電力機車受電弓滑板用浸銅碳條的試驗研究

陳飛雄 顏君毅 王鐵軍

摘要：本文以電力機車受電弓滑板碳條材料為基體，采用大氣氣氛下和真空氣氛下的二種氣體壓力浸銅工藝（分別簡稱為“大氣壓力浸銅工藝”和“真空壓力浸銅工藝”）進行浸銅，制備浸銅碳條材料，比較了二種壓力浸銅工藝的浸銅碳條性能，結果表明：對比大氣壓力浸銅，真空壓力浸銅效果改善明顯，碳條的浸銅增重率從32%上升到45%，提高了40%，碳條浸銅后的電組率從10.1μΩ.m下降到5.0μΩ.m，降低了50%。浸銅碳條的力學性能達到了德國攀帥克受電弓滑板浸銅碳條水平。

關鍵詞：壓力浸銅;浸銅碳條;電力機車受電弓滑板

0 ?引言

浸銅石墨材料是以石墨為基材， 在高溫下使液態銅滲透到石墨的開孔和微裂紋中， 形成連續相， 而獲得浸銅石墨復合結構[1]。由于銅呈網狀連續分布，使得浸銅石墨材料的導電性、導熱性比石墨基體材料顯著改善。這種方法也用于電力機車受電弓滑板的浸銅碳條材料的制備[2]。但由于銅對碳幾乎不潤濕（潤濕角=152°[3]，因此，常壓下很難實現銅對碳條的浸滲。必須采用壓力浸銅工藝來獲得浸銅碳條材料。加壓方式分為機械式加壓和氣體式加壓二種[4]。機械式加壓壓力高，能到100-200MPa，因此對待浸滲的碳條材料強度要求高且壓力只能是單向傳遞，浸滲效果受到限制。氣體加壓壓力較小，通常為10-20MPa，但壓力是各個方向均衡傳遞，容易實現均勻浸滲。因此，高性能的浸銅碳條材料通常采用高溫真空氣體加壓浸滲工藝來制得。如，美國摩根公司、德國攀帥克公司、奧地利霍夫曼公司都是采用這種工藝來生產浸銅碳條材料，用于高速列車受電弓滑板的受流牽引。我國目前還缺少這種高水平的真空氣體壓力浸滲爐，浸銅碳條通常采用大氣氣氛下的機械式加壓或氣體式加壓工藝來制備，由于性能較低，只能用于普速電力機車受電弓滑板的受流牽引。近年來，國內也已開始重視高溫真空氣體式壓力浸滲爐的開發。中國鋼研集團開發了國內首臺大型高溫真空氣體壓力浸滲爐用于國內某企業的受電弓浸銅碳條的生產。長沙頂立科技開發了國內首臺高溫真空氣體壓力浸滲試驗爐用于國內某高校金屬浸滲材料的研究和中試。本文以國內某企業碳條為浸滲對象，對比了大氣氣氛下和真空氣氛下的二種氣體式壓力浸銅工藝的浸銅效果，測試了二種工藝浸銅碳條材料性能，并與國外進口的受電弓浸銅碳條材料進行了對比。

1 ?試驗材料與方法

本試驗所用碳條為國內某企業提供，密度1.72g/cm3，開孔隙率17%。所用浸滲劑為電解陰極銅板。

碳條采用高溫真空氣體式壓力浸銅（簡稱“真空壓力浸銅”）和高溫大氣氣體式壓力浸銅（簡稱“大氣壓力浸銅”）二種壓力浸銅工藝。真空壓力浸銅在國內某高校的專用試驗爐上進行，浸銅壓力10MPa、浸銅溫度1350℃，浸銅時間10-30min。先抽真空除去碳條中的空氣，然后將碳條完全浸泡到銅液中。通過惰性氣體各向均衡加壓，使銅液沿各個方向浸入碳條中。為防止浸入銅的再流失，對浸銅的碳條實施壓力保持降溫。大氣壓力浸銅在國內某企業的浸滲爐上進行，浸銅壓力15MPa、浸銅溫度1350℃，浸銅時間1-5min。先將碳條預熱，然后放入到浸滲模具中，再將熔化的銅液倒入模具中使碳條完全浸泡，蓋上密封板后通入壓力氣體進行浸銅。

浸銅后的碳條經加工后測量體積和重量，計算密度。按行業標準測量浸銅碳條的硬度、抗折強度、壓縮強度、沖擊韌性和電阻率。利用金相顯微鏡觀察浸銅碳條的組織形貌。

2 ?試驗結果與討論

受電弓滑板碳條的生產流程如圖1。以瀝青焦或石墨焦為原料，根據需要加入石墨粉、炭黑或硬炭先制成骨料，然后加入煤焦油瀝青作為黏結劑進行混捏混合制得糊料，再通過擠壓成型獲得碳條生坯，經焙燒碳化后變成碳條熟坯。對碳條熟坯浸漬樹脂或瀝青，經固化后得到所需密度和開孔隙率的受電弓滑板碳條。

對上述碳條進行壓力浸銅，獲得受電弓滑板浸銅碳條。因此，碳條的密度和開孔隙率是決定碳條浸銅質量的基礎。碳條密度和開孔隙率應控制適當，密度過高、開孔隙率過低，會增加后面的浸銅難度，導致浸銅量不夠，影響浸銅效果和浸銅后的性能。密度過低、開孔隙率過高，會使碳條強度過低，也會影響到浸銅后的性能，同時也因浸銅量過高而增加浸銅后的碳條密度，造成碳條重量超標。通常用于浸銅的碳條密度控制在1.60-1.75g/cm3，開孔隙率控制在15-20%。另外浸銅工藝也會影響浸銅效果。圖2是國外奧地利霍夫曼公司所提供的受電弓滑板碳條材料及其浸銅后的網狀銅相紋理優化的組織形貌特征，顯示了碳條浸銅水平的提高過程。

