CN107779654A - 一种列车接地装置集电盘用合金材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种列车接地装置集电盘用金属材料，包括重量百分比的以下成分，Cu 50%‑70%，Sn 0.2%‑5%，Pb 0.2%‑4.2%，余量为Zn和不可避免的杂质。本发明的接地装置集电盘用金属材料，由黄铜合金作为基础材料，加入一定量的铅和锡元素构成铜合金，与现有的集电盘青铜材料相比，本发明的新型铜合金材料具有良好的导电性，以及与Cu‑C碳刷匹配使用时更加突出的耐磨性。

Description

一种列车接地装置集电盘用合金材料

技术领域

本发明涉及一种合金材料，特别涉及一种用于制备高速列车接地装置集电盘的合金材料，属于高铁专用特种材料。该集电盘的材料以黄铜合金为基础材料，具有优异的综合性能，满足高速列车集电盘使用环境要求。

背景技术

铜具有良好的导电性和延展性，被广泛应用于各种电子设备、电力传输中。为了改善铜材料的性能，常常在铜中加入其它元素，形成铜合金，以满足不同的性能需求。

列车接地装置集电盘(又称摩擦盘)是接地装置的关键零件之一，其服役条件要求集电盘具有优异的综合性能，包括导电性能和耐磨性能。适宜的成分是确保其性能的基础，目前普遍采用的是青铜合金材料制备的集电盘，青铜合金的导电性能和耐磨性能基本满足低速运行状态下的列车使用要求。但是，青铜合金材料在列车高速工作条件下使用寿命有限，主要因为随着列车运行的速度增加，集电盘的工作环境严重恶化，青铜合金材料的性能快速衰减，进而使得其使用寿命大幅度的降低。

现有技术中，中国专利CN 106399747 A公开了一种铜合金，通过添加3.5-5.5％锡、4.0-6.0％锌、1-3％镍、1.5-3.5％铅、0.2-0.4铍制成。该铜合金经过摩擦实验，耐磨性较好，结果比较理想。但是铜合金集电盘不但需要保证良好的耐磨性，还需要具有良好的导电性能，各方面性能需要达到均衡。特别是对于高速列车的集电盘应用环境而言，对于集电盘的性能要求更高。如高铁运行速度超过300km/h，在如此高速的运行状态下，集电盘需要保证高铁电传导性能优良，同时兼顾集电盘的耐磨性能。

黄铜也是一种可以用作制造集电盘的材料，但普通黄铜集电盘材料难以满足其在高速列车接地装置中复杂苛刻的工况要求，需要通过向基体中加入其它合金元素，通过这些合金元素与基体，以及合金元素之间的相互作用来获得所需性能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中青铜合金材料的集电盘在列车高速工作状态下使用寿命不足的问题，提供一种列车接地装置集电盘用铜合金材料。所述集电盘用的金属材料是一种全新的铜合金材料，能够更好的耐受高速列车运行状态下的恶劣环境提供更好的集电盘耐磨性和导电性能。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种列车接地装置集电盘用铜合金材料，包括重量百分比的以下成分，Cu 50％-70％，Sn 0.2％-5％，Pb 0.2％-4.2％，余量为Zn和不可避免的杂质。

本发明提供的列车接地装置集电盘用金属材料属于黄铜合金材料，该种材料生产的列车接地装置集电盘在时速300KM/H以上的高速列车上使用时具有足够的寿命，能够更好的提供安全可靠的集电盘工作性能。本发明的合金材料是铜合金，具体是黄铜合金，本发明的材料在高速列车集电盘上应用时，具有良好的耐磨性和导电性，可以很好的完成对于电能传输的作用，并且在高速列车接地装置中应用具有很好的耐久性。

进一步，所述铜合金材料中铜含量大于55％，更优选铜含量大于57％。金属材料中的铜元素含量优选后，铜元素含量范围不宜过低，过低的铜含量会引起导电性能降低，应当确保合金中铜的含量较为适宜，满足合金制造要求。同时，铜含量也不能过高，过高的铜含量(超过70％)会导致合金磨损性能变差。最优选铜含量为57％-67％，合金中铜元素的含量比例范围可以列举的选择58％、59％、60％、61％、62％、63％、64％、65％等比例，对于合金的金相形貌控制都是较为有利的，集电盘的导电性和耐磨性都是较好的。

进一步，所述合金材料中锡的含量0.3％-4％，一般认为锡含量增加可以提高材料硬度，增强耐磨性，但锡含量增加同时也会导致合金材料的导电性能劣化。所以锡含量也不能太高，更优选的锡含量为0.5％-3％。如果锡含量不能控制在适宜的范围内，那么合金材料的整体硬度不能达到理想的范围，同时又增加材料电阻影响实际使用效果，经过发明人大量实验研究发现最优选锡含量0.6％-2％，当合金中锡含量在此范围内时，材料的耐磨性基本达到最佳平台范围，并且合金的导电性能有保障。

