CN103014403A

CN103014403A - 含氧化物的滑动电接触合金及其层状复合材料

Info

Publication number: CN103014403A
Application number: CN2012105621663A
Authority: CN
Inventors: 徐永红; 章应
Original assignee: Chongqing Chuanyi Automation Co Ltd
Current assignee: Chongqing Chuanyi Automation Co Ltd
Priority date: 2012-12-21
Filing date: 2012-12-21
Publication date: 2013-04-03

Abstract

本发明公开了一种含氧化物的滑动电接触合金，滑动电接触合金的成分由Cu、Ni、Zn、氧化物和Ag组成；各种成分的重量百分含量分别为：Cu：1~8%、Ni：0.1~0.5%、Zn：1~5%、氧化物：0.5~2%，余量为Ag；其中，氧化物为Al₂O₃、ZrO₂、CeO₂、Cr₂O₃中的一种。本发明的有益技术效果是：通过在现有的银合金中添加氧化物，使银合金的耐磨性和抗电弧能力得到明显改善，从而制作出高性能的微电机，提高微电机的寿命，最终使采用这种微电机作动力的设备或装置的性能得到改善。

Description

含氧化物的滑动电接触合金及其层状复合材料

技术领域

本发明涉及一种用于微电机换向器的合金材料，尤其涉及一种含氧化物的滑动电接触合金及其层状复合材料。

背景技术

在直流微电机的工作过程中，换向器和电刷片相互接触并相对滑动，实现电流的传输，

保持电机运转。

影响微电机寿命的因素主要有以下几个：1、微电机工作时，换向器和电刷之间不可避免地存在滑动摩擦磨损，因摩擦磨损产生的磨屑被挤压在换向器和电刷片之间，随着堆积的磨屑增多，换向器和电刷片之间的接触性能逐步降低，引起较大的接触电阻波动，导致输出波形不良和电噪声，严重时引起非换向期电弧，非换向期电弧又会进一步加快材料的磨损，最终导致微电机寿命终结；

2、微电机在换向时，换向器与电刷片瞬间分离，产生的换向期电弧温度很高，常常造成银合金的熔化、飞溅，从而导致换向器失效并最终使微电机寿命终止；

3、换向期电弧还容易使磨屑熔焊于换向器的沟槽中造成短路，致使微电机早期死机；

4、电接触过程中由于机械摩擦和电流作用所产生的温升会使材料表面硬度下降，降低其硬度和耐磨性，进一步加剧材料的机械磨损。

因此，提高换向器用电接触材料的耐磨性和抗电弧侵蚀能力是提高换向器使用性能和微电机使用寿命及稳定性的重要手段。

发明内容

针对背景技术中的问题，本发明提出了一种含氧化物的滑动电接触合金，滑动电接触合金的成分由Cu、Ni、Zn、氧化物和Ag组成；各种成分的重量百分含量分别为：Cu：1~8%、Ni：0.1~0.5%、Zn：1~5%、氧化物：0.5~2%，余量为Ag；其中，氧化物为Al₂O₃、ZrO₂、CeO₂、Cr₂O₃中的一种。

本发明的基本原理是：氧化物具有高硬度和高熔点的特性，将其添加进现有的AgCuZnNi合金后，氧化物分布在银基体中，可以通过弥散强化机制提高银基体的硬度，同时，氧化物自身也具有很强的抵抗滑动磨损的能力，从而使材料的整体耐磨性得以提高，减少磨屑的产生；银基体在电弧高温的作用下会发生熔化，形成熔融状态的银浆，由于氧化物的熔点很高，不会被熔化，分布于银浆中的固态氧化物颗粒可以提高银浆的液相粘度，防止银基体的飞溅和流失，从而提高材料的抗电弧能力。

发明人经过大量实验后发现，若氧化物的含量低于0.5%，则其耐磨损和抗电弧作用不能充分发挥，对材料性能的改善效果不明显；若氧化物的含量高于2%，又会显著增大滑动接触时的接触电阻，并且对电刷造成严重磨损，反而会降低微电机寿命。因此，材料中的氧化物含量应在0.5%~2%之间取舍。

