CN104774012B - 电力机车受电弓浸铜碳滑板的生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电力机车受电弓浸铜碳滑板的生产方法，1）按配比将沥青焦粉、石墨粉、硅化石墨粉、高温沥青混合后磨粉；将混合粉体预压成一阶段料柱，再固化，挤压成型焙烧，即得复合碳滑板；2）将复合碳滑板清洗烘干，冷却后将其装入石墨坩埚内并置于1300?1400℃电炉里预热；再将铜液倒入坩埚中以将复合碳滑板浸没，再将坩埚置于油压机中罩内，然后通入氮气在特定压强下保温3?5分钟，泄压后冷却即可。本发明提高了浸铜碳滑板的导电性，降低电阻率，能增加滑板机械强度和提高铜浸渍的浸润角，进而提高滑板的耐磨性和自润滑性，使浸铜碳滑板更耐磨，不伤干线，不掉块，抗冲击能力强，增加浸铜碳滑板的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及电力机车受电弓滑板，具体来讲涉及一种电力机车受电弓浸铜碳滑板的生产方法，属于受电弓滑板器件技术领域。
背景技术
铁路的电力机车化程度是发达国家交通的一个重要标志，大力发展电气化铁路是提高运输能力、提高铁路参与市场竞争能力的最有效方法。受电弓滑板是机车供电系统中的最重要集电元件，它安装在受电弓上，直接与接触网导线接触，属于滑动接触触头材料范畴。通过受电弓滑板与输电网线的接触，将输电网上的电流引导下来，传输给机车供电系统，来维持电力机车正常运行。
浸铜碳滑板是将碳基体中存在的大量气孔填满金属，形成实用的凝体，集中了碳材料和铜材料的优点，既具有粉末冶金滑板机械强度高、电阻率小的特点，又具有纯碳滑板对导线磨损小的特点，基本解决了碳滑板机械强度低的问题，耐磨性大大提高，同时也解决了导线磨损过快的问题，是目前被认为对线适应能力较强的滑板类型。
我国铁路高速化发展较晚，在滑板的研制，特别是应用方面处于落后状态。目前，随着我国铁路运输主干线路电气化程度的进一步加大，作为牵引动力的电力机车在全路机车中的比例逐年上升。特别是第五次提速之后，客运牵引电力机车又担负了向客车供电任务，使得受电弓滑板的重要性更为突出，它的技术状态直接影响到列车的安全运行，现有的材料己不能满足要求，急需研制开发新型滑板，以满足我国电气化铁路的发展要求。今后我国电力机车干线将主要采用铜合金导线，接触网导线在使用过程中磨耗严重，甚至发生断线事故，究其原因，有多方面影响因素，其中受电弓滑板的材质是主要影响因素。从考虑成本的首要原则是应先保护好导线，所以与铜合金接触导线匹配性能最好的浸金属碳滑板和碳基复合材料滑板是今后的主要发展方向，其应用范围将越来越广。但目前国产浸铜碳滑板使用寿命短，强度差，耐磨性和自润滑性方面均有待提高，使用过程中还存在很大问题。哈大线和广深线是目前我国己投入运营的速度最快的准电气化线路，这两条线路上使用的滑板均从德国进口，每根价值人民币近一万元。研究开发出其替代产品，既可节省外汇，又有利于发展国内受电弓浸铜滑板生产企业，打破垄断，其经济及社会效益将十分显著。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种电阻率低，机械强度高，耐磨性强，使用寿命长的电力机车受电弓浸铜碳滑板的生产方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：
电力机车受电弓浸铜碳滑板的生产方法，其特征在于：步骤如下，
1）复合碳滑板的制备；
1.1）按如下质量份备料：沥青焦粉60-80份，石墨粉12-16份，硅化石墨粉10-15份，高温沥青30-35份；
