專利名稱：銅-二硫化鉬自潤(rùn)滑導(dǎo)電涂層及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種銅-ニ硫化鑰自潤(rùn)滑導(dǎo)電涂層和制備方法，屬于電滑動(dòng)材料防護(hù)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
有色金屬銅由于優(yōu)異的導(dǎo)熱導(dǎo)電性、韌性、延展性和加工性能而成為電氣原件的 首選材料。除作為輸電線材外，銅還常被用作滑動(dòng)電接觸材料，如電刷、電樞等開關(guān)材料，特別是銅基復(fù)合材料已被選作高速列車的導(dǎo)電弓材料。由于銅本身強(qiáng)度低、易變形、磨損大，導(dǎo)致其作為滑動(dòng)材料時(shí)雖然表現(xiàn)出很好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，也伴隨有較大的磨損現(xiàn)象，尤其在載流條件下使用時(shí)，載流的大小會(huì)對(duì)電滑動(dòng)材料的壽命產(chǎn)生直接的影響。這就要求載流條件下應(yīng)用的電滑動(dòng)材料必須具有較高的導(dǎo)電性和優(yōu)良減磨潤(rùn)滑性能。因此，開發(fā)減少和防止銅基電滑動(dòng)材料的摩擦磨損、延長(zhǎng)其使用壽命的方法和技術(shù)具有重大的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)效益。ニ硫化鑰、石墨等固體潤(rùn)滑劑的研究表明它們可明顯降低材料的摩擦磨損，延長(zhǎng)材料的使用壽命。但ニ硫化鑰和石墨的減磨潤(rùn)滑作用機(jī)理不同。石墨由于需要吸附空氣中的水分子產(chǎn)生層裂來實(shí)現(xiàn)自潤(rùn)滑過程；而ニ硫化鑰只有在真空中才表現(xiàn)出優(yōu)異的自潤(rùn)滑性能。利用粉末冶金方法合成的塊體銅-石墨、銅-ニ硫化鑰復(fù)合材料已經(jīng)作為電滑動(dòng)材料使用，并已經(jīng)被證明都具有良好的減磨作用。但銅-石墨、銅-ニ硫化鑰涂層材料作為電滑動(dòng)材料的研究還未見報(bào)道。目前制備金屬-ニ硫化鑰涂層的主要方法是沉積法。沉積法又包括濺射沉積法、電沉積法和熱噴涂法等。相比較而言，濺射沉積法一般沉積率較低，設(shè)備復(fù)雜且價(jià)格較高；電沉積法沉積速度較慢、沉積厚度有限。等離子噴涂法同濺射沉積、電沉積法相比具有エ藝控制簡(jiǎn)單、適合大器件、大批量、厚度可控和結(jié)構(gòu)在一定范圍內(nèi)可調(diào)的特點(diǎn)，并且可以在多種金屬基材表面實(shí)施金屬或陶瓷涂層的噴涂。熱噴涂銅基材料形成的涂層主物相除金屬銅夕卜，還會(huì)生成已被證明具有一定減磨作用的物相Cu2O。鑒于此，本發(fā)明期望通過利用等離子噴涂技術(shù)，制備ー種真空應(yīng)用的銅基- ニ硫化鑰自潤(rùn)滑電滑動(dòng)涂層。至今，利用等離子噴涂技術(shù)制備真空電滑動(dòng)銅-ニ硫化鑰涂層的方法和技術(shù)尚未見報(bào)導(dǎo)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供ー種銅-ニ硫化鑰自潤(rùn)滑導(dǎo)電涂層及其制備方法，該發(fā)明所得銅-ニ硫化鑰復(fù)合涂層顯著改善了真空下銅的摩擦磨損性能，是ー種優(yōu)良的固體導(dǎo)電自潤(rùn)滑涂層。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是所述銅-ニ硫化鑰自潤(rùn)滑導(dǎo)電涂層由ニ硫化鑰和金屬銅粉經(jīng)過真空粉末冶金法制備，其涂層組分變化范圍為CikMoS2:余量=(75^90) : (8^22) : ( 2^3)。