碳滑板研制-金属热处理

铁路机车受电弓碳滑板材料研究华公平1,丁春华2（1.中国南车集团戚墅堰机车车辆工艺研究所 热处理工程部，常州 213011；2.西安交通大学 航空航天学院，西安 710049）摘要：本文对电力机车碳滑板材料进行了相关研究。制备了浸铜碳滑板试样，并通过试验研究了浸金属碳滑板和纯碳滑板的机械摩擦性能与电弧烧蚀性能。得出纯碳滑板的摩擦系数和磨损量均低于浸金属滑板的，浸铜合金滑板材料的摩擦性能优于浸铜滑板的；纯碳滑板的电弧烧蚀速率低于浸金属滑板的，浸铜合金滑板的电弧烧蚀速率高于浸铜滑板的；在浸水后试样在相同条件下发生电弧击穿的几率更大。通过XRD分析，得出导致国产纯碳滑板和进口纯碳滑板使用寿命相差很大的主要原因。关键词：电力机车；受电弓滑板；机械磨损；电弧烧蚀Study on Carbon Sliding Panel of Locomotive Bow CollectorHua Gong-ping , Ding Chun-hua（1.CSR QiShuYan Locomotive & Rolling Stock Technology Research Institute, Heat Treatment Technology Department,ChangZhou,2130112.XiAn JiaoTong University, Aeronautics & Astronautics Institute）Abstract：In the article, the carbon sliding panel of electric locomotive bow collector was studied. The experimental results show that the frictional coefficient and wear extent of carbon panels are lower than those infiltrated with metal; the frictional properties of panels infiltrated with copper alloy are better than those infiltrated with copper; the arc eroding rate of carbon panels is lower than those infiltrated with metal; the arc eroding rate of carbon panels infiltrated with copper alloy is higher than those infiltrated with copper; and under the same conditions, the arc breakdown probability of samples soaked with water is higher than those without water. The life of carbon panels made in China is much lower than imported carbon panel. And by XRD analyzing, the main reason is found.Keywords：electric locomotive, sliding panel of bow collector, mechanical wearing, arc erosion 1 前言滑板是电力机车的重要部件，安装在受电弓上，直接与接触网导线接触，属于滑动接触触头材料的范畴1，2，滑板从接触网导线上获得电流，为机车供应电力3，4，5。因此，受电弓滑板与接触网导线构成的是一对机械与电气耦合的特殊摩擦副，其工作条件有以下特点：（1）周期性随机变化载荷；（2）接触时有强电流通过；（3）高速滑动；（4）环境条件复杂多变。滑板的主要失效形式就是磨耗到限6，而对于碳滑板，还可能因折断、脱落掉块而必须更换。