1.2）具体制备：按配比将沥青焦粉和石墨粉放入混捏锅内，冷混20-120分钟，然后加入添加剂--硅化石墨粉，继续混合40-60分钟，再加入溶化后的高温沥青，在160-180℃的温度条件下混合1-6小时，停止加热，冷却再磨粉，粒度为250-350目；将磨成250-350目的混合粉体在油压机上预压成一阶段料柱，将一阶段料柱在120-140℃条件下放入烘箱内固化8-9小时，将经过固化的一阶段料柱放入挤压机内，挤出需要规格的复合碳滑板毛坯；将复合碳滑板毛坯放入窑炉中焙烧，出炉即得复合碳滑板；
2）复合碳滑板浸铜；
将复合碳滑板用清水洗干净，放入烘箱中烘3-5个小时，冷却后将其装入耐高温石墨坩埚内并置于1300-1400℃电炉里预热2-3小时；再将1300-1500℃熔化的过量铜液倒入上述坩埚中以将复合碳滑板浸没，再将坩埚置于油压机中罩内，盖上中罩盖子，以免碳滑板浮出铜液面，然后通入氮气加压，达到180-250kg/cm2,并在该压强下保温3-5分钟使铜液在压力下渗透进入碳滑板孔隙中，泄压后将碳滑板从铜液中取出，冷却即得电力机车受电弓浸铜碳滑板。
其中硅化石墨粉由如下方法制备得到：将液态硅在1800-1850℃高温下渗透进入碳石墨基体孔隙中，在此高温下液态硅与碳发生反应生成碳化硅-碳复合材料，该复合材料即为硅化石墨，将硅化石墨磨成粉体即为硅化石墨粉。
所述石墨粉为320目，硅化石墨粉为100目；沥青焦粉由150目和40目两种粒径构成，两种粒径的份数相同。
本发明在配方中加入特制的硅化石墨粉添加剂，在浸铜碳滑板中起到骨架的作用，使金属与石墨完全吸附在微孔中，形成错综复杂的导电网状结构，提高了浸铜碳滑板的导电性，降低电阻率，且该结构能增加滑板机械强度和提高铜浸渍的浸润角，进而提高滑板的耐磨性和自润滑性，使浸铜碳滑板更耐磨，不伤干线，不掉块，抗冲击能力强，增加浸铜碳滑板的使用寿命。
总之，本发明生产的受电弓浸铜碳滑板具有电阻率低，机械强度高，耐磨性强，自润滑性好，不伤干线，使用寿命长等优点。经测试对比，产品性能远远超过国内其他同系列产品，达到了国外先进生产技术水平。本方法切实可行，产品性能稳定可靠，可大规模生产，产品可代替进口浸铜碳滑板，实现浸铜碳滑板的国产化，具有良好的市场前景。
具体实施方式
本发明电力机车受电弓浸铜碳滑板的生产方法，步骤如下，
1）碳滑板的制备；
1.1）按如下质量份备料：沥青焦粉60-80份，石墨粉12-16份，硅化石墨粉10-15份，高温沥青30-35份；本发明对各原料粒径作如下要求：石墨粉为320目，硅化石墨粉为100目；沥青焦粉由150目和40目两种粒径构成，两种粒径的份数相同。粒度的大小会影响受电弓滑板的密度和孔隙率，进而影响滑板的电阻率、硬度、抗拉强度。沥青焦粉是作为粘结剂，不同粒径的沥青焦粉作为粘结剂，主要是提高粘结性能，防止滑板的掉块现象和抗冲击性能。石墨的自身润滑性能很好，可有效解决对导线的磨耗问题。
其中硅化石墨粉的制取方法为：硅化石墨材料是采用液硅渗透法，将液态硅在1800-1850℃高温下渗透进入机械用碳M106碳石墨基体孔隙中，在此高温下液态硅与碳发生反应生成碳化硅-碳复合材料，该复合材料即为硅化石墨，由此获得的硅化石墨在磨粉机中磨成100目的硅化石墨粉。与硅反应后保留了碳石墨基体的骨架，硅化石墨粉具有碳和碳化硅二者的综合性能，其物理机械性能具有导热率高，硬度高，自润滑性好，耐磨性高，对防止碳滑板在运行时掉块有很好的抑制作用。
