CN109182833B - 一种以球形铬粉为强化相的铜基粉末冶金受电弓滑板材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以球形铬粉为强化相的铜基粉末冶金受电弓滑板材料及其制备方法，其中以球形铬粉为强化相的铜基粉末冶金受电弓滑板材料的组分按质量百分比构成如下：Cu 75‑85wt％，球形铬粉1‑10wt％，Pb 1‑5wt％，Sn 5‑10wt％，Ni 1‑5wt％，鳞片石墨0.5‑2wt％，二硫化钼0.5‑2wt％。本发明所制得的粉末冶金受电弓滑板具有优异的力学性能，良好的耐磨性和自润滑性、低电阻率、高强度以及优良的灭弧性能。本发明所述的铜基粉末冶金受电弓滑板材料主要用于城市轨道交通以及低速重载机车的取电元件。

Description

一种以球形铬粉为强化相的铜基粉末冶金受电弓滑板材料及 其制备方法

技术领域

本发明涉及一种以球形铬粉为强化相的铜基粉末冶金受电弓滑板材料及其制备方法。

背景技术

进入21世纪以来我国经济快速发展，城镇化水平不断提高，城市规模不断扩大，城镇人口及资源消耗也随之快速增加。为满足城市交通运输和大宗矿产资源的运输需求，近年来各地都在修建城市轨道交通及从资源产地到大中城市间的重载货运铁路。受电弓滑板做为电力机车重要的取电原件，必须同时具有较高的导热性、足够的机械强度、优异的导电性、高耐电弧性、良好的耐磨性、高拉伸强度以及良好的抗冲击韧性等综合性能于一体的电接触材料。

铜基粉末冶金滑板由于制造成本低，适用性良好且生产工艺快捷简单从而获得了较为广泛的应用，目前在城市轨道交通和低速重载机车运输中发挥着巨大的作用。但是随着石墨的加入，会使合金的力学性能降低，从而导致滑板的使用寿命大幅降低。通过加入铬等合金元素，可以有效的改善铜与石墨的浸润性提高合金的力学性能。本发明采用球化铬粉代替普通铬粉，提高了粉末的压制性，有效的增大了比表面积，有利于硬质相铬颗粒与基体材料的结合，从而促进烧结过程的进行。获得具有优异的耐磨性和自润滑性、低电阻率、高强度以及优良的灭弧性能的铜基粉末冶金受电弓滑板材料。

文献一，专利CN 104070172 A公开了一种球形铬粉的制备方法，将金属铬块进行机械破碎后采用液氮低温研磨的方式得到金属铬粉。洗涤干燥后经高能球磨获得粒径在5-10μm的铬粉。将铬粉喷入等离子炬中，经迅速融化与快速冷却后得到球形铬粉。此方法工艺简单，成本较低，可实现规模化生产。

文献二，专利CN 105671357 A公开了一种铜基受电弓滑板及其制备方法，通过将石墨烯负载铜粉末、锡粉和铜粉，按一定比例混合，混料均匀后经热压烧结后便可得到受电弓滑板材料。达到将石墨烯强化相均匀分散在金属基体中，形成强界面化学结合的目的。相比于普通鳞片石墨，石墨烯成本较高，制备工艺较为复杂。

文献三，专利CN 105256168 A公开了一种铜基-石墨自润滑复合材料及其制备方法，该材料由铜合金与石墨骨架组成，利用选择性激光烧结成形技术制备三维石墨骨架坯体，再进行石墨化后获得三维石墨骨架，再通过铸造的方式实现铜合金与三维石墨骨架的复合。该方法实现了石墨分布范围可控，保证了铜合金基体的连续性，具有优良的导电导热性及自润滑性能。由于激光烧结成本较高，不利于工业化生产。

文献四，专利CN 103469123 A公开了一种碳纤维增强铜基受电弓滑板材料的制造方法，采用机械合金化方式将石墨与电解铜粉制成具有纳米结构的复合材料作为基体材料，再将碳纤维表面进行合金化处理，经等离子放电烧结过程后得到受电弓滑板材料。此材料具有减摩性能好、耐磨性好、导电性好、电弧敏感性低等特点。但碳纤维表面合金化处理工艺复杂，且等离子放电烧结系统价格昂贵，不利于降低成本和工业化生产。

发明内容

本发明公开了一种以球形铬粉为强化相的铜基粉末冶金受电弓滑板材料及其制备方法。本发明制得的粉末冶金受电弓滑板材料具有优异的耐磨性和自润滑性、低电阻率、高强度以及优良的灭弧性能。

