具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

下面对本申请提供的含铜石墨复合涂层、绝缘器滑轨及其制备方法进行具体说明。

基于现有技术中绝缘器滑轨在高速运行条件下表面磨损较快的问题，发明人创造性地提出了一种表面沉积有含铜石墨复合涂层的绝缘器滑轨。

具体的，该绝缘器滑轨包括绝缘器滑轨本体以及沉积于该绝缘器滑轨本体的表面的含铜石墨复合涂层。

上述绝缘器滑轨本体采用铜材质，以具有较高的导电性和耐磨性。

含铜石墨复合涂层主要由制备原料经超音速低温火焰固态颗粒沉积方法沉积而得。本申请中以超音速低温火焰固态颗粒沉积方式进行沉积(原理如图1所示)，利用加热气体将制备原料加热至材料软化状态，再通过送粉气体将粉末在未熔融状态下进行沉积，可在不改变组织性能的前提下均匀地将石墨弥散在复合涂层中，沉积率较高，且相较于其他涂层制备技术，所得的涂层中铜氧化面积较少。此外，该制备方法还具有操作简易、周期短和成本低的优势。

本申请中，制备原料包括铜基材料粉末和石墨粉末。

之所以同时将铜基材料粉末和石墨粉末作为制备原料，一方面可在保证涂层质量的同时增加涂层与基体(绝缘器滑轨本体)的结合强度，并使涂层具有较高的导电性；另一方面，在高速摩擦的过程中，含铜石墨复合涂层中的石墨颗粒脱落，可在摩擦副之间形成一层润滑性高的石墨润滑膜，达到减磨的效果，该石墨润滑膜可以进一步减少因摩擦产生的能量消耗，使绝缘器滑轨可在高压及高速摩擦等苛刻条件下稳定运行。此外，以上述混合粉末作为制备原料可无需在基体表面设置镍等中间层的条件下获得更优的涂层效果。

在可选的实施方式中，石墨粉末在制备原料中的含量为5-15wt％，如5wt％、8wt％、10wt％、12wt％或15wt％等，也可以为5-15wt％范围内的其它任意值。

值得说明的是，本申请中之所以将石墨粉末在制备原料中的含量设置为5-15wt％，其原因在于：若含量低于5wt％，容易导致涂层润滑性能较低，长期运行下会导致涂层严重磨损，使用寿命低；若含量高于15wt％容易导致涂层结合强度下降，无法实现涂层与基体及涂层内部铜合金与石墨有效结合。

在可选的实施方式中，铜基材料粉末的粒径为10-80μm，石墨粉末的粒径也为10-80μm。优选地，铜基材料粉末的粒径与石墨粉末的粒径一致。

本申请中之所以将铜基材料粉末及石墨粉末的粒径范围控制在10-80μm，其原因在于：石墨粉末过大容易导致喷涂过程中颗粒受热不均匀，影响涂层内部的结合及涂层的耐磨性能。

上述粒径的粉末可通过采用不同目数的筛子筛粉获得(筛粉时间可以为10-20min)，铜基材料粉末的粒径与石墨粉末的混合可通过搅拌机进行。

可参考地，上述铜基材料粉末可以为铬锆铜粉末和钴铬铜粉末等，该类材料有利于保证涂层高导电性和耐磨性。在可选的实施方式中，铜基材料粉末呈以铬锆或钴铬为核、铜为壳的核壳包覆结构。

该铜包覆铬锆粉末中，铜的含量例如可以为99.22wt％。铜包覆铬锆粉末中，铜含量过低，易导致涂层电导率降低，产品工作时耗能增大，含量过高，易导致涂层结合强度、耐磨性和硬度降低。进一步地，铬的含量为0.43wt％，余量为锆。

本申请中，含铜复合涂层与绝缘器滑轨本体之间无镍层，减少了工艺的复杂性及涂层成本。

在可选的实施方式中，上述含铜复合涂层的厚度可以为0.2-1mm，如0.2mm、0.5mm、0.8mm或1mm。

也即，通过本申请提供的方案，仅需将含铜石墨复合涂层设置在0.2-1mm即可在确保较佳的导电性能的同时有效提高绝缘器滑轨的耐磨性能和使用寿命。

相应地，上述含铜石墨复合涂层的制备方法包括以下步骤：采用超音速低温火焰固态颗粒沉积方法对制备原料进行沉积。

在可选的实施方式中，超音速低温火焰固态颗粒沉积的工艺条件主要包括：加热气体包括丙烷，送粉气体包括氩气和氮气中的至少一种，加热气体压强为0.3-1MPa，送粉气体压强为0.3-1.5MPa，送粉速率为350-450g/min，喷嘴距离基体的距离为60-150mm。

