一種銅基石墨與鋯粉末冶金複合材料及其製備方法和用途的製作方法
2023-06-08 11:16:01
專利名稱：一種銅基石墨與鋯粉末冶金複合材料及其製備方法和用途的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種銅基石墨與鋯粉末冶金複合材料(CGZrCM)、製備方法和用途，主要涉及磁浮列車的受流器受電靴滑塊和軌道交通車輛受流器受電靴接觸塊材料領域。
背景技術：
磁浮交通是一種新型的有軌交通系統，由於依靠電磁力實現無接觸運行的技術特點，被認為是當今世界唯一能夠安全可靠地以400～500km·h-1速度運營的地面大容量客運交通工具，並且能耗低、環境影響小，具有不可取代的優越性。磁浮列車的發展對其關鍵部件—受流器受電靴滑塊，提出了較高的性能要求，要求低電阻、自潤滑(耐磨)、耐高熱、耐衝擊，並且針對其更換頻繁，使用率高的特點，該材料同時必須具有簡單的加工工藝和較低廉的成本，因此銅基粉末冶金材料將是合適的選擇。
目前專門用於磁浮列車受流器受電靴滑塊的銅基粉末冶金材料未見相關報導，相關的銅基粉末冶金材料主要有高速輪軌列車用銅基粉末冶金多孔摩擦材料和銅基受電弓滑板材料，如銅基受電弓滑板試件電阻率和磨損性能研究，金永平等，哈爾濱工業大學學報，2003年04期；銅基受電弓滑板成分優化及組織性能研究，胡建紅，昆明理工大學2004年碩士學位論文，以上材料均不能滿足磁浮列車受流器受電靴滑塊的性能要求。
1998年6月8日，小林英勇申請了JP11-75301《受電弓滑板結構設計》專利，對碳素燒結後浸銅產品的結構進行了合理的設計，採用銅包鎧滑板底面的結構設計。顯然，碳素浸銅材料呈現出脆性，難以機加工，並且自身耐磨性能差，需要的厚度比較大。
1998年4月7日，Le Carbone Lorraine在美國申請了US569223法國TGV高速列車使用的帶有潤滑系統的受電弓設計。該專利描述了如何利用設計的油管在受電弓頭內進行潤滑，減少因突出的摩擦問題而增加的運行維護工作量。但此潤滑方式對環境的影響較大，並且潤滑的油汙會影響到受電效果，影響列車提速。
2002年8月19日，土屋宏志等人代表「鐵道綜合技術研究所」和「東洋碳素」申請JP2004-78097《耐磨型碳素符合滑板材料》專利，該專利描述的滑板材料是採用粉末冶金生產方法製造的碳-銅複合材料，具有熱傳導係數20W/mK和熱膨脹係數8×10-6/K的物理特性。該滑板材料的發明適應日本新幹線高速輪軌列車的受電電流增大(要求提高車速)，對滑板材料的耐熱性能要求也相應地提高而進行的研究。
1999年11月25日，何大海博士等人申請了PCT/AU99/01115「用於輸電的具有改進耐磨性能的低電阻率材料及製造方法」提出了CGCM(Copper Graphite Composite Materials)發明，涉及到一種銅基石墨複合材料，適用於高速輪軌列車受電弓滑板材料。雖然該發明也具有銅與石墨複合，採用粉末冶金生產工藝，低電阻、自潤滑、耐磨、電火花抵抗能力強等功能，但由於銅基晶粒過於粗大，材料硬度無法提高影響到CGCM的自身耐磨性能的提高。更無法滿足磁浮列車的受流工況。
上述研究均在某一個或幾個方面對滑板材料做了改進，但在實際應用中仍存在不足之處。
發明內容
本發明的目的是提供一種銅基石墨與鋯粉末冶金複合材料(CGZrCM)，該種粉末冶金材料具有優良的減摩性能、自潤滑性能、導電性能、耐電弧燒損性能、耐候性能以及較高的強度和剛度，機械加工性能良好，能夠適應高速磁浮列車的受流工況。
又，本發明提供一種特定的粉末冶金材料製備方法，加工工藝簡單。本發明提供了一種調整銅基晶粒大小，加進鋯的合適生產工藝，使銅基石墨粉末冶金複合材料的應用範圍得以擴大。
另，本發明的目的還提供一種銅基石墨與鋯粉末冶金複合材料的用途，用所述粉末冶金材料可以製作磁浮列車的受流器受電靴滑塊材料。該種受流器受電靴滑塊材料應用於磁浮列車上，可經受高溫、高速、大電流重載、大受力衝擊、潤滑不良等惡劣環境的考驗，實現磁浮列車在運行過程中對受流器受電靴滑塊的各項性能指標，保證列車的安全正常工作，從而延長整個軌道線路的供電軌使用壽命，降低磁浮列車的運營成本，促進磁浮列車交通的進一步發展。
