一種銅-二硫化鎢復合材料電刷-滑環系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種銅-二硫化鎢復合材料電刷-滑環系統，由Cu-5Pb-5Zn-5Sn滑環和銅-二硫化鎢復合電刷構成；該電刷-滑環系統運行使用壽命長，穩定性好、能量損耗低，相對現有技術中的銅基石墨潤滑材料具有更好的效果，應用范圍更廣。
【專利說明】一種銅-二硫化鎢復合材料電刷-滑環系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種銅-二硫化鎢復合材料電刷-滑環系統；屬于電刷【技術領域】。
【背景技術】
[0002]傳統的銅-石墨復合材料有著良好的摩擦磨損性能，但是石墨的潤滑特性受吸附氣體影響較大，石墨在干燥條件下的潤滑性能明顯不如其在潮濕空氣中的潤滑性能，而且銅-石墨復合材料在高速高載荷條件下磨損率較大，因此急需一種新型的、性能更好的固體潤滑劑取代石墨來改善電刷材料的性能。
[0003]隨著現代工業的不斷發展，對電刷-滑環系統的穩定性、使用壽命和能量利用率的要求越來越高。這就要求我們開發出更優質的電刷材料，并找出合適的滑環材料與其配對，讓電刷-滑環系統獲得優良的綜合性能。
【發明內容】
[0004]本發明針對現有技術中傳統的銅基石墨潤滑材料存在聞速聞載荷條件下磨損率較大的缺陷，使電刷-滑環系統工作穩定性差，使用壽命短，應用受到局限，目的是在于提供一種使用壽命長的銅-二硫化鎢復合材料電刷-滑環系統，該電刷-滑環系統運行穩定性好、能量損耗低。
[0005]本發明提供了一種銅-二硫化鎢復合材料電刷-滑環系統，該電刷-滑環系統由Cu-5Pb-5Zn-5Sn滑環和銅-二硫化鎢復合電刷構成；所述的銅_ 二硫化鎢復合電刷由以下質量百分比組分通過粉末冶金中的熱壓法制成:電解銅粉或銅錫合金粉72?92%，二硫化鎢粉8?28% ο
[0006]優選的銅錫合金粉為Cu-SnlO。
[0007]所述的電解銅粉或銅錫合金粉粒度〈38 μ m。
[0008]所述的二硫化鎢粉粒度為600?800nm。
[0009]所述的熱壓法工藝參數條件為:熱壓溫度為800?810°C，目標壓力為20?30MPa，保溫時間為0.5?2h，保護氣氛為氮氣或氬氣。
[0010]所述的Cu-5Pb-5Zn-5Sn滑環布氏硬度為145HB。
[0011]本發明的銅-二硫化鎢復合材料電刷-滑環系統制備方法包括以下步驟:
[0012]I)銅合金滑環材料的制備:銅、鉛、鋅和錫金屬原料經熔煉、鑄造、軋制、熱處理，獲得 Cu-5Pb-5Zn-5Sn 滑環；
[0013]2)銅-二硫化鎢復合材料電刷的制備:
[0014]a、過篩、干燥:將電解銅粉或者Cu-Sn過篩，篩取粒度〈38 μ m的粉末，然后在50?70°C下干燥20?28h，封裝待用；將粒度為600?800nm的二硫化鎢粉在50?70°C下干燥20?28h，封裝待用；
[0015]b、混料:按照比例稱取步驟a過篩和干燥后的電解銅粉或者Cu-Sn合金粉和二硫化鎢粉，采用滾筒型混料機于200?300r/min的轉速下對復合粉末進行混合，混合時間6~10h，取出粉末后經密封待用； [0016]C、熱壓:將步驟b所得的混合料裝入熱壓模具內，在氬氣或氮氣保護下，將裝填好的模具置于熱壓機中內，在升溫的同時循序加壓，目標熱壓溫度800~810°C，熱壓目標壓力20~30MPa，保溫時間0.5~2h，產品隨爐冷卻，即得銅-二硫化鎢復合電刷。
