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图1 Ag-2.5Cu-8MoS2热压烧结工艺的温度—时间—压力曲线

图2 Ag-Cu-MoS2电刷材料的X射线衍射谱

图3 Ag-Cu-MoS2电刷材料的SEM像

图4 梯度结构Ag-Cu-MoS2电刷的SEM像

表1 不同载荷时Ag-Cu-MoS2电刷材料静态电阻的测试结果

表▲

表1 不同载荷时Ag-Cu-MoS2电刷材料静态电阻的测试结果

中国有色金属学报

梯度结构Ag-Cu-MoS₂电刷材料的制备及性能

张雷, 周科朝, 刘文胜, 周荣兴, 李世伟

(中南大学粉末冶金国家重点实验室, 长沙 410083)

摘要：

在气氛保护下采用热压工艺制备了具有梯度结构的Ag-Cu-MoS₂电刷材料, 对该材料的制备工艺、显微结构、电性能和摩擦磨损性能等进行了分析。结果表明: 在热压过程中, 由于氩气的保护作用, 虽然工艺温度达到850℃, MoS₂并未发生氧化反应, 保障了材料的自润滑性能; 所用工艺较好地实现了梯度结构的构造及材料的制备, MoS₂均匀而弥散地分布于Ag-Cu基体中, 该材料具有优良的电性能、摩擦磨损性能及焊接性能。

关键词: Ag-Cu-MoS₂电刷材料; 显微结构; 导电性; 摩擦磨损中图分类号: TM97

文献标识码: A

Preparation and properties of Ag-Cu-MoS₂ brush materials

ZHANG Lei, ZHOU Ke-chao, LIU Wen-sheng, ZHOU Rong-xing, LI Shi-wei

(State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University,Changsha 410083, China)

Abstract: Ag-Cu-MoS₂ brush materials with a graded structure was produced by hot press process in protective atmosphere. The processing, microstructure, conductivity and wear properties of Ag-Cu-MoS₂ brush materials were studied. The results show that MoS₂ is not oxidized in the process, and Ar₂ has protection effect. The materials and the graded structure can be constructed by proper process-control, and MoS₂ is distributed homogeneously in the Ag-Cu matrix. The Ag-Cu -MoS₂ brush materials have good conductivity, wear properties and welding performance.

Key words: Ag-Cu-MoS₂ brush materials; microstructure; conductivity; wear

银基电刷材料是航空和航天仪表系统、自动控制系统以及电机、电器及电路装置中必不可少的电器元件^{[1, 2]}, 它担负着相对滑动部件电信号和电流的接通、关闭以及电流传递的作用, 因此不仅要求其具有较好的导电性能、优异的摩擦磨损性能、较低的电噪声, 同时也需具有尺寸精度高、工作可靠性强和寿命长的特点。一般地说, 对高可靠性电刷-滑环系统的主要性能要求是: 1) 较低的磨损率和较长的使用寿命; 2) 在动力传递过程中具有较低的接触电阻, 使摩擦生热所导致的温度升高保持在低水平; 3) 电噪音低, 以保证电信号的的稳定性; 4) 摩擦低以使传动力矩较小; 5) 储存稳定性好。金属银具有高的导电性, 但力学性能及耐磨性较差; 而MoS₂是一种良好的固体自润滑材料, 因此结合两者的特点研制既具有高的导电性, 较低摩擦因子和良好力学性能的银基电刷复合材料, 是航天和航空工业对电接触元件的迫切需要^{[3, 4]}。本文作者引入梯度材料的设计理念, 制备了具有梯度结构的Ag-Cu-MoS₂自润滑电刷材料, 解决了普通Ag-Cu-MoS₂电刷材料焊接性能差的问题, 并对该材料的显微组织、电性能和摩擦磨损性能进行了研究。

