CN106329265B - 一种用于制备动车组接地回流装置用电刷的材料 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于制备动车组接地回流装置用接地电刷的材料，包括：高纯电解铜粉、锡粉、锌粉、纯化石墨粉、润滑剂、镀铜石墨纤维、纳米氧化铝和脱模剂；其中，所述润滑剂选择二硫化钨或二硫化钼，所述脱模剂为硬脂酸盐。应用本发明用于制备动车组接地回流装置用电刷的材料制备的电刷性能优良，优于现有的电刷产品，一对电刷接触压降低，允许通过的工作电流大，防止温升过高，确保轴箱与电刷的正常工作，硬度高，磨损率和摩擦系数低，允许线速度高，可完全满足动车组的运行要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于制备动车组接地回流装置用电刷的材料，属于材料科学领域。
背景技术
在由电力提供动力源的机车上，既有获得动力的受流部件(受电弓滑板)，也必须有形成回路的接地部件(接地回流装置电刷，简称接地电刷)，以防止电流从轴承箱、轴承端、车轮、铁轨形成回路，电蚀或烧损轴承。以往由于电力牵引机车的电机功率相对较小，采用的接地电刷为一个直径为50mm，内孔直径为10～16mm，不同高度的圆环状电刷，接地电刷安装于轴承端正中。由于机车功率(电流)、速度相对较低，此结构可满足电力牵引机车的使用要求。
随着电力机车的运力、时速、安全可靠性的提高，催生了大功率交流动车组(包括高铁)的应用，机车牵引力功率从原来(电力机车)的6400KW提高至9600KW，速度由原来的160KM/h提高至250KM/h(动车组)，甚至350KM/h(高铁)，配置良好的回流接地装置(电刷)，将单个的环形接地电刷改进成3只截面为20×40mm及6只截面为10×40mm的电刷(高铁)，为确保机车安全可靠运行，有效防护轴承箱、轴承提供保障。
接地回流装置用电刷(接地电刷)，配置在接地回流装置中，作为机车主电路的一部分，安装在机车转向架的轴箱上，用以主电路回流接地的功能，其导出的电流与电机功率同步。由于以往的接地电刷使用于电力牵引机车上(最高时速170km/h)，接地电刷位于轴承端正中，对接地电刷的要求没有明确规定。通常使用的接地电刷技术满足：1、能导出电流，使接地电刷或轴箱温升不超过130℃；2)、使用寿命(以12mm为磨耗极限)不低于30万机车公里；3)、对轴承端不产生有害磨损；4)、有一定的机械强度，在使用中刷体不碎裂，联接导线不脱落，接线端子不失效。5)、使用线速度满足20m/s。
目前使用的动车组接地回流装置用接地电刷(每只装置中有3只截面为20×40mm的电刷及6只截面为10×40mm的电刷(高铁))，材料以铜-锡-石墨模压成型、加工、组装而成，存在接触电阻高、温升高、使用寿命短、对轴承端磨损严重的隐患。
发明内容
本发明为了解决现有动车组接地回流装置用接地电刷存在的技术问题，基于动车组高功率(电流极大)、高速(电刷的线速度大)、高安全可靠性的特点，提供一种用于制备动车组接地回流装置用接地电刷的材料。
本发明提供了一种用于制备动车组接地回流装置用接地电刷的材料，其特征在于，包括如下原料：
高纯电解铜粉、锡粉、锌粉、纯化石墨粉、润滑剂、镀铜石墨纤维、纳米氧化铝和脱模剂；
其中，所述润滑剂选择二硫化钨或二硫化钼；
其中，所述脱模剂为硬脂酸盐。
其中，所述动车组包括动车、高铁和城市轨道交通。
