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[摘要]簡要介紹了銅合金接觸線產(chǎn)品的分類、需求現(xiàn)狀及趨勢，重點闡述了銅合金接觸線工藝的生產(chǎn)現(xiàn)狀，根據(jù)目前市場對銅合金接觸線產(chǎn)品性能的要求，和連續(xù)化生產(chǎn)的發(fā)展趨勢，連鑄連軋法和連續(xù)擠壓法是未來銅合金接觸線加工工藝主要的發(fā)展方向。

[關鍵詞]接觸線；加工工藝；現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢

2004年國務院通過了《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，預計到2020年，全國鐵路運營里程將達到120km，在主要繁忙的干線實現(xiàn)客貨分線，電化率和復線率將達到60％，鐵路運輸能力滿足國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的需要，主要技術裝備水平達到或接近國際先進水平。隨著我國電氣化鐵路和高速鐵路建設進程的加快，接觸線作為電氣化接觸網(wǎng)的主體，其需求也將迅速增加。接觸線除了具有廣闊的國內市場外，只要產(chǎn)品質量能夠達到或超過國外先進水平，那么借助我國的人力、物力成本方面的優(yōu)勢，憑借產(chǎn)品優(yōu)良的性價比，國產(chǎn)接觸線將在國際市場的競爭中占據(jù)一席之地[1]。

1銅合金接觸線的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

隨著電氣化鐵路向高速重載方向發(fā)展，接觸線性能需具備更好的抗軟化性、強度和耐磨性。最早使用的純銅接觸導線的導電率＞96%IACS，其強度偏低，特別是高溫時強度更低，大載荷電流通過產(chǎn)生熱效應作用時，強度衰減尤為顯著。因此，純銅接觸線已不能滿足高速重載的需要。目前，常用的銅合金接觸線產(chǎn)品主要為銅—銀合金接觸線、銅—錫合金接觸線、銅—鎂合金接觸線、銅—鉻—鋯合金接觸線等。

1）銅-銀合金接觸線

銅-銀合金接觸線成為目前電氣化鐵路建設的主流產(chǎn)品，因其具有高溫時強度較高以及載流能力較大等特點，解決了純銅接觸線高溫強度低的問題。但其強化效果不突出，還不能應用于高速鐵路線中。德國在研制的Re-250型接觸網(wǎng)中使用該接觸線，其可達到250km/h[2]，國產(chǎn)的銅—銀合金接觸線的性能水平已接近國外水平。

2）銅—錫合金接觸線

銅—錫合金接觸線將是中、高速電氣化鐵道接觸線的首選材料。因其具有較高的抗拉強度、耐高溫的軟化性能和良好的導電性能，取流滑板與接觸線之間的接觸電阻小，產(chǎn)生的焦耳熱小，從而改善了取流質量。目前，日本新干線使用的接觸線主要是銅錫合金接觸線。除了日本和法國采用銅—錫合金接觸線，我國臺灣、英國和澳大利亞也在使用這種接觸線。由于銅錫合金接觸線具有更高的抗拉強度，更好的耐磨耗性能，所以在國內銅錫合金接觸線會逐步替代銅—銀合金接觸線成為提速線路的主導產(chǎn)品。

3）銅—鎂合金接觸線

銅—鎂合金接觸線具有強度高等優(yōu)點，其強度可達500MPa能滿足列車高速行駛的要求，這為應用于高速鐵路線上奠定了基礎。但該接觸線的導電性差，只有62.1%IACS，且存在銅—鎂合金難熔煉和鑄造等問題，制備技術和設備的要求高。目前國內采用上引—擠壓法開發(fā)出該接觸線，但鎂是活潑、易燒損的元素，因此控制鎂的燒損是保證銅—鎂合金成分均勻的關鍵。目前歐洲已采用不同爐型和上引連鑄法生產(chǎn)出這種接觸線，并在高速列車線路上試用。

4）銅包鋼接觸線

銅包鋼接觸線是一種具有高強度、高導電性和抗軟化性能好等特點的異型線材。該接觸線是在鋼線外包覆紫銅的包覆技術制備而成的。銅包鋼接觸線的抗拉強度和導電率分別控制在450～490MPa和60%～80%IACS。但是由于大截面銅包鋼接觸線的線密度大，限制了加大懸掛張力來提高波動傳播速度產(chǎn)生的效果。該接觸線具有加工較困難，成形工藝較復雜，成本高等問題，限制了該接觸線的大范圍應用。目前，僅有日本的鐵路線采用該種接觸線[3]。

