复合材料电刷加工工艺Word文档下载推荐.docx

复合材料电刷加工工艺Word文档下载推荐.docx

《复合材料电刷加工工艺Word文档下载推荐.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《复合材料电刷加工工艺Word文档下载推荐.docx（20页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

1.3普通石墨电刷性能的优缺点.................................................................................3

1.4.电刷材料....................................................................................................4

二、电刷的设计.............................................................................................4

2.1．复合材料电刷设计概述......................................................................................4

2.1.1.电刷的选用........................................................................................................4

2.2复合材料电刷设计的目的.....................................................................................4

2.3.复合材料电刷材料的选择.....................................................................................5

三、复合材料电刷工艺的选择……………………………….7

3.1．颗粒增强复合材料的制备方法…………………………….………………….7

3.1.1.粉末冶金法………………………………………………….………………….7

3.1.2搅拌铸造法…………………………………………………..…………………7

3.1.3挤压铸造法…………………………………………………..…………………7

3.1.4喷射沉积法………………………………………………….………………….8

3.2黑色电刷的处理方法……………………………………….……………………9

3.3工艺流程图............................................................................................................11

3.4制备材料的性能测试............................................................................................12

3.4.1工艺控制及材料物相成分................................................................................12

3.4.2材料显微形貌及力学性能.................................................................................13

3.4.3材料的摩擦性能.................................................................................................16

四、优化总结.........................................................................................................16

五、参考书目........................................................................................................16

摘要：

.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。

材料具有优异的电性能和良好的摩擦磨损性能。

工作时可获得较为稳定的电信号和电流，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。

采用振动球磨机及双螺旋混捏机装置及改性沥青可以制造出抗磨性好、润滑性好、换向性好的黑色航空电刷基体材料。

在电刷中添加造粒MoS2固体润滑剂，使MoS2颗粒呈间隔分布，比加入胶体细粒呈片状的MoS2粉末的电刷的电阻系数小，耐磨性高，是电刷在高空中的良好润滑剂。

关键词二硫化钼银基复合材料电刷梯度材料热压烧结

一、电刷概述

1.1电刷的定义

电刷是与运动件作滑动接触而形成电连接的一种导电部件。

电刷是用于换向器或滑环上，作为导入导出电流的滑动接触体。

它的导电，导热以及润滑性能良好，并具有一定的机械强度和换向性火花的本能。

几乎所有的直流电机以及换向式电机都使用电刷，它是电机的重要组成部件。

是在电机旋转部分与静止部分之间传导电流的主要部件之一。

具有良好的滑动接触特性（如摩擦系数、耐磨性等），对电阻率和接触电阻等也有特殊要求，通常以石墨为主要原材料。

1.2电刷的主要分类方法

　　1，按材质的软硬可分为软质电刷，中硬质电刷和硬质电刷。

　　2，按电刷的使用对象可分为汽轮发电机用电刷，轧钢电机用电刷，牵引电机用电刷，汽车拖拉机用电刷，电动工具用电刷，飞机电机用电等。

3，按电刷的颜色分为黑色电刷（用纯碳石墨材料制成）和有色电刷（用铜等金属材料和石墨制成）。

　　4，根据电刷的生产方法，分为两类。

一类是有色电刷，即金属石墨电刷。

一类是黑色电刷。

有色电刷中，含有色金属，主要是铜粉、银粉、其次是铅粉、锡粉、氧化铅粉等，余量为鳞片石墨粉。

各种金属粉末含量多少随电刷的技术要求而定。

当金属含量达到!

"

#以上时，可不加粘结剂，将粉末混匀后直接压制成型。

否则要加入粘结剂（煤沥青、煤焦油或树脂等）。

黑色电刷选用石油焦、沥青焦、炭黑、木炭以及天然石墨粉等，加入部分粘结剂（如煤沥青、煤焦油和人造树脂等）制造的。

采用树脂粘结剂经固化制造的电刷为高电阻电刷，而焙烧后的产品称炭刷和石墨刷（以天然石墨为主要原料）经石墨化后的产品称电化石墨刷

　5，制造电刷所使用的原料分三类，一是金属粉末；

二是炭和石墨粉末；

三是粘结剂。

由于电机的使用工况条件不同，所以电刷的种类繁多。

不同牌号的电刷，其技术性能上有较大的差异。

所以需要在配方和工艺中进行调整。

配方组成包括：

!

