镍与石墨含量对新型铜基粉末冶金受电弓滑板材料性能的影响.pdf

第 2 0 卷第 3 期 、 ，0 1 ． 2 0 No ． 3 粉末冶金材料科学与工程 M a t e r i a l s S c i e n c e a n d En g i n e e r i n g o f P o wd e r M e t a l l u r g y 2 0 1 5 年 6月 J un． 2 0 1 5 镍与石墨含量对新型铜基粉末冶金 受 电弓滑板材料性能的影响 余亚岚，袁楠，江丹露，中文浩，单娜，仲洪海，蒋阳 合肥工业大学 材料科学与工程学院，合肥 2 3 0 0 0 9 摘要采用粉末冶金法，在 N2 和 H2 混合气氛保护下烧结，制备以石墨和镍等为主要合金元素的新型铜基受电 弓滑板材料，研究石墨含量对该材料电阻率、冲击韧性、硬度、摩擦因数和磨损性能的影响，以及镍含量对其硬 度和冲击韧性的影响，并分析烧结过程中形成的弥散相和固溶体对材料的增强增韧效果。结果表明石墨对材料 密度影响较明显，石墨含量越高，材料的电阻率越大，冲击韧性越小，并且摩擦因数越小，减磨和耐磨性越好， 但石墨含量超过 5 ％时材料性能下降；随镍含量增加，受电弓滑板材料的硬度和冲击韧性都提高，但电阻率增大。 石墨和镍的含量 质量分数 均为3 ％时，材料的电阻率为 O 2 2 Q m，硬度为 H B 6 0 ，冲击韧性为 7 ． 1 J ／ c m2 ，摩擦 因数为0 ． 1 9 ，能满足铜基受电弓滑板的使用要求。 关键词受电弓滑板；铜基粉末冶金材料；电阻率；摩擦性能；冲击韧性 中图分类号T B 3 3 1 文献标识码A 文章编号1 6 7 3 0 2 2 4 2 0 1 5 3 4 1 9 ． 0 6 Ef f e c t s o f n i c k e l a n d g r a p hi t e c o n t e n t o n n e w c o ppe r m a t r i x P／ M ma t e r i a l s f o r pa n t o g r a p h s l i d e r YU Y a l a n ， YUAN N a n ， S L ANG Da n l u ， S HEN W e n - h a o ， S HAN Na ， ZHONG Ho n g - h a i ， J I ANG Ya n g S c h o o l o f Ma t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ， He f e i Un i v e r s i t y o f t e c h n o l o g y , H e f e i 2 3 0 0 0 9 ， C h i n a Ab s t r a c t A n e w t y p e o f c o p p e r - b a s e d p a n t o g r a p h s l i d e r ma t e r i a l s ma i n l y c o mp o s i t e d o f g r a p h i t e a n d n i c k e l ，wa s s u c c e s s f u l l y p r e pa r e d b y s i n t e r i n g s p e c i me n i n a n a t mo s p h e r e o f N2 a n d H2 g a s mi x t u r e ． T h e e ffe c t o f g r a p h i t e c o n t e n t o n e l e c t r i c a l r e s i s t i v i t y ,i mp a c t t o u g h n e s s ，h a r d n e s s ，f r i c t i o n c o e f f i c i e n t a n d we a r p e r f o r ma n c e a n d t h e e ffe c t o f n i c k e l c o n t e n t o n i mp a c t t o u g hn e s s ．h a r d ne s s we r e s t u d i e d ．Th e t o u g h e n i n g and s t r e n g t h e n i n g e ffe c t s o f s o l i d s o l u t i o n a n d d i s p e r s e d p h a s e we r e a l s o a n a l y z e d ． T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e h i g h e r g r a p h i t e c o n t e n t c a n c a u s e t h e g r e a t e r r e s i s t i v i t y , t h e s ma l l e r i mp a c t t o u g hn e s s a n d f r i c t i o n c o e ffic i e n t ， a n d t h e b e t t e r a n t