其中，所述高纯电解铜粉、锡粉、锌粉、纯化石墨粉、润滑剂、镀铜石墨纤维、纳米氧化铝和脱模剂的重量份配比为：高纯电解铜粉80-88、锡粉2.5-5.5、锌粉2-8、纯化石墨粉4-12.5、润滑剂2.5-5、镀铜石墨纤维0.2-2、纳米氧化铝0.1-0.5、脱模剂0.1-0.5。
特别是，所述高纯电解铜粉、锡粉、锌粉、纯化石墨粉、润滑剂、镀铜石墨纤维、纳米氧化铝和脱模剂的重量份配比优选为：高纯电解铜粉83-85、锡粉3-4、锌粉3-6、纯化石墨粉6-10、润滑剂3-4、镀铜石墨纤维0.5-1、纳米氧化铝0.2-0.3、脱模剂0.2-0.3。
其中，所述高纯电解铜粉的含铜量为99.70-99.95％，粒度为15～46μm，松装比为0.6～0.9g/cm3。铜粉在原料中占有较大体积比例，可使铜粉在原料中形成较发达的铜合金网络，以提高材料的导电率。
特别是，所述锡粉为37-74μm(400-200目)的雾化锡粉，含锡量不低于99％。
尤其是，所述锌粉为25-150μm(500-100目)的球状锌粉，含锌量为96-99.5％。
锡、锌原料可与铜形成连续固溶体以提高合金材料(铜-锡-锌合金材料)的机械性能、耐蚀性能，并提高材料的导电率。
特别是，所述纯化石墨粉是利用天然隐晶石墨经过提纯处理后得到的石墨粉，粒径小于1μm，纯化石墨粉的导电性能优良，并可使电刷材料具有优良的润滑性。
其中，所述润滑剂选择二硫化钨和/或二硫化钼。润滑剂的加入可以使电刷在干燥工况下保持其良好润滑的状态，特别适用于在较高压力下高线速度的要求，并对轴箱轴承起到的减磨作用。
尤其是，所述二硫化钨为灰色晶状粉末，为天然提纯或化学合成所得，二硫化钨具有极低的摩擦系数和较高的PV特性，润滑性能好，抗压强度大。
特别是，所述二硫化钼为灰黑色固体粉末，有金属光泽，二硫化钼具有极低的摩擦系数及较高的PV特性，适用于高真空、高温下的润滑工况。
其中，所述镀铜石墨纤维为采用化学镀的方法在石墨纤维长丝表面镀覆铜层后，剪切而得，其具有良好的导电、导热和耐磨性能，并能平衡接地电刷工作面的润滑膜，确保轴箱轴承端与电刷接触良好(接触电阻低)，防止发热。
特别是，所述镀铜石墨纤维由线径7μm的石墨纤维长丝镀铜后，再短切成长度为5-15mm的镀铜石墨短切纤维，具有导电性能好，耐磨及平衡氧化膜，降低接触电阻的功能。
其中，所述纳米氧化铝的粒度为5-10纳米。
本发明所述的纳米氧化铝为纳米氧化铝的醇类溶液，为透明液体，质量分数为20-30％；其他形态的纳米氧化铝，如纳米氧化铝粉末等均适用于本发明；纳米氧化铝在醇类溶液中具有很好的相容性，因此在使用时将纳米氧化铝溶于醇溶液中，再与其它原料混合，更容易与其它原料混合均匀。本发明制备的电刷原料中加入纳米氧化铝，可以提高电刷制品的硬度和尺寸稳定性，提高材料的冷热疲劳性，改善材料的耐磨性能，使材料具有更长的使用寿命，使回流接地装置长期稳定工作。
其中，所述脱模剂为硬脂酸盐，可以是硬脂酸锌、硬脂酸钙、硬脂酸钡或硬脂酸铅中的一种或几种。脱模剂的加入可以减少原料粉末间及粉末与模具间的摩擦力，并使材料均匀紧密，有利于压坯达到预期的密度。
本发明的优点和有益技术效果如下：
1、本发明用于动车组接地回流装置用电刷的材料，一对电刷接触压降低，允许通过工作电流极大，防止电刷使用过程中温升过高，确保轴箱与电刷的正常工作。
2、本发明用于制备动车组接地回流装置用电刷的材料中添加的镀铜石墨纤维为平衡氧化膜材料，防止接触电阻增大，有效防止高压对轴箱、轴承的电蚀。
3、本发明用于制备动车组接地回流装置用电刷的材料采用润滑组份，协同石墨粉，确保严重缺水条件下的润滑功能，防止轴承端与接地电刷摩擦产生大量热量。
