CN110265850B

CN110265850B - 一种电机用电刷的制备方法及所获得的电刷

Info

Publication number: CN110265850B
Application number: CN201910667929.2A
Authority: CN
Inventors: 赵勇; 刘成东
Original assignee: ZIGONG HENGJI ELECTRIC CARBON FACTORY
Current assignee: ZIGONG HENGJI ELECTRIC CARBON FACTORY
Priority date: 2019-07-23
Filing date: 2019-07-23
Publication date: 2021-06-25
Anticipated expiration: 2039-07-23
Also published as: CN110265850A

Abstract

本发明实施例公开了一种电机用电刷的制备方法，所述方法包括采用微膨胀石墨粉制备电刷坯体的步骤，其中所述微膨胀石墨粉为通过对鳞片石墨进行膨化处理获得，且膨胀倍数在1‑5倍之间。其中采用浸渍混捏法制备可塑性微膨胀石墨。通过该方法制备的电刷润滑性能好，产品结构强度高，从而大大提高了电刷以及电机的寿命。本发明还提供了通过所述制备方法获得的电刷。

Description

一种电机用电刷的制备方法及所获得的电刷

技术领域

本发明涉及电机制备技术领域，具体涉及一种电机用电刷的制备方法及所获得的电刷。

背景技术

目前，随着电机尤其是很多微型电机设计的轻量化、高功率化、长寿命化的趋势，电机对电刷的性能要求越来越高。电刷作为电机的一个核心零部件，起到导入导出电流和换向的作用，其性能的好坏直接决定电机的寿命。在电机工作过程中，电刷与换相器接触并高速旋转，在将电能通过换相器输送给线圈的同时，作为滑动接触和导电体会产生机械磨损和电气磨损，这是影响电刷寿命的主要原因。要降低磨损延长使用寿命，就需要制备产品结构强度和电气性能高的电刷。

目前电刷制备的主要原材料是鳞片石墨，其能提供良好的润滑性和导电性能，但是常规鳞片石墨不能够直接压制成型，所以在电刷成型制备中，需要对鳞片石墨表面涂覆施加粘结剂，粘结剂通常包括沥青和各种酚醛树脂，涂覆粘结剂的方法是使用双Z型混捏机，将树脂使用无水乙醇溶解直接加入到混捏锅中，进行搅拌混捏。涂覆的粘结剂和鳞片石墨的结合力只有机械结合力，该结合力和鳞片石墨表面的形貌关系很大。常规的鳞片石墨是很完整的鳞片状，表面光滑，因此粘结剂涂覆的结合力小，制备出的电刷在使用过程中磨损时颗粒间的抗剥离能力就很弱。

作为一种新型功能性碳素材料，膨胀石墨(Expanded Graphite，EG)是由鳞片石墨经插层、水洗、干燥、高温膨化得到的一种疏松多孔的蠕虫状物质。EG除了具备天然石墨本身的耐冷热、耐腐蚀、自润滑等优良性能以外，还具有天然石墨所没有的柔软、压缩回弹性、吸附性等特性。

目前，常规的膨胀石墨，膨胀倍数在100-500倍，这种石墨充分地把石墨层片间的间距撑大，孔隙非常发达，同时石墨颗粒的尺寸也很大，因而不适合直接用来加粘结剂制备电刷。

发明内容

鉴于上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种电机用电刷的制备方法，通过该方法制备的电刷润滑性能好，产品结构强度高，从而大大提高了电刷以及电机的寿命。本发明还提供了通过所述制备方法获得的电刷。

为实现上述目的，本发明实施例的一个方面提供一种电机用电刷的制备方法，所述方法包括采用微膨胀石墨粉制备电刷坯体的步骤，其中所述微膨胀石墨粉为通过对鳞片石墨进行膨化处理获得，且膨胀倍数在1-5倍之间。所述膨化处理可采用插层法进行。

