CN109128185A - 一种新型电力机车粉末冶金碳滑条及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型电力机车粉末冶金碳滑条，其由铜基复合材料制成，所述铜基复合材料由重量比为70‑72%的混合料和重量比为28‑30%的粘结剂混合压制焙烧后浸铜制得。有益效果在于：本发明所述的一种新型电力机车粉末冶金碳滑条材料结构稳定，理化性能强、安全性能好，耐大工频和冲击电流冲击能力强，耐腐蚀、无毒环保、使用寿命长、成本低，而且该粉末冶金碳滑条的制备方法中所用到的设备和材料简单易得，不仅利于大批量生产，而且原材料为市场广泛材料，成本低，具有广阔的市场前景。

Description

一种新型电力机车粉末冶金碳滑条及其制备方法

技术领域

本发明涉及受电弓碳滑条领域，具体涉及一种新型电力机车粉末冶金碳滑条及其制备方法。

背景技术

受电弓碳滑条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，在列车运行过程中，从接触网导线上获得电流为机车供应电力。

受电弓碳滑条材料必须要具有：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。

现如今电力机车受电弓碳滑条主要有三种：粉末冶金滑板、纯碳滑板和碳基复合材料滑板，其中，碳基复合材料滑板和纯碳滑板存在抗折抗压强度和耐冲击性能差等缺陷，尤其是遇到较硬的导线和导线结冰现象时，容易造成滑板折断和破裂；而粉末冶金滑板硬度强，机械强度、自润滑性不足，使得其对接触网导线的磨耗比较严重，此外，还具有耐大工频能力和抗冲击电流冲击能力不强的弱点。

因此，有鉴于上述粉末冶金碳滑条材料中的缺陷，特提出一种利用纳米碳纤维来增强粉末冶金碳滑条材料性能的方法。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种新型电力机车粉末冶金碳滑条及其制备方法，以解决现有技术中传统的粉末冶金碳滑条材料性能差，导致制作的碳滑条要么抗折抗压强度和耐冲击性能差、要么对接触网导线的磨耗比较严重，而且耐大工频能力和抗冲击电流冲击的能力均比较差等问题。本发明提供的诸多技术方案中优选的技术方案能够实现碳滑条材料具有结构稳定，理化性能强、安全性能好，耐大工频和冲击电流冲击能力强等技术效果，详见下文阐述。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

本发明提供的一种新型电力机车粉末冶金碳滑条，其由铜基复合材料制成，所述铜基复合材料由重量比为70-72%的混合料和重量比为28-30%的粘结剂混合压制焙烧后浸铜制得；

所述混合料包括重量比为10-15%的铜粉和重量比为85-90%的干混料；

所述干混料包括骨料、粉料和增强纤维，且三者重量比为55:35:10；

所述骨料包括 20～25wt%的骨料A、25～30wt%的骨料B和45～50wt%的骨料C，其中，0.03mm≤骨料A的粒径<0.05mm、0.01mm≤骨料B的粒径<0.03mm、骨料C的粒径<0.01mm。

作为本案的重要设计，所述粘结剂为改质煤沥青，其软化点为105-120℃，结焦值为≥58%,灰分≤0.30%；

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℃；

所述骨料A、骨料B和骨料C均为沥青焦，其中沥青焦的真密度≥2.13/cm3，灰分≤0.25%、含硫量≤0.3%、挥发份≤0.5%；

所述粉料为石墨粉，该石墨粉的粒度为30-50μm、电阻率≤8.0μΩm，抗折强度≥25Mpa，抗压强度≥35Mpa，灰分≤0.20%；

所述增强纤维为纳米碳纤维，其粒度为50-80nm、抗拉强度7.0Gpa、密度2.10g/cm3、电阻率≤55μΩcm；

浸铜所用的铜为99%的纯铜，根据上述多种原料的详细数据进行配料制作有利于得到体积密度较高的碳滑条焙烧品，同时利于浸渍剂铜液浸入孔隙，提高碳滑条产品合格率，其最终碳滑条产品的理化指才能充分得到满足。

