一种铜基受电弓滑板复合材料的制备方法

摘要

本发明涉及一种铜基受电弓滑板复合材料的制备方法，属于受电弓滑板材料制备技术领域。本发明首先以石墨粉、钛粉以及铝粉等物质为原料，制备得到陶瓷坯体，将其进行高温烧结后，与预处理的石墨、铜粉进行球磨，得到复合材料粉料，最后将其进行压制、烧结和抛光处理，即可得到铜基受电弓滑板复合材料。本发明制备的铜基受电弓滑板复合材料对导线的磨耗较小，其摩擦系数低于0.07；且自身磨损量较小，磨损量低于1.9×10‑4mm/km，延长其使用寿命。

权利要求

1.一种铜基受电弓滑板复合材料的制备方法，其特征在于具体制备步骤为：

（1）称取140～145g钛粉，27～28g铝粉，21～22g石墨粉，23～24g锡粉，装入球磨机中球磨混合9～10h，得混合粉料，将混合粉料置于干压成型机中，在20～25MPa下预压成型，并将其转入干燥箱中，在105～110℃下，干燥至恒重，得陶瓷坯体，备用；

（2）称取30～40g石墨粉，加入至80～100mL质量分数为10%氢氧化钠溶液中，以200～

300r/min搅拌加热至沸腾并保持温度20～25min，冷却至室温，真空抽滤，用去离子水洗涤滤饼至洗涤液呈中性，将洗涤后的滤饼加入至50～60mL质量分数为20%硝酸溶液中，以200～300r/min搅拌加热至沸腾并保持温度20～25min，冷却至室温，真空抽滤，用去离子水洗涤滤渣至洗涤液呈中性，并转入干燥箱中，在105～110℃下干燥至恒重，得预处理石墨；

（3）将上述步骤（1）制备的陶瓷坯体置于高温烧结炉中，在氩气保护条件下，加热至

1350～1400℃，高温烧结15～20min，冷却至室温，得Ti3AlC2陶瓷，将Ti3AlC2陶瓷加入粉碎机中粉碎，过200目筛，称取180～200g过筛后的Ti3AlC2陶瓷粉末装入球磨罐中，并向球磨罐中加入上述制备的预处理石墨和750～800g铜粉，在氩气保护条件下，封罐球磨5～6h，得复合材料粉料；

（4）将上述制备的复合材料粉料装入模具中，在300～400MPa压力下压制1～2min，将压制后的模具置于真空烧结炉中，在体积比为1:1的氮气和氢气混合气体气氛下，以80～100℃/min升温至800～900℃，保持温度10～15min后，冷却至室温，拆模得粗坯，并将其置于抛光机中，打磨抛光，得铜基受电弓滑板复合材料。

说明书

一种铜基受电弓滑板复合材料的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种铜基受电弓滑板复合材料的制备方法，属于受电弓滑板材料制备技术领域。

背景技术

[0002] 滑板是装在电力机车顶部的受电弓上，直接与电网导线磨擦接触，将电网上的电流引入机车的接触导电元件。滑板材料需同时满足或协调以下几个方面的性能指标：（1）低的电阻率和接触电阻；（2）足够的抗冲击强度；（3）良好的减磨、自润滑性能；（4）一定的耐磨性；（5）良好的耐热、耐电弧性能；（6）一定的经济性；（7）便于成型和实现轻量化。受电弓滑板的研究和应用方面，其材料主要经历了纯金属滑板、粉末冶金滑板、纯碳滑板、浸金属碳滑板、金属基复合材料滑板和无机非金属基复合材料滑板等发展过程。

