成分变化对铜二硫化钼-网上比较正规的买球软件

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成分变化对铜二硫化钼-石墨复合材料电磨损性能的影响

时间:2010-08-25点击:3

    电接触是指两个导体之间相互接触并通过接触界面实现电流传递或信号传输的一种物理、化学现象。它既承担了电能传递和信号输送的重要职能,又是整个系统工作可靠性最容易发生故障的部分[l- 3]。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。铜基复合材料在电气工程中的电刷、电极、电触头等之类的电器元件以及机械工程中的滑动轴承、滑块、滑道、密封件等两大领域得到了广泛的应用。铜可以与石墨、二硫化钼以及软金属铅等固体润滑剂组成复合材料,具有较好的润滑效果。二硫化铂是一种较理想的固体润滑剂[4- 6],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[7~9]。研究发现,二硫化钼在铁基和铜基复合材料烧结过程中均会发生反应,形成一些新的物相,但对二硫化钼的电磨损性能研究报道较少。
本文考虑通过粉末冶金法制备铜-二硫化钼-石墨复合材料电刷,充分发挥二硫化钼和石墨的润滑性能,重点研究了通电磨损条件下成分含量变化对其摩擦磨损性能的影响,期望为此类复合材料在航空航天领域的应用提供实验依据。
1  实验部分
    本实验使用的原料是:电解铜粉,粒度为 325目,纯度 9. 7 %;二硫化钼粉末,粒度为 325 目,纯度 8. 0 %;石墨粉,纯度 9. 85 %。
采用粉末冶金法制备复合材料试样,具体工艺为:按表 1 成分称取粉末原料;将粉末在混料器中混合lh;采用冷压烧结法,初始压力为 300 mpa,在h2 保护气氛下 900. 结1 h,随炉冷却到室温,然后在500 mpa压力下进行复压。对制得的复合材料进行加工后,得到尺寸为 24 mm x20 mm x8 mm的试样块。


 
表 1  实验成分配比/ o'4质量)
摩擦磨损实验接国家标准(gbl2175 - 90)在自制的摩擦磨损试验机(图 1)上进行。试样为环-块滑动,对磨环为铜合金,布氏硬度为 105,尺寸为320 mm x60mm,环表面开有均匀轴向槽,槽距为5.5mm,槽宽为 0.5mm,槽深为 2mm。实验时电刷试样块的压力为 2. 5 n/cm2,对磨环线速度为 10m/ s,电流密度 10 a/cm2,通电磨损时间为 10 h。按公式(1)计算出材料的摩擦系数μ:

    -il = n, - fr - co - r
0 20 : io 4n- 50 60 ? 0 80
ze/(' ) 式中:nb 一电刷数量,’fr一作用于介面的径向分力,’d)一角速度,’r一短路换向器半径,’p一试验电刷与短路换向器通电接触时,拖动电机的负载功率,’po 一试验电刷与短路换向器不接触时(无摩擦),拖动电机的空载功率。用 rigaku d/ max'rb型 x射线衍射仪对烧结

   
图 1  电磨损实验装置示意图试样编号mos2
后的试样进行物相分析;在mm-6金相显微镜下观察复合材料的组织形貌和磨损表面形貌;根据阿基米德法计算材料的密度;用 hbv-30a型布维硬度计测定试样的布氏硬度;在dcs - 5000岛津万能材料试验机上测量试样的抗弯强度;采用双臂电桥法测定试样的电阻率。
2  实验结果与讨论
2. 1  复合材料的组织形貌及物相分析
物质的存在方式对复合材料的性能起着至关重要的作用,本实验采用 x射线衍射法对试样 a进行检测,结果示于图 2。从图中发现,石墨的衍射峰较为明显,说明烧结过程中石墨并未发生反应,仍然保持其稳定的化学状态,而mos2 则与基体铜发生反应生成了铜钼硫化合物,图中没有出现 mos2 的衍射峰,说明mos2 在高温下分解后与材料中其他组元发生反应[lo]。观察试样a烧结后的显微组织形貌(图3),表明每种组分分布均匀。