本发明提供的一种制备前述权利要求中任一项所述的新型电力机车粉末冶金碳滑条的制备方法，包括如下步骤：

S1：骨料的破碎、筛分、配料，将骨料用破碎机破碎后筛分成骨料A、骨料B和骨料C，然后按质量百分比进行配料混匀备用；

S2：干混料的配料，将S1中配好的骨料与粉料和增强纤维按重量比进行配料并混匀；

S3：研磨；将S2配好的干混料进行研磨；

S4：制备混合料，将铜粉和S3研磨得到的干混料按重量比进行配料混匀；

S5：制备湿混料，将S4制得的混合料与粘结剂按重量比进行配料混匀；

S6：压制成型，将S5制得的湿混料倒入模具中，利用双向压制模压成型制成一定形状和尺寸的碳滑条压坯，并使之具有一定的密度和强度；

S7：焙烧，将S6制得的碳滑条压坯放入焙烧设备内进行焙烧，焙烧步骤如下：

（1）、将碳滑条压坯以20℃/h的升温速度加热至200℃；

（2）、以8℃/h的升温速度将温度从200℃加热至400℃；

（3）、以5℃/h的升温速度将温度从400℃加热至700℃；

（4）、以5℃/h的升温速度将温度从700℃加热至900℃；

（5）、以5℃/h的升温速度将温度从900℃加热至1100℃；

（6）、以6-7℃/h的升温速度将温度从1100℃加热至1200℃；

（7）、在1200℃的温度条件下保温24h，然后开始自然降温，待温度降至300℃以下时通风降温；

S8：浸铜，先将S7的碳滑条焙烧品称重后置入石墨坩埚中，然后连同石墨坩埚一起放入预热炉内按升温曲线对碳滑条焙烧品和石墨坩埚进行预热，同时将铜放入融化池中，通电加热，使其融化；

预热完毕后将石墨坩埚从预热炉中拉出，放置在融化池下，将融化好的金属铜溶液倒入装有碳滑条焙烧品的石墨坩埚中，之后将石墨坩埚放入真空设备中抽真空，当真空度达到0.085MPa后，真空结束，然后将装有碳滑条的石墨坩埚放入预热炉中预热半小时，之后，停止预热，待碳滑条冷却至室温后取出即可制得由铜基复合材料制成的粉末冶金碳滑条；

S9：后续处理，将S8制得的碳滑条根据使用要求进行后续处理。

作为本案的重要设计，S3中研磨纯度为99.99%。

作为本案的优化设计，S4中混匀方法为湿混机械法，即将铜粉与干混料在混料机中以液体为介质进行混合；

其中，所述液体为乙醇。

作为本案的优化设计，S5中混匀方法的具体步骤为：先将S4制得的混合料放入混捏锅中以80转/分钟的速度进行搅拌60-80分钟，搅拌温度为140-150℃，然后再将粘结剂加入到混捏锅中，继续混捏50-70分钟。

作为本案的优化设计，S9中后续处理工艺包括精整、机械加工、化学处理、电镀。

有益效果在于：本发明所述的一种新型电力机车粉末冶金碳滑条材料结构稳定，理化性能强、安全性能好，耐大工频和冲击电流冲击能力强，耐腐蚀、无毒环保、使用寿命长、成本低，而且该粉末冶金碳滑条的制备方法中所用到的设备和材料简单易得，不仅利于大批量生产，而且原材料为市场广泛材料，成本低，具有广阔的市场前景。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

本发明提供的一种新型电力机车粉末冶金碳滑条，其由铜基复合材料制成，铜基复合材料由重量比为70-72%的混合料和重量比为28-30%的粘结剂混合压制焙烧后浸铜制得，该铜基复合材料的体积密度≤8.0-9.0g/cm3、抗拉强度≥130Mpa、冲击韧性≥8J/cm2、20℃电阻率≤0.30µΩ·m、洛氏硬度（HBS）60-90，就体积密度、机械强度和电阻率来说可以在一些领域完全替代了其他材料所生产的受电弓纯碳碳滑条；

