一种镀铜石墨粉生产低噪音高性能电刷的工艺

摘要

本发明公开了一种置换镀铜石墨粉生产低噪音高性能电刷的工艺，1）将石墨粉和粘结剂混捏得到胶质石墨粉；2）将胶质石墨粉、添加剂和脱模剂混合得到混合粉末；3）在混合粉末中，加入甲醇或汽油低残炭粘结剂稀溶液，混合后再加入镀铜石墨粉；4）将第3）步混合好的料粉晾干，再经带线压制，最后烧结即得到低噪音高性能电刷。本工艺采用易于工业化生产的化学置换镀铜石墨粉为原料，并克服了化学置换镀铜石墨粉镀层疏松、多孔、结合力较差，在使用过程中，镀铜层易于脱落的缺点，制备了低噪音高性能电刷。本工艺只需要一次成型，经过低温热处理即可获得产品，工序简单，能耗低，效率高，生产周期短，成本低于电化石墨。

说明书

技术领域

本发明涉及电刷生产技术，具体指一种采用置换镀铜石墨粉生产低噪音高性能电刷的工艺，属于电刷技术领域。

 

背景技术

现代汽车的电气部分有发电机、电瓶、启动机及各种辅助装置用电动机，如雨刷器、通风机和加热器等。随着我国汽车产业的跨越式发展，汽车的大众化和普及，中国汽车顾客群的成熟，人们对作为顾客可直接感受的汽车的NVH性能的要求将越来越高。NVH是指Noise(噪声)，Vibration(振动)和Harshness(声振粗糙度)。噪声、振动直接影响着汽车的舒适性、环保以及可靠性。噪声是汽车有害排放之一，对人是有害的，所以世界各国都制定了严格的汽车噪声限值法规。振动不仅会给乘员带来不舒适的感觉，也会引起汽车零部件的早期失效，对汽车的安全可靠性也会有所影响，当然，主要的影响还是在于乘员舒适性。电动按摩椅作为一种高品质生活保健用品，其功能就是按摩后人的肌肉放松、关节灵活、精神振奋、消除疲劳，取得保健效果。它和汽车一样，降低噪音对提高电动按摩椅的舒适性有着重要的作用。

电机的噪音和振动主要来自于电机的电气滑动接触。电气滑动接触主要用途是保证各种电机、仪表和装置上的相互滑动部件之间能通过电流。在现代技术中电气滑动触点是用作电刷—换向器、电刷—接触环、无轨电车导线—集电弓滑块和其它类似装置上的部件。在这些组合结构部件的装置运行过程中，除传送电流外，还出现一些其它的相互作用。其中最主要的有：摩擦、相互磨损、温度升高和化学反应。电机换向器的偏心以及换向器表面的沟槽会使电刷产生振动，振动的电刷与换向器以及刷握产生摩擦，导致电机运行中的噪音。电刷的噪音、振动以及磨损不仅涉及到接触部件的结构形式，同样也涉及到制造部件用的材料。当改变电刷材料时，其影响程度是最重要的。

