CN109004380A - 一种动车组轴端接地装置用碳刷材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种动车组轴端接地装置用碳刷材料，按质量百分比计，包括以下原料组分：铜70～90wt％，石墨烯0.01～10wt％，石墨0.01～10wt％，碳纳米管0.001～10wt％，锡2～12wt％，铅1～6wt％，硅0.1～1wt％，钴0.01～1wt％，钛0.01～1wt％，其余为不可避免杂质，采用低温预热、中温焙烧、高温保压和保压降温四段式真空热压烧结工艺，所得碳刷材料具有良好的硬度、润滑性、导电性、强度、韧性和耐磨性，且具有较高散热性、高温强度和高温耐磨性。

Description

一种动车组轴端接地装置用碳刷材料及其制备方法
技术领域
本发明属于高速铁路装备制造领域，具体涉及一种动车组轴端接地装置用耐磨高导电碳刷材料及其制备方法。
背景技术
铁路电力机车以铁轨为零线，与架空导线形成回路，动车转向架的每根车轴上有轴端接地装置，由端盖、恒力弹簧、刷架、碳刷、摩擦盘和绝缘壳体组成，把动车电机电流通过车轴、车轮导到铁轨，是动车电力回路的重要组成部分。摩擦盘固定在车轴上，碳刷在刷架内通过恒力弹簧紧压在摩擦盘上，机车运行时摩擦盘随车轮高速转动，电流通过刷架、碳刷传到与碳刷相对摩擦的摩擦盘上，进而把电流导入车轴、铁轨。在动车行驶过程中碳刷将车体接地电流汇入车轴的同时，还与安装在车轴端部的摩擦盘存在高速转动的带电摩擦，转动速度即为动车组车轮转动速度，同时碳刷中通过的电流可达10～300A，强电流、高转速的带电摩擦导致碳刷在使用过程中极易因磨损而失效，存在电力机车失去电力停运故障的潜在危险。
由于石墨润滑性和导电性良好，传统碳刷材料以石墨为主，但高速动车组车轮转速快，振动冲击载荷大，石墨性脆不能用于高速动车组碳刷；铜具有极高导电性，目前高速动车组碳刷材料一般采用铜/石墨烧结材料，动车制造企业希望碳刷使用120万公里磨损小于1.0mm；但目前国内生产的碳刷还无法满足高速动车组要求，需从国外进口，即使国外进口的碳刷也达不到120万公里使用寿命。
发明内容
为克服现有技术的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种动车组轴端接地装置用碳刷材料及其制备方法，在传统铜/石墨烧结碳刷的基础上，通过加入其它合金元素，在满足导电性能要求前提下，所得碳刷材料具备良好的硬度、润滑性、导电性、强度、韧性和耐磨性，且具有较高散热性、高温强度和高温耐磨性。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
一种动车组轴端接地装置用碳刷材料，按质量百分比计，包括以下原料：铜70～90wt％，石墨烯0.01～10wt％，石墨0.01～10wt％，碳纳米管0.001～10wt％，锡2～12wt％，铅1～6wt％，硅0.1～1wt％，钴0.01～1wt％，钛0.01～1wt％，其余为不可避免杂质。
进一步地，所述原料均为粉末状，且平均粒度不大于500μm。
进一步地，上述动车组轴端接地装置用碳刷材料，按质量百分比计，包括：铜75～85wt％，石墨烯0.1～5wt％，石墨0.1～5wt％，碳纳米管0.1～5wt％，锡4～8wt％，铅2～4wt％，硅0.1～0.5wt％，钴0.1～0.5wt％，钛0.1～0.5wt％，其余为不可避免杂质。
需要说明的是，本发明原料配比设计基于以下原理：
