CN100480415C

CN100480415C - 一种铜基石墨与锆粉末冶金复合材料及其制备方法和用途

Info

Publication number: CN100480415C
Application number: CN 200610117099
Authority: CN
Inventors: 何国求; 陈成澎; 何大海; 刘晓山; 马行驰; 莫德锋; 王东方
Original assignee: Shanghai Maglev Transportation Engineering Technology Research Center
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2006-10-13
Filing date: 2006-10-13
Publication date: 2009-04-22
Anticipated expiration: 2026-10-13
Also published as: CN1932067A

Abstract

本发明涉及一种铜基石墨与锆元素粉末冶金复合材料，主要是用作磁浮列车的受流器滑块和接触块材料，以及该材料的制备方法和用途。所述粉末冶金复合材料中合金成分重量百分比为：石墨3.0～15.0%，铬1.0～2.0%，铅4.0%，含有锌或锡，锌0～8.0%，锡0～8.0%，锆0.4～0.8%，余量为铜。用所述合金粉末制成的滑板材料具有电阻低、导电容量高、自润滑功能、磨损小、离线率低的特点，并且在节能、减小电火花等方面均有显著的优点。同时，在生产造价上也优于其他受电靴滑板材料。

Description

一种铜基石墨与锆粉末冶金复合材料及其制备方法和用途

技术领域

本发明涉及一种铜基石墨与锆粉末冶金复合材料(CGZrCM)、制备方法和用途，主要涉及磁浮列车的受流器受电靴滑块和轨道交通车辆受流器受电靴接触块材料领域。

背景技术

磁浮交通是一种新型的有轨交通系统，由于依靠电磁力实现无接触运行的技术特点，被认为是当今世界唯一能够安全可靠地以400～500km·h^-1速度运营的地面大容量客运交通工具，并且能耗低、环境影响小，具有不可取代的优越性。磁浮列车的发展对其关键部件—受流器受电靴滑块，提出了较高的性能要求，要求低电阻、自润滑(耐磨)、耐高热、耐冲击，并且针对其更换频繁，使用率高的特点，该材料同时必须具有简单的加工工艺和较低廉的成本，因此铜基粉末冶金材料将是合适的选择。

目前专门用于磁浮列车受流器受电靴滑块的铜基粉末冶金材料未见相关报道，相关的铜基粉末冶金材料主要有高速轮轨列车用铜基粉末冶金多孔摩擦材料和铜基受电弓滑板材料，如铜基受电弓滑板试件电阻率和磨损性能研究，金永平等，哈尔滨工业大学学报，2003年04期；铜基受电弓滑板成分优化及组织性能研究，胡建红，昆明理工大学2004年硕士学位论文，以上材料均不能满足磁浮列车受流器受电靴滑块的性能要求。

1998年6月8日，小林英勇申请了JP11—75301《受电弓滑板结构设计》专利，对碳素烧结后浸铜产品的结构进行了合理的设计，采用铜包铠滑板底面的结构设计。显然，碳素浸铜材料呈现出脆性，难以机加工，并且自身耐磨性能差，需要的厚度比较大。

1998年4月7日，Le Carbone Lorraine在美国申请了US569223法国TGV高速列车使用的带有润滑系统的受电弓设计。该专利描述了如何利用设计的油管在受电弓头内进行润滑，减少因突出的摩擦问题而增加的运行维护工作量。但此润滑方式对环境的影响较大，并且润滑的油污会影响到受电效果，影响列车提速。

2002年8月19日，土屋宏志等人代表“铁道综合技术研究所”和“东洋碳素”申请JP2004—78097《耐磨型碳素符合滑板材料》专利，该专利描述的滑板材料是采用粉末冶金生产方法制造的碳—铜复合材料，具有热传导系数20W/mK和热膨胀系数8×10^-6/K的物理特性。该滑板材料的发明适应日本新干线高速轮轨列车的受电电流增大(要求提高车速)，对滑板材料的耐热性能要求也相应地提高而进行的研究。

