（材料学专业论文）铜基受电弓滑板成分优化及组织性能研究.pdf

昆明理工大学硕十学位论文 摘要 本论文的研究目的是改善铜基粉末冶金受电弓滑板的致密度、电导 率、表面硬度等性能，并最终改善它的磨损性能。通过对铜基粉末冶金 滑板的磨损机理分析，从滑板材料成分设计入手，劳重新设计出滑板栩 料的成分组成，包括基体成分、润滑成分和强化成分。 本沧文采用“正交实验方法”为主要成分优化方法，并得出铜基粉 术冶金受电弓滑板材料较好的成分范围。应用金相显微镜、x 射线衍射、 扫描电镜、能谱仪等材料分析手段，对所制备的试样的性能进行分析测 试；采用自行设计改装的磨损设备，对试样进行磨损实验，研究了磨损 量和磨损率与时间的关系以及磨损率与速度的关系。 通过本文的研究，作者得出以下结论： l 验证了试样制备工艺在压制成形、烧结、复压、复烧共四步粉末冶 金工艺足成熟的。此工艺参数为压制压力：2 0 0 k t p a ，烧结温度：8 7 0 。c ， 保温时间l2 0 分钟；复压压力为3 0 0m p a 以上，复烧温度：8 7 0 。c 。复烧 时间1 2 0 分钟。 2 通过综合性能分析得到成分综合性能最好的试样其成分为4 锡、 ( 】铅、2 石墨、5 铁，铜为余量；对正交实验成分因素分析得到成分最 佳组合为4 锡、2 铅、3 石墨、5 铁，铜为余量。 3 在磨损实验中，石墨含量高，对改善磨损表面的润滑状况是有好处 的。在跑合阶段，石墨含量4 试样比石墨含量2 试样少用5 个小时进入 稳定磨损阶段。但在本实验中，石墨含量高并不能说明其磨损性能就好。 速度对磨损率的影响为随速度的加快，磨损率呈斜“之”字型变化。 4 所有的检测结果都说明本文采用的成分正交优化过程和工艺过程 都是切实可行的，得出了比较可行的制备工艺和成分范围。 最后，对挤压成形工艺和磨损实验需改进之处提出了作者的个人看 法。 关键词：受电弓滑板；粉末冶金；正交实验法；磨损 昆明理工火学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er e s e a r c h p u r p o s e o ft h i s p a p e r i s i m p r o v e m e n tc o p p e r b a s e dp o w d e r m e t a l l u r g i c a lp a n t o g r a p hs l i d i n gp l a t ed e l i v e rt h ep e r f o r m a n c e ss u c h a s d e n s i t y ， e l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t y a n ds u r f a c e h a r d n e s s ，a n d e v e n t u a l l yi m p r o v e i t s a b r a s i v e n e s sc a n f h r o u g ht h ew e a rm e c h a n i s ma n a l y s i sf o rc o p p e r - b a s e dp o w d e r m e t a l l u r g i c a lp a n t o g r a p hs l i d i n gp l a t e ，f r o m t h em a t e r i a l c o m p o s i t i o nd e s i g n o f p a n t o g r a p hs l i d i n gp l a t e ，s t a r tw i t h ，a n dr e d e s i g nt h ec o m p o s i t i o nc o m p o s i t i o no f t h em a t e r i a lo fp a n t o g r a p hs l i d i n gp l a t ei n c l u d i n gm a t r i xc o m p o s i t i o n ，l u b r i c a t i o n c o m p o s i t i o na n dr e i n f o r c e dc o m p o s i t i o n f i l l s p a p e ra d o p t i n g o r t h o g o n a l i t ye x p e r i m e n t m e t h o d ”i s m a j o r c o m p o s i t i o no p t i m i z a t i o nm e t h o d ，a n dr e a c ht h ec o p p e rb a s e dc o m p o s i t i o ns c o p eo f t h eb e t t e r p o w d e rm e t a l l u r g i c a l m a t e r i a lo f p a n t o g r a p hs l i d i n gp l a t e a p p