CN104550868B

CN104550868B - 受电弓浸金属碳滑板的真空压力浸渗的方法

Info

Publication number: CN104550868B
Application number: CN201510018265.9A
Authority: CN
Inventors: 陈林驰
Original assignee: WENZHOU XINKE ADVANCED POWDER MATERIAL Co Ltd
Current assignee: WENZHOU XINKE ADVANCED POWDER MATERIAL Co Ltd
Priority date: 2015-01-14
Filing date: 2015-01-14
Publication date: 2017-01-04
Anticipated expiration: 2035-01-14
Also published as: CN104550868A

Abstract

本发明公开一种受电弓浸金属碳滑板的真空压力浸渗的方法，步骤为：第一步，将多孔碳条置于第一石墨舟中；第二步，使用的铜基体为铜合金，添加元素为添加Cr或Ti，将铜合金块放置于第二石墨舟中；第三步，对石墨舟所处的系统进行抽真空，达到既定真空度后开始加热；升至既定温度后，旋转炉体将铜合金浇入多孔碳条所在第一石墨舟，迅速加压，完成压力浸渗过程；第四步，冷却后，旋转炉体，将多余铜合金倒回第二石墨舟；取出浸金属碳滑板。本发明能全自动化生产的同时突破了技术壁垒，提高了浸金属碳滑板的综合性能，生产出界面结合好、尺寸精度高、电阻系数低、摩擦系数小、强度高的产品。

Description

受电弓浸金属碳滑板的真空压力浸渗的方法

技术领域

本发明属于受电弓滑板材料制备技术领域，具体地说，是一种采用真空压力浸渗技术生产受电弓浸金属碳滑板材料的方法。

背景技术

随着世界及我国高速铁路的快速发展，受电弓滑板材料作为高速列车最重要的集电元件，对其综合性能也提出了更高的要求，同时，用量也与日俱增。受电弓碳滑板主要有纯金属材料滑板、粉末冶金滑板、纯碳材料滑板及浸金属碳滑板。制备方法主要有粉末冶金、高压烧结、真空压力浸渗等，目前市场主导产品为浸金属碳滑板。传统的粉末冶金滑板由于对导线损耗严重，被淘汰；纯碳滑板由于耐冲击性较差，限制了其在高速电气化铁路的应用，现在仅在低速铁路应用；而浸金属碳滑板兼具纯碳滑板材料的良好润滑性能和粉末冶金滑板的高强度、良好的导电性能等优点，是一种较为理想的高速列车用受电弓滑板材料。

提高受电弓浸金属碳滑板质量，加快实现国产化，突破国外技术封锁，是目前受电弓滑板材料行业的重要内容。

公开号为CN102059339A的中国发明专利，提供了一种铜基受电弓滑板材料的制备方法。采用弥散强化铜粉为基体，镀铜石墨为减摩材料，选择锡、铅金属粉为添加剂，将上述粉体均匀混合，通过热压烧结得到受电弓滑板材料。制备工艺简单可控，但该工艺制备的浸金属碳滑板材料中铜含量为60wt％左右，对导线的磨损较严重。另外，制备的滑板材料需进一步繁琐的加工，不仅提高了后续加工成本，同时，一定程度上影响了产品性能。

公开号为CN101863234A的中国发明专利，提供了一种磁悬浮列车集电装置用浸金属碳滑板，采用密度为1.2～1.8g/cm³多孔碳制品经过高压熔融浸铜制得。所得滑板的电阻率≤5μΩ·m，密度2.5～3.0g/cm³，寿命10000km。该浸金属碳滑板相比铜基粉末冶金滑板性能有了明显提升，但在生产效率及控制方面仍需继续改进，同时，滑板电阻率应继续改善，寿命也应不断提高，以此满足快速发展的电气化铁路的需要。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种受电弓浸金属碳滑板的真空压力浸渗的方法，利用真空压力浸渗原理实现铜合金与多孔碳的复合，同时结合氮气气氛的生产车间，实现高温开炉取料装料，连续高效、低耗能，自动化生产作业；实现产品的近终成型，产品尺寸精度高，可控性好，原材料利用率高。

