专利名称：：改性铜基受电弓滑板材料及制备方法
技术领域：
：本发明涉及材料领域，特别涉及一种以电力机车用新型受电弓滑板材料及其制备方法。
背景技术：
：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)—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。目前受电弓滑板主要有三大类粉末冶金滑板、纯碳滑板和浸金属碳滑板。文献1公开了一种“电力机车受电弓滑板的选用”(戴春意，俞明昌.[J].机车电传动，1998，(3):39-40].)，该受电弓滑板为粉末冶金滑板，具有机械强度高，抗冲击性好，有较好的导电性、耐磨性，但它对接触网导线的磨耗较严重。目前在电力机车上大量使用的是铜基受电弓滑板材料。文献2报道以冷压烧结粉末冶金方法制备高含碳量铜基受电弓滑板用材料，并测试其抗拉强度和冲击韧性(郭斌，金永平，郑艾龙，周健，铜基受电弓滑板材料抗拉强度和冲击韧性研究，材料科学与工艺，2003,11(1):59-63.)。其研究的结果表明受电弓材料的组成为m(Cu):111(0=拟％:8%，最佳的抗拉强度为86MPa，冲击韧性为1.38J/cm2。文献3研究目前滑板材料铜和石墨的摩擦行为(A.Senouci,J.Frene,H.Zaidi.Wearmechanismingraphite-copperelectricalslidingcontact.Wear,1999，(225-229):949-953.)，其研究结果表明其摩擦性能与石墨的摩擦面的取向有着密切的关系，对滑板材料的性能特别是硬度有着重要的影响。文献4(专利号ZL01133723.0)报道一种铜基受电弓滑板制备的方法，该方法以工业电解铜粉或铜合金粉末为基体、石墨粉为减磨剂，经粉末混合后压制成形，再经过烧结和挤压工艺制备受电弓滑板。通过粉末混合工艺的控制，形成在铜基体网络中均勻分布的石墨颗粒，在烧结和挤压工艺中进一步提高基体与减磨剂的结合能力，获得机械物理性能优异、减磨效果良好的受电弓滑板制品，具有原料准备简单、工艺过程容易控制、无污染、生产成本低、可形成大批量生产的特点。随着铁路的高速化、电气化的发展人们对滑板性能提出了更高的要求，许多传统的滑板已经不适合新时代的要求，因此研制新型滑板材料势在必行。纯金属滑板电阻率低、抗压抗冲击强，但是对导线的磨耗非常严重，已经逐渐被淘汰；碳系滑板自身强度不够，电阻率大，易发生断裂，常造成弓网事故，影响铁路运行；粉末冶金材料虽然是目前较为理想的，但对导线的磨耗较大，导致网线的服役寿命缩短和维护成本的增加。随着铁路列车的不断提速，原有的受电弓滑板零件已经不能满足现在高速和准高速机车的使用要求，为了解决上述滑板存在的不足，急需要开发出一种耐电弧、磨耗小、导电性强、耐腐蚀和耐热性优良的滑板来替换原有滑板。这一产品市场潜力和经济效益巨大，不仅应用于普通列车，也可以应用于地铁、城市轻轨等新型交通工具。目前使用滑板材料的主要缺点是寿命短，性能可靠性差，随着铁路的速度的不断提速，对受电弓滑板材料的性能也提出了越来越高的要求。这也迫切需要开发一种新型受电弓材料来满足高速列车的发展。由文献5(BarsoumMW.TheMn+1AXnPhases:ANewClassofSolids;ThermodynamicalIyStableNanolaminates[J]·ProSolidStaChem,2000,28:201206.)和文献6(BarsoumMW,AliΜ,El-RaghyΤ.ProcessingandCharacterizationofTi2AlC,Ti2AlNandTi2AlC05[J],.Met.MatTransA,2000,31(7):18571862.)可知，Ti2AlC是上世纪六十年代才被发现的新型层状三元化合物，它兼具有金属和陶瓷的许多优点，如优异的导电、导热性，可加工性，良好的抗破坏能力，高熔点、高模量、高强度和低密度(4.11g/cm3)等。这是一种能广泛应用于电子信息、新能源、航空航天等高
