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CN106785769B - 一种导电耐磨金属石墨电刷及其制备方法 - Google Patents

一种导电耐磨金属石墨电刷及其制备方法 Download PDF

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CN106785769B CN201611192148.5A CN201611192148A CN106785769B CN 106785769 B CN106785769 B CN 106785769B CN 201611192148 A CN201611192148 A CN 201611192148A CN 106785769 B CN106785769 B CN 106785769B
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Abstract

本发明涉及一种电刷材料，具体涉及一种导电耐磨金属石墨电刷及其制备方法。本发明提供的一种导电耐磨的金属石墨电刷的质量百分比组成为：铜粉70～90％、石墨粉5～25％、二氧化硅粉0.5～1％、酚醛树脂粉末1～8％。本发明通过室温压制‑烧结制备石墨‑铜合金，然后将石墨‑铜合金锭坯进行热挤压，得到石墨‑铜合金块体。由于金属石墨电刷中添加一定量的二氧化硅粉，结合控制加入石墨粉的粒度及加入方式，然后再辅以与性能要求相匹配的热变形工艺，制备了导电性好且耐磨损的金属石墨电刷材料。本发明制备工艺简单，所得产品性能优良，质量稳定，具有较大载流能力，便于大规模的产业化应用。

Description

一种导电耐磨金属石墨电刷及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种电刷材料，具体涉及一种导电耐磨金属石墨电刷及其制备方法。
背景技术
世界上绝大多数电力机车是交-直流电力机车。在交流电气化铁路接触网中，机车通过受电弓滑板从接触网获得特高压电源电力，以驱动机车电动机获得牵引动力，而牵引电流经车轮、轨道和大地流回牵引变电所。为了防止转向架轴箱轴承由于通过大电流而发生电蚀作用，每个轴的轴端安装接地电刷，以短接轴承这一支路。接地装置通过接地电刷使牵引变压器的回流线电流直接流到车轴，防止因回流线电流流到转向架轴承处而引起轴承损伤，在保护轴承、轴套、车轴的同时，还可确保列车所有设备的接地安全可靠。
作为滑动电接触的重要元件之一，电刷是与运动的物体作滑动电接触而形成的一种导电部件。因此，要求它有比较好的换向性火花的本能。除此之外，作为接地零部件，它必须具有优异的导电、导热、耐磨性能，以及一定的机械强度，并且要求电刷使用寿命长，且不磨损摩擦盘，不使摩擦盘出现划痕、不平、烧蚀、拉丝等；运行时，能够在摩擦盘表面较快地形成一层均匀、适度和稳定的氧化薄膜，不过热，噪音小，不破损，刷辫不变色，不烧蚀。
依据电刷材料的不同，可分为四种，即石墨电刷、电化石墨电刷、金属石墨电刷、纯金属电刷。石墨电刷是在天然石墨中加入沥青、煤焦油等粘合剂混合压制而成，其质地软，润滑性能较好，摩擦系数低，换向性能好，但因含杂质较多而易使整流器受损。一般适用于整流条件正常、负载均匀的电机，如汽轮发电机等。电化石墨电刷是由石墨、焦炭等作原料，近2500℃以上高温处理而制成。其性能优良，故使用范围广，可用于各类型的电机及整流条件较困难的电机上，如牵引电机、工业电机、矿用电机等。纯金属电刷是用薄的金属片制成，这种电刷的导电性极好。电刷上损耗不大，但耐磨性差，导致电机寿命低。但是由于刷片薄，也不能承受大电流，因此常用于微型小电机。金属石墨电刷是在石墨中渗入铜及少量锡、铅等金属粉末混合而制成，具有优异的导电导热性，载流量大，耐磨性能高，且具有一定的机械强度和换向性火花的性能，被广泛用于线型电流传输(滑出线)、滑环、电镀或淬火生产线、接地电刷等，特别适合于交流绕线失异步电动机和电流直流电机。
