稀土与锌对铜基粉末冶金滑板的影响.pdf

第5 6 卷第3 期 2004 年8 月 有色金属 N o n f e r r o u sM e t a l s V 0 1 ．5 6 ，N o ．3 A u g u s t 2 0 0 4 稀土与锌对铜基粉末冶金滑板的影响 孙跃军，仲伟深，郭凤仪 辽宁工程技术大学材料科学与工程系，辽宁阜新1 2 3 0 0 0 摘要研究稀土和锌对铜基粉末冶金滑板的影响。结果表明，稀土的加入可以提高滑板的硬度、耐磨性和耐蚀性，但滑板 的冲击韧性略有降低。滑板硬度值可以通过控制主合金元素锌的加入量调节，从而满足各种不同接触线的要求。 关键词金属材料；滑板；粉末冶金；稀土；锌；硬度；耐磨性；耐蚀性 中图分类号U 2 2 5 ．4 ；T F l 2 5 ．2 ；T G l 4 6 ．4 5 文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 4 0 3 0 0 2 6 0 3 滑板是铁路电力机车运行系统中的重要元件， 在铁路运输中起着重要作用。滑板与电车接触线构 成一对机械与电力耦合的特殊摩擦副。目前国内应 用的接触线种类较繁杂，有钢芯铝绞线、铝包钢 线、纯铜接触线和铜银合金线，因此与之对应的滑 板也是种类多样，具体包括碳滑板、铜一锡或铜一锌为 主的铜基粉末冶金滑板等。但是目前应用的滑板都 存在着不同的问题，如碳滑板强度和冲击韧性不足， 铜基粉末冶金滑板润滑和对导线保护不足及自身寿 命短等问题。为此，研制了双润滑铜基粉末冶金滑 板，在结构上设计了双润滑结构，在成分上采用以铜 锌为主再加入石墨、铅、稀土等元素，使之适用于不同 类型的接触线，稀土和锌对铜基滑板有重要影响。 1实验方法 1 ．1 试验材料 铜粉，一5 3 ／卫m 纯度9 9 ．9 9 ％ ；锌粉，一7 4 t l m ； 锡粉，一7 4 t l m ；铅粉，一5 8 t l m ；石墨粉，一5 3 t _ ￡m 。 1 ．2 试验设备 混料采用自制的粉末冶金混料设备，压制用 Y A 3 2 ．3 1 5 型四柱式万能液压机，烧结设备为D R Z 一9 型电阻炉。 1 ．3 检测设备 H B - 3 0 0 0 型布氏硬度计，7 1 型显微硬度计， X J L 一立式金相显微镜，M 一2 0 0 型磨损试验机，摆锤式 冲击试验机，Z F 一5 型恒电位／恒电流仪。 1 ．4 试样的制备 收稿日期2 0 0 3 0 6 一I i 作者简介孙跃军 1 9 7 2 一 ，男，内蒙赤峰市人，讲师，硕士，主要从 事金属基复合材料及金属强韧化等研究。 试样的成分见表1 。试样的压制压力为 1 9 ．2 M P a ，保压时间为2 5 s ，烧结工艺曲线见图1 和 图2 。 表1 试样的成分及烧结温度 T a b l e1 S a m p l ec o m p o s i t i o n sa n ds i n t e r i n gt e m p e r a t u r e 芝 餐 024 68 l O 1 21 41 61 8 时间，I l 图1 №3 。N 0 4 。№6 试样烧结工艺曲线 F i g ．1S i n t e r i n gc u r v eo fs a m p l eN 0 3 ，N 0 4a n d №6 2 试验结果及分析 试样的布氏硬度、显微硬度、失重质量、自蚀电 位、冲击韧性如表2 所示，试样的显微组织如图3 和 图4 所示。 枷 黜 枷 蝴 。 万方数据 第3 期孙跃军等稀与锌对铜基粉末冶金滑板的影响 2 7 p 、 越 赠 024681 01 21 41 61 8 时间巾 图2 №1 ，№2 ．№5 试样烧结工艺曲线 F i g ．2S i n t e r i n gcurveo fs a m p l e №1 ．№2a n d №5 图3 №l 号试样的显微组织【4 0 0 F i g ．3 M i c r o s t u c t u r eo fs a m p l e №1 表2 试验结果 T a b l e2E x p e r i m e n tr e s u l t s 1 主要打基体硬度 图4 №2 试样的显微组织 4 0 0 F i g ．