余亞嵐，袁 楠，江丹露，申文浩，單 娜，仲洪海，蔣 陽

?

鎳與石墨含量對新型銅基粉末冶金受電弓滑板材料性能的影響

余亞嵐，袁 楠，江丹露，申文浩，單 娜，仲洪海，蔣 陽

(合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，合肥 230009)

采用粉末冶金法，在N2和H2混合氣氛保護(hù)下燒結(jié)，制備以石墨和鎳等為主要合金元素的新型銅基受電弓滑板材料，研究石墨含量對該材料電阻率、沖擊韌性、硬度、摩擦因數(shù)和磨損性能的影響，以及鎳含量對其硬度和沖擊韌性的影響，并分析燒結(jié)過程中形成的彌散相和固溶體對材料的增強增韌效果。結(jié)果表明：石墨對材料密度影響較明顯，石墨含量越高，材料的電阻率越大，沖擊韌性越小，并且摩擦因數(shù)越小，減磨和耐磨性越好，但石墨含量超過5%時材料性能下降；隨鎳含量增加，受電弓滑板材料的硬度和沖擊韌性都提高，但電阻率增大。石墨和鎳的含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))均為3%時，材料的電阻率為0.22 μΩ?m，硬度為HB60，沖擊韌性為7.1 J/cm2，摩擦因數(shù)為0.19，能滿足銅基受電弓滑板的使用要求。

受電弓滑板；銅基粉末冶金材料；電阻率；摩擦性能；沖擊韌性

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，運輸業(yè)不斷擴(kuò)大，越來越多的城市開始修建地鐵，有些城市地勢起伏較大，地鐵行駛時對受電弓滑板的沖擊較大，碳滑板作為優(yōu)良的取電元件，在這些地方使用時容易剝落，嚴(yán)重時可能被沖斷，造成機(jī)車事故[1?2]。因此，一般使用銅基受電弓滑板替代碳滑板。銅基受電弓滑板強度較高，導(dǎo)熱導(dǎo)電性能好，但對接觸線的磨損較嚴(yán)重，而更換接觸線的成本遠(yuǎn)高于更換受電弓滑板的成本，所以對受電弓滑板的自潤滑性能要求較高[3]。為了改善銅基受電弓滑板的潤滑性能，一般向滑板中添加潤滑材料。石墨是優(yōu)良的潤滑材料，摩擦因數(shù)小，廉價易得。但石墨與銅在高溫下幾乎不潤濕，燒結(jié)時石墨與基體結(jié)合強度較弱，對受電弓滑板的強度和導(dǎo)電性能影響較大[4?8]。國內(nèi)外已有不少報道說通過對石墨表面進(jìn)行鍍銅和合金化可以改善潤濕性，從而提高滑板的力學(xué)性能和減摩耐磨性能[9?13]。本文作者針對目前傳統(tǒng)的銅基受電弓滑板總體性能不能滿足現(xiàn)代電力機(jī)車發(fā)展要求的問題，對滑板材料的成分進(jìn)行重新設(shè)計，重點分析各元素的合金化機(jī)制，以及石墨和鎳的添加量對銅基受電弓滑板材料的物理性能、力學(xué)性能和摩擦性能的影響，為制備綜合性能較優(yōu)異的銅基受電弓滑板材料提供新的理論與實驗依據(jù)。

1 實驗

1.1 滑板材料的制備

制備銅基受電弓滑板材料所用的原料粉末列于表1，粒度均≤75 μm，其中銅粉為電解銅粉，石墨是天然鱗片石墨。按表1所列配方稱取原料粉末，球磨混料6~10 h后，在400 MPa的壓力下壓制成形，保壓 1 min，然后在N2和H2混合氣體保護(hù)下燒結(jié)2 h，燒結(jié)溫度為870~900 ℃，隨爐冷卻到室溫。試樣尺寸按沖擊試樣的標(biāo)準(zhǔn)定為55 mm×10 mm×10 mm。

