CN101127430A

CN101127430A - 碳铜复合结构换向器钎焊成型方法

Info

Publication number: CN101127430A
Application number: CNA2007100724728A
Authority: CN
Inventors: 冯吉才; 何鹏; 谢凤春; 张九海
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2007-07-06
Filing date: 2007-07-06
Publication date: 2008-02-20
Anticipated expiration: 2027-07-06
Also published as: CN100502168C

Abstract

碳铜复合结构换向器钎焊成型方法，涉及碳换向器成型方法。本发明解决了现有技术中存在电阻率不稳定、结构单一和添加固定装置的问题，以及成本高、设备要求高、产品使用寿命短，难以连接的弊端。它的步骤如下：一、碳板表面金属化处理；二、制备钎料：Cu：70～80％、Ni：5～15％、Sn：4～10％、P：7～8％，将钎料加工成所需形态；三、碳板金属镀层和铜换向叶片待焊部位清理；四、钎料添加到碳板和铜换向叶片之间并装夹于对心装置中，在轴向方向上施加0.0001～10MPa的压力，将其置于钎焊设备中，然后进行钎焊。本发明是采用将碳材料表面金属化，然后进行钎焊的一种成型方法。本发明的目的在于提供一种简单适用，高效易操作，设备要求简单，工艺稳定，成本低廉的生产碳换向器的方法。

Description

碳铜复合结构换向器钎焊成型方法

技术领域

本发明涉及一种碳换向器的成型方法。

背景技术

换向器是直流电机中最主要的部件之一，也是直流电机中制造工艺最复杂、加工难度最大的结构件。换向器质量的优劣是衡量直流电机性能和质量的重要指标。

铜与同族元素银和金有中等相似性，对热和电有高度的传导性，因此铜广泛应用于电工领域。其优异的性能使得铜及其合金在换向器制造中有着非常重要的作用，可以说目前大多数换向器都是采用铜质的。但是由于乙醇、液化石油等对电机换向器的铜换向叶片产生强烈的腐蚀作用，使换向器火花增大，同时由于铜与碳刷间的润滑不足，磨损严重，使用寿命降低。因此采用铜碳相结合的结构，来解决铜换向器的弊端。石墨材料具有高温强度高、导电传热、抗热震性、耐腐蚀性、润滑性好等优点，它已成为国民经济发展中不可缺少的结构材料、高温材料、导电材料、抗磨材料和功能材料。石墨在非氧化性介质中是化学惰性的，具有很好的耐腐蚀性，除了强酸和强氧化性介质外，石墨不受其它酸碱盐的腐蚀，不与任何有机化合物反应。石墨材料已广泛应用于冶金、化工、电子、电器、机械以及核能和航空航天工业等部门。目前国外先进的汽车电动燃油泵电机采用了碳换向器，而在我国尚未见到这方面的相关报道。即使是可以查阅的一些涉及碳换向器的专利，也是几乎没有采用钎焊方法来实现这种新型换向器的连接的。如中国专利号为ZL03239176.5，授权公告号为CN2607682，授权公告日为2004.03.24的平面碳换向器的公开文献采用了胶结结构将碳块和银铜合金镀层连接成型，但是胶结存在涂层不均匀，使得电阻率不稳定等缺点；中国专利号为ZL200520073003.4，授权公告号为CN2821946，授权公告日为2006.09.27的碳平面换向器和专利号为ZL99806948.5，公开号为CN1304576，公开日为2001.07.18的碳换向器的公开文献都涉及到碳换向器，结构单一，需要辅助结构来减少电阻或者添加固定装置。而实现这种复合结构的制造难点在于碳材料的难于润湿，普通钎料对其不润湿或者润湿性差，碳与铜的物理性能差异较大，用一般的方法很难实现二者之间的连接。

发明内容

本发明为了解决现有技术中存在的涂层不均匀，使得电阻率不稳定等缺点和结构单一，需要辅助结构来减少电阻或者添加固定装置的问题，以及操作复杂、效率低、成本高、设备要求高、产品使用寿命短，难以连接的弊端，提供一种碳铜复合结构换向器钎焊成型方法。

本发明碳换向器的制造方法的步骤如下：(一)碳板表面金属化处理：将碳板表面镀上一层厚度为0.001～1mm的金属镀层；(二)制备钎料：钎料按重量百分比由以下元素组成：Cu：70～80％、Ni：5～15％、Sn：4～10％、P：7～8％，将钎料加工成所需形态；(三)对碳板金属镀层和铜换向叶片待焊部位表面清理；(四)将钎料添加到碳板和铜换向叶片之间并装夹于对心装置中，在轴向方向上施加0.0001～10MPa的压力，将其置于钎焊设备中，然后进行钎焊。