）选用不同的原料和所占比例；

）干粉的粒度组成；

#）粘结剂的种类、性质和所占比例。

制造电刷所使用的原料较多，它们具有不同的物质结构和性能，将这些不同性质的原料按一定比例配合混匀，则得到与单一原始原料性能完全不同的综合效果。

干粉粒度组成，影响它的堆积密度，由于颗粒间的相互搭接的差异，产生不同程度的孔隙（气孔）。

颗粒越细，表面积也越大，需粘结剂多。

颗粒的长宽比不同，成型后电刷具有各向异性。

煤沥青、煤焦油粘结剂的组成十分复杂，它的生产方法、技术指标以及加入量的多少，均直接影响产品的最终性能。

到目前为止，还不能根据电刷性能要求，采用理论计算的方法，设计产品配方。

一般是根据理论计算和实际试验相结合的方法确定。

当生产工艺和原料质量改变时，原来的配方便不一定适用，此时应修改工艺与配方，才能达到原定的质量标准和使用要求。

对于使用信誉较高的产品，应尽量维持配方和工艺的稳定。

图1电刷

1.3普通石墨电刷性能的优缺点

不同电刷的电阻率值分布很宽，金属石墨电刷为0.05-20μΩ·

m,随金属含量变化而变化，电化石墨电刷为5～80μΩ·

m，树脂做粘结剂的石墨电刷的电阻系数更高。

电阻率与接触电阻有关，它是判断换向是否良好的一个标志。

经过100多年的发展，电刷的生产技术不论在结构上还是在材质上都有了很到的突破和丰富。

20世纪80年代后，国外一些碳制品厂，如法国罗兰碳素公司，英国摩根电碳有限公司等在电刷的制造方面发明了多项专利技术，使得电刷的性能有了很大的提升。

开发的产品有：

碳一石墨纤维电刷、浸渍电刷等新型电刷。

二硫化钼（MoS2）是一种较理想的固体润滑剂，具有非常低的摩擦系数，且能够在真空运转的机械部件中保持十分优良的润滑效果。

当电刷中含有一定量的二硫化钼（MoS2）时，尽管在高空中氧化亚铜薄膜难以形成，但是能够形成具有良好润滑作用的硫化物薄膜，此层薄膜紧密吸附在滑环表面，使电刷在高空条件下仍然具有良好的润滑性能。

在以欧版情况下，二硫化钼的摩擦系数为0.05-0.09，这比石墨的摩擦系数0.01还少得多。

二硫化钼润滑脂具有很好的防水性、耐磨性和耐压性

1.4.电刷材料

目前电机所用电刷大部分是碳刷，如银石墨、铜石墨、电化石墨等；

也有直接用金属片作电刷的，比如说手机震动电机中的圆柱震动马达的刷片大多用金属材料。

二、电刷的设计

2.1.电刷的选用

　　1、从直观来看，电刷应当倒角得体、规格适当、结构规范、导线的截面和长度符合要求，没有松动、脱落、破损、掉边、掉角、卡箍等现象。

　　2、从使用来看，电刷使用性能良好的标志主要有以下几种情况：

（1）使用寿命长并且不磨损换向器或集电环，不使换向器出现划痕、不平、烧蚀、拉丝等。

（2）具有良好的换向和集流性能，使火花抑制在允许的范围内，并且能量损耗小。

　　（3）电刷运行时，不过热，噪音小，不破损，刷辫不变色，不烧蚀。

　　（4）运行过程中，能够在换向器或集电环表面较快地形成一层均匀、适度和稳定的氧化薄膜。

2.2复合材料电刷设计的目的

“电接触”是用来描述两个组件因带电接触而产生的一种运动状态。

电接触材料是各类电器中的关键部件，担负着传递电能、电信号、接触和分断电路等重要任务，其性能的好坏直接关系到电机、仪表、电路的可靠性、稳定性和使用寿命。

随着现代航空航天工业的发展，对人造卫星、宇宙飞船、航天飞机中应用的电接触材料的性能要求越来越高。

银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，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，对高可靠性电刷一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。

