CN102383000B

CN102383000B - 高稀土含量的滑动电接触材料

Info

Publication number: CN102383000B
Application number: CN 201110059240
Authority: CN
Inventors: 李丘林; 王书晗; 刘伟; 姚有为
Original assignee: Shenzhen Graduate School Tsinghua University
Current assignee: Shenzhen International Graduate School of Tsinghua University
Priority date: 2011-03-11
Filing date: 2011-03-11
Publication date: 2012-12-26
Anticipated expiration: 2031-03-11
Also published as: CN102383000A

Abstract

一种高稀土含量的滑动电接触材料，该滑动电接触材料为Ag、Cu、Ni和Re合金材料，各成分含量为Cu4Wt%，Ni0.5Wt%，Re0.6-2.2Wt%，其余为Ag；其中，Ni元素以粒径为3-8μm的球状粒子形式分布于Ag基体中；Cu元素以粒子形式均匀分布于Ag基体中；Re元素部分固溶于Ag基体中，部分以（AgCu）xRe化合物形式在晶界附近析出。该材料中稀土含量提高，并通过在真空下合金熔铸过程中施加外场等工艺制造，再结晶温度提高，增加了耐电弧侵蚀的能力，不仅使合金硬度增加，同时增加了工作条件下的润滑作用，磨损减小。

Description

高稀土含量的滑动电接触材料

技术领域

本发明涉及电接触材料技术，特别是一种高稀土元素含量的滑动电接触材料，该滑动电接触材料为具有优良组织的银基电接触材料，可作为微电机换向器的滑动触头合金材料使用。

背景技术

微电机作为先进制造技术和新型电子信息技术紧密结合的高新技术产品，是视听电子设备、办公自动化设备、通信设备、汽车及家用电器制造业不可或缺的电子器件。换向器是微电机的核心元件之一，它与电刷配合，实现电流换向，推动电机运转。在实际工作条件下，换向器承受滑动磨损和电弧侵蚀的双重作用，同时还受到环境气氛中各种腐蚀介质的影响。因此,换向器材料需要具备良好的导电性、低接触电阻、耐腐蚀、抗氧化、耐磨损和耐电弧损伤等优良性能。

早期使用的含Cd的换向器材料，由于Cd毒对人体及环境的影响，已逐渐退出历史舞台。AgCd材料逐渐被AgCuNi材料替代，合金中加入少量的Ni能进一步提高材料的抗电弧侵蚀性能，但是AgCuNi材料在使用的过程中存在使用寿命短、稳定性差的问题。随着直流电机向微型化、高性能、长寿命等方向发展，现有材料的品质也需要不断改善，以满足市场的新要求。由于稀土元素的特殊性质，在AgCuNi合金的基础上添加一种或几种稀土元素，不仅可以提高合金的耐磨性及其高温稳定性，还可以提高抗电蚀能力和灭弧能力。

公开号为CN101246758A的滑动电接触材料为 Ag-Cu-Ni-Re或Ag-Cu-Zn-Ni-Re或Ag-Cu-Pd-Zn-Ni-Re合金，其中Re含量为0.01~0.5%，用于弱电流的滑动电接触材料。该材料提高了滑动接点的高温稳定性以及硬度和耐磨性。公开号为CN101217226A的一种新型银铜镍镁弱电接触材料，其在Ag-Cu-Ni系合金中添加Mg元素，其中Cu0.1~10.0%，Zn0.1~5.0%，Ni0.01~0.6%，Mg0.01~1.0%，通过添加Mg元素提高了电接触材料的耐高温、耐磨损、抗硫化、耐电弧烧蚀性和抗熔焊等性能，获得低而稳定的接触电阻，适合于用作弱电流工作条件下的滑动接点材料。公开号为CN101510473A的发明申请为银、铜、铈三元银合金，涉及中、小负荷低压电气的分段触头和滑动触头合金材料，其成分为3~10%Cu，0.3~0.7%Ce，余量Ag，该材料具有使用寿命长的特点。公开号为CN101676422A的发明申请提出一种滑动电接触材料，于PdCuNiAg合金中添加稀土元素的用于直流电动机的换向器材料，其中，Pd0.5~1.5%，Cu3.0~9.0%，Ni0.2~0.9%，稀土元素0.02~0.5%，余量为Ag，该材料具有良好的耐磨性和抗电弧能力。以上电接触材料多在弱电流条件下使用，均是通过真空感应炉熔炼工艺，熔炼的过程中利用氩气保护，由于所添加合金元素之间物理性能差异较大，熔炼中容易造成成分偏析以及成分不均匀等缺点，特别是Ag合金在熔炼时容易使铸锭产生气泡、缩松和缩孔，合金元素的加入，又容易造成铸锭夹杂。目前，在真空下条件、利用外场技术制备Ag合金滑动电接触材料的技术及产品还未见相关文献披露。