本发明以球形铬粉为强化相的铜基粉末冶金受电弓滑板材料，其组分按质量百分比构成如下：Cu 75-85wt％，球形铬粉1-10wt％，Pb 1-5wt％，Sn 5-10wt％，Ni 1-5wt％，鳞片石墨0.5-2wt％，二硫化钼0.5-2wt％。

本发明以球形铬粉为强化相的铜基粉末冶金受电弓滑板材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：将粒度分布在125-180μm之间的铬粉通过等离子球化装置球化，送粉速率为5.0g/min，所得到的球形铬粉粒度为80-150μm，粒度分布均匀，表面光滑，球化率≥90％；

步骤2：按配比量称取各粉末原料，装入聚四氟乙烯罐中，在卧式混料机上预混合2-3h，再将预混粉末装入V型混料机中混料2-3h；

步骤3：将步骤2得到的混合粉末装入模具中，在800-1000MPa的压力下冷压成型，保压1-2min，随后脱模得到生坯；

步骤4：将所得生坯置于分解氨气氛下烧结，烧结温度为800-950℃，升温速率5-10℃/min，保温时间为1-3h，随炉冷却即可得到铜基粉末冶金受电弓滑板材料。

本发明所用铬粉为球形铬粉，采用球形铬粉可有效提高混合粉末的压制性能和烧结性能，并且球形铬粉作为硬质相和灭弧剂均匀分布在合金基体中，可有效的提高材料的耐磨性能和抗电弧烧蚀的性能。

本发明使用鳞片石墨作为润滑组元，有效的提高了滑板材料的自润滑性能。在运行过程中，石墨分散于摩擦面上，形成一层薄薄的润滑膜，有助于降低材料的摩擦系数。

本发明通过添加合金元素，有效的提高了滑板材料的硬度、强度以及抗冲击性能。从而有效提高了受电弓滑板材料的使用寿命。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明采用一种工艺简单，成本较低的方法制备球形铬粉。相对于普通不规则粉末，球形粉末具有良好的流动性和较高的松装密度，从而降低铬粉的团聚现象，有助于铬粉均匀分布于预混粉末中。

2、本发明用球形铬粉取代普通不规则铬粉，可以获得较高的流动性，有利于粉末在压制过程中粉末的塑性流动，提高材料的压坯密度。相对于普通冷冻干燥破碎的不规则铬粉，球形铬粉可以有效的降低在压制过程中的应力集中现象，较小的应力有助于抑制压制后的弹性后效，提高基体材料的生坯密度。

3、在烧结过程中，由于铬颗粒与基体材料并不能完全反应，仅以铬单质相存在于合金基体中，用球形铬粉代替普通不规则铬粉，提高了铬粉的比表面积，有助于烧结过程中铬颗粒与基体材料的结合，并且球形铬粉作为硬质相与灭弧剂均匀分布在合金基体中，可有效的提高材料的耐磨性能和抗电弧烧蚀的性能。

4、在常见的铜/石墨复合材料中，由于铜与石墨之间的不浸润性，导致在烧结过程中，在的界面间会产生大量孔洞，造成烧结后基体膨胀，导致复合材料的力学性能的大幅度降低。并且由于纯铜基体具有很高的塑性，在滑动摩擦过程中，会产生严重的粘连现象，从而导致滑板材料与导线的严重磨损。为了改善铜基材料的缺陷，在本发明中，我们加入了部分合金元素优化材料性能。铬及合金元素的加入有效的改善了铜与石墨的浸润性，降低浸润角，有助于烧结过程中基体材料颗粒的结合，有效的提高了合金基体的力学性能，延长了受电弓滑板材料的使用寿命。

5、本发明添加一定量的鳞片石墨粉，可以有效的提高材料的自润滑性能，降低材料的摩擦系数。

附图说明

图1是本发明实施例所使用的球形铬粉的扫描电镜图片×500。经等离子球化处理后，铬粉颗粒呈圆球状，形貌均一，无不规则状粉末存在。

图2是本发明实施例所使用的球形铬粉的扫描电镜图片×1000。金属铬粉颗粒呈现规则的圆球状。

图3是铜基粉末冶金受电弓滑板材料的金相照片×100。经烧结后，滑板基体已完成合金化，仅有少量的空隙存在，无明显成分偏析存在，组织成分为α相的铜锡合金并在部分晶粒中有孪晶的存在。可以看到基体中有球形铬颗粒的存在，金相组织中的黑色物质为润滑剂石墨，石墨均匀分布于基体材料中。

