碳滑板研制-金属热处理.doc

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34％wt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3×2×10(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3×2×10(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SDY－4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MPX－2000盘销式摩擦磨损试验机上进行，纯滑动摩擦，测定摩擦系数µ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Ei＝U/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ω (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（μΩ·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10min20min30min60minA12.922.328.743.9。