用于输电的具有改进耐磨性能的低电阻率材料及其制造方法

摘要

适用于铁轨系统及其它工业装置中的,如电刷、开关和接触材料之类用途的铜－石墨复合材料。该复合材料包括具有多个孔含有石墨的铜的网状基体。该复合材料具有IACS值为至少40%,它甚至可大于70%,其密度值为至少6.0g/cm3。制造这种复合材料的方法包括在非氧化性条件下混合铜粉和石墨粉,压制该混合物和在非氧化性条件下烧结该混合物。

说明书

本发明涉及用于输电的具有改进耐磨性能的低电阻率材料及其制造方法。本发明在非限定性的方面，尤其是涉及用粉末冶金(P/M)法制造的铜—石墨复合材料，该材料显示出高于常规铜—石墨复合材料的改进的导电率，同时还保持着高于其它类似制造材料的密度。本发明还涉及包括这类复合材料的装置及系统。

用于诸如轻轨系统中的电刷及接触材料的碳复合材料是已知的。可以用P/M技术制造这类材料。但目前可得到的材料显示出导电率低或使其相对应的部件被过份磨损。

本发明试图提供明显地克服这些困难的改进的材料及其制造方法。

按照本发明的一个方面，提供了铜—石墨复合材料，它包括具有在整体上都含有多个孔的且至少一些孔含有石墨的铜网状基体。

按照本发明的另一方面，提供了一种铜—石墨复合材料，其具有IACS值至少为约40％，更优选为45％，而具其密度至少为约6.0g/cm³。

优选的是，该复合材料具有的密度在约6.3—7.6g/cm³的范围内。

按照本发明制造的该复合材料的微晶结构具有一些孔，而且在铜网状基体中含有石墨岛状物。

下面以相同机理说明本发明提供了改进的性能。本发明不依赖于，也不受限于这种说明。

符合本发明的复合材料有利地具有自润滑功能，该功能未源于在相对应部件的表面上形成了过渡的石墨层。该铜—石墨复合材料的自润滑功能有效地保护了对应部件，从而延长了其寿命。这在，例如，保护轨道电力传输系统及延长其寿命方面是特别有效的。尤其是预计在这类应用方面寿命可比目前所用的材料提高2倍。

因此，一方面本发明提供一种材料，它可装在铁路火车的导电弓架上作极蹄(Pole Shoe)，该材料包括下文将述的铜—石墨复合材料，其作为从高架线接收电能的电接触材料。它还包括采用这类复合材料的输电系统。

在一个优选的实施方案中，该复合材料的IACS值为至少60％。正如本技术领域的技术人员所理解的，IACS百分数是基于国际退火铜标准(International Annealed Copper Standards)(IACS)的，用于评价材料的导电性能的标准导电率(电阻率)。

按本发明在一定条件下可通过将铜和石墨的粉末混合，然后压制，而后烧结这种经压制的材料而制成该复合材料。该方法的各个步骤适于在非氧化性的条件下进行，比如，在还原性气氛下进行。

按照本发明的另一方面，提供了一种制造铜—石墨复合材料的方法，其包括如下步骤：

在基本上防止铜粉氧化的条件下将铜粉与石墨粉混合；

压制该混合物，条件是能形成具有在整体上都含有多个孔的且至少一些孔含有石墨的铜网状基体，其中该铜粉具有不大于10μm的不同的粒度，而其中的石墨粉粒度不大于约5μm。

该条件可包括以约500—约1600Mpa的压力压制该径充分混合的粉末。该条件还可包括在960—1100℃的温度范围内，在N₂和H₂气氛中，以压块的形式，按预定的时间烧结该压制的粉末。

可供选择的是，该方法可包括任何其它的加热和压制的方法，如等压压制(hipping)等热压制(IHP)或真空烧结。

混合步骤之后对铜和石墨粉末的压制以两向压制或动态制进行为宜。当采用两向压制时，最好在约5—10分钟的时间内施压约500—约1600Mpa。另一选择方案是动态压制。当采用动态压制时，冲击频率以约150—250Hz为宜。这种冲击频率将达到上述的按两向压制法施以恒定压力时所得到的类似的结果。

所用的铜粉以商品级纯度，或更纯的铜粉为宜，优选是99.9％纯度的铜粉。铜粉的多种的粒度有助于在混合铜粉和石墨粉时使“粒度效应”最佳化。例如，可以采用尺寸为10μm(约600目)、40、150、200和400目的铜粉。更好是，铜粉的粒度在约5μm和约150目之间。

铜粉颗粒的表面上最好没有氧化物和薄的氧化膜。因此，在一较佳实施方案中，在与石墨粉混合之前要清洁铜粉，再于受控的气氛中使之退火，这种气氛是还原性的，例如是H₂和N₂的混合物。其它适用的还原性气氛可包括CO、H₂、水重整的天然气、还原性的吸热或放热的天然气混合物和/或这些气体与低反应性气体，如N₂的混合物。这一过程最好在约600—约800℃的温度下进行。很容易为本技术领域的技术人员所理解的是，清洁和退火温度主要取决于铜粉的粒度。

