CN111799621A - 一种耐高电流电机碳刷复合材料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种耐高电流电机碳刷复合材料，所述耐高电流电机碳刷复合材料按包括以下重量份的原料制造：碳粉40～55份，铜粉32～42份，二硫化钼3～4份，碳化钒3～4份，碳化铬1～5份。该碳刷复合材料有良好的耐磨性，在环境温度120℃，电流强度在25～28A条件下，平均磨损时间可达到1222h。

Description

一种耐高电流电机碳刷复合材料
技术领域
本发明涉及一种新材料领域，特别涉及一种用于电机碳刷的复合材料。
背景技术
碳刷是发电机上的重要部件，用于在发电机的固定部分和转动部分(通常为集电环)之间传递能量或信号，其服役过程中，会不断与集电环发生摩擦，除了普通的机械摩擦磨损外，还伴随着电气磨损。传统的碳刷在高电流条件下会出现磨损加剧和严重的电弧烧蚀等现象，耐磨性大大减弱，磨损时间明显缩短，从而使用寿命明显缩短。因此，开发一种在高电流条件下，仍然具有较好耐磨性的碳刷材料是改进传统碳刷的必然趋势。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供了一种耐高电流电机碳刷复合材料。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种耐高电流电机碳刷复合材料由包括以下重量份的原料制成：碳粉40～55份，铜粉32～42份，二硫化钼3～4份，碳化钒3～4份，碳化铬1～5份。
进一步，优选以下重量份的原料制成：碳粉55份，铜粉35份，二硫化钼3份，碳化钒3份，碳化铬2份。
进一步，所述碳粉为石墨粉。
进一步，所述铜粉为电解铜粉。
进一步，所述耐高电流电机碳刷复合材料通过下述方法制备：
步骤一：将所述碳粉、铜粉、二硫化钼、碳化钒和碳化铬按照比例加入搅拌机中搅拌1h～2h，混合均匀；
步骤二：将混合均匀后的原料装入加压成型机的原料筒内，将粉末压制成坯材，压制压力20MPa～30MPa，保压时间3s～5s；
步骤三：将成型好的坯材均匀放置在工业电炉中烧结成碳块，烧结条件为：在氩气保护下烧制5h～8h，烧制温度850℃～900℃；
步骤四：烧结好的碳块加工成碳刷条。
本发明还提供了所述耐高电流电机碳刷复合材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：
步骤一：将所述碳粉、铜粉、二硫化钼、碳化钒和碳化铬按照比例加入搅拌机中搅拌1h～2h；
步骤二：将混合均匀后的原料装入加压成型机的原料筒内，填冲机构自动将粉末加入模具型腔，将粉末压制成坯材，压制压力20MPa～30MPa，保压时间3s～5s；
步骤三：将成型好的坯材均匀放置工业电炉中烧结成碳块，烧结条件为：在氩气保护下烧制5h～8h，烧制温度850℃～900℃；
步骤四：烧结好的碳块加工成碳刷条。
本发明的有益效果是：
1.加入碳化铬使碳刷复合材料具有很好的耐磨性能。
2.二硫化钼具能与碳产生良好的协同效应，增强碳刷复合材料的润滑性能。
3.碳化钒具有一些特殊性能，可以提高材料的耐磨性、韧性、强度及热疲劳等综合力学性能，添加微量碳化钒能明显提高复合材料断裂韧性，延长材料使用寿命。
4.本发明的碳刷复合材料在环境温度120℃，电流强度在25～28A条件下，平均磨损时间可达到1222h。
具体实施方式
本发明中，碳粉来源于天然石墨粉末，碳含量≥99％，粒度<45um；
铜粉来源于电解铜粉，纯度≥99.5％，粒度<44.5um，松装比为0.5-1.0g/cm3；
二硫化钼为灰色粉末，纯度>98.0％，粒度<44.5um；
碳化钒纯度≥99％，平均粒度50nm，松装比为1.9-2.0g/cm3；
碳化铬为Cr3C2，纯度≥99％，平均粒度100nm，松装比为2.1-2.2g/cm3。
将以下重量份原料制备成碳刷复合材料：碳粉40～55份，铜粉32～42份，二硫化钼3～4份，碳化钒3～4份，碳化铬1～5份。
所述耐高电流电机碳刷复合材料通过下述方法制备：
步骤一：将所述碳粉、铜粉、二硫化钼、碳化钒和碳化铬按照比例加入搅拌机中搅拌1h～2h，混合均匀；
