CN104801641A - 高速铁路接触网用CuNi2Si合金零部件的制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高速铁路接触网零部件生产技术的技术领域，尤其是高速铁路接触网用CuNi2Si合金零部件的制备工艺，所述制备工艺包括依次进行的锻前加热技术、锻造技术和热处理技术；所述锻前加热技术采用预热期、加热期和均热期三个阶段来控制。该制备工艺采用三段式锻前加热技术，使坯料受热均匀，减少了坯料表面氧化损坏，不仅提高了材料利用率，还有效提高了模具的使用寿命和锻件产品的质量；该制备工艺的开发，可形成规模生产能力，能满足现行最大时速350km/h高速铁路电气化建设的需要。

Description

高速铁路接触网用CuNi2Si合金零部件的制备工艺

技术领域

本发明涉及高速铁路接触网零部件生产技术的技术领域，尤其是高速铁路接触网用CuNi2Si合金零部件的制备工艺。

背景技术

自我国第一条电气化铁路始建至今，电气化铁路在国民交通运输中做出了很大的贡献。随着社会及经济的发展，必然对列车运行速度、安全性能提出更高要求。众所周知，接触网是电气化铁路提升速度的关键。提高其零部件的性能，稳定零部件的质量是保证列车稳定、高速运行的基石。

随着国内的高速铁路事业平稳、快速地发展，以及电气化铁路运行速度的不断提高，接触网整体性能技术要求更加严格，不仅是机械性能要提高，而且其电气性能、温度性能、防腐性能、抗振性能都要强化和提高。就零部件整体而言，其材质应具备强度高、韧性好、耐腐蚀的特点；就其性能而言，应具有重量轻、结构简单、耐振性好、可靠性高、装卸方便的特点；从经济角度而论，零部件应该是取材广泛，造价低廉，制造程序简易。基于高速铁路接触网零部件的特点要求，应用了一批新牌号、新状态的合金材料，其中尤以牌号为CuNi2Si的铜合金材质应用广泛，在德国这种材料被广泛应用于电气化铁路接触网零部件中。高速铁路接触网用CuNi2Si零部件采用模锻成形技术，模锻是金属体积成形的一种，属于非稳态大变形问题，模锻过程的工艺设计和模具设计直接决定锻件的最终质量。经加热后的坯料在大变形情况下，锻造机械性能不稳定，毛坯端部容易出现开裂，达不到零部件的机械性能要求，尤其是有台阶类的CuNi2Si锻件，容易在台阶肩部出现裂纹甚至直接断裂。此外，由于德国对零部件没有应力腐蚀要求，而我国铁路技术对应力腐蚀有要求，引进的力倍技术不能满足我国对零部件性能的要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了解决上述背景技术中提出的问题，本发明提供一种具有新的锻前加热技术、产业化的CuNi2Si材料锻造技术、获得能够满足我国铁路技术要求的CuNi2Si材料热处理技术及无污染的表面处理技术的高速铁路接触网用CuNi2Si合金零部件的制备工艺。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高速铁路接触网用CuNi2Si合金零部件的制备工艺，所述制备工艺包括依次进行的锻前加热技术、锻造技术和热处理技术；所述锻前加热技术采用预热期、加热期和均热期三个阶段来控制。

上述技术方案中所述锻前加热技术中的加热设备在结构上相应地具有预热段、加热段和均热段，并配备有对出炉温度进行监控的红外线测温仪。

上述技术方案中所述锻前加热技术的具体步骤：坯料由加热设备尾部推入后，先进入预热段缓慢升温；然后，进入加热段强化加热，表面迅速升温到出炉所要求的温度；最后，坯料进入温度稍低的均热段进行均热，表面温度不再升高，使表面与内部温度逐渐趋于均匀。

上述技术方案中所述锻造技术中所采用的锻造设备是电动螺旋压力机。

上述技术方案中所述锻造技术的各项参数为：模具的预热温度为200℃～240℃，坯料从出加热设备到锻造的时间为3s～4s，锻造成形时间为3s～5s，出模到水淬时间为2s～3s，水淬时间为18s～22s。

上述技术方案中所述热处理技术的具体步骤：首先预热热处理设备到350℃后，放入坯料，然后采用阶梯升温法进行时效处理，具体升温过程为：升温至430℃后保温20分钟，然后再升温至480℃±5℃保温100分钟后出炉空冷。

