CN103386888A - 一种电力机车受电弓滑板炭复合材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种电力机车受电弓滑板炭复合材料的制备方法，步骤一：根据材料的导电性能要求选择其中一种配方：配方一：鳞片石墨15—30%;针状石墨15—25%；石墨纤维0.5%--2.0%；高纯炭粉43—69.5%；配方二：鳞片石墨、针状石墨、石墨纤维、高纯炭粉之和60—85%；树枝状镍粉或铜粉40—15%；步骤二：采用研磨工艺处理配方一或者采用星行式混料工艺处理配方二；步骤三：采用模压—挤压—模压三段成型工艺，制备炭芯坯料：步骤四：模压—挤压—模压三段成型工艺制备的弧形坯料制品，再经过焙烧--浸渍工艺，制备出高性能的电力机车受电弓滑板炭复合材料。本发明的炭芯导电性能好、耐热、耐电弧、机械强度高、润滑性能和耐磨性能好、生产成本低、容易实现产业化。

Description

一种电力机车受电弓滑板炭复合材料的制备方法

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域，具体涉及一种电力机车受电弓滑板炭复合材料的制备方法。

背景技术

电力机车受电弓滑板按材料分类，主要有粉末冶金滑板和炭素滑板两大类。

粉末冶金滑板分为铁基和铜基两类。有较好的导电性，但对铜接触网导线的磨耗比较严重。

炭素滑板分为纯碳滑板和浸金属碳滑板。

浸金属碳滑板抗冲击强度差，此外由于其生产工艺复杂，设备要求高，难度大，成本高。浸金属碳滑板长度为250mm，通过5节才能拼接成1250mm整体式滑板，所以在与电路接触网导线运动摩擦受电时，其拼接逢隙影响导电和滑动摩擦。

纯碳本身就是很好的润滑剂，自润滑性能和减磨性能好，炭滑板对接触网导线磨损小，滑动时电磁噪声小，且耐高温，不易和接触网导线发生焊附现象。碳滑板在与铜接触网导线摩擦时可以在导线上形成一层碳膜，大大地改善了导线的磨耗状况。

纯碳滑板为了达到1250mm长度的整体式滑板，采用挤压工艺，生产出38×38×1250mm的坯料。由于目前电力机车行驶的特性和电路接触网导线的设计特性要求受电弓滑板为弧形滑板，而挤压工艺生产的坯料为直形，要加工成弧形滑板，有大量的加工工作量，增加生产成本，同时增加了出来加工余量的浪费。纯碳滑板机械强度低，耐冲击性差，运行中遇到导线硬质点容易造成滑板折断和破裂，使用寿命低，特别是在雨季和潮湿地区，易局部拉沟，常出现弓网事故。

现有挤压设备一段法成形工艺生产的1250mm长度的整体式滑板，存在一定的缺陷，材料密度低，有的有微裂纹，材料机械强度差，在电力机车受电弓上使用会存在一定的安全隐患。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是:解决上述现有技术存在的问题，而提供一种炭芯导电性能好、耐热、耐电弧、机械强度高、摩擦系数低、润滑性能和耐磨性能好、容易实现产业化、降低生产成本的电力机车受电弓滑板炭复合材料的制备方法。

本发明采用的技术方案是：

一种电力机车受电弓滑板炭复合材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：

根据材料的导电性能要求选择下述其中的一种配方：

配方一：（重量比）

鳞片石墨15—30%;针状石墨15—25%；石墨纤维0.5%--2.0%；高纯炭粉43—69.5%；鳞片石墨、针状石墨和高纯炭粉的粒度为180---250目；

配方二：（重量比）

鳞片石墨、针状石墨、石墨纤维、高纯炭粉之和60—85%；树枝状镍粉或铜粉40—15%；

上述四者之和的内部比例为：鳞片石墨15—30%；针状石墨15—25%；石墨纤维0.5%--2.0%；高纯炭粉43—69.5%；

步骤二：

采用研磨工艺处理上述配方一或者采用星行式混料工艺处理上述配方二：

研磨工艺：

采用现有通用的高效机械合金法研磨工艺，处理配方一，配方一中各种碳素材料具有不同的特性，该工艺方法有效地使不同特性的碳素材料结合在一起，形成各种优势特性的互补，满足电力机车受电弓滑板对炭芯材料的综合要求，研磨后粒度达180—250目；