1 实验

采用昆明贵研铂业生产的纯度为99.95%以上的Ag粉末, MoS₂为上海胶体化工厂0^# MoS₂粉末, 金属Cu采用化学法加入。银基复合电刷材料的工作层成分为Ag-2.5Cu-8MoS₂(质量分数, 下同), 过渡层为Ag-4MoS₂, 焊接层为Ag-5Cu, 将配制好的粉料依次按工作层、过渡层和焊接层的顺序置于石墨模具中, 在氩气保护下于850℃进行热压烧结, 压制压力为20~25MPa, 保压时间为15~20min, 得到尺寸为20mm×30mm×25mm 的块状材料。滑环材料为热压烧结Ag-10Cu的银合金环, 外径为d45mm, 厚度8mm。摩擦磨损性能测试在MHK500环块试验机上进行, 负载约76N, 转速200r/min, 时间45min。静态电阻测试在铁道部产品质量监督检验中心的6位半数字电压表上进行, 测试方法采用凯尔文四端钮法, 试样尺寸为6.10mm×3.9mm×45mm, 采用Dmax-2550对材料进行X射线衍射物相分析, 材料的显微结构分析在FM-6700型扫描电镜上进行。

2 结果与讨论

2.1 工艺控制及材料物相成分

在材料的制备过程中, 温度、时间、压力等工艺参数对材料的物相成分有着重要的影响。作为一种良好的固体自润滑材料, MoS₂的润滑作用不受吸附气体的影响, 真空中乃至高真空中仍然具有良好的润滑和耐磨损性能。但是MoS₂在349℃以上就会发生氧化^[5-7], Ag-Cu-MoS₂电刷材料的制备过程中温度高达850℃, 极易发生MoS₂的氧化反应, 造成MoS₂的损失, 而使材料失去润滑作用, 因此在热压工艺中采用氩气作为保护气氛。热压中保压时间也对材料有重要的影响, 保压时间过长, 原来均匀分布于Ag粉末表面的Cu会因为Ag颗粒的聚集长大而发生偏析, 从而偏离所要求的合金成分; 保压时间过短, 会造成材料密度低, 而且工作层、过渡层及焊接层间的结合力小, 甚至发生分层开裂的现象。图1所示为Ag-2.5Cu-8MoS₂热压烧结工艺温度—时间—压力曲线。压制压力的施加要配合升温过程, 而且最大压力不能超过25MPa, 否则软化的金属会通过模具的边缝溢出造成加工过程失败。因此对Ag-Cu-MoS₂电刷材料实施热压工艺时必须实现温度、压力和操作时间的协调控制。

图1 Ag-2.5Cu-8MoS₂热压烧结工艺的温度—时间—压力曲线

Fig.1 Curves of temperature—time—pressure of Ag-2.5Cu-8MoS₂ during hot press sintering process

检验物相中MoS₂的存在形式对Ag-Cu-MoS₂电刷材料的制备和生产至关重要。图2所示为Ag-Cu-MoS₂电刷材料的X射线衍射谱。物相分析结果显示MoS₂相以单一物相形式存在, 没有发生氧化, 说明Ag-Cu-MoS₂经过热压烧结后MoS₂相成

图2 Ag-Cu-MoS₂电刷材料的X射线衍射谱

Fig.2 XRD pattern of Ag-Cu-MoS₂brush materials

分稳定, 氩气起到了良好的保护作用; 半定量分析显示MoS₂的含量约为8.05%。结果表明现有工艺解决了二硫化钼在Ag-Cu-MoS₂电刷材料热压制备过程中的氧化问题, 确保了材料具有优良的自润滑性能。

2.2 材料显微形貌及力学性能

MoS₂颗粒及其细小且呈胶状, 很容易团聚, 难以在基体中均匀分布。 MoS₂粉末的团聚将提高电刷材料的电噪声值, 最高值可达9mVRMS/A以上, 平均在3mVRMS/A左右, 随着MoS₂分散度的提高, 材料的电噪声值也随之下降。当MoS₂粉末均匀弥散地分布于银基体中时, 平均电噪声值可降低到0.59mVRMS/A以下。试样经研磨抛光后的显微组织如图3所示, 作为固体润滑相的MoS₂均匀而弥散地分布于导电基体Ag-Cu之中, MoS₂和Ag两相组织黑白分明, 无气孔, 结构致密^[8], 说明通过热压烧结使材料具有较高的致密度。 Ag基体中的MoS₂不但可起到润滑效果, 而且可通过弥散强化作用来提高银基体的力学性能, 经测试热压烧结所得Ag-Cu-MoS₂电刷材料的硬度(HB)为50.1~61.2, 抗弯强度σ_bb为230~244MPa, 抗弯强度σ_bc为242~248MPa。经测量材料的密度为9.15~9.41g/cm³。