(1)石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料，是已知强度最高的材料之一，同时还具有很好韧性，石墨烯理论杨氏模量达1.0TPa，固有拉伸强度为130GPa，同时具有非常好的热传导性，纯的、无缺陷的单层石墨烯导热系数高达5300W/mK，是目前为止导热系数最高的碳材料。铜的导热系数只有377W/mK，石墨导热系数仅129W/mK，在传统铜/石墨材料内，加入0.01～10wt％石墨烯，可增大烧结合金强度、硬度，从而增大其耐磨性能，并大幅度提高其散热效率，从而提高其耐用性。另外，石墨烯导电率高，加入石墨烯，能够提高合金导电性，提高电刷载流性，减少摩擦过程中出现电火花、避免电蚀现象。另一方面，石墨烯具有特殊的二维纳米层状结构，是碳质固体润滑材料的基本结构单元，在金属界面上滑移时阻力非常小，石墨烯可形成薄膜润滑层减小摩擦，从而减小机械构件磨损。
(2)石墨烯是二维层状结构，加入合金基体中，一方面会增强基体，但另一方面也会割裂基体，总体提高合金基体强度作用有限，为了进一步提高合金强度，本专利选择加入质量百分比0.001～10wt％的碳纳米管。碳纳米管是单层或多层石墨烯片层围绕中心轴按一定的螺旋角卷曲而成的无缝纳米管，强度理论计算值为钢的100倍，同时碳纳米管具有极高韧性，把碳纳米管加入铜/石墨基体制成复合材料，可提高基体材料的强度、弹性、抗疲劳性及各向同性。碳纳米管还具有极高的导热率，理论上室温下单根单壁碳纳米管沿着轴向的热导率高达6000W/mK，当碳纳米管管径为9.8nm时其导热系数可以超过2000W/mK，在复合材料中掺杂微量的碳纳米管，可极大地改善该复合材料的导热效率。碳纳米管还具有较高导电性能，可以被看成具有良好导电性能的一维量子导线，碳纳米管的导电率可达铜的1万倍，加入适量碳纳米管可提高材料导电性，同时碳纳米管在基体中形成纤维网络，起纤维增强作用，提高材料的整体性、强度和疲劳性能。
(3)锡质软，可与铜生成硬质相δ相，提高合金耐磨性和强度，故在本发明的材料中添加2～12wt％的锡元素。
(4)铅熔点低，不固溶于铜，凝固后以单质形式存在于晶内或晶界上，铅质软，可起润滑减摩作用，故在本发明的材料中加入1～6wt％的铅，起润滑和减摩作用。
(5)硅可少量固溶于铜，在本发明的材料中加入0.1～1wt％的硅，可提高合金耐磨和耐蚀性能，抑制摩擦时出现火花，从而抑制电蚀现象，提高碳刷使用寿命。
(6)钴是高温合金，硬度大，在本发明的材料中加入0.01～1wt％的钴，可提高材料的高温强度、热疲劳性能，确保在摩擦生热导致碳刷温度升高后，任具有较高的强度和韧性。
(7)在发明的材料中加入0.01～1wt％的钛，以提高石墨烯、碳纳米管与铜之间的润湿性，提高石墨烯、碳纳米管与金属元素之间的界面结合力，从而提高合金强度。
本发明的第二方面，上述动车组轴端接地装置用碳刷材料的制备方法，具体地，包括以下步骤：
(1)预热阶段：先将上述原料混合均匀并装入热压烧结模具，抽真空至0.001～0.1Pa，进行低温预热，预热温度为110～150℃，预热时间为5～15min；
(2)中温焙烧阶段：在5～15min内升温至200～400℃，同时压力缓慢升至20～70MPa，达到上述温度和压力后保温保压5～20min；
(3)高温保温阶段：在5～20min内升温至700～950℃，并维持步骤(2)中压力不变，保温保压5～30min；
(4)保压降温阶段：维持步骤(3)中压力不变，并停止加热，温度降至20～70℃时，以1～10MPa/min的速度卸压，结束后开炉，即得。
