CN101812609A

CN101812609A - 一种导电耐磨材料及其制备方法

Info

Publication number: CN101812609A
Application number: CN200910064427A
Authority: CN
Inventors: 张永振; 上官宝; 孙乐民; 杜三明; 牛永平; 陈跃; 铁喜顺; 宋克兴; 徐晓峰
Original assignee: Henan University of Science and Technology
Current assignee: Henan University of Science and Technology
Priority date: 2009-03-20
Filing date: 2009-03-20
Publication date: 2010-08-25
Anticipated expiration: 2029-03-20
Also published as: CN101812609B

Abstract

本发明公开了一种导电耐磨材料及其制备方法，由以下质量分数的成分制备而成：C 5-15％，Sn 2-6％，Pb 1-3％，Ni 1-3％，Fe 5-8％，余量为Cu。本发明材料的各成分配合使用，具有良好的导电性能和摩擦性能，可用作铁路弓网系统中的滑板以及电机中的碳刷等具有导电摩擦功能的摩擦副。与铜基粉末冶金材料相比较，本发明加入10％石墨的导电耐磨材料摩擦因数和磨损率均降低，耐磨性能明显提高，不同电流强度和滑动速度下摩擦因数的波动减小，摩擦因数稳定。

Description

一种导电耐磨材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种导电耐磨材料，尤其涉及一种高石墨铜基粉末冶金滑板用导电耐磨材料，同时还涉及一种该材料的制备方法。

背景技术

随着工业的发展和技术的不断进步，载流摩擦配副的应用也日益广泛，如高速铁路系统(包括轻轨)、城市公共交通中的有轨和无轨电车的电力传输系统以及电机电刷等，这类材料不仅要求具有良好的耐磨性，还要求有优良的导电性能。由于电流的介入，配副的摩擦磨损性能将发生很大的变化，电流通过材料摩擦表面时会产生电阻热和电弧热，使表面温度升高，从而影响材料的摩擦学特性及表面形貌。滑动过程中尤其是在高速、大电流条件下摩擦副的表面会产生电弧，易造成严重的电弧侵蚀，因而对载流材料的磨损更为严重。石墨是一种良好的润滑材料，它能在摩擦表面形成一层润滑膜，使摩擦表面平整光滑，有利于减少材料的磨损，同时石墨叉具有一定的导电性能，因此将石墨加入到电力机车滑板用材料中有利于材料导电磨损性能的提高。铜基粉末冶金材料是目前电力机车常用的滑板材料之一，其含有石墨、二硫化钼等润滑剂，石墨的加入可降低滑板及导线的磨损率。现有的铜基粉末冶金滑板材料中有加入石墨，但石墨的含量较低，为1～3％，其在一定程度上提高了滑板材料的耐磨性，此种材料在高速、大电流条件下摩擦副的表面易产生电弧，会造成电弧侵蚀，对载流材料的磨损也较为严重。为了适应高速、大电流条件，现有滑板材料的耐磨性能还有待提高。另外，现有的滑板材料的导电性能也需要提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种导电耐磨材料，以保证在高速、大电流条件下，降低对载流材料的磨损。

同时，本发明的目的还在于提供一种该导电耐磨材料的制备方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案采用了一种导电耐磨材料，由以下质量分数的成分制备而成：C 5-15％，Sn 2-6％，Pb 1-3％，Ni 1-3％，Fe 5-8％，余量为Cu。

所述的导电耐磨材料由以下质量分数的成分制备而成：C 10％，Sn 3-5％，Pb 1-3％，Ni 1-3％，Fe 5-7％，余量为Cu。

所述的C为平均粒径为300μm的鳞状石墨粉。

同时，本发明的技术方案还提供了一种该导电耐磨材料的制备方法，包括以下步骤：将石墨按质量分数5-15％与质量分数分别为2-6％锡粉、1-3％铅粉、1-3％镍粉和5-8％铁粉及电解铜粉混合，混合均匀后，将混制好的粉末材料装入模具中，在200-300MPa的压力下压制成所需形状的材料；将压制好的材料埋入装有石墨粉的容器内，在850-890℃的温度下烧结1-3h，然后冷却至室温。

所述的石墨为平均粒径为300μm的鳞状石墨粉。

所述锡粉、铅粉、镍粉、铁粉及电解铜粉的平均粒径均为75μm。

本发明的各成分中，石墨含量高，能够保证在高速、大电流条件下，大大减轻对载流材料的磨损；加入的强化合金元素锡粉、铅粉、镍粉、铁粉及电解铜粉，其中，铜中加锡形成的锡铜化合物，是良好的减摩材料，加锡粉可起到提高滑板耐蚀性、耐磨性和高温强度；铅可改善材料的摩擦性能；镍粉主要是增加材料的强度和硬度；Fe的加入既可抑制材料的高温转移，又可适当调节摩擦系数，保证实现良好的摩合性能。本发明材料的各成分配合使用，具有良好的导电性能和摩擦性能，可用作铁路弓网系统中的滑板以及电机中的碳刷等具有导电磨擦功能的摩擦副。与纯铜基粉末冶金材料相比较，本发明加入10％石墨的导电耐磨材料摩擦因数和磨损率均降低，耐磨性能明显提高，不同电流强度和滑动速度下摩擦因数的波动减小，摩擦因数稳定；另外，导电性能相当。