l y m e t a l l o g r a p h i cm i c r o s c o p e ，x - r a yd i f f r a c t i o na n ds c a n n i n ge l e c t r i c a lm i r r o r ，c a n t h em a t e r i a l a n a l y s i s m e a n ss u c ha se s i n s t r u m e n t ，f o rt h ep e r f o r m a n c eo ft h e s a m p l i n g t h a t p r e p a r e ，a n a l y s et e s t ；a d o p td e s i g ni n d e p e n d e n t l y t h ew e a r e q u i p m e n tt h a tr e f i t e d ，a ss a m p l i n gc a r r i e so u tw e a re x p e r i m e n t ，h a ss t u d i e dt h e r e l a t i o no fr e l a t i o na sw e l la sw e a rr a t ea n ds p e e do fw e a re x t e n ta n dw e a rr a t ea n d t i m e t h ec o n c l u s i o n so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1h a v ev e r i f i e ds a m p l i n gp r e p a r a t i o nt e c h n o l o g yi n s i n t e r i n ga n dt h es h a p eo f s u p p r e s s i n gp r e s sa n dr e p l ya g a i nb u r n t h ep o w d e r m e t a l l u r g i c a lt e c h n o l o g yo f f o u r s t e p s i sm a t u r a t i o n t h i st e c h n o l o g yp a r a m e t e ri st o s u p p r e s sp r e s s u r e ：2 0 0m p a s i n t e r i n gt e m p e r a t u r e ：8 7 0 ，k e e pw a r mt i m ei2 0m i n u t e s ；r e p r e s sf o r c ea g a i n f o r3 0 0m p ab u r n st e m p e r a t u r em o r ea g a i n ：8 7 0 ，b u r nt i m ea g a i n12 0m i n u t e s 2 g e t s i t sb e s t s a m p l i n gc o m p o s i t i o n o fc o m p o s i t i o n i n t e g r a lp e r f o r m a n c e t h r o u g ht h ea n a l y s i so fi n t e g r a lp e r f o r m a n c e ，i st h et i no f4 ，t h el e a do fo ，t h e g r a p h i t e o f2 t h ei r o no f5 a n d s u r p l u s f o r c o p p e r ；f o ro r t h o g o n a l i t y e x p e r i m e n tc o m p o s i t i o n ，f a c t o ra n a l y s i sg e t sc o m p o s i t i o nb e s tc o m b i n a t i o n ，i st h e t i no f4 ，t h el e a do f2 ，t h e g r a p h i t e o f3 ，t h ei r o no f5 a n ds u r p l u sf o r 一 垦塑望三_ 人堂堡主堂垡堡苎 一 c o p p e l 3i nt h ew e a re x p e r i m e n t ，g r a p h i t ec o n t e n th a sb e n e f i th i g h f o l i m p r o v i n gt h e l u b r i c a t i o nc o n d i t i o no fw e a rs u r f a c e i nr u n t o j o i ns t a g e ，t h eg r a p h i t ec o n t e l l l s a m p l i n go f 4 e n t e r ss t e a d yw e a rs t a g el e s sw i t h5h o u r st h a nt h eg r a p h i t ec o n t e n t s a m p l i n go f2 。