步骤二：将混合均匀后的原料装入加压成型机的原料筒内，将粉末压制成坯材，压制压力20MPa～30MPa，保压时间3s～5s；
步骤三：将成型好的坯材均匀放置在工业电炉中烧结成碳块，烧结条件为：在氩气保护下烧制5h～8h，烧制温度850℃～900℃；
步骤四：烧结好的碳块加工成碳刷条。
碳刷发热主要与碳刷承受的电流密度、换向火花、散热条件、机械摩擦等因素有关，假设电流密度、换向火花、散热条件一样，铜粉含量增多可以提高碳刷材料的导电率，使碳刷能耐受更高的电流密度，但是铜含量越高，碳刷电流密度越大，碳刷在工作过程中的发热量越大，产生的电气摩擦越大，且铜含量过大还会导致电刷与铜质换向器产生粘着磨损，润滑性不够，也就增大了其机械摩擦，碳刷的耐磨损性能也越差。经过发明人反复研究，发现碳在50～55份，铜粉在32～42份时，碳刷的发热量没有明显差别，在该原料组成范围内的碳刷均能承受。碳刷的耐磨损性能还和换向器表面的氧化膜的形成快慢有关，如果能在换向器表面能较快地形成一层均匀、适度和稳定的氧化薄膜，则碳刷磨损小。当加入一定量的二硫化钼时，可影响换向器表面的氧化膜的形成速度，对碳刷的耐磨损性能有重要影响。碳化钒能提高复合材料断裂韧性，延长材料使用寿命。碳化铬作为一种耐磨材料，加入到碳刷中，也可以提高碳刷的耐磨损性能。但这些合金添加过多，可能会影响到碳和铜的金相结构，反而不利于提高碳刷在高电流密度下的耐磨性能。因此，需要当碳粉55份，铜粉35份，二硫化钼3份，碳化钒3份，碳化铬2份时，该配比配合制备方法，各组分间会发生最佳的协同效应，获得最佳性能。
实施例1
按表1中实施例1的配比进行配料，制备方法为：
步骤一：将所述碳粉、铜粉、二硫化钼、碳化钒和碳化铬按照比例加入搅拌机中搅拌1h；
步骤二：将混合均匀后的原料装入加压成型机的原料筒内，填冲机构自动将粉末加入模具型腔，将粉末压制成坯材，压制压力20MPa，保压时间5s。
步骤三：将成型好的坯材均匀放置工业电炉中烧结成碳块，烧结条件为：在氩气保护下烧制5h，烧制温度880℃～900℃。
步骤四：烧结好的碳块加工成长度为19.5mm，截面长度为长9.6mm×宽7.2mm的碳刷。
实施例2
按表1中实施例2的配比进行配料，制备方法为：
步骤一：将所述碳粉、铜粉、二硫化钼、碳化钒和碳化铬按照比例加入搅拌机中搅拌2h；
步骤二：将混合均匀后的原料装入加压成型机的原料筒内，填冲机构自动将粉末加入模具型腔，将粉末压制成坯材，压制压力25MPa，保压时间5s。
步骤三：将成型好的坯材均匀放置工业电炉中烧结成碳块，烧结条件为：在氩气保护下烧制8h，烧制温度850℃～870℃。
实施例3
按表1中实施例3的配比进行配料，的制备方法为：
步骤一：将所述碳粉、铜粉、二硫化钼、碳化钒和碳化铬按照比例加入搅拌机中搅拌2h；
步骤二：将混合均匀后的原料装入加压成型机的原料筒内，填冲机构自动将粉末加入模具型腔，将粉末压制成坯材，压制压力20MPa，保压时间5s。
步骤三：将成型好的坯材均匀放置工业电炉中烧结成碳块，烧结条件为：在氩气保护下烧制5h，烧制温度880℃～900℃。
实施例4
按表1中实施例4的配比进行配料，制备方法为：
步骤一：将所述碳粉、铜粉、二硫化钼、碳化钒和碳化铬按照比例加入搅拌机中搅拌2h；
步骤二：将混合均匀后的原料装入加压成型机的原料筒内，填冲机构自动将粉末加入模具型腔，将粉末压制成坯材，压制压力20MPa，保压时间5s。
步骤三：将成型好的坯材均匀放置工业电炉中烧结成碳块，烧结条件为：在氩气保护下烧制6h，烧制温度880℃～900℃。
实施例5～7、对比例1～3的原料配比按表1中对应配比进行配料，制备方法同实施例4。
表1各实施例及对比例原料配比
实施例 碳 铜 二硫化钼 碳化钒 碳化铬
实施例1 40 32 3 3 1
实施例2 45 32 3 3 1
实施例3 55 35 3 3 2
实施例4 50 35 4 3 2
实施例5 55 42 4 4 5
实施例6 55 32 3 3 2
实施例7 40 42 3 3 2
对比例1 55 35 0 3 2
对比例2 55 35 3 0 2
对比例3 55 35 3 3 0