我国行业推荐标准《JB/T4003-2001电机用电刷》中把电刷分为四大类：1.石墨电刷；2.电化石墨电刷；3.树脂粘合石墨电刷；4.金属石墨电刷。其中树脂粘合石墨电刷又称高阻电刷，固化后直接使用，电阻率高，不适用于汽车、按摩椅等低电压电机。电化石墨电刷经过石墨化的高温处理过程后，摩擦系数低，耐磨性能好，可用于制造低噪音电刷。 但电化石墨制备低噪音电刷又具备以下几方面的缺点：电刷采用电化石墨毛坯经机械切割、磨平面、钻孔、填线、磨弧面加工而成，工序繁多，消耗大量人力资源；对于小式样电刷，毛坯利用率低于50%，加工浪费多；石墨化毛坯需经过焙烧和石墨化，有的还需要经过多次浸渍和多次焙烧，焙烧和石墨化温度高，时间长，能源消耗大，不利于节能减排；焙烧和石墨化周期长，一般从原料进厂到产品出厂，需要2到3个月的时间，生产周期特别长，市场适应性差。石墨电刷是以天然石墨（或人造石墨）为主要原料，经过焙烧但不经过石墨化，生产周期相对较短，能耗也较低，但其电阻率难以满足电机向小型化、高转速和高功率化方向发展的需求。金属石墨电刷含有铜粉，它的电阻系数在各类电刷中最低，由于铜的密度远高于石墨 (前者8.9x103kg/m3，后者2.2x103kg/m3)，换算成铜在电刷中的体积分数就大大的减少，如果铜粉加入量太少，铜在电刷中就被分隔成孤立的岛状，难以发挥铜优异的导电性能，随铜粉加入量的增多，电刷的滑动特性又变得越来越差，噪音也越来越大，因此采用铜粉和石墨粉经机械混合后，再成型烧结而得的传统的铜石墨电刷也难以满足电机发展的需求。

采用镀铜石墨粉为原料制作镀铜石墨复合材料，可以使铜形成连续的三维网络，有效的利用了铜的导电性和石墨的润滑性，因而能获得允许电流密度大、线速度高、低电阻及低摩擦的新型材料。从上个世纪70年代开始，国内外就对石墨粉镀铜工艺进行了较多的研究，镀铜工艺研究的方向较多的是电镀法和化学镀法。电镀或先化学镀后再电镀的石墨粉在镀层连续性和厚度等指标上较优，但由于电镀过程中改变粉末镀层厚度会导致系统电阻的激烈波动，无法保证固定的工艺条件，其工艺控制较麻烦，因此目前在化学镀法上研究较为活跃。化学镀就是指在没有外加电流的条件下，利用处于同一溶液中的金属盐和还原剂在具有催化活性的基体表面上进行自催化氧化还原反应的原理，在基体表面形成金属或合金镀层的一种表面处理技术。采用化学镀铜法运用比较广泛，但该方法的缺点为：石墨前处理工艺复杂(通常包括除油、粗化、敏化、活化四个步骤)，镀液不稳定，大量的铜粉悬浮在镀液中或沉积在镀槽表面，从而造成铜离子的流失，镀液成分复杂且制备成本高。化学置换镀采用比铜活泼金属作还原剂，还原水溶液中的铜离子，在石墨粉表面形成镀铜层。在三种镀铜工艺中，化学置换镀铜工艺流程短，操作简单、方便、可靠、易控制，而且选用廉价的有机溶剂（如酒精等）避开了敏化处理需采用的昂贵的SnCl₂，PdCl₂等原料，成本低，非常适合工业化运用。但置换镀铜石墨粉也存在镀层疏松、多孔、结合力较差的缺点。

  

发明内容

    针对现有低噪音电刷生产工艺存在的上述不足，本发明的目的是提供一种新型的低噪音高性能电刷生产工艺，本工艺只需要一次成型，工序简单，能耗低，效率高，生产周期短，成本低于电化石墨。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种置换镀铜石墨粉生产低噪音高性能电刷的工艺，其生产步骤为：

1）将石墨粉和粘结剂混捏，粘结剂为石墨粉重量的8～25%，使粘结剂均匀地包裹在石墨粉的表面；混捏好的混合粉打粉过筛得到胶质石墨粉；

2）将第1）步得到的胶质石墨粉、添加剂和脱模剂在混合机中均匀混合，混合时间为1～2小时，得到混合粉末；

3）在第2）步得到的混合粉末中，加入重量为混合粉末总重量0.5～5%的甲醇或汽油低残炭粘结剂稀溶液，混合10～20分钟后，再加入重量为混合粉末总重量10～45%的镀铜石墨粉，混合10～30分钟；