星行式混料工艺：

为了强化导电性能和机械强度，采用配方二，加入树枝状导电镍粉，采用星行式混料机，星行式混料机是在一转盘上装有四个球磨罐，当转盘转动时，球磨罐中心轴作行星运动，罐中配球在高速运动中混合各种炭粉材料，使树枝状导电镍粉或铜粉与各性能炭素材料有机结合，镶嵌成牢固的结构；

步骤三：

采用模压—挤压—模压三段成型工艺，制备炭芯坯料：

一段模压，粉体预处理，工艺条件：常温，压力3--8 MPa；

    二段挤压，成型炭芯坯料，工艺条件：320吨挤压机，挤压温度200℃，其工艺特点，在挤压嘴出口装置设计成半径为15米弧度的挤压通道，挤压出的产品成型为弧形坯料；

    三段模压，坯料定型处理工艺，工艺条件：压力1--3 MPa，采用快速降温措施，最后定型为断面为27 mm×38 mm×1250mm，半径为15米，弦长1250mm的弧形坯料制品；

步骤四：

模压—挤压—模压三段成型工艺制备的弧形坯料制品，再经过焙烧--浸渍工艺；焙烧工艺条件：温度，1250℃；时间，258---328小时；浸渍工艺条件：压力，0.5--2 MPa；温度，180--220℃。

本发明方法制备的符合电力机车受电弓滑板综合条件的弧形炭芯产品技术性能优良，经权威机构检测，其性能指标如下：

电阻率（μΩ·m）：27—32；

体积密度（g/cm3）：1.70—1.80；

抗压强度（MPa）：130；

比照国家标准：

电阻率（μΩ·m）：40；

体积密度（g/cm3）：1.65；

抗压强度（MPa）：40；

比照进口产品的指标：

电阻率（μΩ·m）：30—34；

体积密度（g/cm3）：1.65—1.75；

抗压强度（MPa）：90—110。

优点效果：

1、复合材料结构

针状石墨和石墨短纤维都属于长径比大的炭素材料，树枝状导电镍粉也具有长径比大的特性。在受电弓滑板炭芯材料中，炭材料与金属材料之间的浸润角非常大，基本没有结合力，所以属于炭---金属复合材料结构形式。而炭材料之间，针状石墨属于软炭，石墨性能优越，导电性能和自润滑性能非常好。石墨短纤维由裂解炭而来，属于硬炭，石墨化相对低。针状石墨和石墨短纤维在焙烧过程中，发生物理化学反应，生成炭—炭复合材料结构,结合力强,能结合成不规则的半网状连接形式,有利于导电通道的形成,同时强化了材料内部结构,机械强度增强。针状石墨和石墨短纤维之间，由于不规则状态，留有微细间隙，给树枝状导电镍粉的复合提供空间。树枝状镍粉或铜粉与短纤维等炭素材料之间，通过镶嵌的形式，达到复合材料结构的优化。不规则连接结构进一步连通，导电通道更顺，机械强度更高。

本发明含在炭—炭复合材料基础上，另外可与金属材料进一步合成为炭—金属复合材料。

2、模压—挤压—模压三段成形新工艺

本工艺发明其中重点解决炭芯产品在挤压工艺中制备成形坯料的材料密度过低的问题，同时有效降低生产成本，提高经济效益。炭素材料加工生产设备中，只有挤压设备可生产长度为1250mm的长条炭芯，但是密度偏低，约为1.60—170（g/cm3）。因为在炭素材料中，配方相同的情况下，提高材料密度，相应来说，该炭素材料的导电性能和强度将随之提高。

模压设备生产的炭芯密度比挤压工艺生产的炭芯密度高，但是，目前模压设备只能生产压制＜700mm的长条炭芯。不能满足电力机车受电弓滑板1250mm整体式炭芯的要求。

本项目发明的三段成形法工艺，可较好地同时解决了生产1250mm的长条炭芯，而能提高其材料密度。另外关键工艺技术在挤压设备中把挤压嘴设计为弧型（半径为15米）出口，生产弧型坯料，有效的解决坯料加工中的下道工序加工问题，比目前挤压工艺生产的坯料减少加工量60%，减少加工余料40%。