b u t i nt h i s e x p e r i m e n t 。g r a p h i t e c o n t e n tc a nn o t e x p l a i n i t s a b r a s i v e n e s sh i g h ，c a nb eg o o d s p e e dt h ei n f l u e n c ef o rw e a rr a t ei st of o l l o ws p e e d a c c e l e r a t e ，w e a rr a t es u b m i t st h eo b l i q u ew o r dt y p ec h a n g e ”z h i ” 4s o m ed e t e c t i o nc o m p o s i t i o no r t h o g o n a l i t yo p t i m i z a t i o nc o u r s ea n dp r o c e s s t h a t e x p l a n a t i o nt h i sp a p e ra d o p t s a sar e s u l ta r e p r a c t i c a l a n df e a s i b l e ，h a v e r e a c h e dt h e p r e p a r a t i o n w i t hf e a s i b l e c o m p a r i s o nt e c h n o l o g y a n d c o m p o s i t i o n s c o p e - a tl a s t ，t h a tn e e dt oi m p r o v ef o re x t r u s i o nt e c h n o l o g ya n dw e a r e x p e r i m e n th a s p u tf o r w a r dt h ep e r s o n a lp e r s p e c t i v e so fa u t h o r k e yw o r d s ：p a n t o g r a p hs l i d i n g p l a t e ；p o w d e rm e t a l l u r g y ；o r t h o g o n a l i t y e x p e r i m e n tm e t h o d ； w e a r v x 6 6 9 2 0 5 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下( 或 我个人) 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内 容外，本论文不合任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。本声明的法律结果由本人承担。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守) 导师签名：? 憋论文作者签名：罩园乏。乏! j 昆明理工大学硕士学位论文 第一章绪论 铁路的电气化和高速化是发达国家交通的一个的重要标志。大力发展电气化 和高速化铁路是提高运输能力、提高运输速度、提高铁路参于市场竞争能力的最 有效的方法。铁路运输经历了蒸汽机车、内燃机车、电力机车的发展过程，目前 电力机车在一些发达国家已基本普及并向更高阶段发展。我国的电气化铁路建设 也极为迅速，改革开放以来大约以每年1 0 0 0 公里的速度增加，电力机车的数量也 随之增加，而作为电力机车从接触网线导入电能的关键部件一受电弓滑板，对该 材料的性能提出了更高的要求，并在较长的时间内是个难以解决的问题。 1 。1 课题研究背景 1 1 1 铁路电气化和高速化发展 随着国民经济的发展和交通运输市场竞争的出现，提高铁路运营速度已成为 一个刻不容缓的主要课题【1 1 。在我国国民经济和社会发展“九五”计划及2 0 1 0 年 远景目标纲要等决策性文件中，都明确提出提高列车速度的要求，将提高既有铁 路行车速度放在重要的地位。根据铁道部的安排，从九七年开始，将在京哈、京 广、京沪、陇海等主要干线上实现旅客列车最高速度为1 4 0 1 6 0 公里小时，货运 速度也相应提尚，目前正在建设中的京沪高速铁路中，速度将在2 0 0 公里小时以 上。2 0 0 4 年已进行了第五次大面积提速，使列车一般时速达1 6 0 公里小时。我 国铁路明年还将实施第六次大面积提速。第六次大面积提速将使部分提速干线列 车时速提高到2 0 0 公里，小时1 2 j 。 铁路提速依靠内燃或蒸汽机车是不可能完成的，所以我国的铁路的提速计划 是通过修建电气化铁路和通过对既有线路的改造实现的 3 1 。 