一種銅基受電弓滑板材料及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及一種軌道電力機車用銅基受電弓滑板材料及其制備方法。
【背景技術】
[0002] 受電弓滑板是軌道電力機車的關鍵部件之一，用于連接受流裝置與軌道導線，將 電網電流傳遞給車輛，為車輛提供動力。受電弓滑板屬于高耗品，在機車運行時與導線發生 磨損和電弧燒蝕的禪合作用而被消耗。因此，受電弓滑板對列車的安全可靠運行W及運營 成本具有重要的影響。為了滿足實際應用要求，高性能長壽命受電弓滑板必須要具備兩個 條件:一是要能夠承受高速滑動、大電流、高接觸電壓和沖擊等苛刻條件下導致的沖擊、機 械磨損和電弧磨損;二是要對接觸網線的磨耗要小。上述兩點對滑板的選材提出了極為嚴 苛的要求，即材料須同時具備低磨損、自潤滑、耐電弧燒蝕W及良好的抗沖擊強度和電導率 等特性。目前在我國電力機車用各類滑板中，銅基粉末冶金滑板使用廣泛，但國產滑板存在 耐磨損、耐電弧燒蝕性能差、導致使用壽命低等缺點，而高性能的滑板仍然依靠進口，價格 昂貴。
[0003] 文獻一(鐵路機車車輛，2005,25(6) :65-68),鐵科院、西安鐵路局等單位聯合研制 的金屬(鐵、銅)粉末冶金滑板，其潤滑成分主要包含碳、鉛和二硫化鋼等，該型滑板沖擊初 性較好，摩擦系數低，是我國20世紀80年代100 Km/h干線的定型產品，但其抗拉弧能力較 差，對銅接觸導線磨耗大，達到14皿^萬架次。
[0004] 文獻二，專利CN 10231439 A公開了一種鍛銅碳納米管增強受電弓滑板材料及其 制備方法，主要W銅粉為基體，鍛銅碳納米管為增強劑，Ti3SiC2和TiB2顆粒為改性劑。制備 的材料性能良好，抗拉強度320 MPa,沖擊初性14.5 J/cm2,布氏硬度65皿，室溫電阻率 0.15 μΩ .m。但該滑板材料使用的增強劑和改性劑成本較高且其表面均需預先鍛銅處理 從而進一步增加了成本，同時制備工藝較復雜，工業化生產比較困難。
[000引文獻Ξ，專利CN 102206771 A公開了一種受電弓滑板復合材料及其制備方法，通 過將Ti3AlC2陶瓷顆粒表面化學鍛銅來解決現有銅基受電弓滑板陶瓷增強相與銅基體之間 界面濕潤性差、結合強度低的問題。研究結果表明：復合材料界面結合性能好，硬度92.3~ 93.3 HB，抗拉強度230~300 MPa,摩擦系數0.15~0.4。但同樣，該型材料也存在增強相成 本較高，化學鍛銅工藝將提高成本和使工藝復雜化，從而難W大規模生產等問題。
[0006] 文獻四，專利CN 103469123 A公開了一種碳纖維增強銅基受電弓滑板材料，材料 由銅、石墨、鍛銅碳纖維組成，采用放電等離子技術(SPS)將基料和碳纖維燒結在一起。該材 料硬度139 HB，電阻率0.078 Ω .m，未見抗沖擊強度、電導率、對網線磨耗等其它性能數 據。該工藝也難W規模化生產。
【發明內容】
[0007] 本發明的目的在于提供一種具有真正實用價值的耐電弧燒蝕、磨損低、自潤滑、導 電率高、抗沖擊能力強、對網線磨耗低等特性的粉末冶金銅基受電弓滑板材料及其制備方 法，該材料制備工藝簡單，可工業化生產。
[0008] -種銅基受電弓滑板材料，其特征在于該材料所包含的組分及其在材料中所占的 質量百分比為：Cu 58~86%、化3~10%、Cr 1~5%、Ni 1~5%、Zn 2~5%、Sn 5~10%、化1~ 5〇/〇、石墨 1 ~2〇/〇。
[0009] 所述銅的粒度為200~250目，純度大于99%。
[0010] 如上所述銅基受電弓滑板材料的制備方法，其特征在于該制備方法的具體步驟如 下:稱取Cu、Fe、化、Ni、Zn、Sn、饑、C粉末，在球磨機中W300~500 r/min的速度混合6~8小 時;將球磨混合后的物料放入鋼質模具冷壓成形，外加壓力為600~1000 Mpa，然后將冷壓 巧體置于氨分解氣氛網帶爐中燒結，冷卻即得銅基受電弓滑板材料。
[0011] 所述球磨時的球料比為1:2至1:4。
[001引所述燒結的條件:溫度800~850 °C，保溫時間1~3小時。
[0013] 網帶爐屬于現有技術，為流水線生產，傳送帶將待燒結滑塊輸送至燒結區，通過調 控傳送速率來保證其燒結時間，燒結連續進行，是常用的工業化生產方式。
[0014] 所添加的固體潤滑劑種類是決定粉末冶金銅基受電弓滑板使用壽命和接觸網磨 耗的關鍵。本發明所述軟金屬Pb和石墨作為固體潤滑劑，能有效降低弓網之間的摩擦系數 和接觸網的磨耗;Sn元素提高受電弓滑板的耐磨性;Cr元素提高受電弓滑板的耐電弧燒蝕 能力;Fe、Ni、Zn元素提高受電弓滑板的材料力學性能。因此，本發明采用在Cu基體中添加 Fe、化、化、化、Sn、化、C等元素 W及通過調節其含量來獲得綜合性能良好的粉末冶金銅基受 電弓滑板。