4、应用本发明用于制备动车组接地回流装置用电刷的材料制备的电刷性能优良，一对电刷接触压降低，允许通过的工作电流大，防止温升过高，确保轴箱与电刷的正常工作，硬度高，磨损率和摩擦系数低，允许线速度高，可完全满足动车组的运行要求。
具体实施方式
下面结合具体实施例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但这些实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。
原料与试剂：
高纯电解铜粉铜粉购自苏州福田高新粉末有限公司，是用电解铜板，通过低电压大电流制得的粒度46μm(300目)、松装比小于0.9g/cm3的树枝状发达的玫瑰色粉末；
锡粉购自江西赣州白塔有色金属粉末有限公司，锡粉为46μm(300目)的雾化锡粉，含锡量不低于99.5％；
锌粉购自上海岷珉氧化锌有限公司，所用锌粉46μm(300目)、含锌量99.0％的球状锌粉；
纯化石墨粉购自湖南郴州精工石墨有限公司，是用天然隐晶石墨通过高温通气提纯处得到的纯化石墨粉，含碳量达到99.95～99.99％，颗粒度为100nm(12500目)，属亚纳米级石墨粉；
二硫化钨购自长沙市华京粉体材料科技有限公司，是通过化学合成的高纯度二硫化钨，颗粒度为46μm(300目)，含二硫化钨量不低于99.7％；
二硫化钼购自金堆城钼业股份有限公司，为天然矿料经提纯得到的大颗粒二硫化钼，颗粒度为46μm(300目)，含二硫化钼量不低于99.5％；
镀铜石墨纤维购自某高等院校所属公司，是由线径7μm的石墨碳纤维长丝镀铜后，再短切成长度为5-15mm的镀铜石墨纤维；
纳米氧化铝透明液体XZ-LY101购自合肥翔正化学科技有限公司公司，固含量为20％-25％，其中纳米氧化铝的颗粒度为5-10纳米；
硬脂酸锌购自上海延安油脂化工有限公司，是具有滑腻感的白色黏结细粉；
硬脂酸钙购自上海延安油脂化工有限公司，是一种具有手感滑腻，蓬松、精细的白色粉末；
硬脂酸钡购自上海延安油脂化工有限公司，是一种具有淡淡的脂肪味，细而白的晶体粉末；
硬脂酸铅购自上海延安油脂化工有限公司，为一种白色细粉。
实施例1
1、原料准备
按如下重量份配比准备原料：
2、制得预混料
在常温下，将准备好的高纯电解铜粉、锡粉、锌粉、纯化石墨粉、二硫化钼和镀铜石墨纤维加入到V型混合机中，闭盖混合30min，制得第一预混料；
接着将纳米氧化铝醇溶液(质量分数25％)喷洒加入到已经混合好的第一混合料中，闭盖混合60min，制得第二预混料；
最后将硬脂酸锌加入到已经混合好的第二混合料中，闭盖混合60min，制得预混料。
3、干燥处理
将预混料置于真空干燥箱中，在30℃下干燥2h，除去其中的液体物质。
4、压制处理
将干燥后的预混料置于模具中，在315T四柱立式油压机上进行压制处理，其中压制处理的压强为40MPa，制得尺寸为22×42×110mm的电刷压坯。
5、烧结处理
将电刷压坯装在不锈钢孔板上，置于烧结炉中，在氨分解气体保护下烧结，并打开制氮机，调节氢气和氮气的比例为20:80，在13h内将炉内温升到900℃，并保温4h，制得电刷坯料。
6、时效处理
将烧结后的电刷坯料置于恒温鼓风干燥箱中，在280℃下加热4h，经过时效处理后电刷材料的稳定性得到进一步提高。
7、成品加工
按图纸加工成成品电刷，经过磨型、倒角、钻孔、填线、装配、镀锡等处理，得到电刷成品。