[0017]本發明的有益效果:本發明在現有技術中的銅基石墨固體潤滑劑材料的基礎上進行改進研究，經過大量實驗，最終優選具有層狀密排六方結構的WS2代替石墨作為潤滑劑來制備復合電刷，取得了意想不到的效果，相對于傳統銅基石墨電刷材料來說，本發明的電刷材料的機械性能大大提升，磨損率降低；特別是配合Cu-5Pb-5Zn-5Sn滑環使用時，電刷-滑環系統的穩定性高，使用壽命增加，能耗降低。本發明優選用顆粒大小為600~SOOnm的二硫化鎢并嚴格控制其質量百分比含量在8~28%，再結合熱壓法工藝，將二硫化鎢粉末均勻分散融合在銅基體中，而意外發現，二硫化鎢與銅基的相容性相對石墨更好(如圖2所示，復合電刷材料沒有明顯的孔隙，二硫化鎢和基體融合完美)，并且沒有發生銅的硫化反應(如圖3所示，無硫化亞銅生成)，材料之間的協同作用加強，大大提高了其機械性能，硬度提高到80HB以上，抗彎強度提高到200MPa以上(銅基石墨材料硬度50HB，抗彎強度150MPa);特別是將復合電刷結合Cu-5Pb-5Zn-5Sn滑環配套使用時，效果突出最為明顯:電刷材料磨損率降低到IX 10_13m3/N *m以下(銅基石墨材料1.5X 10_13m3/N.ηι),使用壽命增加到60萬轉以上(滑環直徑40mm)(銅基石墨材料40萬轉左右)，摩擦系數降低到0.18以下(銅基石墨材料摩擦系數由0.21)，動態接觸電阻也明顯降低。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]【圖1】為WS2粉末的顯微形貌圖:說明使用的WS2粉末形狀規整，呈現明顯的片層狀結構。
[0019]【圖2】為實施例2的銅_21wt%二硫化鎢自潤滑復合材料的顯微形貌圖:說明二硫化鎢固體潤滑劑均勻的分布且完全融合在銅基體中，復合電刷材料沒有明顯的孔隙。
[0020]【圖3】為實施例2的銅_21wt%二硫化鎢自潤滑復合材料的X射線衍射圖譜:說明二硫化鎢沒有和銅發生反應生成Cu2S相，生成的Cu2S相沒有潤滑作用，會降低復合材料電刷的性能。
【具體實施方式】
[0021]以下實施例是對本發明的進一步說明，而不是限制本發明的保護范圍。
[0022]實施例1
[0023]將質量分數為92%的-400目電解銅粉與質量分數為8%的WS2粉末均勻混合，然后按照粉末冶金熱壓法制備銅-二硫化鎢自潤滑復合材料，熱壓溫度為800~810°C，目標壓力為25MPa，保溫時間為lh，保護氣氛為氮氣或氬氣。采用上述配方和工藝制得的復合材料電刷相對密度98.2%，硬度(HB)為81，抗彎強度為276MPa，電阻率為0.031 μ Ω.πι;電刷材料與Cu-5Pb-5Zn-5Sn滑環配對時，在載荷5N，滑動速度2.lm/s,電流密度6.7A/cm2條件下，摩擦系數為0.178，電刷材料磨損率為9.36X 10_14m3/N.πι，使用壽命大于60萬轉(滑環直徑40mm)，動態接觸電阻為8.5m Ω。
[0024]實施例2[0025]將質量分數為79%的-400目電解銅粉與質量分數為21%的WS2粉末均勻混合，然后按照粉末冶金熱壓法制備銅-二硫化鎢自潤滑復合材料，熱壓溫度為800~810°C，目標壓力為25MPa，保溫時間為lh，保護氣氛為氮氣或氬氣。采用上述配方和工藝制得的自潤滑復合材料相對密度97.1%，硬度(HB)為90.2，抗彎強度為261MPa，電阻率為0.049 μ Ω.m ;電刷材料與Cu-5Pb-5Zn-5Sn滑環配對時，在載荷5N，滑動速度2.lm/s,電流密度6.7A/cm2條件下，摩擦系數0.157，電刷材料磨損率為7.61Χ10_14πι3/Ν.πι，使用壽命大于65萬轉(滑環直徑40mm)，動態接觸電阻為15.8πιΩ。