上述技术方案中所述制备工艺还包括位于热处理技术后的表面处理技术，表面处理技术采用直径0.3mm不锈钢钢丸进行抛丸。

本发明的有益效果是：本发明的高速铁路接触网用CuNi2Si合金零部件的制备工艺具有以下积极的优点：

(1)锻前加热技术合理，采用三段式锻前加热技术，使坯料受热均匀，减少了坯料表面氧化损坏，不仅提高了材料利用率，还有效提高了模具的使用寿命和锻件产品的质量；

(2)锻造技术合理，采用电动螺旋压力机进行成型，模具结构优化，使得坯料流动顺畅、成品率高、成形载荷小，有效提高了材料的利用率和模具寿命；

(3)热处理技术合理，热处理后为空冷，对应力起到了释放作用，热处理前期的低温保温，也起到了去应力作用；

(4)热处理后的表面处理技术采用直径0.3mm不锈钢钢丸进行抛丸，不仅起到清洁零部件表面作用，而且对零部件表面起到强化作用，还能有效释放残余应力；

(5)应用此制备工艺可以生产承力索中心锚结线夹、接触线中心锚结线夹、定位线夹、弹性吊索线夹等，这些零部件装置已成功应用于京石客专、厦深客专、盘营客专、广西沿海项目和大西客专等线路；

(6)该工艺的开发，可形成规模生产能力，完全能满足现行最大时速350km/h高速铁路电气化建设的需要，对于未来更高时速电气化铁路接触网零部件的生产具有重要的指导意义；打破了发达国家高速铁路接触网相关零部件技术的垄断地位，使我国相关高速铁路接触网零部件技术达到了世界领先的水平，对于我国拥有的自主知识产权高速铁路接触网零部件技术的全球推广具有重要的意义。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明中热处理技术的曲线图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

本发明的高速铁路接触网用CuNi2Si合金零部件的制备工艺，采用国外牌号CuNi2Si材料作为原材料，供货状态为CY态，金相平均晶粒直径为0.015～0.035，抗拉强度为Rm≥380MPa，布氏硬度为HB100～130，断后伸长率A≥10％，电导率Ms/m≥12。

该制备工艺包括依次进行的锻前加热技术、锻造技术和热处理技术。

锻前加热技术采用预热期、加热期和均热期三个阶段来控制。锻前加热技术中的加热设备在结构上相应地具有预热段、加热段和均热段，并配备有对出炉温度进行监控的红外线测温仪。锻前加热技术的具体步骤：坯料由加热设备尾部推入后，先进入预热段缓慢升温；然后，进入加热段强化加热，表面迅速升温到出炉所要求的温度；最后，坯料进入温度稍低的均热段进行均热，表面温度不再升高，使表面与内部温度逐渐趋于均匀。通过预热段的设计能防止坯料表面温度瞬间升高，有效降低表面的氧化损耗，均热段的设计可以避免因坯料断面温差引起的热应力而产生裂纹。

锻造技术中所采用的锻造设备是电动螺旋压力机，该电动螺旋压力机的结构简单、操作便捷、检修工作量小，节约劳动力和维修费用，运行安全；打击能量可准确设置，且打击力有显示，根据不同的零部件需要可以调节能量、打击力，以减少模具的机械应力和热接触时间，延长模具寿命；无固定下死点，不必调整模具高度，不会产生闷车现象。与国外相应零部件成形采用摩擦螺旋压力机相比，无摩擦盘、横轴等中间传动装置和摩擦带易损件，零部件少，可靠性高，精度好。

生产过程中，由于材料的变形量较大，而且在锻造材料填充过程中模具内部会产生密闭的空间，从而产生较大的气阻，国内外相关零件锻造工艺均采用“1”字形摆料法，由于密闭空间压强的存在，致使成形力非常大，不利于锻件的成形，容易产生“缺肉”缺陷。经过调整锻造工艺，采用倾斜式的摆料方式，有助于空气顺利的排出，解决了气阻导致的外观缺陷问题。

锻造技术中的模具进行了多次改进优化，优化后的模具以改善坯料的流动、合理的锻造流线为原则，结合实际生产，优化后的模具使得坯料流动顺畅、成品率高、成形载荷小，有效提高了材料的利用率和模具寿命。此外，经过大量实验验证获得了一套完善的锻造技术参数：根据零部件以及室温的不同，模具的预热温度为200～240℃，坯料从出加热设备到锻造的时间为3～4s，锻造成形时间为3～5s，出模到水淬时间为2～3s，水淬时间为18～22s。