电力机车上的滑板一旦失效，将严重危及行车安全。因此要求它的使用必须经济安全，既对接触网导线磨耗小，自身有足够的使用寿命，又不影响弓网关系。一般说来，受电弓滑板需具备如下特性7，8：（1）良好的导电导热性能；(2)足够高的机械强度；(3)低的电阻率和接触电阻；(4)良好的减磨性和自润滑性能；(5)一定的耐磨性；(6)良好的耐热、耐电弧性能；(7)较好的耐候性；(8)便于实现轻量化和标准化；（9）与接触网导线有良好的匹配性能。此外还要求具有价格低、安全性好、环境负荷小的特点。铁路的电力机车化程度是发达国家交通的一个重要标志。作为电力机车从接触网线导入电能的滑板材料，其发展经历了一个长而复杂的过程。总的来看，在受电弓滑板的研究和应用方面，其材料主要经历了金属滑板、碳滑板、粉末冶金滑板、浸金属碳滑板、金属基复合材料和无机非金属基复合材料滑板的发展过程。今后我国电力机车干线将主要采用铜合金导线，考虑成本，首要原则是先应保护好导线。所以与铜合金接触导线匹配性能最好的浸金属碳滑板和碳基复合材料滑板是今后的主要发展方向，其应用范围将越来越大。但目前国内生产的浸金属碳滑板材料的使用寿命依旧较低，使用中存在的问题很多，且滑板材料的磨损机理特别是电磨损机理目前研究的较少。本文研究了碳石墨浸铜滑板材料的制造工艺；探讨了碳基滑板材料的摩擦磨损性能和电弧烧蚀性能；同时本文还揭示进口纯碳滑板材料和国产纯碳滑板材料使用性能相差很大的原因，为国内改良纯碳滑板提供依据。2 材料的制备与性能测试本文选取制备的碳浸铜材料、商用碳浸铜合金滑板材料和纯碳滑板材料为研究对象。2.1样品制备以粗粒级碳粉为原料，用酚醛树脂作为粘结剂，纯紫铜为熔渗金属。按碳34wt的比例将酚醛树脂加入碳粉中，混和均匀后在100吨油压机上进行压制，控制适宜的压力大小，制得压胚；将制得的压胚在N2保护气氛烧结炉中烧结，制得碳骨架；后将碳骨架放入加压浸铜炉中进行浸渍处理，制得3210(宽厚长)的样品。将一定比例的沥青焦、石油焦、石墨粉、碳黑或硬碳在混料机中混合均匀；然后加入一定量的煤焦油沥青, 搅拌成碳糊状；然后将碳糊挤压成型；成型料在高温保护性气氛烧结炉内焙烧；向焙烧制品中浸渍高温煤油焦沥青；浸渍后进行固化处理制得滑板坯料；最后对所制取的坯料进行机加工整形, 制得3210(宽厚长)的样品。2.2性能测试2.2.1常规性能按照标准电力机车受电弓浸金属碳滑板9要求，对制备试样进行了电阻率、体积密度、硬度的测量。电阻率采用SDY4型数字式四探针测试仪进行测量；密度采用浸蜡法进行测量；硬度使用HS-19A型肖氏硬度计测量。 2.2.2摩擦磨损性能摩擦磨损试验在MPX2000盘销式摩擦磨损试验机上进行，纯滑动摩擦，测定摩擦系数随摩擦时间（转数n）的变化曲线，并测量摩擦磨损前后试样重量的变化，以评定不同材料的磨损性能。用SEM观察摩擦磨损前后形貌，用以确定摩擦磨损机制。2.2.3电接触性能图1 电击穿试验线路图电接触性能测量采用如图1所示的线路。分别把不同的滑板材料，放入灭弧室（VC）内作阴极，用纯W棒作阳极，将阳极固定在阴极上方的移动杆上，下面与阴极面平行。阴极以0.2mm/min的速度接近阳极，当阴阳极间距离减小到一定程度时，发生电弧间隙击穿，从而模拟出空气放电过程。在限流电阻Rs的两端接TDS-2024型示波器，对放电回路中的电流和电压信号进行测量，然后通过数据采集模块进行采集，传输到计算机中储存，采用“wavestar”软件对数据结果进行处理和分析。最后用SEM观察电烧蚀形貌。2.3.3.1 耐电压强度采用动态耐电压强度测试方法。在阴、阳级两端加上8kV的电压，阳极固定不动，阴极以0.2mm/min的速度接近阳极，当间隙小到一定程度，在放电瞬间阴极停止移动，用数显千分表测出此时阴阳级间距离di，根据式（1）求出耐电压强度。每个试样测量100次，得出耐电压强度分布曲线。EiU/di (1)2.3.3.2电弧烧蚀滑板材料在运行中由于与导线接触不良和离线等原因引起火花或电弧而造成电气磨损，即电弧烧蚀，也称为电弧磨损。