进一步的，所述微膨胀石墨粉的膨胀倍数在2-3倍之间。

在一个实施方案中，所述制备方法包括下列步骤：

1)制备微膨胀石墨粉；2)制备可塑性微膨胀石墨粉；3)制备电刷压粉；4)制备电刷坯体；5)对电刷坯体进行热处理；以及6)按尺寸进行加工获得电刷。

进一步的，步骤1)具体包括下列步骤：

1.1)将粒度为270-325目的鳞片石墨粉加入98％的浓硫酸中，鳞片石墨粉与浓硫酸的质量比为(0.8-1.2):3，搅拌1-5分钟；

1.2)再加入35％浓度的双氧水，双氧水加入量为鳞片石墨粉质量的5％-10％，再搅拌1-5分钟；

1.3)水洗至溶液为中性，过滤，然后在105℃进行烘干处理，至料粉水分含量小于1％；

1.4)将马弗炉升温至900℃，然后将烘干的膨化石墨粉放入炉膛中，充分膨化2-5秒，取出后冷却得到所述微膨胀石墨粉。

作为一个优选实施方案，步骤1.1)中鳞片石墨的粒度为300目；鳞片石墨粉与浓硫酸的质量比为1:3，搅拌2-4分钟。

作为一个优选实施方案，步骤1.2)中双氧水加入量为鳞片石墨粉质量的6％-8％，再搅拌2-4分钟。

进一步的，步骤2)具体包括下列步骤：

2.1)使用相对于所述微膨胀石墨粉为18质量％的酚醛树脂作为粘结剂，使用3.5-4倍于酚醛树脂质量的无水乙醇将酚醛树脂完全溶解；

2.2)将所述微膨胀石墨粉加入浸渍混捏罐中，闭盖进行抽真空处理，抽真空时间50-80分钟，真空度小于-0.02MPa；

2.3)将溶解好的酚醛树脂溶液抽入到浸渍混捏罐中，加压0.8-1.4MPa搅拌30-60分钟，加热浸渍混捏罐到75-85℃，蒸发去除无水乙醇至料粉发散，泄压出料；

2.4)将发散的料粉在78℃-83℃下干燥10-12小时，至料粉中的挥发分小于1％；

2.5)将料粉破碎，过50目筛网，然后将筛下料粉混合25-50分钟，制得所述可塑性微膨胀石墨粉。

作为一个优选实施方案，步骤2.1)中使用3.6-3.9倍于酚醛树脂质量的无水乙醇将酚醛树脂完全溶解，优选使用3.8倍于酚醛树脂质量的无水乙醇将酚醛树脂完全溶解。

作为一个优选实施方案，步骤2.2)中抽真空时间60-70分钟。

作为一个优选实施方案，步骤2.3)中加压1.0-1.2MPa搅拌40-50分钟，加热浸渍罐到78-82℃。

作为一个优选实施方案，步骤2.4)中将发散的料粉在80℃下干燥11小时。

作为一个优选实施方案，步骤2.5)中使用齿盘式打粉机将料粉破碎；将筛下料粉混合30-40分钟。

进一步的，步骤3)具体包括下列步骤：

将电解铜粉25wt％、可塑性微膨胀石墨粉67.5wt％、二硫化钼粉2.5wt％和镀铜石墨粉5wt％依次加入鼓式混均机中，混均60分钟，制成所述电刷压粉。

其中，所述电解铜粉可以通过例如硫酸溶液电解法制得，外观呈均匀浅玫瑰红色，广泛用于粉末冶金。所述二硫化钼粉为铅灰色或黑色有光泽粉末，用作固体润滑剂。所述镀铜石墨粉可以例如采用化学镀的工艺方法在石墨粉表面镀覆铜层获得，具有良好的导电性、导热性和优越的自润滑性能，较高的机械强度和良好的防咬合性能和耐磨性能。

进一步的，步骤4)具体包括下列步骤：

将所述电刷压粉在模具中进行压制，采用100T液压机，压力控制在1.5-2.5T/cm²，压制速度控制在3-8模/min，得到作为压制生坯的所述电刷坯体。

此压制步骤例如可以通过液压机进行；所述模具尺寸可根据需要制备的电刷尺寸进行设置，例如模具尺寸可以为25mm*15mm*60mm，或者可以为20mm*10mm*32mm，或者10mm*6mm*20mm等，在此不再赘述。

进一步的，步骤5)具体包括下列步骤：

采用连续式热处理炉，使用氮气:氢气＝1:3体积比的混合气体做保护气氛，升温速度控制在2℃/min，至最高热处理温度650℃-750℃，保持1-2h，对电刷坯体进行热处理。

