CN105543534A

CN105543534A - 一种铜基受电弓滑板材料及其制备方法

Info

Publication number: CN105543534A
Application number: CN201510952423.8A
Authority: CN
Inventors: 杨军; 程军; 刘维民; 乔竹辉; 朱圣宇
Original assignee: Lanzhou Institute of Chemical Physics LICP of CAS
Current assignee: Lanzhou Institute of Chemical Physics LICP of CAS
Priority date: 2015-12-18
Filing date: 2015-12-18
Publication date: 2016-05-04
Anticipated expiration: 2035-12-18
Also published as: CN105543534B

Abstract

本发明公开了一种铜基受电弓滑板材料，该材料所包含的组分及其在材料中所占的质量百分比为：Cu？58～86%、Fe？3～10%、Cr？1～5%、Ni？1～5%、Zn？2～5%、Sn？5～10%、Pb？1～5%、石墨？1～2%。本发明还公开了该材料的制备方法。本发明所叙述的铜基受电弓滑板主要应用于单轨列车的受电弓网系统，连接受流装置与轨道导线，将电网电流传递给车辆，为车辆提供动力。本发明所叙述的铜基受电弓滑板材料具有较高强度、低摩擦磨损、抗电弧烧蚀、高导电率、对网线磨耗低等特点。本发明工艺简单，成本较低、具有广泛的应用前景。

Description

一种铜基受电弓滑板材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种轨道电力机车用铜基受电弓滑板材料及其制备方法。

背景技术

受电弓滑板是轨道电力机车的关键部件之一，用于连接受流装置与轨道导线，将电网电流传递给车辆，为车辆提供动力。受电弓滑板属于高耗品，在机车运行时与导线发生磨损和电弧烧蚀的耦合作用而被消耗。因此，受电弓滑板对列车的安全可靠运行以及运营成本具有重要的影响。为了满足实际应用要求，高性能长寿命受电弓滑板必须要具备两个条件：一是要能够承受高速滑动、大电流、高接触电压和冲击等苛刻条件下导致的冲击、机械磨损和电弧磨损；二是要对接触网线的磨耗要小。上述两点对滑板的选材提出了极为严苛的要求，即材料须同时具备低磨损、自润滑、耐电弧烧蚀以及良好的抗冲击强度和电导率等特性。目前在我国电力机车用各类滑板中，铜基粉末冶金滑板使用广泛，但国产滑板存在耐磨损、耐电弧烧蚀性能差、导致使用寿命低等缺点，而高性能的滑板仍然依靠进口，价格昂贵。

文献一（铁路机车车辆，2005，25（6）：65-68），铁科院、西安铁路局等单位联合研制的金属（铁、铜）粉末冶金滑板，其润滑成分主要包含碳、铅和二硫化钼等，该型滑板冲击韧性较好，摩擦系数低，是我国20世纪80年代100Km/h干线的定型产品，但其抗拉弧能力较差，对铜接触导线磨耗大，达到14mm²/万架次。

文献二，专利CN10231439A公开了一种镀铜碳纳米管增强受电弓滑板材料及其制备方法，主要以铜粉为基体，镀铜碳纳米管为增强剂，Ti₃SiC₂和TiB₂颗粒为改性剂。制备的材料性能良好，抗拉强度320MPa，冲击韧性14.5J/cm²，布氏硬度65HB，室温电阻率0.15μΩ·m。但该滑板材料使用的增强剂和改性剂成本较高且其表面均需预先镀铜处理从而进一步增加了成本，同时制备工艺较复杂，工业化生产比较困难。

文献三，专利CN102206771A公开了一种受电弓滑板复合材料及其制备方法，通过将Ti₃AlC₂陶瓷颗粒表面化学镀铜来解决现有铜基受电弓滑板陶瓷增强相与铜基体之间界面湿润性差、结合强度低的问题。研究结果表明：复合材料界面结合性能好，硬度92.3～93.3HB，抗拉强度230～300MPa，摩擦系数0.15～0.4。但同样，该型材料也存在增强相成本较高，化学镀铜工艺将提高成本和使工艺复杂化，从而难以大规模生产等问题。

文献四，专利CN103469123A公开了一种碳纤维增强铜基受电弓滑板材料，材料由铜、石墨、镀铜碳纤维组成，采用放电等离子技术（SPS）将基料和碳纤维烧结在一起。该材料硬度139HB，电阻率0.078Ω·m，未见抗冲击强度、电导率、对网线磨耗等其它性能数据。该工艺也难以规模化生产。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有真正实用价值的耐电弧烧蚀、磨损低、自润滑、导电率高、抗冲击能力强、对网线磨耗低等特性的粉末冶金铜基受电弓滑板材料及其制备方法，该材料制备工艺简单，可工业化生产。

一种铜基受电弓滑板材料，其特征在于该材料所包含的组分及其在材料中所占的质量百分比为：Cu58～86%、Fe3～10%、Cr1～5%、Ni1～5%、Zn2～5%、Sn5～10%、Pb1～5%、石墨1～2%。