 
   2.2  成分变化对材料性能的影响
    表2列出了 3种试样的密度、硬度和抗弯强度及电阻率。笔者发现,随着试样中 mos2 含量的增加和石墨含量的降低,密度和硬度都呈上升趋势。
 
图3  试样 a烧结后的显微组织
石墨密度较低并且质软,其含量越高,导致材料的密度和硬度越低,另外围柏烧结中压坯烧结致密化主要由各种固态扩散和粘性流动机制控制,而石墨的熔点达 3000.c以上,烧结过程中不会形成烧结颈,即基本不参与反应,故其弥散分布阻碍铜原子和生成的化合物分子的扩散与融合,影响了它们在烧结过程中形成烧结颈,含量越高,阻碍作用越明显,材料致密度越低,硬度值越低。
 
    表2  材料的性能
    此外,烧结过程中,mos2含量越多,与mos2 发生反应的铜也就越多,基体铜含量减少,反应生成物增多,即材料中金属相减少,非金属相增多,并且生成的化合物相会割裂基体的连续分布,材料中电子的定向移动受到阻碍,电阻率增加;另一方面石墨的导电性能比mos2 好,其含量越低,导电性能越差,电阻率越高。
承受外力作用时材料中的软质相不但不能承担载荷,还会对基体起到割裂作用。在试样 a 中,起主要承载作用的基体铜柏所占体积分数最低,软质柏石墨的大量分布阻碍了金属基体间的相互接触,降低了有效承载面积,放抗弯强度值最小,而石墨含量越低,抗弯性能就越好。
2. 3  成分变化对接触电压降的影响
图4为试样a、b和 c在通电磨损条件下接触电压降随磨损时间的变化曲线。对比发现,接触电压降随mos2含量的增加和石墨含量的降低逐渐增大,试样a和b 的接触电压降变化趋势基本相同,均为先升高后趋于稳定,而试样 c在磨损5 h后按触电压降急剧增大,并且接触面间出现火花。
    
电滑动接触过程中,电刷与换向器的接触表面存在着接触电阻,电流通过时就会产生接触电压降,作为表示电刷动态性能的重要参数,接触电压降被看作判断电刷好坏和换向性能的重要依据。电流一定时,接触电压降只取决于接触电阻的大小,而接触电阻是由收缩电阻和薄膜电阻组成。由于固体表面总是凹凸不平的,电刷与换向器的相互接触只能局限于微观上的小区域,电流的传导是在支承接触面中进行,而其中起主要导电作用的是微观接触面,称为 a-斑点,所以电流通过时将产生收缩电阻,其与材料电阻率、硬度及接触点数目的关系可用下列公式表示:
 
式中:r一收缩电阻,p一材料电阻率,一各个微观接触点(即 a- 斑点)的半径,h一接触材料硬度,n一接触点数目,p一接触压力。根据收缩电阻公式得知电接触元件之间的收缩电阻与材料的电阻率及硬度的平方根皆成正比。由表 2 看出,随着mos2 含量的提高和石墨含量的降低,材料的电阻率和硬度都在增大,故收缩电阻增大,接触电阻也就越大,接触电压降数值增大。


