电气化铁路Cu-Mg合金接触线研究现状及展望

朱一平，刘东雨

（华北电力大学（北京）能源动力与机械工程学院，北京 昌平 102206）

目前，我国已建成世界规模最大高速铁路网，高铁网对50万人口以上城市覆盖率达到86%。随着高速动车组运行速度的提高，电气化铁路接触线材料的性能要求也越来越高。目前接触线使用最广泛的材料是铜锡合金和铜镁合金，但铜镁合金接触线的性能更好。且随着上引连挤工艺的投入使用，铜镁合金接触线的机电性能得到了大幅度提高。但高速铁路速度的进一步提升，就需要对铜镁合金接触线进行优化。

1 国家标准

铁道部于2017年发布了TB/T 2809—2017《电气化铁路用铜及铜合金接触线》。与2005年的旧标准相比，新标准对接触线关键指标抗拉强度和导电率的要求都有提升[1-2]。不同型号接触线的表示方法如图1所示。

根据新标准要求，铜及铜镁合金的化学成分如表1。从表1中可以看出，新标准对于铜镁合金接触线中的镁含量给出了一个较为宽泛的范围，而且三种不同性能接触线的镁含量有交叉的部分。这也给铜镁合金接触线的研发与生产提供了一个较大的空间。

表1 铜镁合金接触线化学成分

新发布的标准中给出的接触线部分机电性能要求见表2。在旧标准中，铜镁合金接触线只分为CTM、CTMH两种，而新标准中的CTMM的机电性能大致与旧标准中的CTMH相当。

表2 铜镁合金接触线部分机电性能

2 铜镁合金接触线的生产

目前，铜镁合金接触线的生产方式为上引连续挤压法。连续挤压的工作原理[3]如图2所示，利用一个带轮槽的挤压轮，利用轮槽与上引杆坯料之间的摩擦力，将坯料不断地拽入模腔内，并在模腔里发生塑性变形，最后从挤压模孔挤出产品。摩擦力在塑性加工中通常做无用功，而在连续挤压工艺中，摩擦力恰恰是变形的驱动力。摩擦和塑性变形产生的热量可使坯料温度提升至600℃～800℃。因此，连续挤压工艺具有以下优点：①坯料无需进行加热，整个工艺中的全部能量来源于摩擦。②可得到细小的再结晶晶粒组织，晶粒大小约为0.02 mm。③接触线表面整洁、光亮，且平直度好。④可以连续生产上千米甚至上万米的成卷制品制造，由于接触线不能有焊接接头，故能连续生产上千米接触线尤为重要。⑤利用不同形状的挤压模孔，可以生产不同形状、规格的产品。

图1 接触线型号表示方法

图2 连续挤压的工作原理

连续挤压法也有着不足之处，笔者在工厂调研时发现，连续挤压法生产的铜带材，在横向不同部位上（两边与中间），导电性能有着明显的差异。这说明在连续挤压时，不同部位坯料的温度与受力并不均匀。卢利平等人[4]用Deform-3D软件对铜镁合金线材连续挤压过程进行数值模拟。其研究表明，坯料在腔体入口处流动速度最快，温度最高，而在腔体两侧流动速度接近零，温度最低。这就导致扩展腔两侧的坯料，硬度最小，晶粒粗大。谢玲玲等人[5]认为，在挤压过程中，模具与坯料的摩擦力使中心金属的流动比表面金属快；且型腔部位的横截面积的增大也会导致金属的流动速度变慢。故谢玲玲等人认为在模具内设置促流角会使金属流动更均匀。

3 铜镁合金成分调整

共晶温度725℃时，镁在铜中的溶解度为w(Mg)=2.77%，并随着温度的下降而急剧减少，常温下小于1%。虽然固溶态镁原子对合金起到固溶强化的作用，但对导电率的危害极大，微量的镁就会导致铜镁合金的导电率大幅下降。

邱正晓[6]用上引连挤法制备了Cu-0.2Mg、Cu-0.4Mg、Cu-0.6Mg合金三种接触线，并测试了合金的力学性能、导电性能，具体数值见表3。

表3 不同成分铜镁合金接触线的抗拉强度和导电率

由实验结果可知：Cu-0.2Mg合金接触线能达到新标准中的CTM标准；Cu-0.4Mg合金接触线能达到CTMM标准；而Cu-0.6Mg合金接触线虽然抗拉强度达到567 Mpa，但其导电率只有64%IACS，是不符合标准的。

提高Cu-0.6Mg合金接触线导电率的方法有两种：①降低合金中镁的含量；②加入微量稀土元素。若降低镁含量，必然会导致合金抗拉强度的降低，显然不是一个两全其美的方法。加入稀土元素的作用为除杂、净化铜液[7]。周皓等人[8]通过向Cu-0.4Mg合金中加入0.1%的稀土，研究了微量稀土元素对Cu-0.4Mg合金组织和性能的影响。结果表明，稀土的添加具有明显细化铜镁合金晶粒的作用，且能提高了合金的抗拉强度和导电率。

虽然合金的原材料为标准阴极铜(Cu-CATH-2)，但阴极铜表面的“铜绿”、“铜豆”含有大量的杂质元素，如Pb、Bi、Se、Fe等。这些杂质元素即使含量极低，也会大大降低铜合金的导电率，因此需要尽可能除去。稀土的化学性质活泼，能够与Pb、Bi、Se等相互作用，生成熔点很高的稀土化合物，这些高熔点稀土化合物有的上浮成渣，有的以极细小的颗粒形式悬浮于铜液熔体中。这些细小颗粒会成为弥散形核的结晶晶核，由于形核核心的增多，铜合金的晶粒被细化。

4 展望

我国目前新开发的具有完全自主知识产权的铜铬锆合金接触线，具有强度高，导电性好等优点。铜铬锆合金的机电性能好于铜镁合金，但其生产过程中需要进行热处理，这就大大增加了铜铬锆合金接触线的生产难度，且一次性生产上千米的铜铬锆合金接触线也是一大难题。铜镁合金接触线可通过控制阴极铜的质量，加入稀土除杂，改善挤压模具等优化生产工艺，以到更好的性能——在保证导电率符合标准的同时，抗拉强度可与铜铬锆合金接触线持平。