[0026]實施例3
[0027]將質量分數為72%的-400目電解銅粉與質量分數為28%的WS2粉末均勻混合，然后按照粉末冶金熱壓法制備銅-二硫化鎢自潤滑復合材料，熱壓溫度為800~810°C，目標壓力為25MPa，保溫時間為lh，保護氣氛為氮氣或氬氣。采用上述配方和工藝制得的自潤滑復合材料相對密度97.9%，硬度(HB)為93.1，抗彎強度為247MPa，電阻率為0.053 μ Ω.m ;電刷材料與Cu-5Pb-5Zn-5Sn滑環配對時，在載荷5N，滑動速度2.lm/s,電流密度6.7A/cm2條件下，摩擦系數為0.151，電刷材料磨損率為6.93X 10_14m3/N.m,使用壽命大于65萬轉(滑環直徑40mm)，動態接觸電阻為19.3m Ω。
[0028]實施例4
[0029]將質量分數為79%的-400目Cu-SnlO合金粉與質量分數為21%的WS2粉末均勻混合，然后按照粉末冶金熱壓法制備銅-二硫化鎢自潤滑復合材料，熱壓溫度為800~810°C,目標壓力為25MPa，保溫時間為lh，保護氣氛為氮氣或氬氣。采用上述配方和工藝制得的自潤滑復合材料相對密度98.6%，硬度(HB)為89.5，抗彎強度為253MPa，電阻率
0.061 μ Ω.m；電刷材料與Cu-5Pb-5Zn-5Sn滑環配對時，在載荷5N，滑動速度2.lm/s,電流密度6.7A/cm2條件下，摩擦 系數為0.179，電刷材料磨損率為7.83X 10_15m3/N.πι，使用壽命大于80萬轉(滑環直徑40mm)，動態接觸電阻為17.7m Ω。
[0030]對比實例I
[0031 ] 將質量分數為94%的-400目電解銅粉與質量分數為6%的石墨粉末(石墨體積分數與質量分數21%的WS2體積分數相同)均勻混合，然后按照粉末冶金熱壓法制備銅-石墨自潤滑復合材料，熱壓溫度為800-810°C，目標壓力為25MPa，保溫時間為lh，保護氣氛為氮氣或氬氣。采用上述配方和工藝制得的自潤滑復合材料相對密度98.5，硬度(HB)為49.2，抗彎強度為148MPa，電阻率為0.033 μ Ω.m ;電刷材料與Cu-5Pb-5Zn_5Sn滑環配對時，在載荷5N，滑動速度2.lm/s,電流密度6.Tkfcm2條件下，摩擦系數為0.209，磨損率為
1.53 X IO^13mVN.m，使用壽命在40萬轉左右(滑環直徑40mm)，動態接觸電阻為22.9m Ω。
【權利要求】
1.一種銅-二硫化鎢復合材料電刷-滑環系統，其特征在于，由Cu-5Pb-5Zn-5Sn滑環和銅-二硫化鎢復合電刷構成；所述的銅-二硫化鎢復合電刷由以下質量百分比組分通過粉末冶金中的熱壓法制成:電解銅粉或銅錫合金粉72?92%，二硫化鎢粉8?28%。
2.如權利要求1所述的銅-二硫化鎢復合材料電刷-滑環系統，其特征在于，所述的銅錫合金粉為Cu-SnlO。
3.如權利要求1所述的銅-二硫化鎢復合材料電刷-滑環系統，其特征在于，所述的電解銅粉或銅錫合金粉粒度〈38 μ m ;所述的二硫化鎢粉粒度為600?800nm。
4.如權利要求1所述的銅-二硫化鎢復合材料電刷-滑環系統，其特征在于，所述的熱壓法工藝參數條件為:熱壓溫度為800?810°C，目標壓力為20?30MPa，保溫時間為0.5?2h，保護氣氛為氮氣或氬氣。
【文檔編號】C25D5/06GK103464767SQ201310406250
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月9日 優先權日:2013年9月9日
【發明者】張雷, 曹慧泉, 周科朝, 肖金坤 申請人:中南大學