1.2）具体制备：按配比将两种粒度的沥青焦粉和石墨粉放入混捏锅内，冷混20-120分钟，然后加入添加剂--硅化石墨粉，继续混合40-60分钟，再加入溶化后的高温沥青，在160-180℃的温度条件下混合1-6小时，停止加热，冷却再磨粉，粒度为250-350目；将磨成250-350目的混合粉体在200T的油压机上预压成一定规格的一阶段料柱，将一阶段料柱在120-140℃条件下放入烘箱内固化8-9小时，将经过固化的一阶段料柱放入挤压机内，挤出需要规格的复合碳滑板毛坯；将复合碳滑板毛坯放入窑炉中焙烧，出炉即得复合碳滑板。
2）复合碳滑板浸铜；
将复合碳滑板用清水洗干净，放入150℃的烘箱中烘3-5个小时，冷却后将其装入耐高温石墨坩埚内并置于1300-1400℃电炉里预热2-3小时；再将1300-1500℃熔化的过量铜液倒入上述坩埚中以将复合碳滑板浸没，再将坩埚置于500吨油压机中罩内，盖上中罩盖子，以免碳滑板浮出铜液面，然后通入氮气加压，达到180-250kg/cm2,并在该压强下保温3-5分钟使铜液在压力下渗透进入碳滑板孔隙中，泄压后将碳滑板从铜液中取出，冷却即得电力机车受电弓浸铜碳滑板。
本方法可生产的浸铜碳滑板的规格可达25mm*35mm*1350mm，是目前国内唯一能生产长度为1350mm的整体浸铜碳滑板。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：1）按如下质量份备料：沥青焦粉65份，石墨粉12份，硅化石墨粉12份，高温沥青30份；按配比将两种粒度的沥青焦粉和石墨粉放入混捏锅内，冷混20分钟，然后加入添加剂--硅化石墨粉，继续混合40分钟，再加入溶化后的高温沥青，在160-180℃的温度条件下混合1小时，停止加热，冷却再磨粉，粒度为300目；将磨成300目的混合粉体在200T的油压机上预压成一定规格的一阶段料柱，将一阶段料柱在120-140℃条件下放入烘箱内固化8-9小时，将经过固化的一阶段料柱放入挤压机内，挤出所需规格的碳滑板毛坯；将碳滑板毛坯放入窑炉中焙烧，出炉即得碳滑板。
2）复合碳滑板浸铜；
将碳滑板用清水洗干净，放入150℃的烘箱中烘3-5个小时，冷却后将其装入耐高温石墨坩埚内并置于1300-1400℃电炉里预热2-3小时；再将1300℃熔化的过量铜液倒入上述坩埚中以将碳滑板浸没，再将坩埚置于500吨油压机中罩内，盖上中罩盖子，以免碳滑板浮出铜液面，然后通入氮气加压，达到180kg/cm2,并在该压强下保温3-5分钟使铜液在压力下渗透进入碳滑板孔隙中，泄压后将碳滑板从铜液中取出，冷却即得电力机车受电弓浸铜碳滑板。
实施例2：1）按如下质量份备料：沥青焦粉70份，石墨粉16份，硅化石墨粉15份，高温沥青33份；按配比将两种粒度的沥青焦粉和石墨粉放入混捏锅内，冷混40分钟，然后加入添加剂--硅化石墨粉，继续混合40分钟，再加入溶化后的高温沥青，在160-180℃的温度条件下混合1.5小时，停止加热，冷却再磨粉，粒度为310目；将磨成310目的混合粉体在200T的油压机上预压成一定规格的一阶段料柱，将一阶段料柱在120-140℃条件下放入烘箱内固化8-9小时，将经过固化的一阶段料柱放入挤压机内，挤出所需规格的碳滑板毛坯；将碳滑板毛坯放入窑炉中焙烧，出炉即得碳滑板。
2）复合碳滑板浸铜；
将碳滑板用清水洗干净，放入150℃的烘箱中烘3-5个小时，冷却后将其装入耐高温石墨坩埚内并置于1300-1400℃电炉里预热2-3小时；再将1400℃熔化的过量铜液倒入上述坩埚中以将碳滑板浸没，再将坩埚置于500吨油压机中罩内，盖上中罩盖子，以免碳滑板浮出铜液面，然后通入氮气加压，达到190kg/cm2,并在该压强下保温3-5分钟使铜液在压力下渗透进入碳滑板孔隙中，泄压后将碳滑板从铜液中取出，冷却即得电力机车受电弓浸铜碳滑板。