[0003] 现有的受电弓滑板的材料主要是粉末冶金材料和炭质材料。粉末冶金滑板主要分为铁基滑板和铜基滑板两种。铁基滑板适用于钢铝导线，铜基滑板适用于铜导线。粉末冶金滑板是以金属铁和铜粉末为基本成分，添加一些润滑成分如炭、铅和二硫化钼等硫化物，通过机械混合使各种成分均匀分布后，利用液压机将混料模压成型，后将毛坯高温烧结，最后浸入润滑油制得。由于粉末冶金滑板材料是金属体，和导线材质相近，而且导线是静态，滑板是动态，所以粉末冶金滑板对导线磨耗较大，而且在使用中易产生电弧。炭滑板本身具有很好的润滑性，自润滑性能和减摩性能好，对导线的磨损较小，滑动时电磁噪声小，且耐高温，不易和导线发生焊附现象。炭滑板与铜接触导线摩擦时在导线上形成一层炭膜，大大改善了导线的磨耗状况。但是炭滑板机械强度低，耐冲击性差，特别是雨季和潮湿地区，易出现局部拉沟，常出现弓网事故。另外，炭滑板固有电阻大、集电容量小、接触温度高，有可能引起导线过热氧化，烧成连续麻坑，加速导线磨耗，且自身磨损较严重。

发明内容

[0004] 本发明所要解决的技术问题：针对粉末冶金滑板材料对导线的磨耗较大，且在使用中易产生电弧的问题，本发明首先以石墨粉、钛粉以及铝粉等物质为原料，制备得到陶瓷坯体，将其进行高温烧结后，与预处理的石墨、铜粉进行球磨，得到复合材料粉料，最后将其进行压制、烧结和抛光处理，即可得到铜基受电弓滑板复合材料。本发明制备的铜基受电弓滑板复合材料对导线的磨损较小，不易产生电弧，可适用于制备铁路电力机车受电弓滑板。

[0005] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

[0006] （1）称取140～145g钛粉，27～28g铝粉，21～22g石墨粉，23～24g锡粉，装入球磨机中球磨混合9～10h，得混合粉料，将混合粉料置于干压成型机中，在20～25MPa下预压成型，并将其转入干燥箱中，在105～110℃下，干燥至恒重，得陶瓷坯体，备用；

[0007] （2）称取30～40g石墨粉，加入至80～100mL质量分数为10%氢氧化钠溶液中，以200～300r/min搅拌加热至沸腾并保持温度20～25min，冷却至室温，真空抽滤，用去离子水洗涤滤饼至洗涤液呈中性，将洗涤后的滤饼加入至50～60mL质量分数为20%硝酸溶液中，以200～300r/min搅拌加热至沸腾并保持温度20～25min，冷却至室温，真空抽滤，用去离子水洗涤滤渣至洗涤液呈中性，并转入干燥箱中，在105～110℃下干燥至恒重，得预处理石墨；

[0008] （3）将上述步骤（1）制备的陶瓷坯体置于高温烧结炉中，在氩气保护条件下，加热至1350～1400℃，高温烧结15～20min，冷却至室温，得Ti3AlC2陶瓷，将Ti3AlC2陶瓷加入粉碎机中粉碎，过200目筛，称取180～200g过筛后的Ti3AlC2陶瓷粉末装入球磨罐中，并向球磨罐中加入上述制备的预处理石墨和750～800g铜粉，在氩气保护条件下，封罐球磨5～6h，得复合材料粉料；

[0009] （4）将上述制备的复合材料粉料装入模具中，在300～400MPa压力下压制1～2min，将压制后的模具置于真空烧结炉中，在体积比为1:1的氮气和氢气混合气体气氛下，以80～100℃/min升温至800～900℃，保持温度10～15min后，冷却至室温，拆模得粗坯，并将其置于抛光机中，打磨抛光，得铜基受电弓滑板复合材料。

[0010] 本发明制备的铜基受电弓滑板复合材料摩擦系数低于0.07，磨损量低于1.9×10-4mm/km，压缩强度达到325MPa以上，拉伸强度达到56.7MPa以上，冲击韧性达到2.7J/cm2以上。