i f r i c t i o n a n d we a r p e r f o rm a n c e ． Bu t t h e p e r f o rm anc e o f ma t e ria l d e c r e a s e s wh e n t h e gra p h i t e c o n t e n t i s mo r e t h a n 5 ％． Mo r e o v e r , t h e h i g h e r the n i c k e l c o n t e n t c a n i n d u c e the gre a t e r h a r dn e s s ， t h e b i g g e r i mp a c t t o u g h n e s s a n d t h e gre a t e r r e s i s t i v i ty． Wh e n the c o n t e n t o f g r a p h i t e a n d n i c k e l b o t h a r e 3 ％，the p e r f o rm a n c e wi th e l e c t r i c a l r e s i s t i v i t y o f 0 ． 2 2 o - qm， h a r d n e s s o f HB6 0 ， i mp a c t t o u g h n e s s o f 7 ． 1 J ／ c m ，a n d f ric t i o n t o e mc i e n t o f 0 ． 1 9 c a n b e o b t a i n e d , wh i c h c a n me e t t h e b a s i c r e q u i r e me n t s o f n a t i o n a l s t a n d a r d s ． Ke y wo r d s p an t o g r a p h s l i d e r ； c o p p e r ma t r i x P ／ M m a t e ria l s ； e l e c t r i c a l r e s i s t i v i t y ； f r i c t i o n p r o p e r t i e s ； i mp a c t t o u g h n e s s 随着我国经济的发展，运输业不断扩大，越来越 多的城市开始修建地铁，有些城市地势起伏较大，地 铁行驶时对受电弓滑板的冲击较大，碳滑板作为优 良 的取电元件，在这些地方使用时容易剥落，严重时可 能被冲断，造成机车事故 ] 。因此，一般使用铜基受 电弓滑板替代碳 滑板 。铜基受 电弓滑板强度较高 ，导 热导电性能好，但对接触线的磨损较严重，而更换接 触线的成本远高于更换受电弓滑板的成本，所以对受 电弓滑板的 自润滑性能要求较高 引 。为了改善铜基受 电弓滑板的润滑性能，一般向滑板中添加润滑材料 。 基金项 目国家高技术研究发展计划 8 6 3 计划 资助项 2 0 0 7 A A0 3 Z 3 0 1 ； 教育部博士点专项基金资助项 2 0 1 2 0 1 1 1 1 1 0 0 6 收稿 日期2 0 1 4 ． 0 5 ． 2 9 ；修订 日期2 0 1 4 1 0 - 2 3 通讯作者蒋阳，教授 ，博士生导师 。电话0 5 5 1 6 2 9 0 4 5 7 8 ；E - ma i l a p j i a n g h f u t ．e d u ． c r l 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 2 0 粉末冶金材料科学与工程 石墨是优 良的润滑材料，摩擦因数小，廉价易得。但 石墨与铜在高温下几乎不润湿，烧结时石墨与基体结 合强度较弱，对受电弓滑板的强度和导电性能影响较 大 l 4 】 。 国内外 已有不少报道说通过对石墨表面进 行镀 铜和合 金化可 以改善润湿 性 ，从而 提高滑 板的力学性 能和减摩耐磨性能[ 9 - t 3 1 。本文作者针对 目前传统的铜 基受电弓滑板总体性能不能满足现代电力机车发展要 求的问题，对滑板材料的成分进行重新设计，重点分 析各元素的合金化机制，以及石墨和镍的添加量对铜 基受电弓滑板材料的物理性能、力学性能和摩擦性能 的影响，为制备综合性能较优异的铜基受电弓滑板材 料提供新 的理论 与实验依据 。 1 实验 1 ． 1 滑板材料的制备 制备铜基受电弓滑板材料所用的原料粉末列于表 l ，粒度均≤7 5脚 ，其中铜粉为电解铜粉，石墨是天 然鳞片石墨。按表 1 所列配方称取原料粉末，球磨混 料 6 ～ 1 0 h后 ，在 4 0 0 MP a的压力下压制成 形，保压 1 mi n ，然后在 N2 和 H 2 混合气体保护 下烧 结 2 h ，烧 结温度为 8 7 0 ～ 9 0 0℃，随炉冷却 到室温 。试样尺寸按 冲击试样 的标准定为 5 5 m i t t 1 0 m m1 0 mm。 表 1 铜基受电弓滑板材料的原料配比 T a b l e 1 Co mp o s i t i o n o f t h e c o p p e r ma t r i x p a n t o g r a p h s l i d e r Ra w ma t e r i a l Cu Gr a p h i t e Ni F e S n A1 Ma s s f r a c t i o n ／ ％7 0 ～ 9 0 l l 2 l ～ 8 3 - 6 3 - 7 0 -3 1 ． 