发明内容

为避免现有技术存在的上述不足，本发明提供一种高稀土元素含量的滑动电接触材料，其采用在真空下合金熔铸过程中施加外场等技术措施，有效控制了偏析，使得成分均匀，是组织优良的银基电接触材料，可作为微电机换向器的滑动触头合金材料使用。

本发明的高稀土元素含量的滑动电接触材料，其特征是：该滑动电接触材料为Ag、Cu、Ni和Re合金材料，各成分含量分别为Cu 4 Wt%，Ni 0.5 Wt%，Re 0.6 -2.2 Wt%，其余为Ag；其中，Ni元素以粒径为3-8μm的球状粒子形式分布于Ag基体中；Cu元素以粒子形式均匀分布于Ag基体中；Re元素部分固溶于Ag基体中，部分以（AgCu）xRe化合物形式在晶界附近析出。

其中，所述Re元素最好为Y元素、La元素或Y和La混合稀土元素。

所述Re元素为Y和La混合稀土元素，含量少的一种Re元素和另一种Re元素的重量比为1：1.25-7。

本发明滑动电接触材料的变形态显微硬度为HV164-198，退火态显微硬度为HV69-102，退火态电阻率为1.95-2.20 μΩ·cm。

本发明滑动电接触材料是由真空感应炉熔炼，在氩气保护下、磁场强度为50-300mT的中频磁场中经水冷铜铸型浇注成铸锭，再经热轧、表面处理及中轧，中间真空热处理后精轧或精拉成型。

本发明滑动电接触材料中稀土元素含量达0.6 -2.2 Wt%，并通过在真空下合金熔铸过程中施加外场等工艺制造，使再结晶温度提高，增加了耐电弧侵蚀的能力。而稀土元素形成的大量细小的硬质粒子，不仅可以增加合金的硬度，还可以增加工作条件下的润滑作用，减小磨损。

本发明材料中稀土元素含量比现有同类合金提高后，相对于对比试样AgCuNi合金，本发明合金的显微硬度明显提高，变形态合金的显微硬度提高了9.3-32%，退火态的合金的显微硬度也提高了15-41.2%，而退火后的电阻率仅仅升高了2.7-17.6%。

其制造工艺在真空条件下外加中频磁场调控合金凝固中的溶质元素分布，促进形核，从而改变真空下金属的凝固过程和凝固组织。研究结果表明，这种处理工艺可以细化晶粒，改善铸件质量，同时减小铸件中的成分偏析。

真空条件下外加中频磁场对金属凝固过程的影响机理主要包括两个方面：一是加剧熔体的强迫对流，促进形核及溶质元素均匀分布；二是调控铸锭凝固过程温度场，减少缩孔缩松等铸造缺陷，获得高质量的铸锭。

真空条件下金属熔体凝固过程中外加磁场作用实质是一种能量的传递过程。利用了感生电磁力对熔体产生熔体驱动效应和感应热效应，使熔体在外加可控磁场条件下进行凝固。磁场的作用机制归纳如下：在交变磁场作用下，熔体内部将产生感生电流，与交变磁场作用从而产生洛伦兹力，驱动真空下金属熔体产生强迫对流。一方面对熔体有强烈的搅拌作用使长大的晶粒破碎，形成新的细小晶核，细化了凝固组织促进形核和；另一方面加速真空下熔体的换热，有利于降低凝固前沿的温度梯度,抑制等轴晶长大,获得有利于等轴晶形核长大的条件,从而优化凝固过程,获得晶粒细小、缩松和缩孔等铸造缺陷少的高质量合金坯料。通过施加外场的方法，可以有效控制偏析，使得成分均匀，有利于获得成分均匀、偏析少、致密的优质铸锭，提高滑动电接触材料的电接触性能。

附图说明

图1为本发明试样制造工艺中采用的水冷铜铸型与电磁线圈结合示意图；

图2、3为本发明5#试样拉拔后和经650℃退火后的金相显微组织；

图4、5为本发明9#试样拉拔后和经650℃退火后的金相显微组织。

具体实施方式

以下结合实施例详细说明。本发明滑动电接触材料的化学成分参照表1所示。表1中列出1# -11#试样滑动电接触材料的化学成分（Wt.%），0#试样为无Re（稀土）元素的对比试样。