4 M i c r o s t u e t u r eo fs a m p l e №．2 2 ．1 稀土元素对粉末冶金试样性能的影响 2 ．1 ．1 稀土对试样硬度的影响。由表2 的布氏硬 度值可以看出，1 号和2 号试样的烧结温度一样 8 2 0 1 2 ，但2 号试样的平均硬度值比1 号试样增加 了1 2 ．9 。2 号试样和1 号试样唯一的差别是加入了 0 ．6 8 ％的稀土。3 号试样和4 号试样相比，加入稀 土的4 号试样同样比未加稀土的3 号试样的硬度值 有所增高。由此可见，加入适量的稀土可使试样的 布氏硬度提高。 通过表2 的显微硬度值可以看出，加入稀土的 2 号试样比不加稀土的1 号试样显微硬度值增大， 并且增大的幅度较大。由于显微硬度试验所测的是 基体表面硬度，可见加入稀土有利于提高试样的耐 磨性。 2 ．1 ．2 稀土元素对耐磨性的影响。表2 中的试样 磨损失重值表明，加稀土的2 号、4 号试样与不加稀 土的1 号、3 号试样相比，磨损失重值较小，也就是 说加入稀土可以使试样的耐磨性提高。 2 ．1 ．3 稀土元素对耐蚀性的影响。由表2 自然腐 蚀电位数值可知，加入稀土的4 号试样的自腐蚀电 位为一0 ．1 9 9 V ／c m 2 ，而未加稀土的3 号试样自腐蚀 电位为一0 ．2 1 2 V ／c m 2 。由此可见，加入稀土可以提 高试样的耐蚀性。稀土几乎不固溶于铜中，而是存 在于晶界，这就阻止了锌、锡等固溶于铜晶格中的元 素向晶界的微扩散，从而避免了晶间腐蚀，提高了材 料的耐蚀性。 2 ．1 ．4 稀土对试样冲击韧性的影响。通过表2 的 冲击韧性数据可以看出，加入稀土的4 号试样同未 加稀土的3 号试样相比，冲击韧性下降。由于加入 稀土后强化了基体，使基体的硬度升高幅度较大，必 然导致冲击韧性下降。试验数据显示，加入稀土的 试样硬度值升高较大，但冲击韧性值下降并不大，在 某些情况下，牺牲一些韧性从而获得较高的硬度和 强度是值得的。 2 ．1 ．5 组织分析。从图3 和图4 可以看出，加入稀 土的2 号试样同未加稀土的1 号试样相比，2 号试 咖 咖 伽 渤 。 万方数据 有色金属第5 6 卷 样中石墨分散度大了，基体组织细化了，出现这种差 异的原因显然是稀土作用的结果。 2 ．2 稀土对试样的作用 根据结果分析可知，加入稀土元素后试样的硬 度、耐磨性，耐蚀性都有不同程度的提高，并且试样 的显微组织也得到细化。对于锌和锡而言属液相烧 结，由于此烧结温度不能过高，保温时间不能过 ’长【lJ ，从而导致试样在烧结过程中出现扩散不充 分、组织不均匀的现象，稀土的作用恰好弥补了粉末 冶金烧结过程中的不足。经分析发现，稀土对试样 有如下的几种作用。 2 ．2 ．1 活化作用。由于稀土的活化作用促进了锌 原子向铜中的扩散，提高了锌在铜中的溶解，形成了 含锌量较高的固溶体。固溶体锌含量越高，强度、硬 度越高。锌在固溶体中的溶解度越大，造成铜晶格 畸变越严重，导致硬度、强度升高越多。同时，由于 稀土是表面活性元素，在液相烧结过程中，降低了液 相表面张力[ 2 l ，使得固相粉末颗粒 石墨 在烧结过 程中不会发生严重偏聚，从而得到固体润滑剂均匀 分布的试样，达到良好的减磨、耐磨目的。 2 ．2 ．2 净化作用。铜粉和锌粉在运输、保存和应用 过程中或多或少都有一定程度的氧化，在表面形成 氧化膜。在粉末冶金烧结过程中，这种氧化膜的存 在将会阻碍锌原子向铜晶格中的扩散。另外，在烧 结过程中，空气中少量的氧也会穿透木炭粉的保护 层参与反应。由于稀土与氧的亲和力大于铜、锌，因 此稀土首先与氧反应生成高熔点的稀土化合物[ 3 1 ， 对粉末、液相起净化作用，从而提高基体强度和硬度。 2 ．2 ．3 细化作用。稀土与氧形成的细小的高熔点 稀土化合物，可以作为非均质形核基底，在粉末冶金 液相结晶过程中起到细化晶粒作用。晶粒细化可以 使试样的强度、硬度提高。 2 ．3 锌对试样性能的影响 表2 数据表明，在相同烧结温度下，含锌量增 加，试样的硬度提高。