附图说明：

图1为本发明结构示意图。

图中，1—铝合金支架，2—炭复合材料。

具体实施方式：

 参见图1，受电弓滑板是电力机车车顶上的受电弓最上部安装的一块小板，是与导线接触并摩擦而接收电力机车运行所需电力的部件，接触系统的受流质量决定着机车能否获得足够的牵引动力并安全可靠的运行，因此，滑板质量是影响受流质量的一个关键因素。

受电弓滑板是电力机车供电系统中的重要集电元件，作为电气材料，首先要求滑板材料导电性能良好；其次作为运动中摩擦受电材料，要求摩擦系数小，滑动性能好，致使滑板本身磨耗小，且不易使匹配的接触网导线材料磨耗；此外电力机车行驶中，会发生震动等，所以要求材料强度高，不易损坏，否则滑板断裂造成停车或将电路接触网导线磨损等事故，严重时甚至会刮断路网线路造成全线停车等重大事故。

产品由炭芯、铜网、铜管、气嘴、铝合金支架、固定螺栓组成整体式滑板，为带弧型。

其中，炭芯材料为本发明所指炭复合材料，它由导电胶粘结在铝合金支架上，直接与输电网导线接触滑动，摩擦中受电，是整体式滑板中最核心的部分。

实施例1。

步骤一：

根据材料的导电性能要求选择配方一：

鳞片石墨15%;针状石墨15%；石墨纤维0.5%；高纯炭粉69.5%；鳞片石墨、针状石墨和高纯炭粉的粒度为180---250目。

步骤二：

采用高效机械合金法研磨工艺，处理配方一，配方一中各种碳素材料具有不同的特性，该工艺方法有效地使不同特性的碳素材料结合在一起，形成各种优势特性的互补，满足电力机车受电弓滑板对炭芯材料的综合要求，粒度达180—250目。

步骤三：

采用模压—挤压—模压三段成型工艺，制备炭芯坯料：

一段模压，粉体预处理，工艺条件：常温，压力3--8 MPa。

    二段挤压，成型炭芯坯料，工艺条件：320吨挤压机，挤压温度200℃，其工艺特点，在挤压嘴出口装置设计成半径为15米弧度的挤压通道，挤压出的产品成型为弧形坯料。

    三段模压，坯料定型处理工艺，工艺条件：压力1--3 MPa，采用快速降温措施，最后定型为断面为27 mm×38 mm×1250mm，半径为15米，弦长1250mm的弧形坯料制品。

步骤四：

模压—挤压—模压三段成型工艺制备的弧形坯料制品，再经过焙烧--浸渍工艺；焙烧工艺条件：温度，1250℃；时间，258小时；浸渍工艺条件：压力， 2 MPa；温度，180℃。

实施例2。

步骤一：

根据材料的导电性能要求选择配方一：

鳞片石墨30%;针状石墨25%；石墨纤维2.0%；高纯炭粉43%；

鳞片石墨、针状石墨和高纯炭粉的粒度为180---250目。

步骤二：

采用高效机械合金法研磨工艺，处理配方一，配方一中各种碳素材料具有不同的特性，该工艺方法有效地使不同特性的碳素材料结合在一起，形成各种优势特性的互补，满足电力机车受电弓滑板对炭芯材料的综合要求，粒度达180—250目。

步骤三：

采用模压—挤压—模压三段成型工艺，制备炭芯坯料：

一段模压，粉体预处理，工艺条件：常温，压力3--8 MPa。

    二段挤压，成型炭芯坯料，工艺条件：320吨挤压机，挤压温度200℃，其工艺特点，在挤压嘴出口装置设计成半径为15米弧度的挤压通道，挤压出的产品成型为弧形坯料。

    三段模压，坯料定型处理工艺，工艺条件：压力1--3 MPa，采用快速降温措施，最后定型为断面为27 mm×38 mm×1250mm，半径为15米，弦长1250mm的弧形坯料制品。

步骤四：

模压—挤压—模压三段成型工艺制备的弧形坯料制品，再经过焙烧--浸渍工艺；焙烧工艺条件：温度，1250℃；时间，328小时；浸渍工艺条件：压力， 0.5 MPa；温度，220℃。

