CN102352450B

CN102352450B - 一种滑动接点材料及层状复合材料

Info

Publication number: CN102352450B
Application number: CN 201110335649
Authority: CN
Inventors: 徐永红; 章应; 秦秀芳
Original assignee: Chongqing Chuanyi Automation Co Ltd
Current assignee: Chongqing Chuanyi Automation Co Ltd
Priority date: 2011-10-29
Filing date: 2011-10-29
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2031-10-29
Also published as: CN102352450A

Abstract

本发明涉及了一种滑动接点材料及层状复合材料，所述的接点材料成分为：15～45％Pd、0.5～8％Cu、0.5～5％Zn、0.05～0.5％RE，余量为Ag，所述的滑动接点材料可以镶嵌在铜及铜合金表面形成层状复合材料。所述的滑动接点材料具有良好的自润滑、抗电弧、耐磨损、耐腐蚀等性能，适合用作高转速、腐蚀环境下工作的微电机电刷的工作层。

Description

一种滑动接点材料及层状复合材料

技术领域

本发明涉及一种滑动电接触材料，尤其涉及一种具有优良的灭弧、自润滑、耐磨及耐腐蚀的滑动接点材料，以及用这种材料镶嵌铜或铜合金表面，滑动电接点材料作为工作层、铜或铜合金作为基层的层状复合材料。

背景技术

电刷是直流微电机的核心元件之一，它与换向器相互接触并相对滑动，实现电能传输、推动电机运行。电刷在工作过程中承受滑动磨损和电弧侵蚀的双重作用，同时受到环境气氛中各种腐蚀性介质的影响，并且摩擦和电流造成的温升加剧了磨损和腐蚀的作用。因此，电刷材料在要求良好接触导电性的同时，还需要具有良好的耐磨损、抗电弧、抗熔焊和耐腐蚀性能；同时，电刷在与换向器配对工作过程中，其工作区域只局限在很小的一段，虽然在工作过程中有加工硬化的作用，但在磨损和电弧严重的场合仍然难以保证足够的寿命和稳定性，尤其在微电机换向器普遍使用含稀土的银合金以后，电刷的性能逐渐成为制约微电机寿命的关键因素。

目前，通过在现有的AgPd合金中添加Cu、RE制作的电刷材料，其使用性能较传统的AgPd50合金有了一定的提高，并且将价格昂贵的元素Pd的含量(重量百分比，下同)由50％降低到40～48％，使其成本也有了明显的下降。但是，在电流运转较大(如1A以上)、电压较大(如10V以上)、转速较高(如8000rpm以上)等条件下AgPd合金电刷片则仍然存在灭弧效果差、自润滑不良等缺点，导致微电机寿命和稳定性不足。

发明内容

针对现有银钯系电刷材料存在的问题，本发明提供一种成分均匀性具有优良的灭弧、自润滑、耐磨及耐腐蚀的滑动接点材料，以及用其作为电刷的工作面，镶嵌铜合金基体上构成层状复合材料。所述材料可以充分发挥贵金属电接触材料的优良性能，具有提高直流微电机的稳定性和使用寿命的优点。

本发明的技术方案是：

本发明所述的滑动接点材料，包括Pd、Cu、Zn、RE和Ag，其各组分的重量百分含量为：

Pd 15～45％；

Cu 0.5～8％；

Zn 0.5～5％；

RE 0.05～0.5％；

余量为Ag。

上述滑动接点材料中所述的RE最优可为La、Ce、Eu中的一种或几种。

本发明所述的层状复合材料，采用上述滑动接点材料镶嵌在铜或铜合金的表面，其中铜或铜合金为基层，滑动接点材料为工作层。

本发明涉及的一种微电机，它使用上述层状复合材料作电刷。

本发明所述的材料中，Ag是导电性最好的金属元素，并且具有良好的耐腐蚀性能，是电刷材料导电和耐腐蚀的基本保证，但纯Ag的力学性能不足、抗硫化性能差，易受电弧侵蚀和熔焊，因此必须进行合金化。

Pd是改善Ag抗硫化性能的主要元素，并且可进一步提高耐腐蚀性，还通过固溶强化提高材料的硬度和耐磨性，其熔点较高，可以改善材料的抗电弧性能；如果Pd的含量低于15％，则其对电刷材料性能的改善作用不能充分发挥，如果其含量高于45％，则材料电阻增大，同时成本提高。