表1 銅基受電弓滑板材料的原料配比

1.2 性能測試

采用排水法，按照TB5164-2006 標(biāo)準(zhǔn)測定銅基受電弓滑板材料的密度；用布氏硬度計HBV-30A測定材料的硬度，壓頭(鋼球)直徑1 mm，測5個點，取平均值；采用四端子法測定電阻率，測試時電流端與電位端之間的距離不小于10mm，測試溫度(20±1)℃；沖擊韌性測試采用標(biāo)準(zhǔn)試樣，尺寸為55 mm×10 mm×10 mm，不帶缺口，按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T9096進(jìn)行測試，采用M-2000摩擦試驗機(jī)測定材料的摩擦磨損性能，并利用MR5000金相顯微鏡觀察磨損表面形貌。試樣尺寸為20 mm×8 mm×10 mm，常溫下進(jìn)行，正壓力為200 N，轉(zhuǎn)速為200 r/min，對偶件為GCr15淬火鋼，直徑40 mm、長度為14 mm的圓柱體，在恒定載荷下測試2 h，前30 min為跑合階段。

2 結(jié)果與討論

2.1 物相組成與顯微組織

圖1所示為石墨含量和鎳含量均為3%的受電弓滑板材料的XRD譜，可觀察到銅、石墨、鎳的衍射峰，無其他雜質(zhì)峰出現(xiàn)，石墨和鎳由于含量較少，因而衍射峰較弱。與銅標(biāo)準(zhǔn)峰(銅的標(biāo)準(zhǔn)卡片號PDF#04-0836)對比，發(fā)現(xiàn)圖1中銅的衍射峰發(fā)生偏移，主要原因是錫、鐵、鎳、鋁與銅形成了固溶體，導(dǎo)致銅的晶格發(fā)生畸變，使銅的衍射峰發(fā)生偏移。錫、鐵、鎳和鋁之間也可形成金屬間化合物，如Al3Ni和Ni3Al，由于含量少而未能出現(xiàn)相應(yīng)的物相衍射峰，在金相組織圖中也很難觀察到。

一、當(dāng)代雕塑觀念的變異性和先鋒觀，直接依附本體語言方可“撥苗助長”。除了意識高度和品質(zhì)境界以及形態(tài)外，最直接的“快感”，通過具有阻斷力和顛覆性的媒材來完成思考的更移。

圖2所示為石墨含量和鎳含量均為3%的滑板材料金相組織，從圖中可看出白色部分為組織均勻的α-單相銅合金，由于合金元素的添加能阻礙晶粒長大，使得合金晶粒相對較小。黑色組織是石墨，周圍顏色更深的部分是燒結(jié)后留下的孔隙。

圖1 鎳含量和石墨含量都為3%的滑板材料的XRD譜

圖2 鎳含量和石墨含量都為3%的銅基滑板材料的金相組織

2.2 密度與電阻率

表2所列為在870 ℃，保溫2 h條件下燒結(jié)的滑板材料的密度和電阻率隨石墨含量的變化關(guān)系。由表可知材料的密度隨石墨含量增加而下降，而電阻率隨石墨含量增加而增大，并且石墨含量越大，電阻率上升越快，當(dāng)石墨含量超過5%時，其電阻率已達(dá)不到國家標(biāo)準(zhǔn)所要求的0.35 μΩ·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隨石墨含量增加而降低；另一方面，石墨與銅在高溫下幾乎不潤濕，隨石墨含量增加，石墨與銅基體之間的孔隙增加，因此密度減小。石墨是層狀結(jié)構(gòu)，同層每個碳原子與其它碳原子形成3個共價鍵，仍保留1個自由電子來傳輸電荷，自由電子只能在層間移動，而銅的電子可自由移動，因此，石墨含量增加必然導(dǎo)致電阻率增加。另外，一般認(rèn)為影響復(fù)合材料電導(dǎo)率的主要因素有材料幾何界面的多少與第二相的數(shù)量及孔隙率等。石墨為第二相，其電阻比銅的電阻大，因此銅基滑板材料的電阻率隨石墨含量增加而增加。另外在燒結(jié)制品中孔隙的電阻率可認(rèn)為是無窮大，石墨含量增加導(dǎo)致孔隙率增加，因而電阻率增大。

表3所列為鎳含量對滑板材料密度與電阻率的影響。從表中可以看出，隨鎳含量增加，材料密度逐漸減小，但變化不大。鎳的密度與銅的密度相近，分別為8.90 g/cm3和8.96 g/cm3，所以鎳含量對材料的密度影響不大。材料的電阻率隨鎳含量增加而增加，這一方面是因為鎳作為第二相，其電阻率比銅的電阻率大；另一方面，鎳能細(xì)化晶粒，增加界面面積，能在一定程度上減小電阻率，但鎳對晶粒的細(xì)化程度有限，所以電阻率隨鎳含量增加而增加，但增加幅度不大。

