铜石墨粉末冶金受电靴材料工艺及微观结构.pdf

第6 1 卷第1 期 2009 年2 月 有色金属 N o r f f e r r o u sM e t a l s V 0 1 ．6 1 ，N o ．1 F e b r u a r y2 0 0 9 铜石墨粉末冶金受电靴材料工艺及微观结构 马行驰1 ，何国求1 ，陈成澍1 ，何大海2 ，胡正飞1 ，陈淑娟1 1 ．同济大学材料科学与工程学院金属基材料研究所，上海市金属功能材料开发 应用重点实验室，上海2 0 0 0 9 2 ；2 ．国家磁浮交通工程技术研究中心，上海2 0 1 2 0 4 摘要用粉末冶金方法，将铜、石墨、铬、锡、铅粉末机械混合，制备磁浮轨道交通受电靴滑块所需的铜石墨材料。在 3 0 0 M P a 的压力下常温压制成形，之后在氢气保护气氛下分别在8 8 0 ℃仆和9 2 0 ℃2 h 烧结，冷却至室温后，再以3 0 0 M P a 的压 力进行复压。结果表明，适当提高材料的烧结温度和烧结时间，可提高材料的力学性能。拉伸断裂以脆性断裂为主，包含着局部 的韧性断裂。基体中存在的位错、层错和孪晶有益于材料的力学性能。 关键词金属材料；受电靴；铜基粉末冶金；烧结工艺；力学性能；微观结构 中图分类号T F l 2 4 ；T G l 4 6 ．1 1 ；T G l l 3文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 9 0 1 0 0 1 1 一0 3 自1 8 5 0 年电车投入使用以来，集电装置便成了 轨道交通提速的关键问题[ 1 | 。集电装置要求能够 尽量的降低功能件的磨损以及维护费用。近几十年 来，科研人员进行了大量集电滑块的相关工作，在研 究和应用方面，主要经历了金属滑块、纯碳滑块、粉 末冶金滑块、浸金属滑块以及碳纤维复合材料滑块 的发展过程[ 2 I 。铜基粉末冶金滑块材料由于其机 械强度好，表面硬度适中及其低廉的生产成本，仍被 认为是轨道交通集电滑块材料的最佳选择【3 _ 4 J 。 铜石墨粉末冶金材料是在铜基体中均匀分布着石墨 粒子，保留了铜的优秀的电导、热导性能，并具有石 墨的固体润滑剂性能和抗熔焊作用L 5 J 。然而，该类 材料存在大量孔隙，这会影响材料的力学性能，必须 通过控制烧结工艺、压坯密度、合金元素、粉末粒度 来改善‘6 9 | 。 针对磁浮交通集电系统受电靴滑块的使用性能 要求制备了铜石墨粉末冶金材料，研究了烧结工艺 对材料力学性能的影响，并对材料的断裂机制及微 观结构进行了分析。 收藕日期2 0 0 7 0 1 2 2 基金项目国家“9 7 3 ”重点基础研究发展计划资助项目 2 0 0 7 c B 7 1 4 7 0 4 ；国家自然科学基金资助项目 5 0 7 7 1 0 7 3 ；教育部“新世纪优秀人才支持计划”资助 项目 N C E T 一0 5 0 3 8 8 作者简介马行驰 1 9 8 0 一 ，男，辽宁兴城市人，博士生，主要从事 金属功能材料等方面的研究。 联系人何国求 1 9 6 6 一 ，男，湖北通城县人，教授，博士生导师， 主要从事金属材料疲劳、智能材料、摩擦材料等方面的 研究．o 1实验方法 1 ．1 原料及制备工艺 表1 为混粉所用的各种粉末的粒度与质量分 数，混粉的理论密度为8 ．6 9 ／c m 3 。采用机械干混法 混料5 h ，在侧压式粉末制品液压机上以3 0 0 M P a 的 压力下进行压制，烧结在氢气保护气氛下进行，烧结 温度分别为8 8 0 ℃Xl h 和9 2 0 ℃X2 h ，升温过程如 图1 所示。烧结后炉冷至室温，再以3 0 0 M P a 的压 力进行复压。经两种不同烧结工艺制得的材料分别 命名为材料A 和材料B 。 图1 烧结工艺升温曲线 F i g ．1C h a n g e si ns i n t e r i n gt e m p e r a t u r ew i t ht i m e 表1 混粉用各种粉末的粒径与质量分数 T a b l e1G r a n u l a r i t ya n dm 8 s 8f r a c t i o no fp o w d e r s 万方数据 1 2有色金属 第6 1 卷 1 ．2 测试方法 金相试样在卧式光学显微镜 莱卡4 4 6 上进行 组织形貌观察。拉伸断口及能谱分析在场发射显微 镜下进行。透射电镜试样经机械减薄和离子减薄机 减薄，在H 一8 0 0 型透射电子显微镜上进行观察。力 学指标测试的执行标准为拉伸试验G B 纯2 8 ． 2 0 0 2 、冲击试验G B ／T 2 2 9 ．1 9 9 4 、布氏硬度测试G B ／ T 2 3 1 ．1 - 2 0 0 2 、密度测量采用阿基米德法。孔隙率按 式 1 计算，式中』D 。一实际密度； 一理论密度。 艿 1 D 。一l D 。 ／P t 1 2 试验结果与讨论 材料A 和材料B 的力学性能测试结果如表2 所示。可以看出，在所测量性能中，试样B 的性能 均优于试样A 的性能，这些性能的差异主要源于烧 结工艺不同。 