图4是铜基粉末冶金受电弓滑板材料的金相照片×400。此图为金相组织的局部放大图，经压制烧结处理后，球形铬粉的形貌并未发生较大的改变，仍呈现圆球状。

图5是铜基粉末冶金受电弓滑板材料的金相照片×400。基体组织已完全烧结，在各晶粒间无空隙存在，材料致密度较高，部分晶粒中有孪晶存在。

图6是铜基粉末冶金受电弓滑板材料在20A电流作用下的摩擦系数图。在载流情况下，摩擦系数稳定在0.3左右，由于润滑膜的形成与破碎过程，摩擦系数呈现小幅度的波动。

图7是铜基粉末冶金受电弓滑板材料在20A电流作用下的摩擦面扫描电镜照片×500。铬粉可以起到抑制电弧侵蚀的作用，提高材料的抗电侵蚀能力。摩擦面较为平整，仅有塑性变形及犁沟的存在，无电弧侵蚀坑的存在。

具体实施方式

实施例1：

按如下质量百分比：Cu 87.5wt％，球形Cr 2wt％，Sn 7wt％，Ni 3wt％，石墨0.5wt％，称取粉末，在普通卧式混料机上预混合2h，再将粉末装入V型混料机中混料2h，800MPa下冷压成型，置于分解氨气氛下烧结，950℃保温2小时；随后随炉空冷，即可得到铜基粉末冶金滑板材料。

实施例2：

按如下质量百分比：Cu 87wt％，球形Cr 2wt％，Sn 7wt％，Ni 3wt％，石墨1wt％称取粉末，在普通卧式混料机上预混合2h，再将粉末装入V型混料机中混料2h，800MPa下冷压成型，置于分解氨气氛下烧结，950℃保温2小时；随后随炉空冷，即可得到铜基粉末冶金滑板材料。

实施例3：

按如下质量百分比：Cu 86wt％，球形Cr 2wt％，Sn 7wt％，Ni 3wt％，石墨2wt％称取粉末，在普通卧式混料机上预混合2h，再将粉末装入V型混料机中混料2h，800MPa下冷压成型，置于分解氨气氛下烧结，950℃保温2小时；随后随炉空冷，即可得到铜基粉末冶金滑板材料。

实施例4：

按如下质量百分比：Cu 87wt％，普通Cr 2wt％，Sn 7wt％，Ni 3wt％，石墨1wt％，称取粉末，在普通卧式混料机上预混合2h，再将粉末装入V型混料机中混料2h，800MPa下冷压成型，置于分解氨气氛下烧结，950℃保温2小时；随后随炉空冷，即可得到铜基粉末冶金滑板材料。

实施例5：

按如下质量百分比：Cu 98％，石墨2％，称取粉末，在普通卧式混料机上预混合2h，再将粉末装入V型混料机中混料2h，800MPa下冷压成型，置于分解氨气氛下烧结，950℃保温2小时；随后随炉空冷，即可得到铜基粉末冶金滑板材料。

实施例1-4制得材料的基本物理性能见下表1：

表1材料的基本物理性能

由表1数据可知：

1、随着石墨含量的上升，基体材料的力学性能呈现不同程度的下降趋势；

2、在石墨含量相同的情况下，添加球形铬粉的受电弓滑板材料的力学性能要优于添加普通铬粉的受电弓滑板材料。

3、合金元素的加入可以显著的提高滑板材料的力学和物理性能。

Claims (2)

1.一种以球形铬粉为强化相的铜基粉末冶金受电弓滑板材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1：将粒度分布在125-180μm之间的铬粉通过等离子球化装置球化，送粉速率为5.0g/min，获得球形铬粉，球形铬粉粒度为80-150 μm，球化率≥90%；

步骤2：按配比量称取各粉末原料，装入聚四氟乙烯罐中，在卧式混料机上预混合2-3h，再将预混粉末装入V型混料机中混料2-3h；

步骤3：将步骤2得到的混合粉末装入模具中，冷压成型，脱模后得到生坯；

步骤4：将所得生坯置于分解氨气氛下烧结，随炉冷却即可得到铜基粉末冶金受电弓滑板材料；

步骤3中，冷压成型的压力为800-1000MPa，保压时间为1-2min；

步骤4中，烧结温度为800-950℃，保温时间为1-3h；

所述铜基粉末冶金受电弓滑板材料的组分按质量百分比构成如下：Cu 75-85wt%，球形铬粉 1-10wt%，Pb 1-5wt%，Sn 5-10wt%，Ni 1-5wt%，鳞片石墨 0.5-2wt%，二硫化钼 0.5-2wt%。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：

升温速率为5-10℃/min。

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