实验例1
将上述各实施例和对比例制备的碳刷样件进行磨损时间测试，每种样件测试五次，求平均磨损时间。实施例1-7对应的样品命名为样品1-7，对比例1-3对应的样品命名为对比样1-3。对比样4为采购自苏州埃维奥电机有限公司，型号为5071HD的碳刷材料。
测试方法为：环境温度120℃，将碳刷装配在风扇总成上，模拟真实车载环境，提供直流电压13.5V，磨损时间为风扇以高速运行状态来测试碳刷磨损至磨损完毕的磨损时间。
表2样品磨损时间
Figure BDA0002558596620000071
表2显示的是每种碳刷复合材料在高电流下测得的五个磨损时间及平均磨损时间，平均磨损时间越长，电刷的耐磨性越优异，使用寿命越长。从表2可以看出，本发明的碳刷复合材料的磨损时间明显高于现有技术的对比样4，二硫化钼、碳化钒、碳化铬对碳刷复合材料的磨损时间有较大影响。各成分之间的配比、工艺参数的配合可以使各组分间发挥协同作用，使碳刷复合材料有更优异的性能。
实验例2
测试了样品1-7、对比样1-4的电阻率、抗折强度和密度，这几个指标的测试采用本领域公知的测试手段进行，每个样品测试5次，电阻率和抗折强度取平均值。测试结果见表3。
表3样品物理性能
实施例 电阻率μΩ·m 抗折强度Mpa 密度g/cm<sup>3</sup>
样品1 102 20 2.65-3.05
样品2 136 12 2.62-3.00
样品3 142 12 2.55-2.94
样品4 126 11 2.61-2.96
样品5 133 11 2.58-2.97
样品6 156 10 2.55-2.90
样品7 87 15 3.21-3.75
对比样1 142 12 2.59-2.30
对比样2 138 11 2.61-2.96
对比样3 142 10 2.55-2.90
对比样4 78 16 3.43-3.97
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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。

Claims (6)

1.一种耐高电流电机碳刷复合材料，其特征在于，所述耐高电流电机碳刷复合材料由包括以下重量份的原料制成：碳粉40～55份，铜粉32～42份，二硫化钼3～4份，碳化钒3～4份，碳化铬1～5份。
2.根据权利要求1所述的耐高电流电机碳刷复合材料，其特征在于，所述耐高电流电机碳刷复合材料按由包括以下重量份的原料制成：碳粉55份，铜35份，二硫化钼3份，碳化钒3份，碳化铬2份。
3.根据权利要求1所述的一种耐高电流电机碳刷复合材料，其特征在于，所述碳粉为石墨粉。
4.根据权利要求1所述的一种耐高电流电机碳刷复合材料，其特征在于，所述铜粉为电解铜粉。
5.根据权利要求1所述的一种耐高电流电机碳刷复合材料，其特征在于，所述耐高电流电机碳刷复合材料通过下述方法制备：
步骤一：将所述碳粉、铜粉、二硫化钼、碳化钒和碳化铬按照比例加入搅拌机中搅拌1h～2h，混合均匀；
步骤二：将混合均匀后的原料装入加压成型机的原料筒内，将粉末压制成坯材，压制压力20MPa～30MPa，保压时间3s～5s；
步骤三：将成型好的坯材均匀放置在工业电炉中烧结成碳块，烧结条件为：在氩气保护下烧制5h～8h，烧制温度850℃～900℃；
步骤四：烧结好的碳块加工成碳刷条。
6.一种权利要求1～5任一项所述的耐高电流电机碳刷复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下几个步骤：
步骤一：将所述碳粉、铜粉、二硫化钼、碳化钒和碳化铬按照比例加入搅拌机中搅拌1h～2h，混合均匀；
步骤二：将混合均匀后的原料装入加压成型机的原料筒内，将粉末压制成坯材，压制压力20MPa～30MPa，保压时间3s～5s；
步骤三：将成型好的坯材均匀放置在工业电炉中烧结成碳块，烧结条件为：在氩气保护下烧制5h～8h，烧制温度850℃～900℃；
步骤四：烧结好的碳块加工成碳刷条。
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