J100A 电梯触头材料的研制

闫本武,龙政

（四川新凯碳素制品有限公司，内江 641000）

1 概述

J100A触头材料主要用于高层电梯主触发器作为启停触头材料。电梯在使用过程中启停频繁，电流密度大，环境恶劣，特别是电梯启动时间短，冲击载荷高，停止使用时，由于电压高，易拉弧。因而要达到不少于30万次的使用寿命，对材质要求高。经用户台架试验及对国外电梯触头材料测试比较得知，要达到不少于30万次的使用寿命，材料不仅应具有较低的电阻率，而且还应具有较高的硬度及抗冲击载荷能力，这是J100A能否研制成功的关键。因此其工艺方法、配方等各项工艺参数，主要依据如何降低电阻率和提高硬度来选择。

2 研制过程

2.1 工艺路线的选择

通过台架试验和对国外实样测试比较，我们与用户共同商定J100A主要静态性能指标为：①电阻率ρξ≤0.064μΩm；②硬度HR10/588≥85；③体积密度ρj≥5.0g/ cm3。这些性能要求与国内现生产的有色电刷(触头类)性能相差很大(见表1)。

表1 J100A与其它类电刷(触头类)电阻率、硬度比较Table 1 Comparison of resistivity and hardness between J100A and other types of brushes (contacts)

表中的平均值为三年生产实际数据统计平均值。

要使J100A达到这样高的硬度，同时还要具有这样低的电阻率，在工艺上必须要有较大的改进，因此我们对比试验了三个工艺方案：A、 配料→混合→压制→烧结→性能测试；B、 配料→混合→压制→烧结→复压→性能测试；C、 配料一混合→压制→烧结→复压→复烧→性能测试。三种方案产品测试结果见表2。

表2 J100A与其它类电刷(触头类)电阻率、硬度比较Table 2 Comparison of resistivity and hardness between J100A and other types of brushes (contacts)

从表2不难看出，方案 A 电阻率达到要求，而硬度相差太远；方案 C 满足电阻率要求，硬度接近要求，电阻率略高。故工艺方案只能从 B 、 C 中选择。方案 C 应提高硬度，须进行复压处理，比路线B 多两道工序，成本增加，而方案 B只须降低电阻率，处理较为容易。笔者主要通过提高烧结温度，选择一最佳烧结温度，使烧结坯具有尽可能小的电阻率，然后进行复压处理。因此我们选择的工艺路线是：

2.2 原材料的选择

J100A用于电梯主触器作为启停触头材料，其工作电流大，电压高，在开、关瞬间产生电弧温度较高而使低熔点金属熔化，影响电梯正常启停，所以材料不应含低熔点金属(如 Sn 、 Pb 等)，原材料只能选择 Cu 与 C 。要使J100A达到0.06μΩm以下的电阻率,其导电网格应是 Cu 的连续网格，所以Cu含量应在85%以上，余量为石墨粉。这些石墨粉，可以考虑电性能较好的天然鳞片石墨，以降低材料的电阻率和摩擦系数。然而加入鳞片石墨粉，尽管能显著降低J100A的电阻率和摩擦系数，但同时也使制品的机械强度显著降低[1]。因此，J100A配方中还要考虑加一定量的隐晶石墨粉取代部分鳞片石墨粉。因为这种石墨粉粒度很细，比表面大，活性强，其制品具有较高的机械强度，而且石墨粉本身较软，尽管制成品机械强度较高，但不象其它焦碳那样硬脆，韧性较好，因而制品具有较高的抗冲击载荷能力，能承受触头材料启动时产生的冲击载荷，提高材料的使用寿命。因此，我们选定的J100A配方是以 Cu为基，辅加一定量的天然鳞片石墨粉和隐晶石墨粉。