从我国第一条电气化铁路宝成线宝( 鸡) 风( 闸) 段1 9 6 1 年开通至今， 经过近四十年的发展，我国的电气化铁路有了巨大的进步，大秦、京秦、郑武、 西陇海、宝中、兰武等主要干线已实现电气化牵引，京郑、南昆、广深等线正在 或已完成了电气化建设，哈大、武衡等干线即将进行电气化改造，目前国内的电 气化里程已突破1 0 0 0 0 公里l4 1 ，成为继俄、穗、法、日、意、波兰、南非、印度 之后第九个拥有l 万公里以上电气化铁路的国家。与发达国家相比，我国的电气 化铁路仍处于落后状态，德、意、日等许多发达国家在6 0 年代末7 ( ) 年代初，就 第一章绪论 基本上完成了客货运输繁忙干线的电气化改造，实现了以1 3 左右的电气化线路 承担2 3 以 = 的客货运量。9 0 年代，它们的铁路已进入主要靠直接用电完成运输 过程的阶段，也即电气化率超过4 0 ，完成运输量在8 0 以上。与此同时，它们在 电气化铁路高速化方面也取得了很好的成绩。德国的i c e 、日本的新干线、法国 的t g v 、西班牙的a v e 等都是运行速度在2 5 0 k m h 以上的高速铁路，1 9 8 8 年5 月 1 日联邦德国还创造了时速4 0 6 9 公里的世界纪录。目前，世界上营运速度在 2 5 0 k m h 以上的电气化高速铁路总里程有4 3 0 0 k m ，时速在2 0 0 k m h 以上的总里程 已达1 5 万k m 。 据国家统计局提供的数字。到2 0 0 1 年底，我国已建成电气化铁路总里程达 1 7d 万公晕，超过日本和印度居亚洲第一位，世界第四位。至2 0 0 2 年底，电气 化里程为1 8 万公里【5 1 ，预计到2 0 0 5 年总里程将达2 万公里，到2 0 1 0 年总里程 将达2 6 万公照。在我国中长期铁路网规划中，明确提出了我国中长期铁路 建设目标：到2 0 2 0 年，全国铁路电气化率将达到5 0 ；届时京沪、京哈、京广 和陇海等四条主要干线将全线实现电气化，六大区的电气化铁道将实现联网，我 国第一条高速电气化铁路京沪线也将全面动工兴建。十五期间计划建设的电气化 铁道约5 0 0 0 公里。 铁路向着电气化和高速化发展，是为了满足国民经济和社会发展的需要。电 气化铁路的弓网系统是决定机车正常运行的关键环节之一，面对铁路提速的需求， 原有的受电弓滑板材料在使用性能和经济性能上都己不能满足要求，开发高性能、 低价格的滑板材料具有重大的现实意义1 6 】。 1 1 2 市场应用前景 受电吗滑板是电力机车上消耗量大、更换频繁的部件，直接影响着铁路的运 营成本，进行该产品的开发有广阔的市场前景。 第一：“十五”期问我国将加大铁路基础建设力度，预计投资3 5 0 0 亿元用于 铁路建设。电力机车因其能耗少、无污染而得到重视，是铁路机车的发展方向， “十五”期间我国将新建或改建电气化铁路5 0 0 0 公里。铁路基本建设，带动相关 零部件产业的迅速发展，进行受电弓滑板的开发符合市场需求。 第二：为适应国民经济迅猛发展的需要，我国铁路列车己进行了五次大提速。 为适应列车提速要求，必须进行相关的技术改造，原有受电弓滑板己不能满足技 术要求或我国的基本路况，急需要开发一种新型替代产品来满足技改要求。我国 现有各类电力机车4 0 0 0 多台，受电弓滑板技术改造项目具有广阔的市场前景和巨 2 昆明理工大学硕士学位论文 大的经济效益。 第三：作为易耗常备件进行日常维护与更换将带来长期稳定的市场需求。一 般产品寿命为5 0 0 0 公里，般电力机车每年约需要更换2 0 - - 5 0 次滑板备件。 第四：地铁、城市轻轨等新型交通工具的逐渐增加将带来新的市场需求。这 些车辆要求受电弓滑板具有传导低电压、大电流的能力。现在使用的产品都靠进 口，急需要发出高技术高附加值的产品满足特殊要求。通过对该产品的研制开发 可以扩展到与此相关的新材料领域的相似产品，如电机电刷、滑动触头等行业， 开辟出滑动电接触材料的独特领域。 1 2 电力机车受电弓滑板材料 1 2 ，1 滑板材料概述 1 2 1 1 电力机车受电弓滑板 电力机车受电弓滑板是电力机车获得动力来源的重要集电元件，安装在受电 弓的最上部，直接与接触网导线接触( 如图1 1 所示) 。滑板在静止或滑动状态下 从接触网导线上获取电流，为机车供应电力，受电弓滑板在大自然环境中工作， 并且在运行中与接触网导线不断产生冲击力，因此，受电弓滑板和接触网导线构 成的是一对机械与电气耦合的特殊摩擦副t 7 ，滑扳以与电力机车运行相同的速度 与导线发生摩擦，并传导大约1 0 0 n 1 0 0 0 h 的电流f 8 1 。对选用材料的综合性能有严 格的要求。 受奄弓滑扳 机车硬部 图卜1 架式受电弓示意 f i g 1 1p a n t o g r a p hs k e t c h 3 第一章绪论 1 2 1 2 滑板的工况特点 ( a ) 滑板和接触导线之间存在接触压力 滑板和接触导线分别属于两个弹性系统一受电弓系统与接触网系统，受电弓 由滑板、托架、升弓弹簧等组成，接触网为一弹性悬挂系统，两个弹性系统相互 接触提供了滑板和接触导线之间的接触压力，接触压力一般控制在7 0 n 左右。 ( b ) 滑板和接触导线之间存在相对较高滑动速度 准高速铁路的速度为1 6 0 k m h 左右，对应的弓网相对滑动速度为4 4 4 m s 。 