1999年11月25日，何大海博士等人申请了PCT/AU99/01115“用于输电的具有改进耐磨性能的低电阻率材料及制造方法”提出了CGCM(Copper Graphite Composite Materials)发明，涉及到一种铜基石墨复合材料，适用于高速轮轨列车受电弓滑板材料。虽然该发明也具有铜与石墨复合，采用粉末冶金生产工艺，低电阻、自润滑、耐磨、电火花抵抗能力强等功能，但由于铜基晶粒过于粗大，材料硬度无法提高影响到CGCM的自身耐磨性能的提高。更无法满足磁浮列车的受流工况。

上述研究均在某一个或几个方面对滑板材料做了改进，但在实际应用中仍存在不足之处。

发明内容

本发明的目的是提供一种铜基石墨与锆粉末冶金复合材料(CGZrCM)，该种粉末冶金材料具有优良的减摩性能、自润滑性能、导电性能、耐电弧烧损性能、耐候性能以及较高的强度和刚度，机械加工性能良好，能够适应高速磁浮列车的受流工况。

又，本发明提供一种特定的粉末冶金材料制备方法，加工工艺简单。本发明提供了一种调整铜基晶粒大小，加进锆的合适生产工艺，使铜基石墨粉末冶金复合材料的应用范围得以扩大。

另，本发明的目的还提供一种铜基石墨与锆粉末冶金复合材料的用途，用所述粉末冶金材料可以制作磁浮列车的受流器受电靴滑块材料。该种受流器受电靴滑块材料应用于磁浮列车上，可经受高温、高速、大电流重载、大受力冲击、润滑不良等恶劣环境的考验，实现磁浮列车在运行过程中对受流器受电靴滑块的各项性能指标，保证列车的安全正常工作，从而延长整个轨道线路的供电轨使用寿命，降低磁浮列车的运营成本，促进磁浮列车交通的进一步发展。

本发明对所述目的实现是利用下述方法来解决的，包括：

用于受流器受电靴滑块接触块的铜基石墨与锆粉末冶金复合材料，所述的铜基粉末冶金材料的合金成分配比(重量百分比)如下：石墨3.0～15.0％，铬1.0～2.0％，铅4.0％，锌0～8.0％，锡0～8.0％，锆0.4～0.8％，余量为铜。

进一步地，用于受流器受电靴滑块和接触块的铜基粉末冶金材料，所述的铜基石墨与锆粉末冶金复合材料的合金成分配比(重量百分比)如下：石墨3.0～15.0％，铬1.0～2.0％，铅4.0％，锡6.0～8.0％，锆0.4～0.8％，余量为铜。

再进一步地，用于受流器受电靴滑块和接触块的铜基粉末冶金材料，所述的铜基石墨与锆粉末冶金复合材料的合金成分配比(重量百分比)如下：石墨3.0～15.0％，铬1.0～2.0％，铅4.0％，锌6.0～8.0％，锆0.4～0.8％，余量为铜。

所述合金的各粉末颗粒大小可以是：铜150～200目，石墨100～200目，锌100～200目，锡100～200目，铬150～200目，铅100～200目，锆150～200目。

上述铜基石墨与锆粉末冶金复合材料的制备方法，是按照所述的合金成分配比(重量百分比)将其混合均匀：石墨3.0～15.0％，铬1.0～2.0％，铅4.0％，锌0～8.0％，锡0～8.0％，锆0.4～0.8％，余量为铜；或者石墨3.0～15.0％，铬1.0～2.0％，铅4.0％，锡6.0～8.0％，锆0.4～0.8％，余量为铜；或者石墨3.0～15.0％，铬1.0～2.0％，铅4.0％，锌6.0～8.0％，锆0.4～0.8％，余量为铜。铜与锆粉末的混合采用特定的生产工艺制成中间合金粉末，即在1080℃下进行半封闭容器烧结方式，在烧结过程中会有0.25％wt的锆烧损，因此在配方上应适当控制，然后粉碎该中间合金成200目粉末。然后，将上述原材料分成设计模具所需的剂量若干等分(模具所需剂量应按受电靴几何尺寸设计)，使用液压机将每一等分在粉压模具中压制成型。所述压制成型的压制压力为200～250吨。然后在保护气氛下采用阶梯升温的方式进行烧结，烧结完毕下复压模具中进行二次压力成型；所述阶梯升温的方式为：第一阶段0～40min，200℃；第二阶段40～80min，400℃；第三阶段80～170min，700℃；第四阶段170～330min，920℃；所述保护气体可以是惰性气体，更佳的，为90％氮气和10％氢气的混合气体。