5）銅—鉻—鋯合金接觸線

銅—鉻—鋯合金接觸線是一種熱處理強化型的銅合金產(chǎn)品，其抗拉強度和導電率分別為550MPa和78%IACS左右，適用于速度更高的鐵路運輸。雖然我國很早就生產(chǎn)和應用該合金做的部件，但金屬鉻和鋯在高溫熔煉鑄造條件下極易揮發(fā)氧化，要實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)連續(xù)大長度無接頭接觸線，需要增加大型的熱處理設備用于開發(fā)其連續(xù)生產(chǎn)工藝。

目前，國內200km/h以下的電氣化鐵路和城市地鐵、軌道交通采用銅—銀合金接觸線；在200～250km/h的客運專線采用了銅—錫合金接觸線；250～350km/h的客運專線采用高強銅錫合金接觸線（CTSH）和銅—鎂合金接觸線；而對于350km/h以上的高速列車，其接觸線性能有更高的要求，主要采用銅—鉻—鋯合金接觸線。在德國，在250km/h以下的電氣化鐵路采用銅—銀接觸線，300km/h以上的電氣化鐵路采用銅—鎂接觸線。在法國，300km/h以上的電氣化鐵路采用銅—鎂接觸線和銅-錫接觸線。在日本，各種不同時速的電氣化鐵路采用不同性能等級的銅-錫合金接觸線。而現(xiàn)有的我國產(chǎn)品還不能勝任高速電氣化鐵路的需求，需從德國、法國等進口，且進口產(chǎn)品價格高。電氣化鐵路發(fā)展方向是高效快捷、環(huán)保節(jié)能，而接觸線在高速電氣化鐵路發(fā)展上起著舉足輕重的作用，為此開發(fā)有與之相匹配高速接觸線十分必要。高速電氣化鐵路接觸線主要有銅—銀、銅—錫、銅—鎂合金、銅包鋼和銅—鉻—鋯合金接觸線等種類，而能滿足性能要求最理想的產(chǎn)品是銅包鋼接觸線，銅包鋼接觸線也是架空導線發(fā)展方向之一，但它是復合線材，加工方法較復雜，技術要求較高，成本較高，短時間內很難產(chǎn)業(yè)化。為勝任高速鐵路運行的需要，開發(fā)微合金化銅合金產(chǎn)品，經(jīng)過合理的形變處理或熱處理即可獲得高強度、導電性好的銅合金接觸線。因此，業(yè)界廣泛關注高強度、高導電性、易成形、高耐磨的銅合金接觸線的開發(fā)，也是目前接觸線最切合實際應用的研發(fā)方向[4]。

2銅合金接觸線的生產(chǎn)工藝現(xiàn)狀

目前，銅合金接觸線是電氣化鐵路接觸網(wǎng)最重要的材料之一，不同合金接觸線產(chǎn)品的制備和加工工藝是不同的，現(xiàn)將其熔煉技術及加工工藝介紹如下。

2.1接觸線的熔煉技術

純銅接觸線、銅合金接觸線和復合接觸線的熔煉技術有兩種：真空熔煉技術和非真空熔煉技術。有些金屬（如鉻、鋯等）在熔煉和鑄造過程中極易氧化揮發(fā)，需綜合考慮因素選擇合適的熔煉技術。分析兩種熔煉技術的優(yōu)缺點如下：

1）真空熔煉技術

銅合金材料，是以銅為基，添加金屬鉻、鋯、錫和鎂等，由于金屬鉻和鋯在高溫熔煉鑄造條件下與氧的親和力極強，極易揮發(fā)氧化，因而難度較大。一般情況下需采用真空熔煉和鑄造的方法，以減少氧化和揮發(fā)，保證產(chǎn)品最終具有符合要求的化學成分。但是由于真空感應電爐所特有的結構，真空熔煉存在如下問題：

（1）由于真空爐熔煉過程中，需要很高的真空度，對爐體的密封性要求很高，熔煉時，不能進行成分測量、成分調整和扒渣等操作。因此，對原料的成分和雜質含量要求很高；

（2）真空熔煉一般不會采用快速冷卻的方法，一般鑄錠晶體粗化，在變形工藝中，很容易出現(xiàn)裂紋，降低了鑄錠成品率；

（3）真空爐本身的不連續(xù)操作，使其只能進行小規(guī)模生產(chǎn)，不能進行連續(xù)化大規(guī)模生產(chǎn)，生產(chǎn)效率低，限制了其產(chǎn)業(yè)化前景；