2.3 烧结温度和时间的选择

由于J100A是以Cu 为基的碳石墨材料，故其混合、压制工艺与J1类有色产品的生产工艺并无特别之处。不过，值得一提的是J100A的生产工艺是在J1类电刷生产工艺基础上加复压处理来提高制品硬度的。由于复压工艺产生晶格畸变和缺陷，使制品硬度提高，导电性能降低，故要求J100A烧结坯应有尽可能小的电阻率。所以在烧结时，我们选择较高的烧结温度和较长的保温时间，使制品充分烧结而达到电阻率降低的目的。这是因为制品在烧结时，烧结坯在压制过程中产生的晶格畸变、缺陷得到回复，弹性应力消失， Cu 粉颗粒表面氧化被还原，在 Cu 颗粒内变形的晶粒回复改组为新的完整晶粒，Cu 粉颗粒之间形成晶健[2]。随着烧结温度的提高和时间的延长，烧结坯内物质的扩散和流动充分进行，形成连续网格 Cu 骨架，Cu - Cu 颗粒之间由机械力连结转变成为金属键连结，电阻率大幅度降低。 Cu 与石量的浸润角较大，如果温度过高，将使Cu 因毛细管力作用元原理而向制品表而渗出，破坏金属网状结构，反而使制品电阻率迅速上升，强度急剧下降，故烧结温度也不能太高；另外时间也不能太长，否则将增加成本，降低生产效率。通过试验得知，J100A烧结坯在900℃左右娆结时电阻率最低，再提高温度电阻率几乎不再减小。而且当温度超过950℃，电阻率反而迅速上升(见图1曲线1)。若在850C下烧结并保温6h，电阻率几乎不再降低；在900℃下烧结，保温5h，电阻率也几乎不再随时间而变化(见图1曲线2、3)。因此，我们选择烧结温度900℃，保温时间4～6h的工艺。

图1 烧结温度保温时间与电阻率的关系Fig.1 Relationship between sintering temperature, holding time and resistivity

2.4 采用复压提高制品硬度

要达到 HR(10/588) ≥85，以 Cu 为骨架且不添加其它组分的 Cu - C 烧结坯是比较困难的(详见表1)，必须对烧结坯进行后处理，使其硬度大幅度提高，方可达到要求。在这里我们选择复压工艺进行硬化处理。所谓“复压”是指粉末压坯脱模后(经热处理或不作任何处理)再作第二次模压处理，复压可使制品硬度显著提高。这是因为：第一、烧结坯制品存在内应力、晶格畸变、缺陷、质地较软，复压可以使这些不良因素有效恢复[3]。第二、复压过程中，烧结坯在模腔内发生蠕变，同时也使制品致密化，从而提高制品密度、硬度、强度和抗冲击载荷能力；第三、复压过程中，使烧结时由于再结晶产生的粗大晶粒因变形而破碎，从而使制品晶粒细化，硬度强度提高[4](二者硬度对比详见表3)。

表3 J100A烧结坯与复压件硬度值比较Table 3 Comparison of hardness values between j100a sintered billet and re pressed parts

实践证明，按上述工艺生产的J100A产品，其寿命均不少于30万次，已达到国外同类材料水平，静态性能与国外样件测试数据比较见表4。

表4 J100A与国外元件测试比较Table 4 Comparison between J100A and foreign component test

3 结论

综上所述，我们可以得到以下结论：

1)按一定比例选用 Cu 粉与鳞片石墨粉及隐晶石墨粉等原材料，经混合、压制、烧结、复压等工艺过程，能生产出符合电梯主触器使用要求的触头材料。

2)添加一定比例的隐晶石墨，不仅可以提高制品硬度，而且还能提高其抗冲击韧性。

3)选择适当的烧结温度，使烧结坯具有尽可能小的电阻率，再进行复压变形处理，不仅可以使制品硬度大幅度提高，而且制品仍具有较低的电阻率。

4)后续我们进一步尝试，将该复压工艺应用到其它类电刷研制与生产中。诸如风电类电机以及工业电机等大规格碳刷，更加提升该类碳刷产品性能。