本試驗采用的受電滑板碳條密度為1.70g/cm3，開孔隙率為17%。如前面試驗方法中所述，碳條采用真空壓力浸銅和大氣壓力浸銅二種壓力浸滲銅工藝進行浸銅。表1為碳條浸銅后的增重率、密度及電阻率、硬度和力學性能指標?？梢?，對比大氣壓力浸銅工藝，碳條經真空壓力浸銅后的增重率從32%上升到45%，提高了40%。密度從2.34g/cm3增加到2.56 g/cm3。說明碳條的真空壓力浸銅效果好于大氣壓力滲銅效果。這突出體現在電阻率指標的改善上。由表中可知，碳條大氣壓力滲銅后的電阻率為10.10μΩ.m，而經真空壓力滲銅后的電阻率下降到5.00μΩ.m，降低了50%（注：電阻率指標越低越好）。另外，從力學性能指標對比看，真空壓力浸銅碳條的抗折強度、壓縮強度和沖擊韌性也都高于大氣壓力浸銅碳條。與德國攀帥克浸銅碳條相比，真空壓力浸銅碳條的抗折強度、壓縮強度和沖擊韌性指標與進口浸銅碳條相當，但在電阻率指標上還有差距，進口浸銅碳條的電阻率指標更優，降到了1.84μΩ.m。

圖3是大氣壓力浸銅碳條與真空壓力浸銅碳條的金相顯微組織形貌?？梢?，對比大氣壓力浸銅碳條，真空壓力浸銅碳條的浸銅量更多，銅相分布更均勻，銅相網狀紋理分布更優化，這與圖2所示的效果一樣。這種優化的銅相網狀紋理分布有利于提高碳條的性能，特別是碳條的導電性能。

根據熔體浸滲原理[4][5]，金屬熔體浸滲多孔預制體的動力源于多孔預制體內孔隙形成的毛細管力，在毛細管力作用下將熔體“吸入”到多孔預制體內。這種“吸入”式浸滲發生的前提條件是熔體能良好地潤濕多孔預制體（即：潤濕角小于90°）。但在碳條浸銅時，由于銅對碳不潤濕（潤濕角=152°），使得碳條內孔隙的毛細管力不但不能成為“吸力”，反而轉向為浸滲阻力。因此，必須借助外界壓力來克服毛細管力阻力，將銅液“強制性”壓進碳條內。

本試驗碳條浸銅時，碳條是完全浸泡在銅液中的，因此，碳條在浸入銅液前必須通過抽真空處理將碳條內部的空氣排除干凈，否則會在碳條中心部包氣而產生浸不透的現象。真空壓力浸銅工藝具有這種排氣功能，而大氣壓力浸銅工藝則無法實現浸銅前的排氣。這也是造成圖3所示的大氣壓力浸銅碳條中浸銅量少且分布不均勻的主要原因。另外，大氣壓力浸銅操作中，預熱碳條在放入模具的過程中沒有保護，碳條會因此發生氧化。還有就是，在碳條被銅液浸泡后的氣體加壓浸滲中，銅液溫降很快，為防止銅液凝固而包住碳條，只能控制在很短時間內浸銅。這些都是降低碳條浸銅效果的不利因素，會造成碳條浸銅的不穩定性，使碳條性能，特別是電阻率指標產生波動。這從表1中已經看出，大氣壓力浸銅碳條的1#、2#、3#樣的電阻率分別為4.65μΩ.m、15.25μΩ.m、10.50μΩ.m，波動明顯。而真空壓力浸銅碳條1#、2#、3#樣的電阻率分別為4.40μΩ.m、4.95μΩ.m、5.50μΩ.m，波動不明顯。因此，要獲得浸銅效果良好的高性能受電弓滑板用浸銅碳條，除控制好碳條的密度和開孔隙率外，還應采用可控性、穩定性及功能性更強的真空壓力浸銅工藝。

3 ?結論

①采用大氣壓力浸銅工藝和真空壓力浸銅工藝，碳條都實現了有效浸銅。

②大氣壓力浸銅工藝存在先天不足：一是碳條容易氧化;二是碳條中的氣體不能有效排出;三是浸銅工藝操控性差。從而降低了碳條浸銅效果并產生性能波動。

③對比大氣壓力浸銅，真空壓力浸銅效果改善明顯，碳條的浸銅增重率從32%上升到45%，提高了40%，碳條浸銅后的電組率從10.1μΩ.m下降到5.0μΩ.m，降低了50%。浸銅碳條的力學性能達到了德國攀帥克受電弓滑板浸銅碳條水平。

參考文獻：

[1]蘇君明，陳林泉，等.石墨滲銅喉襯材料的微觀結構與抗熱震性能[J].固體火箭技術，2003，26（3）：58-61.

[2]候明，孫樂民，李愛娜.電力機車受電弓滑板的現狀[J].粉末冶金技術，2006，24（3）：223-226.

[3]陳飛雄，顏君毅，楊鑫，等.C/C多孔骨架壓力浸滲Cu的效果評估[J].冶金與材料，2020，40（3）：5-8.

[4]王鐵軍.熔體浸滲TiC、B4C基金屬陶瓷復合材料的研究[學位論文].北京：鋼鐵研究總院，2006.

[5]胡銳，李金山，等.石墨/銅基復合材料真空液相浸滲過程動力學研究[J].西北工業大學學報，2004，22（3）：296-299.