接觸網(wǎng)用高強(qiáng)度中心錨結(jié)線夾本體熱處理工藝研究

（中鐵建電氣化局集團(tuán)軌道交通器材有限公司，江蘇 常州 213179）

接觸網(wǎng)是電氣化工程中的主要構(gòu)架，以鋁面作為導(dǎo)電部分，保證了導(dǎo)電性能。高強(qiáng)度中心錨結(jié)線夾采用鋁青銅材料，經(jīng)科學(xué)熱處理后，可獲得強(qiáng)度高、抗應(yīng)力腐蝕性能良好的優(yōu)良性能。

1 性能分析

（1）性能指標(biāo)。中心錨結(jié)裝置是接觸網(wǎng)系統(tǒng)中防止錨段向一側(cè)竄動(dòng)或接觸懸掛斷線時(shí)縮小事故范圍的裝置，其線夾本體表面硬度與接觸線溝槽處硬度匹配要求達(dá)到1.2～1.2:1；應(yīng)力腐蝕指標(biāo)要求中心錨結(jié)線夾在規(guī)定的緊固力矩狀態(tài)下，使用斷裂力學(xué)、恒載荷等試驗(yàn)符合技術(shù)要求。

（2）材料分析。鋁青銅具有比合金鋼更高的強(qiáng)度。圖1為Cu-Al二元相圖，橫軸表示合金中Al含量所占百分比的多少，縱軸表示溫度的高低。鋁青銅實(shí)際冷卻過(guò)程極不平衡，當(dāng)合金表面冷卻到低溫狀態(tài)時(shí)，內(nèi)部存在高溫β相組織，并以不同的方式發(fā)生相變。表1為Al含量為9.4%～15.6%時(shí)Cu-Al合金在不同固溶溫度冷卻后的組織。

圖1 Cu-Al二元相圖

表1 Cu-Al合金在固溶溫度后組織

牌號(hào)為QAl10-5-5的鋁青銅中心錨結(jié)線夾本體薄厚不均，產(chǎn)品三維造型如圖2所示。

圖2 中心錨結(jié)線夾本體三維圖

鍛造成型前棒材鋁青銅的主要化學(xué)成分如表2所示，主要機(jī)械性能如表3所示。

表2 QAl10-5-5的鋁青銅棒的化學(xué)成分

表3 QAl10-5-5的鋁青銅棒材機(jī)械性能（25℃）

2 試驗(yàn)方法

采用控制變量法，將室溫狀態(tài)的中心錨結(jié)線夾本體使用GGF系列1300℃高溫爐進(jìn)行熱處理，并通過(guò)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行硬度、強(qiáng)度、滑動(dòng)荷重、微觀組織、應(yīng)力腐蝕等機(jī)械性能進(jìn)行測(cè)試。

（1）保持時(shí)間不變，溫度變化。熱處理時(shí)間控制在120min不變，溫度從500℃開(kāi)始每次增加50℃進(jìn)行測(cè)試。每次所測(cè)試樣個(gè)數(shù)為10個(gè)，所得數(shù)據(jù)取平均值，所得結(jié)果如表4所示。

表4 熱處理溫度對(duì)試樣組織和性能的影響

（2）溫度不變，時(shí)間變化。熱處理溫度控制在650℃不變，時(shí)間從30min開(kāi)始每次增加一小時(shí)進(jìn)行測(cè)試，每次所測(cè)試樣個(gè)數(shù)為10個(gè)，所得數(shù)據(jù)取平均值，結(jié)果如表5所示。

表5 熱處理時(shí)間對(duì)試樣組織和性能的影響

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 溫度對(duì)中心錨結(jié)線夾的性能的影響

（1）對(duì)力學(xué)性能的影響。分析以上試驗(yàn)結(jié)果，試樣硬度隨著熱處理溫度的升高先升后降，在650℃附近最大；試樣的強(qiáng)度在整個(gè)溫度范圍內(nèi)變化不大，但屈強(qiáng)比在650℃時(shí)達(dá)到最大，抗變形能力達(dá)到最佳狀態(tài)。如圖3所示。