Cu主要起固溶强化和沉淀强化作用，提高材料的耐磨性；如果含量低于0.5％，则其强化作用不能充分发挥，如果含量高于8％，则增大接触电阻，降低耐腐蚀性。

Zn一方面起固溶强化作用，提高材料的耐磨性；并且其沸点较低(约907℃)，电刷使用过程中出现电弧时，Zn可以通过挥发吸热，使电弧尽快熄灭；同时，材料中的Zn还可以发生选择性氧化，在电刷表面形成极薄的ZnO薄膜，在不明显提高接触电阻的条件下产生自润滑作用，减小电刷的磨损。如果Zn的加入量小于1％，则其作用不能充分发挥，如果Zn的加入量大于5％，则材料电阻增大，电接触性能下降。

稀土元素RE可以去除杂质、净化合金，改善合金的成分均匀性、细化组织，从而提高合金的导电性与力学性能；同时，稀土元素还可以与Ag、Pd、Cu形成多种金属间化合物，并以微细颗粒形式从基体中弥散、均匀地析出，产生沉淀强化作用，改善合金的耐磨性，并提高其高温稳定性，抑制电刷在工作过程中由于温度升高而发生软化的现象，从而延长电刷的使用寿命。如果稀土添加量少于0.05％，则不能充分发挥其有益作用；如果稀土添加量大于0.5％，则析出相增多、尺寸变大，接触电阻升高，并且对换向器的损伤增大，不利于直流微电机性能和寿命的改善。

本发明的合金成分配方合理，各元素在液态下的互溶性好，高温熔炼过程中均没有严重的烧损，成分容易保证；并且凝固过程中也不会发生严重的成分偏析，热处理工艺性能好，成分的均匀性容易得到保证。因此生产的电刷材料成分、组织和性能的均匀性和一致性容易控制，适合大规模批量生产。

将上述银合金作为工作层复合在具有优良力学性能的铜合金表面，用于制作微电机电刷，不仅可以节约贵金属，而且可以改善电刷整体的力学性能，保证其工作期间接触压力的稳定性，从而保证微电机使用性能的稳定性。

本发明的优点为：

1)采用本发明所述的材料制作微电机电刷，具有优良的自灭弧、自润滑、耐磨损、抗电弧和耐腐蚀等性能，从而提高直流微电机的稳定性和使用寿命。

2)本发明的电刷合金可以采用普通真空熔炼工艺制造，设备和工艺技术不需要特殊的改造，生产中易于实施。

3)采用本发明所述的滑动接点材料制作层状复合材料时，可以采用现有的钯银合金/铜合金电接触复合带材的工艺和设备进行生产，技术易于掌握和实施，也不会增加生产成本。

4)本发明所述的滑动接点材料中，各元素在熔炼过程中烧损较少，凝固过程中成分偏析不严重，因而其成分和成分均匀性容易保证，适合于大规模生产。

附图说明

图1为层状复合材料横截面结构的示意图。

具体实施方式

实施例1至9的合金成分见表1。

实施例	Pd	Cu	Zn	La	Ce	Eu	Ag
								1	15	4	1	0.05			余量
2	15	4	1		0.05		余量
								3	15	4	1			0.05	余量
4	20	2	3	0.1			余量
								5	20	2	3		0.1		余量
6	20	2	3			0.1	余量
								7	25	6	3	0.2			余量
8	25	6	3		0.2		余量
								9	25	6	3			0.2	余量

按表1中的取各组分熔炼，浇铸成锭，经开坯、轧制、退火等工序制成滑动接点材料带材，然后将滑动接点材料1镶嵌在铜合金2的表面(参见图1)，采用热轧复合工艺将滑动接点材料与MX96铜合金复合得到层状复合材料，然后继续经多次轧制成银合金层厚0.01mm，总厚0.15mm的层状复合带材，具体的制备工艺为：

1)采用真空感应炉熔炼制备合金，其中各元素可以以中间合金形式加入，也可以以纯金属形式加入；如果稀土元素以纯金属形式添加，则必须以银箔包裹等方式进行保护，以免其在空气中氧化；另外，还可以利用生产过程中废弃的、成分合格的边角料作为制备滑动接点材料的原料。