为实现上述目的，本发明所述受电弓浸金属碳滑板的真空压力浸渗方法，包括如下步骤：

第一步，采用密度为1.5g/cm³～1.7g/cm³，开孔率为11％～15％，平均孔径尺寸为0.6μm～0.7μm的多孔碳作为待渗碳条，将该多孔碳条置于第一石墨舟中。

第二步，使用的铜基体为铜合金，添加元素为0.6wt％～1wt％Cr或0.8wt％～1.2wt％Ti，将铜合金块放置于第二石墨舟中。

第三步，对石墨舟所处的系统进行抽真空，达到既定真空度后开始加热；升至既定温度后，旋转炉体将铜合金浇入碳条所在石墨舟，迅速加压，完成压力浸渗过程。

第四步，冷却一段时间后，旋转炉体，将多余铜合金倒回第二石墨舟；开启炉门，取出浸金属碳滑板。

所述第一步中：所述待渗多孔碳条的成分为煅烧石油焦、石墨粉及沥青，该碳条具有机械强度好、孔径分布均匀的特点。金属基体在多孔碳条中均匀分布，不仅可以起到填充孔隙、提高碳条强度的效果，还有利于改善浸渗后材料的磨损性能。金属的浸渗量并不是越多越好，浸入过多会使材料的摩擦性能下降。因此本发明中优选采用开孔率为11％～15％，平均孔径尺寸为0.6μm～0.7μm的待渗碳条。所述第一石墨舟是相对放置铜合金的第二石墨舟而言的，是指有两个石墨舟。

优选的，所述第二步中：所述铜合金由高纯电解铜板与基体合金元素通过中频熔炼得到，对铜合金表面处理，去除氧化层，然后将铜合金置于第二石墨舟中。如果将原料都置于同一个石墨舟中，由于碳条中有气孔，在抽真空的阶段不利于碳条中气体的排出，本发明将原料分开放置解决该问题；另外，将二者分开放置，当方法结束后还可以将剩余铜合金倒回，节省原材料。

优选的，所述第三步中：在抽真空过程中，待渗碳条空隙中的空气被排除，降低了铜合金浸渗过程的阻力；真空度达到15～20Pa时开启加热，当温度升到1200℃～1250℃时，旋转炉体，将铜合金浇入碳条所在的第一石墨舟，迅速通入氮气加压，浸渗过程开始，保温保压一段时间(比如5～10分钟)后，停止加热及加压。

所述旋转炉体通过炉体旋转机构实现；所述的石墨舟在炉体中，炉体转动的目的使炉体内的石墨舟转动，进而第二石墨舟中的铜合金倒入第一石墨舟中的碳条中，实现浸渗过程。

所述第四步中：当温度降低至1100～1150℃时，开启炉体旋转机构，将未渗入的剩余铜合金倒回第二石墨舟；继续冷却降温，当温度降至600～700℃时，开启炉门，取出浸金属碳滑板材料。

本发明的浸金属碳滑板材料具有电阻率低、致密性好、摩擦系数低的优良性能，对导线磨损小；运行使用寿命明显提高，可实现运行8～12万公里。良好的满足了电气化铁路高速列车的要求。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：利用该真空压力浸渗技术的独特优点，并结合氮气气氛的生产车间，可实现浸金属碳滑板材料的连续生产，同时实现短流程和近终成型生产；利用炉体的旋转机构，当浸渗过程结束后，将未浸渗的余量铜合金倒回原石墨舟，实现原材料充分利用；另外，实现较高尺寸精度控制，组织性能均匀，材料界面结合良好；可以制备不同基体合金的碳滑板材料，如铜铬、铜钛、铜镍、铜锡等。所得到的浸金属碳滑板的电阻率≤3.5μΩ·m、密度2.8g/cm³～3.5g/cm³、洛氏硬度≥113、抗折强度≥90MPa。