另外，由于接触网按跨距布置及接触导线上存在硬点，机车运行过程中会产生弓 网振动和接触压力波动，甚至产生对滑板的阶跃式冲击和瞬间离线现象。 ( c ) 滑板承受大电流和电弧冲击 目前电力机车电流在4 0 0 a 左右，高速机车将提高到8 5 0 a 。在强电流作用下， 当弓网间发生瞬间离线时，会产生拉弧现象。 1 2 1 3 电力机车受电弓滑板性能要求 对受电弓滑板恶劣的工况条件，要求设计出优异的受电弓滑板材料来满足如 下性能要求： l 要有较好的导电性能( 即较小的电阻率和接触电阻) ； 2 要有较好的机械性能( 如强度和韧性等) ； 3 有较好的耐磨、獗摩性能，具有自润滑性能； 4 要有适中的硬度值，应低于冷拉导线硬度； 5 耐热性能良好，电弧敏感度低，耐电弧烧损能力强，最好具有灭弧能力； 6 要有一定的经济性，即成本要低： 7 便于整体成型便于实现轻量化和标准化，与国际通用技术要求接轨。 此外还要求具有安全性好、环境负荷小的特点。 从使用性能上来说，滑板作为电力机车的部件，要求强度高，不易损坏：作 为摩擦材料，要求摩擦系数小，滑动性能好；作为电接触材料，要求导电性良好。 此外，还要求滑板本身不易磨损且又不易使匹配材料( 接触网导线材料) 磨损， 这一点也是很重要。同时，滑板材料如果被麽损就要更换，因而要求滑板材料价 格要便宜。 滑板材料的使用性能主要包括三方面的性能：综合机械性能、摩擦磨损性能、 电学性能。从目前来说，要全面达到三方面的要求的滑板材料还有很大的差离。 一般来说提高滑板材料的某一方面性能，往往同时会牺牲滑板材料的另一方面的 4 昆明理工大学硕士学位论文 性能为代价。从经济效益来看，要求便宜，成本低。从机务段对滑板材料的选用 看，要求不易产生弓网故障，并且便于维护9 】。 从滑板的选用原则看| 1 ”1 ：当然，如果考虑导线使用寿命3 0 年，而且目前更 换lk m 接触导线需要1 0 万元的支出。以保导线为原则，应尽快研究碳纤维滑板或 金属纤维滑板来取代碳滑板、粉末冶金滑板。 1 2 1 4 滑板的种类 一般现在所用的滑板可分为纯金属滑板( 铜和软钢) 、粉末冶金滑板( 分为铁 基粉术冶金滑板和铜基粉末冶金滑板) 、碳素滑板( 碳滑板、浸金属碳滑板、铝包 碳滑板等) 以及两种材质混合装配形式的复合型滑板等，下面作一简单介绍。 1 纯金属滑板 纯金属滑板分为铜、钢两种，是我国2 0 世纪6 0 年代早期的电力机车受电弓 滑板产品。6 0 年代初宝风段电力机车开始运行时，国产机车均用铜滑板，进口机 车用钢滑板。8 0 年代中期此种滑板只在安阳线、襄渝线、成渝线等少数线路使用， 现在基本不使用。此种滑板取材方便，制作简单，成本低，机械强度高，耐冲击， 集电容量大，耐磨性和导电性都较好，寿命较长，引发弓网故障概率小，检修方 便。但滑板和导线材质相近，与接触网导线亲和力强，加上无自润滑性能，对接 触网导线磨耗很严重，导致接触网导线的迅速磨损和频繁更换。该类型滑板现在 己不能适应电气化铁路发展的需要。 2 粉末冶金滑板 粉末冶金滑板分为铁基粉末冶金滑板和铜基粉末冶金滑板两种。铁基粉末冶 金滑板机械强度较好，表面硬度稍高，耐冲击、摩擦性能较好，不易出现断裂不 均匀磨损等现象，而且自身含有润滑材料，能减轻对导线的磨耗。由于使用此种 滑扳弓网故障概率低，使用检修方便，目前已得到了广泛的应用，特别是在钢铝 导线区段，运用效果相当好。其表现的优良性能致使人们在铜导线区段也大量使 用，这样铁基粉末冶金滑板的弱点也充分地表现了出来，其较高的表面硬度和铜 导线的严重失配导致了铜导线的磨耗过大，远远不能满足接触网导线运行：3 0 年的 要求，甚至有些区段在运行五、六年的时间里，就由于磨耗严重被迫换线。铜基 粉末冶金滑板j 除表面硬度比铁基粉末冶金滑板稍低以外，其它性能均相近，综 合性能很好，和钢铝导线、铜导线匹配性都较好，成本比铁基粉末冶金滑板稍高， 是现在运用最多的滑板( ”l z3 1 1 1 4 1 。该种滑板润滑减摩的一个重要因素是在滑板空 隙中浸入油脂。在实际使用过程中，滑板经过一段时间的保存在未经使用之前， s 第一章绪论 油脂已大部分挥发掉了，使其减摩成为空谈，这也暗合了铜基粉末冶金滑板对接 触网导线磨耗严重的实际情况，也是提出开发碳质滑板的个重要原因。 3 碳素滑板 碳索滑板有纯碳和浸金属碳滑板两种。6 0 年代中期为了节约铜及解决导线 的磨耗问题研制开发了纯碳滑板。纯碳滑板是一种比较理想的取流元件，用它作 受电弓滑板，对降低导线磨耗，延长导线使用寿命，碳滑板本身就是很好的润滑 剂，自润滑性能和减磨性能好，对接触网导线磨损小，滑动时电磁噪声小，且耐 高温，不易和接触网导线发生焊合现象。碳滑扳在与铜接触导线摩擦是可以在导 线上形成一层碳膜，大大改善了导线的磨耗状况，具有积极意义。但其机械强度 很低，耐冲击性较差，易出现断裂、掉块的现象，引发弓网故障概率较大，同时 还存在滑板的不均匀磨耗现象，如果整修不及时，会使受电弓离线率增大，加剧 滑板和导线的电气磨耗。此类滑板使用寿命较短，因损伤更换极多，而且使用过 程中整修工作繁重，为机务段和电务段工作人员带来了极大的不便，因而使用范 围受到了限制。为了改进纯碳滑板的性能，9 0 年代初又研制了浸金属碳滑板。 