2)将制备的滑动接点材料铸锭经开坯、轧制、中间退火、拉拔等工艺，制备成带材或丝材。

3)采用热轧、温轧或冷轧复合技术，将上述带材或丝材状的滑动接点材料镶嵌在铜合金表面，制作成层状复合材料。其中滑动接点材料为工作层，铜合金为基层。比较例1合金成分为：30％Pd、余量为Ag，采用与上述相同工艺制成AgPd30合金层厚0.013mm，总厚0.15mm的Pd-Ag复合带材。

将实施例1-9的材料制备成层状复合材料以及比较例1的复合带材制作成直流电动机刷片装配在直流电动机中，进行寿命试验。实施例1-9的材料制备成层状复合材料的换向器材料为AgCu4Ni0.5RE/Cu，其中，银合金层厚度为0.03mm，材料总厚度0.25mm。

测试条件为：

测试温度：80℃

测试载荷：10g·cm

测试电压：12V

转速：8000rpm

运行方式：连续

每组测试电机数量：10台

测试过程中，通过检测电机转速和电流的变化来判定电机的工作状态，出现转速或电流超标或无法启动时均判定为寿命终止，各组试验电机的寿命值均取其10台电机平均值计算。

测试结果见表2。

表2实施例1-9及比较例1寿命测试结果

实施例	寿命(h)
		1	1350
2	1360
		3	1360
4	1390
		5	1430
6	1420
		7	1500
8	1490
		9	1510
比较例1	850

实施例10至21的合金成分见表3。

实施例	Pd	Cu	Zn	La	Ce	Eu	Ag
								10	30	5	2	0.3			余量
11	30	5	2		0.3		余量
								12	30	5	2			0.3	余量
13	35	2	3	0.4			余量
								14	35	2	3		0.4		余量
15	35	2	3			0.4	余量
								16	40	8	5	0.3			余量
17	40	8	5		0.3		余量
								18	40	8	5			0.3	余量

19	45	5	4	0.5		余量
							20	45	5	4	0.5	余量
21	45	5	4		0.5	余量

按表3取各组分熔炼，浇铸成锭，经开坯、轧制、退火等工序制成滑动接点材料带材，然后将滑动接点材料镶嵌在铜合金表面，采用热轧复合工艺将滑动接点材料与MX96铜合金复合得到复合材料，然后继续经多次轧制成银合金层厚0.01mm，总厚0.15mm的层状复合带材。具体制备方法同实施例1-9。

比较例2合金成分为：50％Pd、余量为Ag，采用与上述各实施例相同工艺制成AgPd50合金层厚0.013mm，总厚0.15mm的Pd-Ag复合带材。

将实施例10-21的材料制备成层状复合材料以及比较例2的复合带材制作成直流电动机刷片装配在直流电动机中，进行寿命试验。实施例10-21的材料制备成层状复合材料的换向器材料为AgCu4Ni0.5RE/Cu，其中，银合金层厚度为0.03mm，材料总厚度0.25mm。

测试条件为：

测试温度：85℃

测试负荷：15g·cm

测试电压：14V

转速：8000rpm

运行方式：连续

每组测试电机数量：10台

测试结果见表4。

表4实施例10-21及比较例2寿命测试结果

实施例	寿命
		10	1860
11	1850
		12	1910
13	1970
		14	1990
15	1930
		16	2050
17	2030
		18	2190
19	2190
		20	2220
21	2280
		比较例2	1510

结论：上述测试结果表明，与现有的AgPd30和AgPd50合金相比，本发明的Ag-Pd-Cu-Zn-RE合金具有更好的耐磨性和电接触性能，以其作为工作层与铜合金复合制成复合材料，用于制作直流微电机电刷，与采用AgPd30和AgPd50合金所制作的微电机电刷相比，在与相同材质和规格的换向器配对运行的条件下，显示出更长的使用寿命，达到了提高直流电动机工作寿命和稳定性的目的，从而更有效地发挥出了贵金属电接触材料的优良性能。

Claims

1.一种滑动接点材料，其特征在于，滑动接点材料由Pd、Cu、Zn、RE和Ag组成，其各组分的重量百分含量为：

Pd 15~45%；

Cu 0.5~8%；

Zn 0.5~5%；

RE 0.05~0.5%；

余量为Ag，所述RE为La、Ce、Eu中的一种或几种。

2.一种层状复合材料，其特征在于：权利要求1所述的滑动接点材料镶嵌在铜或铜合金的表面，其中铜或铜合金为基层，滑动接点材料为工作层。

3.一种微电机，其特征在于：它使用权利要求2的所述的层状复合材料作电刷。