低溫對(duì)電氣化鐵路銅合金接觸線力學(xué)和電學(xué)性能影響研究

潘利科,楊才智,袁遠(yuǎn),陳立明,邢彤,張海波,徐超,雷棟

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量研究所，北京 100081）

接觸線是電氣化鐵路的重要組成部分，其主要通過(guò)與列車上方的受電弓滑板進(jìn)行滑動(dòng)摩擦，實(shí)現(xiàn)向列車供電［1-3］。目前，我國(guó)電氣化鐵路已經(jīng)覆蓋全國(guó)31省區(qū)市，接觸網(wǎng)服役環(huán)境涉及高溫、低溫等各種環(huán)境溫度工況，這就對(duì)接觸線的力學(xué)性能和電學(xué)性能提出了較高的要求［4-5］。

TB/T 2809-2017《電氣化鐵路用銅及銅合金接觸線》中對(duì)接觸線的力學(xué)性能和電學(xué)性能等進(jìn)行了規(guī)定［6］，但對(duì)接觸線在不同環(huán)境溫度下的力學(xué)和電學(xué)性能沒(méi)有進(jìn)行區(qū)分和明確規(guī)定，并且相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)接觸線在我國(guó)低溫高寒環(huán)境下的應(yīng)用研究較少。

CTMM150銅鎂合金接觸線是電氣化鐵路的主要接觸線型號(hào)，在常溫下具有較好的力學(xué)和電學(xué)性能，其成分組成列于表1。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)研究了CTMM150在低溫（-55℃）和常溫（25℃）環(huán)境下的機(jī)械性能和導(dǎo)電性能，分析其變化規(guī)律，為電氣化鐵路接觸網(wǎng)在我國(guó)低溫高寒地區(qū)的推廣應(yīng)用奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

表1 CTMM150銅鎂合金接觸線的組成成分Table 1 Composition of CTMM150 copper magnesium alloy contact wire

1 試驗(yàn)部分

接觸線參考TB/T 2809-2017《電氣化鐵路用銅及銅合金接觸線》［6］開(kāi)展試驗(yàn)，其試驗(yàn)環(huán)境條件參照鐵總運(yùn)［2013］135號(hào)《寒溫及寒冷地區(qū)鐵路牽引供電和電力系統(tǒng)若干問(wèn)題指導(dǎo)意見(jiàn)》和GB/T 14093.2-2009《機(jī)械產(chǎn)品環(huán)境技術(shù)要求 寒冷環(huán)境》［7］等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)。

按照TB/T 2809-2017《電氣化鐵路用銅及銅合金接觸線》中規(guī)定，CTMM150銅鎂合金接觸線應(yīng)滿足拉斷力≥73.99 kN、伸長(zhǎng)率≥3.0%、電阻率≤0.025 35 Ω·mm2·m-1。選 取CTMM150銅 鎂 合 金接觸線，其直徑為14.40 mm。常溫試驗(yàn)的環(huán)境溫度為25℃，在SUN-20電子材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸試樣的標(biāo)距為250 mm、拉伸速率為20 mm·min-1；在PC36C直流數(shù)字電阻測(cè)試儀上進(jìn)行電阻率試驗(yàn)，電阻率試樣長(zhǎng)度為1.5 m，每組試驗(yàn)測(cè)試3組數(shù)據(jù)，取其平均值作為最終結(jié)果。低溫試驗(yàn)的環(huán)境溫度為-55℃，拉斷力和伸長(zhǎng)率試樣首先在低溫環(huán)境下保溫16 h，然后取出立即在常溫（25℃）下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。電阻率試樣則在低溫環(huán)境下保溫72 h，取出后立即在常溫下進(jìn)行電阻率試驗(yàn)。

由于CTMM150銅鎂合金接觸線的微觀組織在產(chǎn)品成型后基本固定，在常溫（25℃）和低溫（-55℃）環(huán)境后微觀組織不會(huì)產(chǎn)生變化，本次試驗(yàn)的力學(xué)和電學(xué)性能變化基本不受微觀組織影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 低溫對(duì)拉斷力的影響

圖1為常溫（25℃）和低溫（-55℃）工況下，CTMM150接觸線的拉斷力變化規(guī)律。從圖1可以看出，低溫下接觸線的拉斷力相比常溫提高了2.2%，并且常溫和低溫下的拉斷力均能滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。說(shuō)明，CTMM150接觸線在-55℃環(huán)境下保溫16 h后強(qiáng)度得到提升。

圖1 CTMM150接觸線拉斷力與環(huán)境溫度的關(guān)系Figure 1 Relationship between breaking force and ambient temperature of CTMM150

2.2 低溫對(duì)伸長(zhǎng)率影響

圖2為CTMM150接觸線的伸長(zhǎng)率隨試驗(yàn)溫度而變化的規(guī)律。從圖2可見(jiàn)：常溫和低溫環(huán)境下接觸線的伸長(zhǎng)率均能滿足標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)，但是低溫時(shí)接觸線的伸長(zhǎng)率相比常溫降低了8.8%。說(shuō)明，CTMM150接觸線在低溫環(huán)境中保溫16 h后，其伸長(zhǎng)率顯著降低、韌性變差。由于銅鎂合金為面心立方結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)化機(jī)制為固溶強(qiáng)化，即溶質(zhì)原子溶入銅基體中形成固溶體，引起晶格畸變，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到強(qiáng)化［8-11］。因此，在低溫環(huán)境下，位錯(cuò)堆積的能力上升，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)難度增大，形變難度增加，從而使接觸線的拉斷力提高、伸長(zhǎng)率降低［10，12-13］。

圖2 CTMM150接觸線伸長(zhǎng)率與環(huán)境溫度關(guān)系Figure 2 Relationship between elongation and ambient temperature of CTMM150

2.3 低溫對(duì)電阻率的影響

圖3為常溫和低溫環(huán)境下CTMM150接觸線的電阻率變化規(guī)律。從圖3可見(jiàn)，在低溫環(huán)境下接觸線的電阻率明顯低于常溫的電阻率，低溫時(shí)的電阻率相比常溫時(shí)降低了16.0%。說(shuō)明，CTMM150接觸線在低溫環(huán)境保溫72 h后的電阻率顯著降低，提高了其導(dǎo)電能力。在低溫作用下，由溫度引起的離子晶格熱振動(dòng)造成對(duì)電子波的散射變小，使電阻率在低溫下降低，而導(dǎo)電能力增強(qiáng)［14］。

圖3 CTMM150接觸線電阻率與環(huán)境溫度關(guān)系Figure 3 Relationship between resistivity and ambient temperature of CTMM150

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)研究了CTMM150接觸線在常溫（25℃）和低溫（-55℃）環(huán)境下的機(jī)械性能和導(dǎo)電性能。CTMM150接觸線在低溫保溫一定時(shí)間后，其強(qiáng)度得到提高（拉斷力提高了2.2%），但是塑性降低（伸長(zhǎng)率降低了8.8%），其導(dǎo)電性能提高（電阻率降低了16.0%），并且各項(xiàng)性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。