（4）設備投資大。

2）非真空熔煉技術

由于真空熔煉成本高、產(chǎn)量小，使得銅合金的非真空熔煉技術在企業(yè)中的需求很大，且此種技術非常成熟，也是企業(yè)建立連續(xù)化工業(yè)生產(chǎn)的前提。銅液在保護性氣體氛圍中熔煉，可使其融化時處于微氧化的氣氛中，可以有效地排除空氣，從而有效地減少熔體的吸氣。特別是金屬鉻和鋯等，極易氧化，需采取相應的措施，如釆用的覆蓋劑為木炭等，Cr和Zr以中間合金的形式加入，有效的防止的Cr和Zr的氧化。從而得到性能水平高的銅—鉻—鋯合金材料，達到降低成本、進行連續(xù)化工業(yè)生產(chǎn)的目的。

2.2接觸線的加工工藝

國內外生產(chǎn)接觸線的生產(chǎn)方式主要有3種，即上引連鑄—冷軋法、上引連鑄—連續(xù)擠壓法和連鑄連軋—拉拔法，各工藝生產(chǎn)特點如下。

2.2.1上引連鑄—冷軋法該生產(chǎn)方法的主要優(yōu)勢：

1）產(chǎn)品表面光亮，含氧量可控制在10×10-6以下，導電率高；

2）設備操作簡單，勞動定員少；

3）設備占地面積小，一次性投資少；

4）設備結構簡單，消耗件少，維護費用較低。

不足的地方：

1）常溫下對上引桿軋制和拉拔時，并不能改善內部組織，拉拔后產(chǎn)品斷面組織晶粒粗大，有未完全破碎的鑄造組織；

2）鑄造組織的殘余應力，可使接觸線架設后沿其長度方向有許多不規(guī)則的微小波浪彎，高速機車通過時會產(chǎn)生連續(xù)的離線火花，降低了取流質量，同時也減少了接觸線自身的壽命。

2.2.2上引連鑄—連續(xù)擠壓法

連續(xù)擠壓是1972年由英國原子能工業(yè)局推出的一種塑性加工新方法，經(jīng)過不斷的完善和提高，連續(xù)擠壓在工業(yè)領域的應用得到了進一步的擴展。實踐證明，與傳統(tǒng)軋制生產(chǎn)工藝相比，連續(xù)擠壓生產(chǎn)接觸線具有一系列優(yōu)點。將上引法生產(chǎn)的銅桿，送入連續(xù)擠壓機，產(chǎn)生擠壓變形，通過冷卻和防氧化系統(tǒng)，經(jīng)固溶淬火時效工藝后，送入接觸線拉絲機，然后由收線卷取成盤，剪切前可檢測產(chǎn)品長度或重量，檢驗包裝后入庫。該生產(chǎn)方法的主要優(yōu)勢是：

1）熔煉和連續(xù)鑄造過程都是在隔絕空氣的條件下進行，生產(chǎn)的鑄桿質量好、夾雜物非常少、含氧量非常低；

2）爐子容量小，拆爐、洗爐成本低，生產(chǎn)銅合金品種比較靈活，可達到多品種小批量的生產(chǎn)要求；

3）工藝簡單。連續(xù)擠壓是依靠旋轉的擠壓輪對坯料的直接摩擦產(chǎn)生的，其操作可不受最大行程的限制，可不間斷地連續(xù)生產(chǎn)；

4）坯料無須連續(xù)加熱。連續(xù)擠壓是通過坯料與進料導板的摩擦生熱產(chǎn)生金屬變形時所需的變形溫度，銅合金在變形時的溫度最高可達800～850℃，因此無須加熱，可降低60％的能耗；

5）變形金屬受力狀態(tài)好，組織致密。在連續(xù)擠壓過程中坯料處于三向壓應力狀態(tài)，有利于消除鑄造缺陷，提高金屬的塑性，且發(fā)生再結晶，改善組織，晶粒細化，從而改善了其機械性能和電性能；

