J100A 電梯觸頭材料的研制

閆本武,龍政

（四川新凱碳素制品有限公司，內(nèi)江 641000）

1 概述

J100A觸頭材料主要用于高層電梯主觸發(fā)器作為啟停觸頭材料。電梯在使用過程中啟停頻繁，電流密度大，環(huán)境惡劣，特別是電梯啟動時間短，沖擊載荷高，停止使用時，由于電壓高，易拉弧。因而要達(dá)到不少于30萬次的使用壽命，對材質(zhì)要求高。經(jīng)用戶臺架試驗及對國外電梯觸頭材料測試比較得知，要達(dá)到不少于30萬次的使用壽命，材料不僅應(yīng)具有較低的電阻率，而且還應(yīng)具有較高的硬度及抗沖擊載荷能力，這是J100A能否研制成功的關(guān)鍵。因此其工藝方法、配方等各項工藝參數(shù)，主要依據(jù)如何降低電阻率和提高硬度來選擇。

2 研制過程

2.1 工藝路線的選擇

通過臺架試驗和對國外實樣測試比較，我們與用戶共同商定J100A主要靜態(tài)性能指標(biāo)為：①電阻率ρξ≤0.064μΩm；②硬度HR10/588≥85；③體積密度ρj≥5.0g/ cm3。這些性能要求與國內(nèi)現(xiàn)生產(chǎn)的有色電刷(觸頭類)性能相差很大(見表1)。

表1 J100A與其它類電刷(觸頭類)電阻率、硬度比較Table 1 Comparison of resistivity and hardness between J100A and other types of brushes (contacts)

表中的平均值為三年生產(chǎn)實際數(shù)據(jù)統(tǒng)計平均值。

要使J100A達(dá)到這樣高的硬度，同時還要具有這樣低的電阻率，在工藝上必須要有較大的改進(jìn)，因此我們對比試驗了三個工藝方案：A、 配料→混合→壓制→燒結(jié)→性能測試；B、 配料→混合→壓制→燒結(jié)→復(fù)壓→性能測試；C、 配料一混合→壓制→燒結(jié)→復(fù)壓→復(fù)燒→性能測試。三種方案產(chǎn)品測試結(jié)果見表2。

表2 J100A與其它類電刷(觸頭類)電阻率、硬度比較Table 2 Comparison of resistivity and hardness between J100A and other types of brushes (contacts)

從表2不難看出，方案 A 電阻率達(dá)到要求，而硬度相差太遠(yuǎn)；方案 C 滿足電阻率要求，硬度接近要求，電阻率略高。故工藝方案只能從 B 、 C 中選擇。方案 C 應(yīng)提高硬度，須進(jìn)行復(fù)壓處理，比路線B 多兩道工序，成本增加，而方案 B只須降低電阻率，處理較為容易。筆者主要通過提高燒結(jié)溫度，選擇一最佳燒結(jié)溫度，使燒結(jié)坯具有盡可能小的電阻率，然后進(jìn)行復(fù)壓處理。因此我們選擇的工藝路線是：

2.2 原材料的選擇

J100A用于電梯主觸器作為啟停觸頭材料，其工作電流大，電壓高，在開、關(guān)瞬間產(chǎn)生電弧溫度較高而使低熔點金屬熔化，影響電梯正常啟停，所以材料不應(yīng)含低熔點金屬(如 Sn 、 Pb 等)，原材料只能選擇 Cu 與 C 。要使J100A達(dá)到0.06μΩm以下的電阻率,其導(dǎo)電網(wǎng)格應(yīng)是 Cu 的連續(xù)網(wǎng)格，所以Cu含量應(yīng)在85%以上，余量為石墨粉。這些石墨粉，可以考慮電性能較好的天然鱗片石墨，以降低材料的電阻率和摩擦系數(shù)。然而加入鱗片石墨粉，盡管能顯著降低J100A的電阻率和摩擦系數(shù)，但同時也使制品的機(jī)械強(qiáng)度顯著降低[1]。因此，J100A配方中還要考慮加一定量的隱晶石墨粉取代部分鱗片石墨粉。因為這種石墨粉粒度很細(xì)，比表面大，活性強(qiáng)，其制品具有較高的機(jī)械強(qiáng)度，而且石墨粉本身較軟，盡管制成品機(jī)械強(qiáng)度較高，但不象其它焦碳那樣硬脆，韌性較好，因而制品具有較高的抗沖擊載荷能力，能承受觸頭材料啟動時產(chǎn)生的沖擊載荷，提高材料的使用壽命。因此，我們選定的J100A配方是以 Cu為基，輔加一定量的天然鱗片石墨粉和隱晶石墨粉。