    试样 c烧结后生成的铜钼硫化合物含量较多,而此类型化合物本身具有脆性,在磨损过程中会对滑环表面进行犁削,增加其表面粗糙度导致收缩电阻变大,接触电阻变大,继而出现火花磨损现象,火花放电本身为脉冲电流,能量很大,会使温度急剧上升,使部分金属局部熔融并与介质发生化学作用,在换向器与电刷表面形成牢固的粘结层,最终导致接触电压降急剧升高。
2. 4  成分变化对摩擦系数的影响
    摩擦系数是材料摩擦特性的重要参数之一,与材料的表面性质、表面形貌、周围介质、环境温度及实际工作条件等有关['31。图 5为摩擦系数随磨损时间的变化曲线。从图中可以看到,3 种试样的摩擦系数基本保持为先减小后增大的变化趋势,而试样 c同样在磨损5 h后发生火花磨损,摩擦系数迅速由 0.22增大到 0.28。磨损的初始阶段,表面膜末形成,材料与对磨滑环凸起的微峰间存在较多接触点,表面粗糙度大,磨损机制主要为粘着磨损,所以μ较大。当润滑膜逐渐形成,它会在摩擦界面提供一个非常容易剪切变形的固体润滑层,此时的摩擦主要发生在固体润滑层内,从而削弱了金属与金属之间的粘着,导致μ逐渐降低。但随着磨损时间的延长,接触面间会出现少量磨损物,阻碍了表面膜的润滑作用,并且摩擦副表面温度会升高,粘着磨损现象严重,放μ又有所增大。
    随着mos2含量的升高和石墨含量的降低,摩擦系数在逐渐增大。这是由于mos2 含量越高,生成的铜钼硫化合物越多,材料发生犁削磨损越严重,并且颗粒会大量脱落成为磨损物,而另一方面,石墨含量减少使摩擦副之间固体润滑膜的形成能力减弱,微凸体之间的啮合力加强,摩擦系数增大。材料的电阻率也在一定程度上影响了摩擦系数的变化,电阻率越大,电功率损耗增加,摩擦副温度升高使金属间的粘附力增大,粘着磨损增大,最终导致μ值增大。
 
2. 5  成分变化对磨损量的影响
表 3列出了 3种试样在磨损过程中每小时内的磨损量变化值。从表中可以看出,初始阶段,随着磨损的进行,三种试样的磨损量增幅都在逐渐减小并达到磨损量最小值,分别为 0.0134 g、0.0122 g和0.0354 g,磨损一定时间后,磨损量值又渐渐增大,而试样 c在出现火花磨损现象时磨损量显著增大,总质量损失达到0.4275 g,比a、b磨损10h后的总磨损量还要高出许多。磨损过程中,表面润滑膜的逐渐形成使摩擦发生在固体润滑层内,减少了材料本身的质量损失,随着润滑膜覆盖面积的增大,磨损量增幅减小,当连续完整均匀的润滑膜形成时,磨损量达到最小值。磨损继续进行,摩擦副表面的高温加速了润滑膜中水分的蒸发,润滑膜受到严重破坏,并且表面产生氧化,结合强度降低,容易脱落,另外金属粘附力增大,粘着磨损剧烈,金属转移明显,由其导致的质量损失越大,故磨损量有增大趋势。
 
 
图 6为3种试样的磨损量随磨损时间的变化。对比 3条曲线发现,试样b的磨损量值最小,试样c的磨损量值最大。这是由于试样 a 中石墨含量较高,材料硬度值较低,电刷与集电环相对滑动时,集电环表面的粗糙微凸体及磨损过程中脱落的铜钼硫化合物颗粒将导致电刷表面产生轻微磨粒磨损 (图7a),故磨损量较大;而试样c中mos2含量较高,导致电导率较低,接触电压降大,电流热效应大,容易形成粘着磨损 (图7c),磨损量大。此外,试样c发生火花磨损,除去由于摩擦作用和金属转移导致的质量损失,还存在烧损导致的火花磨损量,总磨损量远大于正常磨损,故磨损量值最大。试样b具有适当的硬度和电导率表面膜形成良好,磨面较为光滑(图7b),因此磨损量最小。
结论:
    (1)烧结过程中 石墨并未参与反应,保持其稳定的化学状态,而mos2 与基体铜反应生成铜钼硫化合物,并且各种组分分布较为均匀;
    (2)复合材料的密度、硬度及抗弯强度值都随mos2含量的升高和石墨含量的降低而升高,石墨的影响作用较为明显,材料的电阻率也呈上升趋势;
    (3)在带电磨损状态下,随着复合材料中 mos2含量的升高和石墨含量的降低,电刷与换向器之间的接触电压降呈上升趋势,材料的摩擦系数增大。由于生成物本身的脆性导致mos2 含量过高时出现火花磨损现象,而mos2 与石墨的含量均为 7. 5 %时,由于材料具有适中的硬度和电导率,磨损过程中表面膜形成良好,故表现出较好的耐磨性能。