本发明的集电盘合金材料与现有技术中的方案相比，例如中国专利CN106399747A相比，虽然锡含量相对控制在较低的范围，但是耐磨性基本达到现有技术的水平或超过现有合金，同时合金材料的导电性更优，这主要是因为本发明的合金材料的制备原料选择基础为黄铜合金，黄铜合金因为其材料的选择应用不同，各种成分添加应用以后的增强作用不同，实现的效果存在显著差异。

进一步，所述合金材料中铅Pb含量小于4.1％。Pb加入到黄铜合金中可以使得铜合金金相发生变化，产生Pb相，该相对于提高集电盘的耐磨性有显著有益作用。锡元素和铅元素的含量对于集电盘的耐磨性和导电性能有一定的影响，如果两者的用量比例不当，可导致集电盘的耐磨性和导电性能劣化。优选地锡和铅含量范围，使得两者能够协同配合，避免相互性能的抵触，能够更好的保证合金制备集电盘的性能优秀，更好地满足集电盘应用要求。

同时，本发明还提供了一种制备上述合金材料(铜合金、金属材料)的方法，具体包括以下步骤：

(1)选用黄铜合金作为基础母料，按比例计算并称取黄铜合金，采用感应电炉在1250-1310℃下熔化黄铜母料，保温0.5-2小时。

(2)降温至900-1200℃，加入铅、锡的合金原料。搅拌熔化1-2小时，连续铸造成黄铜锭，600-700℃退火3-7小时，风冷至室温。

或直接浇入相应铸模成形集电盘。

本发明的制备方法中，所述的合金元素材料可以是铅、锡的纯材料，当然也可以使用中间合金材料，相应的金属原材料中可能含有一定量的杂质成分，应当理解其中所含的杂质成分是必然的，是可以被冶金过程所接受的。将熔融均匀的合金料液浇铸成锭，于600-700℃退火保证均匀的物料转化为品质优良的合金相，并消除合金内部应力，使得合金锭的稳定性更好，更能适用于高速轨道列车上。

进一步优选地，制备合金材料的过程中，步骤1优选熔化母料的温度为1260-1300℃。更优选的，熔化温度为1270-1300℃。将黄铜母料加热到此温度范围，使得物料充分熔化形成均匀合金液，消除金相对于合金液的影响。然后降温添加的铅、锡等原料之间相互充分反应，得到质地均匀、品质优良的合金液。更有利于后续铸锭、退火得到产品品质的保障。

同时，优选加热保温时间为1-2小时，最好是60-100分钟。熔化母料(黄铜合金)的时候，加热温度应当达到一定的值才能很好的保证母料充分熔化，良好流动性，利于后续添加成分的混合均匀、晶相固溶整齐。

进一步，步骤2中，加入铅合金、锡合金，代替加入单质锡和铅。单质铅的熔点为327.5℃，单质锡熔点为231.9℃，熔点较低，直接加入到熔化的黄铜合金中，高温会造成锡、铅的损失，不利于其含量控制。先将锡、铅加工成合金原料，再加入熔化的黄铜合金熔液中，可以有效的防止单质铅和单质锡加入黄铜熔融化的母液中时母液温度过高造成的单质损失。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明的接地装置集电盘用金属材料，由黄铜合金作为基础材料，加入一定量的铅和锡元素构成铜合金，与现有的集电盘青铜材料相比，本发明的新型铜合金材料具有良好的导电性，以及与Cu-C碳刷匹配使用时更加突出的耐磨性。

2、本发明的的新型铜合金集电盘的耐磨能特性有极大提高，特别是集电盘在高速运行状态下的耐磨性较青铜材料的集电盘有极大的提升。当列车运行速度大于300km/h时，高速列车上使用时耐磨特性表现尤为突出，能够达到现有的青铜集电盘数倍的耐磨特性。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。本发明中未特别说明的百分比均为重量百分比。

<实施例1>

黄铜合金材料，按照下表1记载的的比例选择应用合金原料成分，将合金在1200℃下熔化后浇入集电盘铸模制成高速列车集电盘。

表1各元素的用量比例(％)

	实施例1-1	实施例1-2	实施例1-3	实施例1-4	实施例1-5
						铜	56	57.8	61.2	62.0	64.4
锡	1.7	1.2	1.1	1.8	1.3
						铅	2.1	1.8	2.3	3.0	2.7
杂质	＜4.0	＜4.0	＜4.0	＜4.0	＜4.0
						锌	余量	余量	余量	余量	余量