本发明通过真空压力浸渗装置实现受电弓浸金属碳滑板的制备，全自动化生产的同时突破了技术壁垒，提高了浸金属碳滑板的综合性能，生产出界面结合好、尺寸精度高、电阻系数低、摩擦系数小、强度高的产品。

附图说明

图1是本发明一实施例中使用的装置结构示意图。

图2是本发明真空压力浸渗的工艺流程图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，以下实施例给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，该图是本发明一实施例中使用的装置结构示意图：包括炉体1，由炉口向内依次设有加热体2，石墨舟，石墨舟左右分别为第一石墨舟3和第二石墨舟8，加热体2紧邻炉体1的炉壁内侧。方槽5位于石墨舟前端，旋转机构6围绕炉体1设计，待渗碳条4和铜合金7分别置于第一石墨舟3和第二石墨舟8。

该装置置于氮气气氛环境，将多孔待渗碳条4置于第一石墨舟3中，铜合金7置于第二石墨舟8。装料完成后，炉体1开始抽真空，达到既定真空度后开启加热，到温后开启炉体旋转机构6，将铜合金7浇入第一石墨舟3，迅速向炉体加压，完成压力浸渗过程。冷却一段时间后，开启旋转机构6旋转炉体，将多余铜合金7倒回第二石墨舟8；继续降温到既定参数，开启炉门，取出浸金属碳滑板。旋转机构6设计在炉体下方，相当于炉体的托盘，但是是环抱形态，可以实现炉体的旋转。

如图2所示，该图是本发明真空压力浸渗的工艺流程图，浸金属碳滑板的制备工艺按照该流程依次进行。以下实施例中的添加元素的添加量为0.6wt％～1wt％Cr或0.8wt％～1.2wt％Ti，比如0.8wt％Cr、或1wt％Ti等。

实施例1

本实施例1采用真空压力浸渗技术制备受电弓浸金属碳滑板的基本操作步骤如下：

I)、浸金属碳滑板的材料成分

浸金属碳滑板的材料成分主要是铜铬合金和碳条，其中铜铬合金中铬含量为0.8wt％；碳条的成分为煅烧石油焦、石墨粉及沥青，碳条密度为1.62g/cm³，开孔率为12％，平均孔径尺寸为0.6μm。

II)、真空压力浸渗的基本步骤(工艺流程见附图2)

1)先将待渗多孔碳条、铜铬合金分别置于石墨舟中。

2)然后进行抽真空。将炉体内空气排除的同时，使多孔碳条的孔隙中的空气排出，这个过程将促进铜合金的浸渗过程，真空度达到20Pa后，开启加热，使温度上升至1250℃。

3)旋转炉体将铜铬合金浇入碳条所在石墨舟，迅速向系统加压，压力为0.7t/cm³～1.2t/cm³，压力浸渗过程开始，保温保压5分钟后，关闭加热及加压系统，开始冷却。

4)当温度冷却至1100℃时，旋转炉体，将未浸渗的余量铜合金倒回第二石墨舟。

5)继续降温，系统温度降至700℃后，关闭真空系统，开启炉门，取出浸金属碳滑板。检验合格后包装入库。

6)采用真空压力浸渗制备出的浸金属碳滑板材料的电阻率、摩擦系数、强度、抗冲击性能等均达到客户要求。

实施例2

与实施例1不同之处在于：本实施例2使用铜钛合金和碳条。

本实施例2受电弓浸金属碳滑板的基本操作步骤如下：

I)、浸金属碳滑板的材料成分

浸金属碳滑板的材料成分主要是铜钛合金和碳条，其中铜钛合金中钛含量为1wt％，碳条的成分与实施例1相同。

II)、真空压力浸渗的基本步骤(工艺流程见附图2)

1)先将待渗多孔碳条、铜钛合金分别置于石墨舟中。

2)然后进行抽真空。将炉体内空气排除的同时，使多孔碳条的孔隙中的空气排出，这个过程将促进铜合金的浸渗过程，真空度达到20Pa后，开启加热，使温度上升至1270℃。

3)旋转炉体将铜钛合金浇入碳条所在石墨舟，迅速向系统加压，压力为0.7t/cm³～1.2t/cm³，压力浸渗过程开始，保温保压5分钟后，关闭加热及加压系统，开始冷却。