6）產(chǎn)品規(guī)格多。同一種直徑的桿坯既可以生產(chǎn)比桿坯截面還小的產(chǎn)品，也可以生產(chǎn)比桿坯截面更大的產(chǎn)品，從而滿足不同截面積產(chǎn)品的需要。

2.2.3連鑄連軋—拉拔

將銅-錫合金接觸線坯送入接觸線拉絲機，拉拔成形，收線卷取成盤，剪切前可檢測產(chǎn)品長度或重量，檢驗包裝后入庫。該生產(chǎn)方法的主要優(yōu)勢是[5]：

1）產(chǎn)量大，年產(chǎn)規(guī)模可達300kt以上；

2）能耗低，鑄坯直接進行熱軋，無需二次加熱；

3）環(huán)保，使用異丙醇溶液對銅桿進行冷卻清洗，使其表面光亮，無污染；

4）產(chǎn)品質量好，質量穩(wěn)定，機械性能優(yōu)異，可滿足多頭高速拉絲機的要求。

不足之處：

1）生產(chǎn)過程不易控制，產(chǎn)品氧含量較高，韌性降低。

2）適合生產(chǎn)銅和不易氧化的銅合金產(chǎn)品（如銅—銀合金產(chǎn)品，銅—錫合金產(chǎn)品），而鎂和鋯元素極易氧化，故不適合生產(chǎn)銅—鎂合金產(chǎn)品和銅—鉻—鋯合金產(chǎn)品。開發(fā)高強度高導電銅合金新產(chǎn)品是促進高速鐵路配套材料的國產(chǎn)化起著非常重要的意義，有非常顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。隨著科學技術的發(fā)展，生產(chǎn)技術的日趨成熟，生產(chǎn)工藝的不斷完善，接觸線產(chǎn)品的開發(fā)的方向是各項性能相對較好的銅—鉻—鋯合金類型。

目前我國高速電氣化鐵路用接觸線大部分依靠進口，為了滿足高速電氣化鐵路的發(fā)展需要，開發(fā)新型的銅—鉻—鋯接觸線是必要且可行的。我國電力機車接觸線制造技術相對落后，在銅合金熔體潔凈化處理和連鑄成形兩個關鍵工序上，缺乏有效手段，大大影響了最終產(chǎn)品性能。綜合考慮產(chǎn)品的最終性能和大規(guī)模連續(xù)化生產(chǎn)的要求，連鑄連軋法和連續(xù)擠壓法是未來銅合金接觸線加工工藝主要的發(fā)展方向[6]。

3結束語

銅合金接觸線需具備優(yōu)良的綜合力學性能，使用壽命長，抗事故能力強，大修周期延長，能節(jié)省大修投資，減少大修帶來運輸干擾影響。滿足機械性能要求，提高導電率是銅合金接觸線發(fā)展的方向。持續(xù)載流量的增加，既可創(chuàng)造更高的運輸經(jīng)濟效益，又提高了項目的投入產(chǎn)出效果。且新型銅合金接觸線的生產(chǎn)要求工藝流程短，加工成本低，生產(chǎn)節(jié)能環(huán)保，經(jīng)濟效益好[7]。Cu-Sn系、Cu-Mg系、Cu-Cr-Zr系合金以及多元微合金化銅合金是適用于中高速鐵路架空用接觸線的主要材料，Cu-Cr-Zr系適合于高速鐵路架空用接觸線。我國高速鐵路的發(fā)展及其市場前景非常廣闊，有利于將其研究與產(chǎn)業(yè)化推廣，也必將成為我國今后高速電氣化鐵道用架空導線的發(fā)展趨勢。

參考文獻

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［2］趙大軍，唐麗，管桂生.我國電氣化鐵道用接觸線的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢［J］.鐵道機車車輛，2008（5）：74-77.

［3］支海軍，徐玉松，陸敏松等.高速電氣化鐵道用銅錫合金接觸線成形工藝的確定［J］.機械工程材料，2011，35（10）：76-79.

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［6］吳予才.高速鐵路用銅合金接觸網(wǎng)導線及銅扁線的產(chǎn)業(yè)化研究［D］.北京：北京有色金屬研究總院，2011.

［7］吳朋越，謝水生，黃國杰.高速列車用銅合金接觸線用材料及其加工工藝［J］.稀有金屬，2006，30（2）：203-206.

作者：張襯新 單位：中國瑞林工程技術有限公司