并且，在步骤6)中，将经过热处理后的电刷坯体按照产品尺寸要求进行加工，得到长寿命的润滑性能良好的电机用电刷。

本发明实施例的另一个方面还提供一种电机用电刷，所述电机用电刷通过上述任一种制备方法获得。

本发明实施例的技术方案具有如下优点：

1、本发明对电刷制备原材料鳞片石墨进行微膨化处理，膨胀倍数控制在1-5倍的范围内，让鳞片石墨表面含有适当数量、尺寸和形态的开口气孔，这种微膨胀石墨在与粘结剂混捏时，能够使部分粘结剂伸入到表面微膨化孔中去，从而能够有效增加粘结剂与石墨的机械结合力。

2、相比于现有技术中对于鳞片石墨粉进行可塑性处理时采用双Z型混捏机进行常压混捏，本发明方法中尤其有益的是，采用浸渍混捏法进行先抽真空再加压的工艺对微膨胀石墨粉进行处理，即先将微膨胀石墨粉进行抽真空处理，然后吸入粘结剂溶液，此时由于负压吸力能够使粘结剂吸入微膨胀石墨粉的微细孔隙中，然后再加压进行粘结剂处理，这样就可以让粘结剂更加深入地进入到微膨胀石墨粉的内部，进一步提高微膨胀石墨粉同粘结剂的机械结合力。

3、相比现有技术，通过本发明方法获得的电刷抗折强度能够提高40％，电刷在磨损过程中微观颗粒的抗剥离能力显著提高，电刷50小时的耐磨寿命提高近70％。

4、该方法工艺简单，具有较高的实际应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

图1为本发明实施例提供的微膨胀石墨在膨化前的鳞片石墨的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的微膨胀石墨的结构示意图。

图3为鳞片石墨层状结构。

图4为鳞片石墨涂覆酚醛树脂粘结剂的结构示意图。

图5为微膨胀石墨涂覆酚醛树脂粘结剂的结构示意图。

其中附图标记为：

1、鳞片石墨(粉)；2、微膨胀石墨(粉)；3、酚醛树脂粘结剂。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例提供了一种电机用电刷的制备方法，该方法采用插层法对鳞片石墨进行膨化处理，控制膨化倍数在1-5倍之间，得到如图2所示结构的微膨胀石墨粉。相比于图1中未处理的鳞片石墨以及图3显示的鳞片石墨层状结构，经过本发明方法处理的微膨胀石墨粉仅在石墨粉颗粒的部分处有较大结构变化，层距撑大，孔隙发达；而在颗粒的其它部分有较小结构变化或没有变化，这样在石墨表面含有适当数量、尺寸和形态的开口气孔的同时，石墨颗粒的整体尺寸并没有产生很大变化，使得更加适合于同涂覆的粘结剂相结合力，增加机械结合力，从而使得制备出的电刷在使用过程中相比于现有技术的电刷磨损时颗粒间的抗剥离能力优秀。所述方法具体包括下列步骤：

1)制备微膨胀石墨粉

1.1)将粒度为300目的鳞片石墨粉加入98％的浓硫酸中，鳞片石墨粉与浓硫酸的质量比为1:3，搅拌4分钟；

1.2)再加入35％浓度的双氧水，双氧水加入量为鳞片石墨粉质量的8％，再搅拌3分钟；

1.4)将马弗炉升温至900℃，然后将烘干的膨化石墨粉放入炉膛中，充分膨化5秒，取出后冷却得到所述微膨胀石墨粉。

2)制备可塑性微膨胀石墨粉

2.1)使用相对于所述微膨胀石墨粉为18质量％的酚醛树脂作为粘结剂，使用3.8倍于酚醛树脂质量的无水乙醇将酚醛树脂完全溶解；

2.2)将所述微膨胀石墨粉加入浸渍混捏罐中，闭盖进行抽真空处理，抽真空时间60分钟，真空度小于-0.02MPa；

2.3)将溶解好的酚醛树脂溶液抽入到浸渍混捏罐中，加压1.2MPa搅拌45分钟，加热浸渍混捏罐到80℃，蒸发去除无水乙醇至料粉发散，泄压出料；

2.4)将发散的料粉在80℃下干燥11小时，至料粉中的挥发分小于1％；

2.5)使用齿盘式打粉机将料粉破碎，过50目筛网，然后将筛下料粉混合30分钟，制得所述可塑性微膨胀石墨粉。

3)制备电刷压粉

4)制备电刷坯体

将所述电刷压粉在25mm*15mm*60mm模具中进行压制，采用100T液压机，压力控制在2.0T/cm²，压制速度控制在5模/min，得到作为压制生坯的所述电刷坯体。