[0011] 本发明与其他方法相比，有益技术效果是：

[0012] （1）本发明制备的铜基受电弓滑板复合材料对导线的磨耗较小，其摩擦系数低于0.07；

[0013] （2）本发明制备的铜基受电弓滑板复合材料自身磨损量较小，磨损量低于1.9×10-4mm/km，延长了使用寿命。

具体实施方式

[0014] 首先称取140～145g钛粉，27～28g铝粉，21～22g石墨粉，23～24g锡粉，装入球磨机中球磨混合9～10h，得混合粉料，将混合粉料置于干压成型机中，在20～25MPa下预压成型，并将其转入干燥箱中，在105～110℃下，干燥至恒重，得陶瓷坯体，备用；再称取30～40g石墨粉，加入至80～100mL质量分数为10%氢氧化钠溶液中，以200～300r/min搅拌加热至沸腾并保持温度20～25min，冷却至室温，真空抽滤，用去离子水洗涤滤饼至洗涤液呈中性，将洗涤后的滤饼加入至50～60mL质量分数为20%硝酸溶液中，以200～300r/min搅拌加热至沸腾并保持温度20～25min，冷却至室温，真空抽滤，用去离子水洗涤滤渣至洗涤液呈中性，并转入干燥箱中，在105～110℃下干燥至恒重，得预处理石墨；接着将上述制备的陶瓷坯体置于高温烧结炉中，在氩气保护条件下，加热至1350～1400℃，高温烧结15～20min，冷却至室温，得Ti3AlC2陶瓷，将Ti3AlC2陶瓷加入粉碎机中粉碎，过200目筛，称取180～200g过筛后的Ti3AlC2陶瓷粉末装入球磨罐中，并向球磨罐中加入上述制备的预处理石墨和750～800g铜粉，在氩气保护条件下，封罐球磨5～6h，得复合材料粉料；最后将上述制备的复合材料粉料装入模具中，在300～400MPa压力下压制1～2min，将压制后的模具置于真空烧结炉中，在体积比为1:1的氮气和氢气混合气体气氛下，以80～100℃/min升温至800～900℃，保持温度10～15min后，冷却至室温，拆模得粗坯，并将其置于抛光机中，打磨抛光，得铜基受电弓滑板复合材料。

[0015] 实例1

[0016] 首先称取145g钛粉，28g铝粉，22g石墨粉，24g锡粉，装入球磨机中球磨混合10h，得混合粉料，将混合粉料置于干压成型机中，在25MPa下预压成型，并将其转入干燥箱中，在110℃下，干燥至恒重，得陶瓷坯体，备用；再称取40g石墨粉，加入至100mL质量分数为10%氢氧化钠溶液中，以300r/min搅拌加热至沸腾并保持温度25min，冷却至室温，真空抽滤，用去离子水洗涤滤饼至洗涤液呈中性，将洗涤后的滤饼加入至60mL质量分数为20%硝酸溶液中，以300r/min搅拌加热至沸腾并保持温度25min，冷却至室温，真空抽滤，用去离子水洗涤滤渣至洗涤液呈中性，并转入干燥箱中，在105℃下干燥至恒重，得预处理石墨；接着将上述制备的陶瓷坯体置于高温烧结炉中，在氩气保护条件下，加热至1350℃，高温烧结15min，冷却至室温，得Ti3AlC2陶瓷，将Ti3AlC2陶瓷加入粉碎机中粉碎，过200目筛，称取180g过筛后的Ti3AlC2陶瓷粉末装入球磨罐中，并向球磨罐中加入上述制备的预处理石墨和750g铜粉，在氩气保护条件下，封罐球磨5h，得复合材料粉料；最后将上述制备的复合材料粉料装入模具中，在300MPa压力下压制1min，将压制后的模具置于真空烧结炉中，在体积比为1:1的氮气和氢气混合气体气氛下，以80℃/min升温至800℃，保持温度10min后，冷却至室温，拆模得粗坯，并将其置于抛光机中，打磨抛光，得铜基受电弓滑板复合材料。

[0017] 本发明制备的铜基受电弓滑板复合材料摩擦系数为0.065，磨损量为1.8×10-4mm/km，压缩强度达到327MPa，拉伸强度达到57.7MPa，冲击韧性达到2.8J/cm2。

