CN104894424B - 一种自润滑的铜碳受电弓复合材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自润滑的铜碳受电弓复合材料的制备方法，属于材料制备技术领域。本发明所述方法首先利用Gasar工艺制备规则式多孔铜合金或多孔纯铜，使其作为铜碳复合材料的基体骨架；石墨粉与粘接剂混合均匀后在压力作用下均匀压入铜基规则孔内部，烧结后形成自润滑式铜碳型受电弓复合材料。本发明制备的铜碳受电弓材料具有自润滑、摩擦系数小、电阻率低等特点，特别适用于制作高压高电流工况下的高速列车电滑履及电动机电刷；由于制造成本低，周期短，比强度高，具有很高的实用和推广价值。

Description

一种自润滑的铜碳受电弓复合材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种自润滑的铜碳受电弓复合材料的制备方法，属于材料制备技术领域。

背景技术

近几年来，随着高速列车的快速发展，我国对于高速列车的受电弓材料的要求越来越高。加之列车速度的进一步提高，以至于对受电弓材料的性能要求更为苛刻，它在满足高导电率的同时又必须拥有较高的耐磨性，在列车运行的过程中又不能对输电线路产生较大的磨损。这就要求受电弓材料必须具有自润滑、低摩擦、高导电以及较高的耐磨性能。目前，国内占据统治地位的受电弓材料主要为Siemens碳滑板，该类碳滑板安装有铝合金托架，具有使用寿命长、对导线磨耗小、受流性能优良和抗冲击能力较强，且在铜接触线、铜铝接触线或混架区段均能良好使用的一种进口滑板。从上世纪50年代开始，我国开始使用和研究电力机车的受电弓滑板，但是目前高速列车受电弓滑板材料基本仍然依赖进口。受电弓滑板目前主要的材质有金属滑板、粉末冶金滑板、碳质滑板、复合型滑板和钛硅碳系导电陶瓷滑板。复合型滑板由于能够结合不同材料的性能特点，使其性能更加突出，所以目前已经成为受电弓材料研究的前沿课题。而当中又以碳-铜复合材料滑板、碳-金属纤维复合材料滑板和碳纤维复合材料滑板比较突出。

碳-铜复合材料滑板因具有良好的导电、导热、耐磨、抗电弧侵蚀性能、高强度以及良好的经济性而被广泛应用于集成电路的引线框架、各种电焊电极、电器工程开关的触头、发动机的机电环等，在受电弓材料领域也有较广阔的应用前景。而目前碳铜复合材料滑板的主要是由铜、碳纤维、石墨和添加剂等构成，经冷压成型后在烧结而成，铜碳界面以机械结合为主。而其制备方法主要有粉末冶金、浸渍法等。但是由于碳-铜复合材料界面大部分以机械结合为主，结合强度较低，耐磨性能也有待提高。中国发明专利（CN103469123A）将镀铜碳纤维、铜粉以及石墨粉混合后，用等离子烧结形成较好的铜-碳型复合材料，其材料界面结合强度都要高于未镀铜的铜碳复合材料，同时具有良好的摩擦和自润滑性能。但其相关性能参数并未达到目前常用的碳滑板。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自润滑的铜碳受电弓复合材料的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

（1）选择基于Gasar技术制备的多孔铜合金或多孔纯铜为多孔基体，清洗、烘干后备用；

（2）按质量比为1:1~3:2的比例将粘接剂与石墨（2000 ~10000目）混合均匀后得到混合物，将混合物均匀的压入步骤（1）得到的多孔基体中，使基体骨架内部填充密实；

（3）将步骤（2）得到的试样晾干后在40~60℃的温度下焙烧1~2h，然后将式样取出放入模具中，试样上部用步骤（2）得到混合物覆盖后用5~20MPa的压力再次压铸成型，并保持5~10min，取出后在80℃~120℃中烧结1~2小时，将温度升至150℃~180℃后再烧结1~2小时后得到自润滑的铜碳受电弓复合材料。