还可对铜粉进行处理以去除不希望的杂质。为此可采用磁分离步骤。任选地或附加地，可用诸如静电分离和离心分离等方法去除较轻的非磁性颗粒。

石墨粉的粒度较好应不大于约5μm，而更好是约1μm—约2μm。按一较佳实施方案，石墨粉是电解级质量的。

在采用公知的P/M方法的情况下，可将其它的冶金粉末作为添加剂包括在内。这些物质可包括，例如，Zn、MoS₂和Si(注意：Si添加剂可具硅酸盐的形态)。

如上所述，铜和石墨的混合是在防止铜粉氧化的条件下进行的。该粉末的混合最好以相当低的速度，如约150转/分在常规的研磨机中进行。

如上所述，用两向压制法或动态压制法进行该混合粉末的压制是有利的。可按本发明使用的，约1600Mpa的上限压力大大高于按常规在P/M方法中所用的压力。这通常是约690Mpa。值得注意的是，本文中的压力是按负荷/压制模的模截面积定义的。

烧结步骤的烧结温度的范围可为约960℃—约1100℃。炉内的保温时间将取决于炉子的特点，这是可为本技术领域的技术人员所理解的。烧结步骤中所用的还原性气氛最好由10％H₂和90％N₂组成，并且能在炉中提供放热的气氛。

可以理解的是，上述方法是出于举例的目的提供的，它们仅作为形成本发明的复合材料的优选方法。只要能生产具有本文上述优越特性的复合材料，也可采用其它的方法。

图1展示了按本发明制造的铜—石墨复合材料的典型的微晶结构。从该图可知，其中分布有铜相，大量的孔封住的石墨岛状物。如上所述，这种到处分布的带有石墨的铜的网状物有助于使该复合材料的导电率大为改进，而且有助于提供用于在移动零件，如电收集器(接触材料)和电接触线之间形成润滑的碳质膜的石墨。

现将参照以下的实施例描述本发明的特定实施方案。这些实施例仅出于举例的目的而被提供的，因而它们不应以任何方式构成对本发明的限制。

对优选实施方案的详细描述。

下表提供了关于按本发明制造的复合材料的特定实施方案在化学成分、物理性能、热容量、电性能及摩擦性能方面的较详细的信息。

表1中的试样是按上文所述方法制造的，即，用静电和磁分离法使粒度10μ、40、150、220和400目的铜粉得以清洁。然后将其于10％H₂和90％N₂的还原气氛中退火。将退火的铜粉与其它粉状组分混合，其中的石墨粉的粒度范围为1μm—2μm。用两向压制法或动态压制法压制该混合物，然后以压块的形式在10％H₂和90％N₂的还原气氛中将经压制的混合物烧结约2小时。烧结温度为960℃—1100℃。

1)表1列示了正常的化学成分

表1

试样号       原始混合物的重量比(％)    C.G.C.M.    建议名称  Cu   石墨    锌   MoS₂   硅酸盐    1 92.0   7.0     -    0.5    0.5    CuGMnSi    2 89.0   10.0     -     -    1.0    CuGSi    3 87.0   11.0    1.5     -    0.5    CuG12ZnSi    4 85.0   15.0     -     -    CuG    5 82.0   17.5     -     -    0.5    CuGSi    6 68.0   27.0    2.0    1.5    1.0    CuGZnMoSi    7 80.0   15.0     -    5.0     -    CuG15Mo    8 78.0   16.5     -    5.0    0.5    CuG16Mo5Si    9 75.0   15.0     -    10.0     -    CuG15Mo10    10 70.0   23.5    2.5    4.0     -    CuG23Mo4Zn

2)表2列出某些测得的物理性能

表2

试样号 密度(g/cm³)最高操作温度    (℃) 熔点 (℃)热膨胀系数(×10⁴/℃)  导热系数  (W/m-°K)    1 6.984    450 1085    17.30    366    2 7.049    450 1085    16.34    354    3 7.545    470 1085    16.02    346    4 6.372    470 1085    15.82    338    5 6.656    480 1085    15.72    326    6 6.163    480 1100    10.65    271    7 7.119    480 1100    14.48    318    8 6.837    480 1100    13.50    310    9 6.370    480 1100    12.24    299    10 6.300    480 1100    11.56    278

超过此温度的建议温度估计该性能迅速恶化。

3)CGCM和热容量列于表3，它是由热力学数据计算出来的。

表3

试样号      a    b×10³    c×10³   温度范围(°K)    1    5.285    1.388    -0.158    298～1.356    2    5.225    1.437    -0.210    298～1.356    3    5.207    1.431    -0.252    298～1.356    4    5.214    1.428    -0.315    298～1.356    5    5.154    1.409    -0.368    298～1.356    6    4.973    1.379.    -0.567    298～1.356    7    5.211    1.473    -0.315    298～1.356    8    5.165    1.458    -0.347    298～1.356    9    5.064    1.429    -0.378    298～1.356    10    5.039    1.415    -0.504    298～1.356    铜    5.410    1.500      -    298～1.356

