CN104494447A - 一种采用冷等静压工艺制备电力机车(含高速列车)受电弓滑板复合材料炭芯的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用冷等静压工艺制备电力机车（含高速列车）受电弓滑板复合材料炭芯的方法。该方法采用各种炭素材料按一定配方加工成受电弓滑板炭芯材料，或者采用炭素材料与树枝状镍粉或铜粉按一定的配方要求进行配料，制备受电弓滑板复合材料炭芯；工艺过程为：采用研磨工艺或者采用星行式混料工艺处理配料，按冷等静压机的要求制作模套，接着通过振动机均匀性加料，加入模套内，模套装入冷等静压机内，由冷等静压机完成压制成型，制备复合材料炭芯坯料，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芯复合材料。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

一种采用冷等静压工艺制备电力机车(含高速列车)受电弓滑板复合材料炭芯的方法

技术领域

本发明涉及材料加工及复合材料技术领域，具体涉及一种电力机车（含高速列车）受电弓滑板复合材料炭芯的制备方法。

背景技术

我国电力机车和高速列车发展很快，电力机车铁路里程数已经超过十万公里，并且还在快速延伸。受电弓滑板是电力机车获得动力来源的重要集电元件，滑板质量是影响受流质量的一个关键因素。受电弓滑板即是一种电接触材料，又是一种耐磨减磨材料；既要有良好的导电性能和集电能力，又要有较好的综合机械性能。这里所指滑板的内涵是指滑板中的关键材料炭芯。

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，但对铁路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，所以在与铁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，目前主要采用挤压工艺，生产出38×38×1250mm的坯料,挤压工艺生产的坯料为直形，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。

目前国内外生产的电力机车（含高速列车）受电弓滑板炭芯，大多数采用挤压设备挤压成形工艺生产1250mm长度的整体式滑板，都存在一定的缺陷，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：

一种采用冷等静压工艺制备电力机车（含高速列车）受电弓滑板复合材料炭芯的方法，包括以下步骤：

步骤一

所述滑板炭芯复合材料根据材料的导电性能和机械强度以及自润滑特点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10—20%；炭纤维≤2.0%；炭粉48—75%；鳞片石墨、针状石墨和纯炭粉的粒度为180---300 目；

配方二：（重量比）鳞片石墨15—30%；高纯石墨15—25%；炭纤维≤2.0%；炭粉43—70%；鳞片石墨、高纯石墨和纯炭粉的粒度为180---300 目；

配方三：（重量比）鳞片石墨、针状石墨、炭纤维、纯炭粉之和60—90%；树枝状镍粉或铜粉10—40%；上述四者之和的内部比例为：鳞片石墨15—30%；针状石墨10—20%；石墨纤维≤2.0%；炭粉48—75%；

配方四：（重量比）鳞片石墨、高纯石墨、炭纤维、纯炭粉之和60—90%；树枝状镍粉或铜粉10—40%；上述四者之和的内部比例为：鳞片石墨15—30%；高纯石墨15—25%；石墨纤维≤2.0%；炭粉43—70%；

配方五：（重量比）石墨28—47%；炭纤维≤2.0%；炭粉51—72%；石墨和炭粉的粒度为180---300 目；

配方六：（重量比）石墨、炭纤维、炭粉之和50—90%；树枝状镍粉或铜粉10—50%；上述三者之和的内部比例为：石墨15—40%；炭纤维≤2.0%；炭粉48—85%；

步骤二

采用研磨工艺处理上述配方一、二或五配料，或者采用星行式混料工艺处理配方三、四或六配料：

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、二或五，配方一、二、五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—300目；

星行式混料工艺

为了强化导电性能和机械强度，采用配方三、四或六，加入树枝状导电镍粉或铜粉，镍粉或铜粉的加入量为总质量的10%--40%。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

制作冷等静压机模套

冷等静压机工艺技术特点要求，冷等静压机是通过冷等静压机模套来压制滑板复合材料成型。所有的材料都装进冷等静压机模套内，冷等静压机模套放入冷等静压机内部，进行压制成型。本项目所使用的冷等静压机模套，为两层结构，外层为钢模套3，钢板厚度：3~6mm，长：1000~1800mm，径向为方形：宽35~80mm，长40~90mm。内层为橡胶模套4，其形状与钢模套一样，尺寸略有不同，长比钢模套多出100~300mm，径向各项比钢模套少出1~5mm。