混合料包括重量比为10-15%的铜粉和重量比为85-90%的干混料；

干混料包括骨料、粉料和增强纤维，且三者重量比为55:35:10；

骨料包括 20～25wt%的骨料A、25～30wt%的骨料B和45～50wt%的骨料C，其中，0.03mm≤骨料A的粒径<0.05mm、0.01mm≤骨料B的粒径<0.03mm、骨料C的粒径<0.01mm，其中，骨料A最好是25wt%、骨料B最好是30wt%、骨料C最好是45wt%，这样设计，保证不同粒径的骨料颗粒堆积较为紧密，使得粉末冶金碳滑条材料的体积密度、气孔率、机械强度和热膨胀系数可达到一个非常好的平衡，所制备的粉末冶金碳滑条材料体积密度大、气孔率小、热膨胀系数小。

作为可选的实施方式，粘结剂为改质煤沥青，其软化点为105-120℃，结焦值为≥58%,灰分≤0.30%。

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℃。

骨料A、骨料B和骨料C均为沥青焦，其中沥青焦的真密度≥2.13/cm3，灰分≤0.25%、含硫量≤0.3%、挥发份≤0.5%。

粉料为石墨粉，该石墨粉的粒度为30-50μm、电阻率≤8.0μΩm，抗折强度≥25Mpa，抗压强度≥35Mpa，灰分≤0.20%。

增强纤维为纳米碳纤维，其粒度为50-80nm、抗拉强度7.0Gpa、密度2.10g/cm3、电阻率≤55μΩcm，增强纤维采用纳米碳纤维，主要是其在摩擦材料中已被广泛应用，因其具有高比强度，高比模量，耐热，耐磨，耐腐蚀及线胀系数较小等诸多优点，尤其是碳纤维具有碳滑条材料所要求的导电性，故最终采用纳米碳纤维做增强纤维。同时，采用纳米碳纤维有利于得到体积密度较高的碳滑条焙烧品，有利于浸渍剂铜液浸入孔隙，有利于提高碳滑条产品合格率,只有这样，最终产品的理化性能才能充分得到满足。

浸铜所用的铜为99%的纯铜。

本发明提供的一种制备前述权利要求中任一项的新型电力机车粉末冶金碳滑条的制备方法，包括如下步骤：

S1：骨料的破碎、筛分、配料，将骨料用破碎机破碎后筛分成骨料A、骨料B和骨料C，然后按质量百分比进行配料混匀备用；

S2：干混料的配料，将S1中配好的骨料与粉料和增强纤维按重量比进行配料并混匀；

S3：研磨；将S2配好的干混料进行研磨；

S4：制备混合料，将铜粉和S3研磨得到的干混料按重量比进行配料混匀；

S5：制备湿混料，将S4制得的混合料与粘结剂按重量比进行配料混匀；

S6：压制成型，将S5制得的湿混料倒入模具中，利用双向压制模压成型制成一定形状和尺寸的碳滑条压坯，并使之具有一定的密度和强度，压制成型是借助压力机对模具冲头施压使模腔内的湿混料进行收缩，成为具有一定形状和强度的碳滑条坯料，由于湿混料的外表面呈不规则的凹凸不平状态，在外力作用下，湿混料之间由于位移和形变可以相互勾住，从而使湿混料颗粒之间的机械啮合，使得碳滑条坯料具有一度强度。湿混料颗粒形状越复杂，表面越粗糙，则湿混料颗粒之间的彼此啮合得越紧密，其体积密度越高；

S7：焙烧，将S6制得的碳滑条压坯放入焙烧设备内进行焙烧，焙烧的目的是将粘结剂炭化，排除挥发分，使碳滑条制品中的粘结剂焦化，提高碳滑条制品的导电性能，固定碳滑条制品形状，焙烧步骤如下：

（1）、将碳滑条压坯以20℃/h的升温速度加热至200℃，此阶段为碳滑条生坯吸收热量来熔化制品中的粘结剂，同时，碳滑条制品孔隙中的粘结剂因毛细管作用而重新分布，部分粘结剂转移；

（2）、以8℃/h的升温速度将温度从200℃加热至400℃，在200-400℃时碳滑条焙烧品中缩聚反应增强，大量挥发分被排除，碳滑条制品开始形成，每小时升温8℃，有利于提高粘结剂的结焦率，使半焦化转变为焦化；