根据Kohno、Oda等人的观点，滑板的电弧烧蚀在其整个磨损中占着主要的地位。因此测量滑板材料的电弧烧蚀速率对研究滑板材料的性能有很重要的意义。本实验测量绝对电弧烧蚀速率。该情况下，阴极材料飞溅物全部落在阴极以外的地方，能够较好的表征触头材料本征抗电弧烧蚀性能。由于阴极材料的主要损失是飞溅出的材料液滴和氧化掉的材料10，本实验采用阳极在下阴极在上方法，使得金属液滴在重力作用下自然下落，避免重新沉积在阴极，此时所表征的电弧烧蚀速率为绝对电弧烧蚀速率。将示波器采集的电流信号输入计算机中，对如图1所示的I-t曲线进行积分，求得放电电量Qi。用精度为万分之一电子天平测出击穿前与一百次击穿后的质量损失，根据（2）式求出绝对电弧烧蚀速率。 (2)在实验中为说明在雨雪天气情况下滑板受流时的磨损情况，特将试样浸水后测量了其电弧烧蚀速率。3 结果与探讨3.1滑板材料的基本性能各种滑板的基本性能如表1（以下试样的编号都按表1所示）。表1 滑板材料的基本性能材料名称电阻率（m）密度（g/cm3）硬度（HS）进口纯碳滑板（A）1.712.492试制纯碳滑板（B）1.683.575浸铜合金碳滑板（C）11.52.995试制碳浸铜滑板（D）9.52.45873.2摩擦磨损试验结果与讨论表2为四种不同的碳基滑板材料在给定试验条件下的摩擦系数。表2 不同材料摩擦系数与磨损时间的关系试样10min20min30min60minA0.3490.3180.2750.265B0.3810.3600.3280.286C0.4660.4230.3920.360D0.4550.4230.4020.318从表2可看出，纯碳滑板材料的摩擦系数低于浸金属滑板的摩擦系数。进口纯碳滑板的摩擦系数在磨损时间相同的情况下小于国产滑板的。浸金属滑板在刚开始磨损阶段，浸铜滑板的摩擦系数小于浸铜合金滑板的，随着摩擦时间的增加，浸铜滑板的摩擦系数降低较快，到一定时间后其摩擦系数大于浸铜合金滑板的。摩擦系数在一定程度上反映了材料的显微组织对摩擦磨损性能的影响。从试验结果看出,摩擦系数在摩擦副对摩 20分钟后逐渐减小趋于一稳定值，60min后纯碳滑板材料的摩擦系数最低。这说明碳含量的增加有利于减小摩擦,在对磨副表面该类材料更容易形成表面润滑薄膜。其原因是,在该组织中碳颗粒强度低，碳和石墨更易于在初始的粘着磨损中被撕去,粘覆于对摩副表面,更易于形成均匀复合润滑膜。反之, 由于石墨易于在对摩环表面堆砌,在随后摩擦磨损过程中润滑膜也不易磨损脱落, 保持润滑碳膜的完整性、均匀性。而浸铜滑板材料的摩擦系数，在初始摩擦过程中，由于含碳相对少，在摩擦表面形成润滑膜的过程长，所以其摩擦系数高于纯碳滑板的。在随后的摩擦中，由于有金属颗粒的存在，其磨粒磨损的程度比纯碳的高，其摩擦系数就一直高于纯碳滑板的。表3给出了实验所测在给定条件下的试样在不同磨损时间下的磨损量。表3 试样在不同时间的磨损量（单位：mg）试样10min20min30min60minA12.922.328.743.9B12.723.631.545.6C20.133.041.555.5D19.532.143.959.8从表3可见，两种纯碳滑板的磨损量最小。由于材料耐磨性取决于表面膜的完整程度和均匀性,试验说明纯碳组织结构有利于表面润滑膜的形成和再生。摩擦初期,A、B俩试样磨损量最小，B、C试样磨损量较大，随摩擦时间延长，试样相对磨损时间增长磨损量递增增加。在磨损60min后，A 试样磨损量最小,B试样次之,D试样磨损量最大。从表达中还可以明显的看出几种试样在相同时间内磨损量的变化，变化最大的是D试样，最小的是B试样。试验中,我们对四种样品在磨损10min、30min、60min时候的磨损形貌进行了观察。从对四种试样的摩擦磨损量和表面形貌对比中,我们可看到,由于A、B试样由纯碳组成,这样,在摩擦过程中,碳颗粒相对滑动比较容易，磨损过程中形成润滑膜的时间相对C、D试样短，其摩擦系数和磨损量也低。在纯碳滑板磨损过程中，刚开始阶段由于对磨表面润滑膜还没有形成，其粘着磨损比较严重，随着磨损时间的增加表面润滑膜慢慢形成，相对磨损量变的越来越小，摩擦系数也逐渐降低。