锻造技术中的模具设计采用的是有限元法，有限元法可以减少试模次数，缩短了模具设计和制造周期，从而使模具的可靠性得到提高，也能够大大地提高劳动生产率，使整个制造成本能够大幅降低。有限元模拟技术可为工艺过程的优化和控制提供可靠参考。首先采用经验设计法对相关零部件进行模具设计，然后采用有限元模拟软件对相关CuNi2Si零部件进行模拟分析，并优化模具形状，改善坯料的流动，有效降低了锻造成形力，充分提高了模具的使用寿命，极大提高了材料的利用率，节约了生产成本。

热处理技术，首先预热热处理设备到350℃后，放入坯料，然后采用阶梯升温法进行时效处理，具体升温过程为：升温至430℃后保温20分钟，然后再升温至480℃±5℃保温100分钟后出炉空冷，热处理技术曲线如图1所示。国外相关材料零部件经时效热处理出炉后采用水淬冷却方式，水淬工艺加大了零部件的水淬应力，经过改进，热处理后为空冷，对应力起到了释放作用，热处理前期的低温保温，也起到了去应力作用。

该制备工艺还包括位于热处理技术后的表面处理技术，国外热处理后是通过酸洗工艺清洗零部件表面，酸洗工艺对环境影响较大，监控困难。该制备工艺中的表面处理技术采用直径0.3mm不锈钢钢丸进行抛丸，一方面起到除去表面氧化皮、提高表面粗糙度的作用。另一方面，CuNi2Si棒料经锻造大变形后表面产生拉应力，通过钢丸高速撞击零部件，零部件表面产生压应力，使锻件表面拉应力与压应力相互抵消，达到去残余应力作用。

经该制备工艺生产的零部件能够满足我国相关规定对应力腐蚀的要求。经该工艺生产的零部件，金相平均晶粒直径0.005～0.015，抗拉强度Rm≥490MPa，布氏硬度HB180～200，断后伸长率A≥15％，电导率Ms/m≥17，可满足速度350km/h高速铁路的需求，相关零部件均通过铁道部产品质量监督检验中心接触网零部件检验站检测，并获得相应检测报告，各项性能指标均符合科技装[2009]136号《200～250km/h电气化铁路接触网装备》暂行技术条件(OCS-2)、科技装[2009]136号《300～350km/h电气化铁路接触网装备》暂行技术条件(OCS-3)、铁道部TB/T2073-2010《电气化铁路接触网零部件技术条件》、TB/T2074-2010《电气化铁道接触网零部件试验方法》、TB/T2075-2010《电气化铁路接触网零部件》标准。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (7)

1.一种高速铁路接触网用CuNi2Si合金零部件的制备工艺，其特征在于：所述制备工艺包括依次进行的锻前加热技术、锻造技术和热处理技术；所述锻前加热技术采用预热期、加热期和均热期三个阶段来控制。

2.根据权利要求1所述高速铁路接触网用CuNi2Si合金零部件的制备工艺，其特征在于：所述锻前加热技术中的加热设备在结构上相应地具有预热段、加热段和均热段，并配备有对出炉温度进行监控的红外线测温仪。

3.根据权利要求2所述高速铁路接触网用CuNi2Si合金零部件的制备工艺，其特征在于：所述锻前加热技术的具体步骤：坯料由加热设备尾部推入后，先进入预热段缓慢升温；然后，进入加热段强化加热，表面迅速升温到出炉所要求的温度；最后，坯料进入温度稍低的均热段进行均热，表面温度不再升高，使表面与内部温度逐渐趋于均匀。

4.根据权利要求1所述高速铁路接触网用CuNi2Si合金零部件的制备工艺，其特征在于：所述锻造技术中所采用的锻造设备是电动螺旋压力机。

5.根据权利要求4所述高速铁路接触网用CuNi2Si合金零部件的制备工艺，其特征在于：所述锻造技术的各项参数为：模具的预热温度为200℃～240℃，坯料从出加热设备到锻造的时间为3s～4s，锻造成形时间为3s～5s，出模到水淬时间为2s～3s，水淬时间为18s～22s。

6.根据权利要求1所述高速铁路接触网用CuNi2Si合金零部件的制备工艺，其特征在于：所述热处理技术的具体步骤：首先预热热处理设备到350℃后，放入坯料，然后采用阶梯升温法进行时效处理，具体升温过程为：升温至430℃后保温20分钟，然后再升温至480℃±5℃保温100分钟后出炉空冷。

7.根据权利要求1所述高速铁路接触网用CuNi2Si合金零部件的制备工艺，其特征在于：所述制备工艺还包括位于热处理技术后的表面处理技术，表面处理技术采用直径0.3mm不锈钢钢丸进行抛丸。