本發明對所述目的實現是利用下述方法來解決的，包括用於受流器受電靴滑塊接觸塊的銅基石墨與鋯粉末冶金複合材料，所述的銅基粉末冶金材料的合金成分配比(重量百分比)如下石墨3.0～15.0％，鉻1.0～2.0％，鉛4.0％，鋅0～8.0％，錫0～8.0％，鋯0.4～0.8％，餘量為銅。
進一步地，用於受流器受電靴滑塊和接觸塊的銅基粉末冶金材料，所述的銅基石墨與鋯粉末冶金複合材料的合金成分配比(重量百分比)如下石墨3.0～15.0％，鉻1.0～2.0％，鉛4.0％，錫6.0～8.0％，鋯0.4～0.8％，餘量為銅。
再進一步地，用於受流器受電靴滑塊和接觸塊的銅基粉末冶金材料，所述的銅基石墨與鋯粉末冶金複合材料的合金成分配比(重量百分比)如下石墨3.0～15.0％，鉻1.0～2.0％，鉛4.0％，鋅6.0～8.0％，鋯0.4～0.8％，餘量為銅。
所述合金的各粉末顆粒大小可以是銅150～200目，石墨100～200目，鋅100～200目，錫100～200目，鉻150～200目，鉛100～200目，鋯150～200目。
上述銅基石墨與鋯粉末冶金複合材料的製備方法，是按照所述的合金成分配比(重量百分比)將其混合均勻石墨3.0～15.0％，鉻1.0～2.0％，鉛4.0％，鋅0～8.0％，錫0～8.0％，鋯0.4～0.8％，餘量為銅；或者石墨3.0～15.0％，鉻1.0～2.0％，鉛4.0％，錫6.0～8.0％，鋯0.4～0.8％，餘量為銅；或者石墨3.0～15.0％，鉻1.0～2.0％，鉛4.0％，鋅6.0～8.0％，鋯0.4～0.8％，餘量為銅。銅與鋯粉末的混合採用特定的生產工藝製成中間合金粉末，即在1080℃下進行半封閉容器燒結方式，在燒結過程中會有0.25％wt的鋯燒損，因此在配方上應適當控制，然後粉碎該中間合金成200目粉末。然後，將上述原材料分成設計模具所需的劑量若干等分(模具所需劑量應按受電靴幾何尺寸設計)，使用液壓機將每一等分在粉壓模具中壓製成型。所述壓製成型的壓制壓力為200～250噸。然後在保護氣氛下採用階梯升溫的方式進行燒結，燒結完畢下復壓模具中進行二次壓力成型；所述階梯升溫的方式為第一階段0～40min，200℃；第二階段40～80min，400℃；第三階段80～170min，700℃；第四階段170～330min，920℃；所述保護氣體可以是惰性氣體，更佳的，為90％氮氣和10％氫氣的混合氣體。
上述銅基石墨與鋯粉末冶金複合材料的製備方法也可以不採用階梯升溫法製備，即將合金粉混合均勻，在一定壓力下製成毛坯，然後放置在氣體保護爐中以900～1200℃溫度燒結，保溫2h，保護氣體的成分為90％的氮氣和10％的氫氣，冷卻後進行機加工，達到成品尺寸。
上述特定銅與鋯混合生產工藝採用了氣體保護逐漸燒結混合方法，經過多於五次以上的混燒工序製備的中間料坯料還需再次磨壓制粉。在合理控制多次混燒工藝參數的基礎上，製備的中間合金粉末完全可以達到所要求的銅基石墨與鋯粉末冶金複合材料的配方比例。
為了在使用中提高抗衝擊能力，可在用所述粉末冶金材料做成的最終成品如受電靴滑塊和接觸塊的底部壓制銅鎧包，並布置固定螺栓孔。
視具體工況，在上述銅鎧包內可以增加潤滑劑，增強潤滑效果。
附圖表說明
圖1是CGCM材料的金相組織電鏡圖；圖2是CGZrCM材料的金相組織電鏡圖；圖3是CGZrCM晶粒組織電鏡圖；圖4是CGZrCM與CGCM的抗電火花能力對比圖；具體實施方式
為了便於理解本發明，特例舉以下實施例。其作用應被理解為是對本發明的詮釋而絕非對本發明的任何形式的限制。
實施例1混料金屬粉末混料機，轉速為34r/min，每隔15min改變混料機的旋轉方向，讓材料充分混合(約12小時)。
實驗材料銅粉(Cu)，200目，餘量；石墨(C)，400目，3％；鉻粉(Cr)，200目，1％；鉛粉(Pb)，200目，4％；錫粉(Sn)，200目，6％；鋯粉(Zr)，200目，0.8％。
先將純銅粉末與鋯粉末均勻混合，在1080℃溫度下燒結成形，由於鋯在該溫度燒結時極易揮發，所以燒結方式採用容器半密閉方式，控制揮發量。然後粉碎該中間合金成200目粉末。經過不同配比的混合燒結與制粉過程，控制銅鋯中間合金滿足樣品的配方要求。
