炭基体表面金属改性层组织、磨损性能及磨损-腐蚀行为的动态演化

Due to the arc discharge and large wear rate of high-speed railway carbon strips prepared by traditional technology under rain and complicated working condition, the Cu/Cr is impregnated into the carbon matrix to prepare the copper/chromium modified layer with high hardness, low wear rate and strong arc blowout ability using hot isostatic pressing and vacuum high temperature plasma diffusion technology in this proposal. The distribution regularity of the compositions and micro-structure are determined. The association between composition, micro-structure and friction as well as wear properties is investigated. The frictional and wear properties of Cu/Cr diffusion layer under different loadings, dry, wet and imitation rain corrosion conditions are studied. The wear mechanism and wear behavior of Cu/Cr modified layer under different conditions above mentioned are discussed. The research results will supply theoretical foundation for high-speed electric railway carbon strips operating in the long-term complicated conditions, conducting the engineering practice.

针对传统方法制备的高铁炭滑板材料在雨天等恶劣天气及复杂工况下出现的拉电弧和磨耗严重等问题，本项目提出对炭基体进行渗Cu/Cr处理，借助离子渗金属技术制备出铜/铬金属表面改性层。该改性层硬度高、耐磨、熄弧性强。对改性层的组元分布和组织结构进行分析；探究改性层成分、组织结构和摩擦磨损性能间的关联；通过研究铜/铬扩散层在不同压力下，干/湿摩擦和模拟雨水腐蚀环境中的摩擦磨损性能，探讨炭基体表面金属改性层在此等典型工况下的磨损机理及其磨损行为过程。研究结果将为高铁炭滑板材料在各种典型工况下的长期服役提供理论依据，并用于指导工程实际。

受电弓滑板作为高铁列车重要的受流部件，其机械性能、摩擦磨损性能和耐弧性的优劣直接影响到机车的运行速度。随着国民经济的快速发展，电气化铁路的运行速度连续提升，对受电弓滑板的综合性能提出了更高的要求。炭/铜复合材料具有优异的自润滑性能、耐腐蚀性能和良好的导电、导热性能，因此在滑动导电材料中具有广泛的应用前景。. 本课题以焦炭粉为增强相，石墨粉为固体润滑剂，硫化煤沥青为粘结剂，经热压成型-常压炭化后制备出多孔炭基体；然后采用高压液体浸渗法将熔融青铜渗入炭基体内，制备出新型受电弓炭基滑板材料。研究了不同焦炭含量炭/铜复合材料在不同压力下，干燥、去离子水和模拟雨水环境中的摩擦磨损性能，探究了测试环境和载荷对复合材料摩擦磨损性能的影响，研究了复合材料在此等典型工况下的磨损机理及其磨损行为过程。. 1. 摩擦系数。焦炭/石墨比为50/50的C/Cu复合材料的平均摩擦系数在0.098～0.158之间波动；干磨和去离子水滑动条件下，摩擦系数随滑动摩擦存在稳定波动区域，表面形成润滑膜，而在雨水腐蚀条件下，摩擦系数随滑动距离的变化呈现动态的连续下降和上升，表面难以成膜。焦炭/石墨比为80/20的C/Cu复合材料的平均摩擦系数在0.1左右，摩擦系数随滑动距离呈现明显的下降趋势，仅在最后阶段有略微上升。. 2. 磨损率。在干磨、去离子水和雨水条件下，焦炭/石墨比为50/50和80/20的C/Cu复合材料的磨损体积均随载荷的增加而上升，磨损率随载荷呈现整体上升的趋势，但不同环境下随载荷增长的程度具有各自的特点。雨水环境中，C/Cu复合材料的磨损率最大，耐磨性降低；去离子水对材料表面具有一定的润滑作用，磨损率最低；干滑动条件下的磨损率居中。在相同的滑动条件下，相对于焦炭/石墨比为50/50的复合材料，焦炭/石墨比为80/20的复合材料磨损率明显下降，焦炭含量的增加显著提高了材料的耐磨性能。. 3. 磨损机理。C/Cu复合材料在干磨、去离子水和雨水条件下的磨损过程中都发生了磨粒磨损、粘着磨损和氧化磨损。载荷较小时以磨粒磨损为主，载荷增大时，粘着磨损占主导地位。雨水腐蚀条件下，磨损表面还发生了化学腐蚀磨损及疲劳破坏，磨损严重。. 发表SCI收录论文4篇，EI收录论文1篇，中文核心论文2篇，授权国家发明专利1项，培养了1名硕士研究生，已于2014年7月顺利毕业。