2.3.复合材料电刷材料的选择

银基材料电刷是仪表系统、自动控制系统以及电机、电器及电路装置中必不可少的元件，它担负着相对滑动部件电信号和电流的接通、关闭以及电流传递作用，因此要求其具有良好的导电性能、优异的摩擦磨损性能以及较长的使用寿命，金属银具有高的导电性，但其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，在航空和航天领域中是一种较理想的固体润滑剂，具有非常低的摩擦系数，比较高的屈服强度，能够在真空中运转的机械部件中保持十分优良的润滑效果。

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。

本人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，

作为航空电机用黑色航空电刷，特别具有造粒MoS2的固体润滑剂作为高空润滑材料的电刷，在国外已经进行了很多研究，并有不同型号的生产产品，如美国斯塔克波尔炭素部生产的605、555，俄罗斯生产的r-24、r-27,等牌号电刷。

在国际上，航空电刷品种分为两大类：

一类是金属粉末加石墨粉用树脂或沥青作粘结剂制备的金属石墨电刷俗称有色电刷，另一类是以炭素粉末（炭黑、焦炭、石墨粉）用树脂或沥青作粘结剂生产的电化石墨电刷或碳—石墨电刷，欧美等国家以黑色为主约占60%以上，俄罗斯、中国则以有色电刷为主，70年代后期俄罗斯也改用黑色航空电刷。

黑色和有色电刷各有其特点：

有色电刷特点是电阻系数小，电流密度大，工艺简单，主要是依铜、石墨为主体外加软金属如铅、锡等固体润滑剂，有的电刷通过铅肥皂、铝肥皂处理以确保电刷的润滑使用，近来也开始加入MoS2作固体润滑剂。

黑色电刷的特点：

是换向性能好、圆周速度高、抗磨性好、寿命长、制造工艺复杂，主要以炭素材料为主体经混合、成型、焙烧、石墨化，通过填MoS2芯柱及浸渍处理，或将石墨化料磨粉加入造粒MoS2再成型焙烧而制得。

综合分析：

黑色航空电刷比有色电刷有无可比拟的优越性，概括起来有10大优点：

（1）电刷使用寿命长，在同种电机上黑色航空电刷使用寿命是有色电刷的1-2倍。

（2）换向性能好，有色电刷在前苏联系列航空电机上使用时，换向火花一般在一又二分之一级，过载时甚至会出现喷射长火舌，而黑色航空电刷在同种电机上工作时换向火花比有色至少低一个等级，过载时也未超过一又二分之一级的。

（3）电刷使用圆周速度高，可在60米／秒以上工作，而有色电刷只能达到25（米／秒，最高只能达到35米／秒。

（4）电刷的摩擦系数比有色电刷低，润滑性好，抗磨性能好，是有色电刷所不及的。

（5）电刷使用温度较高，我国和前苏联使用的有色电刷由于受材料及工艺的局限性，使用温度一般不超过180℃，而黑色电刷可在250℃下长期工作，瞬间可达600℃。

（6）黑色航空电刷具有“三防”能力，中国和俄国有色电刷主要以铜、铅、锡和树脂为原料，热压成型，所以电刷有“霉变现象”，长白毛一直无法克服，而黑色电刷有耐化学腐蚀、耐潮湿、耐盐雾的能力。

（7）电刷性能均一性好，同批黑色航空电刷磨损的最大值和最小值比，一般不超过1倍。

而有色电刷均在一倍以上。

（8）黑色航空电刷使用高度高，有色电刷使用高度一般不超过18000米，而黑色电刷可在20000米以上高空中确保无故障的长期工作。

（9）为国家节省大量的金属原材料，据不完全统计，电炭行业生产航空电刷每年耗铜、铅、锡粉约100多吨，如果全用黑色代替有色电刷，不但节约金属而且降低成本，提高经济效益。