涂層厚度范圍 150 μ πΓ300 μ m ;利用美國(guó) Quantum Design 公司的PPMS-9綜合物理性能測(cè)試儀器測(cè)定的體積電阻率范圍5 13.8Χ10_8Ω · m。利用美國(guó)CETR公司的UMT-2摩擦設(shè)備測(cè)得的真空摩擦系數(shù)在O. 04、. 09范圍。利用HST-100高速載流摩擦機(jī)測(cè)定的大氣環(huán)境下載流I含30A，滑動(dòng)速度g 10!11/8時(shí)，摩擦系數(shù)小于等于0.3。本發(fā)明制備所述銅-ニ硫化鑰自潤(rùn)滑導(dǎo)電涂層的方法包括下述步驟
(1)將市售銅包覆ニ硫化鑰粉(Cu-MoS2)和銅粉根據(jù)需要比例在無(wú)水こ醇介質(zhì)中進(jìn)行球磨混合，磨介為瑪瑙球。控制球磨轉(zhuǎn)速為100 150r/min,混合時(shí)間為12 24h ;所述銅粉粒度范圍為15 50 μ m ;所述銅包覆ニ硫化鑰粉的粒度范圍為5(Γ150 μ m ；
(2)將上述混合粉末在4(T80°C下烘干，烘干后粉末在真空中燒結(jié)，燒結(jié)溫度為800 1000で，恒溫I 2h ；
(3)將燒結(jié)后塊體破碎形成粉體，所選粉體平均粒徑75μπι;粉體組分含量為銅ニ硫 化鑰余量=(75 90) : (8 22) : ( 2 3)；
(4)對(duì)金屬基材進(jìn)行表面預(yù)處理。所述金屬基材表面預(yù)處理包括清洗、除油、噴砂等。所述基材為Α3低碳鋼、不銹鋼、硬鋁(LY12)鋁合金和軸承鋼等；
(5)以步驟(3)所得粉體為原料，利用大氣等離子噴涂方法制備銅-ニ硫化鑰自潤(rùn)滑導(dǎo)電涂層，大氣等離子噴涂設(shè)備為美國(guó)美科(Sulzer Metco)公司大氣等離子噴涂設(shè)備，使用ABB機(jī)械臂，噴槍為美國(guó)美科(Sulzer Metco )9MB Plasma Gun，噴涂參數(shù)為主氣和輔氣的流量為45 70slpm和Olslpm ;噴涂過程中控制電流為35(Γ450Α，電壓為5(T65V ;噴涂距離為80 100 mm ;控制噴涂時(shí)間為25 40min，控制噴涂次數(shù)為30 80次。送粉器為ZB-80型雙筒送粉器，載氣為氬氣，送粉氣體流量為3 4slpm ;送粉率為2(T50g/min ;使所制備涂層厚度為150 300 μ m。(6)噴涂結(jié)束，取下樣品進(jìn)行真空封存。(7)本發(fā)明所得涂層的組分是銅和ニ硫化鑰，厚度為15(Γ300 μ m。所述銅-ニ硫化鑰自潤(rùn)滑導(dǎo)電涂層的組分為銅ニ硫化鑰余量=(75、0) : (8^22) : (2^3)，所述涂層的優(yōu)選組分為銅ニ硫化鑰余量=(80 85) : (10 15) : (O. 5 I)。(e)銅-ニ硫化鑰自潤(rùn)滑導(dǎo)電涂層的參數(shù)測(cè)定
①銅-ニ硫化鑰自潤(rùn)滑導(dǎo)電涂層的體積電阻率采用四探針法測(cè)定。線切割機(jī)將涂層切下，打磨清洗并加工成IOmmX ImmX Imm形狀，采用PPMS-9綜合物理性能測(cè)試儀器(PPMS-9 ；美國(guó)Quantum Design公司)測(cè)量量程10nA_5mA, l_95mV,最大測(cè)量電阻9M,試驗(yàn)機(jī)測(cè)試體積電阻，并采用下面公式計(jì)算銅基復(fù)合涂層的體積電阻率
權(quán)利要求