本发明是采用将碳材料表面金属化，然后采用自钎钎料进行钎焊的一种成型方法。本发明的目的在于提供一种简单适用，高效易操作，设备要求简单，工艺稳定，成本低廉的生产碳铜换向器的方法。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的步骤如下：(一)碳板表面金属化处理：将碳板表面镀上一层厚度为0.001～1mm的金属镀层；(二)制备钎料：钎料按重量百分比由以下元素组成：Cu：70～80％、Ni：5～15％、Sn：4～10％、P：7～8％，将钎料加工成所需形态；(三)对碳板金属镀层和铜换向叶片待焊部位表面清理；(四)将钎料添加到碳板和铜换向叶片之间并装夹于对心装置中，在轴向方向上施加0.0001～10MPa的压力，将其置于钎焊设备中，然后进行钎焊。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点在于步骤(一)中镀层的方法采用电镀、化学镀、溅射或高温反应生产碳化物层。其它步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一的不同点在于碳板表面的金属镀层为镀铜、镍、银、锡、金或铬及钛金属。其它步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一的不同点在于步骤(二)中钎料形态为非晶态或晶态的钎料箔或粉末钎料，其它步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四的不同点在于步骤(二)中将钎料加工成厚度为5～50μm的非晶态或晶态的钎料箔。其它步骤与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五的不同点在于步骤(二)中将非晶态或晶态的钎料箔加工成与焊接接头相同的形状，非晶态或晶态的钎料箔的内径与铜换向叶片和碳板的内径相同，非晶态或晶态的钎料箔的外径比铜换向叶片或者碳板中的最大外径大0～2mm。其它步骤与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六的不同点在于步骤(三)中增加了非晶态或晶态的钎料箔清理后直接置于铜换向叶片和碳板金属镀层的待焊表面之间。其它步骤与具体实施方式六相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式四的不同点在于步骤(二)中将钎料的原料放入球磨机中，在保护气体或者空气中球磨0～24h，制成粉末形态的钎料。其它步骤与具体实施方式四相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式八的不同点在于步骤(二)中粉末形态的钎料，经黏结剂混合成膏体后涂抹于铜换向叶片和碳板的待焊表面之间或粉末压坯成形置于铜换向叶片和碳板的待焊表面之间部位，钎料厚度都不大于2mm。其它步骤与具体实施方式八相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一的不同点在于步骤(四)中在轴向方向上施加0.5～9MPa的压力。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式十的不同点在于步骤(四)中在轴向方向上施加1～8MPa的压力。其它与具体实施方式十相同。

具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式十一的不同点在于步骤(四)中在轴向方向上施加2MPa的压力。其它与具体实施方式十一相同。

具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式一的不同点在于步骤(四)中采用高频感应设备进行焊接，首先通入保护气1～12s，然后以50℃/s的速率将铜换向叶片和碳板均匀加热到650～750℃并保持此温度8～12s，然后停止加热并继续通入保护气，待钎料凝固后撤去压力。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式十三的不同点在于通入保护气2～11s，然后以50℃/s的速率将材料加热到660～740℃，保持此温度9～11s。其它步骤与具体实施方式十三相同。

具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式十四的不同点在于通入保护气10s，然后以50℃/s的速率将材料加热到720℃，保持此温度10s。其它步骤与具体实施方式十四相同。

具体实施方式十六：本实施方式与具体实施方式一的不同点在于步骤(四)中采用真空加热设备进行焊接，首先以20℃/min的速率将铜换向叶片和碳板均匀加热到钎料熔点或黏结剂挥发的温度后保温2～10min，然后以10℃/min的速率升温到高于钎料熔点20～100℃的温度后保温不大于15min，待钎料凝固后撤去压力。其它步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式十七：本实施方式与具体实施方式十六的不同点在于以20℃/min的速率将材料加热到钎料熔点或黏结剂挥发的温度后保温3～9min，然后以10℃/min的速率升温到高于钎料熔点30～90℃的温度保温不大于15min。其它步骤与具体实施方式十六相同。

具体实施方式十八：本实施方式与具体实施方式十七的不同点在于以20℃/min的速率将材料加热到钎料熔点温度后保温5min，然后以10℃/min的速率升温到高于钎料熔点50℃的温度保温10min。其它步骤与具体实施方式十七相同。

具体实施方式十九：本实施方式与具体实施方式一的不同点在于步骤(一)中钎料按重量百分比由以下元素组成：Cu：71～79％，Ni：6～14％，Sn：5～9％，P：7～8％。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式二十：本实施方式与具体实施方式十九的不同点在于钎料按重量百分比由以下元素组成：Cu：73～77％、Ni：8～12％、Sn：6～8％、P：7～8％。其它与具体实施方式十九相同。

具体实施方式二十一：本实施方式与具体实施方式二十的不同点在于钎料按重量百分比由以下元素组成：Cu：75％、Ni：10％、Sn：8％、P：7％。其它与具体实施方式二十相同。

