本發明涉及一種銅基受電弓滑板復合材料的制備方法，屬于受電弓滑板材料制備技術領域。
背景技術：
滑板是裝在電力機車頂部的受電弓上，直接與電網導線磨擦接觸，將電網上的電流引入機車的接觸導電元件。滑板材料需同時滿足或協調以下幾個方面的性能指標：（1）低的電阻率和接觸電阻；（2）足夠的抗沖擊強度；（3）良好的減磨、自潤滑性能；（4）一定的耐磨性；（5）良好的耐熱、耐電弧性能；（6）一定的經濟性；（7）便于成型和實現輕量化。受電弓滑板的研究和應用方面，其材料主要經歷了純金屬滑板、粉末冶金滑板、純碳滑板、浸金屬碳滑板、金屬基復合材料滑板和無機非金屬基復合材料滑板等發展過程。
現有的受電弓滑板的材料主要是粉末冶金材料和炭質材料。粉末冶金滑板主要分為鐵基滑板和銅基滑板兩種。鐵基滑板適用于鋼鋁導線，銅基滑板適用于銅導線。粉末冶金滑板是以金屬鐵和銅粉末為基本成分，添加一些潤滑成分如炭、鉛和二硫化鉬等硫化物，通過機械混合使各種成分均勻分布后，利用液壓機將混料模壓成型，后將毛坯高溫燒結，最后浸入潤滑油制得。由于粉末冶金滑板材料是金屬體，和導線材質相近，而且導線是靜態，滑板是動態，所以粉末冶金滑板對導線磨耗較大，而且在使用中易產生電弧。炭滑板本身具有很好的潤滑性，自潤滑性能和減摩性能好，對導線的磨損較小，滑動時電磁噪聲小，且耐高溫，不易和導線發生焊附現象。炭滑板與銅接觸導線摩擦時在導線上形成一層炭膜，大大改善了導線的磨耗狀況。但是炭滑板機械強度低，耐沖擊性差，特別是雨季和潮濕地區，易出現局部拉溝，常出現弓網事故。另外，炭滑板固有電阻大、集電容量小、接觸溫度高，有可能引起導線過熱氧化，燒成連續麻坑，加速導線磨耗，且自身磨損較嚴重。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題：針對粉末冶金滑板材料對導線的磨耗較大，且在使用中易產生電弧的問題，本發明首先以石墨粉、鈦粉以及鋁粉等物質為原料，制備得到陶瓷坯體，將其進行高溫燒結后，與預處理的石墨、銅粉進行球磨，得到復合材料粉料，最后將其進行壓制、燒結和拋光處理，即可得到銅基受電弓滑板復合材料。本發明制備的銅基受電弓滑板復合材料對導線的磨損較小，不易產生電弧，可適用于制備鐵路電力機車受電弓滑板。
為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：
（1）稱取140～145g鈦粉，27～28g鋁粉，21～22g石墨粉，23～24g錫粉，裝入球磨機中球磨混合9～10h，得混合粉料，將混合粉料置于干壓成型機中，在20～25MPa下預壓成型，并將其轉入干燥箱中，在105～110℃下，干燥至恒重，得陶瓷坯體，備用；
（2）稱取30～40g石墨粉，加入至80～100mL質量分數為10%氫氧化鈉溶液中，以200～300r/min攪拌加熱至沸騰并保持溫度20～25min，冷卻至室溫，真空抽濾，用去離子水洗滌濾餅至洗滌液呈中性，將洗滌后的濾餅加入至50～60mL質量分數為20%硝酸溶液中，以200～300r/min攪拌加熱至沸騰并保持溫度20～25min，冷卻至室溫，真空抽濾，用去離子水洗滌濾渣至洗滌液呈中性，并轉入干燥箱中，在105～110℃下干燥至恒重，得預處理石墨；
（3）將上述步驟（1）制備的陶瓷坯體置于高溫燒結爐中，在氬氣保護條件下，加熱至1350～1400℃，高溫燒結15～20min，冷卻至室溫，得Ti3AlC2陶瓷，將Ti3AlC2陶瓷加入粉碎機中粉碎，過200目篩，稱取180～200g過篩后的Ti3AlC2陶瓷粉末裝入球磨罐中，并向球磨罐中加入上述制備的預處理石墨和750～800g銅粉，在氬氣保護條件下，封罐球磨5～6h，得復合材料粉料；
