CN103447531A - 一种银-二硫化钨复合材料电刷-滑环系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种银-二硫化钨复合材料电刷-滑环系统，由银-二硫化钨复合电刷和AgCu10滑环构成；该电刷-滑环系统使用时稳定性高，使用寿命长，能耗少；相对于传统的银（铜）-二硫化钼或银（铜）-石墨材料具有更好的效果，应用范围广。

Description

一种银-二硫化钨复合材料电刷-滑环系统
技术领域
本发明涉及一种银-二硫化钨复合材料电刷-滑环系统；属于电刷材料改性领域。
背景技术
银具有极高的电导率和热导率，是理想的电接触材料。目前，银基固体自润滑材料主要用于航空航天器中电接触元件，如同步轨道卫星和国际空间站上的电能传输组件。
电刷中固体润滑剂是解决高负荷、高低温度、高真空、强辐射和强腐蚀工况条件下润滑问题的关键，因此要求它必须具备以下特性：较好的耐磨性能和较低的摩擦系数；与金属基体的附着力要强；在一定的温度范围或气氛中，能保持性能稳定而不起化学反应。另外，要保证电信号传输的可靠性要求刷-环之间的接触稳定，能量利用率高。
随着航天器大型化的需要以及航天器在轨寿命需求的提升，航天器的功率需求增幅显著，现有材料体系均无法满足长寿命的要求，现役银基固体自润滑材料由于磨损率较高，亦无法满足大型航天器服役寿命要求。
发明内容
本发明针对现有技术中用于航天器的电刷-滑环系统存在使用寿命短的缺陷，目的是在于提供一种使用寿命长，使用时稳定性高，能耗少的银-二硫化钨复合材料电刷-滑环系统。
本发明提供了一种银-二硫化钨复合材料电刷-滑环系统，由AgCu10滑环和银-二硫化钨复合电刷构成；所述的银-二硫化钨复合电刷由以下质量百分比组分通过粉末冶金中的热压法制得：Ag-Cu合金粉72～80%，二硫化钨粉20～28%，其中，Ag-Cu合金粉末中Cu的质量百分含量不大于5%。
所述Ag-Cu合金粉粒度<38μm。
所述的二硫化钨粉粒度为600～800nm。
所述的热压法工艺参数条件：热压温度900～920℃，目标压力20～30MPa，保温时间20～25min，保护气氛为氮气或氩气。
所述的AgCu10硬度为120HB。
本发明的银-二硫化钨复合材料电刷-滑环系统的制备，包括以下步骤：
1）铜合金滑环材料的制备：将银、铜金属原料经熔炼、铸造、轧制、热处理，得到AgCu10滑环；
2）银-二硫化钨复合材料电刷的制备：
a、过筛：将Ag-Cu合金粉过筛，筛取粒度<38μm的粉末，然后在50～70℃下干燥20～28h，封装待用；将粒度600～800nm的二硫化钨粉在50～70℃下干燥20～28h，封装待用；
b、混料：按照比例称取步骤a过筛和干燥后的二硫化钨粉和Ag-Cu合金粉放入球磨罐中进行球磨，最终获得混合均匀的粉末；其中，混合粉和铜球以球料比1:2放入球磨罐中，转速150～250r/min球磨10～12h；
c、热压：将步骤b所得的混合粉末装入模具内，将模具置于热压机中热压，在升温的同时循序加压，目标热压温度900～920℃，目标压力20～30MPa，保温时间20～25min，保护气体为氩气或氮气；热压完成后随炉冷却，即获得银-二硫化钨基复合材料电刷压片。
本发明的有益效果：本发明在传统的银（铜）-二硫化钼或银（铜）-石墨的基础上进行改性研究，大量实验研究后，最终优选具有层状密排六方结构的WS2代替石墨或二硫化钼作为润滑剂来制备复合电刷，意外发现，该复合电刷配合AgCu10滑环的电刷-滑环体系具有使用稳定性高，使用寿命长，能耗少的特点。本发明选择粒度为600～800nm的二硫化钨粉结合粉末冶金热压工艺，将二硫化钨粉末均匀分散融合在银铜基体中，意外发现，二硫化钨与银铜基体有较好的相容性，且没有发生二硫化钨的分解和银的硫化反应（如图2所示二硫化钨未分解也未与银基体发生化学反应），材料之间的协同作用加强，大大提高了其机械性能，制得致密度高的复合材料电刷，与传统的银（铜）-二硫化钼或银（铜）-石墨电刷相比（硬度60HB，抗弯强度150MPa），明显提高了其的力学性能，硬度提高到了70HB以上，抗弯强度提高到了170MPa以上；并且润滑效果表现突出：与AgCu10滑环对偶时的摩擦系数为0.15～0.2，与以二硫化钼为润滑剂的雾化银铜粉所制备的材料（摩擦系数0.12～0.30）相比，本发明电刷摩擦系数变化范围更小。特别突出的是该复合电刷与AgCu10配套使用时，电刷-环系统接触电阻<0.65mΩ，低的摩擦系数和接触电阻能提高航天器或卫星中电信号传输的稳定性和能量的利用率；并且系统摩擦磨损性能优异，在载荷5N、滑动速度0.21m/s条件下，刷环间产生的磨屑极少，电刷的体积磨损率<8.5×10-15m3/N·m，与相同条件下，Ag-Cu-MoS2材料（体积磨损率<8×10-14m3/N·m）相比降低了一个数量级，在载荷5N，转速0.21m/s，直径为50mm的滑环上使用寿命大于60万转。
附图说明
【图1】是所用二硫化钨粉显微形貌图：从图中显示二硫化钨呈片层状。
【图2】是实施例1所制得的银-二硫化钨基复合材料的XRD图：从图中可以看出电刷中只包含两种物质，说明二硫化钨未分解也未与银基体发生化学反应。
