（来源：期刊-《粉末冶金工业》-第33卷第5期）

许雄飞 1，2 ， 尹彩流 1，3 ， 王秀飞 4 ， 宋    皓 1

（1. 广西民族大学摩擦材料研究所，广西 南宁 530006 ； 2. 西安热工研究院有限公司，陕西 西安 710054；3. 广西高校环境友好材料及碳中和新技术重点实验室，广西先进结构材料与碳中和重点实验室，广西 南宁530105 ； 4. 北京优材百慕航空器材有限公司，北京 100095）

摘  要：采用粉末冶金技术制备了氧化镧含量分别为 0%、0. 1%、0.2%、0.3% 的铜基粉末冶金摩擦材料并测 定其力学性能；使用 MM-1000III型摩擦磨损实验机测试其摩擦磨损性能；使用扫描电镜观察其摩擦表面及 冲击断面的显微组织 。结果表明：随氧化镧含量增加，材料的冲击强度、抗拉强度先下降后上升，布氏硬 度、电阻率上升；在相同压力和配置惯量的实验参数下，随着氧化镧含量增加材料摩擦因数上升；各组样品 冲击断面均表现出韧性断裂特征。

关键词：铜基粉末冶金；La2O3；力学性能；电阻率；摩擦

文献标志码：A         文章编号：1006-6543（2023）05-0031-05

粉末冶金材料是一种多元复合烧结材料，通常由基体组元、润滑组元、增摩组元和摩擦性能调节 剂组成，并采用粉末冶金技术如粉末称重、混料、压制、烧结等步骤进行制备。粉末冶金材料根据基体 成分中元素占比的不同具体分为铜基、铁基、铝基等粉末冶金材料，其中铜基粉末冶金材料是近年来国内外集电靴滑板领域材料研究的重点。自 20 世纪 50年代我国开始发展电气化铁路，地铁集电靴滑板相继经历了铜滑板、碳滑板、铜基粉末冶金滑板等发展阶段[1-6] 。其中纯金属滑板机械强度高、成本低廉，但与导线的同质磨损严重；碳滑板耐磨性能优异，但机械强度较低，目前国内部分线路的碳滑板依然依赖国外进口；铜基粉末冶金滑板因为在制备过程中经过多个物理、化学的合金化处理环节，且基体成分中铜基体具有延展性好、导电性高的特点，所以具有良好的力学性能和电学性能[7-12]。

铜基粉末冶金材料基体成分主要为铜及铜合金[13-14]，并通过加入合金元素,利用固溶强化、弥散强化等方式提高材料的综合性能，常见的强化元素包括 Sn、Fe、Ni、Ti、Al、Zn 等；润滑成分主要为具有层状滑移结构的非金属元素，这些元素通过充当固体润滑剂提高材料的耐磨性能和摩擦因数的稳定性，常见的润滑成分包括鳞片石墨、MoS2 等[15] 。蓬勃发展的城市轨道交通和日益复杂的工作环境对集电靴滑板的综合性能提出了更高的要求，国内外的研究者针对此展开了大量的研究，普遍认为 Ce、La、Y 等稀土元素及其氧化物对组织细化、净化杂质等具有积极作用，氧化镧具有较高的热稳定性和表面活性，在铜基粉末冶金烧结过程中能够细化晶粒提高烧结质量；但随着氧化镧比例的增加，材料组织结构连续性降低从而影响材料的综合性能，限制了铜基粉末冶金滑板在复杂工况下的使用，因此系统研究氧化镧含量对地铁集电靴用铜基粉末冶金材料性能的影响，对铜基粉末冶金滑板应用具有重要意义[16-25]。

为研究氧化镧含量对地铁集电靴用铜基粉末冶金材料性能的影响，制备具有优良性能的铜基粉 末冶金滑板，实验采用粉末冶金技术制备不同氧化镧含量的铜基粉末冶金材料，通过力学、电学及摩擦磨损性能测试研究了氧化镧含量对材料综合性能的影响。

1    实 验

1.1    原料选用及配比

实验原料为电解铜粉 ( 粒径为 10~35 μ m ，纯度 99.0%（质量分数，下同 ）)、锡粉（粒度不大于 75μm ）、铁粉（粒度不大于 106μm ）、鳞片石墨（粒度 125～200μm ）、二硫化钼（粒度不大于45μm）、氧化镧（分析纯，99.9%），各样品成分配比见表 1 。使用电子天平（称量精度0.01g）称取原料粉末，并加入原料粉末总质量分数 0.5% 的机油（黏度 10W-40）作为成形剂；使用“V”型混料机（VH-2型实验用混合机） 将称量好的粉末混合均匀；（YJ32-100G 型）将混合好的粉末放置在模具中使用四柱液压机进行压制，压制压力500~550 M Pa；采用钟罩烧结炉（RZ12-11/1 型）在氮气保护气氛下将压坯加压烧结，烧结压力 3 M Pa，935 ℃保温，空冷保压。

