CN1295366C - 电力机车受电弓滑板新材料 - Google Patents

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本发明涉及一种新型的耐磨减摩材料—高锰铝青铜合金(ZQMn14-7-3-3-1)，特别适用于制造电力机车受电弓的滑板。这种材料有很好的耐磨性能，它与铜导线的磨耗比大大低于现在常用的几种滑板材料，因此可以延长滑板的使用寿命。同时又减少了对接触铜导线的磨损，有利于接触网的保护。而且这种材料的制造工艺较简便，成本较低，废旧滑板还可以回收利用。此外，这种新型的耐磨合金材料，也可以代替多种传统的耐磨材料，制作高载荷、高速、中温(≤400℃)下工作的各种滑动轴瓦和滑块。本发明详细介绍了这种耐磨材料的化学成分和熔铸工艺。

Description

电力机车受电弓滑板新材料
本发明涉及一种新型的耐磨减摩合金材料—锰铝青铜合金(ZQMn14-7-3-3-1)，特别适用于制造电力机车受电弓的滑板。此外，这种合金材料也可以代替多种传统的耐磨铜合金(如ZQSn6-6-3)，制作高载荷、高速、中温(≤400℃)下工作的各种滑动轴瓦和滑块。
铁路电气化、高速化是发达国家交通的一个重要标志，我国正在力争近几年内进入世界先进行列。电气化铁路网中，电力机车的受电弓滑板，是一种技术要求高，消耗量大的导电材料，也是实现铁路高速化的一个重要的制约因素。目前电力机车常用的受电弓滑板材料主要有四大类：粉末冶金铜基滑板、粉末冶金铁基滑板、铸造铜合金滑板和金属—碳复合材料滑板。这些材料有的使用寿命低，有的对接触网导线磨损严重等问题，因此，各国都在研制滑板新材料。
本发明的目的是研制一种新型的滑板材料，它的耐磨性能好，既能提高滑板材料的使用寿命，又能减少对接触网导线的磨损。同时机械性能较高，质量较轻，适合于高速运行。而且价格较低，废旧滑板又可以回收利用。
本发明研制的新型滑板材料是属于铸造铜合金类的高锰铝青铜合金，它的中国牌号可以写作：ZQMn14-7-3-3-1，其化学成分见表一。
                                表一、ZQMn14-7-3-3-1化学成分。
  合金牌号   化学成分(％)   杂质
  Mn   Al   Fe   Pb   Zn   Cu
  ZQMn14-7-3-3-1   11.0～15.0   6.0～8.0   2.0～3.5   2.0～5.0   0.5～2.0   余量   ≤1.5
这种合金的熔炼可以在坩埚炉、电炉或大型反射炉中熔炼，铸型应采用干砂型或硬模。熔炼工艺如下：首先将电解铜、一号金属锰(或电解锰)、白铁皮，按比例一起装炉，点火升温到800℃将炉材料预热，除去水分和挥发物。待温度均匀后，快速升温到1250℃～1300℃，使炉料全部熔化，搅拌均匀。加进预留的5％冷铜料，降温至1150℃左右，再加进锌，搅拌，扒渣；最后加进铝和铅，搅拌均匀后，作炉前弯角和化学成分分析。分析结果若不合格，则应调整成分，除气精炼。待成分和炉前弯角(≥25°)都合格后，就可以出炉了，浇铸温度为1100℃～1050℃。熔铸工艺直接影响材料的性能和产品的质量，因此必须严格控制熔炼工艺和浇注温度。
ZQMn14-7-3-3-1有优良的机械性能(见表二)，它的抗拉强度、冲击韧性和硬度都高于我国和日本常用的三类滑板材料，而比重在金属基滑板材料中是最轻的。它的电阻率比粉末冶金的铜基和铁基的滑板材料稍高一些，但是大大低于碳系滑板材料的电阻率，所以对其导电性能的影响很微小，也不会象碳系滑板那样，有停车时滑板与接触导线发热过高的问题。
ZQMn14-7-3-3-1有很好的耐磨性能，同时对摩擦付有很好的减摩性能，从表三中我们可以看到，它与铜导线的高度磨耗比和重量磨耗比，均大大低于我国现行常用的三类滑板材料的部颁标准，可以大幅度提高滑板的使用寿命。同时它对接触网导线的磨耗比也减少了，甚至低于浸金属碳滑板对导线的磨耗，有利于接触网导线的保护和维修。而且ZQMn14-7-3-3-1材料的成本较低，制造工艺较简便；废旧的滑板又可以回收熔炼，铸成新的滑板，循回使用，有利于降低电气化铁路的保养费用和环境保护。
                        表二、ZQMn14-7-3-3-1与几种常见滑板材料性能比较
  滑板系列   材料牌号   密度g/cm3   布氏硬度HB   抗拉强度MPa   冲击韧性J/cm2   电阻率μΩm   备注