2性能测试 采用排水法 ， 按照 T B 5 1 6 4 ． 2 0 0 6 标准测定铜基 受 电弓滑板材料的密度； 用布氏硬度计 H B V - 3 0 A测定材 料的硬度，压头 钢球 直径 1 n l i i l ，测 5 个点，取平均 值；采用四端子法测定电阻率，测试时电流端与电位 端之间的距 离不 小于 1 0 ram，测试温度 2 0 1 ℃；冲 击韧性测试采用标准试样，尺寸为 5 5 m mX 1 0 m mX 1 0 n T ff l ，不带缺口，按照国家标准 G B ／ T 9 0 9 6进行测 试，采用 M． 2 0 0 0摩擦试验机测定材料的摩擦磨损性 能，并利用 MR 5 0 0 0 金相显微镜观察磨损表面形貌。 试样尺寸为 2 0m m8 m m1 0n a m，常温下进行 ，正 压力为 2 0 0 N，转速为 2 0 0 r ／ rai n ，对偶件为 G C r l 5淬 火钢，直径 4 0mm、长度为 1 4 n 3 1 1 1 的圆柱体，在恒定 载倚 测试 2 h ，前 3 0 mi n为跑合阶段。 2 结果与讨论 2 ． 1 物相组成与显微组织 图 1所示为石墨含量和镍含量均为 3 ％的受电弓 滑板材料的 X R D 谱，可观察到铜、石墨、镍的衍射 峰，无其他杂质峰出现，石墨和镍由于含量较少，因 而 衍 射 峰较 弱 。 与铜 标 准 峰 铜 的标 准 卡 片 号 P D F 0 4 ． 0 8 3 6 对 比， 发现 图 1中铜 的衍射峰 发生偏移 ， 主要原 因是锡 、铁 、镍 、铝与铜形成 了固溶体 ，导致 铜的晶格发生畸变，使铜的衍射峰发生偏移。锡、铁、 镍和铝之 间也可形成金属 间化合物 ， 如 Al Ni 和 N i Al ， 由于含量少而未 能出现相应 的物相衍射 峰，在金 相组 织 图中也很难观察到 。 图 2所 示为石 墨含 量和镍含 量均为 3 ％的滑板材 图 1 镍含量和石墨含量都为 3 ％的滑板材料的 XR D谱 Fi g ． 1 XR D p a t t e r n o f s p e c i me n s wi t h 3 ％ g r a p h R e a n d 3 ％ n i c k e l 图 2 镍含量和石墨含量都为 3 ％的铜基 滑板材料的金相组织 F i g ． 2 Op t i c a l mi c r o gra p h o f t h e s p e c i me n wi t h 3 ％ g r a p h i t e a n d 3 ％ n i c k e l 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 O卷第 3期 余亚岚，等镍与石墨含量对新型铜基粉末冶金受电弓滑板材料性能的影响4 2 l 料 金相组织 ，从 图中可看 出 白色部分为组织均匀 的 0 【 ． 单相铜合金，由于合金元素的添加能阻碍晶粒长大， 使得合金晶粒相对较小。黑色组织是石墨，周围颜色 更深的部分是烧结后留下的孔隙。 2 ． 2 密度 与电阻率 表 2所列为在 8 7 0℃，保温 2 h条件下烧结的滑 板材料的密度和电阻率随石墨含量的变化关系。由表 可知材料的密度随石墨含量增加而下降，而电阻率随 石墨含量增加而增大，并且石墨含量越大，电阻率上 升越快，当石墨含量超过 5 ％时，其电阻率已达不到 国家标准所要求的 0 ． 3 5 u Q． m。密度下降一方面是由 于石墨本身密度低，所以滑板材料的密度随石墨含量 增加而降低；另一方面，石墨与铜在高温下几乎不润 湿 ，随石 墨含 量增加 ， 石 墨与铜基体之 间的孔 隙增加 ， 因此密度减小。石墨是层状结构，同层每个碳原子与 其它碳原子形成 3个共价键，仍保留 1 个 自由电子来 传输 电荷 ，自由电子只能在层间移动，而铜的电子可 自由移 动 ， 因此 ， 石 墨含 量增加 必然导致 电阻率增加 。 另外 ，一般认为影响复合材料 电导率的主要因素有材 料几 何界面的多少与第二相 的数量及 孔隙率等 。石墨 为第二相，其电阻比铜的电阻大，因此铜基滑板材料 的电阻率随石墨含量增加而增加。另外在烧结制品中 孔隙的电阻率可认为是无穷大，石墨含量增加导致孔 隙率增加 ，因而 电阻率增大 。 表 3所列为镍含量对滑板材料密度与电阻率的影 响。从表中可以看 出，随镍含量增加，材料密度逐渐 减小，但变化不大。镍的密度与铜的密度相近，分别 为 8 ． 9 0 g ／ c m 和 8 ． 9 6 e d c m。 ， 所以镍含量对材料的密度 影响不大。材料的电阻率随镍含量增加而增加，这一 表 2 石墨含量对铜基滑板材料密度与电阻率的影响 T a b l e 2 E ffe c t o f g r a p h i t e c o n t e n t o n t h e d e n s i t y a n d e l e c t r i c a l r e s i s t i v i t y w G r a p h i t e ／ ％ 1 3 5 7 9 De n s i ty／ g ’ c m 1 7 ． 0 2 6 ． 8 5 6 ． 3 l 5 ．