1.2    性能检测

根据 TB/T 1842. 1-2002《电力机车受电弓滑板 粉末冶金滑板》的标准要求测试铜基粉末样品综合性能 。根据 GB/T 7964-2020《烧结金属材料（不包括硬质合金）)室温拉伸实验》在WDW-100E型万能实验机上测试抗拉强度；根据 GB/T 9096-2002《烧结金属材料（不包括硬质合金）冲击实验方法》在JB-S300C型冲击实验机上测试冲击强度； 根据 GB/T 9097. 1-2002《烧结金属材料（不包括硬质合金）表观硬度的测定》在 HB-3000B-I 型布氏硬度实验机上测试布氏硬度 ；在 Sigma2008A 型数字电导率仪上测试电导率；在德国蔡司EVO18型扫描电子显微镜（SEM）上分析冲击断面微观形貌；在 MM-1000III 型摩擦材料性能实验机上进行摩擦实验，磨合条件为配置惯量 0.2 kg·m2、制动压力 0.4 M Pa、制动初速度 1 000 r/min ，磨合后进行摩擦实验 ，实验条件为配置惯量 0.2 kg· m2 、制动压力 0.4 M Pa ，每个样品在实验条件下以 1 000 、2 000、3 000 r/min 制动初速度测试摩擦因数，摩擦因数取 5次测试结果平均值[26]。

2    结果与分析

2.1    氧化镧含量对材料物理力学性能的影响

图 1为样品抗拉强度与氧化镧含量的关系。由图可知，不添加氧化镧的样品具有最大抗拉强度 150 M Pa，氧化镧含量为 0.2% 时，样品具有最小抗拉强度 125 M Pa，随氧化镧含量从 0%增加到0.3%，样品的抗拉强度呈先下降后上升的趋势 。这是因为一方面氧化镧不参与反应，而是以机械结合的方式存在于铜基粉末冶金材料基体中，其与基体的结合处在材料拉伸过程中容易引发应力集中促进裂纹的产生和发展，从而降低了材料的抗拉强度；另一方面随着氧化镧含量进一步增加，氧化镧颗粒通过弥散强化逐渐使材料烧结强度得到改善，抗拉强度随之上升，在这两方面影响下样品抗拉强度随氧化镧含量升高先下降后上升 。同时图中可以观察到材料抗拉强度变化幅度较小，这可能与氧化镧含量较少有关。

图2为样品冲击强度与氧化镧含量的关系。 由图可知，当氧化镧含量为0.3%时，样品具有最大冲击强度5.3 J/cm2，氧化镧含量为0. 1%时，样品具有最小冲击 强度 2.9 J/cm2，随 氧 化 镧 含 量 从 0% 增 加 到 0.3%，样品的冲击吸收功和冲击强度呈现出先下降后上升的趋势。这是因为氧化镧的添加会降低材料基体的连续性从而产生局部应力集中，因此在氧化镧含量较少时样品冲击强度下降，而随着氧化镧含量的升高，其作为硬质相分布逐渐影响到材料内位错滑 移，从而使晶粒变形受阻，材料冲击强度随之增大。

图 3为样品布氏硬度与氧化镧含量的关系。由图可知，当氧化镧含量为 0.3% 时，样品具有最大布氏硬度 68.22HBW，不含氧化镧时样品具有最小布氏硬度 61.32HBW，随氧化镧含量从 0% 增加到 0.3%，样品的布氏硬度呈上升趋势。这是因为一方面氧化镧硬度远高于铜基体，同时还可以通过弥散强化作用提升材料硬度；另一方面在烧结过程中氧化镧可以通过阻碍晶界迁移起到细化晶粒的作用，为铜基粉末冶金材料中合金元素的进一步扩散提供了更多的物理通道，因此可以显著提高材料烧结质量，从而得到均匀致密、硬度较高的烧结体材料，在这两方面影响下样品布氏硬度随氧化镧含量增加而增大。

图 4 为样品电阻率与氧化镧含量的关系 。由图可知，当不含氧化镧时，样品具有最小电阻率0.32μΩ·m，氧化镧含量为 0.3% 时样品具有最大电阻率 0.35μΩ·m，随氧化镧含量从 0增加到 0.3%，样品电阻率呈上升趋势 。这是因为氧化镧电阻率高于铜基体，同时随着氧化镧含量升高，材料基体金属网格连续性下降，使材料内电子运动受阻增大，样品电阻率随之上升[27]。