1.一種銅-ニ硫化鑰自潤(rùn)滑導(dǎo)電涂層，其特征是所述銅-ニ硫化鑰自潤(rùn)滑導(dǎo)電涂層由ニ硫化鑰和金屬銅粉經(jīng)過真空粉末冶金法制備，其涂層組分質(zhì)量比為銅ニ硫化鑰余量=(75 90) : (8 22) : (2 3);涂層厚度150 μ πΓ300 μ m ;涂層的體積電阻率5 13.8Χ10_8Ω ·πι;涂層的摩擦系數(shù)O. 04、. 09;大氣環(huán)境下載流為I含30Α，滑動(dòng)速度含10!11/8時(shí)，涂層的摩擦系數(shù)小于等于0.3。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的銅-ニ硫化鑰自潤(rùn)滑導(dǎo)電涂層，其特征是所述銅-ニ硫化鑰自潤(rùn)滑導(dǎo)電涂層的優(yōu)選組分質(zhì)量比為銅ニ硫化鑰余量=(8(Γ85) : (1(Γ15) : (O. 5^1)。
3.ー種制備權(quán)利要求I或2所述的銅-ニ硫化鑰自潤(rùn)滑導(dǎo)電涂層的方法，其特征是所述方法包括以下步驟 a)將市售銅包覆ニ硫化鑰、銅粉和市售ニ硫化鑰粉體，根據(jù)所需涂層中組分質(zhì)量比，在無(wú)水こ醇介質(zhì)中進(jìn)行球磨混合,控制球磨轉(zhuǎn)速為10(Tl50r/min,混合時(shí)間為12 24h,混磨介質(zhì)為瑪瑙球； b )將上述混合粉末在4(Γ80 V下烘干，烘干后將所述混合粉末在真空中燒結(jié)，燒結(jié)溫度為800 1200で，恒溫I 2h ； c)將燒結(jié)后塊體破碎形成粉體，所得粉體組分質(zhì)量比為銅ニ硫化鑰余量=(75 90) : (8 22) : (2 3)，所選粉體平均粒徑為75 μ m左右； d)采用步驟c所得粉體為原料，利用大氣等離子噴涂方法制備銅-ニ硫化鑰自潤(rùn)滑導(dǎo)電涂層，大氣等離子噴涂設(shè)備為美國(guó)美科公司大氣等離子噴涂設(shè)備，使用ABB機(jī)械臂，噴槍為美國(guó)美科9MB Plasma Gun，送粉器為ZB-80型雙筒送粉器，載氣為氬氣；噴涂前對(duì)金屬基材進(jìn)行表面預(yù)處理，所述基材為A3低碳鋼、不銹鋼、LY12硬鋁合金和軸承鋼。
e)銅-ニ硫化鑰自潤(rùn)滑導(dǎo)電涂層的參數(shù)測(cè)定 i .銅-ニ硫化鑰自潤(rùn)滑導(dǎo)電涂層的體積電阻率采用四探針法測(cè)定，采用美國(guó)QuantumDesign公司綜合物理性能測(cè)試儀器型號(hào)PPMS-9測(cè)試體積電阻，測(cè)定的體積電阻率范圍為5^13. 8 X IO-8 Ω ·πι，計(jì)算銅-ニ硫化鑰自潤(rùn)滑導(dǎo)電涂層體積電阻率的公式如下 A=平 公式中 Pv -體積電阻率，単位為歐姆 米(Ω·πι); Rv-銅基涂層的體積電阻，単位歐姆(Ω); B -涂層橫截面的寬度，単位米(m)； D -涂層厚度，単位米(m)； L-涂層測(cè)試電極間長(zhǎng)度,單位米(m)；·用型號(hào)HST-10載流高速摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)定的大氣環(huán)境下載流I含30Α，滑動(dòng)速度g 10m/s時(shí)，摩擦系數(shù)小于等于O. 3 ;摩擦系數(shù)由HST-100型載流高速摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)摩擦磨損設(shè)備直接讀取，摩擦系數(shù)為O. 04、. 09 ； iii·磨損率依據(jù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)前后銷試樣(2)質(zhì)量變化來確定，用精度為O. Img的FA1104分析天平分別對(duì)試驗(yàn)前后的左右銷試樣(2)進(jìn)行稱重，然后取其平均值，計(jì)算銅-ニ硫化鑰自潤(rùn)滑導(dǎo)電涂層磨損率的公式如下Δ W= Cm1-Hi2) /L式中 Δ W-磨損率mg/L In1-試驗(yàn)前左右銷試樣的平均質(zhì)量mg ； m2-試驗(yàn)后左右銷試樣的平均質(zhì)量mg ； L -滑動(dòng)距離m ； iv.