（3）、以5℃/h的升温速度将温度从400℃加热至700℃，在400-700℃时，缩聚反应继续发生，碳滑条制品进一步焦化，每小时升温5℃，以此升温速率进行升温，有利于提高碳滑条焙烧品的体积密度和强度；

（4）、以5℃/h的升温速度将温度从700℃加热至900℃，每小时升温5℃，以较快升温速率进行升温，碳滑条焙烧品的组织结构进一步致密化；

（5）、以5℃/h的升温速度将温度从900℃加热至1100℃，每小时升温5℃，以避免缩聚反应的过程中碳滑条焙烧品在收缩时产生裂纹；

（6）、以6-7℃/h的升温速度将温度从1100℃加热至1200℃，每小时升温6℃，稳固焙烧效果；

（7）、在1200℃的温度条件下保温24h，然后开始自然降温，待温度降至300℃以下时通风降温；

S8：浸铜，先将S7的碳滑条焙烧品称重后置入石墨坩埚中，然后连同石墨坩埚一起放入预热炉内按升温曲线对碳滑条焙烧品和石墨坩埚进行预热，升温曲线为：室温到400℃时，升温速度250℃/h，升温时间1.5h；预热温度为400-900℃时，升温速度500℃/h，升温时间1h；预热温度为900-1250℃时，温速度175℃/h，升温时间2h，同时将铜放入融化池中，通电加热，将电流调至220A，通电2小时后金属铜化为液体符合浸金属要求，此外，通电前检查融化池的电路、水路是否畅通；

预热完毕后将石墨坩埚从预热炉中拉出，放置在融化池下，将融化好的金属铜溶液倒入装有碳滑条焙烧品的石墨坩埚中，之后将石墨坩埚放入真空设备中抽真空，当真空度达到0.085MPa后，真空结束，然后将装有碳滑条的石墨坩埚放入预热炉中预热半小时，之后，停止预热，待碳滑条冷却至室温后取出即可制得由铜基复合材料制成的粉末冶金碳滑条，增重率为33-35%；

浸铜为粉末冶金碳滑条及其制备方法中最重要的一道工序，在焙烧过程中碳滑条焙烧品会发生热分解，使碳滑条焙烧品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，严重地影响了铜基复合材料制成的碳滑条的耐磨性、导电性和机械强度。将金属液态铜浸入碳滑条焙烧品中，使之熔融的浸金属铜填充到碳滑条焙烧品内的气孔中，以降低孔隙度，从而形成结构致密的铜基复合材料制成的碳滑条；

S9：后续处理，将S8制得的碳滑条根据使用要求进行后续处理，后续处理是可根据碳滑条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。

作为可选的实施方式，S3中研磨纯度为99.99%。

S4中混匀方法为湿混机械法，即将铜粉与干混料在混料机中以液体为介质进行混合；

其中，液体为乙醇，这样设计，主要是利用乙醇为湿混的液态介质既不与铜粉或干混料发生化学反应，而且沸点又低、易挥发不会给混合后的粉料带来污染。

S5中混匀方法的具体步骤为：先将S4制得的混合料放入混捏锅中以80转/分钟的速度进行搅拌60-80分钟，搅拌温度为140-150℃，然后再将粘结剂加入到混捏锅中，继续混捏50-70分钟。

S9中后续处理工艺包括精整、机械加工、化学处理、电镀。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种新型电力机车粉末冶金碳滑条，其由铜基复合材料制成，其特征在于：所述铜基复合材料由重量比为70-72%的混合料和重量比为28-30%的粘结剂混合压制焙烧后浸铜制得；

所述混合料包括重量比为10-15%的铜粉和重量比为85-90%的干混料；

所述干混料包括骨料、粉料和增强纤维，且三者重量比为55:35:10；

所述骨料包括 20～25wt%的骨料A、25～30wt%的骨料B和45～50wt%的骨料C，其中，0.03mm≤骨料A的粒径<0.05mm、0.01mm≤骨料B的粒径<0.03mm、骨料C的粒径<0.01mm。