所述铜的粒度为200～250目，纯度大于99%。

如上所述铜基受电弓滑板材料的制备方法，其特征在于该制备方法的具体步骤如下：称取Cu、Fe、Cr、Ni、Zn、Sn、Pb、C粉末，在球磨机中以300～500r/min的速度混合6～8小时；将球磨混合后的物料放入钢质模具冷压成形，外加压力为600～1000Mpa，然后将冷压坯体置于氨分解气氛网带炉中烧结，冷却即得铜基受电弓滑板材料。

所述球磨时的球料比为1:2至1:4。

所述烧结的条件：温度800～850℃，保温时间1～3小时。

网带炉属于现有技术，为流水线生产，传送带将待烧结滑块输送至烧结区，通过调控传送速率来保证其烧结时间，烧结连续进行，是常用的工业化生产方式。

所添加的固体润滑剂种类是决定粉末冶金铜基受电弓滑板使用寿命和接触网磨耗的关键。本发明所述软金属Pb和石墨作为固体润滑剂，能有效降低弓网之间的摩擦系数和接触网的磨耗；Sn元素提高受电弓滑板的耐磨性；Cr元素提高受电弓滑板的耐电弧烧蚀能力；Fe、Ni、Zn元素提高受电弓滑板的材料力学性能。因此，本发明采用在Cu基体中添加Fe、Cr、Ni、Zn、Sn、Pb、C等元素以及通过调节其含量来获得综合性能良好的粉末冶金铜基受电弓滑板。

采用HB-3000B布氏硬度计测试材料布氏硬度。采用冲击试验机测试材料冲击韧性。采用直流两用电桥方法测试材料电阻率。采用材料力学性能试验机测试材料拉伸强度。采用浮力法测试材料密度。采用扫描电镜分析材料的组织形貌。

本发明的特点之一是：滑板原材料价格低，粉末无需特殊处理；所需设备简单，工艺可控，适合工业化生产。

本发明的特点之二是：滑板材料能够兼顾电学、力学和摩擦学性能，综合性能优异。

本发明的特点之三是：本发明所述的受电弓滑板进行了实际运营考核，满足使用要求，寿命达到10mm/万机车公里。

具体实施方式

实施例1

按照质量百分比为：Fe9%、Ni1.5%、Cr1%、Zn5%、Sn6.5%、Pb3%、C1%、Cu73%，分别称取各物料粉末，在球磨机中以350r/min的速度干混合6小时，球料比1:2，将球磨混合后的物料放入钢质模具冷压成型，外加压力800MPa，然后将坯体置于氨分解气氛网带炉中烧结，在温度820℃保温1.5小时。烧结完成后，材料冷却至室温取出。

材料的性能如表1所示。

表1：实施例1材料各项性能指标

实施例2

按照质量百分比为：Fe5.5%、Ni2%、Cr3%、Zn4%、Sn8%、Pb4%、C1.5%、Cu72%，分别称取各物料粉末，在球磨机中400r/min的速度下干混合8小时，球料比1:3，将球磨混合后的物料放入钢质模具冷压成型，外加压力1000MPa，然后将坯体置于氨分解气氛网带炉中烧结，在温度850℃保温2小时。烧结完成后，材料冷却至室温取出。

材料的性能如表2所示。

表2：实施例2材料各项性能指标

实施例3

按照质量百分比为：Fe8%、Ni4%、Cr5%、Zn5%、Sn9%、Pb5%、C1%、Cu63%，分别称取各物料粉末，在球磨机中450r/min的速度下干混合8小时，球料比1:4，将球磨混合后的物料放入钢质模具冷压成型，外加压力1000MPa，然后将坯体置于氨分解气氛网带炉中烧结，在温度830℃保温3小时。烧结完成后，材料冷却至室温取出。

材料的性能如表3所示。

表3：实施例3材料各项性能指标

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Claims

1.一种铜基受电弓滑板材料，其特征在于该材料所包含的组分及其在材料中所占的质量百分比为：Cu58～86%、Fe3～10%、Cr1～5%、Ni1～5%、Zn2～5%、Sn5～10%、Pb1～5%、石墨1～2%。

2.如权利要求1所述的材料，其特征在于所述铜的粒度为200～250目，纯度大于99%。

3.如权利要求1或2所述铜基受电弓滑板材料的制备方法，其特征在于该制备方法的具体步骤如下：称取Cu、Fe、Cr、Ni、Zn、Sn、Pb、C粉末，在球磨机中以300～500r/min的速度混合6～8小时；将球磨混合后的物料放入钢质模具冷压成形，外加压力为600～1000MPa，然后将冷压坯体置于氨分解气氛网带炉中烧结，冷却即得铜基受电弓滑板材料。

4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于所述球磨时的球料比为1:2至1:4。

5.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于所述烧结的条件：温度800～850℃，保温时间1～3小时。