[0018] 实例2

[0019] 首先称取145g钛粉，28g铝粉，22g石墨粉，24g锡粉，装入球磨机中球磨混合10h，得混合粉料，将混合粉料置于干压成型机中，在25MPa下预压成型，并将其转入干燥箱中，在110℃下，干燥至恒重，得陶瓷坯体，备用；再称取40g石墨粉，加入至100mL质量分数为10%氢氧化钠溶液中，以300r/min搅拌加热至沸腾并保持温度25min，冷却至室温，真空抽滤，用去离子水洗涤滤饼至洗涤液呈中性，将洗涤后的滤饼加入至60mL质量分数为20%硝酸溶液中，以300r/min搅拌加热至沸腾并保持温度25min，冷却至室温，真空抽滤，用去离子水洗涤滤渣至洗涤液呈中性，并转入干燥箱中，在110℃下干燥至恒重，得预处理石墨；接着将上述制备的陶瓷坯体置于高温烧结炉中，在氩气保护条件下，加热至1400℃，高温烧结20min，冷却至室温，得Ti3AlC2陶瓷，将Ti3AlC2陶瓷加入粉碎机中粉碎，过200目筛，称取200g过筛后的Ti3AlC2陶瓷粉末装入球磨罐中，并向球磨罐中加入上述制备的预处理石墨和800g铜粉，在氩气保护条件下，封罐球磨6h，得复合材料粉料；最后将上述制备的复合材料粉料装入模具中，在400MPa压力下压制2min，将压制后的模具置于真空烧结炉中，在体积比为1:1的氮气和氢气混合气体气氛下，以100℃/min升温至900℃，保持温度15min后，冷却至室温，拆模得粗坯，并将其置于抛光机中，打磨抛光，得铜基受电弓滑板复合材料。

[0020] 本发明制备的铜基受电弓滑板复合材料摩擦系数为0.067，磨损量为1.75×10-4mm/km，压缩强度达到327.6MPa，拉伸强度达到57.87MPa，冲击韧性达到2.85J/cm2。

[0021] 实例3

[0022] 首先称取142g钛粉，27g铝粉，21g石墨粉，23g锡粉，装入球磨机中球磨混合9h，得混合粉料，将混合粉料置于干压成型机中，在22MPa下预压成型，并将其转入干燥箱中，在107℃下，干燥至恒重，得陶瓷坯体，备用；再称取32g石墨粉，加入至90mL质量分数为10%氢氧化钠溶液中，以250r/min搅拌加热至沸腾并保持温度22min，冷却至室温，真空抽滤，用去离子水洗涤滤饼至洗涤液呈中性，将洗涤后的滤饼加入至55mL质量分数为20%硝酸溶液中，以250r/min搅拌加热至沸腾并保持温度22min，冷却至室温，真空抽滤，用去离子水洗涤滤渣至洗涤液呈中性，并转入干燥箱中，在107℃下干燥至恒重，得预处理石墨；接着将上述制备的陶瓷坯体置于高温烧结炉中，在氩气保护条件下，加热至1370℃，高温烧结17min，冷却至室温，得Ti3AlC2陶瓷，将Ti3AlC2陶瓷加入粉碎机中粉碎，过200目筛，称取190g过筛后的Ti3AlC2陶瓷粉末装入球磨罐中，并向球磨罐中加入上述制备的预处理石墨和770g铜粉，在氩气保护条件下，封罐球磨5h，得复合材料粉料；最后将上述制备的复合材料粉料装入模具中，在350MPa压力下压制1min，将压制后的模具置于真空烧结炉中，在体积比为1:1的氮气和氢气混合气体气氛下，以90℃/min升温至850℃，保持温度12min后，冷却至室温，拆模得粗坯，并将其置于抛光机中，打磨抛光，得铜基受电弓滑板复合材料。

[0023] 本发明制备的铜基受电弓滑板复合材料摩擦系数为0.064，磨损量为1.7×10-4mm/km，压缩强度达到328MPa，拉伸强度达到57.9MPa，冲击韧性达到2.9J/cm2。