（10）黑色航空电刷在工艺上取消了铅、苯等有毒材料，这就从根本上解决了铅、苯职业中毒的大问题。

随着航空工业的发展，对电刷的使用要求，基本上符合上述黑色航空电刷的特点。

“八五”期间，国家已把航空电刷延寿问题列入国家计划，并提出了要达到的技术指标是：

（1）电刷地面使用寿命：

500小时-1000小时

（2）电刷使用温度：

200℃-250℃

（3）电刷使用高度：

在20000米以上

三、复合材料电刷工艺的选择

3.1颗粒增强复合材料的制备方法

粉末冶金法、搅拌铸造法、挤压铸造法和喷射沉积法是制备颗粒增强铝基复合材料的几种常用方法。

3.1.1.粉末冶金法

粉末冶金法是最早开发用于制备颗粒增强金属基复合材料的工艺，具体工艺是先将金属粉末或预合金粉末和增强相均匀混合，制得混合坯料，经不同的固化技术制成锭块，再通过挤压、轧制、锻造等二次加工制成型材。

粉末冶金法的优点是增强体的加入量可以任意调节，成分比例准确，体积分数控制方便，复合材料组织中位错密度高，因而材料强度大。

缺点是原材料和设备成本高，制造出的复合材料的内部组织出现不均匀现象，孔洞率较大，因此必须对复合材料进行二次塑性加工，以提高其综合力学性能；

工艺比较复杂，而且都必须在密封、真空或保护气氛下进行，设备及生产成本较高；

所制零件的结构和尺寸均受限制。

3.1.2.搅拌铸造法

搅拌铸造法就是将增强体颗粒加人到基体金属液中，通过高速旋转的搅拌器使液固相混合均匀，然后浇人金属铸型。

搅拌铸造法制备复合材料的过程中，由于增强体颗粒与铝液湿润性差，因此实现增强体颗粒均匀分布较为困难，同时，增强体颗粒极易与铝溶液发生严重化学反应，因此界面结合较差。

此外，添加的增强体颗粒的大小通常应大于10μm，体积含量一般为20％左右。

与其他方法相比，该方法制备的复合材料性能较差。

3.1.3.挤压铸造法

　　挤压铸造法是将增强体颗粒预制件放人经过精密加工的石墨浇铸模内，预热到一定温度，加人熔化的铝合金液，在压力作用下先渗入模壁间隙中，继而渗入预制件中，最后去压，冷却。

该工艺预制件的预热温度、铝合金液的渗人温度、压力大小、冷却速度是关键工艺参数。

该法施加压力可以较大，生产时间缩短，渗透可以在几分钟完成，工艺的稳定性好，但是该方法在生产形状复杂的零件方面受到很大限制。

3.1.4.喷射沉积法

　　喷射共沉积技术是20世纪80年代逐渐成熟的一种新的粉末冶金技术，其具体工艺过程如下：

将铝合金在坩埚中熔化，加压流经雾化器后被高速气体分散成极其细小的微滴，微滴高速冷却后沉积到基板上，便可得到理想的快凝材料；

若同时通过一个或几个喷嘴射人增强粒子并使之与雾化液滴一起沉积在基板上，这样便制得了复合材料。

该工艺综合了粉末冶金和快速凝固的特点，可以实现制粉和材料复合一步完成。

考虑了传统喷射共沉积制备大尺寸坯的困难，陈振华等人发明了一种新型的坩埚移动式喷射共沉积方法。

该方法主要特点是雾化喷嘴和坩埚一起移动，沉积坯的直径取决于雾化喷嘴移动距离。

熔体同样通过喷嘴雾化成液滴（内含一部分固相颗粒）沉积在基板上，通过基板的旋转和下降的复合运动，使沉积坯成形。

新的共沉积方法解决了国际上制备大尺寸沉积坯的难题，目前用该法已能制800mm×

1000mm沉积坯。

这种大尺寸坯具有高的冷速（103K／s104K／s），颗粒增强相均匀，基体为微晶状态等特点，其挤压坯和锻造坯力学性能优异。

　　综上所述,颗粒增强铝基复合材料的制备方法各有千秋，实际应用时．可根据材料的性能要求及设备条件选择适宜的制备方法铝基复合材料的制备工艺.