圖3 熱處理溫度對(duì)試樣機(jī)械性能的影響

（2）對(duì)微觀組織的影響。熱處理溫度為600℃～650℃時(shí)，Cu-Al合金中析出了大量的K相組織，如圖4所示。這種細(xì)小均勻的合金相排布比較致密，微觀組織中各個(gè)方向的位錯(cuò)交叉分布，合金的塑性和延伸率得以提高。另一方面，經(jīng)該溫度范圍的熱處理之后，基體組織ɑ相中滲入了硬而脆的共析體組織（ɑ+γ2）相，這種分布均勻、硬度較高的組織使得合金強(qiáng)度和硬度有所提高。

圖4 500℃/550℃/600℃/650℃試樣微觀組織

（3）對(duì)滑動(dòng)荷重與應(yīng)力腐蝕的影響。使用拉力試驗(yàn)機(jī)對(duì)式樣進(jìn)行滑動(dòng)荷重試驗(yàn)，所得數(shù)據(jù)如圖5所示。可見(jiàn)試樣在熱處理溫度為650℃以上時(shí)，滑動(dòng)荷重達(dá)到72kN線斷未滑，符合技術(shù)要求。

圖5 熱處理溫度對(duì)滑動(dòng)荷重的影響

3.2 時(shí)間對(duì)中心錨結(jié)線夾性能的影響

（1）對(duì)力學(xué)性能的影響。當(dāng)溫度不變時(shí)，試樣硬度隨熱處理時(shí)間先升高后降低，在120min左右時(shí)硬度最高，而試樣的強(qiáng)度也在這時(shí)處于較理想狀態(tài)，如圖6所示。

圖6 熱處理時(shí)間對(duì)試樣機(jī)械性能的影響

（2）對(duì)微觀組織的影響。當(dāng)熱處理時(shí)間小于60min時(shí)，共析體組織（ɑ+γ2）相來(lái)不及完全滲入基體組織ɑ相中，質(zhì)軟非平衡分布的ɑ相占據(jù)了較高比例，這時(shí)試樣硬度、強(qiáng)度和延伸率處于較低水平。當(dāng)延長(zhǎng)熱處理時(shí)間后，ɑ+γ2→β反應(yīng)能夠充分進(jìn)行，由于β相固溶體塑性較好，硬度比ɑ相固溶組織高，所以這時(shí)試樣的強(qiáng)度和硬度都有所提高。當(dāng)繼續(xù)延長(zhǎng)熱處理時(shí)間后，微觀組織中K相增多并迅速長(zhǎng)大變粗，塊狀K相不具有顆粒狀K相的特點(diǎn)，大量的塊狀K相反而使合金硬度和強(qiáng)度降低。微觀組織如圖7所示。

圖7 60min/120min/120min/240min試樣微觀組織

（3）對(duì)滑動(dòng)荷重與應(yīng)力腐蝕的影響。分別對(duì)熱處理時(shí)間為30min、60min、120min、240min的試樣進(jìn)行滑動(dòng)荷重試驗(yàn)，緊固力矩保持100N·m不變，所得數(shù)據(jù)如圖8所示。由圖可知當(dāng)熱處理時(shí)間大于60min時(shí)，試樣滑動(dòng)荷重均能達(dá)到70kN線斷未滑。將不同熱處理溫度后的試樣分別進(jìn)行應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)，所有試樣均無(wú)明顯裂紋，應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)符合技術(shù)要求。

圖8 熱處理時(shí)間對(duì)滑動(dòng)荷重的影響

4 結(jié)論

經(jīng)650℃保溫120min熱處理之后的試樣具有很高的強(qiáng)度和硬度。試樣的硬度、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率相比鍛態(tài)分別提高了13.8%、6.5%、14.4%、26.9%，試樣具有良好的綜合性能。