在生产实践中，发明人发现，如果氧化物的粒度低于0.5μm，由于颗粒过于细小，在运输、保存和使用过程中容易出现团聚现象，生产中很难保证氧化物在银基体中分布的分散性和均匀性，从而会导致材料性能的一致性和稳定性降低，不能满足大批量生产的要求；反之，如果氧化物的粒度大于3μm，则又会因颗粒过于粗大，导致银基体中分布的氧化物颗粒的数量较少，对银基体达不到预期的改善效果效果，同时，氧化物颗粒过大会严重降低材料的工艺性能，所制作出的带材容易出现开裂现象，不能满足大批量生产的要求；此外，过于粗大的颗粒对接触电阻和电刷也会产生不利影响。因此，所述氧化物的平均粒度应在0.5~3μm范围内为宜。

所述的滑动电接触合金层叠或镶嵌在铜或铜合金表面即形成层状复合材料，其中铜或铜合金为基层，滑动电接触合金为工作层。将本发明的滑动电接触合金作为工作层复合在基层表面，用于制作微电机换向器，可以节约贵金属，降低换向器和微电机的生产成本；

将采用本发明的合金制成的层状复合材料制作为换向器，并进而将这种换向器用于微电机的制作，最终可以使微电机的性能得到改善，提高微电机的使用寿命。

本发明的有益技术效果是：通过在现有的银合金中添加氧化物，使银合金的耐磨性和抗电弧能力得到明显改善，从而制作出高性能的微电机，提高微电机的寿命，最终使采用这种微电机作动力的设备或装置的性能得到改善。

附图说明

图1、工作层层叠复合在基层的全部表面上时的层状复合材料截面示意图；

图2、工作层镶嵌复合在基层的部分表面上时的层状复合材料截面示意图。

图中标记1为工作层，标记2为基层。

具体实施方式

一种含氧化物的滑动电接触合金，滑动电接触合金的成分由Cu、Ni、Zn、氧化物和Ag组成；各种成分的重量百分含量分别为：Cu：1~8%、Ni：0.1~0.5%、Zn：1~5%、氧化物：0.5~2%，余量为Ag；其中，氧化物为Al₂O₃、ZrO₂、CeO₂、Cr₂O₃中的一种。