*注：Cp＝a＋bT＋cT²(Cal/°°K mole)

4)压制应力和机械性能列于表4。

表4

试样号 压制应力   (Mpa) 抗压强度   (Mpa) 弹性模数   (Mpa) 延展性(延长1.5  英寸)   (5)Possion’s   比例维氏硬度   (VH)    1    523    200    87    20    0.32 78～80    2    523    185    78    18    0.28 68～86    3    523    172    60    18    0.26 60～69    4    523    175    54    2O    0.20 60～79    5    523    167    39    17    0.31 80～90    6    523    105    28    17    0.21 65～72    7    523    150    42    15    0.15 70～89    8    523    140    35    14    0.18 75～82    9    523    138    32    14    0.12 86～92   10    523    120    30    12    0.13 58～67

注：有下标线的数据是基于对复合材料的性能的计算(ASM，金属手册，复合材料)所得的数据。

5)测出了这些材料的电性能并列于表5中。

表5

试样号 IAVS^*的 百分比操作电压   (V)电阻率(μΩcm 20°℃)最大电流密度(安排/mm²)    1    65.8    600    5.05    18    2    76.4    600    4.74    20    3    59.0    600    6.14    16    4    69.0    600    5.25    15    5    67.2    600    5.39    15    6    46.8    600    7.74    14    7    64.6    600    5.60    13    8    42.9    600    8.24    13    9    6.19    600    5.85    12    10    43.0    600    8.42    10

注1：IACS的百分比是用于判断材料导电性能的标准导电率(电阻率)，它基于1913年被IEC采用的International Annealed CopperStandard(IACS)，它表明1/58Ωmm²/m和0.017241Ωgmm²/m的数值及20℃(68°F)时的0.15328Ωgmm²/m数值分别是退火铜等于100％导电率体积的国际当量和重量电阻系数。

注2：有下标线的数据是估算值。电流额是由在最高的操作温度下能通过材料的1mm²面积而不破坏该面积的电流推算出来的。

6)摩擦性能

表6

试样号 磨损系数(×10^-4K) 磨损率(α)    摩擦系数(μ)层转移速率^**  (10^-7A/m)    1    1.64    9.23    0.25    3.13    2    1.75    9.17    0.22-0.26    3    1.43    9.32    0.25    4.19    4    2.56    14.60    0.22-0.26    5    1.17    5.87    0.20-0.24    6    1.69    10.50    0.18-0.21    7    1.28    7.97    0.22    2.97    8    1.30    7.16    0.18-0.21    9    9.38    45.90    0.18    3.59    10    10.78    52.70    0.18    6.23

注*1：摩擦性能是在正常负荷-13.5N，滑动速度0.25m/秒及对应金属是纯铜接触(10⁸磨损周期后)的条件下测得的。

注2：有双下标线的数据是在磨损试样之前在未明确规定的金属(铜)表面上得到的。

注3(**)：变换速率的数据是用专门设计的试验装置测得的。

下表归纳了用常规P/M技术制备的其它含铜和碳的材料的相关性能。值得注意的是：表中所列的最高导电率刚刚超过40％IACS，而大部分导电率均明显低于用本发明材料制成的复合材料的IACS值，在这方面43％IACS是最低值。

表7：用于电接触的市售材料

    成分    (％)    大致密度    (g/cm²)   导电率   (％IACS)   硬度  (HRB) 30Cu，70石墨    2.5    0.11    80 36Cu，64石墨    2.75    3    75 40Cu，60石墨    2.75    4    52 50Cu，50石墨    3.05    2.5    35 62Cu，38石墨    3.65    3    28 65Cu，35石墨    3.15    3    30 75Cu，25石墨    3.25    0.51    21 92Cu，8石墨    7.30    41    40 95Cu，5石墨    6.30    34    38 96Cu，4石墨    7.75    42    40 21Cu，79C    2.2    0.25    28 35Cu，65C    2.5    2    28 50Cu，50C    2.75    5    28 65Cu，35C    3.5    8    20B 75Cu，25C    4.0    21    18 95Cu，5C    7.57    40-46    38HR15-T

可以想象，本发明的复合材料可用作电动机的接触电刷、轻轨应用领域的导电弓架和极蹄，发电机及其它的电气元件，如开关等。

此外，上述的特定生产方法相对简单而经济因而是有利的。

整个说明书和下附的权利要求书中，除文中需另有说明外，词“Comprise”及其各种变化，如Comprises和comprising”应理解为包括单一步骤或多个步骤的综合，但不排除任可其它单一步骤或多个步骤的综合。

本技术领域的技术人员将知道，本文所述的发明除已专门叙述过的内容之外还可容许各种变化和改进。本发明包括所有这些变化和改进是应予理解的。本发明还包括在本说明书中被参照的或指明的所有的步骤、性能、成分和化合物以及所述2个或多个步骤或性能的所有组合。