4）将第3）步混合好的料粉晾干以除去料粉中的低温挥发份，再经带线压制，最后在600～850℃下烧结，即得到低噪音高性能电刷。

所述粘结剂可以是沥青或酚醛树脂，沥青则先加热使其形成粘度较小流动性好的液体后再与石墨粉混捏；酚醛树脂则先加入一定比例溶剂（甲醇或乙醇）调节其粘度后再与石墨粉混捏，其目的是使粘结剂均匀地包裹在石墨粉的表面。

所述甲醇或汽油低残炭粘结剂稀溶液为固含量低于50%的低残炭粘结剂溶液，在粉末混合过程中以喷雾的方式或其它形式加入到混合粉末中，并均匀混合。

所述甲醇或汽油低残炭粘结剂稀溶液为含有脲醛树脂或三聚氰胺类树脂的甲醇稀溶液或含有石蜡的汽油稀溶液。

所述甲醇或汽油低残炭粘结剂稀溶液在第4）步烧结过程中产生热分解，分解产物绝大部分为小分子气体，残碳率很小，甚至没有残炭。

本工艺采用易于工业化生产的化学置换镀铜石墨粉为原料，并克服了化学置换镀铜石墨粉镀层疏松、多孔、结合力较差，在使用过程中，镀铜层易于脱落的缺点，制备了低噪音高性能电刷。本工艺只需要一次成型，经过低温热处理即可获得产品，工序简单，能耗低，效率高，生产周期短，成本低于电化石墨。

 

具体实施方式

本发明置换镀铜石墨粉生产低噪音高性能电刷的工艺，其步骤为：

1）将石墨粉和粘结剂在双Z型捏合机中混捏，粘结剂为石墨粉重量的8～25%，使粘结剂均匀地包裹在石墨粉的表面；混捏好的混合粉打粉过筛得到胶质石墨粉。所述粘结剂可以是沥青或酚醛树脂，沥青则先加热使其形成粘度较小流动性好的液体后再与石墨粉混捏；酚醛树脂则先加入一定比例溶剂（如甲醇或乙醇）调节其粘度（为了便于混捏，酚醛树脂溶液固含量最好低于50%）后再与石墨粉混捏，其目的是使粘结剂均匀地包裹在石墨粉的表面。

2）将第1）步得到的胶质石墨粉、添加剂和脱模剂在混合机（锥型或裤带型）中均匀混合，混合时间为1～2小时，得到混合粉末。脱模剂的目的是使后面带线压制中产品能方便从模具中脱离，通常选用硬脂酸锌（其添加量通常为第3步得到的料粉总量的0.04%左右）。添加剂是指固体润滑剂（如二硫化钼，二硫化钨等，一般为第3步得到的料粉总量的1～5%左右）或是磨料（如氮化硼，碳化硼等，一般为第3步得到的料粉总量的0.5～2%左右）。根据需要，也可以在该步骤中同时外加铜粉，铜粉主要调节电刷的电阻，添加量视电刷用途而定。

3）在第2）步得到的混合粉末中，加入重量为混合粉末总重量0.5～5%的甲醇或汽油低残炭粘结剂稀溶液，混合10～20分钟后，再加入重量为混合粉末总重量10～45%的镀铜石墨粉，混合10～30分钟；所述镀铜石墨粉通过化学置换法得到，镀铜石墨粉中的铜含量为50～70%；

4）将第3）步混合好的料粉晾干以除去料粉中的低温挥发份，再经带线压制，最后在600～850℃下烧结，即得到低噪音高性能电刷。

所述甲醇或汽油低残炭粘结剂稀溶液为含有脲醛树脂或三聚氰胺类树脂的甲醇稀溶液或含有石蜡的汽油稀溶液，即石蜡溶解在汽油中的液体，或脲醛树脂或三聚氰胺类树脂溶解在甲醇（或乙醇）中的液体。