C、D试样在磨损中，刚开始的过程和纯碳的差不多，但是随着磨损时间的继续，其表面形成的润滑膜中铜含量相对高，所以其磨损率和摩擦系数相对也高。铜相对碳的硬度高，所以在其磨损中铜颗粒在表面形成的梨沟较深。含Pb、Sn、Sb、Al低熔点合金的浸铜合金滑板材料，在磨损的后期，这些低熔点合金特别是Pb开始进入磨损表面，起到了减磨的作用，使得浸铜合金的材料在磨损后期磨损量和摩擦系数低于浸铜材料的。综上所述，在摩擦初始，可以看出材料表面形貌是材料耐磨性的主要影响因素。随着摩擦表面润滑膜逐渐形成，润滑膜的均匀、致密性决定材料的摩擦磨损性能。摩擦进一步进行，材料摩擦磨损性能将是多种因素综合作用的结果。3.3电接触试验结果与讨论3.3.1电弧烧蚀速率几种滑板材料分别在空气中、浸水后电弧烧蚀速率测量结果分别见表4、表5所示。表4 滑板在空气中的电弧烧蚀速率试样累积电量Q（C）质量损失量m（mg）磨损速率w（mg/ C）A9.80700.002626.5B9.82890.002727.5C9.93370.004747.3D9.97300.004039.8表5滑板浸水后在空气中的电弧烧蚀速率试样累积电量Q（C）质量损失量m（g）磨损速率w（mg/ C）A9.97200.001313.0B9.98200.001616.0C9.90010.003636.4D9.72660.003030.8从测量看出，纯碳滑板的电弧烧蚀速率明显低于浸金属滑板的，而浸铜合金滑板的电弧烧蚀速率高于浸铜滑板的。在试样浸水后材料的电弧磨损速率普遍降低。空气中多次击穿后几种滑板材料的形貌如图2所示。从多次烧蚀后的形貌看出不同滑板材料烧蚀后的蚀坑形貌有所不同，碳滑板的烧蚀较浸金属滑板的表面烧蚀严重，滑板表面的氧化也很严重。 a 试样A电弧烧蚀形貌 b 试样B电弧烧蚀形貌 c 试样C电弧烧蚀形貌 d 试样D电弧烧蚀形貌 图2 滑板材料多次烧蚀后的形貌阴极表面在电弧烧蚀后的熔层形貌可以反映出电极抵抗电弧烧蚀能力的大小。两种纯碳滑板的电弧烧蚀速率低于两种浸金属滑板的，这主要是因为碳的熔点高，在击穿发生的瞬间，碳难挥发，损失形式主要是氧化。而在浸金属滑板中浸入的金属熔点相对较低，在击穿发生的瞬间低熔点的金属先熔化而发生液滴飞溅，从图2c、d中可以看出击穿坑主要集中在金属相上。就两种浸金属滑板而言，由于浸铜滑板中含有低熔点金属，所以其较铜更容易发生熔化，导致其电弧烧蚀速率高于浸铜滑板的。试样浸水后，在击穿中由于有水的存在，在发生击穿的瞬间，首先是试样中的水先挥发，减小了对阴极材料的直接烧蚀，所以其电弧烧蚀速率较试样没有浸水时低。图3为几种滑板材料多次击穿的精细微观相貌。从图3来看，碳滑板烧蚀坑较浸金属滑板的光滑，且烧蚀坑的面积大于浸金属滑板的。浸金属滑板的烧蚀坑比价杂乱，金属相熔化逃逸后留下的碳骨架比价完整的保留了下来。这种结构有利于减小材料在以后运行中的机械磨损。从这一点上看来浸金属滑板的结构在使用中优于纯碳滑板。a 试样A电弧烧蚀精细形貌 b 试样B电弧烧蚀精细形貌c 试样C电弧烧蚀精细形貌 d 试样D电弧烧蚀精细形貌图3 滑板材料多次烧蚀后的精细形貌为更好地观察滑板材料在电弧烧蚀过程中所发生的变化，采用高速摄影技术进行了电弧的微观过程观察，研究滑板的放电过程。从高速摄影图片可明显看出材料表面形成电弧的过程，刚开始形成的弧柱较弱，经过一段时间后慢慢变强，后慢慢变弱直至放电结束。由高速摄影可测出纯碳滑板在空气中的击穿时间为25ms左右，浸铜合金滑板的击穿时间为19ms左右。由此说明电弧在试样表面驻留的时间与材料的组成有很大的关系，低熔点合金的加入导致电弧在试样表面驻留时间减短。从图片还可以看出纯碳滑板材料在电弧击穿过程中很少有物质喷溅出来，而浸铜合金滑板明显有材料从表面飞出，这就说明纯碳滑板材料的电弧烧蚀速率低于浸金属滑板的。3.3.2击穿距离随电压、电流的变化表6为几种滑板材料在空气中和浸水后测量的击穿距离随电压的变化情况。