4)当温度冷却至1100℃时，旋转炉体，将未浸渗的余量铜钛合金倒回第二石墨舟；

实施例3

与实施例1不同之处在于：本实施例3使用低开孔率碳条，合金采用铜铬合金。

本实施例3受电弓浸金属碳滑板的基本操作步骤如下：

I)、浸金属碳滑板的材料成分

浸金属碳滑板的材料成分主要是铜铬合金和碳条，其中铜铬合金与实施例1相同，碳条的成分为煅烧石油焦、石墨粉及沥青，碳条密度为1.65g/cm³，开孔率为11％，平均孔径尺寸为0.7μm。

II)、真空压力浸渗的基本步骤(工艺流程见附图2)

1)先将待渗多孔碳条、铜铬合金分别置于石墨舟中。

4)当温度冷却至1100℃时，旋转炉体，将未浸渗的余量铜合金倒回第二石墨舟；

应当理解的是，上述实施例仅仅是本发明的一部分实施方式，本发明所述铜合金材料包括所有适用于该产品的体系，如铜铬合金、铜钛合金等；所述多孔碳条包括可用作浸金属碳滑板前驱体的所有种类。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应该认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims

1.一种受电弓浸金属碳滑板的真空压力浸渗的方法，其特征在于包括如下步骤：

第一步，采用多孔碳作为待渗碳条，将该多孔碳条置于第一石墨舟中；

第二步，使用的铜基体为铜合金，添加元素为Cr或Ti，将铜合金块放置于第二石墨舟中；

第三步，对石墨舟所处的系统进行抽真空，达到既定真空度后开始加热；升至既定温度后，旋转炉体将铜合金浇入多孔碳条所在第一石墨舟，迅速加压，完成压力浸渗过程；

第四步，冷却后，旋转炉体，将多余铜合金倒回第二石墨舟；开启炉门，取出浸金属碳滑板。

2.根据权利要求1所述的受电弓浸金属碳滑板的真空压力浸渗的方法，其特征在于所述多孔碳，具体是指密度为1.5g/cm³～1.7g/cm³，开孔率为11％～15％，平均孔径尺寸为0.6μm～0.7μm的多孔碳。

3.根据权利要求1所述的受电弓浸金属碳滑板的真空压力浸渗的方法，其特征在于所述铜合金，其添加元素的添加量为0.6wt％～1wt％Cr或0.8wt％～1.2wt％Ti。

4.根据权利要求1所述的受电弓浸金属碳滑板的真空压力浸渗的方法，其特征在于所述第二步中：所述铜合金由高纯电解铜板与基体合金元素通过中频熔炼得到，对铜合金表面处理，去除氧化层，然后将铜合金置于第二石墨舟中。

5.根据权利要求1-4任一项所述的受电弓浸金属碳滑板的真空压力浸渗的方法，其特征在于所述第三步中：在抽真空过程中，待渗碳条空隙中的空气被排除，降低了铜合金浸渗过程的阻力；真空度达到15～20Pa时开启加热，当温度升到1200℃～1250℃时，旋转炉体，将铜合金浇入碳条所在的第一石墨舟，迅速通入氮气加压，浸渗过程开始，保温保压一段时间后，停止加热及加压。

6.根据权利要求1-4任一项所述的受电弓浸金属碳滑板的真空压力浸渗的方法，其特征在于所述旋转炉体通过炉体旋转机构实现，该机构设计在炉体下方，所述的石墨舟在炉体中，炉体转动使炉体内的石墨舟转动，进而第二石墨舟中的铜合金倒入第一石墨舟中的碳条中，实现浸渗过程。

7.根据权利要求1-4任一项所述的受电弓浸金属碳滑板的真空压力浸渗的方法，其特征在于所述第四步中：当温度降低至1100～1150℃时，旋转炉体，将未渗入的剩余铜合金倒回第二石墨舟；继续冷却降温，当温度降至600～700℃时，开启炉门，取出浸金属碳滑板材料。