8、电刷性能测试
对制得的接地电刷坯料，按照《JB/T 8133.1-2013电炭制品物理化学性能试验方法第1部分:试样加工技术规定》加工成10mm×10mm×64mm试样及12.5mm×25mm×40mm的碳刷，并按照《JB/T8133.2-2013电炭制品物理化学性能试验方法第2部分：电阻率》、《JB/T8133.3-2013电炭制品物理化学性能试验方法第3部分：洛氏硬度》、《JB/T8133.7-2013电炭制品物理化学性能试验方法第7部分：抗折强度》、《JB/T8133.14-2013电炭制品物理化学性能试验方法第14部分：体积密度》、《JB/T 8155-2001电机用电刷运行性能试验方法》进行性能测试，测试结果见表1。
实施例2
1、原料准备
按如下重量份配比准备原料：
2、制得预混料
在常温下，将准备好的高纯电解铜粉、锡粉、锌粉、纯化石墨粉、二硫化钼和镀铜石墨纤维加入到V型混合机中，闭盖混合35min，制得第一预混料；
接着将纳米氧化铝醇溶液(质量分数25％)喷洒加入到已经混合好的第一混合料中，闭盖混合70min，制得第二预混料；
最后将硬脂酸锌加入到已经混合好的第二混合料中，闭盖混合50min，制得预混料。
3、干燥处理
将预混料置于真空干燥箱中，在25℃下干燥2.5h，除去其中的液体物质。
4、压制处理
将干燥后的预混料置于模具中，在315T四柱立式油压机上进行压制处理，其中压制处理的压强为42MPa，制得尺寸为22×42×110mm的电刷压坯。
5、烧结处理
将电刷压坯装在不锈钢孔板上，置于烧结炉中，在氨分解气体保护下烧结，并打开制氮机，调节氢气和氮气的比例为20:80，在10h内将炉内提高到905℃，并保温5h，制得电刷坯料。
6、时效处理
将烧结后的电刷坯料置于恒温鼓风干燥箱中，在265℃下加热5h，经过时效处理后电刷材料的稳定性得到进一步提高。
7、成品加工
按图纸加工成成品电刷，经过磨型、倒角、钻孔、填线、装配、镀锡等处理，得到电刷成品。
8、电刷性能测试
对制得的接地电刷坯料，按照《JB/T 8133.1-2013电炭制品物理化学性能试验方法第1部分:试样加工技术规定》加工成10mm×10mm×64mm试样及12.5mm×25mm×40mm的碳刷，并按照《JB/T8133.2-2013电炭制品物理化学性能试验方法第2部分：电阻率》、《JB/T8133.3-2013电炭制品物理化学性能试验方法第3部分：洛氏硬度》、《JB/T8133.7-2013电炭制品物理化学性能试验方法第7部分：抗折强度》、《JB/T8133.14-2013电炭制品物理化学性能试验方法第14部分：体积密度》、《JB/T 8155-2001电机用电刷运行性能试验方法》进行性能测试，测试结果见表1。
实施例3
1、原料准备
按如下重量份配比准备原料：
2、制得预混料
在常温下，将准备好的高纯电解铜粉、锡粉、锌粉、纯化石墨粉、二硫化钼和镀铜石墨纤维加入到V型混合机中，闭盖混合40min，制得第一预混料；
接着将纳米氧化铝醇溶液(质量分数25％)喷洒加入到已经混合好的第一混合料中，闭盖混合80min，制得第二预混料；
最后将硬脂酸锌加入到已经混合好的第二混合料中，闭盖混合40min，制得预混料。
3、干燥处理
将预混料置于真空干燥箱中，在20℃下干燥3h，除去其中的液体物质。
4、压制处理
将干燥后的预混料置于模具中，在315T四柱立式油压机上进行压制处理，其中压制处理的压强为43MPa，制得尺寸为22×42×110mm的电刷压坯。