表2 石墨含量對銅基滑板材料密度與電阻率的影響

表3 鎳含量對銅基滑板材料密度和電阻率的影響

2.3 沖擊韌性與硬度

圖3所示為銅基滑板材料的沖擊韌性隨石墨含量與鎳含量的變化關(guān)系。由圖可知，石墨含量越高，沖擊韌性越差，石墨含量為3%，鎳含量大于3%時，其沖擊韌性在7.1 J/cm2以上，能滿足受電弓滑板對沖擊韌性的要求。鎳含量越高，沖擊韌性越好。在燒結(jié)過程中，由于是多元系固相燒結(jié)，除了同組元顆粒間發(fā)生粘結(jié)外，不同組分間還發(fā)生擴(kuò)散、溶解和合金均勻化，使得燒結(jié)體強度提高。但由于燒結(jié)過程中，石墨顆粒與銅合金基體形成不完整的界面結(jié)構(gòu)模式，其界面處往往存在孔隙，界面結(jié)構(gòu)松散，機(jī)械互鎖作用很弱，斷裂時只需要很小的能量，所以石墨含量越高，材料的沖擊韌性越差。

圖3 鎳含量和石墨含量對材料沖擊韌性的影響

圖4所示為鎳含量與石墨含量對滑板材料硬度的關(guān)系，從圖3、4中看出，隨鎳含量增加，材料的硬度和沖擊韌性均增加。這是因為鎳是非常好的增強增韌組元，銅中加入鎳能顯著提高耐蝕性、強度和硬度。鎳還與鋁形成硬脆性的金屬間化合物Al3Ni和Ni3Al，Al3Ni屬于彌散相，對材料產(chǎn)生彌散強化作用，Ni3Al有明顯的沉淀硬化作用，可以提高合金的強度和硬 度[14]。從圖4看出，隨石墨含量增加，材料的硬度降低。這主要是由于石墨含量增加，材料的相對密度減小，孔隙度增加，導(dǎo)致硬度下降。

圖5所示為鎳含量和石墨含量均為3%的滑板材料沖擊斷口的SEM形貌。圖中可觀察到一些韌窩的存在，韌窩是塑性斷裂的微觀特征，這表明材料斷裂的方式以塑性斷裂為主。材料斷裂前發(fā)生塑性變形而吸收較多的能量，所以材料的沖擊韌性較好。從圖5中可觀察到一些孔隙，這可能是由于低熔點的錫在高溫?zé)Y(jié)時與銅形成固溶體錫青銅，錫青銅中的α固溶體起固溶強化作用，能提高材料的強度，但錫固溶時留下的孔隙在燒結(jié)時沒來得及收縮，導(dǎo)致材料中存在孔隙，一定程度上降低材料的強度。如果能通過優(yōu)化工藝來控制固溶和收縮的程度，則可進(jìn)一步提高材料的強度。

圖4 鎳含量和石墨含量對材料硬度的影響

圖5 鎳含量和石墨含量都為3%的材料沖擊斷口SEM形貌

表4 石墨和鎳含量均為3%的滑板材料性能與國家標(biāo)準(zhǔn)對比

2.4 摩擦磨損性能

圖6所示為不同石墨含量的銅基受電弓滑板材料磨損表面的顯微形貌。對于銅基受電弓滑板材料來說，其材質(zhì)較軟，與較硬的GCr15淬火鋼在無電流干滑動對磨時，在其表面能觀察到塑性變形和犁溝等粘著磨損的特征，其磨損方式主要是粘著磨損。石墨含量較低時，在磨損表面犁溝多且粗大，這是由于摩擦面發(fā)生了強烈的剪切撕裂變形，磨損劇烈；當(dāng)提高石墨含量時，石墨在磨損表面形成完整的潤滑膜，避免粘著磨損，從而減小摩擦因數(shù)，提高減摩性能，降低材料的磨損率。對比觀察圖6(c)和(d)發(fā)現(xiàn)，石墨含量為5%時，磨損表面犁溝數(shù)明顯較少；石墨含量達(dá)到7%時，表面磨損嚴(yán)重，可能是因為石墨含量增加導(dǎo)致材料硬度降低，載荷超過了H/3(H為材料的布氏硬度值)，整個表面變成塑性流動區(qū)，發(fā)生大面積的粘著焊連，出現(xiàn)劇烈粘著磨損，使得磨損急劇增加[15]。