2.根据权利要求1所述的一种新型电力机车粉末冶金碳滑条，其特征在于：所述粘结剂为改质煤沥青，其软化点为105-120℃，结焦值为≥58%,灰分≤0.30%；

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℃；

所述骨料A、骨料B和骨料C均为沥青焦，其中沥青焦的真密度≥2.13/cm3，灰分≤0.25%、含硫量≤0.3%、挥发份≤0.5%；

所述粉料为石墨粉，该石墨粉的粒度为30-50μm、电阻率≤8.0μΩm，抗折强度≥25Mpa，抗压强度≥35Mpa，灰分≤0.20%；

所述增强纤维为纳米碳纤维，其粒度为50-80nm、抗拉强度7.0Gpa、密度2.10g/cm3、电阻率≤55μΩcm；

浸铜所用的铜为99%的纯铜。

3.一种制备前述权利要求中任一项所述的新型电力机车粉末冶金碳滑条的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：骨料的破碎、筛分、配料，将骨料用破碎机破碎后筛分成骨料A、骨料B和骨料C，然后按质量百分比进行配料混匀备用；

S2：干混料的配料，将S1中配好的骨料与粉料和增强纤维按重量比进行配料并混匀；

S3：研磨；将S2配好的干混料进行研磨；

S4：制备混合料，将铜粉和S3研磨得到的干混料按重量比进行配料混匀；

S5：制备湿混料，将S4制得的混合料与粘结剂按重量比进行配料混匀；

S6：压制成型，将S5制得的湿混料倒入模具中，利用双向压制模压成型制成一定形状和尺寸的碳滑条压坯，并使之具有一定的密度和强度；

S7：焙烧，将S6制得的碳滑条压坯放入焙烧设备内进行焙烧，焙烧步骤如下：

（1）、将碳滑条压坯以20℃/h的升温速度加热至200℃；

、以8℃/h的升温速度将温度从200℃加热至400℃；

、以5℃/h的升温速度将温度从400℃加热至700℃；

、以5℃/h的升温速度将温度从700℃加热至900℃；

、以5℃/h的升温速度将温度从900℃加热至1100℃；

、以6-7℃/h的升温速度将温度从1100℃加热至1200℃；

、在1200℃的温度条件下保温24h，然后开始自然降温，待温度降至300℃以下时通风降温；

S8：浸铜，先将S7的碳滑条焙烧品称重后置入石墨坩埚中，然后连同石墨坩埚一起放入预热炉内按升温曲线对碳滑条焙烧品和石墨坩埚进行预热，同时将铜放入融化池中，通电加热，使其融化；

预热完毕后将石墨坩埚从预热炉中拉出，放置在融化池下，将融化好的金属铜溶液倒入装有碳滑条焙烧品的石墨坩埚中，之后将石墨坩埚放入真空设备中抽真空，当真空度达到0.085MPa后，真空结束，然后将装有碳滑条的石墨坩埚放入预热炉中预热半小时，之后，停止预热，待碳滑条冷却至室温后取出即可制得由铜基复合材料制成的粉末冶金碳滑条；

S9：后续处理，将S8制得的碳滑条根据使用要求进行后续处理。

4.根据权利要求3所述的新型电力机车粉末冶金碳滑条的制备方法，其特征在于：S3中研磨纯度为99.99%。

5.根据权利要求3所述的新型电力机车粉末冶金碳滑条的制备方法，其特征在于：S4中混匀方法为湿混机械法，即将铜粉与干混料在混料机中以液体为介质进行混合；

其中，所述液体为乙醇。

6.根据权利要求3所述的新型电力机车粉末冶金碳滑条的制备方法，其特征在于：S5中混匀方法的具体步骤为：先将S4制得的混合料放入混捏锅中以80转/分钟的速度进行搅拌60-80分钟，搅拌温度为140-150℃，然后再将粘结剂加入到混捏锅中，继续混捏50-70分钟。

7.根据权利要求3所述的新型电力机车粉末冶金碳滑条的制备方法，其特征在于：S9中后续处理工艺包括精整、机械加工、化学处理、电镀。