專利名稱：銅-二硫化鉬自潤滑導電涂層及其制備方法
技術領域：
本發明涉及ー種銅-ニ硫化鑰自潤滑導電涂層和制備方法，屬于電滑動材料防護技術領域。
背景技術：
有色金屬銅由于優異的導熱導電性、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，銅還常被用作滑動電接觸材料，如電刷、電樞等開關材料，特別是銅基復合材料已被選作高速列車的導電弓材料。由于銅本身強度低、易變形、磨損大，導致其作為滑動材料時雖然表現出很好的導電導熱性能，也伴隨有較大的磨損現象，尤其在載流條件下使用時，載流的大小會對電滑動材料的壽命產生直接的影響。這就要求載流條件下應用的電滑動材料必須具有較高的導電性和優良減磨潤滑性能。因此，開發減少和防止銅基電滑動材料的摩擦磨損、延長其使用壽命的方法和技術具有重大的社會意義和經濟效益。ニ硫化鑰、石墨等固體潤滑劑的研究表明它們可明顯降低材料的摩擦磨損，延長材料的使用壽命。但ニ硫化鑰和石墨的減磨潤滑作用機理不同。石墨由于需要吸附空氣中的水分子產生層裂來實現自潤滑過程；而ニ硫化鑰只有在真空中才表現出優異的自潤滑性能。利用粉末冶金方法合成的塊體銅-石墨、銅-ニ硫化鑰復合材料已經作為電滑動材料使用，并已經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材料的研究還未見報道。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，設備復雜且價格較高；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單、適合大器件、大批量、厚度可控和結構在一定范圍內可調的特點，并且可以在多種金屬基材表面實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，還會生成已被證明具有一定減磨作用的物相Cu2O。鑒于此，本發明期望通過利用等離子噴涂技術，制備ー種真空應用的銅基- ニ硫化鑰自潤滑電滑動涂層。至今，利用等離子噴涂技術制備真空電滑動銅-ニ硫化鑰涂層的方法和技術尚未見報導。

發明內容
本發明的目的在于提供ー種銅-ニ硫化鑰自潤滑導電涂層及其制備方法，該發明所得銅-ニ硫化鑰復合涂層顯著改善了真空下銅的摩擦磨損性能，是ー種優良的固體導電自潤滑涂層。本發明解決其技術問題所采用的技術方案是所述銅-ニ硫化鑰自潤滑導電涂層由ニ硫化鑰和金屬銅粉經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 Quantum Design 公司的PPMS-9綜合物理性能測試儀器測定的體積電阻率范圍5 13.8Χ10_8Ω · m。利用美國CETR公司的UMT-2摩擦設備測得的真空摩擦系數在O. 04、. 09范圍。利用HST-100高速載流摩擦機測定的大氣環境下載流I含30A，滑動速度g 10!11/8時，摩擦系數小于等于0.3。本發明制備所述銅-ニ硫化鑰自潤滑導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)和銅粉根據需要比例在無水こ醇介質中進行球磨混合，磨介為瑪瑙球。控制球磨轉速為100 150r/min,混合時間為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，燒結溫度為800 1000で，恒溫I 2h ；
(3)將燒結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)對金屬基材進行表面預處理。所述金屬基材表面預處理包括清洗、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-ニ硫化鑰自潤滑導電涂層，大氣等離子噴涂設備為美國美科(Sulzer Metco)公司大氣等離子噴涂設備，使用ABB機械臂，噴槍為美國美科(Sulzer Metco )9MB Plasma Gun，噴涂參數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 ;控制噴涂時間為25 40min，控制噴涂次數為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)噴涂結束，取下樣品進行真空封存。(7)本發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-ニ硫化鑰自潤滑導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-ニ硫化鑰自潤滑導電涂層的參數測定
①銅-ニ硫化鑰自潤滑導電涂層的體積電阻率采用四探針法測定。線切割機將涂層切下，打磨清洗并加工成IOmmX ImmX Imm形狀，采用PPMS-9綜合物理性能測試儀器(PPMS-9 ；美國Quantum Design公司)測量量程10nA_5mA, l_95mV,最大測量電阻9M,試驗機測試體積電阻，并采用下面公式計算銅基復合涂層的體積電阻率
權利要求