实施例3：1）按如下质量份备料：沥青焦粉80份，石墨粉12份，硅化石墨粉14份，高温沥青30份；按配比将两种粒度的沥青焦粉和石墨粉放入混捏锅内，冷混50分钟，然后加入添加剂--硅化石墨粉，继续混合40分钟，再加入溶化后的高温沥青，在160-180℃的温度条件下混合2.5小时，停止加热，冷却再磨粉，粒度为330目；将磨成330目的混合粉体在200T的油压机上预压成一定规格的一阶段料柱，将一阶段料柱在120-140℃条件下放入烘箱内固化8-9小时，将经过固化的一阶段料柱放入挤压机内，挤出所需规格的碳滑板毛坯；将碳滑板毛坯放入窑炉中焙烧，出炉即得碳滑板。
2）复合碳滑板浸铜；
将碳滑板用清水洗干净，放入150℃的烘箱中烘3-5个小时，冷却后将其装入耐高温石墨坩埚内并置于1300-1400℃电炉里预热2-3小时；再将1450℃熔化的过量铜液倒入上述坩埚中以将碳滑板浸没，再将坩埚置于500吨油压机中罩内，盖上中罩盖子，以免碳滑板浮出铜液面，然后通入氮气加压，达到210kg/cm2,并在该压强下保温3-5分钟使铜液在压力下渗透进入碳滑板孔隙中，泄压后将碳滑板从铜液中取出，冷却即得电力机车受电弓浸铜碳滑板。
实施例4：1）按如下质量份备料：沥青焦粉60份，石墨粉15份，硅化石墨粉10份，高温沥青35份；按配比将两种粒度的沥青焦粉和石墨粉放入混捏锅内，冷混60分钟，然后加入添加剂--硅化石墨粉，继续混合40分钟，再加入溶化后的高温沥青，在160-180℃的温度条件下混合3小时，停止加热，冷却再磨粉，粒度为340目；将磨成340目的混合粉体在200T的油压机上预压成一定规格的一阶段料柱，将一阶段料柱在120-140℃条件下放入烘箱内固化8-9小时，将经过固化的一阶段料柱放入挤压机内，挤出所需规格的碳滑板毛坯；将碳滑板毛坯放入窑炉中焙烧，出炉即得碳滑板。
2）复合碳滑板浸铜；
将碳滑板用清水洗干净，放入150℃的烘箱中烘3-5个小时，冷却后将其装入耐高温石墨坩埚内并置于1300-1400℃电炉里预热2-3小时；再将1450℃熔化的过量铜液倒入上述坩埚中以将碳滑板浸没，再将坩埚置于500吨油压机中罩内，盖上中罩盖子，以免碳滑板浮出铜液面，然后通入氮气加压，达到220kg/cm2,并在该压强下保温3-5分钟使铜液在压力下渗透进入碳滑板孔隙中，泄压后将碳滑板从铜液中取出，冷却即得电力机车受电弓浸铜碳滑板。
实施例5：1）按如下质量份备料：沥青焦粉75份，石墨粉15份，硅化石墨粉15份，高温沥青30份；按配比将两种粒度的沥青焦粉和石墨粉放入混捏锅内，冷混120分钟，然后加入添加剂--硅化石墨粉，继续混合40分钟，再加入溶化后的高温沥青，在160-180℃的温度条件下混合6小时，停止加热，冷却再磨粉，粒度为250目；将磨成250目的混合粉体在200T的油压机上预压成一定规格的一阶段料柱，将一阶段料柱在120-140℃条件下放入烘箱内固化8-9小时，将经过固化的一阶段料柱放入挤压机内，挤出所需规格的碳滑板毛坯；将碳滑板毛坯放入窑炉中焙烧，出炉即得碳滑板。
2）复合碳滑板浸铜；
将碳滑板用清水洗干净，放入150℃的烘箱中烘3-5个小时，冷却后将其装入耐高温石墨坩埚内并置于1300-1400℃电炉里预热2-3小时；再将1500℃熔化的过量铜液倒入上述坩埚中以将碳滑板浸没，再将坩埚置于500吨油压机中罩内，盖上中罩盖子，以免碳滑板浮出铜液面，然后通入氮气加压，达到250kg/cm2,并在该压强下保温3-5分钟使铜液在压力下渗透进入碳滑板孔隙中，泄压后将碳滑板从铜液中取出，冷却即得电力机车受电弓浸铜碳滑板。