2.3 燒結(jié)溫度和時間的選擇

由于J100A是以Cu 為基的碳石墨材料，故其混合、壓制工藝與J1類有色產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝并無特別之處。不過，值得一提的是J100A的生產(chǎn)工藝是在J1類電刷生產(chǎn)工藝基礎(chǔ)上加復(fù)壓處理來提高制品硬度的。由于復(fù)壓工藝產(chǎn)生晶格畸變和缺陷，使制品硬度提高，導(dǎo)電性能降低，故要求J100A燒結(jié)坯應(yīng)有盡可能小的電阻率。所以在燒結(jié)時，我們選擇較高的燒結(jié)溫度和較長的保溫時間，使制品充分燒結(jié)而達(dá)到電阻率降低的目的。這是因為制品在燒結(jié)時，燒結(jié)坯在壓制過程中產(chǎn)生的晶格畸變、缺陷得到回復(fù)，彈性應(yīng)力消失， Cu 粉顆粒表面氧化被還原，在 Cu 顆粒內(nèi)變形的晶?；貜?fù)改組為新的完整晶粒，Cu 粉顆粒之間形成晶健[2]。隨著燒結(jié)溫度的提高和時間的延長，燒結(jié)坯內(nèi)物質(zhì)的擴(kuò)散和流動充分進(jìn)行，形成連續(xù)網(wǎng)格 Cu 骨架，Cu - Cu 顆粒之間由機(jī)械力連結(jié)轉(zhuǎn)變成為金屬鍵連結(jié)，電阻率大幅度降低。 Cu 與石量的浸潤角較大，如果溫度過高，將使Cu 因毛細(xì)管力作用元原理而向制品表而滲出，破壞金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，反而使制品電阻率迅速上升，強(qiáng)度急劇下降，故燒結(jié)溫度也不能太高；另外時間也不能太長，否則將增加成本，降低生產(chǎn)效率。通過試驗得知，J100A燒結(jié)坯在900℃左右嬈結(jié)時電阻率最低，再提高溫度電阻率幾乎不再減小。而且當(dāng)溫度超過950℃，電阻率反而迅速上升(見圖1曲線1)。若在850C下燒結(jié)并保溫6h，電阻率幾乎不再降低；在900℃下燒結(jié)，保溫5h，電阻率也幾乎不再隨時間而變化(見圖1曲線2、3)。因此，我們選擇燒結(jié)溫度900℃，保溫時間4～6h的工藝。

圖1 燒結(jié)溫度保溫時間與電阻率的關(guān)系Fig.1 Relationship between sintering temperature, holding time and resistivity

2.4 采用復(fù)壓提高制品硬度

要達(dá)到 HR(10/588) ≥85，以 Cu 為骨架且不添加其它組分的 Cu - C 燒結(jié)坯是比較困難的(詳見表1)，必須對燒結(jié)坯進(jìn)行后處理，使其硬度大幅度提高，方可達(dá)到要求。在這里我們選擇復(fù)壓工藝進(jìn)行硬化處理。所謂“復(fù)壓”是指粉末壓坯脫模后(經(jīng)熱處理或不作任何處理)再作第二次模壓處理，復(fù)壓可使制品硬度顯著提高。這是因為：第一、燒結(jié)坯制品存在內(nèi)應(yīng)力、晶格畸變、缺陷、質(zhì)地較軟，復(fù)壓可以使這些不良因素有效恢復(fù)[3]。第二、復(fù)壓過程中，燒結(jié)坯在模腔內(nèi)發(fā)生蠕變，同時也使制品致密化，從而提高制品密度、硬度、強(qiáng)度和抗沖擊載荷能力；第三、復(fù)壓過程中，使燒結(jié)時由于再結(jié)晶產(chǎn)生的粗大晶粒因變形而破碎，從而使制品晶粒細(xì)化，硬度強(qiáng)度提高[4](二者硬度對比詳見表3)。

表3 J100A燒結(jié)坯與復(fù)壓件硬度值比較Table 3 Comparison of hardness values between j100a sintered billet and re pressed parts

實踐證明，按上述工藝生產(chǎn)的J100A產(chǎn)品，其壽命均不少于30萬次，已達(dá)到國外同類材料水平，靜態(tài)性能與國外樣件測試數(shù)據(jù)比較見表4。

表4 J100A與國外元件測試比較Table 4 Comparison between J100A and foreign component test

3 結(jié)論

綜上所述，我們可以得到以下結(jié)論：

1)按一定比例選用 Cu 粉與鱗片石墨粉及隱晶石墨粉等原材料，經(jīng)混合、壓制、燒結(jié)、復(fù)壓等工藝過程，能生產(chǎn)出符合電梯主觸器使用要求的觸頭材料。

2)添加一定比例的隱晶石墨，不僅可以提高制品硬度，而且還能提高其抗沖擊韌性。

3)選擇適當(dāng)?shù)臒Y(jié)溫度，使燒結(jié)坯具有盡可能小的電阻率，再進(jìn)行復(fù)壓變形處理，不僅可以使制品硬度大幅度提高，而且制品仍具有較低的電阻率。

4)后續(xù)我們進(jìn)一步嘗試，將該復(fù)壓工藝應(yīng)用到其它類電刷研制與生產(chǎn)中。諸如風(fēng)電類電機(jī)以及工業(yè)電機(jī)等大規(guī)格碳刷，更加提升該類碳刷產(chǎn)品性能。