技术领域：
的新型结构/功能材料。更为重要是，该材料在室温和高温下具有良好的自润滑性能，因此可以作为良好的耐磨材料。BN是一种具有高熔点，高硬度，耐腐蚀、抗氧化的特点，同时具有良好的高温润滑性能，其在高温结构材料、耐磨、耐腐蚀以及电气材料中有着广泛的应用前景，更为重要的是它的晶体结构与Ti2AlC—样，均为六方层状结构，热膨胀系数相近，因此在滑板中引入适量的BN颗粒将有助于改善材料的性能，获得性能优异的复合材料。
发明内容本发明所要解决的技术问题是提供一种性能优异和成本较低的改性铜基受电弓滑板材料，还提供一种能够快速合成和操作方便的制备该材料的方法。本发明解决其技术问题采用以下的技术方案本发明提供的改性铜基受电弓滑板材料，其含有Cu、Ti2AlC,BN和石墨原料，四种原料的体积比为V(Cu)V(Ti2AlC)V(BN):V(C)=(6095)(130)(110)(15)。所述改性铜基受电弓滑板材料可由下述方法制成将所述四种原料混合均勻后装入钢质模具，先冷压2(Tl00MPa，再置于氢气保护气氛的高温炉中，以530°C/min的升温速率升至700900V，保温530min，之后取出样品再冷压5(Tl00MI^后，进行二次烧结，烧结的温度为80(T90(TC，保温时间为3(T60min。所述四种原料的优选体积比为V(Cu)V(Ti2AlC)V(BN)V(0=80:12:5:3。本发明提供的制备上述改性铜基受电弓滑板材料的方法，是一种通过添加镀铜的Ti2AlC、BN以及石墨材料，在以氢气为保护气氛下，采用常压工艺来制备改性铜基受电弓滑板材料的方法，具体是以Cu、Ti2AlC,BN和石墨为原料，四种原料的体积比为η(Cu):n(Ti2AlC)η(BN):n(C)=(6095)(130)(110)(15)，这四种原料混合均勻后，装入钢质模具，先冷压2(Tl00MPa，置于氢气保护气氛的高温炉中，以530°C/min的升温速率升至70(T90(TC，保温530分钟，之后取出样品再冷压5(Tl00MI^后，进行二次烧结，烧结的温度为80(T90(TC，保温时间为3(T60min。本发明采用的化学镀铜的镀液配方可以为主盐硫酸铜(CuSO4)络合剂乙二胺四乙酸二钠(CltlH14N2Na2O3)稳定剂2，2，一联吡啶(CltlH8N2)PH值调节剂氢氧化钠(NaOH)还原剂36%体积浓度甲醛(CH2O)去离子水(H2O)Γ10%0.53%0.52%Γ5%28%7595%水浴温度70士1°C，PH值13士0.1，用NaOH调整，搅拌方式电磁搅拌，施镀时间0.55h。本发明与现有技术相比具有以下主要的优点其一.引入导电Ti2AlC材料，它兼具金属和陶瓷的许多优点，如优异的导电、导热性，可加工性，良好的抗破坏能力，高熔点、高模量、高强度和低密度(4.11g/cm3)等；采用镀铜的工艺和二次烧结的工艺制度，使制备的改性铜基受电弓滑板材料具有致密的结构(高于99%)和优异的性能，达到铜基受电弓国家标准。其二.采用Ti2AlC新材料以及BN材料，恰好解决了传统材料所不具备的特点，特别是Ti2AlC材料的使用，极大地提高受电弓材料的导电性能和润滑性能。其三.在改性材料Ti2AlC、BN和石墨粉的表面镀铜，极大地改善了铜与改性材料之间相容性差的缺点，提高了它们的结合强度。