可参考地，加热气体的压强可以为0.3MPa、0.4MPa、0.5MPa、0.6MPa、0.7MPa、0.8MPa、0.9MPa或1MPa等，也可以为0.3-1MPa范围内的其它任意值。

上述加热气体的压强主要影响粉末软化温度及粉末之间的结合，若压强小于0.3MPa，容易导致粉末温度过低，无法形成涂层；高于1MPa，容易导致粉末因温度高融化影响涂层质量。

送粉气体的压强可以为0.3MPa、0.4MPa、0.5MPa、0.6MPa、0.7MPa、0.8MPa、0.9MPa、1MPa、1.1MPa、1.2MPa、1.3MPa、1.4MPa或1.5MPa等，也可以为0.3-1.5MPa范围内的其它任意值。

上述送粉气体的压强主要影响粉末出枪速度，若压强小于0.3MPa，容易导致粉末出枪速度低；高于1MPa，容易导致粉末无法在枪室中充分加热。

送粉速率可以为350g/min、380g/min、400g/min、420g/min或450g/min等，也可以为350-450g/min范围内的其它任意值。优选为400g/min。

上述送粉速率主要影响涂层的制备周期，若速率小于350g/min，容易延长涂层制备周期；高于450g/min，容易导致粉末受热不均匀。

喷嘴距离基体的距离可以为60mm、80mm、100mm、120mm或150mm等，也可以为600-150mm范围内的其它任意值。

上述距离主要影响涂层制备过程中粉末的沉积及喷枪枪嘴，若距离短于60mm，基体与枪口过近容易导致喷枪喷嘴在涂层制备过程中损坏；长于150mm，容易导致粉末出枪温度低，涂层质量降低。

优选地，沉积时，材料温度不超过500℃(如500℃、450℃、400℃或350℃等)，一方面可使铜基材料不熔化，另一方面可避免石墨发生氧化反应气化。

承上，通过按上述沉积工艺条件进行沉积，一方面可使得涂层与基体的结合强度在50Mpa以上，沉积效率大于60％；另一方面能够使所得的涂层具有较低的孔隙率以及良好的耐磨性和自润滑性。

进一步地，本申请还提供了一种绝缘器滑轨的制备方法，包括以下步骤：于绝缘器滑轨本体的表面沉积含铜石墨复合涂层，其工艺流程图如图2所示。

较佳地，沉积前，还包括对绝缘器滑轨本体进行打磨以使绝缘器滑轨本体的粗糙度为Ra3～Ra20，从而有利于使基体表面粗糙度均匀，进而提高涂层与基体之间的结合强度。打磨可通过喷砂处理方式进行。在可选的实施方式中，喷砂过程的沙砾可以为200-600μm的石英砂，也可以为其它常用的喷砂物质。喷砂时间可以为5-10min。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

本实施例提供一种铜制绝缘器滑轨基体，其经以下方式制得：

(1)采用粒度为200-600μm的石英喷砂机对铜制绝缘器滑轨基体打磨10min，使其表面粗糙度达到Ra3～Ra20。

(2)采用200目和300目筛子对铜包覆铬锆粉末和石墨粉末筛粉15min，使粉末粒径在60-80μm之间，筛选出符合要求的粉末粒径，采用搅拌机将两种粉末混合以得到制备原料，其中石墨粉末占整个制备原料的质量分数为5％；

其中，铬锆铜粉末中铜的含量为99.22wt％，铬含量为0.43wt％，余量为锆。

(3)采用低温火焰粒子沉积设备将上述制备原料沉积于铜制绝缘器滑轨基体的表面。低温火焰粒子沉积过程中，加热气体采用丙烷，送粉气体采用氩气，加热气体压强为0.5MPa，送粉气体压强为1MPa，送粉速率为400g/min，喷涂距离为80mm，得到具有0.3mm的铜包覆铬锆添加石墨复合涂层的绝缘器滑轨(实物图如图3所示)，图4为图3中方框处对应的光镜图，1为铜包覆铬锆添加石墨复合涂层，2为铜制绝缘器滑轨基体。

对上述涂层进行性能测试，结合强度参照《GB/T8642-2002》测定，摩擦系数参照《GB12444.1-1990》测定，电导率参照《GB/T11007-1989》，采用涡流导电仪进行电导率测量。

