CN103464767A - 一种铜-二硫化钨复合材料电刷-滑环系统 - Google Patents

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张雷
曹慧泉
周科朝
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Abstract

本发明公开了一种铜-二硫化钨复合材料电刷-滑环系统，由Cu-5Pb-5Zn-5Sn滑环和铜-二硫化钨复合电刷构成；该电刷-滑环系统运行使用寿命长，稳定性好、能量损耗低，相对现有技术中的铜基石墨润滑材料具有更好的效果，应用范围更广。

Description

一种铜-二硫化钨复合材料电刷-滑环系统
技术领域
本发明涉及一种铜-二硫化钨复合材料电刷-滑环系统；属于电刷技术领域。
背景技术
传统的铜-石墨复合材料有着良好的摩擦磨损性能，但是石墨的润滑特性受吸附气体影响较大，石墨在干燥条件下的润滑性能明显不如其在潮湿空气中的润滑性能，而且铜-石墨复合材料在高速高载荷条件下磨损率较大，因此急需一种新型的、性能更好的固体润滑剂取代石墨来改善电刷材料的性能。
随着现代工业的不断发展，对电刷-滑环系统的稳定性、使用寿命和能量利用率的要求越来越高。这就要求我们开发出更优质的电刷材料，并找出合适的滑环材料与其配对，让电刷-滑环系统获得优良的综合性能。
发明内容
本发明针对现有技术中传统的铜基石墨润滑材料存在高速高载荷条件下磨损率较大的缺陷，使电刷-滑环系统工作稳定性差，使用寿命短，应用受到局限，目的是在于提供一种使用寿命长的铜-二硫化钨复合材料电刷-滑环系统，该电刷-滑环系统运行稳定性好、能量损耗低。
本发明提供了一种铜-二硫化钨复合材料电刷-滑环系统，该电刷-滑环系统由Cu-5Pb-5Zn-5Sn滑环和铜-二硫化钨复合电刷构成；所述的铜-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成：电解铜粉或铜锡合金粉72～92%，二硫化钨粉8～28%。
优选的铜锡合金粉为Cu-Sn10。
所述的电解铜粉或铜锡合金粉粒度<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为：热压温度为800～810℃，目标压力为20～30MPa，保温时间为0.5～2h，保护气氛为氮气或氩气。
所述的Cu-5Pb-5Zn-5Sn滑环布氏硬度为145HB。
本发明的铜-二硫化钨复合材料电刷-滑环系统制备方法包括以下步骤：
1）铜合金滑环材料的制备：铜、铅、锌和锡金属原料经熔炼、铸造、轧制、热处理，获得Cu-5Pb-5Zn-5Sn滑环；
2）铜-二硫化钨复合材料电刷的制备：
a、过筛、干燥：将电解铜粉或者Cu-Sn过筛，筛取粒度<38μm的粉末，然后在50～70℃下干燥20～28h，封装待用；将粒度为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过筛和干燥后的电解铜粉或者Cu-Sn合金粉和二硫化钨粉，采用滚筒型混料机于200～300r/min的转速下对复合粉末进行混合，混合时间6～10h，取出粉末后经密封待用；
c、热压：将步骤b所得的混合料装入热压模具内，在氩气或氮气保护下，将装填好的模具置于热压机中内，在升温的同时循序加压，目标热压温度800～810℃，热压目标压力20～30MPa，保温时间0.5～2h，产品随炉冷却，即得铜-二硫化钨复合电刷。
本发明的有益效果：本发明在现有技术中的铜基石墨固体润滑剂材料的基础上进行改进研究，经过大量实验，最终优选具有层状密排六方结构的WS2代替石墨作为润滑剂来制备复合电刷，取得了意想不到的效果，相对于传统铜基石墨电刷材料来说，本发明的电刷材料的机械性能大大提升，磨损率降低；特别是配合Cu-5Pb-5Zn-5Sn滑环使用时，电刷-滑环系统的稳定性高，使用寿命增加，能耗降低。本发明优选用颗粒大小为600～800nm的二硫化钨并严格控制其质量百分比含量在8～28%，再结合热压法工艺，将二硫化钨粉末均匀分散融合在铜基体中，而意外发现，二硫化钨与铜基的相容性相对石墨更好（如图2所示，复合电刷材料没有明显的孔隙，二硫化钨和基体融合完美），并且没有发生铜的硫化反应（如图3所示，无硫化亚铜生成），材料之间的协同作用加强，大大提高了其机械性能，硬度提高到80HB以上，抗弯强度提高到200MPa以上（铜基石墨材料硬度50HB，抗弯强度150MPa）；特别是将复合电刷结合Cu-5Pb-5Zn-5Sn滑环配套使用时，效果突出最为明显：电刷材料磨损率降低到1×10-13m3/N·m以下（铜基石墨材料1.5×10-13m3/N·m），使用寿命增加到60万转以上（滑环直径40mm)（铜基石墨材料40万转左右），摩擦系数降低到0.18以下（铜基石墨材料摩擦系数由0.21），动态接触电阻也明显降低。
附图说明
【图1】为WS2粉末的显微形貌图：说明使用的WS2粉末形状规整，呈现明显的片层状结构。
【图2】为实施例2的铜-21wt%二硫化钨自润滑复合材料的显微形貌图：说明二硫化钨固体润滑剂均匀的分布且完全融合在铜基体中，复合电刷材料没有明显的孔隙。