其四.工艺简单，整个制备过程选用的原材料简单，充分利用了新材料的特点，无需过多变更现有生产设备就可以快速合成性能优异和成本较低的改性铜基受电弓滑板材料。总之，本发明工艺简单，操作方便，无需过多变更现有生产设备，并且所制备的改性铜基受电弓滑板材料的性能较传统铜基受电弓滑板材料极大改善，且制备成本较低。图1为Ti2AlC镀铜后的扫描照片。图2为BN镀铜后的扫描照片。图3为石墨粉镀铜后的扫描照片。下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明。实施例1镀液中各成分按重量比为Wt(H2O)Wt(CuSO4)Wt(C10H14N2Na2O3)Wt(C10H8N2)Wt(NaOH)Wt(CH2O)=94:2:0.5:0.5:1:2，施镀0.5小时，所施镀后的增强剂和改性剂粉末与基体铜按体积比为V(Cu):V(Ti2AlC)V(BN)V(C)=65:25:8:2；混合均勻，添加适量的粘结剂，放入钢模具中，冷压成型，压力为lOOMPa，在氢气气氛保护下进行烧结，升温速度为20°C/min，烧结温度为750°C，保温30分钟，之后取出样品，放置模具中，进行二次冷压，压力为150MPa，在氢气气氛保护下进行二次烧结，升温速度为20°C/min，烧结温度为850°C，保温30分钟，所得块体状改性铜基受电弓滑板材料的致密度为99.5%。在INSTR0N-1195万能力学实验机上测得，该材料的抗拉强度为165MPa,冲击韧性为3.8J/cm2，布氏硬度为88HBS0室温电阻率为0.μΩ·m。实施例2镀液中各成分按重量比为Wt(H2O)Wt(CuSO4)Wt(C10H14N2Na2O3):fft(C10H8N2)Wt(NaOH)Wt(CH2O)=90:3:1:1:2:3，施镀1小时，所施镀后的增强剂和改性剂粉末与基体铜按体积比为V(Cu):V(Ti2AlC)V(BN)V(C)=70:20:6:4；混合均勻，添加适量的粘结剂，放入钢模具中，冷压成型，压力为lOOMPa，在氢气气氛保护下进行烧结，升温速度为20°C/min，烧结温度为750°C，保温30分钟，之后取出样品，放置模具中，进行二次冷压，压力为150MPa，在氢气气氛保护下进行二次烧结，升温速度为20°C/min，烧结温度为850°C，保温30分钟，所得块体状改性铜基受电弓滑板材料的致密度为99.6%。在INSTR0N-1195万能力学实验机上测得，该材料的抗拉强度为178MPa,冲击韧性为4.2J/cm2，布氏硬度为85HBS0室温电阻率为0.25μΩ·m。实施例3镀液中各成分按重量比为Wt(H2O)Wt(CuSO4)Wt(C10H14N2Na2O3)Wt(C10H8N2)Wt(NaOH)Wt(CH2O)=90:2:1.5:1.5:3:2，施镀1小时，所施镀后的增强剂和改性剂粉末与基体铜按体积比为V(Cu):V(Ti2AlC)V(BN):V(C)=75:15:7:3；混合均勻，添加适量的粘结剂，放入钢模具中，冷压成型，压力为lOOMPa，在氢气气氛保护下进行烧结，升温速度为20°C/min，烧结温度为750°C，保温30分钟，之后取出样品，放置模具中，进行二次冷压，压力为150MPii，在氢气气氛保护下进行二次烧结，升温速度为20°C/min，烧结温度为850°C，保温30分钟，所得块体状改性铜基受电弓滑板材料的致密度为99.7%。在INSTR0N-1195万能力学实验机上测得，该材料的抗拉强度为200MPa,冲击韧性为4.7J/cm2，布氏硬度为82HBS0室温电阻率为0.23μΩ·m。