2.2    氧化镧含量对材料摩擦磨损性能的影响

图 5 为在 0.2 kg·m2  的配置惯量、0.4 M Pa 制动压力下，实验方案 4 组样品分别在 1 000 、2 000 、3 000 r/min制动初速度下的摩擦因数曲线。由图 5 可知，在制动惯量和制动压力不变的情况下，几组样品的摩擦因数随制动初速度的升高整体呈升高趋势，且上升速度随制动初速度增加而减缓。这主要是因为在摩擦过程中，随制动初速度升高样品摩擦面间所受摩擦力逐渐增大，摩擦因数随之升高，而样品中添加的鳞片石墨可以在摩擦表面帮助形 成一层摩擦膜，降低了材料基体与对偶材料面的直接接触，减小了摩擦因数升高的速度，而随摩擦速度的不断升高，之前形成的摩擦膜受到摩擦制动施加的剪切力而开始逐渐被破坏，从而使摩擦因数随转速升高而升高；同时在制动初速度较低时，硬质颗粒加剧了材料间的摩擦磨损作用，在制动初速度较高时，摩擦副间硬质颗粒的固体润滑作用加强，减小了摩擦因数的上升速度[28-29]；在上述影响下，随氧化镧含量的升高样品摩擦因数随之升高，但随制动速度的升高样品摩擦因数升高速率减缓。

当不添加氧化镧时 ，随着制动初速度从 1 000 r/min 增加到3 000 r/min，样品的摩擦因数从 0.22 增加到 0.40，当氧化镧含量为 0.3% 时，随着制动初速度从 1 000 r/min 增加到3 000 r/min，样品的摩擦因数从0.23增加到0.41，摩擦因数全面上升，其中氧化镧含量 0. 1% 的样品在不同的制动初速度下均具有最低的摩擦因数 。这是因为少量的氧化镧可以通过弥散强化等作用提升烧结质量，通过提升材料基体强度，减缓黏着磨损和磨粒磨损的影响，从而降低摩擦因数；同时随着氧化镧含量的增加，其作为硬质相存在基于体中，一方面作为硬质颗粒参与摩擦从而提高了摩擦因数，另一方面在摩擦面的氧化镧颗粒破坏了摩擦膜的连续性，所以各组样品的摩擦因数随氧化镧含量的持续升高整体均呈现上升趋势[30]。

2.3    冲击断面组织形貌观察

图 6 为实验 4 组样品冲击断面微观组织形貌图。由图可知，鳞片石墨以机械结合的方式嵌入到断面中，而石墨与基体的结合性较差，导致在断面形貌中观察到一定量孔隙存在；此外在 4组样品冲击断面中均可观察到韧窝形貌，呈现出微孔束集型即典型的韧性断裂特征 。韧性断裂的机制是材料在塑性变形过程中，位错在第二相粒子界面塞积扩展继而产生孔隙引发断裂，根据相关韧性断裂理论，韧窝形成的尺寸、数量、成形位置是衡量材料塑性的重要因素，韧窝尺寸较大、数量较少、成形位置较深的材料具有较好的塑性。由图可知，随着氧化镧含量从 0 上升到 0.3% 样品断面形貌中韧窝成形位置逐渐加深，这说明样品的塑性逐渐升高，这也与上述冲击实验结果一致，同时也可观察到韧窝数量和成形尺寸随氧化镧含量升高变化不明显，这与本组样品氧化镧总体添加量较少对材料塑性影响有限有关。

3    结  论

采用不同含量氧化镧制备地铁集电靴用铜基粉末冶金材料，并对材料力学性能、摩擦性能和组织形貌影响进行了综合分析，得到了以下结论：

（1）随氧化镧含量的增加，材料的冲击强度、抗拉强度先下降后上升，布氏硬度、电阻率上升。

（2）在相同的配置惯量和制动压力下，随制动初速度的提升，摩擦因数呈提升趋势，当不含氧化镧时，随着制动初速度从 1 000 r/min 增加到 3 000 r/min，样品的摩擦因数从0.22增加到0.40，当氧化镧含量为 0.3%时，随着制动初速度从 1 000 r/min 增加到 3 000 r/min，样品的摩擦因数从 0.23 增加到 0.41。

（3）随氧化镧含量从 0 增加到 0.3%，各组样品冲击断面形貌均表现出韧性断裂特征，断口形貌表现为韧窝成形位置加深，成形数量及尺寸变化不明显。

参考文献

[  1 ]    陈立明,潘利科,杨才智,邢彤 . 集电靴与第三轨运动关系优化 分析及实验台结构设计[J]. 铁道技术监督,2018,46(03):27.

[ 2 ]    朱玉琴 . 受电弓滑板产业发展状况及检测需求[J]. 中国质量 技术监督, 2018，(06):62.

[ 3 ]    久保田喜雄,彭惠民 . 新干线受电弓滑板及其润滑技术[J]. 国 外机车车辆工艺,2018，(01):15.