这类滑板1 1 6 7 川8 1 1 9 1 在一定程度上解决了纯碳滑板机械强度低的问题，耐磨性 大为提高，能够达到3 万公里左右的基本要求，同时能够解决接触网导线磨耗过 快的问题。但其存在很多缺陷，抗冲击能力不足，出现掉块现象。运用过程中仍 需进行1 2 以上的整形，以保证滑扳的表面平行性，控制受电弓和电气磨耗； 价格过高，维护成本高，给机务段造成了一定的经济负担，也使此类滑板的应用 受到了一定的限制。除此之外，最近出现了碳纤维加强的碳基浸金属滑板，使用 镀铜碳粉改善性能的碳基浸金属滑板和金属纤维加强的浸金属碳滑板，这些想法 均是发挥碳的润滑减摩的优势，利用一定的方法改善浸金属碳滑板的机械强度， 到现在为止未见到应用的实例和相关文献。 4 复合型滑板 复合型滑板主要有铝包碳滑板1 2 0 】【2 1 1 和粉末冶金加固体润滑条滑板2 2 j 【2 3 】f 2 4 1 两种。铝包碳滑板即铝作为导电体，碳作为润滑剂，作成一个整体，中间没有接 缝。优点是没有接缝，有一定的机械强度，抗冲击，润滑性能较好，可减少弓网 故障，构造比较合理：缺点是耐磨性仍显不足，寿命较短，运用过程中仍需大量 的整理修复工作，由于碳占据了部分接触面，使受流面积较小，受流强度较大， 电气腐蚀较为严重。粉末冶金加固体润滑条滑板是在粉末冶金滑板的基础之上， 使用固体润滑条增加润滑性减少对导线及自身的磨耗，有一定的效果，但仍不够 6 昆明理丁大学硕士学位论文 理想，同时由于该种滑板的安装较为麻烦，维护任务较重，使其应用不多。 1 2 2 滑板材料国内研究发展状况 1 2 2 1 国内滑板材料研究状况 我国电力机车用受电弓滑板【2 5 】主要有：钢滑板，碳滑板，铁基粉末冶金滑板， 铜基粉末冶金滑板，浸金属碳滑板，这几类滑板集电材料的主要性能及使用状况 见表l 一1 。 6 ( ) 年代，我国电力机车受电弓滑板使用的是铜、钢、碳三种滑板。l 9 6 1 年 我国第一条电气化铁路宝风段开通，电力机车受电弓上使用软钢滑板。由于对导 线磨耗严重，19 6 7 年8 月改用碳滑板，但滑板自身磨耗增大，使用寿命短。又由 于碳滑机械强度低，耐冲击韧性差，运行中遇到导线硬点容易造成滑板条折和破 裂，使用寿命低且易局部拉沟，特别是在丽季和潮湿地区，因摩擦力增大，常出 现弓网故降。为此，1 9 6 5 年西安铁路局、铁道科学研究院机车车辆所与北京天桥 粉末冶金厂共同协作，研制了第一批粉末冶金滑板，它是采用某种金属粉束为基 体，加入多种金属和非金属材料，通过成形、烧结等工艺制成。粉末冶金滑板自 身磨耗不大，对导线磨耗较小，从磨耗机理看，粉末冶金滑板在使用中可不断形 成润滑膜，降低对摩擦副的摩擦系数，起到减摩的作用。因此，8 0 年代初。粉末 冶金滑板成为我国的定型产品，但粉末冶金滑板也存在一些问题，主要是粉末冶 金滑板的含油率低，当形成的润滑膜遇到破坏或者失效时，难以形成新的润滑膜 来维持滑板与导线间的良好磨合状态。这样就产生了滑板对接触网导线严重磨耗 的情况”“。 针对碳滑板对导线减磨，自身易碎的缺点，又研究开发了铝包碳滑板f 2 “，它 是用挤压的合金铝框与整根碳条粘接在一起主要目的是增加碳条强度，在钢铝 接触和铜接触线混架区段，铝包碳滑板获得了较好的运用效果。针对粉末冶金滑 板材质润滑较少，含油较低的缺点，北京粉末厂、铁道部科学研究院金化所相继 推出了机械复合式铜基粉末冶金滑板( 3 8 2 8 、2 9 1 ，这种滑板可随时提供润滑，大 大地降低了对接触导线的磨耗，同时其自身的耐磨性也比较好，是一种较为理想 的滑板由于其问世较晚，应用范围并不广泛。 最近几年，浸金属碳滑板 2 6 、3 0 、3 l 已开始应用，它是将碳基体中存在的大 量气孔填满金属。形成实用的凝体，集中碳材料和金属材料的优点。我国哈尔滨 电碳厂，早在6 0 年代中期就开始了浸渍金属方面的研究，8 0 年代已经具备了 定的水平，由铁科院及哈尔滨电碳厂联合研制的浸金属碳滑扳，于1 9 8 9 年1 2 至 7 第一章绪论 1 9 9 0 年7 月进行了装车试验，并在】9 9 0 年1 1 月通过了浸金属碳滑板的技术标准。 最近几年，他们生产的c 。“滑板的部分性能己经接近世界先进水平，通过调整 基体以及提高金属浸渍工艺和改善工艺设备，性能更好的浸金属碳滑板在我国诞 生将不会遥远。 滑板材质主要性能特点及使用状况 机械强度高，取材方便，使用寿命长，成本低。但易引发弓网故障。 钢滑板国内早期使用，只能在采取润滑措施条件下，在钢铝导线区段使_ ； ，不得 在混架区段和铜接触线区段使用。 对降低导线磨耗，延长导线使用寿命，具有积极意义；但机械强度较 低在冲击力作用下易出现断裂、掉块的现象，引发弓阿故障的概率较 碳滑板大。同时还存在滑板的不均匀磨耗现象，如果整形不及时，会使受电弓离 线率增大，加剧滑扳与导线的电气磨损，使用寿命较短而且因损伤更换 数鏖极多使用范围受到限制。 机械强度较好，表面硬度稍高，不易出现断裂、不均匀磨损等现象， 两且自身含有润滑材料、能减轻对导线的磨耗。但表面硬度远高于铜线硬 铁基粉末 度，即使在润滑作用较好的前提下对铜导线的磨耗作用也是比较大的。 冶金滑板 不少电力机务段在铜导线区段仍然采用这种滑板，主要是为避免弓网故障 的发生。 