加工得到的黄铜合金集电盘材料，外观无可见铸造缺陷，内部组织致密，与青铜集电盘相比，更具有成品率高的特点。

测试

将实施例1制备得到的黄铜集电盘对硬度和导电性能进行检测，按照国标GB/T231.1-2002方法测试集电盘合金硬度，用导电仪按YS/T 478-2005测试方法测试合金的导电率，采用载流磨耗试验台对磨损性能检测，并将其与现有的青铜合金集电盘进行对比。结果如表2所示，本发明的新型铜合金集电盘的综合性能表现优异，和现有的青铜合金集电盘相比，能够更好的应用于高速列车上。

表2集电盘耐磨性能测试

	实施例1-1	实施例1-2	实施例1-3	实施例1-4	实施例1-5	青铜集电盘
							耐磨性(10万km)	0.006	0.01	0.025	0.021	0.04	0.006
导电性能(IACS％)	16	20	23	25	30	16

同时，综合分析来看，黄铜合金中铜的含量比例变大的时候对于铜合金的导电性能增加，而后当黄铜的含量比例超过65％范围时，则表现出磨损性能很差，如果Cu含量低于50％，导电性很差；因此表明黄铜合金中铜的用量比例50％-65％的情况下，能够实现良好的综合性能。如果控制黄铜合金的铜含量不当，则黄铜合金的整体性能难以进一步的提升/改善。

<实施例2>

黄铜合金，优化调整黄铜合金中的锡和铅的含量，设计出锡和铅的含量在范围内波动变化的黄铜合金材料。加热黄铜合金原料至1150℃，保持30分钟，熔化得到黄铜合金液，降温至1000℃，加入锡和铅，实现黄铜合金的冶炼，冶炼完成后铸造成集电盘，并将此黄铜集电盘精加工处理，得到合适的黄铜集电盘成品。

表3合金中各元素的用量比例(％)

	实施例2-1	实施例2-2	实施例2-3	实施例2-4	实施例2-5	实施例2-6
							铜	61.2	63.4	61.2	61.8	62.0	62.1
锡	0.5	0.7	1.3	1.8	1.7	2.3
							铅	0.4	0.8	1.3	2.5	2.9	3.6
杂质	-	-	-	-	-	-
							锌	余量	余量	余量	余量	余量	余量

加工得到的黄铜合金集电盘，外观呈现出黄色，表面质量均一，与青铜集电盘相比，更加美观。将实施例2制备得到的多个黄铜合金进行与实施例1相同性能测试，分析黄铜合金集电盘的性能，结果如表4所示。

表4集电盘耐磨性能测试

	实施例2-1	实施例2-2	实施例2-3	实施例2-4	实施例2-5	实施例2-6
							耐磨性(10万km)	0.07	0.047	0.04	0.033	0.021	0.015
导电性能(IACS％)	34	27	24	22	18	15

结果显示，经过优化设计以后，黄铜合金中的铜、锡、铅的含量优化至一个更加合理恰当的范围，集电盘的耐磨性有所提高，同时集电盘的导电性能更好，使得合金的性能表现更佳。

<实施例3>

黄铜合金制备

取黄铜(铜：锌＝63：37)原料，采用感应电炉在1250-1310℃下熔化黄铜母料，保温30分钟。降温至1100-1200℃，计算物料用量后加入锡和铅。搅拌熔化1-2小时，浇入模具铸造成黄铜集电盘，对集电盘铸件精加工得到集电盘成品。集电盘的合金中含有铜60.81％、锌35.72％、铅2.21％、锡1.23％以及不可避免的杂质成分。

<实施例4>

黄铜合金制备

取100kg的黄铜(铜：锌＝63：37)原料，采用感应电炉在1250-1310℃下熔化黄铜母料，保温30分钟。降温至900-1000℃，加入2.2kg铅、1.2kg锡。搅拌熔化1-2小时，加入模具铸造成集电盘铸件。将此集电盘台架实验10万公里，集电盘性能基本无衰减。满足高速列车性能要求，对于高铁的可靠安全运行、运行成本减少控制具有重要意义。

Claims (6)

1.一种列车接地装置集电盘用合金材料，包括重量百分比的以下成分，Cu 50%-70%，Sn0.2%-5%，Pb 0.2%-4.2%，余量为Zn和不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述列车接地装置集电盘用金属材料，其特征在于，所述金属材料中铜含量大于55%。

3.如权利要求2所述列车接地装置集电盘用合金材料，其特征在于，铜含量大于57%。

4.如权利要求3所述列车接地装置集电盘用合金材料，其特征在于，铜含量为57%-67%。

5.如权利要求1所述列车接地装置集电盘用合金材料，其特征在于，所述金属材料中锡的含量0.3%-4%。

6.如权利要求1所述列车接地装置集电盘用合金材料，其特征在于，所述合金材料中Pb含量为小于4.1%。