[ 4 ]    Y. Luguang. Progress of the Maglev Transportation in China[J]. IEEE  Transactions  on Applied  Superconductivity, 2006, 16(2): 1138.

[ 5 ]    E   Stewart,   P  Weston,   S  Hillmansen,   et  al.  Using  Bogie- Mounted  Sensors  to  Understand  the  Dynamics  of Third  Rail Current Collection Systems[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Tran- sit,2011,225(2):219.

[ 6 ]    Cha Y, Hedberg Y, Mei N, et al. Airborne wear particles gener- ated from conductor rail and collector shoe contact: influence of sliding velocity and particle size[J]. Tribology Letters, 2016, 64(3): 1.

[ 7 ]    赵昆山,刘家栋,李梁 . 城市轨道交通APS无网供电技术[J]. 技 术与市场,2014,21(05):23.

[  8 ]    邹鹏, 车伟兴 . 现代有轨电车受电方式研究[J]. 技术与市场, 2018,25(01):26.

[ 9 ]    孟飞 . 地铁直流牵引供电系统馈线保护研究[D]. 南昌:华东交 通大学, 2012.

[10 ]    古巍 . 万西铁路专用线项目可行性研究[D]. 成都:西南石油大 学, 2017.

[ 11 ]    高兴彬 . 城市轨道交通受电弓工作原理浅析及未来发展方向 [J]. 通讯世界,2018, (03):220.

[12 ]    胡士博 . 拉簧式受流器动态特性分析及主动控制策略研究 [D]. 北京:北京交通大学, 2018.

[13 ]    谭芳香,黄以伟 . 水雾化法制备铜及铜合金粉[J]. 金属功能材 料,2021,28(3):18.

[14 ]    鲍瑞,李兆杰, 易健宏,等 . 粉末冶金制备高导热铜基复合材料 的研究进展[J]. 粉末冶金工业,2022,32(5):1.

[15 ]    刘建秀,潘胜利,吴深,等 . 铜基粉末冶金摩擦材料增强相的研 究发展状况[J]. 粉末冶金工业,2020,30(1):77.

[16 ]    陈飞雄,颜君毅,王铁军 . 从电力机车受电弓滑板标准看滑板 材料的发展现状[J]. 内燃机与配件,2020,(04):73.

[17 ]    王继庆 . 电力机车受电弓滑板复合材料的选择和性能研究 [D]. 大连:大连交通大学,2020.

[18 ]    邵利峰,韦强,徐立新,等 . 电力机车受电弓滑板研究进展[J]. 材 料开发与应用,2008, (05):94.

[19 ]    Kyu-Hwa Cho. A Study on Material Development for and Ap- plication of a Slider of Pantograph[J]. Journal of the Korean so- ciety for railway, 2015, 18(5):410.

[20 ]    Kim Y G, Chung S Y, Kwon S J. A Study on the Wearing Phe- nomenon Analysis  of Pantograph  Slider  for the  Subway  Cars [J]. Ijar, 2014, 13(4): 107.

[21 ]    杨艳 . 电力机车受电弓滑板的发展研究[J]. 科技经济市场,2016(05):90.

[22 ]    久保田喜雄,彭惠民 . 新干线受电弓滑板及其润滑技术[J]. 国 外机车车辆工艺,2018, (01):15.

[23 ]    吴广宁,周悦, 雷栋,等 . 弓网电接触研究进展[J]. 高电压技术, 2016,42(11):3495.

[24 ]    冀盛亚,任兆麟,龚安华 . 载流条件下铜基粉末冶金滑板材料 的电弧侵蚀防护[J]. 热加工工艺,2011,40(10):74.

[25 ]    张弘,宋子濂 . 稀土在铁基粉末冶金摩阻材料中作用机制的研 究[J]. 中国铁道科学,2005(01):135.

[26 ]    刘喜双,许雄飞,王秀飞,等 . 鳞片石墨含量对地铁集电靴用铜 基粉末冶金材料性能的影响[J]. 粉末冶金工业,2021,31(3):18.

[27 ]    梁昌霞, 潘冶 . 稀土氧化物对铁铜基粉末冶金轴承材料性能 的影响[J]. 润滑与密封,2010,35(01):62.

[28 ]    吕波, 王三全, 林浩盛, 等 . 高能量高功率密度湿式铜基摩擦 材料的研制[J]. 粉末冶金工业,2022,32(5):24.

[29 ]    肖叶龙, 陈盛, 沈明学, 等 . 干湿态下制动载荷对粉末冶金闸 片材料摩擦学性能的影响[J]. 粉末冶金工业,2023,33(2):17.

[30 ]    魏敬丹 . 铜基风电摩擦片的制备及摩擦磨损性能研究[D]. 长 春:长春工业大学,2014.

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