用于铜导线区段，因其机械强度较好，表面硬度适中滑扳和导线的 铜基粉末磨损比较匹配( 在采取润滑措施条件下滑板的磨耗率为0 9 m m ) j 冶金滑扳k m 一1 i m m 万k m ) 满足了机务段对滑板性能的要求。但价格偏高。武昌 南、郑州、郑州北等机务段主要采用这类滑扳。 从理论上讲，这是最为理想的铜导线区段的受电弓滑板。基本解决了 碳滑扳机械强度低的问题耐磨性丈为提高，能够达到3 万k m 左右的运用 浸金属碳基本要求；同时能根本解决导线磨耗过快的问题，抗冲击能力不足，出现 滑板掉块，使用过程中需进行l 一2 次的整形，咀保证滑扳的表面平滑性，控制 受电弓离线率和电气磨损：价格过高维护成本高，给机务段带来较大的 经济压力。 1 2 2 2 国内主要研究单位及研究状况 我国滑板的开发到现在为止，己形成了一支稳定的研究队伍，取得了很好的 8 昆明理t 大学硕士学位论文 成绩，铁道部科学研究院直从事着粉末冶金滑板、浸金属碳滑板的开发，对这 两种材料的开发具有较强的实力。哈尔滨研究院所和自贡东新电碳厂等单位主要 从事碳滑板、浸金属碳滑板的研制和生产，但水平不高。其他国内的一些大专院 校，如：西安交大、中南工大、上海交大、哈工大等院校都从事过这方面的开发 研究。主要的研究单位1 23 2 8 1 及基本状况见表卜2 。主要的生产单位及其主要产品 见表1 3 。 研究单位滑板类型研究进展 华夏友联电浸金属双9 5 至9 7 年在丰润机务段装车试验，平均每万公里磨耗1 3 2 r a m ， 气化新技术层铜基滑自身寿命约4 0 0 0 0 公里以上，完全可以达到铁道部的要求。 有限公司板 铁科院及哈浸金属碳8 9 至9 0 年在潮东机务段进行装车试验，通过了技术标准井对 尔滨电碳厂滑板其扩大装车试验，“高溶点金属浸渍罐”已研制成功，生产的 c 。滑板部分性能已接近世界先进水平。 9 3 至9 5 年在川黥线和成渝线运行试验，该滑板具有受流好， 重庆西铝包碳 抗冲击能力较强等优点，认为在铜接触线及铜铝接触线和铜接 机务段滑板 触线混架区段，铝包碳滑板是目前一种较为理想的滑板。 昆明铁路分19 9 1 年9 月开始研究主耍是在铜基粉末冶金滑扳上加装固体 局机务科、润滑剂，使磨耗率运行成本均低于碳质滑板9 4 年通过了成 北京粉末机械复合都铁路局局级鉴定，建议全局推广使用。 厂，昆明机式滑板 务段、昆明 供电段合作 1 2 3 滑板材料国外研究发展状况 国外的受电弓滑板产品使用历史比较悠久，日本、欧州等各国对受电弓的开 发和使用都作了大量的研究。这里对日本和欧州作简单介绍。 1 2 ，3 1 日本 日本在第二次世晃大战前主要使用的是纯铜滑板3 2 】，当时的导线也是纯铜制 成，故当时导线滑板之间的摩擦磨耗特别大；从1 9 2 5 年开始，为了节约有限的铜 资源，不得不使用碳素滑板，该类滑板虽然对导线的磨耗率有所降低，但是滑板 9 第一章绪论 强度不够，容易引起冲击破坏、导线过热、熔断等弓网故障，因而需要开发新的 替代产品1 33 1 。1 9 5 1 年粉末冶金产品开始出现1 3 4 1 ，并逐渐成为主流产品。目前， 在日本的电气化线路中，铁基、铜基粉末冶金滑板是主流产品r 3 5 1 。随着铁路高速 化的发展，日本把碳滑板( 浸金属) 的研制提到了议事日程，在一些线路的使用 中取得了良好的效果 3 6 1 3 7 1 。 表1 3 ：滑板的主要生产单位及其主要产品 一一一一一! ! ! ：! ：! 丛韭堕州! ! ! 塑鲤! ! ! 堕h r e r s a n dt h e i r s p ! q d u c 堕一 一 生产单位主要产品 北京粉末厂铜基粉末冶金滑板b c 一2 5 0 ，b f 一3 型及其 同体润滑剂，粘结件 铁科院机辆所长春粉冶厂铁基粉末冶金滑板( c f b 4 b 型) 浙江乐清粉冶厂 铁科院金化所济南工程机械厂 哈尔滨电碳厂 铜基粉末冶金滑板 铝包碳复合型滑板 浸金属碳滑板 兰州固体润滑材料厂复合粉末冶金滑板 自贡东新电碳厂碳和浸金属碳滑板 北京华夏友联电气化新技术有 限公司 浸金属双层铜基粉末冶金滑扳 日本在新干线开通之前，铜基粉末冶金滑板在日本的使用最为普遍；新干线 开通后，铜系烧结合金、铜系铸适合金、铁系烧结合金三类滑板同时被使用，最 后，铁系烧结合金的使用最多，铜系烧结合金次之，在高速行驶的条件下，抗冲 击及电性能的要求很高，铁系、铜系都达到了此要求，然而，它们对导线的磨耗 率很高，其中铁系烧结合金的本身磨耗值是期望的三倍左右，从而滑板的使用寿 命较短，为了解决这个问题，在铜系和铁系烧结合金中普遍加入了f e m o 、f e c r 、 i ，e r r j 、c r 等耐磨成分。这样，虽然出现了列车速度不断提升，而受电弓数目不断 下降这样的趋势，铜系和铁系烧结合金滑板仍是合用的。使用的结果显示：在 2 3 0 k m h 的使用速度下，其厚度磨耗率为2 6 哪万机车k 扎体积磨耗率为4 0 1 1o c m 3 万机车k m 。表1 4 、表卜5 列出了日本新于线使用滑板概况。 1 2 3 2 欧； i i 在欧洲，高速铁路是非常时髦的东西，法国的t g v 、德国的i c e 和西班牙的 a v e 都是赫赫有名的高速铁路，它们和日本的新干线一起代表着现代铁路发展的 最高水平。