表2 材料性能检测数据 T a b l e2 p r o p e r t i e so fs a m p l e s 图2 为材料A 和材料B 经硝酸腐蚀的金相组 织形貌。在金相显微镜下可以看到，显微组织为白 色铜基体上分布着黑色的孔隙及石墨和铅的夹杂， 并且图中孔隙及夹杂的分布较为均匀。从图2 可以 看到，暗区中也包含有一些亮色的金属质点，每个金 属质点周围又有黑色的区域包围。这种组织呈现方 式，减少了金属基体之间的连通，增加了金属和非金 属的界面，会对材料的冲击性能造成不利的影响。 相比较而言，由于烧结工艺的不同，材料B 孔隙率 较小，金属基体所占比例较大，且金属基体间的连接 更为紧密，因此其冲击韧性和抗拉强度较材料A 均 有所提高。 a 一材料A ； b 一材料B 图2 金相组织形貌 F i g ．2M i c r o s t m c t u r e sb yO Mf o rs a m p l e s Aa n ds a m p l e s B 材料在拉伸断裂过程中，几乎没有屈服过程，呈 现脆性断裂。图3 为材料B 拉伸断口形貌图，可以 看到，断口局部区域上仍有韧窝的存在，如图3 a 所示。并发现断口处夹杂有片层的物质，如图3 b 所示，经能谱分析，可推断该物质为石墨。 图3 材料B 断口形貌及能谱分析 F i g ．3 F r a c t u r es u r f a c e so ft e n s i l es 锄p l eBa n d e n e r g ys p e c t r u ma n a l y s i s 结合结构和断口上的信息，材料的金属基体中 有裂纹扩展形成缩孔最后表现材料的局部韧断。整 体上，材料中的孔隙和铜石墨界面对材料的断裂起 主导作用，使材料发生脆性断裂。材料的拉伸断裂 过程先是裂纹在孔隙和金属石墨界面开始形成，然 后沿着孔隙和金属石墨界面迅速扩展，在扩展过程 中，如果裂纹遇到金属基体，裂纹向其他方向扩展或 在基体处堆积，诱发基体内的裂纹形成和扩展，以致 金属基体中的裂纹扩展形成空隙，并且这些空隙缩 聚导致材料的局部韧性断裂。因此，为了材料最优 的抗拉性能，最好的组织存在形式是孔隙和石墨被 金属铜基体均匀地隔离成小岛状，这样有利于阻碍 孔隙和金属石墨界面引起的孔隙扩散。 透射电镜观察结果表明，金属基体中存在大量 位错、层错和孪晶，并有一些弥散的颗粒分布，如图 4 所示，这些因素的存在都有益于材料的强度。 图4 金属基体中存在的缺陷 F i g ．4 D e f i c i e n c i e si nm e t a l l i cm a t r i x 万方数据 第1 期马行驰等铜石墨粉末冶金受电靴材料工艺及微观结构 1 3 3 结论 麓恶裟j 赫罢嘉、箍黔嚣量蓑 在试验温度和时间范围内，烧结温度提高和保制以脆性断裂为主，并包含局部的韧性断裂。基体 温时间延长有利于孔隙率的减少，使材料各项力学中存在的位错、层错和孪晶等缺陷有益于材料的力 性能均有所提高。经9 2 0 1 2 2 h 工艺烧结的材料，学性能。 参考文献 [ 1 ] 松山，晋作．集电装置材料的演变受电弓滑板和接触网导线[ J ] ．国外机车车辆工艺，2 0 0 3 ， 3 1 8 ． [ 2 ] 钱中良，盛伟，张枝苗，等．碳滑板发展概况及我国的研究进展[ J ] ．机车电传动，2 0 0 3 ， s 1 5 8 ． [ 3 ] 王贵青，陈敬超，孙加林．电力机车受电弓滑板的研究状况及发展趋势[ J ] ．材料导报，2 0 0 3 ，1 7 1 1 8 2 0 ． [ 4 ] D aH a iH e ，R a f a e lM a n o r y ．An o v e le l e c t r i c a lc o n t a c tm a t e r i a lw i t hi m p r o v e ds e l f l u b r i c a t i o nf o rr m l w a yc u r r e n tc o l l e c t o r s [ J ] ． W e a r ，2 0 0 1 ，2 4 9 7 6 2 6 6 3 6 ． [ 5 ] 郭斌，金永平，郑艾龙，等．铜基受电弓滑板材料抗拉强度和冲击韧性研究[ J ] ．材料科学与工艺，2 0 0 3 ，1 1 1 5 9 6 3 ． [ 6 ] C h a w hN ，D e n gX ．M i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lb e h a v i o ro fp o r o u ss i n t e r e ds t e e l s [ J ] ．M a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n gA ， 2 0 0 5 ，3 9 0 1 ／2 9 8 1 1 2 ． [ 7 ] S a l a kA ．F e r r o u sP o w d e rM e t a l l u r g y [ M ] ．