实施例3。

步骤一：

根据材料的导电性能要求选择配方一：

鳞片石墨20%;针状石墨20%；石墨纤维1%；高纯炭粉59%；

鳞片石墨、针状石墨和高纯炭粉的粒度为180---250目。

步骤二：

采用高效机械合金法研磨工艺，处理配方一，配方一中各种碳素材料具有不同的特性，该工艺方法有效地使不同特性的碳素材料结合在一起，形成各种优势特性的互补，满足电力机车受电弓滑板对炭芯材料的综合要求，粒度达180—250目。

步骤三：

采用模压—挤压—模压三段成型工艺，制备炭芯坯料：

一段模压，粉体预处理，工艺条件：常温，压力3--8 MPa。

    二段挤压，成型炭芯坯料，工艺条件：320吨挤压机，挤压温度200℃，其工艺特点，在挤压嘴出口装置设计成半径为15米弧度的挤压通道，挤压出的产品成型为弧形坯料。

    三段模压，坯料定型处理工艺，工艺条件：压力1--3 MPa，采用快速降温措施，最后定型为断面为27 mm×38 mm×1250mm，半径为15米，弦长1250mm的弧形坯料制品。

步骤四：

模压—挤压—模压三段成型工艺制备的弧形坯料制品，再经过焙烧--浸渍工艺；焙烧工艺条件：温度，1250℃；时间，300小时；浸渍工艺条件：压力， 1 MPa；温度，200℃。

实施例4：

步骤一：

根据材料的导电性能要求，选择配方二：

鳞片石墨10%;针状石墨10%；石墨纤维0.5%；高纯炭粉39.5%；

树枝状镍粉或铜粉40%。 

步骤二：星行式混料工艺：

为了强化导电性能和机械强度，采用配方二，加入树枝状导电镍粉，采用星行式混料机，星行式混料机是在一转盘上装有四个球磨罐，当转盘转动时，球磨罐中心轴作行星运动，罐中配球在高速运动中混合各种炭粉材料，使树枝状导电镍粉或铜粉与各性能炭素材料有机结合，镶嵌成牢固的结构。

步骤三：

采用模压—挤压—模压三段成型工艺，制备炭芯坯料：

一段模压，粉体预处理，工艺条件：常温，压力3—8 MPa。

    二段挤压，成型炭芯坯料，工艺条件：320吨挤压机，挤压温度200℃，其工艺特点，在挤压嘴出口装置设计成半径为15米弧度的挤压通道，挤压出的产品成型为弧形坯料。

    三段模压，坯料定型处理工艺，工艺条件：压力1--3 MPa，采用快速降温措施，最后定型为断面为27 mm×38 mm×1250mm，半径为15米，弦长1250mm的弧形坯料制品。

步骤四：

模压—挤压—模压三段成型工艺制备的弧形坯料制品，再经过焙烧--浸渍工艺；焙烧工艺条件：温度，1250℃；时间，258小时；浸渍工艺条件：压力， 2MPa；温度，180℃。

实施例5：

步骤一：

根据材料的导电性能要求，选择配方二：

鳞片石墨25%;针状石墨20%；石墨纤维1.5%；高纯炭粉38.5%；

树枝状镍粉或铜粉15%。 

步骤二：星行式混料工艺：

为了强化导电性能和机械强度，采用配方二，加入树枝状导电镍粉，采用星行式混料机，星行式混料机是在一转盘上装有四个球磨罐，当转盘转动时，球磨罐中心轴作行星运动，罐中配球在高速运动中混合各种炭粉材料，使树枝状导电镍粉或铜粉与各性能炭素材料有机结合，镶嵌成牢固的结构。

步骤三：

采用模压—挤压—模压三段成型工艺，制备炭芯坯料：

一段模压，粉体预处理，工艺条件：常温，压力3—8 MPa。

    二段挤压，成型炭芯坯料，工艺条件：320吨挤压机，挤压温度200℃，其工艺特点，在挤压嘴出口装置设计成半径为15米弧度的挤压通道，挤压出的产品成型为弧形坯料。

    三段模压，坯料定型处理工艺，工艺条件：压力1--3 MPa，采用快速降温措施，最后定型为断面为27 mm×38 mm×1250mm，半径为15米，弦长1250mm的弧形坯料制品。

