电力机车受电弓滑板新材料 本发明涉及一种新型的耐磨减摩合金材料—高锰铝青铜合金(ZQMn14-7-3-3-1)，特别适用于制造电力机车受电弓的滑板。此外，这种合金材料也可以代替多种传统的耐磨铜合金(如ZQSn6-6-3)，制作高载荷、高速、中温(≤400℃)下工作的各种滑动轴瓦和滑块。
铁路电气化、高速化是发达国家交通的一个重要标志，我国正在力争近几年内进入世界先进行列。电气化铁路网中，电力机车的受电弓滑板，是一种技术要求高，消耗量大的导电材料，也是实现铁路高速化的一个重要的制约因素。目前电力机车常用的受电弓滑板材料主要有四大类：粉末冶金铜基滑板、粉末冶金铁基滑板、铸造铜合金滑板和金属—碳复合材料滑板。这些材料有的使用寿命低，有的对接触网导线磨损严重等问题，因此，各国都在研制滑板新材料。
本发明的目的是研制一种新型的滑板材料，它的耐磨性能好，既能提高滑板材料的使用寿命，又能减少对接触网导线的磨损。同时机械性能较高，质量较轻，适合于高速运行。而且价格较低，废旧滑板又可以回收利用。
本发明研制的新型滑板材料是属于铸造铜合金类地高锰铝青铜合金，它的中国牌号可以写作：ZQMn14-7-3-3-1，其化学成分见表一。
表一、ZQMn14-7-3-3-1化学成分。 合金 牌号 化学成分(％)杂质 Mn Al Fe Pb Zn Cu ZQMn14-7 -3-3-1 11.0～15.0 6.0～8.0 2.0～3.5 2.0～5.0 0.5～2.0 余量≤1.5
这种合金的熔炼可以在坩埚炉、电炉或大型反射炉中熔炼，铸型应采用于砂型或硬模。熔炼工艺如下：首先将电解铜、一号金属锰(或电解锰)、白铁皮，按比例一起装炉，点火升温到800℃将炉材料预热，除去水分和挥发物。待温度均匀后，快速升温到1250℃～1300℃，使炉料全部熔化，搅拌均匀。加进预留的5％冷铜料，降温至1150℃左右，再加进锌，搅拌，扒渣；最后加进铝和铅，搅拌均匀后，作炉前弯角和化学成分分析。分析结果若不合格，则应调整成分，除气精炼。待成分和炉前弯角(≥25°)都合格后，就可以出炉了，浇铸温度为1100℃～1050℃。熔铸工艺直接影响材料的性能和产品的质量，因此必须严格控制熔炼工艺和浇注温度。
ZQMn14-7-3-3-1有优良的机械性能(见表二)，它的抗拉强度、冲击韧性和硬度都高于我国和日本常用的三类滑板材料，而比重在金属基滑板材料中是最轻的。它的电阻率比粉末冶金的铜基和铁基的滑板材料稍高一些，但是大大低于碳系滑板材料的电阻率，所以对其导电性能的影响很微小，也不会象碳系滑板那样，有停车时滑板与接触导线发热过高的问题。
ZQMn14-7-3-3-1有很好的耐磨性能，同时对摩擦付有很好的减摩性能，从表三中我们可以看到，它与铜导线的高度磨耗比和重量磨耗比，均大大低于我国现行常用的三类滑板材料的部颁标准，可以大幅度提高滑板的使用寿命。同时它对接触网导线的磨耗比也减少了，甚至低于浸金属碳滑板对导线的磨耗，有利于接触网导线的保护和维修。而且ZQMn14-7-3-3-1材料的成本较低，制造工艺较简便；废旧的滑板又可以回收熔炼，铸成新的滑板，循回使用，有利于降低电气化铁路的保养费用和环境保护。
表二、ZQMn14-7-3-3-1与几种常见滑板材料性能比较滑板系列材料牌号 密度 g/cm3 布氏硬度 HB 抗拉强度 MPa 冲击韧性 J/cm2 电阻率 μΩm 备注粉未冶金铁基M54x 7.5 70～115 ≥180 ≥9.8 ≤0.40 JRS粉未冶金铜基BC 7.6 55～65 ≥220 ≥12 ≤0.34 JRSCR2 8.2 ≤85 ≥150 ≥6.9 ≤0.3铸造铜合金IH2 8.0 HS18～21 ≥180 ≥9.8 ≤0.2 日本近铁线南 海线使用金属—碳复合材料MY7D 2.5 92 102(抗弯强度) 0.27 10 日本JR东线JR 北线使用高锰铝青铜ZQMn14-7-3-3-1 7.4 150～160 400～520 8～10 0.58 本发明新 材料粉末冶金铁基 ＜8.0 ≤140 ≥140 ≥7 ≤0.35 TB/T 1842.1～2002粉末冶金铜基 7.8～8.2 60～90 ≥120 ≥7 ≤0.35 TB/T 1842.1～2002浸金属碳板 3.0 ≥85 ≥85(抗折强度) ≥0.25 ≤12 TB/T 1842.2～2002
注：TB/T184.1～2002是中国铁道部标准，JRS-日本旧国铁标准。
表三、高锰铝青铜与几种常见滑板材料磨损性能比较表 滑板材料 滑板自身磨耗比 对接触线磨耗比 高度磨耗比 mm/万车公里 重量磨耗比 g/万机车公里 mm2/万弓架次 ZQMn14-7-3-3-1 0.593 8.18 0.01486 粉末冶金铁基滑板 ≤9.0 ≤90.0 ≤0.042 粉末冶金铜基滑板 ≤12.0 ≤240 ≤0.022 浸金属碳滑板 ≤13.0 ≤204.0 ≤0.015
表四、几种耐磨材料的磨耗比 耐磨材料磨擦付材料 有无润 滑剂 磨耗比 mm3/m.N 备注 合金类型 牌号 高锰铝青铜 合金 ZQMn14- 7-3-3-1无氧铜GCr15固体润滑剂 有 1.58×10-6 5.64×10-7 负荷70N 锡青铜 合金 ZQSn6-6- 345#钢45#钢 有 无 8.775×10-7 34.37×10-5 负荷300N 高铝锌 合金 ZA2745#钢45#钢 有 无 1.23×10-6 1.8×10-6 负荷200N Al-Zn基 合金 P合金45#钢 有 无 6.278×10-7 14.97×10-5 山东工大研制 (300N时)
在表四中我们将ZQMn14-7-3-3-1与几种常见的耐磨材料的磨耗比做个比较，从中我们看到，ZQMn14-7-3-3-1有很好的耐磨性能，它的磨耗比小于其它几种耐磨材料。因此，这种新的耐磨材料将可以代替多种传统的耐磨铜合金，制作高载荷、高速、中温(≤400℃)下工作的各种滑动轴瓦和滑块，具有广阔的应用前景。
实例说明：
首先将66.4公斤电解铜、14.2公斤电解锰和2.9公斤铁丝一起装进坩埚炉内，点火升温到800℃，除去水分和挥发物。待温度均匀后，快速升温到1250℃～1300℃，使炉料全部熔化，搅拌均匀，再加进5公斤冷铜降温，在1150℃时加进1.15公斤锌，搅拌、扒渣后，再加进7公斤铝和3.8公斤铅，将合金搅拌均匀，作炉前弯角试验和化学成分分析。分析结果合格后，加0.2％的六氯乙烷除气处理。然后在1100℃～1050℃下浇铸，铸模使用干砂模。自然冷却后，再进行机械加工，制作成滑板。