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，申文浩，单 娜，仲洪海，蒋 阳



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，申文浩，单 娜，仲洪海，蒋 阳

(合肥工业大学材料科学与工程学院，合肥 230009)

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0.22 μΩ∙m，硬度为HB60，冲击韧性为7.1 J/cm2，摩擦因数为0.19，能满足铜基受电弓滑板的使用要求。

受电弓滑板；铜基粉末冶金材料；电阻率；摩擦性能；冲击韧性

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[1−2]。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[3]。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。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[4−8]。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[9−13]。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1，粒度均≤75 μm，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6~10 h后，在400 MPa的压力下压制成形，保压 1 min，然后在N2和H2混合气体保护下烧结2 h，烧结温度为870~900 ℃，随炉冷却到室温。试样尺寸按冲击试样的标准定为55 mm×10 mm×10 mm。

表1 铜基受电弓滑板材料的原料配比

1.2 性能测试

采用排水法，按照TB5164-2006 标准测定铜基受电弓滑板材料的密度；用布氏硬度计HBV-30A测定材料的硬度，压头(钢球)直径1 mm，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10mm，测试温度(20±1)℃；冲击韧性测试采用标准试样，尺寸为55 mm×10 mm×10 mm，不带缺口，按照国家标准GB/T9096进行测试，采用M-2000摩擦试验机测定材料的摩擦磨损性能，并利用MR5000金相显微镜观察磨损表面形貌。试样尺寸为20 mm×8 mm×10 mm，常温下进行，正压力为200 N，转速为200 r/min，对偶件为GCr15淬火钢，直径40 mm、长度为14 mm的圆柱体，在恒定载荷下测试2 h，前30 min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XRD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PDF#04-0836)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Al3Ni和Ni3Al，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。

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图2所示为石墨含量和镍含量均为3%的滑板材料金相组织，从图中可看出白色部分为组织均匀的α-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。

图1 镍含量和石墨含量都为3%的滑板材料的XRD谱

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

2.2 密度与电阻率

表2所列为在870 ℃，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0.35 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8.90 g/cm3和8.96 g/cm3，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。

表2 石墨含量对铜基滑板材料密度与电阻率的影响

表3 镍含量对铜基滑板材料密度和电阻率的影响

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/cm2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。

图3 镍含量和石墨含量对材料冲击韧性的影响

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Al3Ni和Ni3Al，Al3Ni属于弥散相，对材料产生弥散强化作用，Ni3Al有明显的沉淀硬化作用，可以提高合金的强度和硬 度[14]。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%的滑板材料冲击断口的SEM形貌。图中可观察到一些韧窝的存在，韧窝是塑性断裂的微观特征，这表明材料断裂的方式以塑性断裂为主。材料断裂前发生塑性变形而吸收较多的能量，所以材料的冲击韧性较好。从图5中可观察到一些孔隙，这可能是由于低熔点的锡在高温烧结时与铜形成固溶体锡青铜，锡青铜中的α固溶体起固溶强化作用，能提高材料的强度，但锡固溶时留下的孔隙在烧结时没来得及收缩，导致材料中存在孔隙，一定程度上降低材料的强度。如果能通过优化工艺来控制固溶和收缩的程度，则可进一步提高材料的强度。

图4 镍含量和石墨含量对材料硬度的影响

图5 镍含量和石墨含量都为3%的材料冲击断口SEM形貌

表4 石墨和镍含量均为3%的滑板材料性能与国家标准对比

2.4 摩擦磨损性能

图6所示为不同石墨含量的铜基受电弓滑板材料磨损表面的显微形貌。对于铜基受电弓滑板材料来说，其材质较软，与较硬的GCr15淬火钢在无电流干滑动对磨时，在其表面能观察到塑性变形和犁沟等粘着磨损的特征，其磨损方式主要是粘着磨损。石墨含量较低时，在磨损表面犁沟多且粗大，这是由于摩擦面发生了强烈的剪切撕裂变形，磨损剧烈；当提高石墨含量时，石墨在磨损表面形成完整的润滑膜，避免粘着磨损，从而减小摩擦因数，提高减摩性能，降低材料的磨损率。对比观察图6(c)和(d)发现，石墨含量为5%时，磨损表面犁沟数明显较少；石墨含量达到7%时，表面磨损严重，可能是因为石墨含量增加导致材料硬度降低，载荷超过了H/3(H为材料的布氏硬度值)，整个表面变成塑性流动区，发生大面积的粘着焊连，出现剧烈粘着磨损，使得磨损急剧增加[15]。

图7所示为石墨含量对铜基滑板材料摩擦因数和磨损量的影响。石墨含量在1%~5%之间时，摩擦因数和磨损量都随石墨含量增加而减小，摩擦因数在0.25~0.10之间时磨损量也相对较小，在0.10~0.25 g/ km之间；但石墨含量为7%时，摩擦因数和磨损率反而增大，分别为0.45和1.7 g/km。这与图6的分析结果一致。

图6 不同石墨含量的铜基滑板材料磨损表面的金相显微照片

图7 石墨含量对摩擦因数与磨损量的影响

3 结论

1) 采用粉末冶金法制备的铜基受电弓滑板材料，随石墨含量增加，电阻率增大，硬度和冲击韧性均减小，减摩和耐磨性增强。

2) 铜基滑板材料中加入适量的镍，能提高其强度和冲击韧性，电阻率随镍含量增加而增大，但增幅 不大。

3) 石墨和镍含量均为3%时，材料的硬度为HB60，电阻率为0.22 μΩ·m，冲击韧性为7.1 J/cm2，摩擦因数为0.19，能满足我国铜基受电弓滑板的使用要求。

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(编辑 汤金芝)

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

国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2007AA03Z301); 教育部博士点专项基金资助项目(2012011111006)

2014-05-29；

2014-10-23

蒋 阳，教授，博士生导师。电话：0551-62904578；E-mail: apjiang@hfut.edu.cn