为了混合更加均匀，所述甲醇或汽油低残炭粘结剂稀溶液为固含量（固含量是指溶液加热到150度，保温两小时后，剩余固体质量与溶液质量之比）低于50%的低残炭粘结剂溶液，并在粉末混合过程中以喷雾的方式或其它形式加入到混合粉末中，并均匀混合。

所述甲醇或汽油低残炭粘结剂稀溶液在加热到300度以上时就会产生热分解，分解产物绝大部分为小分子气体，残碳率很小，甚至没有残炭。所以在第4）步600～850℃下烧结时，甲醇或汽油低残炭粘结剂稀溶液通过热分解，残碳率很小，基本没有残炭。

本发明原理如下：

降低换向器表面圆周速度、采用软质电刷、减小电刷与换向器的摩擦、减少电刷与刷盒壁的摩擦和降低振动的措施均能对降低电机的噪音取得较好的效果。随着电机行业的发展，电机的转速要求越来越高，因此难以采用降低换向器表面圆周速度来降低电机的噪音。石墨具有优良的润滑和摩擦性能，提高电刷组分中石墨含量和减少铜含量，除了在一定程度上可以降低电刷的硬度外，还可以有效减小电刷与换向器的摩擦以及电刷与刷盒壁的摩擦，同时金属石墨电刷的振动也是随电刷组分中石墨含量减少和铜含量增多而增大。本工艺采用了镀铜石墨粉替代铜粉制备低噪音电刷，镀铜石墨粉的铜含量为50～70%，其密度远低于铜粉密度，与胶质石墨粉（混合好粘结剂的石墨粉）混合后，镀铜石墨所占的体积分数提高，提高了铜石墨电刷的导电性能，在石墨电刷中加入镀铜石墨粉10～45%（有效铜含量仅为5～30%），也能使得制备的金属石墨电刷具有优异的电性能。在满足电刷电性能的基础上，降低了电刷中的铜含量，即增加了电刷中的石墨含量，金属石墨电刷的滑动性能得到改善，噪音降低。采用镀铜石墨粉制备的电刷的硬度低于铜粉制备的电刷硬度，即可以制备软质电刷，从而降低了电刷的噪音。在本发明的制作工艺中还发现，镀铜石墨粉因为在石墨粉表面形成镀铜层较薄，其塑性远低于铜粉，同时镀铜石墨粉中镀铜层与石墨基体之间的结合并不牢固，在与胶质石墨粉的混合摩擦中，镀铜层易脱落，混合时间越长，脱落越多，即裸露石墨粉（没有粘结剂也没有铜层包覆）也越多，这两方面的因素都会降低混合粉的成型性能以及烧结性能。为克服上述缺点，本工艺采用了较短的镀铜石墨粉与混合粉的混合时间（ 10～30分钟），同时在混合的过程中还喷入了一定的含有粘结剂的稀溶液（粉末总重量的0.5～5%，固含量低于50%）。雾化的低残炭粘结剂稀溶液被比表面积较大的微细铜吸附（本工艺使用成本最低的化学置换镀铜石墨粉，其镀铜层在石墨粉的表面并非连续，结合力差，疏松多孔），与石墨基体形成液体架桥力，使得微细铜与石墨粉的结合力更高，同时混合粉末被雾化的低残炭粘结剂的稀溶液润湿后，也降低了混合中粉末的摩擦力，从而使得镀铜层在混合中更不易脱落。另外低残炭粘结剂的稀溶液的加入有利于混合粉末的均化与粒化，缩短混合时间，同时氨基类树脂可以增加混合粉体的塑性，提高其成型性能。低残炭粘结剂的稀溶液在较高热处理温度下热分解挥发，残碳率很低，在电刷中的铜相形成分布均匀的微孔，调节低残炭粘结剂的加入量，可以调节其微孔的体积分数。该多孔相不但可以降低电刷的硬度，使电刷的噪音更低，还可以吸收振动和噪声。