3.2对黑色电刷的处理方法

第一类是添加金属卤化物，如碘化铅、碘化镉、氟化钡等化合物在高空中能促进整流子表面的氧化而形成一层氧化亚铜薄膜。

第二类处理材料是含结晶水的复盐，这类材料在电刷处于高空缺氧的情况下工作时由摩擦生热的作用结晶水被释放出来，生成水蒸气的润滑作用，同时部分水被电离生成氧，使整流子表面铜氧化形成氧化亚铜润滑膜，而使电刷仍能工作。

第三类是一些高分子有机化合物，不但本身具有固体润滑剂作用，有的其中的溶剂也给电刷提供了蒸汽润滑作用。

第四类高空处理材料是硫化合物主要采用MoS2，这类材料与石墨一样具有六方晶系的层状晶体结构，其结构有着各向异性的特点，这类材料层间结合力很弱，很容易发生层间位移，因此它们都有较低的摩擦系数，同时这类材料不仅与石墨一样对氧有较大的化学吸附趋势，而且对金属表面的附着力比石墨大得多。

因此，这种材料在真空中的摩擦系数基本不变。

当刷体中含有一定量的硫化物时，尽管高空中氧化亚铜膜难以形成，但该材料在运行过程中紧密地吸附在整流子的表面形成一层硫化物薄膜，这种硫化物薄膜有着良好的润滑作用，因而使电刷在高空条件下仍然具有良好的润滑性。

第五类处理材料是采用复合材料，即有机高分子材料和无机非金属固体润滑剂混合一体作为高空的润滑剂。

如哈尔滨电炭研究所就采用酚醛树脂，氧化钡等材料，经二阶段复合在一起作为航空电刷的固体润滑剂，已成功的应用到现代航空电刷中。

根据目前的实际应用综合分析，美国、俄罗斯、英国、法国……等国家，都采用电化石墨料，添加Mos2.芯柱或以电化石墨料为基体添加造粒，MoS2.再进行浸渍处理制成航空电刷，在实际运行中效果非常好。

综上所述，本人在设计黑色航空电刷中，采用四新的技术路线，即：

（1）选用了振动球磨—双螺旋混捏等新的工艺装备，及其相应的新工艺、新技术。

（2）粘结剂选用改性高温沥青新材料。

（3）电刷基体材料选用耐热性好、润滑性优良、抗磨性好的电化石墨材料。

（4）选用二种固体润滑剂，即适合高空又适应地面的胶体MoS2及胶体石墨粉，对固体润滑剂的比例、粒度组成及在电刷中的分布进行调整。

（5）在添加剂方面，选用了自调整氧化膜厚薄的研磨剂

制备黑色航空电刷的几项技术处理方法：

（1）改性高温沥青的制备，国内高温沥青软化点为95℃--105℃，因达不到本工艺性能指标要求，又经过改性处理，主要是在高温下通过空气氧化法处理，使沥青软化点、残炭、灰分、,BI（苯中不溶物），QI（喹啉不溶物）达到技术规定指标。

（2）天然石墨提纯，本工艺方案采用电化石墨的提纯法，将石墨放入石墨化炉中，经2600℃以上高温处理。

（3）胶体石墨的制备，本工艺制备的胶体石墨是采用高纯石墨粉按一定比例加入分散剂等而形成的胶体石墨溶液。

（4）MoS2造粒的制备，按一定比例把胶体石墨和MoS2粉末混匀，经造粒机造粒而制得。

（5）炭黑-阶段料制备：

按配比加入炭黑和高温沥青在振动球磨机中经过活化,再通过双螺旋混捏机密实浸油、成型、焙烧、石墨化、磨成粉而制得。

（6）阶段料制备：

由阶段料加树脂及添加剂经混合而制得。

（7）将阶段料粉加入造粒MoS2等制成具有高空和地面均抗磨性好的毛坯。

为了解决了普通Ag—Cu—MoS2电刷材料焊接性能差的问题，本人采用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。

本人采用纯度为99．95％以上的Ag粉末，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一4MoS2，焊接层为Ag一5Cu，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／rain，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一2550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一6700型扫描电镜上进行。

3.3工艺流程图

图2二硫化钼银基热压烧结工艺流程图

3.4制备材料的性能测试

3.4.1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，MoS