圖7所示為石墨含量對銅基滑板材料摩擦因數(shù)和磨損量的影響。石墨含量在1%~5%之間時，摩擦因數(shù)和磨損量都隨石墨含量增加而減小，摩擦因數(shù)在0.25~0.10之間時磨損量也相對較小，在0.10~0.25 g/ km之間；但石墨含量為7%時，摩擦因數(shù)和磨損率反而增大，分別為0.45和1.7 g/km。這與圖6的分析結(jié)果一致。

圖6 不同石墨含量的銅基滑板材料磨損表面的金相顯微照片

圖7 石墨含量對摩擦因數(shù)與磨損量的影響

3 結(jié)論

1) 采用粉末冶金法制備的銅基受電弓滑板材料，隨石墨含量增加，電阻率增大，硬度和沖擊韌性均減小，減摩和耐磨性增強。

2) 銅基滑板材料中加入適量的鎳，能提高其強度和沖擊韌性，電阻率隨鎳含量增加而增大，但增幅 不大。

3) 石墨和鎳含量均為3%時，材料的硬度為HB60，電阻率為0.22 μΩ·m，沖擊韌性為7.1 J/cm2，摩擦因數(shù)為0.19，能滿足我國銅基受電弓滑板的使用要求。

REFERENCES

[1] 張衛(wèi)華, 王伯銘. 中國高速列車的創(chuàng)新發(fā)展[J]. 機(jī)車電傳動, 2010, 50(1): 8?12. ZHANG Wei-hua, WANG Bo-ming. Innovation and development of high-speed railway in China [J]. Electric Drive for Locomotives, 2010, 50(1): 8?12.

[2] 趙 飛. 高速列車受電弓滑板新材料展望[J]. 湖南有色金屬, 2007, 23(4): 35?38. ZHAO Fei. The prospects of research on new material for high-speed rail vehicles pantograph slide bar [J]. Hunan Nonferrous Metals, 2007, 23(4): 35?38.

[3] 于 瀟, 郭志猛, 郝俊杰, 等. 風(fēng)電用銅基粉末冶金制動閘片的制備與性能[J]. 粉末冶金材料科學(xué)與工程, 2014, 19(1): 66?70. YU Xiao, GUO Zhi-meng, HAO Jun-jie, et al. Preparation and properties of copper-based powder metallurgy brake pad for wind turbine [J]. Materials Science and Engineering of Powder Metallurgy, 2014, 19(1): 66?70.

[4] 羅 驥, 曹慧欽, 賈步超, 等. 新型銅基受電弓滑板材料的制備與性能[J]. 復(fù)合材料學(xué)報, 2012, 29(2): 103?108. LUO Ji, CAO Hui-qin, JIA Bu-chao, et al. Preparation and properties of the new type copper matrix pantograph slider [J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2012, 29(2): 103?108.

[5] 楊連威, 姚廣春, 陸 陽. 新型銅-碳復(fù)合受電弓滑板的制備[J]. 過程工程學(xué)報, 2005, 5(4): 460?463. YANG Lian-wei, YAO Guang-chun, LU Yang. Preparation of new copper-carbon composite pantograph slide [J]. The Chinese Journal of Process Engineering, 2005, 5(4): 460?463.

[6] 錢中良. 粉末冶金電力機(jī)車受電弓滑板的研究概況[J]. 粉末冶金工業(yè), 2007, 17(4): 43?46. QIAN Zhong-liang. Research on powder metallurgy pantograph strips for electric locomotive [J]. Powder Metallurgy Industry, 2007, 17(4): 43?46.

[7] 陳 潔, 熊 翔, 姚萍屏, 等. Fe 在銅基粉末冶金摩擦材料中的作用[J]. 粉末冶金工業(yè), 2006, 16(4): 16?20. CHEN Jie, XIONG Xiang, YAO Ping-ping, et al. The working of Fe in copper-based P/M friction material [J]. Powder Metallurgy Industry, 2006, 16(4): 16?20.