钢模套和橡胶模套都是一端封底而另一端敞开。

钢模套的四个侧面钻有小孔6， 5~20mm，孔与孔之间间隔为100~200mm。

橡胶模套敞开一端设有模套塞子5，模套塞子为橡胶材质。

步骤四

配料装入橡胶模套内：

冷等静压机通过钢模套的小孔，压力传递到橡胶模套上，并通过橡胶模套把压力施加到橡胶模套内的配料上，随着压力的增加，配料逐渐成型。

按照步骤一中的某一配方进行配料，配料后的粉料均可加入橡胶模套内，进行压制成型。粉料装入橡胶模套内的工艺，其主要技术难点，是加料均匀性。一般是通过震动加料，钢模套固定在振动机上，保持振动机的稳定性，同时加料的速度也要保持匀速。

步骤五

冷等静压机压制成型工艺：

把装完粉料的冷等静压机模套，通过专用的吊篮，放入冷等静压机内，进行压制成型，制备复合材料炭芯坯料。

工艺条件：冷等静压机总压力10000吨，常温，压强为50 Mpa至200 Mpa.

步骤六

冷等静压机压制成型的坯料制品，再经过焙烧--浸渍工艺制成成品。

焙烧工艺条件：温度，1200---1300℃；时间，258---368 小时；浸渍工艺条件：压力，0.5--3 MPa；温度，180--230℃。

本发明方法制备的符合电力机车（含高速列车）受电弓滑板综合技术条件的复合材料炭芯产品，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）：20—32；

体积密度（g/cm3）：1.70—1.85；

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。

本发明的优点效果：

1、复合材料结构

针状石墨和炭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、鳞片石墨及人造石墨等属于软炭，石墨表现性能优越，导电性能和自润滑性能非常好。炭短纤维由裂解炭而来，属于硬炭，石墨化程度相对低。石墨和炭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。另外针状石墨和炭短纤维之间，由于不规则状态，留有微细间隙，给树枝状导电镍粉或铜粉的复合提供空间。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、冷等静压机压制成形新工艺

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。目前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1.55—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机械强度将随之提高。

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＜600mm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。

本项目发明的冷等静压机一种压制成形法工艺，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。该项发明特别适合纯炭滑板炭芯的制备，针状石墨、鳞片石墨、人造石墨属于导电性能和润滑性能都优良的材料，碳粉属于结构性过度材料，炭纤维属于增强型材料，这些材料按上述一、二、五配方，结合配料预处理工艺，即高效机械合金法研磨工艺，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，再通过冷等静压机的压制成型，可制备出性能优异的满足高速列车受电弓滑板炭芯各项技术指标的新型材料。

附图说明

图1为本发明滑板结构示意图；

图2为本发明冷等静压机模套结构示意图。

图3为冷等静压机钢模套示意图。

具体实施方式

参见图1，受电弓滑板是电力机车(含高速列车)车顶上的受电弓最上部安装的一块导电板，是与铁路路网导线接触并摩擦而接收电机车运行所需电力的部件，接触网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。

负荷电流通过接触线和受电弓滑板接触面的流畅程度，它与滑板与接触线间的接触压力、过渡电阻、接触面积有关，取决于受电弓和接触网之间的相互作用。

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。

受电弓滑板产品由炭芯、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2，它由导电胶粘结在铝合金支架1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

根据滑板炭芯材料的导电性能和机械强度以及自润滑特点要求选择配方一：

鳞片石墨15%;针状石墨15%；炭纤维0.5%；炭粉69.5%；鳞片石墨、针状石墨和炭粉的粒度为180---300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—300目。

步骤三

采用冷等静压成型工艺，制备炭芯坯料：

粉体处理完成后，粉体均匀的加入到模套内，密封好的模套装入到冷等静压机里面，进行冷等静压压制成型。工艺条件：常温，工作压强100 Mpa。时间3h。

    最后定型为断面为50 mm×38 mm×1300mm的坯料制品。

步骤四

冷等静压机压制成型工艺制备的坯料制品，再经过焙烧--浸渍工艺；焙烧工艺条件：温度，1300℃；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