本实施例经测试后显示：涂层的结合强度为53MPa，涂层的摩擦系数为0.23，涂层磨损率较低。

此外，涂层孔隙率较低，电导率为83.4％IACS。

实施例2

本实施例提供一种铜制绝缘器滑轨基体，其经以下方式制得：

(1)采用粒度为200-600μm的石英喷砂机对铜制绝缘器滑轨基体打磨5min，使其表面粗糙度达到Ra3～Ra20。

(2)采用300目和400目筛子对铜包覆铬锆粉末和石墨粉末筛粉10min，使粉末粒径在40-60μm之间，筛选出符合要求的粉末粒径，采用搅拌机对两种粉末混合以得到制备原料，其中石墨粉末占整个制备原料的质量分数为5％；

其中，铬锆铜粉末中铜的含量为99.22wt％，铬含量为0.43wt％，余量为锆。

(3)采用低温火焰粒子沉积设备将上述制备原料沉积于铜制绝缘器滑轨基体的表面。低温火焰粒子沉积过程中，加热气体采用丙烷，送粉气体采用氩气，加热气体压强为0.5MPa，送粉气体压强为1MPa，送粉速率为400g/min，喷涂距离为100mm，得到具有0.3mm的铜包覆铬锆添加石墨复合涂层的绝缘器滑轨。

采用同实施例1的测试方法进行测试，其结果如下：

涂层的结合强度为47MPa，涂层的摩擦系数为0.28，涂层磨损率较低。此外，涂层孔隙率较低，电导率为81.2％IACS。

实施例3

本实施例提供一种铜制绝缘器滑轨基体，其经以下方式制得：

(1)采用粒度为200-600μm的石英喷砂机对铜制绝缘器滑轨基体打磨8min，使其表面粗糙度达到Ra3～Ra20。

(2)采用300目和400目筛子对铬锆包覆铜粉末和石墨粉末筛粉20min，使粉末粒径在40-60μm之间，筛选出符合要求的粉末粒径，采用搅拌机对两种粉末进行混合以得到制备原料，其中石墨粉末占整个制备原料的质量分数为10％；

其中，铬锆铜粉末中铜的含量为99.22wt％，铬含量为0.43wt％，余量为锆。

(3)采用低温火焰粒子沉积设备将上述制备原料沉积于铜制绝缘器滑轨基体的表面。低温火焰粒子沉积过程中，加热气体采用丙烷，送粉气体采用氩气，加热气体压强为0.5MPa，送粉气体压强为1MPa，送粉速率为400g/min，喷涂距离为100mm，得到具有0.3mm的铜包覆铬锆添加石墨复合涂层的绝缘器滑轨。

采用同实施例1的测试方法进行测试，其结果如下：

涂层的结合强度为48MPa，涂层的摩擦系数为0.26，涂层磨损率较低。此外，涂层孔隙率较低，电导率为82.6％IACS。

实施例4

本实施例提供一种铜制绝缘器滑轨基体，其经以下方式制得：

(1)采用粒度为200-600μm的石英喷砂机对铜制绝缘器滑轨基体打磨10min，使其表面粗糙度达到Ra3～Ra20；

(2)采用300目和400目筛子对铜包覆铬锆粉末和石墨粉末筛粉15min，使粉末粒径在40-60μm之间，筛选出符合要求的粉末粒径，采用搅拌机对两种粉末进行混合以得到制备原料，其中石墨粉末占整个制备原料的质量分数为5％；

其中，铬锆铜粉末中铜的含量为99.22wt％，铬含量为0.43wt％，余量为锆。

(3)采用低温火焰粒子沉积设备将上述制备原料沉积于铜制绝缘器滑轨基体的表面。低温火焰粒子沉积过程中，气体采用丙烷，送粉气体采用氩气，加热气体压强为0.5MPa，送粉气体压强为1.2MPa，送粉速率为400g/min，喷涂距离为100mm，得到具有0.3mm的铜包覆铬锆添加石墨复合涂层的绝缘器滑轨。