实施例4镀液中各成分按重量比为Wt(H2O)Wt(CuSO4)Wt(C10H14N2Na2O3)Wt(C10H8N2)Wt(NaOH)Wt(CH2O)=85:4:3:1.5:3.5:3，施镀2小时，所施镀后的增强剂和改性剂粉末与基体铜按体积比为V(Cu):V(Ti2AlC)V(BN):V(C)=80:10:5:5；混合均勻，添加适量的粘结剂，放入钢模具中，冷压成型，压力为lOOMPa，在氢气气氛保护下进行烧结，升温速度为20°C/min，烧结温度为750°C，保温30分钟，之后取出样品，放置模具中，进行二次冷压，压力为150MPii，在氢气气氛保护下进行二次烧结，升温速度为20°C/min，烧结温度为850°C，保温30分钟，所得块体状改性铜基受电弓滑板材料的致密度为99.5%。在INSTR0N-1195万能力学实验机上测得，该材料的抗拉强度为210MPa,冲击韧性为5.2J/cm2，布氏硬度为76HBS。室温电阻率为0.18μΩ·m。实施例5镀液中各成分按重量比为Wt(H2O)Wt(CuSO4)Wt(C10H14N2Na2O3):fft(C10H8N2)Wt(NaOH)Wt(CH2O)=85:6:1:1.5:2.5:4，施镀3小时，所施镀后的增强剂和改性剂粉末与基体铜按体积比为V(Cu)V(Ti2AlC)V(BN)V(C)=85573；混合均勻，添加适量的粘结剂，放入钢模具中，冷压成型，压力为lOOMPa，在氢气气氛保护下进行烧结，升温速度为20°C/min，烧结温度为750°C，保温30分钟，之后取出样品，放置模具中，进行二次冷压，压力为150MPii，在氢气气氛保护下进行二次烧结，升温速度为20°C/min，烧结温度为850°C，保温30分钟，所得块体状改性铜基受电弓滑板材料的致密度为99.8%。在INSTR0N-1195万能力学实验机上测得，该材料的抗拉强度为232MPa,冲击韧性为5.5J/cm2，布氏硬度为72HBS。室温电阻率为0.15μΩ·m。实施例6镀液中各成分按重量比为Wt(H2O)Wt(CuSO4):fft(C10H14N2Na2O3):fft(C10H8N2)Wt(NaOH)Wt(CH2O)=80:8:2:2:3:5，施镀4小时，所施镀后的增强剂和改性剂粉末与基体铜按体积比为V(Cu)V(Ti2AlC)V(BN)V(C)=90532；混合均勻，添加适量的粘结剂，放入钢模具中，冷压成型，压力为lOOMPa，在氢气气氛保护下进行烧结，升温速度为20°C/min，烧结温度为750°C，保温30分钟，之后取出样品，放置模具中，进行二次冷压，压力为150MPii，在氢气气氛保护下进行二次烧结，升温速度为20°C/min，烧结温度为850°C，保温30分钟，所得块体状改性铜基受电弓滑板材料的致密度为99.5%。在INSTR0N-1195万能力学实验机上测得，该材料的抗拉强度为M5MPa,冲击韧性为6.5J/cm2，布氏硬度为68HBS0室温电阻率为0.12μΩ·m。实施例7镀液中各成分按重量比为Wt(H2O)Wt(CuSO4)Wt(C10H14N2Na2O3):fft(C10H8N2)Wt(NaOH)Wt(CH2O)=75:10:3:2:4:6，施镀5小时，所施镀后的增强剂和改性剂粉末与基体铜按体积比为V(Cu):V(Ti2AlC)V(BN)V(C)=92:4:2:2；混合均勻，添加适量的粘结剂，放入钢模具中，冷压成型，压力为lOOMPa，在氢气气氛保护下进行烧结，升温速度为20°C/min，烧结温度为750°C，保温30分钟，之后取出样品，放置模具中，进行二次冷压，压力为150MPii，在氢气气氛保护下进行二次烧结，升温速度为20°C/min，烧结温度为850°C，保温30分钟，所得块体状改性铜基受电弓滑板材料的致密度为99.6%。