本发明步骤（1）所述的多孔铜合金或多孔纯铜的孔隙率为40%~60%，断面孔的总面积比为15%~40%，孔隙平均直径为0.63~1.7mm。

本发明步骤（1）所述的所述清洗过程为：将多孔基体用1~5%浓度的硝酸溶液清洗5~15min，清洗在超声波槽内进行，清洗后取出放入99.9%的酒精中在清洗5~15分钟。

本发明所述粘接剂为PVB溶液和 FB型热固性树脂按质量比为8:3~10:3的比例混合后得到的混合物，其PVB溶液质量百分比浓度为1%~7%。

本发明所述多孔基体为常规的Gasar工艺制备得到，制备工艺相关参数为：氢气气压1~6atm，保温温度1100℃~1200℃，保温时间为1min~10min。

本发明制备得到的自润滑的铜碳受电弓复合材料具有在较高的电流和高速度磨损工况下应用的能力，这是因为，在高电流高运行速度工况条件下，规则多孔铜基体与石墨都具有较高的导电能力，此外不断的高密度电流及高速摩擦将会使铜碳复合材料产生较高的温度，石墨具有极高的熔点和润滑效果，因此自润滑式铜碳受电弓复合材料都能够满足该工况条件的需要。

本发明的原理：自润滑式铜碳受电弓复合材料，是将多孔铜金属与石墨在压力下复合形成新的受电弓材料；由于石墨在高温条件下具有良好的润滑效果，能够在多孔铜金属表面形成一层石墨层，隔离了外界的直接摩擦；同时石墨与多孔铜在面积上比例在2:3~3:2之间，石墨对铜金属能够充分润滑；另一方面，石墨与铜金属都具有很高的导电性能，石墨填充后不会对复合材料的导电性能产生影响。

本发明的有益效果：

（1）本发明所述方法添加剂配方能够保证填充石墨具有极好的润滑效果、高的耐磨性能以及低密度，且添加剂配方配置简单，操作灵活。

（2）本发明所述方法制备得到的受电弓复合材料中石墨与铜金属面积比很高，加大了石墨润滑面积，实现自润滑了，具有高的润滑效果。可用于高电流及高速度磨损工况下，添加润滑剂不便的环境中。

附图说明

图1是利用Gasar工艺制备的规则多孔铜基体结构示意图；

图2是自润滑式铜碳型受电弓复合材料横截面结构示意图；

图3是自润滑式铜碳型受电弓复合材料纵向截面结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。

实施例1

本实施例所述自润滑的铜碳受电弓复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）以Gasar技术（参数：氢气气压6atm，保温温度1150℃，保温时间为5min）制备的多孔铜铬合金为原料（其特征参数为：复合材料密度ρ=3.75g/cm³，孔隙平均直径为0.63mm，孔隙率为43%；在300N载荷与45#钢摩擦副摩擦系数μ=0.035，断面孔的总面积比为15%），清洗（将多孔基体用1%浓度的硝酸溶液清洗5min，清洗在超声波槽内进行，清洗后取出放入99.9%的酒精中在清洗5min）、烘干后备用；

（2）按质量比为1:1的比例将粘接剂（为PVB溶液和 FB型热固性树脂按质量比为8:3的比例混合后得到的混合物，其PVB溶液质量百分比浓度为1%）与石墨（2000目）混合均匀后得到混合物，将混合物均匀的压入步骤（1）得到的多孔基体中，使基体骨架内部填充密实；

（3）将步骤（2）得到的试样晾干后在40℃的温度下焙烧2h，然后将式样取出放入模具中，试样上部用步骤（2）得到混合物覆盖后用5MPa的压力再次压铸成型，并保持10min，取出后在80℃中烧结1小时，将温度升至150℃℃后再烧结1小时后得到自润滑的铜碳受电弓复合材料，如图1~3所示。