【图3】为实施例2的铜-21wt%二硫化钨自润滑复合材料的X射线衍射图谱：说明二硫化钨没有和铜发生反应生成Cu2S相，生成的Cu2S相没有润滑作用，会降低复合材料电刷的性能。
具体实施方式
以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是限制本发明的保护范围。
实施例1
将质量分数为92%的-400目电解铜粉与质量分数为8%的WS2粉末均匀混合，然后按照粉末冶金热压法制备铜-二硫化钨自润滑复合材料，热压温度为800～810℃，目标压力为25MPa，保温时间为1h，保护气氛为氮气或氩气。采用上述配方和工艺制得的复合材料电刷相对密度98.2%，硬度（HB）为81，抗弯强度为276MPa，电阻率为0.031μΩ·m；电刷材料与Cu-5Pb-5Zn-5Sn滑环配对时，在载荷5N，滑动速度2.1m/s，电流密度6.7A/cm2条件下，摩擦系数为0.178，电刷材料磨损率为9.36×10-14m3/N·m，使用寿命大于60万转(滑环直径40mm)，动态接触电阻为8.5mΩ。
实施例2
将质量分数为79%的-400目电解铜粉与质量分数为21%的WS2粉末均匀混合，然后按照粉末冶金热压法制备铜-二硫化钨自润滑复合材料，热压温度为800～810℃，目标压力为25MPa，保温时间为1h，保护气氛为氮气或氩气。采用上述配方和工艺制得的自润滑复合材料相对密度97.1%，硬度（HB）为90.2，抗弯强度为261MPa，电阻率为0.049μΩ·m；电刷材料与Cu-5Pb-5Zn-5Sn滑环配对时，在载荷5N，滑动速度2.1m/s，电流密度6.7A/cm2条件下，摩擦系数0.157，电刷材料磨损率为7.61×10-14m3/N·m，使用寿命大于65万转(滑环直径40mm)，动态接触电阻为15.8mΩ。
实施例3
将质量分数为72%的-400目电解铜粉与质量分数为28%的WS2粉末均匀混合，然后按照粉末冶金热压法制备铜-二硫化钨自润滑复合材料，热压温度为800～810℃，目标压力为25MPa，保温时间为1h，保护气氛为氮气或氩气。采用上述配方和工艺制得的自润滑复合材料相对密度97.9%，硬度（HB）为93.1，抗弯强度为247MPa，电阻率为0.053μΩ·m；电刷材料与Cu-5Pb-5Zn-5Sn滑环配对时，在载荷5N，滑动速度2.1m/s，电流密度6.7A/cm2条件下，摩擦系数为0.151，电刷材料磨损率为6.93×10-14m3/N·m，使用寿命大于65万转(滑环直径40mm)，动态接触电阻为19.3mΩ。
实施例4
将质量分数为79%的-400目Cu-Sn10合金粉与质量分数为21%的WS2粉末均匀混合，然后按照粉末冶金热压法制备铜-二硫化钨自润滑复合材料，热压温度为800～810℃，目标压力为25MPa，保温时间为1h，保护气氛为氮气或氩气。采用上述配方和工艺制得的自润滑复合材料相对密度98.6%，硬度（HB）为89.5，抗弯强度为253MPa，电阻率0.061μΩ·m；电刷材料与Cu-5Pb-5Zn-5Sn滑环配对时，在载荷5N，滑动速度2.1m/s，电流密度6.7A/cm2条件下，摩擦系数为0.179，电刷材料磨损率为7.83×10-15m3/N·m，使用寿命大于80万转(滑环直径40mm)，动态接触电阻为17.7mΩ。
对比实例1
将质量分数为94%的-400目电解铜粉与质量分数为6%的石墨粉末(石墨体积分数与质量分数21%的WS2体积分数相同)均匀混合，然后按照粉末冶金热压法制备铜-石墨自润滑复合材料，热压温度为800-810℃，目标压力为25MPa，保温时间为1h，保护气氛为氮气或氩气。采用上述配方和工艺制得的自润滑复合材料相对密度98.5，硬度（HB）为49.2，抗弯强度为148MPa，电阻率为0.033μΩ·m；电刷材料与Cu-5Pb-5Zn-5Sn滑环配对时，在载荷5N，滑动速度2.1m/s，电流密度6.7A/cm2条件下，摩擦系数为0.209，磨损率为1.53×10-13m3/N·m，使用寿命在40万转左右(滑环直径40mm)，动态接触电阻为22.9mΩ。

Claims (4)

1.一种铜-二硫化钨复合材料电刷-滑环系统，其特征在于，由Cu-5Pb-5Zn-5Sn滑环和铜-二硫化钨复合电刷构成；所述的铜-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成：电解铜粉或铜锡合金粉72～92%，二硫化钨粉8～28%。
2.如权利要求1所述的铜-二硫化钨复合材料电刷-滑环系统，其特征在于，所述的铜锡合金粉为Cu-Sn10。
3.如权利要求1所述的铜-二硫化钨复合材料电刷-滑环系统，其特征在于，所述的电解铜粉或铜锡合金粉粒度<38μm；所述的二硫化钨粉粒度为600～800nm。
4.如权利要求1所述的铜-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为：热压温度为800～810℃，目标压力为20～30MPa，保温时间为0.5～2h，保护气氛为氮气或氩气。
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