本发明的材料采用粉末冶金的方法制备，具体包括以下步骤：采用冷压烧结的方法制备本发明的导电耐磨材料，将平均粒径为300μm的鳞状石墨粉按质量分数10％加入到平均粒径均为75μm的电解铜粉及镍粉、铅粉、锡粉和铁粉中，在混粉机中混合均匀后，将混制好的粉末材料装入模具中，在DY电动液压制样机上用200-300MPa的载荷压制成所需形状的材料，将压制好的材料埋入装有石墨粉的容器内，装入电阻炉中，在870℃的温度下烧结2h，随炉冷却至室温，即得到本发明的导电耐磨材料。

附图说明

图1a为不同滑动速度下不含石墨的材料摩擦因数与电流的关系(30N)；

图1b为不同滑动速度下含10％石墨的材料摩擦因数与电流的关系(30N)；

图2a为不同滑动速度下不含石墨的材料摩擦率与电流的关系(30N)；

图2b为不同滑动速度下含10％石墨的材料摩擦率与电流的关系(30N)；

图3为不含石墨的材料磨损表面的SEM图；

图4为不含石墨的材料电弧造成铜合金局部熔蚀坑的SEM图；

图5为含10％石墨铜合金磨损表面的SEM图。

具体实施方式

实施例1

本发明的导电耐磨材料，由以下质量分数的成分制备而成：C 10％，Sn 3％，Pb 2％，Ni 2％，Fe 6％，Cu77％。

本实施例的导电耐磨材料的制备方法，包括以下步骤：将平均粒径为300μm的鳞状石墨粉按质量分数10％与平均粒径均为75μm的质量分数分别为3％锡粉、2％铅粉、2％镍粉和6％铁粉及77％的电解铜粉混合，在混粉机中混合均匀后，将混制好的粉末材料装入模具中，在DY电动液压制样机上用300MPa的载荷压制成所需形状的材料；将压制好的材料埋入装有石墨粉的容器内，在860℃烧结3h，然后冷却至室温。

实施例2

本实施例的导电耐磨材料，由以下质量分数的成分制备而成：C 10％，Sn4％，Pb 3％，Ni 3％，Fe 7％，Cu73％。

本实施例的导电耐磨材料的制备方法，包括以下步骤：将平均粒径为300μm的鳞状石墨粉按质量分数10％与平均粒径均为75μm的质量分数分别为4％锡粉、3％铅粉、3％镍粉和7％铁粉及73％的电解铜粉混合，在混粉机中混合均匀后，将混制好的粉末材料装入模具中，在DY电动液压制样机上用200MPa的载荷压制成所需形状的材料；将压制好的材料埋入装有石墨粉的容器内，在860℃烧结3h，然后冷却至室温。

对比实施例

本发明的导电耐磨材料，由以下质量分数的成分制备而成：Sn 3％，Pb 2％，Ni 2％，Fe 6％，Cu87％。

本实施例的导电耐磨材料的制备方法，包括以下步骤：将平均粒径为75μm的质量分数为3％锡粉、2％铅粉、2％镍粉和6％铁粉及87％的电解铜粉混合，在混粉机中混合均匀后，将混制好的粉末材料装入模具中，在DY电动液压制样机上用300MPa的载荷压制成所需形状的材料；将压制好的材料埋入装有石墨粉的容器内，在860℃烧结3h，然后冷却至室温。

试样制备与试验方法

1.1试样制备

采用冷压烧结的方法制备本发明的导电耐磨材料：将平均粒径为300μm的鳞状石墨粉按质量分数10％(或0％)与平均粒径均为75μm质量分数分别为3％锡粉、2％铅粉、2％镍粉和6％铁粉及77％(或87％)的电解铜粉中，在混粉机中混合均匀后，将混制好的粉末材料装入模具中，在DY电动液压制样机上用200-300MPa的载荷压制成圆柱状试样，铜-石墨合金中石墨、合金组元的质量分数分别为：10％(或0％)、13％，余量为铜。将压制好的圆柱状试样埋入装有石墨粉的容器内，装入电阻炉中，在870℃烧结2h。将烧结后的试样用线切割的方法加工成尺寸为φ9×25mm销试样。

1.2试验方法

在HST-100销-盘载流摩擦磨损试验机进行试验。试验所用销试样是铜-石墨粉末冶金材料，盘试样材料是QCr0.5，其化学成分为：Cr：0.5％，Si＜0.1％，余量为铜。

