1 绪论
1.1 概述
城市轨道交通是从解决现代城市交通堵塞问题的首选方式。十九世纪中叶，随着工业化步伐加快，英国城市人口的急剧增加，造成交通堵塞十分严重。为解决发展中的城市交通问题，1863年英国伦敦建成了世界上第一条地铁线，极大的缓解了城市交通。由于效果明显，其它城市也纷纷开工建设城市轨道交通。布达佩斯在1896年，波士顿在1897年，巴黎在1900年，纽约在1904年相继开通了地铁。现在世界上有地铁的城市已有100多个，地铁线路长度达6000余公里，全球年输送客流量约150亿人次以上。我国第一条地铁线于1969年10月在北京投入试运营。改革开发后，随着国力的迅速增强，我国的城市轨道交通得到了迅猛的发展。截止2008年，上海、天津、广州、长春、大连、深圳、武汉、南京、重庆等大城市，相继建成了城市轨道交通网，通车总里程约1000公里。
北京未来10年内，城市轨道交通将以每年40公里的速度增长，到2010年轨道交通里程将达到400余公里，市区计划铺设地铁线20条；在今后的20至30年内，北京市轨道交通建设的年投资额约为100亿元，到2020年，北京轨道交通的总里程将超过1000公里。据中国各城市轨道交通发展规划图显示，至2016年我国将新建轨道交通线路89条，总建设里程为2500公里，投资规模达9937.3亿元，中国已成为世界最大的城市轨道交通建设市场。城市轻轨铁路和地下铁道牵引机车供电方式一般分为受电弓和集电靴两种方式。集电靴滑块作为电车的重要组成部件，它是将导电轨(第三轨)上的电流引入列车以提供列车电力供给的关键部件。集电靴滑块的工作环境十分恶劣，一般均存在冲击、高速及润滑不良等问题，一直是电力列车中更换最频繁、消耗最大的部件。不良的集电靴滑块会影响导电系统的寿命，甚至对列车的安全和运行成本造成极大影响。因此，优化设计和研发具有足够好的机械强度，具备良好的自润滑能力和耐磨(减磨)性能，同时具备较低的电阻率、耐热性好、适应环境能力较强的集电靴材料，具有十分重要的技术和经济价值，对铁路系统的发展具有重大意义。
发达国家对集电靴材料的研究历史悠久，代表性的有前苏联、日本、欧洲等国，这些国家在集电靴滑块材料的理论研究与应用方面均取得了重要成果。前苏联于1969年研制出了可在1500V直流电气化铁道区段上使用的粉末冶金滑块。20实际70年代中期，保加利亚、匈亚利、东德、波兰、前苏联和捷克各国针对电气化铁路导流问题进行了系统的研究，研制出的粉末冶金滑块得到了一定程度的推广应用，其中前苏联对铁基粉末冶金滑块研究得较多，为粉末冶金滑板的发展做出贡献。日本首先采用的集电靴滑块主要是纯铜滑板，由于滑块与导轨材料致亲和力大，导致集电靴滑块的严重磨损。
20世纪初，日本开始开始使用炭滑块集电靴，这类材质的集电靴有很好的自润滑性和耐磨损、耐电弧等性能。但这种材料最大的弊端是脆性大，受外力冲击或交变应力时易发生断裂。新干线开通前后，铜基粉末冶金、铜系铸造合金、铁基粉末冶金三类集电靴滑块在日本开始普遍使用。其中，铁基粉末冶金滑块的使用最多，铜基次之。在欧洲，法国的TGV、德国的ICE和西班牙的AVE都是赫赫有名的高速铁路，它们和日本的新干线一起代表着现代电气化铁路的最高水平。浸金属炭集电靴滑块是欧洲国家的主流产品。在英国，传统上主要使用的是浸金属炭滑块，但其新开发的纯炭滑块电阻率低，强度高，磨耗率小，其应用正得到不断的推广。1961 年我国第一条电气化铁路开通至今，经过近半个世纪的发展，我国的电气化铁路有了巨大的进步。根据国家统计局公布的数字，至 2002 年底，我国电气化里程为 1.8 万公里，预计到 2010 年总里程将达 2.6 万公里。但与发达国家相比，我国车地导流装置的相应技术仍处于落后状态。
在 20 世纪 60 年代，我国主要使用铁、钢滑板和纯炭三种材质的集电靴滑块。1965 年我国研制出了第一批粉末冶金滑块，20 世纪 80 年代，我国滑板的主要应用产品为粉末冶金滑块。粉末冶金滑板具有电阻率小、自身磨耗小、抗冲击、耐候性好等很多优点。但是由于粉末冶金滑块的基体是金属铜，与导线及导轨的亲和力较大。此外，粉末冶金滑块的含油率低，形成的润滑膜易破坏，并难以形成新的润滑膜来修复，所以滑块与导轨之间磨损十分严重。我国早在 20 世纪 60 年代中期就开始研究浸金属滑块，并在 1990 年通过了浸金属炭滑块的技术标准。虽然浸金属滑块的导电性和机械强度都要比纯炭滑块高，但是其机械强度和抗冲击强度还是不能满足铁路上出现的一些状况，所以这些性质还有待于进一步的提高。近年来为了提高集电靴滑块的综合性能（机械、导电、耐高温、抗冲击、抗磨损、抗电弧等），研究人员除了对现有滑板进行性能完善和提高，还尝试开发新型材料的集电靴滑块。
2 合金的制备及试验方法
2.1 合金的制备
目前，国内使用的大部分铜基合金集电靴、受电弓等地铁传电设备多被国外产品所垄断。多年的使用经验表明，进口材质的集电靴和导电轨之间相对磨损率较小，导电率较好，噪音低，平均单边使用寿命可达8000-10000km，而国内目前生产的铜合金集电靴使用性能较差，平均单边使用寿命一般在3000-4500km。本次设计本着引进消化吸收再创新的原则，在焦作市森格高新材料有限公司原有集电靴技术基础上，开发制备 A 型铜合金集电靴，并在此基础上开发制备 B型铜合金集电靴，其性能技术指标分别满足表2-1、表2-2要求。本次设计了四种合金，成份见表2-3。