虽然国内哈尔滨电碳有限公司、上海摩根碳制品有限公司、东南电碳有限公司等生产出了金属石墨电刷产品，但产品的电阻率、摩擦磨损、换向性能和使用寿命等方面性能仍比国外同类产品要差，主要应用在导电滑环等部件上。目前，国内铁路动车组牵引电动机的接地回流装置仍依赖进口，CRH系列高速列车上采用的接地装置仍主要由美尔森等公司控制，而作为其中关键的部件之一，接触电刷完全依靠进口，如英国摩根电碳有限公司、法国罗兰碳素公司、美国科克伍德公司碳素分公司等生产的电刷产品。开发我国具有自主知识产权的高性能高速列车用金属石墨接地电刷意义重大。
中国专利CN104882759A公开了一种低成本性能好的金属石墨电刷，其特征在于，由以下重量份的原料制成鳞片石墨40-60、沥青18-28、二硫化钨20-30、铁粉3-5、碳化硅12-15、氧化铍7-9、铜钛合金粉6-9、油酸适量；该发明添加的碳化硅增强了电刷的硬度，提高耐磨性，添加的氧化铍减少了电刷材料的氧化和磨损率，保证接触电阻小，从而减小火花，添加的铜钛合金粉具有细化晶粒，提高致密性和导电性的作用，该发明制备的金属石墨电刷材料性能指标：电阻率(μΩm)：3.8；洛氏硬度(10/588N)：85；磨损值(50小时)：0.14；摩擦系数(50小时)：0.17；接触电压降(50小时，V)：1.2±40％。
中国专利CN104882758A公开了一种导电性好的金属石墨电刷，其特征在于，由以下重量份的原料制成：鳞片石墨40-60、沥青18-28、二硫化钨20-30、铁粉4-6、三氧化二铁11-15、碳酸锂7-9、铜锰合金粉7-10、油酸适量；该发明添加的三氧化二铁增强了电刷材料的磨削性和导电性，添加的碳酸锂在烧结时产生液相，促进致密并且降低烧结温度的作用，添加的铜锰合金粉具有细化晶粒，提高材料塑性，减少加工时产生裂纹的作用，该发明制备的金属石墨电刷材料性能指标：电阻率(μΩm)：3.5；洛氏硬度(10/588N)：84；磨损值(50小时)：0.18；摩擦系数(50小时)：0.15；接触电压降(50小时，V)：1.2±40％。
发明内容
本发明的提供了一种生产工艺简单、成本低，且导电耐磨的金属石墨电刷及其制备方法。
本发明一种导电耐磨的金属石墨电刷，包括下述组分按质量百分比组成：
铜粉70～90％、优选为70～85％；
石墨粉5～25％、优选为12～25％；
二氧化硅粉0.5～1％、优选为0.5～0.8％；
酚醛树脂粉末1～8％、优选为3～6％。
本发明一种导电耐磨的金属石墨电刷，所述铜粉为电解铜粉。
本发明一种导电耐磨的金属石墨电刷，所述石墨粉为鳞片石墨粉、进一步优选为鳞片石墨粉。
本发明一种导电耐磨的金属石墨电刷，电解铜粉的粒度为40～50μm。
本发明一种导电耐磨的金属石墨电刷，鳞片石墨粉的粒度为30～40μm。
本发明一种导电耐磨的金属石墨电刷，酚醛树脂粉的粒度为75～200μm。
本发明一种导电耐磨的金属石墨电刷，二氧化硅粉的粒度为40～45μm。
本发明一种导电耐磨的金属石墨电刷的制备方法，包括以下步骤：
步骤一
按设计组分配取铜粉、石墨粉、二氧化硅粉、酚醛树脂粉末；
步骤二