5、烧结处理
将电刷压坯装在不锈钢孔板上，置于烧结炉中，在氨分解气体保护下烧结，并打开制氮机，调节氢气和氮气的比例为25:75，在16h内将炉内提高到910℃，并保温8h，制得电刷坯料。
6、时效处理
将烧结后的电刷坯料置于恒温鼓风干燥箱中，在250℃下处理10h，经过时效处理后电刷材料的稳定性得到进一步提高。
7、成品加工
按图纸加工成成品电刷，经过磨型、倒角、钻孔、填线、装配、镀锡等处理，得到电刷成品。
8、电刷性能测试
对制得的接地电刷坯料，按照《JB/T 8133.1-2013电炭制品物理化学性能试验方法第1部分:试样加工技术规定》加工成10mm×10mm×64mm试样及12.5mm×25mm×40mm的碳刷，并按照《JB/T8133.2-2013电炭制品物理化学性能试验方法第2部分：电阻率》、《JB/T8133.3-2013电炭制品物理化学性能试验方法第3部分：洛氏硬度》、《JB/T8133.7-2013电炭制品物理化学性能试验方法第7部分：抗折强度》、《JB/T8133.14-2013电炭制品物理化学性能试验方法第14部分：体积密度》、《JB/T 8155-2001电机用电刷运行性能试验方法》进行性能测试，测试结果见表1。
实施例4
1、原料准备
按如下重量份配比准备原料：
2、制得预混料
在常温下，将准备好的高纯电解铜粉、锡粉、锌粉、纯化石墨粉、二硫化钼和镀铜石墨纤维加入到V型混合机中，闭盖混合20min，制得第一预混料；
接着将纳米氧化铝醇溶液(质量分数25％)喷洒加入到已经混合好的第一混合料中，闭盖混合40min，制得第二预混料；
最后将硬脂酸锌加入到已经混合好的第二混合料中，闭盖混合80min，制得预混料。
3、干燥处理
将预混料置于真空干燥箱中，在40℃下干燥1h，除去其中的液体物质。
4、压制处理
将干燥后的预混料置于模具中，在315T四柱立式油压机上进行压制处理，其中压制处理的压强为38MPa，制得尺寸为22×42×110mm的电刷压坯。
5、烧结处理
将电刷压坯装在不锈钢孔板上，置于烧结炉中，在氨分解气体保护下烧结，并打开制氮机，调节氢气和氮气的比例为15:85，在8h内将炉内提高到880℃，并保温2h，制得电刷坯料。
6、时效处理
将烧结后的电刷坯料置于恒温鼓风干燥箱中，在300℃下处理3h，经过时效处理后电刷材料的稳定性得到进一步提高。
7、成品加工
按图纸加工成成品电刷，经过磨型、倒角、钻孔、填线、装配、镀锡等处理，得到电刷成品。
8、电刷性能测试
对制得的接地电刷坯料，按照《JB/T 8133.1-2013电炭制品物理化学性能试验方法第1部分:试样加工技术规定》加工成10mm×10mm×64mm试样及12.5mm×25mm×40mm的碳刷，并按照《JB/T8133.2-2013电炭制品物理化学性能试验方法第2部分：电阻率》、《JB/T8133.3-2013电炭制品物理化学性能试验方法第3部分：洛氏硬度》、《JB/T8133.7-2013电炭制品物理化学性能试验方法第7部分：抗折强度》、《JB/T8133.14-2013电炭制品物理化学性能试验方法第14部分：体积密度》、《JB/T 8155-2001电机用电刷运行性能试验方法》进行性能测试，测试结果见表1。
对照例1
以市售的电刷材料(中国电碳厂家，J164型号)作为对照例1。