具体实施方式二十二：本实施方式与具体实施方式一的不同点在于钎料中增加了银(Ag)，银(Ag)的含量小于钎料总重量的15％。其它与具体实施方式一相同。银元素达到降低接头的电阻率的作用。

本发明中采用了Cu-Ni-Sn-P钎料，为自钎钎料，钎料中的Sn元素能够降低熔点，Ni元素提高钎料的非晶态形成能力，如果在钎料中添加银Ag元素可以降低接头的电阻率，但是成本会升高。本发明采用了高频感应加热设备和真空加热设备，碳板与铜换向叶片用Cu-Ni-Sn-P钎料在高频气体保护下进行钎焊，可以使石墨与铜接头的力学性能不低于3MPa，换向叶片与碳板间的平均电阻率小于4mΩ，符合使用技术要求。用上述钎料采用真空钎焊也可以得到类似的结果，但接头强度比高频感应加热方法得到的接头强度稍差，但与电镀层的厚度及基体与镀层的结合强度更为密切，换向叶片与碳板间的平均电阻率小于2.5mΩ，符合使用技术要求。在高频保护气氛下进行钎焊时，适当的压力可以挤出多余的残存钎料，减少钎缝中的气孔。而且高频焊接过程可以快速进行，钎焊时间很短，钎焊一个试件的试件不超过90秒。高频设备的优点得到利用，也可以减少钎料与金属镀层的反应，提高接头的强度。该方法适合生产的换向器的尺寸范围为：换向器外径为3-360mm。

Claims

1.碳铜复合结构换向器钎焊成型方法，其特征在于它的步骤如下：(一)碳板表面金属化处理：将碳板表面镀上一层厚度为0.001～1mm的金属镀层；(二)制备钎料：钎料按重量百分比由以下元素组成：Cu：70～80％、Ni：5～15％、Sn：4～10％、P：7～8％，将钎料加工成所需形态；(三)对碳板金属镀层和铜换向叶片待焊部位表面清理；(四)将钎料添加到碳板和铜换向叶片之间并装夹于对心装置中，在轴向方向上施加0.0001～10MPa的压力，将其置于钎焊设备中，然后进行钎焊。

2.根据权利要求1所述的碳铜复合结构换向器钎焊成型方法，其特征在于步骤(一)中镀层的方法采用电镀、化学镀、溅射或高温反应生产碳化物层。

3.根据权利要求1所述的碳铜复合结构换向器钎焊成型方法，其特征在于碳板表面的金属镀层为镀铜、镍、银、锡、金或铬及钛金属。

4.根据权利要求1所述的碳铜复合结构换向器钎焊成型方法，其特征在于步骤(二)中钎料形态为非晶态或晶态的钎料箔或粉末钎料。

5.根据权利要求4所述的碳铜复合结构换向器钎焊成型方法，其特征在于步骤(二)中将钎料加工成厚度为5～50μm的非晶态或晶态的钎料箔，非晶态或晶态的钎料箔加工成与焊接接头相同的形状，非晶态或晶态的钎料箔的内径与铜换向叶片和碳板的内径相同，外径比铜换向叶片或者碳板中的最大外径大0～2mm。非晶态或晶态的钎料箔清理后直接置于铜换向叶片和碳板金属镀层的待焊表面之间。

6.根据权利要求1所述的碳铜复合结构换向器钎焊成型方法，其特征在于步骤(二)中将钎料的原料放入球磨机中，在保护气体或者空气中球磨0～24h，取出粉末形态的钎料，经黏结剂混合成膏体后涂抹于铜换向叶片和碳板的待焊表面之间或粉末压坯成形置于铜换向叶片和碳板的待焊表面之间部位，钎料厚度都不大于2mm。

7.根据权利要求1所述的碳铜复合结构换向器钎焊成型方法，其特征在于步骤(四)中采用高频感应设备进行焊接，首先通入保护气1～12s，然后以50℃/s的速率将铜换向叶片和碳板均匀加热到650～750℃并保持此温度8～12s，然后停止加热并继续通入保护气，待钎料凝固后撤去压力。

8.根据权利要求1所述的碳铜复合结构换向器钎焊成型方法，其特征在于步骤(四)中采用真空加热设备进行焊接，首先以20℃/min的速率将铜换向叶片和碳板均匀加热到钎料熔点或黏结剂挥发的温度后保温2～10min，然后以10℃/min的速率升温到高于钎料熔点20～100℃的温度后保温不大于15min，待钎料凝固后撤去压力。

9.根据权利要求1所述的碳铜复合结构换向器钎焊成型方法，其特征在于钎料按重量百分比由以下元素组成：Cu：75％、Ni：10％、Sn：8％、P：7％。

10.根据权利要求1所述的碳铜复合结构换向器钎焊成型方法，其特征在于钎料中增加了Ag，Ag含量小于钎料总重量的15％。