步骤四：

模压—挤压—模压三段成型工艺制备的弧形坯料制品，再经过焙烧--浸渍工艺；焙烧工艺条件：温度，1250℃；时间，328小时；浸渍工艺条件：压力， 0.5MPa；温度，220℃。

实施例6：

步骤一：

根据材料的导电性能要求，选择配方二：

鳞片石墨20%;针状石墨15%；石墨纤维1%；高纯炭粉44%；

树枝状镍粉或铜粉20%。 

步骤二：星行式混料工艺：

为了强化导电性能和机械强度，采用配方二，加入树枝状导电镍粉，采用星行式混料机，星行式混料机是在一转盘上装有四个球磨罐，当转盘转动时，球磨罐中心轴作行星运动，罐中配球在高速运动中混合各种炭粉材料，使树枝状导电镍粉或铜粉与各性能炭素材料有机结合，镶嵌成牢固的结构。

步骤三：

采用模压—挤压—模压三段成型工艺，制备炭芯坯料：

一段模压，粉体预处理，工艺条件：常温，压力3—8 MPa。

    二段挤压，成型炭芯坯料，工艺条件：320吨挤压机，挤压温度200℃，其工艺特点，在挤压嘴出口装置设计成半径为15米弧度的挤压通道，挤压出的产品成型为弧形坯料。

    三段模压，坯料定型处理工艺，工艺条件：压力1--3 MPa，采用快速降温措施，最后定型为断面为27 mm×38 mm×1250mm，半径为15米，弦长1250mm的弧形坯料制品。

步骤四：

模压—挤压—模压三段成型工艺制备的弧形坯料制品，再经过焙烧--浸渍工艺；焙烧工艺条件：温度，1250℃；时间，300小时；浸渍工艺条件：压力，1MPa；温度，200℃。

Claims (1)

1.一种电力机车受电弓滑板炭复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：

根据材料的导电性能要求选择下述其中的一种配方：

配方一：（重量比）鳞片石墨15—30%;针状石墨15—25%；石墨纤维0.5%--2.0%；高纯炭粉43—69.5%；鳞片石墨、针状石墨和高纯炭粉的粒度为180---250目；配方二：（重量比）鳞片石墨、针状石墨、石墨纤维、高纯炭粉之和60—85%；树枝状镍粉或铜粉40—15%；上述四者之和的内部比例为：鳞片石墨15—30%；针状石墨15—25%；石墨纤维0.5%--2.0%；高纯炭粉43—69.5%；

步骤二：

采用研磨工艺处理上述配方一或者采用星行式混料工艺处理上述配方二：

研磨工艺：

采用现有通用的高效机械合金法研磨工艺，处理配方一，配方一中各种碳素材料具有不同的特性，该工艺方法有效地使不同特性的碳素材料结合在一起，形成各种优势特性的互补，满足电力机车受电弓滑板对炭芯材料的综合要求，研磨后粒度达180—250目；

星行式混料工艺：

为了强化导电性能和机械强度，采用配方二，加入树枝状导电镍粉，采用星行式混料机，星行式混料机是在一转盘上装有四个球磨罐，当转盘转动时，球磨罐中心轴作行星运动，罐中配球在高速运动中混合各种炭粉材料，使树枝状导电镍粉或铜粉与各性能炭素材料有机结合，镶嵌成牢固的结构；

步骤三：

采用模压—挤压—模压三段成型工艺，制备炭芯坯料：

一段模压，粉体预处理，工艺条件：常温，压力3--8 MPa；

二段挤压，成型炭芯坯料，工艺条件：320吨挤压机，挤压温度200℃，其工艺特点，在挤压嘴出口装置设计成半径为15米弧度的挤压通道，挤压出的产品成型为弧形坯料；

 三段模压，坯料定型处理工艺，工艺条件：压力1--3 MPa，采用快速降温措施，最后定型为断面为27 mm×38 mm×1250mm，半径为15米，弦长1250mm的弧形坯料制品；

步骤四：

模压—挤压—模压三段成型工艺制备的弧形坯料制品，再经过焙烧--浸渍工艺；焙烧工艺条件：温度，1250℃；时间，258---328小时；浸渍工艺条件：压力，0.5--2 MPa；温度，180--220℃。