C a m b r i d g e ，U K C a m b r i d g eI n t e r n a t i o n a lS c i e n c eP u b l i s h i n g ，1 9 9 7 1 6 2 3 ． [ 8 ] C h a w l aN ，M u r p h yTF ，N a r a s i m b a nKS ，e ta 1 ．A x i a lf a t i g u eb e h a v i o ro fb i n d e r t r e a t e dv e r s u sd i f f u s i o na H o y e dp o w d e rm e t a U u r g ys t e e l s [ J ] ．M a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n gA ，2 0 0 1 ，3 0 8 1 ／2 1 8 0 1 8 8 ． [ 9 ] C h a w l aN ，B a b i cD ，W i l l i a m sJJ ，e ta 1 ．A d v a n c e si nP o w d e rM e t a l l u r g ya n dP a r t i c u l a t eM a t e r i a l s [ M ] ．P r i n c e t o nNJ M e t a l P o w d e rI n d u s t r i e sF e d e r a t i o n 。2 0 0 2 1 0 4 1 0 9 ． P r o c e s s i n ga n dM i e r o s t r u e t u r e so fC o p p e r - g r a p h i t eC o l l e c t o rS h o e M a t e r i a lP r o d u c e db yP o w d e rM e t a l l u r g y M AX i n g - c h i l ，H EG u o - q i u l 。C H E NC h e n g - s h u l ，H ED a ．h a l 2 ，H UZ h e n g - f e i l ，C H E NS h u - j u a n l 1 ．S h a n g h a iK e yL a b o r a t o r yf o rR Da n d A p p l i c a t i o no fM e t a l l i cF u n c t i o n a lM a t e r i a l s ，S c h o o lo f M a t e r i a l s i g r l z ea n dE n g i n e e r i n g ，T o n g j iU n i v e r s i t y ，S h a n g h a i2 0 0 0 9 2 ，C h i n a ；2 ．N a t i o n a lM a g l e v T r a n s p o r t a t i o nE n g i n e e r i n gRD C e n t e r ，S h a n g h a i2 0 1 2 0 4 ，C h i n a A b s t r a e t At y p eo fc o p p e r g r a p h i t ec o l l e c t o rs h o em a t e r i a lw a sm a d eb ym e a n so ft h ep o v ，d e rm e t a l l u r g yr o u t ef o r m a g l e v ．T h em i x t u r e so ft h ei n v e s t i g a t e dp o w d e r sa r ec o m p a c t e dw i t h3 0 0 M P aa ta m b i e n tt e m p e r a t u r e ，a n d s i n t e r e dw i t hp r o c e s s e so f8 8 0 ℃l ha n d9 2 0 ℃x2 hi nh y d r o g e na t m o s p h e r e ．r e s p e c t i v e l y ．A f t e rs p e c i m e n sa r e c o o l e dt or o o mt e m p e r a t u r ew i t ht h ef u r n a c e ，r e p r e s s i o ni so p e r a t e da t3 0 0 M P a ．T h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f t h ec o p p e r - 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