銅-ニ硫化鑰自潤(rùn)滑導(dǎo)電涂層厚度檢測(cè)方法是采用游標(biāo)卡尺，在試樣上每隔IOmm測(cè)定涂層厚度一次，共計(jì)15次的平均值減去基材厚度的平均值，也可以通過日本日立S-4800掃描電鏡對(duì)涂層橫截面試樣進(jìn)行觀測(cè)得到；涂層的成分采用日本理學(xué)D-MAX-2500PC型X射線衍射儀測(cè)定，測(cè)試參數(shù)為=Ci^EKa輻射，特征波長(zhǎng)為O. 15406 nm，衍射角(2Θ )范圍為2(Γ80°，掃描速度為4° /11^11，掃描步長(zhǎng)為0.02°，電壓為40kV，電流為IOOmA ;采用S-4800場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)粉體、涂層截面形貌、磨痕形貌進(jìn)行觀察，加速電壓為20 kV;采用INCA ENERGY SEM250型能譜分析儀對(duì)涂層及磨痕表面進(jìn)行元素分析。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的銅-ニ硫化鑰自潤(rùn)滑導(dǎo)電涂層的制備方法，其特征是所述銅粉的粒度為15 50 μ m ;所述銅包覆ニ硫化鑰粉的粒度為5(Γ150 μ m ;所述ニ硫化鑰粉的粒度為2飛μ m。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的銅-ニ硫化鑰自潤(rùn)滑導(dǎo)電涂層的制備方法，其特征是 所述的大氣等離子噴涂方法，以氬氣為主氣，氫氣為輔氣，并以氬氣作為送粉氣體； 所述的大氣等離子噴涂方法，其控制主氣和輔氣的流量為45"70slpm和(T4slpm ;控制送粉氣體流量為3 4slpm ;送粉率為2(T50g/min ;噴涂過程中控制電流為35(Γ450Α，電壓為50 65V ;噴涂距離為80 100 mm ;控制噴涂時(shí)間為25 40min，控制噴涂次數(shù)為30 80次，使所制備涂層厚度為15(Γ300μπι。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的銅-ニ硫化鑰自潤(rùn)滑導(dǎo)電涂層的制備方法，其特征是噴涂前對(duì)金屬基材進(jìn)行表面預(yù)處理，預(yù)處理步驟為清洗、除油和噴砂；清洗采用蒸餾水；除油先采用汽油溶解，再用蒸餾水清洗、烘干；除油后的基材再進(jìn)行噴砂，噴砂采用白剛玉砂礫，平均粒度20微米；噴砂時(shí)間5分鐘；噴砂后的基材，需要在45分鐘內(nèi)進(jìn)行噴涂。
全文摘要
本發(fā)明公開一種銅-二硫化鉬自潤(rùn)滑導(dǎo)電涂層及其制備方法。該涂層以銅和二硫化鉬粉末為原料，采用燒結(jié)破碎法制備銅-二硫化鉬復(fù)合粉末，利用大氣等離子噴涂技術(shù)制備銅-二硫化鉬復(fù)合涂層。本發(fā)明所制得銅-二硫化鉬復(fù)合涂層的組分含量為銅:二硫化鉬:余量=(75~90):(8~22):(2~3)，厚度約為150~300μm。所得銅-二硫化鉬復(fù)合涂層顯著改善了真空下銅的摩擦磨損性能，是一種優(yōu)良的固體導(dǎo)電自潤(rùn)滑涂層。
文檔編號(hào)C23C4/06GK102691024SQ20121019023
公開日2012年9月26日 申請(qǐng)日期2012年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月11日
發(fā)明者梁波, 溫銀堂, 王文魁, 甄文柱 申請(qǐng)人:燕山大學(xué)