图3 Ag-Cu-MoS₂电刷材料的SEM像

Fig.3 SEM images of Ag-Cu-MoS₂ materials

梯度结构的设计主要是为较好地解决Ag-Cu-MoS₂材料焊接性差的问题。由于MoS₂在焊接过程中极易发生氧化反应, 严重降低了材料的焊接性能。梯度结构的构造主要是通过设置以纯金属银为主的焊接层, 在保证工作层良好性能的同时提高该材料与银和铜等金属的可焊性。图4所示为Ag-Cu-MoS₂电刷梯度结构显微形貌, 从左到右依次为焊接层、过渡层和工作层, 梯度结构明显, 各层材料间界面结合良好。同时过渡层的设计也较好地解决了材料由焊接层的纯金属(Ag-5Cu)到工作层的金属复合材料(Ag-4MoS₂)的过渡连接问题, 避免了因材料成分和性能差异所造成的分层和开裂等现象的发生。

图4 梯度结构Ag-Cu-MoS₂电刷的SEM像

Fig.4 SEM image of graded structure of Ag-Cu-MoS₂ brush

2.3 材料的静态电阻

四端钮法是精密测量低值电阻所必须采用的方法, 这种测量方法能有效地消除引线电阻对测量结果的影响, 显著提高测量精度。静态电阻测试采用两根试样(样品A和B)相搭载并在其上施加压力的方式进行, 测试电流为1.5A。测试结果见表1。结果显示载荷每增加一倍, 材料的静态接触电阻约下降20%左右, 但由于材料的电阻值本身是以毫欧计量的, 因而20%的电阻变化实际上对材料整体电阻不会产生较大的影响, 不会在工作中产生明显的电噪声。测试结果显示Ag-Cu-MoS₂电刷材料静态电阻值基本满足低压大电流电机工作的要求^[9]。

2.4 材料的摩擦性能

电刷的机械磨损过程中粘着磨损发生在电刷接

表1 不同载荷时Ag-Cu-MoS₂电刷材料静态电阻的测试结果

Table 1 Electric resistance test results of Ag-Cu-MoS₂ brush materials at different loads

触的早期, 表面疲劳在晚期比较明显, 而磨粒磨损和摩擦氧化在电刷整个滑动接触过程中都起作用。作为真空用电刷材料, Ag-Cu-MoS₂在使用过程中基本可以避免摩擦氧化现象的发生, 同时, 由于用于制备该材料的MoS₂粉末颗粒非常细小, 且均匀分布于金属基体中, 可降低材料在摩擦过程中磨粒磨损机制所造成的影响。因此, 对于高真空用Ag-Cu-MoS₂电刷材料来说, 粘着磨损和表面疲劳是造成材料磨损的主要作用机理。所制备的Ag-Cu-MoS₂电刷工作于真空条件下, 易产生换向火花及引起电刷粉化磨损, 该材料在使用过程中要求尽量避免磨屑的产生^[10], 摩擦机理分析表明只有磨粒磨损和表面疲劳才能直接产生磨屑, 所以在该材料的使用寿命内可以最大限度地避免磨屑的产生。 Ag-Cu-MoS₂电刷材料的摩擦实验结果采用摩擦因数(μ)和磨损率(W)两个参数来表征, 经过MHK500环块摩擦试验机对材料进行摩擦磨损实验测得, 材料的摩擦因数μ≈0.1379, 磨损率W≈1.418×10^-13m³/(N·m)。因此该电刷材料具有低摩擦、耐磨损的特点, 在单刷压0.78N、转动速度50r/min的条件下, 充分满足3a的使用期中总磨损量小于0.1mm的要求。

3 结论

1) 采用热压工艺成功制备了梯度结构Ag-Cu-MoS₂复合电刷材料, 梯度结构的引入较好地解决了该材料焊接性能差的问题。

2) 制备的Ag-Cu-MoS₂电刷材料具有优异的电性能和良好的摩擦磨损性能。实机应用表明, 该电刷材料工作时可获得较为稳定的电信号和电流; 同时, 均匀分布的细小MoS₂颗粒保证了电刷在高真空下具有较好的润滑性能和耐磨损性能。实践证明, Ag-Cu-MoS₂是一种摩擦磨损性能好、电噪声低、工作稳定可靠的优质电刷材料。

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(编辑龙怀中)

收稿日期: 2005-07-15; 修订日期: 2005-08-20