電力機(jī)車受電弓滑板用浸銅碳條的試驗(yàn)研究

陳飛雄 顏君毅 王鐵軍

摘要：本文以電力機(jī)車受電弓滑板碳條材料為基體，采用大氣氣氛下和真空氣氛下的二種氣體壓力浸銅工藝（分別簡(jiǎn)稱為“大氣壓力浸銅工藝”和“真空壓力浸銅工藝”）進(jìn)行浸銅，制備浸銅碳條材料，比較了二種壓力浸銅工藝的浸銅碳條性能，結(jié)果表明：對(duì)比大氣壓力浸銅，真空壓力浸銅效果改善明顯，碳條的浸銅增重率從32%上升到45%，提高了40%，碳條浸銅后的電組率從10.1μΩ.m下降到5.0μΩ.m，降低了50%。浸銅碳條的力學(xué)性能達(dá)到了德國(guó)攀帥克受電弓滑板浸銅碳條水平。

關(guān)鍵詞：壓力浸銅;浸銅碳條;電力機(jī)車受電弓滑板

0 ?引言

浸銅石墨材料是以石墨為基材， 在高溫下使液態(tài)銅滲透到石墨的開(kāi)孔和微裂紋中， 形成連續(xù)相， 而獲得浸銅石墨復(fù)合結(jié)構(gòu)[1]。由于銅呈網(wǎng)狀連續(xù)分布，使得浸銅石墨材料的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性比石墨基體材料顯著改善。這種方法也用于電力機(jī)車受電弓滑板的浸銅碳條材料的制備[2]。但由于銅對(duì)碳幾乎不潤(rùn)濕（潤(rùn)濕角=152°[3]，因此，常壓下很難實(shí)現(xiàn)銅對(duì)碳條的浸滲。必須采用壓力浸銅工藝來(lái)獲得浸銅碳條材料。加壓方式分為機(jī)械式加壓和氣體式加壓二種[4]。機(jī)械式加壓壓力高，能到100-200MPa，因此對(duì)待浸滲的碳條材料強(qiáng)度要求高且壓力只能是單向傳遞，浸滲效果受到限制。氣體加壓壓力較小，通常為10-20MPa，但壓力是各個(gè)方向均衡傳遞，容易實(shí)現(xiàn)均勻浸滲。因此，高性能的浸銅碳條材料通常采用高溫真空氣體加壓浸滲工藝來(lái)制得。如，美國(guó)摩根公司、德國(guó)攀帥克公司、奧地利霍夫曼公司都是采用這種工藝來(lái)生產(chǎn)浸銅碳條材料，用于高速列車受電弓滑板的受流牽引。我國(guó)目前還缺少這種高水平的真空氣體壓力浸滲爐，浸銅碳條通常采用大氣氣氛下的機(jī)械式加壓或氣體式加壓工藝來(lái)制備，由于性能較低，只能用于普速電力機(jī)車受電弓滑板的受流牽引。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)也已開(kāi)始重視高溫真空氣體式壓力浸滲爐的開(kāi)發(fā)。中國(guó)鋼研集團(tuán)開(kāi)發(fā)了國(guó)內(nèi)首臺(tái)大型高溫真空氣體壓力浸滲爐用于國(guó)內(nèi)某企業(yè)的受電弓浸銅碳條的生產(chǎn)。長(zhǎng)沙頂立科技開(kāi)發(fā)了國(guó)內(nèi)首臺(tái)高溫真空氣體壓力浸滲試驗(yàn)爐用于國(guó)內(nèi)某高校金屬浸滲材料的研究和中試。本文以國(guó)內(nèi)某企業(yè)碳條為浸滲對(duì)象，對(duì)比了大氣氣氛下和真空氣氛下的二種氣體式壓力浸銅工藝的浸銅效果，測(cè)試了二種工藝浸銅碳條材料性能，并與國(guó)外進(jìn)口的受電弓浸銅碳條材料進(jìn)行了對(duì)比。