上述铜基石墨与锆粉末冶金复合材料的制备方法也可以不采用阶梯升温法制备，即将合金粉混合均匀，在一定压力下制成毛坯，然后放置在气体保护炉中以900～1200℃温度烧结，保温2h，保护气体的成分为90％的氮气和10％的氢气，冷却后进行机加工，达到成品尺寸。

上述特定铜与锆混合生产工艺采用了气体保护逐渐烧结混合方法，经过多于五次以上的混烧工序制备的中间料坯料还需再次磨压制粉。在合理控制多次混烧工艺参数的基础上，制备的中间合金粉末完全可以达到所要求的铜基石墨与锆粉末冶金复合材料的配方比例。

为了在使用中提高抗冲击能力，可在用所述粉末冶金材料做成的最终成品如受电靴滑块和接触块的底部压制铜铠包，并布置固定螺栓孔。

视具体工况，在上述铜铠包内可以增加润滑剂，增强润滑效果。

附图表说明

图1是CGCM材料的金相组织电镜图；

图2是CGZrCM材料的金相组织电镜图；

图3是CGZrCM晶粒组织电镜图；

图4是CGZrCM与CGCM的抗电火花能力对比图；

具体实施方式

为了便于理解本发明，特例举以下实施例。其作用应被理解为是对本发明的诠释而绝非对本发明的任何形式的限制。

实施例1

混料：金属粉末混料机，转速为34r/min，每隔15min改变混料机的旋转方向，让材料充分混合(约12小时)。

实验材料：铜粉(Cu)，200目，余量；

石墨(C)，400目，3％；

铬粉(Cr)，200目，1％；

铅粉(P_b)，200目，4％；

锡粉(Sn)，200目，6％；

锆粉(Zr)，200目，0.8％。

先将纯铜粉末与锆粉末均匀混合，在1080℃温度下烧结成形，由于锆在该温度烧结时极易挥发，所以烧结方式采用容器半密闭方式，控制挥发量。然后粉碎该中间合金成200目粉末。经过不同配比的混合烧结与制粉过程，控制铜锆中间合金满足样品的配方要求。

初压：采用240吨压力进行初压。

烧结：采用阶梯升温方式0～40min，200℃；40～80min，400℃；80～170min，700℃；170～330min，920℃。

冷却：在冷却过程中，采用氢气与氮气混合炉内气氛保护，直到降温到200℃以下。

复压：采用220吨压力进行复压，确保滑块材料表面硬度与摩擦副材料的表面硬度相当。

后续加工：对成型的试块进行必要的车、削、钻等精加工以及表面处理。

实施例2

混料：金属粉末混料机，转速为24r/min，每隔15min改变混料机的旋转方向，让材料充分混合(约12小时)。

实验材料：铜粉(Cu)，200目，余量；

石墨(C)，400目，7％；

铬粉(Cr)，200目，1.5％；

铅粉(P_b)，200目，4％；

锌粉(Zn)，200目，8％；

锆粉(Zr)，200目，0.6％。

初压：采用240吨压力进行初压。

实施例3

混料：金属粉末混料机，转速为30r/min，每隔15min改变混料机的旋转方向，让材料充分混合(约15小时)。

实验材料：铜粉(Cu)，200目，余量；

石墨(C)，400目，10％；

铬粉(Cr)，200目，2％；

铅粉(P_b)，200目，4％；

锡粉(Sn)，200目，8％；

锆粉(Zr)，200目，0.4％。

初压：采用240吨压力进行初压。

实施例4

混料：金属粉末混料机，转速为30r/min，每隔15min改变混料机的旋转方向，让材料充分混合(约16小时)。

实验材料：铜粉(Cu)，200目，余量；

石墨(C)，400目，15％；

铬粉(Cr)，200目，2％；

铅粉(P_b)，200目，4％；

锌粉(Zn)，200目，6％；

锆粉(Zr)，200目，0.5％。

初压：采用240吨压力进行初压。

如图1所示，PCT/AU99/01115专利中提到的CGCM金相组织呈现出较大的铜金相晶粒，因此在如下表1中列出的物理性能也呈现CGCM的机械性能不如CGZrCM的好。这是因为CGZrCM中添加了锆作为铜金相晶粒大小的调整元素。