[8] 郭 斌, 金永平, 鄭艾龍, 等. 銅基受電弓滑板材料抗拉強度和沖擊韌性研究[J]. 材料科學(xué)與工藝, 2003, 11 (1): 59?63. GUO Bin, JIN Yong-ping, ZHENG Ai-long, et al. A research on tensile strength and impact toughness of copper matrix pantograph slider material [J]. Materails Science & Technology, 2003, 11(1): 59?63.

[9] 王文芳, 褚道葆. 用鍍銅石墨粉制備銅—石墨復(fù)合材料[J]. 機(jī)械工程材料, 1999, 23(2): 41?43. WANG Wen-fang, CHU Dao-bao. Preparation of copper -graphite composites with the graphite coated copper [J]. Material for Mechanical Engineering, 1999, 23(2): 41?43.

[10] MOUSTAFAS, El-BADRYS, SANADA, et al. Friction and wear of copper–graphite composites made with Cu-coated and uncoated graphite powders [J]. Wear, 2002, 253(7): 699?710.

[11] 冉麗萍, 周文艷, 趙新建, 等. 熔滲法制備C/C-Cu 復(fù)合材料的力學(xué)性能[J]. 中國有色金屬學(xué)報, 2011, 21(7): 1607?1613. RAN Li-ping, ZHOU Wen-yan, ZHAO Xin-jian, et al. Mechanical properties of C/C-C composites fabricated by molten infiltration method [J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2011, 21(7): 1607?1613.

[12] 丁 莉, 姚萍屏, 樊坤陽, 等. 鋁代鉛新型銅基自潤滑材料的摩擦磨損性能[J]. 粉末冶金材料科學(xué)與工程, 2011(16): 487?491. DING Li, YAO Ping-ping, FAN Kun-yang, et al. Friction and wear properties of copper matrix self-lubricating composites without Pb [J]. Materials Science and Engineering of Powder Metallurgy, 2011(16): 487?491.

[13] TANG Y, LIU H, ZHAO H, et al. Friction and wear properties of copper matrix composites reinforced with short carbon fibers [J]. Materials & Design, 2008, 29(1): 257?261

[14] 劉伏梅, 劉漢川. 鎂, 銅, 鎳在活塞合金中的強化作用[J]. 內(nèi)燃機(jī)配件, 2007, 25(4): 4?6. LIU Fu-mei, LIU Han-chuan. Mg Cu Ni strengthen effect on piston alloy [J]. Internal Combustion Engine & Parts, 2007, 25(4): 4?6.

[15] 劉正林. 摩擦學(xué)原理[M]. 北京: 高等教育出版社2009: 112? 119. LIU Zheng-lin. Principles of Tribology [M]. Beijing: Higher Education Press, 2009: 112?119.

(編輯 湯金芝)

Effects of nickel and graphite content on new copper matrix P/M materials for pantograph slider

YU Ya-lan, YUAN Nan, JIANG Dan-lu, SHEN Wen-hao, SHAN Na, ZHONG Hong-hai, JIANG Yang

(School of Materials Science and Engineering, Hefei University of technology, Hefei 230009, China)

A new type of copper-based pantograph slider materials mainly composited of graphite and nickel, was successfully prepared by sintering specimen in an atmosphere of N2and H2gas mixture. The effect of graphite content on electrical resistivity, impact toughness, hardness, friction coefficient and wear performance and the effect of nickel content on impact toughness, hardness were studied. The toughening and strengthening effects of solid solution and dispersed phase were also analyzed. The results show that the higher graphite content can cause the greater resistivity, the smaller impact toughness and friction coefficient, and the better anti-friction and wear performance. But the performance of material decreases when the graphite content is more than 5%. Moreover, the higher the nickel content can induce the greater hardness, the bigger impact toughness and the greater resistivity.When the content of graphite and nickel both are 3%, the performance with electrical resistivity of 0.22 μΩ?m, hardness of HB60, impact toughness of 7.1 J/cm2, and friction coefficient of 0.19 can be obtained, which can meet the basic requirements of national standards.

pantograph slider; copper matrix P/M materials; electrical resistivity; friction properties; impact toughness

TB331

A

1673-0224(2015)3-419-06

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)資助項目(2007AA03Z301); 教育部博士點專項基金資助項目(2012011111006)

2014-05-29；

2014-10-23

蔣 陽，教授，博士生導(dǎo)師。電話：0551-62904578；E-mail: apjiang@hfut.edu.cn