具体实施方式
以下实施例旨在进一步说明本发明，而不是限制本发明的保护范围。
实施例
按质量百分比将80%的Ag-2.5Cu合金粉（-400目）与20%的WS2粉末（粒度600～800nm）均匀混合，然后按照粉末冶金热压法制备银-二硫化钨复合材料电刷，热压温度900～920℃，目标压力25MPa，保温时间25min，保护气氛为氮气或氩气。采用上述配方和工艺制得的电刷相对密度为99.2%，硬度（HB）为70，电阻率为4.88×10-8Ω·m；在载荷5N、滑动速度0.21m/s条件下，与AgCu10滑环（直径50mm）对偶时体积磨损率为8.5×10-15m3/N·m，使用寿命大于60万转，静态接触电阻<0.6mΩ，平均摩擦系数为0.189。
实施例2
按质量百分比将76%的Ag-2.5Cu合金粉（-400目）与24%的WS2粉末（粒度600～800nm）均匀混合，然后按照粉末冶金热压法制备银-二硫化钨复合材料电刷，热压温度900～920℃，目标压力25MPa，保温时间25min，保护气氛为氮气或氩气。采用上述配方和工艺制得的电刷相对密度为99.4%，硬度（HB）为70.5，电阻率为5.43×10-8Ω·m；在载荷5N、滑动速度0.21m/s条件下，与AgCu10滑环（直径50mm）对偶时体积磨损率为8.0×10-15m3/N·m，使用寿命大于60万转，静态接触电阻<0.65mΩ，平均摩擦系数为0.179。
实施例3
按质量百分比将72%的Ag-2.5Cu合金粉（-400目）与28%的WS2粉末（粒度600～800nm）均匀混合，然后按照粉末冶金热压法制备银-二硫化钨复合材料电刷，热压温度900～920℃，目标压力25MPa，保温时间25min，保护气氛为氮气或氩气。采用上述配方和工艺制得的电刷相对密度为99.6%，硬度（HB）为71.4，电阻率为6.39×10-8Ω·m；在载荷5N、滑动速度0.21m/s条件下，与AgCu10滑环（直径50mm）对偶时体积磨损率为7.5×10-15m3/N·m，使用寿命大于65万转，静态接触电阻<0.65mΩ，平均摩擦系数为0.172。
实施例4
按质量百分比将76%的Ag-3Cu合金粉（-400目）与24%的WS2粉末（粒度600～800nm）均匀混合，然后按照粉末冶金热压法制备银-二硫化钨复合材料电刷，热压温度900～920℃，目标压力25MPa，保温时间25min，保护气氛为氮气或氩气。采用上述配方和工艺制得的电刷相对密度为98.2%，硬度（HB）为73.5，电阻率为6.17×10-8Ω·m；在载荷5N、滑动速度0.21m/s条件下，与AgCu10滑环（直径50mm）对偶时体积磨损率为7.4×10-15m3/N·m，使用寿命大于65万转，静态接触电阻<0.41mΩ，平均摩擦系数为0.2。
实施例5
按质量百分比将76%的Ag-4Cu合金粉（-400目）与24%的WS2粉末（粒度600～800nm）均匀混合，然后按照粉末冶金热压法制备银-二硫化钨复合材料电刷，热压温度900～920℃，目标压力25MPa，保温时间25min，保护气氛为氮气或氩气。采用上述配方和工艺制得的电刷相对密度为98.9%，硬度（HB）为75.5，电阻率为5.37×10-8Ω·m；在载荷5N、滑动速度0.21m/s条件下，与AgCu10滑环（直径50mm）对偶时体积磨损率为5.3×10-15m3/N·m，使用寿命大于75万转，静态接触电阻<0.51mΩ，平均摩擦系数为0.197。
实施例6
按质量百分比将76%的Ag-5Cu合金粉（-400目）与24%的WS2粉末（粒度600～800nm）均匀混合，然后按照粉末冶金热压法制备银-二硫化钨复合材料电刷，热压温度900～920℃，目标压力25MPa，保温时间25min，保护气氛为氮气或氩气。采用上述配方和工艺制得的电刷相对密度为98%，硬度（HB）为82，电阻率为6.4×10-8Ω·m；在载荷5N、滑动速度0.21m/s条件下，与AgCu10滑环（直径50mm）对偶时体积磨损率为3.3×10-15m3/N·m，使用寿命大于80万转，静态接触电阻<0.57mΩ，平均摩擦系数为0.177。

Claims (3)

1.一种银-二硫化钨复合材料电刷-滑环系统，其特征在于，由AgCu10滑环和银-二硫化钨复合电刷构成；所述的银-二硫化钨复合电刷由以下质量百分比组分通过粉末冶金中的热压法制得：Ag-Cu合金粉72～80%，二硫化钨粉20～28%，其中，Ag-Cu合金粉中Cu的质量百分比含量不大于5%。
2.根据权利要求1所述的银-二硫化钨复合材料电刷-滑环系统，其特征在于，
所述Ag-Cu合金粉粒度<38μm；所述二硫化钨粉的粒度为600～800nm。
3.根据权利要求1所述的银-二硫化钨复合材料电刷-滑环系统，其特征在于，所述的热压法工艺参数条件：热压温度900～920℃，目标压力20～30MPa，保温时间20～25min，保护气氛为氮气或氩气。
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