将配取的酚醛树脂溶于有机溶剂中；然后加入配取的石墨粉并混合均匀，干燥；破碎，直至得到备用颗粒，所述备用的粒度为35～40μm；
步骤三
将步骤二所得备用颗粒、步骤一配取的二氧化硅粉、步骤一配取的铜粉进行干混至混合均匀；然后经压坯处理，得到坯样；
步骤四
将步骤三所得坯样置于烧结炉内，在保护气氛下于900～980℃进行烧结，得到烧结样坯；
步骤五
对步骤四所得烧结样坯进行热挤压，得到导电耐磨的金属石墨电刷；所述热挤压的温度为500～800℃。
本发明一种导电耐磨的金属石墨电刷的制备方法，步骤一中所述有机溶剂优选为酒精。作为进一步的优选方案，将配取的酚醛树脂溶于酒精中后，得到酚醛树脂浓度为50-100g/L的酚醛树脂溶液。
作为进一步的优选方案，本发明一种导电耐磨的金属石墨电刷的制备方法，步骤二中，将配取的酚醛树脂溶于酒精中后，得到酚醛树脂浓度为50-100g/L的酚醛树脂溶液；然后加入步骤一配取的石墨粉；在混料机中机械搅拌2～5h至混合均匀，得到混合料，再将混合料放置于烘箱干燥，在70～100℃进行干燥。干燥的目的在于除去溶剂。
作为优选方案，本发明一种导电耐磨的金属石墨电刷的制备方法，步骤三中，将步骤二所得备用颗粒、步骤一配取的二氧化硅粉、步骤一配取的铜粉进行干混至混合均匀；所述干混在V型混料机中进行，其时间为6～10h。
作为优选方案，本发明一种导电耐磨的金属石墨电刷的制备方法，压坯时控制压力为250～400MPa。控制保压时间为15～30秒。
作为优选方案，本发明一种导电耐磨的金属石墨电刷的制备方法，将步骤三所得坯样置于烧结炉内，在氢气气氛下，以10～15℃/min的升温速率升温至900～980℃，并保温烧结1～2h，然后以10～15℃/min的降温速率降至室温，得到烧结样坯。
作为优选方案，本发明一种导电耐磨的金属石墨电刷的制备方法，步骤四中，控制热挤压的速度为0.3～1.0m/min，控制挤压比为6-15：1。
本发明一种导电耐磨的金属石墨电刷的制备方法，所制备导电耐磨的金属石墨电刷的抗弯强度为90～150MPa、肖氏硬度为20～50、电阻系数为3～8μΩ*cm、摩擦系数小于等于0.12、50小时的磨损值小于等于2.67mm3。
原理和优势
(1)原料粒度的选择和加入方式
铜粉；粒度40～50μm的电解铜粉粒度具有树枝状结构，在压制过程中能够有较好的啮合力，可提高材料整体强度。
石墨粉：与粒度大于45μm的石墨粉相比，粒度为30～40μm的对石墨粉能提高烧结铜坯体对二氧化硅的夹持能力，充分发挥二氧化硅耐磨损的作用。且采用树脂对石墨粉进行包覆处理后，树脂和石墨结合力增强，坯体的成形性显著提高。
二氧化硅：二氧化硅的加入既可降低电刷材料本身的磨损量，也可以降低对磨盘的磨耗。而且，少量的二氧化硅不会大幅度增大摩擦系数，这样就可以减少发热与能耗，利于延长金属石墨电刷的使用寿命，且40～45μm的二氧化硅粒度可以发挥其最好的耐磨效果。
(2)普通冷压-烧结的粉末冶金工艺和常规铜合金的热变形工艺，可以进一步破坏了铜粉颗粒表面的氧化膜，实现了合金的致密化，有效地提高了合金的强度和硬度，改善了电刷的耐磨性。
附图说明
附图1为本发明提供的金属石墨电刷的制备流程图；
附图2为对比例1制备的金属石墨电刷的内部组织图；
附图3为对比例2制备的金属石墨电刷的内部组织图；
附图4为实施例1制备的金属石墨电刷的内部组织图；
附图5为实施例2制备的金属石墨电刷的内部组织图。
本发明专利提供的金属石墨电刷的制备流程图见图1。首先，石墨和树脂按一定比例湿混合后烘干，之后破碎并过筛，过筛获得的石墨-树脂粉末与电解铜粉、二氧化硅粉末按一定比例干混，获得的混合粉压制成坯体后，再在氢气气氛烧结炉中进行烧结处理，将烧结件进行适量热挤压处理后得到金属石墨电刷复合材料。