1 ?試驗(yàn)材料與方法

本試驗(yàn)所用碳條為國(guó)內(nèi)某企業(yè)提供，密度1.72g/cm3，開(kāi)孔隙率17%。所用浸滲劑為電解陰極銅板。

碳條采用高溫真空氣體式壓力浸銅（簡(jiǎn)稱“真空壓力浸銅”）和高溫大氣氣體式壓力浸銅（簡(jiǎn)稱“大氣壓力浸銅”）二種壓力浸銅工藝。真空壓力浸銅在國(guó)內(nèi)某高校的專用試驗(yàn)爐上進(jìn)行，浸銅壓力10MPa、浸銅溫度1350℃，浸銅時(shí)間10-30min。先抽真空除去碳條中的空氣，然后將碳條完全浸泡到銅液中。通過(guò)惰性氣體各向均衡加壓，使銅液沿各個(gè)方向浸入碳條中。為防止浸入銅的再流失，對(duì)浸銅的碳條實(shí)施壓力保持降溫。大氣壓力浸銅在國(guó)內(nèi)某企業(yè)的浸滲爐上進(jìn)行，浸銅壓力15MPa、浸銅溫度1350℃，浸銅時(shí)間1-5min。先將碳條預(yù)熱，然后放入到浸滲模具中，再將熔化的銅液倒入模具中使碳條完全浸泡，蓋上密封板后通入壓力氣體進(jìn)行浸銅。

浸銅后的碳條經(jīng)加工后測(cè)量體積和重量，計(jì)算密度。按行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量浸銅碳條的硬度、抗折強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、沖擊韌性和電阻率。利用金相顯微鏡觀察浸銅碳條的組織形貌。

2 ?試驗(yàn)結(jié)果與討論

受電弓滑板碳條的生產(chǎn)流程如圖1。以瀝青焦或石墨焦為原料，根據(jù)需要加入石墨粉、炭黑或硬炭先制成骨料，然后加入煤焦油瀝青作為黏結(jié)劑進(jìn)行混捏混合制得糊料，再通過(guò)擠壓成型獲得碳條生坯，經(jīng)焙燒碳化后變成碳條熟坯。對(duì)碳條熟坯浸漬樹(shù)脂或?yàn)r青，經(jīng)固化后得到所需密度和開(kāi)孔隙率的受電弓滑板碳條。

對(duì)上述碳條進(jìn)行壓力浸銅，獲得受電弓滑板浸銅碳條。因此，碳條的密度和開(kāi)孔隙率是決定碳條浸銅質(zhì)量的基礎(chǔ)。碳條密度和開(kāi)孔隙率應(yīng)控制適當(dāng)，密度過(guò)高、開(kāi)孔隙率過(guò)低，會(huì)增加后面的浸銅難度，導(dǎo)致浸銅量不夠，影響浸銅效果和浸銅后的性能。密度過(guò)低、開(kāi)孔隙率過(guò)高，會(huì)使碳條強(qiáng)度過(guò)低，也會(huì)影響到浸銅后的性能，同時(shí)也因浸銅量過(guò)高而增加浸銅后的碳條密度，造成碳條重量超標(biāo)。通常用于浸銅的碳條密度控制在1.60-1.75g/cm3，開(kāi)孔隙率控制在15-20%。另外浸銅工藝也會(huì)影響浸銅效果。圖2是國(guó)外奧地利霍夫曼公司所提供的受電弓滑板碳條材料及其浸銅后的網(wǎng)狀銅相紋理優(yōu)化的組織形貌特征，顯示了碳條浸銅水平的提高過(guò)程。

本試驗(yàn)采用的受電滑板碳條密度為1.70g/cm3，開(kāi)孔隙率為17%。如前面試驗(yàn)方法中所述，碳條采用真空壓力浸銅和大氣壓力浸銅二種壓力浸滲銅工藝進(jìn)行浸銅。表1為碳條浸銅后的增重率、密度及電阻率、硬度和力學(xué)性能指標(biāo)?？梢?jiàn)，對(duì)比大氣壓力浸銅工藝，碳條經(jīng)真空壓力浸銅后的增重率從32%上升到45%，提高了40%。密度從2.34g/cm3增加到2.56 g/cm3。說(shuō)明碳條的真空壓力浸銅效果好于大氣壓力滲銅效果。這突出體現(xiàn)在電阻率指標(biāo)的改善上。由表中可知，碳條大氣壓力滲銅后的電阻率為10.10μΩ.m，而經(jīng)真空壓力滲銅后的電阻率下降到5.00μΩ.m，降低了50%（注：電阻率指標(biāo)越低越好）。另外，從力學(xué)性能指標(biāo)對(duì)比看，真空壓力浸銅碳條的抗折強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度和沖擊韌性也都高于大氣壓力浸銅碳條。與德國(guó)攀帥克浸銅碳條相比，真空壓力浸銅碳條的抗折強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度和沖擊韌性指標(biāo)與進(jìn)口浸銅碳條相當(dāng)，但在電阻率指標(biāo)上還有差距，進(jìn)口浸銅碳條的電阻率指標(biāo)更優(yōu)，降到了1.84μΩ.m。