需要进一步说明的是，由于石墨烯、碳纳米管等易在高温下氧化，需要对炉腔抽真空至0.001～0.1Pa，而且碳刷材料成分多，性能差异大，需要进行四段式热压烧结，在低温预热阶段不施加压力，预热温度为110～150℃，预热时间为5～15min，粉末内附着的水蒸气挥发；预热阶段结束后进入中温焙烧阶段，升温至200～400℃，同时压力缓慢升到20～70MPa，并保温保压5～20min，让铅和锡充分熔化并均匀浸渗入合金粉末中；再进入高温保温阶段，升温至700～950℃，并维持中温焙烧阶段压力不变，保温5～30min，在高温高压下，粉末颗粒间通过扩散、再结晶、熔焊、化合等一系列物理化学过程而紧密结合在一起；高温保压阶段结束后进入保压降温阶段，停止加热，但保持压力不变，在降温过程中由于冷缩效应，合金材料会有所收缩而导致应力松弛，在降温过程中一直维持高压，能够保持材料内部三向压应力，提高材料塑性，从而提高材料密实度；当温度降到20～70℃时，以1～10MPa/min的速度缓慢卸压。
在上述四段式热压烧结的优选实施方式中，步骤(1)中抽真空至0.05Pa，预热温度为130℃，预热时间为10min；步骤(2)中，10min内升温至300℃，压力为50MPa，保温保压时间为10min；步骤(3)中，10min内升温至850℃，压力为50MPa，保温保压时间为15min；步骤(4)中，压力为50MPa，温度降至40℃时，卸压速度为5MPa/min。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
一、本发明在传统铜/石墨烧结碳刷的基础上，通过加入其它合金元素，在满足导电性能要求前提下，所得碳刷材料具备良好的硬度、润滑性、导电性、强度、韧性和耐磨性，且具有较高散热性、高温强度和高温耐磨性。
二、本发明由于石墨烯、碳纳米管等易在高温下氧化，需要对炉腔抽真空至0.001～0.1Pa，而且碳刷材料成分多，性能差异大，采用四段式热压烧结，充分发挥各组分的协同增效效应，使所得动车组轴端接地装置用碳刷材料性能最优化。
三、本发明的制备工艺简单，易于操作，适用于大规模产业化生产。
具体实施方式
下面详细说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围不限于下述的实施例，以下实施例中的实验方法如无特殊说明均为常规方法，试剂与材料无特殊说明均市售可得。
实施例1
制备高耐磨高导电高速动车组轴端接地装置用碳刷材料的具体过程如下：
产品成分为：Cu：81wt％，石墨烯：6wt％，碳纳米管：1wt％，石墨：0.5wt％，硅：0.43wt％，锡7wt％、铅4wt％、钴0.05wt％、钛0.02wt％，余量为不可避免杂质。先按上述配比分别称取粉末粒度小于300微米的原料，采用V型混料机混料30min后，装入热压烧结模具，抽真空至0.001Pa，进行四段式热压烧结，具体过程为：
低温预热阶段：加热至150℃，保温15min；中温焙烧阶段：加压到45MPa，升温至350℃，保温12min；高温保压阶段：加热到850℃，保持45MPa压力不变，保温30min；保压降温阶段：停止加热，保持45MPa压力不变，降温到50℃后，卸压，破真空，开炉取出试样。
实施例2
制备高耐磨高导电高速动车组轴端接地装置用碳刷材料的具体过程如下：
产品成分为：Cu：71wt％，石墨烯：0.01wt％，碳纳米管：10wt％，石墨：0.01wt％，硅：3wt％，锡12wt％、铅3wt％、钴0.01wt％、钛0.97wt％，余量为不可避免杂质。先按上述配比分别称取粉末粒度小于300微米的原料，采用V型混料机混料30min后，装入热压烧结模具，抽真空至0.001Pa，进行四段式热压烧结，具体过程为：
低温预热阶段：加热至120℃，保温20min；中温焙烧阶段：加压到70MPa，升温至300℃，保温15min；高温保压阶段：加热到700℃，保持70MPa压力不变，到温后保温25min；保压降温阶段：停止加热，保持70MPa压力不变，降温到30℃后，卸压，破真空，开炉取出试样。
实施例3
制备高耐磨高导电高速动车组轴端接地装置用碳刷材料的具体过程如下：