  粉未冶金铁基   M54x   7.5   70～115   ≥180   ≥9.8   ≤0.40   JRS
  粉未冶金铜基   BC   7.6   55～65   ≥220   ≥12   ≤0.34   JRS
  CR2   8.2   ≤85   ≥150   ≥6.9   ≤0.3
  铸造钢合金   IH2   8.0   HS18～21   ≥180   ≥9.8   ≤0.2   日本近铁线南海线使用
  金属一碳复合材料   MY7D   2.5   92   102(抗弯强度)   0.27   10   日本JR东线JR北线使用
  高锰铝青铜   ZQMn14-7-3-3-1   7.4   150～160   400～520   8～10   0.58   本发明新材料
  粉末冶金铁基   ＜8.0   ≤140   ≥140   ≥7   ≤0.35   TB/T1842.1～2002
  粉末冶金铜基   7.8～8.2   60～90   ≥120   ≥7   ≤0.35   TB/T1842.1～2002
  浸金属碳板   3.0   ≥85   ≥85(抗折强度)   ≥0.25   ≤12   TB/T1842.2～2002
注：TB/T184.1～2002是中国铁道部标准，JRS-日本旧国铁标准。
            表三、高锰铝青铜与几种常见滑板材料磨损性能比较表
  滑板材料   滑板自身磨耗比   对接触线磨耗比
  高度磨耗比mm/万车公里   重量磨耗比g/万机车公里   mm2/万弓架次
  ZQMn14-7-3-3-1   0.593   8.18   0.01486
  粉末冶金铁基滑板   ≤9.0   ≤90.0   ≤0.042
  粉末冶金铜基滑板   ≤12.0   ≤240   ≤0.022
  浸金属碳滑板   ≤13.0   ≤204.0   ≤0.015
                        表四、几种耐磨材料的磨耗比
  耐磨材料   磨擦付材料   有无润滑剂   磨耗比mm3/m.N   备注
  合金类型   牌号
  高锰铝青铜合金   ZQMn14-7-3-3-1   无氧铜GCr15   固体润滑剂有   1.58×10-65.64×10-7 负荷70N
  锡青铜合金   ZQSn6-6-3   45#钢45#钢   有无   8.775×10-734.37×10-5 负荷300N
  高铝锌合金   ZA27   45#钢45#钢   有无   1.23×10-61.8×10-6 负荷200N
  Al-Zn基合金   P合金   45#钢   有无   6.278×10-714.97×10-5   山东工大研制(300N时)
在表四中我们将ZQMn14-7-3-3-1与几种常见的耐磨材料的磨耗比做个比较，从中我们看到，ZQMn14-7-3-3-1有很好的耐磨性能，它的磨耗比小于其它几种耐磨材料。因此，这种新的耐磨材料将可以代替多种传统的耐磨铜合金，制作高载荷、高速、中温(≤400℃)下工作的各种滑动轴瓦和滑块，具有广阔的应用前景。
实例说明：
首先将66.4公斤电解铜、14.2公斤电解锰和2.9公斤铁丝一起装进坩埚炉内，点火升温到800℃，除去水分和挥发物。待温度均匀后，快速升温到1250℃～1300℃，使炉料全部熔化，搅拌均匀，再加进5公斤冷铜降温，在1150℃时加进1.15公斤锌，搅拌、扒渣后，再加进7公斤铝和3.8公斤铅，将合金搅拌均匀，作炉前弯角试验和化学成分分析。分析结果合格后，加0.2％的六氯乙烷除气处理。然后在1100℃～1050℃下浇铸，铸模使用干砂模。自然冷却后，再进行机械加工，制作成滑板。

Claims (4)

1、一种耐磨材料——高锰铝青铜合金，其特征是：Mn 11.0％～15.0％，Al6.0％～8.0％，Fe 2.0％～3.5％，Pb 2.0％～5.0％，Zn 0.5％～2.0％，Cu余量，杂质＜1.5％。
2、如权利要求1所述的耐磨材料——高锰铝青铜合金，其制造方法是熔炼浇铸，或是粉末冶金烧结而成。
3、如权利要求1所述的耐磨材料——高锰铝青铜合金，用于制作电力机车受电弓的滑板材料。
4、如权利要求1所述的耐磨材料——高锰铝青铜合金，用于制作高载荷、高速、中温＜400℃下工作的各种滑动轴瓦或滑块。
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