在INSTR0N-1195万能力学实验机上测得，该材料的抗拉强度为270MPa,冲击韧性为7.2J/cm2，布氏硬度为63HBS。室温电阻率为0.08μΩ.m。本发明提供的附图为Ti2AlC,BN以及石墨粉镀铜后的扫描照片。从图中可以清晰地看到，镀铜以后的三种材料的表面明显附着铜的颗粒。三种不同颗粒在镀铜后的颗粒显示不同程度的团聚现象，因此在使用材料时，必须要进行破碎、筛分后才能配料。权利要求1.一种改性铜基受电弓滑板材料，其特征是所述改性铜基受电弓滑板材料含有Cu、Ti2AlC、BN和石墨原料，四种原料的体积比为V(Cu)V(Ti2AlC)V(BN):V(C)=(6095)(130)(110)(15)。2.根据权利要求1所述的改性铜基受电弓滑板材料，其特征是所述改性铜基受电弓滑板材料由下述方法制成将所述四种原料混合均勻后装入钢质模具，先冷压2(Tl00MPa，再置于氢气保护气氛的高温炉中，以530V/min的升温速率升至700900°C，保温530min，之后取出样品再冷压5(Tl00MPa后，进行二次烧结，烧结的温度为80(T90(TC，保温时间为3(T60min。3.根据权利要求1所述的改性铜基受电弓滑板材料，其特征是所述四种原料的体积比为V(Cu):V(Ti2AlC)V(BN)V(C)=80:12:5:3。4.一种改性铜基受电弓滑板材料的制备方法，其特征是一种通过添加镀铜的Ti2AlC、BN以及石墨材料，在以氢气为保护气氛下，采用常压工艺来制备改性铜基受电弓滑板材料的方法，该方法是以Cu、Ti2AlC、BN和石墨为原料，四种原料的体积比为η(Cu)η(Ti2AlC)η(BN):n(C)=(6095)(130)(110)(15)，这四种原料混合均勻后，装入钢质模具，先冷压2(Tl00MPa，置于氢气保护气氛的高温炉中，以530°C/min的升温速率升至70(T90(TC，保温530分钟，之后取出样品再冷压5(Γ100ΜΙ^后，进行二次烧结，烧结的温度为80(T90(TC，保温时间为3060min。5.根据权利要求4所述的改性铜基受电弓滑板材料的制备方法，其特征在于该方法采用的化学镀铜的镀液配方为主盐硫酸铜广10%，络合剂乙二胺四乙酸二钠0.53%，稳定剂2，2，一联吡啶0.51%，PH值调节剂氢氧化钠广5%，还原剂36%体积浓度甲醛28%，去离子水7595%，水浴温度70±1°C，PH值13士0.1，用NaOH调整，搅拌方式电磁搅拌，施镀时间0.55h。6.根据权利要求4所述的改性铜基受电弓滑板材料的制备方法，其特征在于所述四种原料的体积比为η(Cu):n(Ti2AlC)η(BN):n(C)=80:12:5:3。全文摘要本发明涉及一种改性铜基受电弓滑板材料及制备方法。该材料含有Cu、Ti2AlC、BN和石墨原料，四种原料的体积比为V(Cu):V(Ti2AlC):V(BN):V(C)＝(60～95)(1～30)(1～10)(1～5)。该方法是将四种原料混匀后装入钢质模具，先冷压再置于氢气保护气氛的高温炉中，升温至700~900℃，保温5~30分钟，之后取出样品再冷压，然后在温度为800~900℃进行二次烧结，保温30~60min。本发明工艺简单，操作方便，利用现有生产设备就可以快速制备改性铜基受电弓滑板材料，该材料具有优异的性能和成本较低的优点。文档编号C22C32/00GK102031440SQ20111000490公开日2011年4月27日申请日期2011年1月12日优先权日2011年1月12日发明者周卫兵,朱教群,梅炳初申请人:武汉理工大学