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-MoS2 brush 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σbb为230~244MPa, 抗弯强度σbc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
作者简介: 张 雷(1975-), 博士研究生
通讯作者: 周科朝, 教授, 博士; 电话: 0731-8836264; E-mail: zhoukechao@mail.csu.edu.cn