9 4 5 ． 5 8 Re s i s t i v i ty／ ．Q。m1 0 ． 1 9 5 0 ． 2 2 5 0 ． 2 9 5 0 ． 3 7 6 0 ． 4 5 2 表 3 镍含量对铜基滑板材料密度和电阻率的影响 T a b l e 3 Effe c t o f n i c k e l c o n t e n t o n t h e d e n s i ty a n d e l e c t r i c a l r e s i s t i v i ty 方面是因为镍作为第二相， 其电阻率比铜的电阻率大； 另一方面 ，镍能细化 晶粒 ，增加界面面积 ，能在 一定 程度上减小电阻率，但镍对晶粒的细化程度有限，所 以电阻率随镍含量增加而增加，但增加幅度不大。 2 ． 3 冲击韧性 与硬度 图 3所示为铜基滑板材料的冲击韧性随石墨含量 与镍含量的变化关系 。由图可知 ，石墨含量越 高，冲 击韧性越差，石墨含量为 3 ％，镍含量大于 3 ％时，其 冲击韧性在 7 ． 1 J ／ c m2 以上，能满足受电弓滑板对冲击 韧性的要求。镍含量越高，冲击韧性越好。在烧结过 程中，由于是多元系固相烧结，除了同组元颗粒间发 生粘结外，不同组分间还发生扩散、溶解和合金均匀 化，使得烧结体强度提高。但由于烧结过程中，石墨 颗粒与铜合金基体形成不完整的界面结构模式，其界 面 处往往存在孔隙 ，界面结构松散 ，机械互锁作用很 弱，断裂时只需要很小的能量，所以石墨含量越高， 材料的冲击韧性越差。 g 3 0 岛 ．d bD 旦 U 曼 w Ni ／ ％ 图3 镍含量和石墨含量对材料冲击韧性的影响 Fi g ． 3 Effe c t s o f n i c k e l c o n t e n t a n d g r a p h i t e c o n t e n t o n i mp a c t t o u g h n e s s 图 4所示为镍含量与石墨含量对滑板材料硬度的 关系，从图 3 、4中看出，随镍含量增加，材料的硬度 和冲击韧性均增加。这是因为镍是非常好的增强增韧 组元 ，铜 中加入镍 能显 著提 高耐蚀 性、强度 和硬度 。 镍还与铝形成硬脆性的金属间化合物 A1 Ni 和Ni Al ， A l 3 N i 属于弥散相，对材料产生弥散强化作用，N i Al 有明显的沉淀硬化作用 ，可 以提高合金的强度和硬 度【 l 。从图 4 看出，随石墨含量增加，材料的硬度降 低。这主要是由于石墨含量增加，材料的相对密度减 小，孔隙度增加，导致硬度下降。 图 5所示为镍含量和石墨含量均为 3 ％的滑板材 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 2 4 粉末冶金材料科学与工程 2 0 1 5 年 6月 J o u rna l o f P r o c e s s E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 5 ， 5 4 4 6 0 - 4 6 3 ． 【 6 ] 钱 中 良．粉末 冶金 电力机 车受 电弓滑板 的研究概 况[ J ] ．粉 末 冶金工业， 2 0 0 7 ， 1 7 4 4 3 - 4 6 ． QI A N Z h o n g l i a n g ． R e s e a r c h o n p o wd e r me t a l l u r g y p a n t o g r a p h s t r i p s f o r e l e c tr i c l o c o mo t i v e[ J ] ． P o wd e r Me t a l l urg y I n d u s t r y , 2 0 0 7 ， 1 7 4 4 3 4 6 ． [ 7 ] 陈洁， 熊 翔， 姚萍屏， 等． F e在铜基粉末冶金摩擦材料 中的作用[ J ] ． 粉末冶金工业， 2 0 0 6 ， l 6 4 1 6 ～ 2 0 ． CHE N J i e ， XI ONG Xi a ng ， YAO Ping p i n g， e t a 1 ． The wo r k i n g o f F e i n c o p p e r - b a s e d P ／ M f r i c t i o n ma t e r i a l [ J ] ．P o wd e r Me t a l l u r g y I n d u s t r y , 2 0 0 6 ， 1 6 4 1 6 2 0 ． [ 8 1 郭斌，金 永平，郑艾龙，等．铜基受 电弓滑板材料 抗拉强度 和 冲击韧性研究 [ J ] ．材料科学与工艺， 2 0 0 3 ， 1 1 1 5 9 6 3 ． GUO Bi n， J I N Yo n g p i ng ， ZHENG Ai - l o n g， e t a 1 ． A r e s e a r c h o n t e n s i l e s t r e n g t h a nd i mpa c t t o u g h n e s s o f c o p p e r ma t r i x p a n t o g r a p h s l i d e r ma t e r i a l[ J ] ． Ma t e r a i l s S c i e n c e T e c h n o l o g y , 2 0 0 3 ， l 1 1 5 9 ～ 6 3 ． [ 9 ] 王文芳，褚道葆． 