从表中可以清楚的看出，击穿距离随着电压的增高呈直线上升。而试样浸水后其击穿距离明显增高，这说明在试样浸水后材料发生击穿的几率变大，也就是说滑板材料在雨雪天气的情况下更容易发生电弧。表6 击穿距离随电压的变化情况电压（V）试样状态ABCD1000干0.1440.1460.1390.141浸水0.1560.1690.1590.1634000干0.9440.9470.9230.921浸水0.9790.9890.9380.9518000干2.2442.2462.2232.039浸水2.2682.2682.2482.2633.3.3耐电压强度触头材料耐电压强度是指在给定的一对触头间隙间承受电压而不被击穿的能力。表7为测量结果。表7 几种滑板材料在空气中的耐电压强度材料ABCD平均耐电压强度（106V/m）3.653.683.643.67从表可看出，在空气中几种滑板材料的耐电压强度基本相同，相差不大。在刚开始击穿的时候材料耐电压强度相对较低，随着击穿次数的增加，耐电压强度基本达到了一个稳定值。在试样浸水后，其击穿距离增加，意味着材料耐电压强度下降，说明水的加入降低了材料的耐电压强度。3.4组织分析从表1可看出，目前使用的国产和进口两种纯碳滑板在基本性能上相差不多，但是使用寿命进口纯碳滑板为20万机车公里，而国产纯碳滑板为10万机车公里。图4为两种滑板材料的微观组织示意图。aba 国产碳滑板 b 进口碳滑板图4 纯碳滑板材料微观示意图两种滑板材料看起来明显由黑色相和灰色相组成，在光学显微镜下用网格法测得图a中灰色相占总面积比例的36，图b中灰色相占总面积比例的10左右。可以看出国产纯碳滑板材料的灰色相明显高于进口纯碳滑板的灰色相，灰色相可能就是导致两种材料使用性能有很大差比的主要原因。对此进行了如下的分析讨论。由于石墨导热比碳材料高16倍，导电性能高4倍，且比碳结构更具润滑和易加工性能11，所以在研究碳材料性能的时候，石墨化度是一个及其重要的参数。石墨化度在宏观上的含义是指材料中有多少比例达到了完整的石墨晶体结构，在宏观上是指不同过渡状态的碳结构接近理想石墨晶体的程度。石墨化度高，表示材料石墨化过程进行的比价完全，因而材料的韧性增加、导电导热性能提高。本实验用传统的XRD测试了碳滑板材料的石墨化度，测量结果见表8。表8 材料石墨化度测量结果材料d002（A）In石墨化度G（）石墨化度修正G/（）国产纯碳滑板3.37600.6574.437.2进口纯碳滑板3.36600.6786.057.6从测量结果看出，国产纯碳滑板的石墨化度明显低于进口纯碳滑板的石墨化度，这就解释了前面的机械磨损和电弧烧蚀试验中国产滑板性能低于进口滑板性能的主要原因。因此，在制备纯碳滑板的过程中，石墨化度对材料的最终使用性能有很大的影响。4 结论本文研究了浸铜碳滑板的制备及几种滑板材料的摩擦磨损性能和电弧烧蚀性能，主要结论如下：1、通过气体加压浸铜制备出的浸铜碳滑板基本性能满足国标要求。2、滑板材料的摩擦系数随着摩擦时间的增长逐渐减小；纯碳滑板的摩擦系数和磨损量均小于浸金属滑板的；进口纯碳滑板的摩擦系数和磨损量稍低于国产纯碳滑板的；两种浸金属滑板在摩擦初期摩擦系数和磨损量基本相同，但随着时间的增长，浸铜合金滑板的摩擦系数和磨损量均小于浸铜滑板的。3、在空气中纯碳滑板的电弧烧蚀速率小于浸金属的，浸合金滑板的电弧烧蚀速率高于浸铜的；试样浸水后，其电弧烧蚀速率有大幅度的降低，在其它条件相同的情况下更容易发生放电。4、国产纯碳滑板的石墨化程度明显低于进口滑板的，这是两种滑板材料使用寿命相差大的主要原因。材料石墨化程度越高，性能越好，使用寿命也越高。因此，在制备纯碳滑板的过程中，加入的各种组分应该趋向高石墨化程度的方向，在高温烧结时候温度尽可能高。作者简介：华公平，男，33岁，高级工程师。发表论文4篇，主要从事金属热处理及表面处理研究。联系电话：0519-5054216，传真：0519-5054385参考文献1 Slade P G. 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