根据滑板炭芯材料的导电性能和机械强度以及自润滑特点要求选择配方二：

鳞片石墨30%;高纯石墨25%；炭纤维2.0%；炭粉43%；

鳞片石墨、高纯石墨和炭粉的粒度为180---250目。

步骤二

采用高效机械合金法研磨工艺，处理配方二，配方二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—220目。

步骤三

采用冷等静压成型工艺，制备炭芯坯料：

粉体处理完成后，粉体均匀的加入到模套内，密封好的模套装入到冷等静压机里面，进行冷等静压压制成型。工艺条件：常温，工作压强100 Mpa。时间3h。

    最后定型为断面为50 mm×38 mm×1300mm的坯料制品。

步骤四

冷等静压机压制成型工艺制备的坯料制品，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

根据滑板炭芯材料的导电性能和机械强度以及自润滑特点要求选择配方三：

鳞片石墨20%;针状石墨20%；炭纤维1%；炭粉59%；

鳞片石墨、针状石墨和炭粉的粒度为180---230目。

步骤二

采用高效机械合金法研磨工艺，处理配方三，配方三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—240目。

步骤三

采用冷等静压成型工艺，制备炭芯坯料：

粉体处理完成后，粉体均匀的加入到模套内，密封好的模套装入到冷等静压机里面，进行冷等静压压制成型。工艺条件：常温，工作压强90 Mpa。时间2.5h。

    最后定型为断面为50 mm×38 mm×1300mm的坯料制品。

步骤四

冷等静压机压制成型工艺制备的坯料制品，再经过焙烧--浸渍工艺；焙烧工艺条件：温度，1280℃；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

根据滑板炭芯材料的导电性能和机械强度以及自润滑特点要求，选择配方四

鳞片石墨15%：高纯石墨15%；炭粉30%；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：

采用冷等静压成型工艺，制备炭芯坯料：

粉体处理完成后，粉体均匀的加入到模套内，密封好的模套装入到冷等静压机里面，进行冷等静压压制成型。工艺条件：常温，工作压强120 Mpa。时间3h。

    最后定型为断面为50 mm×38 mm×1300mm的坯料制品。

步骤四

冷等静压机压制成型工艺制备的坯料制品，再经过焙烧--浸渍工艺；焙烧工艺条件：温度，1200℃；时间，258小时；浸渍工艺条件：压力， 2MPa；温度，180℃。

实施例5

步骤五

根据滑板炭芯材料的导电性能和机械强度以及自润滑特点要求，选择配方五：

石墨40%;炭纤维1.5%；炭粉58.5%；

步骤二

合金法研磨工艺：

采用高效机械合金法研磨工艺，处理配方五，配方五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—240目。

步骤三

采用冷等静压成型工艺，制备炭芯坯料：

粉体处理完成后，粉体均匀的加入到模套内，密封好的模套装入到冷等静压机里面，进行冷等静压压制成型。工艺条件：常温，工作压强100 Mpa。时间3h。

    最后定型为断面为50 mm×38 mm×1300mm的坯料制品。

步骤四

冷等静压机压制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，1300℃；时间，358小时；浸渍工艺条件：压力， 0.5MPa；温度，220℃。

实施例6

步骤一

根据滑板炭芯材料的导电性能和机械强度以及自润滑特点要求，选择配方六：

石墨30%;炭纤维1%；炭粉44%；

树枝状镍粉或铜粉25%。

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

采用冷等静压成型工艺，制备炭芯坯料：

粉体处理完成后，粉体均匀的加入到模套内，密封好的模套装入到冷等静压机里面，进行冷等静压压制成型。工艺条件：常温，工作压强100 Mpa。时间3h。

    最后定型为断面为50 mm×38 mm×1300mm的坯料制品。

步骤四

冷等静压机压制成型工艺制备的坯料制品，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 (7)

1.一种采用冷等静压工艺制备电力机车（含高速列车）受电弓滑板复合材料炭芯的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一

配方一：各组分重量比为：鳞片石墨15—30%；针状石墨10—20%；炭纤维≤2.0%；炭粉48—75%；鳞片石墨、针状石墨和纯炭粉的粒度为180---300 目；