（4）將上述制備的復合材料粉料裝入模具中，在300～400MPa壓力下壓制1～2min，將壓制后的模具置于真空燒結爐中，在體積比為1:1的氮氣和氫氣混合氣體氣氛下，以80～100℃/min升溫至800～900℃，保持溫度10～15min后，冷卻至室溫，拆模得粗坯，并將其置于拋光機中，打磨拋光，得銅基受電弓滑板復合材料。
本發明制備的銅基受電弓滑板復合材料摩擦系數低于0.07，磨損量低于1.9×10-4mm/km，壓縮強度達到325MPa以上，拉伸強度達到56.7MPa以上，沖擊韌性達到2.7J/cm2以上。
本發明與其他方法相比，有益技術效果是：
（1）本發明制備的銅基受電弓滑板復合材料對導線的磨耗較小，其摩擦系數低于0.07；
（2）本發明制備的銅基受電弓滑板復合材料自身磨損量較小，磨損量低于1.9×10-4mm/km，延長了使用壽命。
具體實施方式
首先稱取140～145g鈦粉，27～28g鋁粉，21～22g石墨粉，23～24g錫粉，裝入球磨機中球磨混合9～10h，得混合粉料，將混合粉料置于干壓成型機中，在20～25MPa下預壓成型，并將其轉入干燥箱中，在105～110℃下，干燥至恒重，得陶瓷坯體，備用；再稱取30～40g石墨粉，加入至80～100mL質量分數為10%氫氧化鈉溶液中，以200～300r/min攪拌加熱至沸騰并保持溫度20～25min，冷卻至室溫，真空抽濾，用去離子水洗滌濾餅至洗滌液呈中性，將洗滌后的濾餅加入至50～60mL質量分數為20%硝酸溶液中，以200～300r/min攪拌加熱至沸騰并保持溫度20～25min，冷卻至室溫，真空抽濾，用去離子水洗滌濾渣至洗滌液呈中性，并轉入干燥箱中，在105～110℃下干燥至恒重，得預處理石墨；接著將上述制備的陶瓷坯體置于高溫燒結爐中，在氬氣保護條件下，加熱至1350～1400℃，高溫燒結15～20min，冷卻至室溫，得Ti3AlC2陶瓷，將Ti3AlC2陶瓷加入粉碎機中粉碎，過200目篩，稱取180～200g過篩后的Ti3AlC2陶瓷粉末裝入球磨罐中，并向球磨罐中加入上述制備的預處理石墨和750～800g銅粉，在氬氣保護條件下，封罐球磨5～6h，得復合材料粉料；最后將上述制備的復合材料粉料裝入模具中，在300～400MPa壓力下壓制1～2min，將壓制后的模具置于真空燒結爐中，在體積比為1:1的氮氣和氫氣混合氣體氣氛下，以80～100℃/min升溫至800～900℃，保持溫度10～15min后，冷卻至室溫，拆模得粗坯，并將其置于拋光機中，打磨拋光，得銅基受電弓滑板復合材料。
實例1
首先稱取145g鈦粉，28g鋁粉，22g石墨粉，24g錫粉，裝入球磨機中球磨混合10h，得混合粉料，將混合粉料置于干壓成型機中，在25MPa下預壓成型，并將其轉入干燥箱中，在110℃下，干燥至恒重，得陶瓷坯體，備用；再稱取40g石墨粉，加入至100mL質量分數為10%氫氧化鈉溶液中，以300r/min攪拌加熱至沸騰并保持溫度25min，冷卻至室溫，真空抽濾，用去離子水洗滌濾餅至洗滌液呈中性，將洗滌后的濾餅加入至60mL質量分數為20%硝酸溶液中，以300r/min攪拌加熱至沸騰并保持溫度25min，冷卻至室溫，真空抽濾，用去離子水洗滌濾渣至洗滌液呈中性，并轉入干燥箱中，在105℃下干燥至恒重，得預處理石墨；接著將上述制備的陶瓷坯體置于高溫燒結爐中，在氬氣保護條件下，加熱至1350℃，高溫燒結15min，冷卻至室溫，得Ti3AlC2陶瓷，將Ti3AlC2陶瓷加入粉碎機中粉碎，過200目篩，稱取180g過篩后的Ti3AlC2陶瓷粉末裝入球磨罐中，并向球磨罐中加入上述制備的預處理石墨和750g銅粉，在氬氣保護條件下，封罐球磨5h，得復合材料粉料；最后將上述制備的復合材料粉料裝入模具中，在300MPa壓力下壓制1min，將壓制后的模具置于真空燒結爐中，在體積比為1:1的氮氣和氫氣混合氣體氣氛下，以80℃/min升溫至800℃，保持溫度10min后，冷卻至室溫，拆模得粗坯，并將其置于拋光機中，打磨拋光，得銅基受電弓滑板復合材料。