对比图2和图3可知，选用粒度为40μm的鳞片石墨替代48μm的鳞片石墨制备的树脂石墨粉，树脂可完整包覆石墨，之后在进行过筛，获得的粒度为40μm树脂石墨粉制备的金属石墨材料中，铜基体对二氧化硅的夹持能力显著提高。图中深色颗粒相为二氧化硅，由于二氧化硅的粒度限制，使得图2中颗粒部分卡在铜基体中，但绝大部分分布在树脂石墨或是树脂石墨与铜基体的夹缝中。这类未能固定的二氧化硅颗粒在与对磨盘发生摩擦时，极易脱落或是留在对磨盘上，反而提高了电刷本身的磨损。
对比图3和图4可知，对烧结后的金属石墨电刷进行一定程度的热挤压后，铜基体的网络结构连通更好，且铜粉颗粒间的界面结合更好。
从图4和图5可以看出，本发明所制备的金属石墨电刷铜基体的网络结构连通更好，石墨和铜的分布很均匀，且铜基体对二氧化硅的夹持能力较好。
具体实施方式
对比例1
本对比例1中所用金属石墨电刷，以质量百分比计包括下述组分：
电解铜粉70％、鳞片石墨粉25％、二氧化硅粉0.5％、酚醛树脂粉末6％。电解铜粉的粒度为45μm，鳞片石墨粉的粒度为48μm，酚醛树脂粉的粒度为100μm，二氧化硅粉的粒度为45μm。
首先在室温下，将酚醛树脂全部溶于酒精中，再加入鳞片石墨粉，在混料机中机械搅拌3h至混合料混合搅拌均匀，再将混合料放置于烘箱干燥，干燥温度为80℃，以除去溶剂。再制得的树脂石墨物料反复粉碎后再过筛，选取粒度50μm的树脂石墨粉、电解铜粉和二氧化硅混合粉在V型混料机中混合8h，得到金属石墨混合粉料。之后将金属石墨混合粉料在室温下进行冷压成型，压制压力为300MPa，保压时间为20s，制备的金属石墨压坯在氢气气氛保护下，在950℃烧结1.5h，炉子的升温速率与降温速率均为10～15℃/min。得到的金属石墨电刷的烧结坯内部组织见图2，其抗弯强度为30MPa，肖氏硬度为10，电阻系数为15μΩ*cm，摩擦系数(50小时)为2.58，磨损值(50小时)为14.26mm3。
对比例2
本对比例2中制备金属石墨电刷所用原料粉末成分、含量以及各处理状态的处理方式与对比例1完全一致。区别在于对比例1选用的鳞片石墨粉的粒度为48μm，经过筛后得到的树脂石墨粉粒度为50μm。对比例2选用的鳞片石墨粉的粒度为40μm，经过筛后得到的树脂石墨粉粒度为40μm。
本对比例2中所用金属石墨电刷，以质量百分比计包括下述组分：
电解铜粉70％、鳞片石墨粉25％、二氧化硅粉0.5％、酚醛树脂粉末6％。电解铜粉的粒度为45μm，鳞片石墨粉的粒度为40μm，酚醛树脂粉的粒度为100μm，二氧化硅粉的粒度为45μm。
首先在室温下，将酚醛树脂全部溶于酒精中，再加入鳞片石墨粉，在混料机中机械搅拌3h至混合料混合搅拌均匀，再将混合料放置于烘箱干燥，干燥温度为80℃，以除去溶剂。再制得的树脂石墨物料反复粉碎后再过筛，选取粒度40μm的树脂石墨粉、电解铜粉和二氧化硅混合粉在V型混料机中混合8h，得到金属石墨混合粉料。之后将金属石墨混合粉料在室温下进行冷压成型，压制压力为300MPa，保压时间为20s，制备的金属石墨压坯在氢气气氛保护下，在950℃烧结1.5h，炉子的升温速率与降温速率均为10～15℃/min。得到的金属石墨电刷的烧结坯内部组织见图3，其抗弯强度为45MPa，肖氏硬度为15，电阻系数为12μΩ*cm，摩擦系数(50小时)为1.58，磨损值(50小时)为8.46mm3。
对比例3
原料配取以及其他条件参数完全与实施例1一致，不同之处在于，将各原料一起加入并进行湿法混料；