按照《JB/T 8133.1-2013电炭制品物理化学性能试验方法第1部分:试样加工技术规定》加工成10mm×10mm×64mm试样及12.5mm×25mm×40mm的碳刷，并按照《JB/T8133.2-2013电炭制品物理化学性能试验方法第2部分：电阻率》、《JB/T8133.3-2013电炭制品物理化学性能试验方法第3部分：洛氏硬度》、《JB/T8133.7-2013电炭制品物理化学性能试验方法第7部分：抗折强度》、《JB/T8133.14-2013电炭制品物理化学性能试验方法第14部分：体积密度》、《JB/T 8155-2001电机用电刷运行性能试验方法》进行性能测试，测试结果见表1。
对照例2
以市售的电刷材料(中国电碳厂家，J105型号)作为对照例2。
按照《JB/T 8133.1-2013电炭制品物理化学性能试验方法第1部分:试样加工技术规定》加工成10mm×10mm×64mm试样及12.5mm×25mm×40mm的碳刷，并按照《JB/T8133.2-2013电炭制品物理化学性能试验方法第2部分：电阻率》、《JB/T8133.3-2013电炭制品物理化学性能试验方法第3部分：洛氏硬度》、《JB/T8133.7-2013电炭制品物理化学性能试验方法第7部分：抗折强度》、《JB/T8133.14-2013电炭制品物理化学性能试验方法第14部分：体积密度》、《JB/T 8155-2001电机用电刷运行性能试验方法》进行性能测试，测试结果见表1。
表1 电刷性能参数
由表1数据可知，与现有的电刷产品相比，应用本发明材料制备的动车组接地回流装置用电刷的性能明显优于现有的电刷产品，应用本发明材料制备的动车组接地回流装置用电刷，一对电刷接触压降低，允许通过的工作电流大，防止温升过高，确保轴箱与电刷的正常工作，硬度高，磨损率和摩擦系数低，允许线速度高，可完全满足动车组的运行要求。
Claims (3)
1.一种用于制备动车组接地回流装置用接地电刷的材料，其特征在于，包括如下原料：
高纯电解铜粉、锡粉、锌粉、纯化石墨粉、润滑剂、镀铜石墨纤维、纳米氧化铝和脱模剂；
其中，所述润滑剂选择二硫化钨或二硫化钼；
其中，所述脱模剂为硬脂酸盐；
其中，所述锡粉、锌粉、润滑剂、纳米氧化铝的重量份配比为：锡粉2.5-5.5、锌粉2-8、润滑剂2.5-5、纳米氧化铝0.1-0.5；
其中，所述高纯电解铜粉、纯化石墨粉、镀铜石墨纤维和脱模剂的重量份配比为：高纯电解铜粉80-88、纯化石墨粉4-12.5、镀铜石墨纤维0.2-2、脱模剂0.1-0.5；
其中，所述高纯电解铜粉、纯化石墨粉、镀铜石墨纤维和脱模剂与所述锡粉、锌粉、润滑剂和纳米氧化铝的重量份单位相同。
2.如权利要求1所述的用于制备动车组接地回流装置用接地电刷的材料，其特征在于，所述锡粉、锌粉、润滑剂、纳米氧化铝的重量份配比为：锡粉3-4、锌粉3-6、润滑剂3-4、纳米氧化铝0.2-0.3。
3.如权利要求1所述的用于制备动车组接地回流装置用接地电刷的材料，其特征在于，所述高纯电解铜粉、纯化石墨粉、镀铜石墨纤维和脱模剂的重量份配比为：高纯电解铜粉83-85、纯化石墨粉6-10、镀铜石墨纤维0.5-1、脱模剂0.2-0.3。
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-
2015
- 2015-07-01 CN CN201510377551.4A patent/CN106329265B/zh active Active
Patent Citations (7)
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