各试样的配制原料中，Cu含量为4Wt %，Ni含量为0.5Wt %，Re元素含量在0-2.2 Wt%范围内选择，其余为Ag。

1#-4#试样Re元素采用Y元素。5#-11#试样Re元素采用La元素和Y元素，其中，最好含量少的一种稀土元素和另一种稀土元素的重量比为1：1.25-7。如7#试样中La含量为0.2Wt %，Y含量为1.4Wt %，前后两者重量之比为1：7；又如10#试样中La含量为0.8Wt %，Y含量为1.0Wt %，前后两者重量之比为1：1.25。

结合表1中5#试样、9#试样说明本发明滑动电接触材料制造工艺：

5#试样：Cu 4Wt %，Ni 0.5Wt %，Re 0.8 Wt%，其余为Ag，Re中La含量为0.2Wt %，Y含量为0.6Wt %，前后两者之比为1：3；9#试样：Cu 4Wt %，Ni 0.5Wt %，Re 1.4Wt%，其余为Ag，Re中Y含量为0.6Wt %，La含量为0.8Wt %，前后两者之比为1：1.33。

以5#或9#试样各成分配制原料，利用真空感应炉熔炼合金，真空度为0.1-0.5Pa。

首先加入Ag、Cu和Ni至真空感应炉中在温度1000-1100℃下熔炼使它们合金化，然后加入Re元素熔炼使合金成分均匀，静置10-20min后，向真空室内充高纯氩气（99.99%）浇注到外加中频磁场的水冷铜铸型中，施加于所述水冷铜铸型周围的中频磁场的频率为1000Hz、磁场强度为50mT；铸锭在600℃-700℃保温1-2h进行均匀化处理，热处理的过程中通入氩气保护，以防氧化。然后铸锭经热轧、表面处理，然后中轧，并在600-650℃中间真空热处理1h后精轧成带材或精拉成丝材；在通入氩气保护下、600-650℃热处理15-30min，得到含有稀土元素的AgCuNi滑动电接触材料。

图1为上述制造工艺中采用的水冷铜铸型与电磁线圈结合示意图。水冷铜铸型由铜铸模3和设置于铜铸模3周围的冷却水管4组成，两个电磁线圈1分别设置于铜铸模3两侧,该两个电磁线圈1由中频电源（图中未示出）驱动产生中频磁场，该水冷铜铸型置于真空室4内，图1中3为金属熔体，浇注时向真空室4内充99.99%高纯氩气保护。中频电源功率5-20KW，频率为500-2000Hz。

其中，水冷铜铸型置于真空室1内，铸锭浇注成型时，向真空室1内充99.99%高纯氩气保护，并通过两个电磁线圈1在水冷铜铸型周围施加中频磁场，该中频磁场的频率为500-2000Hz、磁场强度为50-300mT。

上述工艺制造的高稀土含量的AgCuNi滑动电接触材料中，Cu元素以粒子形式均匀分布于Ag基体中；Ni元素以球状粒子形式分布于Ag基体中，该球状粒子粒径为3-8μm；稀土元素部分固溶于Ag基体中，部分以化合物形式在晶界附近析出，形成的化合物为(AgCu)xRe，当Re元素为一种元素时，晶界上形成一种类型的化合物，当Re为两种元素时，此两种稀土元素呈共生态分布于晶界上。

经过拉拔或冷轧后，本发明滑动电接触材料中，晶界上形成的稀土化合物(AgCu)xRe被打碎，沿拉拔或冷轧方向分布，并以细小的质点形式分布于基体之中。并且随着稀土含量的增加，基体中的(AgCu)xRe含量增加。退火后(AgCu)xRe含量有所减少，并且分布更加均匀。所以通过退火工艺，可以调整(AgCu)xRe的含量，使其性能达到最佳。

图2、3为表1中5#试样拉拔后和经650℃退火后的金相显微组织。如图2所示，5#试样经拉拔后显微组织沿拉拔方向分布，原来分布在晶界附近的(AgCu)xRe被打碎（其中Re元素以La和Y共生的方式存在），并以细小的质点形式沿拉拔方向分布。5#试样经退火后（见图3），(AgCu)xRe的含量有所减少，这是因为有部分稀土元素重新固溶于基体之中，其余的仍然以(AgCu)xRe的形式存在，并且其分布更加均匀。