即按质量比电解铜粉70％、鳞片石墨粉25％、二氧化硅粉0.5％、酚醛树脂粉末6％。电解铜粉的粒度为45μm，鳞片石墨粉的粒度为40μm，酚醛树脂粉的粒度为100μm，二氧化硅粉的粒度为45μm。配取电解铜粉、鳞片石墨粉、二氧化硅粉、酚醛树脂粉末6％、然后配取酒精(酒精的配取量为：按理论计算得到50-100g/L的酚醛树脂酒精溶液)；接着将配取的酒精和电解铜粉、鳞片石墨粉、二氧化硅粉、酚醛树脂粉末混合均匀、干燥、压制成型、烧结、热挤压，得到对比试样3，对比试样3的抗弯强度为12MPa，肖氏硬度为8，电阻系数为36μΩ*cm，摩擦系数(50小时)为8.92，磨损值(50小时)为27.86mm3。该试样由于将铜粉、石墨粉和二氧化硅粉与酚醛树脂同时湿混，导致烧结不致密，在材料内部无法形成连续的铜网结构，电刷的强度、硬度和电导率显著减低，抗摩擦性能变差。
实施例1
本实施例1中制备金属石墨电刷所用原料粉末成分、含量与对比例2完全一致。区别在于对比例2烧结后未进行热挤压处理。
本实施例1中所用金属石墨电刷，以质量百分比计包括下述组分：
电解铜粉70％、鳞片石墨粉25％、二氧化硅粉0.5％、酚醛树脂粉末6％。电解铜粉的粒度为45μm，鳞片石墨粉的粒度为40μm，酚醛树脂粉的粒度为100μm，二氧化硅粉的粒度为45μm。
首先在室温下，将酚醛树脂全部溶于酒精中，再加入鳞片石墨粉，在混料机中机械搅拌3h至混合料混合搅拌均匀，再将混合料放置于烘箱干燥，干燥温度为80℃，以除去溶剂。再制得的树脂石墨物料反复粉碎后再过筛，选取粒度40μm的树脂石墨粉、电解铜粉和二氧化硅混合粉在V型混料机中混合8h，得到金属石墨混合粉料。之后将金属石墨混合粉料在室温下进行冷压成型，压制压力为300MPa，保压时间为20s，制备的金属石墨压坯在氢气气氛保护下，在950℃烧结1.5h，炉子的升温速率与降温速率均为10～15℃/min。最后，将金属石墨烧结坯进行热挤压，控制温度为650℃，热挤压速度为0.5m/min，挤压比为8：1。得到的金属石墨电刷内部组织见图4，其抗弯强度为120MPa，肖氏硬度为42，电阻系数为7.2μΩ*cm，摩擦系数(50小时)为0.12，磨损值(50小时)为2.67mm3。
实施例2
本实施例2中所用金属石墨电刷，以质量百分比计包括下述组分：
电解铜粉85％、鳞片石墨粉12％、二氧化硅粉0.8％、酚醛树脂粉3％。电解铜粉的粒度为48μm，鳞片石墨粉的粒度为32μm，酚醛树脂粉的粒度为160μm，二氧化硅粉的粒度为40μm。
首先在室温下，将酚醛树脂全部溶于酒精中，再加入鳞片石墨粉，在混料机中机械搅拌4h至混合料混合搅拌均匀，再将混合料放置于烘箱干燥，干燥温度为90℃，以除去溶剂。再制得的树脂石墨物料反复粉碎后再过筛，选取粒度35μm的树脂石墨粉、电解铜粉和二氧化硅混合粉在V型混料机中混合8h，得到金属石墨混合粉料。之后将金属石墨混合粉料在室温下进行冷压成型，压制压力为380MPa，保压时间为30s，制备的金属石墨压坯在氢气气氛保护下，在980℃烧结1h，炉子的升温速率与降温速率均为10～15℃/min。最后，将金属石墨烧结坯进行热挤压，控制温度为720℃，热挤压速度为0.5m/min，挤压比为12：1。得到的金属石墨电刷内部组织见图5，其抗弯强度为135MPa，肖氏硬度为45，电阻系数为8μΩ*cm，摩擦系数(50小时)为0.11，磨损值(50小时)为1.28mm3。
实施例3
本实施例3中所用金属石墨电刷，以质量百分比计包括下述组分：
电解铜粉83％、鳞片石墨粉16％、二氧化硅粉0.5％、酚醛树脂粉末4％。电解铜粉的粒度为40μm，鳞片石墨粉的粒度为30μm，酚醛树脂粉的粒度为50μm，二氧化硅粉的粒度为42μm。