采用交流恒流源作为试验电源，电流分别为0A，25A，50A，75A，100A，滑动速度为10m/s，15m/s，20m/s，25m/s，30m/s，载荷40N，试验时间为20-30s。采用测量精度为0.1mg的BS210S型电子分析天平测量试验前后销试样的质量计算其磨损率。摩擦力经由扭矩传感器输出至计算机中，通过计算得到摩擦因数。用日本产JSM-5610LV型扫描电子显微镜(SEM)对磨损后的销试样摩擦表面形貌进行观察。

2试验结果及分析

2.1电流和滑动速度对摩擦因数的影响

由图1可见，滑动速度一定时，不含石墨的摩擦材料的摩擦因数随电流的增加呈减小趋势，见图1a)；而在相同电流条件下，随着滑动速度的增加摩擦因数亦呈减小趋势，且低速时摩擦因数降低更大。而本发明导电耐磨材料的摩擦因数各个滑动速度条件下相差不大，且不随电流的增大而增大。表明加入石墨后，在有石墨作为润滑剂的条件下，电流强度和滑动速度对摩擦因数的影响减小，加入石墨有稳定摩擦因数的作用，见图1b)。对比图1a)和图1b)还可见得：加入10％的石墨可降低配副的摩擦因数。

2.2电流和滑动速度对磨损率的影响

由图2可见，当滑动速度一定时，两种材料的磨损率均随着电流的增大而增加。对于不含石墨的摩擦材料见图2a)，随着电流的增加，磨损率逐渐增大，当电流大于75A时，磨损率急剧加大；在相同电流的条件下，随滑动速度的增加，试样的磨损率降低。而对于石墨含量10％的本发明的导电耐磨材料见图2b)，在速度比较低时磨损率随电流的增加变化不大。与不含石墨摩擦材料相比，含石墨10％的本发明导电耐磨材料磨损率大幅降低，最大相差20倍以上，说明加入石墨后可显著降低本发明的导电耐磨材料在载流条件下的磨损率。

载流摩擦磨损是指处于电场中的摩擦副在通电条件下的摩擦磨损行为。通常情况下，在有电流通过摩擦副时，摩擦副的摩擦磨损性能将发生很大变化。摩擦表面产生的热量除了摩擦热外，还有电弧热和电流在摩擦面上产生的电阻热，电流越大，电弧热和电阻热就越大，并可能伴有电弧的产生。由于电弧产生的高温，使材料表面温度升高，造成电弧点附近的材料局部熔化，使材料磨损率急剧增加。电弧的产生与材料表面状态，环境条件，滑动速度等有关。

对于不含石墨的粉末冶金材料，随电流和速度的增加，产生的摩擦热、电弧热和电阻热越大，造成摩擦表面温度升高，材料软化，抵抗变形的能力降低，因此摩擦因数下降；而电流的增加使摩擦表面产生的热量增加，表面产生局部熔化(见图3)，同时电弧产生的几率增加，表面不平度和电弧能量的增大加大了电弧侵蚀(见图4)，因而磨损率随电流的增加而增大。对于含10％石墨的导电耐磨材料，由于石墨含量的增高，可在摩擦表面形成光滑的润滑膜，使得磨损表面光滑平整(见图5)。由于润滑膜的存在，使配副的摩擦因数减小，磨损机制也由粘着磨损变为磨粒磨损，并在不同的电流和速度下保持稳定。而表面光滑润滑膜的存在，降低了材料表面之间的不平度，材料表面之间产生微间隙的数量减少，从而降低电弧产生的几率，减小了电弧侵蚀，因而磨损率大幅降低。

Claims

1.一种导电耐磨材料，其特征在于：由以下质量分数的成分制备而成：C 5-15％，Sn 2-6％，Pb 1-3％，Ni 1-3％，Fe 5-8％，余量为Cu。

2.根据权利要求1所述的导电耐磨材料，其特征在于：所述的导电耐磨材料由以下质量分数的成分制备而成：C 10％，Sn 3-5％，Pb 1-3％，Ni 1-3％，Fe 5-7％，余量为Cu。

3.根据权利要求1所述的导电耐磨材料，其特征在于：所述的C为平均粒径为300μm的鳞状石墨粉。

4.一种导电耐磨材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：将石墨按质量分数5-15％与质量分数为2-6％锡粉、1-3％铅粉、1-3％镍粉和5-8％铁粉及电解铜粉混合，混合均匀后，将混制好的粉末材料装入模具中，在200-300MPa的压力下压制成所需形状的材料；将压制好的材料埋入装有石墨粉的容器内，在850-890℃的温度下烧结1-3h，然后冷却至室温。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述的石墨为平均粒径为300μm的鳞状石墨粉。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述锡粉、铅粉、镍粉、铁粉及电解铜粉的平均粒径均为75μm。