配方二：各组分重量比为：鳞片石墨15—30%；高纯石墨15—25%；炭纤维≤2.0%；炭粉43—70%；鳞片石墨、高纯石墨和纯炭粉的粒度为180---300 目；

配方三：各组分重量比为：鳞片石墨、针状石墨、炭纤维、纯炭粉之和60—90%；树枝状镍粉或铜粉10—40%；上述四者之和的内部比例为：鳞片石墨15—30%；针状石墨10—20%；石墨纤维≤2.0%；炭粉48—75%；

配方四：各组分重量比为：鳞片石墨、高纯石墨、炭纤维、纯炭粉之和60—90%；树枝状镍粉或铜粉10—40%；上述四者之和的内部重量比例为：鳞片石墨15—30%；高纯石墨15—25%；石墨纤维≤2.0%；炭粉43—70%；

配方五：各组分重量比为：石墨28—47%；炭纤维≤2.0%；炭粉51—72%；石墨和炭粉的粒度为180---300 目；

配方六：各组分重量比为：石墨、炭纤维、炭粉之和50—90%；树枝状镍粉或铜粉10—50%；上述三者之和的内部重量比例为：石墨15—40%；炭纤维≤2.0%；炭粉48—85%；

步骤二

采用研磨工艺处理配方一、二或五配料，或者采用星行式混料工艺处理配方三、四或六配料；

步骤三

制作冷等静压机模套

所述冷等静压机模套，为两层结构，外层为钢模套，钢板厚度：3~6mm，长：1000~1800mm，径向为方形：35---80~40---90mm；内层为橡胶模套，形状与钢模套一样，长比钢模套多出100~300mm，径向各项比钢模套少1~5mm；

钢模套和橡胶模套都是一端封底而另一端敞开；

钢模套的四个侧面钻有小孔，                                                5~20mm，孔与孔之间间隔为100~200mm；

步骤四

配料装入橡胶模套内：

冷等静压机通过钢模套的小孔，压力传递到橡胶模套上，并通过橡胶模套把压力施加到橡胶模套内的配料上，随着压力的增加，配料逐渐成型；

步骤五

冷等静压机压制成型工艺：

把装完配料的冷等静压机模套，通过吊篮，放入冷等静压机内，进行压制成型，制备复合材料炭芯坯料；

步骤六

冷等静压机压制成型的坯料制品，再经过焙烧--浸渍工艺制成成品。

2.根据权利要求1所述的一种采用冷等静压工艺制备电力机车（含高速列车）受电弓滑板复合材料炭芯的方法，其特征在于，所述研磨工艺为：

采用机械合金法研磨工艺，处理配方一、二或五，该工艺方法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要求，研磨后粒度达180—300目。

3.根据权利要求1所述的一种采用冷等静压工艺制备电力机车（含高速列车）受电弓滑板复合材料炭芯的方法，其特征在于，所述星行式混料工艺为：

配方三、四或六，加入树枝状导电镍粉或铜粉，镍粉或铜粉的加入量为总质量的10%--40%；采用星行式混料机，星行式混料机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炭素材料有机结合，镶嵌成牢固的结构。

4.根据权利要求1所述的一种采用冷等静压工艺制备电力机车（含高速列车）受电弓滑板复合材料炭芯的方法，其特征在于，所述橡胶模套敞开一端设有模套塞子，模套塞子为橡胶材质。

5.根据权利要求1所述的一种采用冷等静压工艺制备电力机车（含高速列车）受电弓滑板复合材料炭芯的方法，其特征在于，所述配料均加入橡胶模套内，进行压制成型，配料装入橡胶模套内的工艺，是通过震动加料，钢模套固定在振动机上，保持振动机的稳定性，同时加料的速度也保持匀速。

6.根据权利要求1所述的一种采用冷等静压工艺制备电力机车（含高速列车）受电弓滑板复合材料炭芯的方法，其特征在于，所述冷等静压机工艺条件：冷等静压机总压力10000吨，常温，压强为50 Mpa至200 Mpa。

7.根据权利要求1所述的一种采用冷等静压工艺制备电力机车（含高速列车）受电弓滑板复合材料炭芯的方法，其特征在于，所述焙烧工艺条件：温度，1200---1300℃；时间，258---368 小时；浸渍工艺条件：压力，0.5--3 MPa；温度，180--230℃。