如图2所示，添加了锆的CGZrCM金相组织电镜图显示，铜基晶粒相对较小，形成了细碎的纤维状金相组织，如图3所示。暂且不论何等机理造成这样的效果，在表1中呈现的物理性能，不论是抗压强度与硬度，还是导电率与磨损率CGZrCM都要优于CGCM。因此，CGZrCM能够适应高速磁浮车辆安全运行的技术要求。

如图4所示，材料的抗电火花能力显然与材料的导电性能有关，CGZrCM的抗电火花电流密度比CGCM低，因此CGZrCM材料(滑板与接触线)的抗电火花侵蚀的程度就低，从而保护了受电设备延长了使用寿命。

表1 CGZrCM物理性能对照 (按重量百分比wt配方)

注：CGCM样品参数选自PCT/AU99/01115

Claims

1、一种用于受流器受电靴滑块的铜基石墨与锆元素粉末冶金复合材料，其特征在于，所述的铜基石墨与锆元素粉末冶金复合材料由下述重量百分比的物质组成：石墨3.0～15.0％，铬1.0～2.0％，铅4.0％，锌0～8.0％，锡0～8.0％，锆0.4～0.8％，余量为铜。

2、如权利要求1所述的粉末冶金复合材料，其特征在于，所述的铜基石墨与锆元素粉末冶金复合材料由下述重量百分比的物质组成：石墨3.0～15.0％，铬1.0～2.0％，铅4.0％，锌6.0～8.0％，锆0.4～0.8％，余量为铜。

3、如权利要求1所述的粉末冶金复合材料，其特征在于，所述的铜基石墨与锆元素粉末冶金复合材料由下述重量百分比的物质组成：石墨3.0～15.0％，铬1.0～2.0％，铅4.0％，锡6.0～8.0％，锆0.4～0.8％，余量为铜。

4、如权利要求1所述的粉末冶金复合材料，其特征在于，铜基石墨与锆元素粉末冶金复合材料的组成物质的粉末粒径如下：铜150～200目，石墨100～200目，锌100～200目，锡100～200目，铬150～200目，铅100～200目，锆150～200目。

5、一种铜基石墨与锆元素粉末冶金复合材料的生产方法，其特征在于，按照下述材料的重量百分比将其混合均匀：石墨3.0～15.0％，铬1.0～2.0％，铅4.0％，锌0～8.0％，锡0～8.0％，锆0.4～0.8％，余量为铜；然后，在200～250吨的压力下压制成型，保护气体下采用阶梯升温的方式进行烧结，阶梯升温的时间为290～620min，阶梯升温的温度为200～920℃，烧结完毕后进行二次压力成型。

6、如权利要求5所述的生产方法，其特征在于，铜与锆粉末的混合，在1080℃下，采用了气体保护进行半封闭容器烧结方式，经过五次以上的混烧工序制备中间合金，经再次压磨制粉，粉碎该中间合金成200目的粉末。

7、如权利要求5所述的生产方法，其特征在于，所述阶梯升温的方式为：第一阶段0～40min，200℃；第二阶段40～80min，400℃；第三阶段80～170min，700℃；第四阶段170～330min，920℃。

8、如权利要求5所述的生产方法，其特征在于，所述保护气体的成分为惰性气体和氢气的混合气。

9、如权利要求8所述的生产方法，其特征在于，所述保护气体为90％的氮气和10％的氢气。

10、权利要求1或2或3所述的粉末冶金复合材料的用途是用于制作磁浮列车的受流器受电靴滑块或轨道交通车辆受流器受电靴接触块。

11、如权利要求10所述的粉末冶金复合材料的用途，其特征在于，在所述受电靴滑块和接触块的底部压制铜铠包，并布置固定螺栓孔。