1.一種銅-ニ硫化鑰自潤滑導電涂層，其特征是所述銅-ニ硫化鑰自潤滑導電涂層由ニ硫化鑰和金屬銅粉經過真空粉末冶金法制備，其涂層組分質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O. 04、. 09;大氣環境下載流為I含30Α，滑動速度含10!11/8時，涂層的摩擦系數小于等于0.3。
2.根據權利要求I所述的銅-ニ硫化鑰自潤滑導電涂層，其特征是所述銅-ニ硫化鑰自潤滑導電涂層的優選組分質量比為銅ニ硫化鑰余量=(8(Γ85) : (1(Γ15) : (O. 5^1)。
3.ー種制備權利要求I或2所述的銅-ニ硫化鑰自潤滑導電涂層的方法，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，根據所需涂層中組分質量比，在無水こ醇介質中進行球磨混合,控制球磨轉速為10(Tl50r/min,混合時間為12 24h,混磨介質為瑪瑙球； 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，燒結溫度為800 1200で，恒溫I 2h ； c)將燒結后塊體破碎形成粉體，所得粉體組分質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-ニ硫化鑰自潤滑導電涂層，大氣等離子噴涂設備為美國美科公司大氣等離子噴涂設備，使用ABB機械臂，噴槍為美國美科9MB Plasma Gun，送粉器為ZB-80型雙筒送粉器，載氣為氬氣；噴涂前對金屬基材進行表面預處理，所述基材為A3低碳鋼、不銹鋼、LY12硬鋁合金和軸承鋼。
e)銅-ニ硫化鑰自潤滑導電涂層的參數測定 i .銅-ニ硫化鑰自潤滑導電涂層的體積電阻率采用四探針法測定，采用美國QuantumDesign公司綜合物理性能測試儀器型號PPMS-9測試體積電阻，測定的體積電阻率范圍為5^13. 8 X IO-8 Ω ·πι，計算銅-ニ硫化鑰自潤滑導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-涂層測試電極間長度,單位米(m)；·用型號HST-10載流高速摩擦磨損試驗機測定的大氣環境下載流I含30Α，滑動速度g 10m/s時，摩擦系數小于等于O. 3 ;摩擦系數由HST-100型載流高速摩擦磨損試驗機摩擦磨損設備直接讀取，摩擦系數為O. 04、. 09 ； iii·磨損率依據測試實驗前后銷試樣(2)質量變化來確定，用精度為O. Img的FA1104分析天平分別對試驗前后的左右銷試樣(2)進行稱重，然后取其平均值，計算銅-ニ硫化鑰自潤滑導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-試驗前左右銷試樣的平均質量mg ； m2-試驗后左右銷試樣的平均質量mg ； L -滑動距離m ； iv.銅-ニ硫化鑰自潤滑導電涂層厚度檢測方法是采用游標卡尺，在試樣上每隔IOmm測定涂層厚度一次，共計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掃描電鏡對涂層橫截面試樣進行觀測得到；涂層的成分采用日本理學D-MAX-2500PC型X射線衍射儀測定，測試參數為=Ci^EKa輻射，特征波長為O. 15406 nm，衍射角(2Θ )范圍為2(Γ80°，掃描速度為4° /11^11，掃描步長為0.02°，電壓為40kV，電流為IOOmA ;采用S-4800場發射掃描電子顯微鏡對粉體、涂層截面形貌、磨痕形貌進行觀察，加速電壓為20 kV;采用INCA ENERGY SEM250型能譜分析儀對涂層及磨痕表面進行元素分析。
4.根據權利要求3所述的銅-ニ硫化鑰自潤滑導電涂層的制備方法，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.根據權利要求3所述的銅-ニ硫化鑰自潤滑導電涂層的制備方法，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 ;控制噴涂時間為25 40min，控制噴涂次數為30 80次，使所制備涂層厚度為15(Γ300μπι。
6.根據權利要求3所述的銅-ニ硫化鑰自潤滑導電涂層的制備方法，其特征是噴涂前對金屬基材進行表面預處理，預處理步驟為清洗、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；除油后的基材再進行噴砂，噴砂采用白剛玉砂礫，平均粒度20微米；噴砂時間5分鐘；噴砂后的基材，需要在45分鐘內進行噴涂。
全文摘要
本發明公開一種銅-二硫化鉬自潤滑導電涂層及其制備方法。該涂層以銅和二硫化鉬粉末為原料，采用燒結破碎法制備銅-二硫化鉬復合粉末，利用大氣等離子噴涂技術制備銅-二硫化鉬復合涂層。本發明所制得銅-二硫化鉬復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-二硫化鉬復合涂層顯著改善了真空下銅的摩擦磨損性能，是一種優良的固體導電自潤滑涂層。
文檔編號C23C4/06GK102691024SQ20121019023
公開日2012年9月26日 申請日期2012年6月11日 優先權日2012年6月11日
發明者梁波, 溫銀堂, 王文魁, 甄文柱 申請人:燕山大學