青铜合金中的 Al 不仅提高铝青铜的强度、硬度、耐磨性和耐蚀性，同时还能一定程度上提高合金的塑性。铁在铝青铜中的溶解度很小，约为0.3-1.0%。当含量接近4%时，合金中会出现呈颗粒状析出的3Al Fe 化合物(又称 K 相，富铁相),此时铁可起细化晶粒的作用，同时能够提高合金强度、硬度和耐磨性。镍能提高 Cu-Al 合金的共析转变温度及共析点的铝含量，并能提高铝青铜的强度、硬度、热稳定性、耐蚀和耐磨性，能够在减少热处理程序的情况下达到强化合金的效果。
3 固溶时效对铝青铜合金组织....................... 27-48
3.1 实验过程 .......................27-30
3.1.1 组织及性能测定 .......................27-28
3.1.2 热处理参数的选择 .......................28-30
3.2 实验结果与分析....................... 30-47
3.3 本章小结 .......................47-48
4 铝青铜合金的摩擦磨损性能研究....................... 48-59
4.1 实验过程....................... 48
4.2 实验结果与分析 .......................48-58
4.3 本章小结 .......................58-59
5 集电靴铸造工艺模拟与优化.......................59-77
5.1 铸造模拟软件 .......................59-60
5.2 原始生产条件及其工艺分析....................... 60-65
5.2.1 原始生产条件及工艺....................... 60-61
5.2.2 原始方案充型过程模拟 .......................61-64
5.2.3 原始方案凝固过程模拟....................... 64-65
5.3 集电靴铸件成形工艺的优化模拟....................... 65-70
5.4 新方案金属型模具设计....................... 70-75
5.5 本章小结....................... 75-77
结论
本文通过实验研究和数值模拟相结合的方式，对城铁用导流集电靴铸件材料的化学成份、显微组织、综合力学性能、热处理强化及铸造工艺等方面进行了研究。得出结论如下：
(1) 添加 3-4.5%Fe 及 0.4%混合稀土，能够改善合金组织，细化晶粒，并且能提高合金的流动性和耐磨性。而加入 0.4％Be，能进一步提高合金的硬度，特别是能明显降低合金的电阻率。此外，等量(4.0%)Fe 和 Ni 元素的添加，在形成多元铝青铜的同时，能够形成一种新的 K 相组织，该组织在后期固溶时效制度下，呈细小颗粒状析出，进一步强化合金。
(2) 950℃保温 2h，水淬处理后，合金组织中出现大量针状细小类马氏体组织('β 相)，在添加了 Fe、Ni 等元素的铝青铜合金中，还出现大量均匀分布的金属间化合物。此时，合金强度和硬度均显著增大，而塑性急剧降低，合金的导电率也急剧降低，合金变得“硬而脆”且导电性差。时效处理能够明显改善各种铝青铜合金的塑性，同时合金的强度、硬度并没有出现明显的下降，基本保持在淬火后的水平。延长时效时间能够有效提高合金的综合机械性能，但对合金导电性能的影响相反，时效时间越长合金的电阻率越大；时效温度越高，电导率就越高。但时效温度过高，合金在相同的时效时间下电导率有所降低。课题研究表明，2 号、3 号合金理想的热处理工艺为 950℃固溶，保温 2h 淬火，再经过 350℃时效 2h 后水冷处理。4 号合金理想的热处理工艺为 950℃固溶，保温 2h 淬火，然后经 450℃时效 2 h 后水冷处理。
(3) 合金摩擦磨损结果表明，2 号、3 号合金经 950℃固溶，保温 2h 水淬，350℃时效 2h 处理，合金的抗摩擦磨损性能最佳。4 号合金的最佳抗摩擦磨损性能出现在经 950℃固溶，保温 2h 水淬，450℃时效 6h。其中，3 号合金的摩擦磨损性能最好，4 号合金稍差，而 2 号合金综合性能及摩擦磨损性能较之 3 号、4 号合金相差较大。铸态平衡组织含有大量的2γ 相，铸态合金的磨损主要以磨粒磨损为主，随着热处理的进行和载荷及滑动速度的增加，合金磨损以粘着磨损和氧化磨损为主。
(4) 铸造工艺优化模拟表明，原方案在充型过程中，金属液在对型腔冲刷比较大，容易使铸件产生铸造缺陷。凝固过程中，在两条工艺圆弧过渡部位出现了缩松缩孔现象，且氧化倾向较大。优化后的新方案采用金属型加金属芯的非敞开式浇注系统，充型过程平稳，凝固过程中没有出现原方案中的缺陷。
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