图4、5为表1中9#试样拉拔后和经650℃退火后的金相显微组织。9#试样经拉拔以及退火后其显微组织特征与5#试样相似。9#试样拉拔后（见图4），原来分布在晶界附近的(AgCu)xRe被打碎（其中Re元素以La和Y共生的方式存在），并以细小的质点形式沿拉拔方向分布。9#试样经退火后（见图5），(AgCu)xRe的含量有所减少，其分布更加均匀。但是，由于与5#试样相比，9#试样中稀土元素的含量更多，稀土含量比5#试样增加了75%，因此，无论是拉拔状态还是退火状态，其显微组织中的(AgCu)xRe含量较5#试样更多，其分布也更加弥散。

表2示出了表1所列含稀土滑动电接触材料的性能。表1含稀土滑动电接触材料与 AgCuNi合金(即0#对比试样)相比，其显微硬度（维氏）有明显提高，电阻率也有所提高。

由于合金中添加Re元素，提高了再结晶温度，可以增加耐电弧侵蚀的能力。而稀土元素形成的大量细小的硬质粒子，不仅可以增加合金的硬度，还可以增加工作条件下的润滑，减小磨损。由表2可知，加入一定量的稀土元素后，相对于0#试样AgCuNi合金，含稀土的Ag合金其显微硬度明显提高，变形态合金的显微硬度提高了9.3-32%；退火态的合金其显微硬度也提高了15-41.2%。而退火后的电阻率仅也相应升高了2.7-17.6%。当稀土总含量介于0.6-2.2%时，均能得到较高的硬度和较低的电阻率，即其综合性能最佳。

添加稀土元素后，合金的硬度较AgCuNi合金有明显的提高。首先无论是Y元素，还是La元素，其原子半径与Ag相差较大，原子尺寸差在25%以上，其电负性相差也很大，稀土在Ag中的固溶度很小，但是有限固溶的Re元素将造成晶格畸变，使强度升高，造成固溶强化效应；其次，由于Re元素4f电子层未填满，La具有4f⁰5s²5p⁶5d¹6s²和Y具有4s²4p⁶4d^l5s²的不稳定结构，Ag和Re之间的电负性差别也很大,很容易失去外层电子,从而形成稳定的化合物。这些化合物在基体中均匀分布,同时对基体产生一定的弥散强化效果。

本发明Ag基电接触材料较AgCuNi合金电阻率相比有所增加。这是由于元素的固溶导致点阵畸变引起电子散射增加造成的。由于本发明Ag基电接触材料中，加入的稀土元素具有极高的化学活性，具有很强的净化、除杂作用，减少了杂质元素引起的电阻率变化，并且形成了金属间化合物，这对降低材料的电阻率起到了积极的作用。

本发明Ag基电接触材料与无氧铜复合，可以增加其高温工作下的使用寿命，获得工作性能稳定的微电机用换向器材料。

Claims

1.一种高稀土含量的滑动电接触材料，其特征是：所述滑动电接触材料为Ag、Cu、Ni和RE合金材料，各成分含量分别为Cu 4 wt%，Ni 0.5 wt%，RE 0.6 -2.2 wt%，其余为Ag；其中，Ni元素以粒径为3-8μm的球状粒子形式分布于Ag基体中；Cu元素以粒子形式均匀分布于Ag基体中；RE元素部分固溶于Ag基体中，部分以（AgCu）xRE化合物形式在晶界附近析出。

2.据据权利要求1所述的滑动电接触材料，其特征是：所述RE元素为Y元素、La元素或Y和La混合稀土元素。

3.根据权利要求1所述的滑动电接触材料，其特征是：所述RE元素为Y和La混合稀土元素，含量少的一种RE元素和另一种RE元素的重量比为1：1.25-7。

4.根据权利要求1或2或3所述的滑动电接触材料，其特征是：所述合金材料是由真空感应炉熔炼，在氩气保护下、磁场强度为50-300mT的中频磁场中经水冷铜铸型浇注成铸锭，再经热轧、表面处理及中轧，中间真空热处理后精轧或精拉成型。

5.根据权利要求4所述的滑动电接触材料，其特征是：所述中频磁场的频率为500-2000Hz。

6.根据权利要求1所述的滑动电接触材料，其特征是：该滑动电接触材料的变形态显微硬度为HV164-198，退火态显微硬度为HV69-102。

7.根据权利要求1或6所述的滑动电接触材料，其特征是：该滑动电接触材料的退火态电阻率为1.95-2.20 μΩ·cm。

8.根据权利要求1或2所述的滑动电接触材料，其特征是：该滑动电接触材料呈带材或丝材。