并不断刷新着列车速度的最高记录。在欧洲，碳滑板是主流产品，当 1 n 昆明理工大学硕一 ：学位论文 然这主要指的是金属浸渗碳滑板。法国v 东南线( 2 7 0 k m h ) 以前曾用过钢滑 板，1 i g v 大西洋线以前用的是钢滑板和碳滑板，现在在r g v 上用的普遍都是碳素 滑板，其摩耗率为2 5 5 4 m m 万机车公里。德国的i c e ( 2 5 0 k m h ) 自1 9 9 1 年运 行以来，直使用纯碳素滑扳，其磨耗率在1 7 2 2 m m 万机车公里。在英国的 电气化铁路传统上使用的是浸金属碳滑板，但其开发的纯碳素滑板电阻率低，强 度高，磨耗率在2 5 5 4 m m 万机车公里。 表1 4 ：新干线使用的滑板成分概况 配方成分 名称台金系开发时期 基体成分硬质成分润滑成分 初期用铁系烧结 f e 、c u 、s n 、cp h六十年代中期 现使_ i j铁系烧结f e 、n i 、c u c ri 】h七十年代形 锏系烧结 c u 、s n 、pc ri ，b 、c成标准系列 改良 型铁系烧结f e 、n i f e t n 、f e m o 、p l 】 f e w 现阶段已 改良i j 型铁系烧结f e 、pc rp b 、m o s 2 标准化 改良c 型铁系烧结f e 、n i 、c u 、cf e m o 、f e c r p b 改良d 型铜系烧结c u 、s nf e 、f e m op b 表1 5 ：日本使用的渭板的主臻性能 滑板材料比重夏氏冲击韧性硬度电阻率 备注 g c m 3k g f m c m 3 )( 1 i b ) ( p q c m ) 铜8 9l t v 4 0 一1 2 00 0 1 7 钢( 软钢)7 9l v l 】o 一1 6 00 17 铁系烧结台金 7 71h b 8 5 1 0 0o2 4 铜系烧结台金 8 2li t b 8 0 9 00 i 6 碳滑板1 7o 0 lt t s 9 23 0纯碳材料 金属含浸型碳 2 4o 0 31 1 s 9 58英国制造 滑板3 0o 0 51 t s 9 52 7直流区间用 在欧州高速车辆最近采用石墨滑板的也很普遍拍l 。德国铁路公司( d b ) 历 来就将石墨和铝合金的滑板体做成整体滑板使用( 在i c e 列车上的使用寿命为1 5 万公里) 。在法国国营铁路公司( s n c f ) 的t g v 上，高速列车则在直流区间( 2 个受电弓1 0 0 0a ) 使用铜合金滑板。但最近改成石墨滑板。 l l 第一章绪论 前苏联，19 6 9 年在1 5 0 0 v 直流电气化铁道区段上开始试用粉末冶金滑板，并 对粉末冶金滑板进行了专门的研究并在适：宣区段推广应用，其中前苏联对铁基粉 末冶金滑板研究得较多，滑板成分配方及物理性能 3 9 1 见表卜6 。 表1 6 ：前苏联粉末冶金滑板的成分及物理性能 长 化学成分物理性能 密度硬度电阻( “摩擦系 f ec un ip bb ncm o s ! g c m 3 ( h b )0c n l )数u p 撤 7 02 21528 17 52 lo 2 2 1 3 ) i 【7 7151b2 8 47 04 2o 2 4 i ，m58 571j8 96 51 00 2 0 1 2 4 滑板材料研究动向和发展趋势 1 2 4 1 滑板发展的动向 通过总结现有各类滑板的优缺点，及对滑板磨耗机理1 40 1 等讲行深入理论探 索，材料专业工作者一方面对现有滑板品种进行性能完善和提高1 2 5 】 2 7 1 】 4 2 1 ，另 一方面尝试开发滑板新材料。 在性能完善和提高方面的工作主要集中在对粉末冶金滑板的摩擦磨损性能 的改善和提高和对碳素滑板的机械强度进行提高和改善。 在新材料方面，随着碳纤维及其复合材料技术的不断发展，一种新型滑板一 碳纤维复合材料滑板应运而生，目前国内己有多家单位进行该产品的研制与开发 工作，不久的将来将会有产品投入实际应用。 上海交通大学和宝钢集团1 4 3 1 开发了一种新型的碳纤维增强碳基复合材料滑 板。该滑板以镀铜石墨粉和镀铜焦碳粉为基体材料，采用短切碳纤维为增强剂， 井用热固性树脂为粘结剂，将原料充分混合后，进行冷压或热压成型。该滑板材 料可根据需要，通过调整镀铜粉末的铜含量来调节该材料的电阻率。冷压成型后， 还可根据用户的使用要求，对材料进行浸渍树脂处理和烧结处理，以进一步提高 材料的致密性和机械性能。用该复合材料制成的滑板具有优良的摩擦磨损性能、 机械性能和导电性能。但该滑板生产周期长，成本高，如果在降低制造成本方面 有所突破，该滑板将具有广阔的应用前景。 其他几家单位所研制的产品，其设计思想、配方组成及成型工艺各有特色。 一般而言，碳纤维复合材料滑板以金属纤维、金属粉末、金属丝网或金属镀层为 2 昆明理工大学硕士学位论文 导电成分，以碳纤维和矿物纤维为增强剂，以石墨、二硫化钼等为润滑组分，以 热圃性树脂为粘结剂，并添加抗冲击改性剂等热压而成。 12 4 2 滑板材料的发展趋势 总的来看，在受电弓滑板材料研究和应用的过程中，主要经历了纯金属滑板 ( 铜滑板、软钢滑板) 、纯碳滑板、粉末冶金滑板