用镀铜石墨粉制备铜～石墨复合材料【 J ] _ 机械工程材料， 1 9 9 9 ， 2 3 2 4 1 - 4 3 ． WANG W e n f a n g ． CHU Da o - b a o ． Pr e p a r a t i o n o f c o p p e r g r a p h i t e c o mp o s i t e s wi t h t he g r a p h i t e c o a t e d c o p p e r [ J ] ． Ma t e r i a l for Me c h a n i c a l E n g i n e e ri n g ， 1 9 9 9 ， 2 3 2 4 1 - 4 3 ． [ 1 0 ] MOUS 丁 AF AS ， E l BA DR YS ， S A NADA， e t a l F r i c t i o n a n d we a r o f c o p p e r - g r a p hit e c o mpo s i t e s ma de wi t h Cu c o a t e d a n d u n c o a t e d g r a p h i t e p o w d e r s J 1 ． We a l 2 0 0 2 ， 2 5 3 7 6 9 9 7 1 0 ． 【 1 1 】 冉丽萍，周文艳，赵新建，等．熔渗法制备 C ／ C C u复合材料 的力学性能[ J ] ．中国有色金属学报， 2 0 1 l ， 2 l 7 1 6 0 7 1 6 1 3 ． R A N L i - p i n g ，Z HOU We n y a n ， Z HAO Xi n - j i a n ， e t a 1 ． Me c h a n i c a l p r o pe r t i e s o fC／ C C c o mp o s i t e s f a b r i c a t e d b y mo l t e n i n fi l t r a t i o n me t h o d [ J 】 ．T h e C h i n e s e J o u r n a l o f No n f e r r o u s Me t a l s ， 2 0 1 1 ， 2 1 7 1 6 0 7 1 6 1 3 ． [ 1 2 】 丁莉，姚萍 屏，樊 坤阳， 等 ．铝代铅新型铜基 自润滑材料 的 摩擦磨 损性能[ J ] ．粉末冶金材料科 学与工程，2 0 1 1 1 6 4 8 7 -4 9 1 ． D1 NG Li ，YAO P i n g- p i ng ，F AN Ku n y a n g ，e t a 1 ．Fric t i o n a n d we a r p r o p e r t i e s o f c o p p e r ma t r i x s e l f - l u b r i c a t i n g c o mpo s i t e s wi t h o u t P b[ J ] ． Ma t e ri a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e ri n g o f P o wd e r Me t a l l u r g y , 2 0 1 l 1 6 4 8 7 4 9 1 ． [ 1 3 ] T ANG L I UH， Z H AOH， e t a 1 ． F ri c t i o n a n d we arp r o p e r t i e s o f c o p p e r ma t r i x c o mp o s i t e s r e i n f o r c e d wi th s h o r t c a r b o n f i b e r s [ J 1 ． Ma t e r i a l sD e s i g n ， 2 0 0 8 ， 2 9 1 2 5 7 2 6 1 [ 1 4 】 刘伏梅， 刘汉川． 镁， 铜，镍在活塞合金中的强化作用[ J ] ．内 燃 机配件 ， 2 0 0 7 ， 2 5 4 4 - 6 ． LI U Fu m e i ，LI U Ha n c h u a n ．M g Cu Ni s e n gt h e n e f f e c t o n p i s t o n a l l o y [ J ] ．I n t e r n a l C o mb u s t i o n E n g i n e P a r t s ，2 0 0 7 ， 2 5 4 4 6 ． 【 1 5 】 刘正林． 摩擦学原理[ M】 ． 北京 高等教育出版社 2 0 0 9 1 1 2 一 1 1 9 ． L I U Z h e n g - l i n ．P r i n c i p l e s o f T d b o l o g y [ M] ．B e ij i n g Hi g h e r Ed u c a t i o n Pr e s s ． 2 0 0 9 1 1 2 1 1 9 ． 编辑汤金芝 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m