采用同实施例1的测试方法进行测试，其结果如下：

涂层的结合强度为52MPa，涂层的摩擦系数为0.24，涂层磨损率较低。此外，涂层孔隙率较低，电导率为83.1％IACS。

实施例5

本对比例与实施例1基本相同，不同之处仅在于：低温火焰粒子沉积设备采用氮气作为送粉气体，石墨粉末占整个制备原料的质量分数为10％。

采用同实施例1的测试方法进行测试，其结果如下：

涂层的结合强度为42MPa，涂层的摩擦系数为0.25，涂层磨损率较低。此外，涂层孔隙率较低，电导率为79.4％IACS。

实施例6

本对比例与实施例2基本相同，不同之处仅在于：低温火焰粒子沉积设备采用氮气作为送粉气体，石墨粉末占整个制备原料的质量分数为15％。

采用同实施例1的测试方法进行测试，其结果如下：

涂层的结合强度为37MPa，涂层的摩擦系数为0.23，涂层磨损率较低。此外，涂层孔隙率较低，电导率为81.3％IACS。

实施例7

本对比例与实施例3基本相同，不同之处仅在于：低温火焰粒子沉积设备加热气体压强为0.7MPa。

采用同实施例1的测试方法进行测试，其结果如下：

涂层的结合强度为45MPa，涂层的摩擦系数为0.24，涂层磨损率较低。此外，涂层孔隙率较低，电导率为82.7％IACS。

实施例8

本对比例与实施例4基本相同，不同之处仅在于：低温火焰粒子沉积设备加热气体压强为0.7MPa。

采用同实施例1的测试方法进行测试，其结果如下：

涂层的结合强度为37MPa，涂层的摩擦系数为0.27，涂层磨损率较低。此外，涂层孔隙率较低，电导率为80.7％IACS。

实施例9

本对比例与实施例1基本相同，不同之处仅在于：粉末粒径在10-40μm之间，加热气体压强为0.3MPa，送粉气体压强为0.3MPa，送粉速率为350g/min，喷涂距离为100mm。

采用同实施例1的测试方法进行测试，其结果如下：

涂层的结合强度为51MPa，涂层的摩擦系数为0.29，涂层磨损率较低。此外，涂层孔隙率较低，电导率为80.1％IACS。

实施例10

本对比例与实施例1基本相同，不同之处仅在于：粉末粒径在10-40μm之间，加热气体压强为1MPa，送粉气体压强为1.5MPa，送粉速率为450g/min，喷涂距离为100mm。

采用同实施例1的测试方法进行测试，其结果如下：

涂层的结合强度为35MPa，涂层的摩擦系数为0.29，涂层磨损率较低。此外，涂层孔隙率较低，电导率为78.7％IACS。

对比例

以实施例1-10为例，设置对比例1-10：

对比例1与实施例1基本相同，区别仅在于：制备原料不含石墨粉末，该部分石墨粉末由等量的铜包覆铬锆粉末补充；

对比例2与实施例1基本相同，区别仅在于：石墨粉末在制备原料中的含量为50wt％。

对比例3与实施例2基本相同，区别仅在于：铬锆铜粉末的粒径以及石墨粉末的粒径为150μm。

对比例4与实施例3基本相同，区别仅在于：铬锆铜粉末中，铜的含量为98.2wt％。

对比例5与实施例4基本相同，区别仅在于：加热气体压强为0.2MPa。

对比例6与实施例5基本相同，区别仅在于：送粉气体压强为0.2MPa。

对比例7与实施例6基本相同，区别仅在于：送粉速率为200g/min。

对比例8与实施例8基本相同，区别仅在于：喷嘴距离基体的距离为300mm。

对比例9与实施例9基本相同，区别仅在于：采用等离子喷涂方式进行沉积，沉积工艺为：等离子喷涂设备功率在20-40KW，喷涂距离为60-100mm，电流为350-450A，气体采用Ar、N₂和H₂。

对比例10与实施例10基本相同，区别仅在于：含铜复合涂层与绝缘器滑轨本体之间设有厚度为0.028mm的镍层。

按实施例1的测试方法对上述对比例1-10所得的产品进行性能测试，且结果如下：

通过对比可以得出：以本申请提供的方法制备得到的涂层具有较低的孔隙率，与基体之间能够具有良好的结合强度，相应的绝缘器滑轨同时具有较低的摩擦系数、较高的导电性能以及耐磨性能。

综上所述，本申请通过以超音速低温火焰固态颗粒沉积方式进行沉积，制备温度低、周期短、成本低、效率高，可在不改变组织性能的前提下均匀地将石墨弥散于复合涂层中。相较于其他涂层制备技术，所得的涂层中铜氧化面积较少。制备原料包括铜基材料粉末和石墨粉末，可在保证涂层质量的同时增加涂层与基体的结合强度，并使涂层具有较高的导电性。具有上述复合涂层的绝缘器滑轨在高速摩擦的过程中，石墨颗粒脱落可在摩擦副之间形成一层润滑性高的石墨润滑膜，达到减磨的效果。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。