下表为本发明上述5个实施例得到的浸铜碳滑板与国外对应产品的性能对比。从该表可以看出，本发明总体性能达到了国外先进生产技术水平，某些指标甚至还优于国外水平。
| 体积密度（g/cm3） | 洛氏硬度HRC | 电阻率（μΩrn） | 冲击韧性（J/cm2） | 抗折强度（MPa） | 抗压强度（MPa） | 接触线磨耗比(mm2/万架次) | 滑板高度磨耗比(mm/万公里) | 滑板重量磨耗比(g/万公里) | |
| 英国Morgan（MT70D） | 2.5 | 105 | 5 | 0.09 | 80 | 200 | 0.0142 | 2.148 | 110 |
| 德国PanTrac（RH83M6） | 2.8 | 110 | 7 | 0.10 | 85 | 200 | 0.0145 | 2.152 | 108 |
| 实施例1 | 2.6 | 105 | 7 | 0.1 | 90 | 211 | 0.0152 | 2.3 | 110 |
| 实施例2 | 3.2 | 116 | 6 | 0.11 | 92 | 203 | 0.0148 | 2.2 | 108 |
| 实施例3 | 2.7 | 108 | 4.5 | 0.104 | 87 | 198 | 0.0152 | 2.12 | 103 |
| 实施例4 | 2.4 | 112 | 3 | 0.112 | 96 | 202 | 0.0145 | 2.15 | 110 |
| 实施例5 | 2.5 | 115 | 4.1 | 0.12 | 93 | 190 | 0.0155 | 2.18 | 106 |
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (2)
1.电力机车受电弓浸铜碳滑板的生产方法，其特征在于：步骤如下，
1）复合碳滑板的制备；
1.1）按如下质量份备料：沥青焦粉60-80份，石墨粉12-16份，硅化石墨粉10-15份，高温沥青30-35份；
1.2）具体制备：按配比将沥青焦粉和石墨粉放入混捏锅内，冷混20-120分钟，然后加入添加剂--硅化石墨粉，继续混合40-60分钟，再加入溶化后的高温沥青，在160-180℃的温度条件下混合1-6小时，停止加热，冷却再磨粉，粒度为250-350目；将磨成250-350目的混合粉体在油压机上预压成一阶段料柱，将一阶段料柱在120-140℃条件下放入烘箱内固化8-9小时，将经过固化的一阶段料柱放入挤压机内，挤出需要规格的复合碳滑板毛坯；将复合碳滑板毛坯放入窑炉中焙烧，出炉即得复合碳滑板；
2）复合碳滑板浸铜；
将复合碳滑板用清水洗干净，放入烘箱中烘3-5个小时，冷却后将其装入耐高温石墨坩埚内并置于1300-1400℃电炉里预热2-3小时；再将1300-1500℃熔化的过量铜液倒入上述坩埚中以将复合碳滑板浸没，再将坩埚置于油压机中罩内，盖上中罩盖子，以免碳滑板浮出铜液面，然后通入氮气加压，达到180-250kg/cm2,并在该压强下保温3-5分钟使铜液在压力下渗透进入碳滑板孔隙中，泄压后将碳滑板从铜液中取出，冷却即得电力机车受电弓浸铜碳滑板；
其中硅化石墨粉由如下方法制备得到：将液态硅在1800-1850℃高温下渗透进入碳石墨基体孔隙中，在此高温下液态硅与碳发生反应生成碳化硅-碳复合材料，该复合材料即为硅化石墨，将硅化石墨磨成粉体即为硅化石墨粉。
2.根据权利要求1所述的电力机车受电弓浸铜碳滑板的生产方法，其特征在于：所述石墨粉为320目，硅化石墨粉为100目；沥青焦粉由150目和40目两种粒径构成，两种粒径的份数相同。
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