CN108384981B

CN108384981B - 一种铜基碳滑条的制备方法及其铜基碳滑条材料

Info

Publication number: CN108384981B
Application number: CN201810272026.XA
Authority: CN
Inventors: 闵洁
Original assignee: Datong Xincheng New Material Co Ltd
Current assignee: Datong Xincheng New Material Co Ltd
Priority date: 2018-03-29
Filing date: 2018-03-29
Publication date: 2019-11-12
Anticipated expiration: 2038-03-29
Also published as: CN108384981A

Abstract

本发明公开了一种铜基碳滑条的制备方法，包括如下步骤：S1、准备原料，所述原料为铜粉、骨料、石墨粉、粘结剂、浸渍剂；S2、制备干料，将骨料、石墨粉取出按照重量百分比为1:1‑3混合均匀即可；S3、研磨，将S 2所配得的干料进行研磨，要求纯度为99.99%；S3、混粉，将铜粉与干料的按照重量比为10:90‑15:85混合均匀；S4、湿混，将S3中的混粉与粘结剂的按照重量比为70:30‑72:28混合均匀；混合通常采用湿混机械法，即铜粉与干料在混料机中以液体为介质进行混合；S5、成型，将湿混后的材料倒入模具中，利用双向压制模压成型制成一定形状和尺寸的压坯；S6、焙烧及降温；S7、浸铜。本发明还公开了利用上述方法制备的铜基碳滑条材料。

Description

一种铜基碳滑条的制备方法及其铜基碳滑条材料

技术领域

本发明涉及一种碳滑板，特别是涉及一种铜基碳滑条的制备方法及其铜基碳滑条材料。

背景技术

受电弓碳滑板是电力机车上的重要集电元件，安装在受电弓的最上部，直接与接触网导线接触，在列车走行过程中，从接触网导线上获得电流为机车供应电力。

受电弓碳滑板碳滑条材料必须具有，良好的减磨性和自润滑性、良好的耐热和耐电弧性、一定的耐磨性、足够的抗冲击强度以及稳定的电阻率和接触电阻。

利用铜-石墨复合材料制备碳滑板碳滑条材料是从第二次世界大战后，开通200-300Km/h的电力机车运行速度后，在科研人员的共同努力下，研究发明以具有良好自润滑性能兼备优良导电性能的铜-石墨复合材料，近年来经过不断实践验证，铜-石墨受电弓滑板在国内外得到了广泛的应用。

滑动电摩擦就是电力机车在高速运动过程中，铜-石墨受电弓滑板进行导电的行为。其电阻率和接触电阻是直接影响到零部件的导电效率与电腐蚀的关键指标。而如今高导电率和低电腐蚀性是急需攻克的大关。

因此，申请人提出一种铜基碳滑条的制备方法及其铜基碳滑条材料，其利用铜-特种石墨粉复合材料为主制备电力机车受电弓碳滑条，从而提高铜基碳滑条的导电性，降低其电腐蚀性。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种铜基碳滑条的制备方法及其铜基碳滑条材料。

为实现上述目的，本发明提供了一种铜基碳滑条的制备方法，包括如下步骤：

S1、准备原料，所述的原料为铜粉、骨料、石墨粉、粘结剂、浸渍剂；优选地，粘结剂为改质煤沥青，浸渍剂为液态铜；

所述沥青焦的真密度≥2.05/cm3，灰分≤0.25%、含硫量≤0.5%、挥发份≤0.8%；

所述石墨粉的粒度为30-55μm，电阻率≤8.0μΩm，抗折强度≥25Mpa，抗压强度≥35Mpa，灰分≤0.20%；

所述煤沥青的软化点为105-115℃，结焦值为≥56%,灰分≤0.35%；

所述铜粉的密度为8.92×103/cm3，电阻率为1.694*10-8Ω·m，导热系数1083.4℃；

所述浸渍剂液态铜为99%纯铜；

S2、制备干料，将骨料、石墨粉取出按照重量百分比为1:1-3混合均匀即可；

骨料由以下不同粒径沥青焦的按重量百分比构成：

0.55mm<粒径≤0.35mm 20～25wt%

0.35mm<粒径≤0.10mm 25～30wt%

0<粒径<0.10mm 45～50wt%；

所述沥青焦的粒径范围与含量优选为：

0.55mm<粒径≤0.35mm 25wt%

0.35mm<粒径≤0.10mm 30wt%

0<粒径<0.10mm 45wt%

S3、研磨，将S 2所配得的干料进行研磨，要求纯度为99.99%；

S3、混粉，将铜粉与干料的按照重量比为10:90-15:85混合均匀；

S4、湿混，将S3中的混粉与粘结剂的按照重量比为70:30-72:28混合均匀；混合通常采用湿混机械法，即铜粉与干料在混料机中以液体为介质进行混合。优选地，所述液态介质为乙醇。