实施例2

本实施例所述自润滑的铜碳受电弓复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）选择基于Gasar技术（参数：氢气气压1atm，保温温度1100℃℃，保温时间为10min）制备的纯度为99.9%的多孔纯铜（其特征参数为：孔隙率为50%，断面孔的总面积比为30%，孔隙平均直径为1.7mm）为多孔基体，清洗（将多孔基体用3%浓度的硝酸溶液清洗10min，清洗在超声波槽内进行，清洗后取出放入99.9%的酒精中在清洗10分钟）、烘干后备用；

（2）按质量比为2:1的比例将粘接剂（为PVB溶液和 FB型热固性树脂按质量比为9:3的比例混合后得到的混合物，其PVB溶液质量百分比浓度为5%）与石墨（5000目）混合均匀后得到混合物，将混合物均匀的压入步骤（1）得到的多孔基体中，使基体骨架内部填充密实；

（3）将步骤（2）得到的试样晾干后在50℃的温度下焙烧1.5h，然后将式样取出放入模具中，试样上部用步骤（2）得到混合物覆盖后用15MPa的压力再次压铸成型，并保持8min，取出后在100℃中烧结1.5小时，将温度升至160℃后再烧结1.5小时后得到自润滑的铜碳受电弓复合材料。

实施例3

本实施例所述自润滑的铜碳受电弓复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）选择基于Gasar技术（氢气气压6atm，保温温度1200℃，保温时间为1min）制备的纯度为99.99%的多孔纯铜（其特征参数为：孔隙率为60%，断面孔的总面积比为40%，孔隙平均直径为1.2mm）为多孔基体，清洗（将多孔基体用5%浓度的硝酸溶液清洗15min，清洗在超声波槽内进行，清洗后取出放入99.9%的酒精中在清洗15分钟）、烘干后备用；

（2）按质量比为3:2的比例将粘接剂（为PVB溶液和 FB型热固性树脂按质量比为10:3的比例混合后得到的混合物，其PVB溶液质量百分比浓度为7%）与石墨（10000目）混合均匀后得到混合物，将混合物均匀的压入步骤（1）得到的多孔基体中，使基体骨架内部填充密实；

（3）将步骤（2）得到的试样晾干后在60℃的温度下焙烧2h，然后将式样取出放入模具中，试样上部用步骤（2）得到混合物覆盖后用20MPa的压力再次压铸成型，并保持5min，取出后在120℃中烧结2小时，将温度升至180℃后再烧结2小时后得到自润滑的铜碳受电弓复合材料。

Claims (5)

1.一种自润滑的铜碳受电弓复合材料的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

（1）选择基于Gasar技术制备的多孔铜合金或多孔纯铜为多孔基体，清洗、烘干后备用；

（2）按质量比为1:1~3:2的比例将粘接剂与石墨混合均匀后得到混合物，将混合物均匀的压入步骤（1）得到的多孔基体中，使基体骨架内部填充密实；

（3）将步骤（2）得到的试样晾干后在40~60℃的温度下焙烧1~2h，然后将式样取出放入模具中，试样上部用步骤（2）得到混合物覆盖后用5~20MPa的压力压铸成型，并保持5~10min，取出后在80℃~120℃中烧结1~2小时，将温度升至150℃~180℃后再烧结1~2小时后得到自润滑的铜碳受电弓复合材料。

2.根据权利要求1所述的自润滑的铜碳受电弓复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述的多孔铜合金或多孔纯铜的孔隙率为40%~60%，断面孔的总面积比为15%~40%，孔隙平均直径为0.63~1.7mm。

3.根据权利要求1所述的自润滑的铜碳受电弓复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述的清洗过程为：将多孔基体用1~5%浓度的硝酸溶液清洗5~15min，清洗在超声波槽内进行，清洗后取出放入99.9%的酒精中再清洗5~15分钟。

4.根据权利要求1所述的自润滑的铜碳受电弓复合材料的制备方法，其特征在于：所述粘接剂为PVB溶液和 FB型热固性树脂按质量比为8:3~10:3的比例混合后得到的混合物，其中PVB溶液质量百分比浓度为1%~7%。

5.根据权利要求1所述的自润滑的铜碳受电弓复合材料的制备方法，其特征在于：所述石墨的粒度为2000 ~10000目。