本發明制備的銅基受電弓滑板復合材料摩擦系數為0.065，磨損量為1.8×10-4mm/km，壓縮強度達到327MPa，拉伸強度達到57.7MPa，沖擊韌性達到2.8J/cm2。
實例2
首先稱取145g鈦粉，28g鋁粉，22g石墨粉，24g錫粉，裝入球磨機中球磨混合10h，得混合粉料，將混合粉料置于干壓成型機中，在25MPa下預壓成型，并將其轉入干燥箱中，在110℃下，干燥至恒重，得陶瓷坯體，備用；再稱取40g石墨粉，加入至100mL質量分數為10%氫氧化鈉溶液中，以300r/min攪拌加熱至沸騰并保持溫度25min，冷卻至室溫，真空抽濾，用去離子水洗滌濾餅至洗滌液呈中性，將洗滌后的濾餅加入至60mL質量分數為20%硝酸溶液中，以300r/min攪拌加熱至沸騰并保持溫度25min，冷卻至室溫，真空抽濾，用去離子水洗滌濾渣至洗滌液呈中性，并轉入干燥箱中，在110℃下干燥至恒重，得預處理石墨；接著將上述制備的陶瓷坯體置于高溫燒結爐中，在氬氣保護條件下，加熱至1400℃，高溫燒結20min，冷卻至室溫，得Ti3AlC2陶瓷，將Ti3AlC2陶瓷加入粉碎機中粉碎，過200目篩，稱取200g過篩后的Ti3AlC2陶瓷粉末裝入球磨罐中，并向球磨罐中加入上述制備的預處理石墨和800g銅粉，在氬氣保護條件下，封罐球磨6h，得復合材料粉料；最后將上述制備的復合材料粉料裝入模具中，在400MPa壓力下壓制2min，將壓制后的模具置于真空燒結爐中，在體積比為1:1的氮氣和氫氣混合氣體氣氛下，以100℃/min升溫至900℃，保持溫度15min后，冷卻至室溫，拆模得粗坯，并將其置于拋光機中，打磨拋光，得銅基受電弓滑板復合材料。
本發明制備的銅基受電弓滑板復合材料摩擦系數為0.067，磨損量為1.75×10-4mm/km，壓縮強度達到327.6MPa，拉伸強度達到57.87MPa，沖擊韌性達到2.85J/cm2。
實例3
首先稱取142g鈦粉，27g鋁粉，21g石墨粉，23g錫粉，裝入球磨機中球磨混合9h，得混合粉料，將混合粉料置于干壓成型機中，在22MPa下預壓成型，并將其轉入干燥箱中，在107℃下，干燥至恒重，得陶瓷坯體，備用；再稱取32g石墨粉，加入至90mL質量分數為10%氫氧化鈉溶液中，以250r/min攪拌加熱至沸騰并保持溫度22min，冷卻至室溫，真空抽濾，用去離子水洗滌濾餅至洗滌液呈中性，將洗滌后的濾餅加入至55mL質量分數為20%硝酸溶液中，以250r/min攪拌加熱至沸騰并保持溫度22min，冷卻至室溫，真空抽濾，用去離子水洗滌濾渣至洗滌液呈中性，并轉入干燥箱中，在107℃下干燥至恒重，得預處理石墨；接著將上述制備的陶瓷坯體置于高溫燒結爐中，在氬氣保護條件下，加熱至1370℃，高溫燒結17min，冷卻至室溫，得Ti3AlC2陶瓷，將Ti3AlC2陶瓷加入粉碎機中粉碎，過200目篩，稱取190g過篩后的Ti3AlC2陶瓷粉末裝入球磨罐中，并向球磨罐中加入上述制備的預處理石墨和770g銅粉，在氬氣保護條件下，封罐球磨5h，得復合材料粉料；最后將上述制備的復合材料粉料裝入模具中，在350Pa壓力下壓制1min，將壓制后的模具置于真空燒結爐中，在體積比為1:1的氮氣和氫氣混合氣體氣氛下，以90℃/min升溫至850℃，保持溫度12min后，冷卻至室溫，拆模得粗坯，并將其置于拋光機中，打磨拋光，得銅基受電弓滑板復合材料。
本發明制備的銅基受電弓滑板復合材料摩擦系數為0.064，磨損量為1.7×10-4mm/km，壓縮強度達到328MPa，拉伸強度達到57.9MPa，沖擊韌性達到2.9J/cm2。