含锌量相同时，烧结温度升 高，试样布氏硬度提高。锌在铜中固溶的多少对硬 度的影响非常大，通过调节锌含量或提高烧结温度 来调节滑板的硬度，以使滑板适应不同接触线的要 求。加入稀土元素可以进一步提高滑板的硬度、耐 磨性及耐蚀性。 3结论 在铜基粉末冶金滑板中加入适量稀土，可以提 高滑板的硬度、耐磨性和耐蚀性。锌是提高粉末冶 金滑板的主加元豢，通过调节锌含量可达到不同导 线需要的滑板硬度。⋯ 参考文献 [ 1 ] 黄培云．粉末冶金原理[ M ] ．北京冶金工业出版社，1 9 8 2 1 9 7 1 9 9 ． [ 2 ] 余宗森．钢中稀土[ M ] ．北京冶金工业出版社，1 9 8 2 1 2 3 1 2 6 ． [ 3 ] 仲伟深，付大军，孙跃军．稀土对电气化铁路纯铜性能的影响[ J ] ．铸造，2 0 0 1 ，5 0 2 8 1 8 3 ． E f f e c t so fR a r e - e a r t hE l e m e n t sa n dZ i n co nC o p p e rM a t r i xS l i d e rM a d eb yP o w d e rM e t a l l u r g y S U NY u e - j u n ，Z H O N GW e i s h e n ，G U OF e n g - y i M a t e r i a lS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n gD e p a r t m e n t ，L i a o n i n gT e c h n i c a lU n i v e r s i t y ，F u x i n1 2 3 0 0 0 ，L i a o n i n g ，C h i n a A b s t r a c t T h ee f f e c t so fr a r e - e a r t he l e m e n t sa n dz i n co nc o p p e rm a t r i xs l i d e rm a d eb yp o w d e rm e t a l l u r g ya r ei n v e s t i g a t e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h eh a r d n e s s ，r e s i s t a n c et ow e 誓t ra n dr e s i s t a n c et oc o r r o s i o no ft h es l i d e ra r ei m ． p r o v e db yt h ea d d i t i o no fr a r e e a r t he l e m e n t s ，a tt h es a m et i m e ，t h ei m p a c t i n gt o u g h n e s si ss l i g h t l yd e c r e a s e d ． T h eh a r d n e s so ft h es l i d e rc a nb ea d j u s t e db ym e a n so fc h a n g i n gt h ec o n t e n to fz i n ca st h em a i na l l o y i n ge l e m e n t ， i no r d e rt of i tt h ed i f f e r e n tt o u c h i n gw i r e s ． K e y w o r d s m e t a l l i cm a t e r i a l s ；s l i d e r ；p o w d e rm e t a l l u r g y ；r a r e e a r t h ；z i n c ；h a r d n e s s ；r e s i s t a n c et ow e a r ； r e s i s t a n c et oc o r r o s i o n ． 万方数据