[0015] 采用皿-3000B布氏硬度計測試材料布氏硬度。采用沖擊試驗機測試材料沖擊初 性。采用直流兩用電橋方法測試材料電阻率。采用材料力學性能試驗機測試材料拉伸強度。 采用浮力法測試材料密度。采用掃描電鏡分析材料的組織形貌。
[0016] 本發明的特點之一是:滑板原材料價格低，粉末無需特殊處理;所需設備簡單，工 藝可控，適合工業化生產。
[0017] 本發明的特點之二是：滑板材料能夠兼顧電學、力學和摩擦學性能，綜合性能優 異。
[0018] 本發明的特點之Ξ是:本發明所述的受電弓滑板進行了實際運營考核，滿足使用 要求，壽命達到10mm/萬機車公里。
【具體實施方式】
[0019] 實施例1 按照質量百分比為:Fe 9%、Ni 1.5%、Cr l%、Zn 5%、Sn 6.5%、化 3%、C l%、Cu 73%，分別 稱取各物料粉末，在球磨機中W350 r/min的速度干混合6小時，球料比1: 2，將球磨混合后 的物料放入鋼質模具冷壓成型，外加壓力800 MPa,然后將巧體置于氨分解氣氛網帶爐中燒 結，在溫度820°C保溫1.5小時。燒結完成后，材料冷卻至室溫取出。
[0020] 材料的性能如表1所示。
[0021] 表1:實施例1材料各項性能指標
實施例2 按照質量百分比為:Fe 5.5%、Ni 2%、Cr 3%、化 4%、Sn 8%、化 4%、C 1.5%、Cu 72%，分別 稱取各物料粉末，在球磨機中400 r/min的速度下干混合8小時，球料比1: 3，將球磨混合后 的物料放入鋼質模具冷壓成型，外加壓力1000 MPa,然后將巧體置于氨分解氣氛網帶爐中 燒結，在溫度850°C保溫2小時。燒結完成后，材料冷卻至室溫取出。
[0022] 材料的性能如表2所示。
[0023] 表2:實施例2材料各項性能指標
實施例3 按照質量百分比為:Fe 8%、Ni 4%、Cr 5%、化5%、Sn 9%、化5%、C l%、Cu 63%，分別稱取 各物料粉末，在球磨機中450 r/min的速度下干混合8小時，球料比1:4，將球磨混合后的物 料放入鋼質模具冷壓成型，外加壓力1000 MPa,然后將巧體置于氨分解氣氛網帶爐中燒結， 在溫度830°C保溫3小時。燒結完成后，材料冷卻至室溫取出。
[0024] 材料的性能如表3所示。
[0025] 表3:實施例對才料各項性能指標
【主權項】
1. 一種銅基受電弓滑板材料，其特征在于該材料所包含的組分及其在材料中所占的質 量百分比為：Cu 58~86%、Fe 3~10%、Cr 1 ~5%、Ni 1 ~5%、Zn 2~5%、Sn 5~10%、Pb 1 ~ 5%、石墨1~2%。2. 如權利要求1所述的材料，其特征在于所述銅的粒度為200~250目，純度大于99%。3. 如權利要求1或2所述銅基受電弓滑板材料的制備方法，其特征在于該制備方法的具 體步驟如下：稱取〇11、？6、0、附、2]1、311、？13、(]粉末，在球磨機中以300~50〇1'/111；[11的速度混 合6~8小時；將球磨混合后的物料放入鋼質模具冷壓成形，外加壓力為600~1000 MPa，然 后將冷壓坯體置于氨分解氣氛網帶爐中燒結，冷卻即得銅基受電弓滑板材料。4. 如權利要求3所述的制備方法，其特征在于所述球磨時的球料比為1:2至1:4。5. 如權利要求3所述的制備方法，其特征在于所述燒結的條件:溫度800~850 °C，保溫 時間1~3小時。
【專利摘要】本發明公開了一種銅基受電弓滑板材料，該材料所包含的組分及其在材料中所占的質量百分比為：Cu？58～86%、Fe？3～10%、Cr？1～5%、Ni？1～5%、Zn？2～5%、Sn？5～10%、Pb？1～5%、石墨？1～2%。本發明還公開了該材料的制備方法。本發明所敘述的銅基受電弓滑板主要應用于單軌列車的受電弓網系統，連接受流裝置與軌道導線，將電網電流傳遞給車輛，為車輛提供動力。本發明所敘述的銅基受電弓滑板材料具有較高強度、低摩擦磨損、抗電弧燒蝕、高導電率、對網線磨耗低等特點。本發明工藝簡單，成本較低、具有廣泛的應用前景。
【IPC分類】C22C9/00, C22C1/05, C22C9/02
【公開號】CN105543534
【申請號】CN201510952423
【發明人】楊軍, 程軍, 劉維民, 喬竹輝, 朱圣宇
【申請人】中國科學院蘭州化學物理研究所
【公開日】2016年5月4日
【申請日】2015年12月18日