5)对电刷坯体进行热处理

采用连续式热处理炉，使用氮气:氢气＝1:3体积比的混合气体做保护气氛，升温速度控制在2℃/min，至最高热处理温度720℃，保持1.5h，对电刷坯体进行热处理。

6)按尺寸进行加工获得电刷

将经过热处理后的电刷坯体按照产品要求进行加工，得到本发明的电机用电刷。其中，制备的电刷中的微观结构为微膨胀石墨涂覆酚醛树脂粘结剂，其结构示意图如图5所示。如图所示，在采用微膨胀石墨粉2的基础上，配合采用浸渍混捏法进行先抽真空再加压的工艺对微膨胀石墨粉2进行处理，使得通过先抽真空，然后吸入粘结剂溶液，然后再加压进行粘结剂处理的工艺，使得例如酚醛树脂粘结剂3能够更加深入地进入到微膨胀石墨粉2的内部的微细孔隙中，进一步提高微膨胀石墨粉2同粘结剂3的机械结合力。

比较例1

在实施例的基础上，将其中步骤1)制备的微膨胀石墨粉替换为普通鳞片石墨，并进行后续其余步骤，其余步骤及参数相同，最终获得比较例的电机用电刷，电刷尺寸和形状同实施例1中的电刷完全相同。

其中，制备的电刷中的微观结构为微膨胀石墨涂覆酚醛树脂粘结剂，其结构示意图如图4所示。如图所示，由于鳞片石墨1没有经过膨化步骤，因此酚醛树脂粘结剂3无法进入石墨粉1内部，从而难以改善石墨粉1同粘结剂3的机械结合力。

性能测试

1)测试方法

根据JB/T 8133.7-2013，在相同试验条件下，对实施例1和比较例1中获得的电刷分别进行抗折强度测试；并且

根据JB/T 8155-2001，在相同试验条件下，对实施例1和比较例1中获得的电刷分别进行50小时耐久试验。

2)测试结果见下表：

由上表可以看出，相比于对比例1中获得的电刷，本发明实施例1中获得的电刷抗折强度提高了约40％；而电刷50小时的磨损量降低了42％，寿命提高了70％以上。

由此，通过本发明制备的电刷，可获得抗折强度和微观颗粒的抗剥离能力显著提高的产品，从而使应用本发明电刷的电机能获得更长的使用寿命。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims

1.一种电机用电刷的制备方法，其特征在于，所述方法包括采用微膨胀石墨粉制备电刷坯体的步骤，其中所述微膨胀石墨粉为通过对鳞片石墨进行膨化处理获得，且膨胀倍数在1-5倍之间；

所述制备方法包括下列步骤：

1)制备微膨胀石墨粉；2)制备可塑性微膨胀石墨粉；3)制备电刷压粉；4)制备电刷坯体；5)对电刷坯体进行热处理；以及6)按尺寸进行加工获得电刷，其中

步骤1)具体包括下列步骤：

1.4)将马弗炉升温至900℃，然后将烘干的膨化石墨粉放入炉膛中，充分膨化2-5秒，取出后冷却得到所述微膨胀石墨粉；

步骤2)具体包括下列步骤：

2.5)将料粉破碎，过50目筛网，然后将筛下料粉混合25-50分钟，制得所述可塑性微膨胀石墨粉；

步骤3)具体包括下列步骤：将电解铜粉25wt％、可塑性微膨胀石墨粉67.5wt％、二硫化钼粉2.5wt％和镀铜石墨粉5wt％依次加入鼓式混均机中，混均60分钟，制成所述电刷压粉。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤4)具体包括下列步骤：将所述电刷压粉在模具中进行压制，采用100T液压机，压力控制在1.5-2.5T/cm²，压制速度控制在3-8模/min，得到作为压制生坯的所述电刷坯体。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤5)具体包括下列步骤：采用连续式热处理炉，使用氮气:氢气＝1:3体积比的混合气体做保护气氛，升温速度控制在2℃/min，至最高热处理温度650℃-750℃，保持1-2h，对电刷坯体进行热处理。

4.一种电机用电刷，其特征在于，所述电机用电刷通过权利要求1-3中任一项所述的制备方法获得。