初壓採用240噸壓力進行初壓。
燒結採用階梯升溫方式0～40min，200℃；40～80min，400℃；80～170min，700℃；170～330min，920℃。
冷卻在冷卻過程中，採用氫氣與氮氣混合爐內氣氛保護，直到降溫到200℃以下。
復壓採用220噸壓力進行復壓，確保滑塊材料表面硬度與摩擦副材料的表面硬度相當。
後續加工對成型的試塊進行必要的車、削、鑽等精加工以及表面處理。
實施例2混料金屬粉末混料機，轉速為24r/min，每隔15min改變混料機的旋轉方向，讓材料充分混合(約12小時)。
實驗材料銅粉(Cu)，200目，餘量；石墨(C)，400目，7％；鉻粉(Cr)，200目，1.5％；鉛粉(Pb)，200目，4％；鋅粉(Zn)，200目，8％；鋯粉(Zr)，200目，0.6％。
先將純銅粉末與鋯粉末均勻混合，在1080℃溫度下燒結成形，由於鋯在該溫度燒結時極易揮發，所以燒結方式採用容器半密閉方式，控制揮發量。然後粉碎該中間合金成200目粉末。經過不同配比的混合燒結與制粉過程，控制銅鋯中間合金滿足樣品的配方要求。
初壓採用240噸壓力進行初壓。
燒結採用階梯升溫方式0～40min，200℃；40～80min，400℃；80～170min，700℃；170～330min，920℃。
冷卻在冷卻過程中，採用氫氣與氮氣混合爐內氣氛保護，直到降溫到200℃以下。
復壓採用220噸壓力進行復壓，確保滑塊材料表面硬度與摩擦副材料的表面硬度相當。
後續加工對成型的試塊進行必要的車、削、鑽等精加工以及表面處理。
實施例3混料金屬粉末混料機，轉速為30r/min，每隔15min改變混料機的旋轉方向，讓材料充分混合(約15小時)。
實驗材料銅粉(Cu)，200目，餘量；石墨(C)，400目，10％；鉻粉(Cr)，200目，2％；鉛粉(Pb)，200目，4％；錫粉(Sn)，200目，8％；鋯粉(Zr)，200目，0.4％。
先將純銅粉末與鋯粉末均勻混合，在1080℃溫度下燒結成形，由於鋯在該溫度燒結時極易揮發，所以燒結方式採用容器半密閉方式，控制揮發量。然後粉碎該中間合金成200目粉末。經過不同配比的混合燒結與制粉過程，控制銅鋯中間合金滿足樣品的配方要求。
初壓採用240噸壓力進行初壓。
燒結採用階梯升溫方式0～40min，200℃；40～80min，400℃；80～170min，700℃；170～330min，920℃。
冷卻在冷卻過程中，採用氫氣與氮氣混合爐內氣氛保護，直到降溫到200℃以下。
復壓採用220噸壓力進行復壓，確保滑塊材料表面硬度與摩擦副材料的表面硬度相當。
後續加工對成型的試塊進行必要的車、削、鑽等精加工以及表面處理。
實施例4混料金屬粉末混料機，轉速為30r/min，每隔15min改變混料機的旋轉方向，讓材料充分混合(約16小時)。
實驗材料銅粉(Cu)，200目，餘量；石墨(C)，400目，15％；鉻粉(Cr)，200目，2％；鉛粉(Pb)，200目，4％；鋅粉(Zn)，200目，6％；鋯粉(Zr)，200目，0.5％。
先將純銅粉末與鋯粉末均勻混合，在1080℃溫度下燒結成形，由於鋯在該溫度燒結時極易揮發，所以燒結方式採用容器半密閉方式，控制揮發量。然後粉碎該中間合金成200目粉末。經過不同配比的混合燒結與制粉過程，控制銅鋯中間合金滿足樣品的配方要求。
初壓採用240噸壓力進行初壓。
燒結採用階梯升溫方式0～40min，200℃；40～80min，400℃；80～170min，700℃；170～330min，920℃。
冷卻在冷卻過程中，採用氫氣與氮氣混合爐內氣氛保護，直到降溫到200℃以下。
復壓採用220噸壓力進行復壓，確保滑塊材料表面硬度與摩擦副材料的表面硬度相當。
後續加工對成型的試塊進行必要的車、削、鑽等精加工以及表面處理。
如圖1所示，PCT/AU99/01115專利中提到的CGCM金相組織呈現出較大的銅金相晶粒，因此在如下表1中列出的物理性能也呈現CGCM的機械性能不如CGZrCM的好。這是因為CGZrCM中添加了鋯作為銅金相晶粒大小的調整元素。