S5、成型，将湿混后的材料倒入模具中，利用双向压制模压成型制成一定形状和尺寸的压坯，并使之具有一定的密度和强度。压坯可以选择500*400*200毫米的尺寸；

S6、焙烧及降温：将S5中的压坯采用如下温度控制方式进行焙烧：

在室温至250℃时以25℃/h升温保持10h；

在250至450℃时以8℃/h升温保持25h；

在450-700℃时以5℃/h升温保持50h；

在700至900℃时以5---6℃/h升温保持35h；

在900至1100℃时以6℃/h升温保持33h；

至1100至1200℃时以6---7℃/h升温保持15h；

1200℃保温24h；

至1200至300℃自然降温；

至300至150℃以下可通风降温，获得焙烧品；

S7、浸铜，将焙烧品称重后置入石墨坩埚中，将预热炉按升温曲线进行预热，再次，对铜进行融化；

在预热炉中坩埚加热的过程当中，准备铜粉融化，通电前检查电路、水路是否畅通；

将准备好的铜粉放入到融化池中，开始通电，将电流调至220A，通电2小时后铜化为液体符合浸金属要求；

将坩埚从预热炉中拉出，放置在融化池下，将融化好的金属溶液倒入装有碳条的高温坩埚中，将高温坩埚放入真空设备中，确保无误后开始抽真空，当真空度达到0.085MPa后，真空结束，再次放入预热炉中预热半小时至室温后取出即可，增重率为33-35%。

所述后续处理是可根据制品性能的要求选择适当的后续处理工艺，如精整、机械加工、化学处理、电镀等，以满足产品的综合性能。

一种铜基碳滑条材料，其体积密度≤8.0-9.0g/cm3、抗拉强度≥130Mpa、冲击韧性≥8J/cm2、20℃电阻率≤0.35µΩ·m、洛氏硬度（HBS）60-90。

本发明的有益效果是：

1、利用本发明所制备的碳滑条材料完全满足或而优于《电力机车受电弓滑板粉末冶金滑板》。

2、本发明制备的碳滑条材料结构稳定，理化性能强、安全性能好。

3、本发明制备的碳滑条材料耐大工频和冲击电流冲击，电阻稳定、耐电弧性强。

4、本发明制备的碳滑条材料耐腐蚀、无毒环保、使用寿命长、成本低。

5、采用所述工艺所制备的材料较为简单，利于大批量生产，原材料为市场广泛材料，成本低。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明：

发明人经过多次实验，研究分析和产品试生产，在原料选择，最终确定以沥青焦为骨料、特种石墨粉为粉料、改质煤沥青为粘结剂，骨料沥青焦的真密度≥2.05/cm3，灰分≤0.25%、含硫量≤0.5%、挥发份≤0.8%；

粉料特种石墨粉的粒度为30-55μm，电阻率≤8.0μΩm，抗折强度≥25Mpa，抗压强度≥35Mpa，灰分≤0.20%；

粘结剂改质煤沥青的软化点为105-115℃，结焦值为≥56%,灰分≤0.35%；铜粉的密度为8.92×103/cm3，电阻率为1.694*10-8Ω·m，导热系数1083.4℃；

浸渍剂铜为99%纯铜，有利于得到体积密度较高的焙烧品，有利于浸渍剂浸入孔隙，有利于提高产品合格率,其最终产品的理化指才能充分得到满足。

本发明经研究和实验，最终使用如下骨料配方进行配料：

沥青焦按0.55mm<粒径≤0.35mm，25wt%；

0.35mm<粒径≤0.10mm，30wt%；

0<粒径<0.10mm，45wt%；

这时，不同粒径的骨料颗粒堆积较为紧密，碳制品的体积密度、气孔率、机械强度和热膨胀系数可达到一个非常好的平衡，所制备石墨制品的体积密度大、气孔率小、热膨胀系数小。

混粉，利用乙醇作为液态介质既不与铜粉或特种石墨粉发生化学反应，而且沸点又低、易挥发不会给混合后的粉料带来污染。

湿混，将混合后粉末与粘结剂进行混合。

模压成型，借助压力机对模具冲头施压使模腔内的原料进行收缩，成为具有一定形状和强度的坯料。由于粉末的外表面呈不规则的凹凸不平状态，在外力作用下，原料之间由于位移和形变可以相互勾住，从而使颗粒之间的机械啮合，使得坯料具有一度强度。粉料颗粒形状越复杂，表面越粗糙，则粉末颗粒之间的彼此啮合得越紧密，其体积密度越高。

焙烧，目的是将粘结剂沥青炭化，排除挥发分，使制品中的粘结剂焦化，提高制品的导电性能，固定制品形状。

最高温度达到1100-1200℃，在升温区室温-250℃时每小时升温25℃，此阶段为生坯吸收热量来熔化制品中的沥青。同时，焦炭孔隙中的煤沥青因毛细管作用而重新分布，部分沥青转移。

