拉拔過程中通過選擇適宜的拉拔速度、確保冷卻效果，增加潤滑效果、減少產(chǎn)生銅粉等措施，在確保上引銅桿、擠壓銅桿合格的前提下，盡可能減少拉拔過程中接觸線缺陷的產(chǎn)生。

通常情況下，接觸線的缺陷最能全面反映當時的工況信息，因此，在實際生產(chǎn)過程中應及時發(fā)現(xiàn)、收集并分析有問題的接觸線，確定其產(chǎn)生原因，并采取有效的預防措施，這對提高接觸線的質(zhì)量和生產(chǎn)效率有著十分重要的意義。