首先在室温下，将酚醛树脂全部溶于酒精中，再加入鳞片石墨粉，在混料机中机械搅拌3h至混合料混合搅拌均匀，再将混合料放置于烘箱干燥，干燥温度为80℃，以除去溶剂。再制得的树脂石墨物料反复粉碎后再过筛，选取粒度35μm的树脂石墨粉、电解铜粉和二氧化硅混合粉在V型混料机中混合8h，得到金属石墨混合粉料。之后将金属石墨混合粉料在室温下进行冷压成型，压制压力为400MPa，保压时间为20s，制备的金属石墨压坯在氢气气氛保护下，在980℃烧结1.5h，炉子的升温速率与降温速率均为10～15℃/min。最后，将金属石墨烧结坯进行热挤压，控制温度为700℃，热挤压速度为0.3m/min，挤压比为15：1。得到的金属石墨电刷内部组织见图4，其抗弯强度为150MPa，肖氏硬度为50，电阻系数为3μΩ*cm，摩擦系数(50小时)为0.08，磨损值(50小时)为0.98mm3。

Claims (5)

1.一种导电耐磨的金属石墨电刷，特征在于包括下述组分按质量百分比组成：
铜粉70～85%；
石墨粉12～25%；
二氧化硅粉0.5～0.8%；
酚醛树脂粉末3～6%；
所述酚醛树脂粉的粒度为75~200 μm；
所述铜粉的粒度为40~50 μm；
所述石墨粉的粒度为30~40 μm；
所述二氧化硅粉的粒度为40~45 μm；
所述导电耐磨的金属石墨电刷通过下述步骤制备：
步骤一
按设计组分配取铜粉、石墨粉、二氧化硅粉、酚醛树脂粉末；
步骤二
将配取的酚醛树脂溶于有机溶剂中；然后加入配取的石墨粉并混合均匀，干燥；破碎，直至得到备用颗粒，所述备用颗粒的粒度为35~40 μm；
步骤三
将步骤二所得备用颗粒、步骤一配取的二氧化硅粉、步骤一配取的铜粉进行干混至混合均匀；然后经压坯处理，得到坯样；
步骤四
将步骤三所得坯样置于烧结炉内，在氢气气氛下，以10~15 ℃/min的升温速率升温至900～980 ℃，并保温烧结1~2 h，然后以10~15 ℃/min的降温速率降至室温，得到烧结样坯；
步骤五
对步骤四所得烧结样坯进行热挤压，得到导电耐磨的金属石墨电刷；所述热挤压的温度为500～800 ℃；热挤压的速度为 0.3～1.0 m/min，控制挤压比为6-15：1；
所制备导电耐磨的金属石墨电刷的抗弯强度为90~150 MPa、肖氏硬度为20~50、电阻系数为3~8 μΩ*cm、摩擦系数小于等于0.12、50小时的磨损值小于等于2.67 mm3。
2.根据权利要求1所述的一种导电耐磨的金属石墨电刷，特征在于：
所述铜粉为电解铜粉；
所述石墨粉为鳞片石墨粉。
3.根据权利要求1所述的一种导电耐磨的金属石墨电刷，其特征在于：将配取的酚醛树脂溶于酒精中后，得到酚醛树脂浓度为50-100 g/L的酚醛树脂溶液。
4.根据权利要求1所述的一种导电耐磨的金属石墨电刷，其特征在于：步骤二中，将配取的酚醛树脂溶于酒精中后，得到酚醛树脂浓度为50-100g/L的酚醛树脂溶液；然后加入步骤一配取的石墨粉；在混料机中机械搅拌2~5h至混合均匀，得到混合料，再将混合料放置于烘箱干燥，在70~100℃进行干燥。
5.根据权利要求1所述的一种导电耐磨的金属石墨电刷，其特征在于：
步骤三中，将步骤二所得备用颗粒、步骤一配取的二氧化硅粉、步骤一配取的铜粉进行干混至混合均匀；所述干混在V型混料机中进行，其时间为6~10 h；
压坯时控制压力为250~400 MPa，控制保压时间为15~30秒。
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