在250-450℃时焙烧品中缩聚反应增强，大量排除挥发发，焦炭开始形成，每小时升温8℃，有利于提高粘结剂的结焦率，半焦化转变为焦化；

在450-700℃时，缩聚反应继续发生，制品进一步焦化，每小时升温5℃；以此升温速率进行升温，有利于提高焙烧品的体积密度和强度；

在700-900℃时，每小时升温5-6℃，以较快升温速率进行升温，焙烧品的组织结构进一步致密化；

在900-1000℃时，每小时升温6℃，以避免缩聚反应的过程中焙烧品在收缩时产生裂纹；

在1100-1200℃时，每小时升温6-7℃，稳固焙烧效果。

浸金属，其为本材料生产的重要一道工序，在焙烧过程中会发生热分解，使坯料中产生开放性与闭塞性气孔，开孔率一般为20%-30%，大量气孔的存在，严重地影响了复合材料的耐磨性、导电性和机械强度。将金属液态铜浸入焙烧品中，使之熔融的浸金属铜填充到石墨骨架中，以降低孔隙度，从而形成结构致密的铜-特种石墨复合材料。

其工艺过程为，首先，将焙烧品置入专用坩埚中进行预热，升温曲线为：室温-400℃，250℃/h，1.5h；400-900℃，500℃/h，1h；900-1250℃，175℃/h，2h；

其次，对金属进行融化，在预热炉中坩埚加热的过程当中，准备金属融化，通电前检查电路、水路是否畅通。将准备好的铜放入到融化池中，开始通电，将电流调至220A，通电2小时后金属化为液体符合浸金属要求。

最后，坩埚从预热炉中拉出，放置在融化池下，将融化好的金属溶液倒入装有碳条的高温坩埚中，将高温坩埚放入真空设备中，确保无误后开始抽真空，当真空度达到0.085MPa后，真空结束，再次放入预热炉中预热半小时至室温后取出即可。增重率为33-35%。

后续处理是可根据制品性能的要求选择适当的后续处理工艺，如精整、机械加工、化学处理、电镀等，以满足产品的综合性能。

经过上述铜-特种石墨粉复合材料生产新型电力机车受电弓碳滑条材料。

本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims

1.一种铜基碳滑条的制备方法，其特征是：包括如下步骤：

S1、准备原料，所述原料为铜粉、骨料、石墨粉、粘结剂、浸渍剂；

骨料由以下不同粒径沥青焦的按重量百分比构成：

0.55mm<粒径≤0.35mm 20～25wt%

0.35mm<粒径≤0.10mm 25～30wt%

0<粒径<0.10mm 45～50wt%；

S3、研磨，将S 2所配得的干料进行研磨，要求纯度为99.99%；

S3、混粉，将铜粉与干料的按照重量比为10:90-15:85混合均匀；

S4、湿混，将S3中的混粉与粘结剂的按照重量比为70:30-72:28混合均匀；混合通常采用湿混机械法，即铜粉与干料在混料机中以液体为介质进行混合；

S5、成型，将湿混后的材料倒入模具中，利用双向压制模压成型制成一定形状和尺寸的压坯；

在室温至250℃时以25℃/h升温保持10h；

在250至450℃时以8℃/h升温保持25h；

在450-700℃时以5℃/h升温保持50h；

在700至900℃时以5---6℃/h升温保持35h；

在900至1100℃时以6℃/h升温保持33h；

至1100至1200℃时以6---7℃/h升温保持15h；

1200℃保温24h；

至1200至300℃自然降温；

至300至150℃以下通风降温，获得焙烧品；

S7、浸铜，将焙烧品称重后置入石墨坩埚中，将预热炉按升温曲线进行预热，再次，对铜粉进行融化；

2.如权利要求1所述的铜基碳滑条的制备方法，其特征是：粘结剂为改质煤沥青，浸渍剂为液态铜。

3.如权利要求2所述的铜基碳滑条的制备方法，其特征是：

所述沥青焦的真密度≥2.05/cm³，灰分≤0.25%、含硫量≤0.5%、挥发份≤0.8%；

所述煤沥青的软化点为105-115℃，结焦值为≥56%,灰分≤0.35%；

所述铜粉的密度为8.92×10³/cm³，电阻率为1.694*10^-8Ω·m，导热系数1083.4℃；

所述浸渍剂液态铜为99%纯铜。

4.如权利要求1所述的铜基碳滑条的制备方法，其特征是：骨料由以下不同粒径沥青焦的按重量百分比构成：

0.55mm<粒径≤0.35mm 25wt%

0.35mm<粒径≤0.10mm 30wt%

0<粒径<0.10mm 45wt%。

5.如权利要求1所述的铜基碳滑条的制备方法，其特征是：所述液态介质为乙醇。

6.如权利要求1所述的铜基碳滑条的制备方法，其特征是：S7中，在预热炉中坩埚加热的过程当中，准备铜粉融化，通电前检查电路、水路是否畅通；

将准备好的铜粉放入到融化池中，开始通电，将电流调至220A，通电2小时后铜化为液体符合浸金属要求。

7.一种采用权利要求1-6任一所述制备方法制备的铜基碳滑条材料，其特征是：其体积密度≤8.0-9.0g/cm³、抗拉强度≥130Mpa、冲击韧性≥8J/cm²、20℃电阻率≤0.35µΩ·m、洛氏硬度（HBS）60-90。