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颗粒增强铜基自润滑材料的制备及其载流摩擦磨损性能研究

李克敏  
【摘要】:铜基自润滑材料作为摩擦集电材料已广泛应用于电力机车和轨道交通车辆。随着高速列车运行速度的提高,制备新型摩擦集电材料,研究其载流摩擦磨损性能,可为开发满足列车安全运行保证的接地装置材料提供参考依据。本文采用粉末冶金法制备了不同碳化硅颗粒增强铜基自润滑材料,分别研究了碳化硅含量、碳化硅粒径对复合材料组织结构、物理性能和载流摩擦磨损性能的影响,探讨了其载流磨损机理的变化。研究了摩擦速度、电流密度对材料燃弧率和载流效率的影响。采用化学镀铜工艺分别对石墨和碳化硅颗粒进行了镀铜处理,制备了颗粒镀铜复合材料,对比分析了颗粒镀铜复合材料与未镀铜材料的组织结构和各项性能。研究结果如下: 采用15μmSiC颗粒制备的不同SiC含量复合材料中,SiC含量较小时,SiC颗粒主要分布于铜基体内,随SiC含量增加,SiC颗粒偏向于铜和石墨界面处分布。并且SiC含量增加,复合材料的密度、导电率降低,硬度和孔隙率增加。载流摩擦试验中,随SiC含量增加,复合材料的摩擦系数不断增大,磨损率先减小后增大,2%SiC/C/Cu复合材料的磨损率最小。 质量分数为2%时,采用7.5μm和15μmSiC颗粒制备的复合材料中碳化硅颗粒不仅分布于铜基体内,还存在于C/Cu界面处。而添加25μm和40μmSiC复合材料中的碳化硅颗粒被卡嵌在铜基体内或是被完全包覆。不同SiC粒径的复合材料,随颗粒粒径增大,复合材料的孔隙率降低,密度、硬度和导电率增加。载流摩擦试验中,随碳化硅粒径的增大,复合材料摩擦系数和磨损率均先减小后增大,25μmSiC复合材料具有最低的摩擦系数和磨损率。 随摩擦速度的增大,复合材料的摩擦系数和磨损率均不断增大;材料的磨损以磨粒磨损为主,25m/s之后出现了较明显的电弧烧蚀。随电流密度的增大,复合材料的摩擦系数不断减小,磨损率逐渐增大;材料的磨损以电弧烧蚀和磨粒磨损为主。 材料的燃弧率与摩擦面状况和电流密度有关。载流效率受摩擦接触面状况和燃弧率影响严重,燃弧率越大,相应的载流效率越小。燃弧率随摩擦速度的增加先缓慢增大,25m/s之后急剧上升;载流效率随速度的增加先缓慢减小,25m/s之后急剧下降。随着电流密度的增大,材料的燃弧率逐渐增大,载流效率逐渐减小。 石墨和碳化硅颗粒的化学镀铜,改善了C/Cu界面和SiC/Cu界面的不润湿性。镀铜材料中石墨更加细小,分布更均匀;镀铜材料比未镀铜材料表现出更好的基体连通性。镀铜复合材料的孔隙率比未镀铜材料有明显下降,密度、硬度和导电率相比未镀铜材料均有明显提高。


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