产品成分为：铜88wt％，石墨烯1wt％、石墨1wt％、碳纳米管0.01wt％、锡2wt％、铅6wt％、硅0.8wt％、钴1.18wt％、钛0.01wt％，余量为不可避免杂质。先按上述配比分别称取粉末粒度小于200微米的原料，采用V型混料机混料40min后，装入热压烧结模具，抽真空至0.001Pa，进行四段式热压烧结，具体过程为：
低温预热阶段：加热至110℃，保温10min；中温焙烧阶段：加压到40MPa，升温至400℃，保温20min；高温保压阶段：加热到800℃，保持40MPa压力不变，到温后保温25min；保压降温阶段：停止加热，保持40MPa压力不变，降温到60℃后，卸压，破真空，开炉取出试样。
将上述实施例1-3制备的动车组轴端接地装置用耐磨高导电碳刷材料与市售普通碳刷进行性能测试，其中，10万公里磨损量按GB/T12444-2006、导电率按GB/T32791-2016分别进行测试。
表1:性能测试
10万公里磨损量/(mm) 导电率/(IACS％)
实施例1 0.1 20
实施例2 0.12 22
实施例3 0.13 19
普通碳刷 0.4 11
从表1的测试数据对比可知，本发明制备的动车组轴端接地装置用耐磨高导电碳刷材料10万公里磨损量远远小于普通碳刷，导电率近似为普通碳刷的1倍。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (5)

1.一种动车组轴端接地装置用碳刷材料，其特征在于，按质量百分比计，包括以下原料组分：铜70～90wt％，石墨烯0.01～10wt％，石墨0.01～10wt％，碳纳米管0.001～10wt％，锡2～12wt％，铅1～6wt％，硅0.1～1wt％，钴0.01～1wt％，钛0.01～1wt％，其余为不可避免杂质。
2.如权利要求1所述动车组轴端接地装置用碳刷材料，其特征在于，所述原料均为粉末状，且平均粒度不大于500μm。
3.如权利要求1或2所述动车组轴端接地装置用碳刷材料，其特征在于，按质量百分比计，包括：铜75～85wt％，石墨烯0.1～5wt％，石墨0.1～5wt％，碳纳米管0.1～5wt％，锡4～8wt％，铅2～4wt％，硅0.1～0.5wt％，钴0.1～0.5wt％，钛0.1～0.5wt％，其余为不可避免杂质。
4.如权利要求1-3任一项所述动车组轴端接地装置用碳刷材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)预热阶段：先将上述原料混合均匀并装入热压烧结模具中，抽真空至0.001～0.1Pa，进行低温预热，预热温度为110～150℃，预热时间为5～15min；
(2)中温焙烧阶段：在5～15min内升温至200～400℃，同时压力缓慢升至20～70MPa，达到上述温度和压力后保温保压5～20min；
(3)高温保温阶段：在5～20min内升温至700～950℃，并维持步骤(2)中压力不变，保温保压5～30min；
(4)保压降温阶段：维持步骤(3)中压力不变，并停止加热，温度降至20～70℃时，以卸压速度为1～10MPa/min卸压，结束后开炉，即得。
5.如权利要求4所述动车组轴端接地装置用碳刷材料的制备方法，其特征在于，所述工艺参数包括：
步骤(1)中，抽真空至0.05Pa，预热温度为130℃，预热时间为10min；
步骤(2)中，10min内升温至300℃，压力为50MPa，保温保压时间为10min；
步骤(3)中，10min内升温至850℃，压力为50MPa，保温保压时间为15min；
步骤(4)中，压力为50MPa，温度降至40℃时，卸压速度为5MPa/min。
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