如圖2所示，添加了鋯的CGZrCM金相組織電鏡圖顯示，銅基晶粒相對較小，形成了細碎的纖維狀金相組織，如圖3所示。暫且不論何等機理造成這樣的效果，在表1中呈現的物理性能，不論是抗壓強度與硬度，還是導電率與磨損率CGZrCM都要優於CGCM。因此，CGZrCM能夠適應高速磁浮車輛安全運行的技術要求。
如圖4所示，材料的抗電火花能力顯然與材料的導電性能有關，CGZrCM的抗電火花電流密度比CGCM低，因此CGZrCM材料(滑板與接觸線)的抗電火花侵蝕的程度就低，從而保護了受電設備延長了使用壽命。
表1 CGZrCM物理性能對照(按重量百分比wt配方) 注CGCM樣品參數選自PCT/AU99/0111權利要求
1.一種用於受流器受電靴滑塊的銅基石墨與鋯元素粉末冶金複合材料，其特徵在於，所述的銅基粉末冶金材料由下述重量百分比的物質組成石墨3.0～15.0％，鉻1.0～2.0％，鉛4.0％，鋅0～8.0％，錫0～8.0％，鋯0.4～0.8％，餘量為銅。
2.如權利要求1所述的粉末冶金複合材料，其特徵在於，所述的銅基粉末冶金材料由下述重量百分比的物質組成石墨3.0～15.0％，鉻1.0～2.0％，鉛4.0％，鋅6.0～8.0％，鋯0.4～0.8％，餘量為銅。
3.如權利要求1所述的粉末冶金複合材料，其特徵在於，所述的銅基粉末冶金材料由下述重量百分比的物質組成石墨3.0～15.0％，鉻1.0～2.0％，鉛4.0％，錫6.0～8.0％，鋯0.4～0.8％，餘量為銅。
4.如權利要求1或2或3所述的粉末冶金複合材料，其特徵在於，所述合金的各粉末粒徑如下銅150～200目，石墨100～200目，鋅100～200目，錫100～200目，鉻150～200目，鉛100～200目，鋯150～200目。
5.一種銅基粉末冶金複合材料的生產方法，其特徵在於，按照下述的合金成分的重量百分比將其混合均勻石墨3.0～15.0％，鉻1.0～2.0％，鉛4.0％，鋅0～8.0％，錫0～8.0％，鋯0.4～0.8％，餘量為銅；然後，在200～250噸的壓力下壓製成型，保護氣氛下採用階梯升溫的方式進行燒結，階梯升溫的時間為290～620min，階梯升溫的溫度為200～920℃，燒結完畢後進行二次壓力成型。
6.如權利要求5所述的生產方法，其特徵在於，所述銅與鋯粉末的混合，採用了在1080℃下進行半封閉容器燒結方式，然後粉碎該中間合金成200目粉末。
7.如權利要求5所述的生產方法，其特徵在於，所述階梯升溫的方式為第一階段0～40min，200℃；第二階段40～80min，400℃；第三階段80～170min，700℃；第四階段170～330min，920℃。
8.如權利要求5所述的生產方法，其特徵在於，所述保護氣體的成分為惰性氣體和氫氣的混合氣。
9.如權利要求8所述的生產方法，其特徵在於，所述保護氣體為90％的氮氣和10％的氫氣。
10.權利要求1或2或3所述的粉末冶金複合材料的用途是用於製作磁浮列車的受流器受電靴滑塊或軌道交通車輛受流器受電靴接觸塊。
11.如權利要求10所述的粉末冶金複合材料的用途，其特徵在於，在所述受電靴滑塊和接觸塊的底部壓制銅鎧包，並布置固定螺栓孔。
全文摘要
本發明涉及一種銅基石墨與鋯元素粉末冶金複合材料，主要是用作磁浮列車的受流器滑塊和接觸塊材料，以及該材料的製備方法和用途。所述粉末冶金複合材料中合金成分重量百分比為石墨3.0～15.0％，鉻1.0～2.0％，鉛4.0％，含有鋅或錫，鋅0～8.0％，錫0～8.0％，鋯0.4～0.8％，餘量為銅。用所述合金粉末製成的滑板材料具有電阻低、導電容量高、自潤滑功能、磨損小、離線率低的特點，並且在節能、減小電火花等方面均有顯著的優點。同時，在生產造價上也優於其他受電靴滑板材料。
文檔編號B22F3/16GK1932067SQ200610117099
公開日2007年3月21日 申請日期2006年10月13日 優先權日2006年10月13日
發明者何國求, 陳成澎, 何大海, 劉曉山, 馬行馳, 莫德鋒, 王東方 申請人:上海磁浮交通工程技術研究中心