进一步地，所述氧化物的平均粒度为0.5~3μm。

一种层状复合材料，前述滑动电接触合金层叠或镶嵌在铜或铜合金表面形成层状复合材料，其中铜或铜合金为基层，滑动电接触合金为工作层。

一种换向器，采用前述的层状复合材料制作换向器。

一种微电机，采用前述的换向器制作微电机。

为了便于本领域技术人员实施，发明人还列举了一种具体的实施工艺：

1）采用水雾化法制备AgCuZnNi合金粉末（AgCuZnNi合金可采用成品合金，也可采用纯金属，本文仅以成品合金为例进行阐述）。

2）将上述合金粉末与氧化物粉末混合均匀，其中氧化物粉末的平均粒度为0.5~3μm（对于氧化物粉末的粒度控制，可采用筛网进行过筛处理获得）。

3）对混合均匀的粉末进行等静压制，压制压力为60~100MPa。

4）将压制好的坯料置于氨分解气氛或纯氢气氛中进行烧结，烧结温度700~850℃。

5）对烧结好的坯料进行挤压，挤压比不小于20。

6）将挤压好的坯料通过轧制、中间退火、拉拔等工艺，制备成带材或丝材。

7）采用热轧、温轧或冷轧复合技术，将上述带材或丝材与铜或铜合金带材进行复合，制作成层状复合材料。

实施例：

为了验证本发明的材料对银合金的改善效果，发明人设计了12个实施例，各个实施例中所采用的配方见下表（重量百分比）：

实施例	Cu	Ni	Zn	Al₂O₃	ZrO₂	CeO₂	Cr₂O₃	氧化物粒度r	Ag
										1	8.0%	0.5%	1.0%	0.5%	-	-	-	0.5μm≤r≤3μm	余量
2	8.0%	0.5%	1.0%	-	0.5%	-	-	0.5μm≤r≤3μm	余量
										3	8.0%	0.5%	1.0%	-	-	0.5%	-	0.5μm≤r≤3μm	余量
4	8.0%	0.5%	1.0%	-	-	-	0.5%	0.5μm≤r≤3μm	余量
										5	4.0%	0.3%	3.0%	1.0%	-	-	-	0.5μm≤r≤3μm	余量
6	4.0%	0.3%	3.0%	-	1.0%	-	-	0.5μm≤r≤3μm	余量
										7	4.0%	0.3%	3.0%	-	-	1.0%	-	0.5μm≤r≤3μm	余量
8	4.0%	0.3%	3.0%	-	-	-	1.0%	0.5μm≤r≤3μm	余量
										9	1.0%	0.1%	5.0%	2.0%	-	-	-	0.5μm≤r≤3μm	余量
10	1.0%	0.1%	5.0%	-	2.0%	-	-	0.5μm≤r≤3μm	余量
										11	1.0%	0.1%	5.0%	-	-	2.0%	-	0.5μm≤r≤3μm	余量
12	1.0%	0.1%	5.0%	-	-	-	2.0%	0.5μm≤r≤3μm	余量

采用现有工艺或本发明前述工艺，按上表中的多个配方分别制备出银合金带材，再将其与铜带材复合为层状复合材料，层状复合材料总厚0.25mm，工作层厚0.03mm。将层状复合材料用于制作换向器，并安装在微电机中进行测试；

测试条件如下：

测试温度：60℃

测试负荷：10g·cm

测试电压：12V

旋转速度：8000rpm

运转方式：连续

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停止运转时均判定为寿命终止。

为了比较本发明与现有技术的差异，发明人还设计了2个比较例，2个比较例中所采用的银合金配方见下表（重量百分比）：

比较例	Cu	Ni	Zn	Ag
					1	4.0%	0.3%	4.0%	余量
2	6.0%	0.4%	2.0%	余量

同样地，采用常规工艺按前述两个比较例的配方制作出银合金，并与铜带材复合为层状复合材料，并将其用于相应微电机中的换向器的制作，对制作出的微电机进行测试，测试条件同前；

12个实施例和2个比较例的测试结果见下表：

实施例	寿命（h）
		1	1975
2	1937
		3	1986
4	1936
		5	1953
6	1970
		7	1986
8	2020
		9	1968
10	1990
		11	1954
12	1976
		比较例1	1238
比较例2	1350

结论：上述测试结果表明，在AgCuZnNi合金中添加适当含量和粒度的氧化物，可以提高换向器材料的耐磨性和抗电弧能力。以这些材料作工作层、铜为基层制成复合材料，用于制作微电机换向器，与现有的AgCuZnNi合金所制作的微电机换向器相比，在相同运行条件下显示出更长的使用寿命，达到了提高微电机工作寿命和稳定性的目的。

Claims

1.一种含氧化物的滑动电接触合金，其特征在于：滑动电接触合金的成分由Cu、Ni、Zn、氧化物和Ag组成；各种成分的重量百分含量分别为：Cu：1~8%、Ni：0.1~0.5%、Zn：1~5%、氧化物：0.5~2%，余量为Ag；其中，氧化物为Al₂O₃、ZrO₂、CeO₂、Cr₂O₃中的一种。

2.根据权利要求1所述的含氧化物的滑动电接触合金，其特征在于：所述氧化物的平均粒度为0.5~3μm。

3.一种层状复合材料，其特征在于：权利要求1~2中任一项所述滑动电接触合金层叠或镶嵌在铜或铜合金表面，其中铜或铜合金为基层，滑动电接触合金为工作层。

4.一种换向器，其特征在于：采用权利要求3所述的层状复合材料制作换向器。

5.一种微电机，其特征在于：采用权利要求4所述的换向器制作微电机。