圖3是大氣壓力浸銅碳條與真空壓力浸銅碳條的金相顯微組織形貌?？梢?jiàn)，對(duì)比大氣壓力浸銅碳條，真空壓力浸銅碳條的浸銅量更多，銅相分布更均勻，銅相網(wǎng)狀紋理分布更優(yōu)化，這與圖2所示的效果一樣。這種優(yōu)化的銅相網(wǎng)狀紋理分布有利于提高碳條的性能，特別是碳條的導(dǎo)電性能。

根據(jù)熔體浸滲原理[4][5]，金屬熔體浸滲多孔預(yù)制體的動(dòng)力源于多孔預(yù)制體內(nèi)孔隙形成的毛細(xì)管力，在毛細(xì)管力作用下將熔體“吸入”到多孔預(yù)制體內(nèi)。這種“吸入”式浸滲發(fā)生的前提條件是熔體能良好地潤(rùn)濕多孔預(yù)制體（即：潤(rùn)濕角小于90°）。但在碳條浸銅時(shí)，由于銅對(duì)碳不潤(rùn)濕（潤(rùn)濕角=152°），使得碳條內(nèi)孔隙的毛細(xì)管力不但不能成為“吸力”，反而轉(zhuǎn)向?yàn)榻B阻力。因此，必須借助外界壓力來(lái)克服毛細(xì)管力阻力，將銅液“強(qiáng)制性”壓進(jìn)碳條內(nèi)。

本試驗(yàn)碳條浸銅時(shí)，碳條是完全浸泡在銅液中的，因此，碳條在浸入銅液前必須通過(guò)抽真空處理將碳條內(nèi)部的空氣排除干凈，否則會(huì)在碳條中心部包氣而產(chǎn)生浸不透的現(xiàn)象。真空壓力浸銅工藝具有這種排氣功能，而大氣壓力浸銅工藝則無(wú)法實(shí)現(xiàn)浸銅前的排氣。這也是造成圖3所示的大氣壓力浸銅碳條中浸銅量少且分布不均勻的主要原因。另外，大氣壓力浸銅操作中，預(yù)熱碳條在放入模具的過(guò)程中沒(méi)有保護(hù)，碳條會(huì)因此發(fā)生氧化。還有就是，在碳條被銅液浸泡后的氣體加壓浸滲中，銅液溫降很快，為防止銅液凝固而包住碳條，只能控制在很短時(shí)間內(nèi)浸銅。這些都是降低碳條浸銅效果的不利因素，會(huì)造成碳條浸銅的不穩(wěn)定性，使碳條性能，特別是電阻率指標(biāo)產(chǎn)生波動(dòng)。這從表1中已經(jīng)看出，大氣壓力浸銅碳條的1#、2#、3#樣的電阻率分別為4.65μΩ.m、15.25μΩ.m、10.50μΩ.m，波動(dòng)明顯。而真空壓力浸銅碳條1#、2#、3#樣的電阻率分別為4.40μΩ.m、4.95μΩ.m、5.50μΩ.m，波動(dòng)不明顯。因此，要獲得浸銅效果良好的高性能受電弓滑板用浸銅碳條，除控制好碳條的密度和開(kāi)孔隙率外，還應(yīng)采用可控性、穩(wěn)定性及功能性更強(qiáng)的真空壓力浸銅工藝。

3 ?結(jié)論

①采用大氣壓力浸銅工藝和真空壓力浸銅工藝，碳條都實(shí)現(xiàn)了有效浸銅。

②大氣壓力浸銅工藝存在先天不足：一是碳條容易氧化;二是碳條中的氣體不能有效排出;三是浸銅工藝操控性差。從而降低了碳條浸銅效果并產(chǎn)生性能波動(dòng)。

③對(duì)比大氣壓力浸銅，真空壓力浸銅效果改善明顯，碳條的浸銅增重率從32%上升到45%，提高了40%，碳條浸銅后的電組率從10.1μΩ.m下降到5.0μΩ.m，降低了50%。浸銅碳條的力學(xué)性能達(dá)到了德國(guó)攀帥克受電弓滑板浸銅碳條水平。

參考文獻(xiàn)：

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