CN103045894A - 碳化物增强滑动电接触合金及其层状复合材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳化物增强滑动电接触合金,滑动电接触合金的成分由Cu、Ni、碳化物和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%、碳化物:0.5~2%、余量为Ag;所述碳化物为SiC、TiC、WC、VC中的一种。本发明的有益技术效果是:通过在现有银合金中添加碳化物,从而获得新的银合金材料,得益于碳化物对银基体的增强作用,该银合金材料具备高耐磨性和强抗电弧能力的特性,将其应用于微电机中的换向器制作,可以获得高性能的微电机。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于微电机换向器的合金材料,尤其涉及一种碳化物增强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。
银合金具有优良的导电性和耐腐蚀性能,因而是换向器中最常见、用量最大的滑动式电接触合金;但是银的硬度和熔点均偏低,抗磨损和抗电弧性能存在明显不足,无法满足微电机换向器的使用要求,本领域技术人员采用了各种方法来改善其性能,目前,通过Cu、Ni、Zn、Pd、Pt、RE(稀土)等元素与银合金的合金化来提高银合金性能的技术已经得到广泛的应用;但是,随着社会发展,工程领域对微电机性能的要求也在不断提高,因此现有的换向器用滑动电接触合金难以满足要求,引入新的强化组元、开发新型换向器材料是滑动式电接触材料研发和生产部门的重点发展方向。
发明内容
针对背景技术中的问题,本发明提出了一种碳化物增强滑动电接触合金,滑动电接触合金的成分由Cu、Ni、碳化物和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%、碳化物:0.5~2%、余量为Ag;所述碳化物为SiC、TiC、WC、VC中的一种(具体生产中,可综合考虑各种物质的成本择优选用)。
本发明的改进点在于,通过在现有的银合金中添加碳化物,从而使银合金的耐磨性和抗电弧能力得到提高,进而制作出高性能的换向器和微电机。之所以采用碳化物来改善银合金的性能,理由有:碳化物具有高硬度、高熔点的特性,当其分布于银基体中时,可通过弥散强化机制提高银基体的硬度,同时,碳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;另外,由于碳化物具有高的熔点,在电弧高温的作用下不会熔化,当银基体在电弧高温的作用下熔化时,细小的碳化物颗粒分散在熔融的银中,增大了熔融状态的银的液相粘度,可以有效地防止银基体的飞溅和流失,从而提高材料整体的抗电弧能力。
发明人在实验过程中还发现,若碳化物的含量低于0.5%,则其耐磨损和抗电弧作用不能充分发挥,对银合金的性能改善效果较弱;若碳化物的含量高于2%,则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,碳化物的用量应在0.5~2%范围内取舍。
为了保证银基体中碳化物颗粒的数量和分布的均匀性,本发明还对碳化物的粒度进行了优选:在现有的生产条件下,如果碳化物的粒度低于0.5μm,则颗粒过于细小,在运输、保存和使用过程中容易出现团聚现象,其在银基体中的分散性和均匀性难以得到保证,进而造成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,如果碳化物的粒度大于3μm,则颗粒过于粗大,一方面减少了银基体中碳化物颗粒的数量,难以达到预期的增强效果,另一方面,会严重降低材料的工艺性能,生产中,成品带材容易出现开裂现象,同样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,因此应将碳化物的平均粒度控制在0.5~3μm范围内。
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;
将前述的层状复合材料用于制作换向器,并进而制作出微电机,最终可以使微电机的性能得到改善。
本发明的有益技术效果是:通过在现有银合金中添加碳化物,从而获得新的银合金材料,得益于碳化物对银基体的增强作用,该银合金材料具备高耐磨性和强抗电弧能力的特性,将其应用于微电机中的换向器制作,可以获得高性能的微电机。
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
一种碳化物增强滑动电接触合金,滑动电接触合金的成分由Cu、Ni、碳化物和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%、碳化物:0.5~2%、余量为Ag;所述碳化物为SiC、TiC、WC、VC中的一种。
进一步地,所述碳化物的平均粒度为0.5~3μm。
一种层状复合材料,所述的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,这里介绍一种发明人采用的具体制备方法:
1)采用水雾化法制备AgCuNi合金粉末(AgCuNi合金可采用成品合金,也可采用纯金属,这里仅以成品合金为例进行讲解)。
2)将上述合金粉末与碳化物粉末混合均匀,其中碳化物粉末的平均粒度,可通过筛网过筛处理控制为0.5~3μm。
3)对混合均匀的粉末进行等静压制,形成锭状。
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。
5)对烧结好的坯料进行挤压。
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材质的带材进行复合,制作成层状复合材料。
实施例:
为了验证本发明的效果,发明人设计了12个实施例,下表中列出了各个实施例所采用的配方(重量百分比):
实施例 | Cu | Ni | SiC | TiC | WC | VC | 碳化物粒度r | Ag |
1 | 8.0% | 0.5% | 0.5% | 0.5μm≤r≤3μm | 余量 | |||
2 | 8.0% | 0.5% | 0.5% | 0.5μm≤r≤3μm | 余量 | |||
3 | 8.0% | 0.5% | 0.5% | 0.5μm≤r≤3μm | 余量 | |||
4 | 8.0% | 0.5% | 0.5% | 0.5μm≤r≤3μm | 余量 | |||
5 | 4.0% | 0.3% | 1.0% | 0.5μm≤r≤3μm | 余量 | |||
6 | 4.0% | 0.3% | 1.0% | 0.5μm≤r≤3μm | 余量 | |||
7 | 4.0% | 0.3% | 1.0% | 0.5μm≤r≤3μm | 余量 | |||
8 | 4.0% | 0.3% | 1.0% | 0.5μm≤r≤3μm | 余量 | |||
9 | 1.0% | 0.1% | 2.0% | 0.5μm≤r≤3μm | 余量 | |||
10 | 1.0% | 0.1% | 2.0% | 0.5μm≤r≤3μm | 余量 | |||
11 | 1.0% | 0.1% | 2.0% | 0.5μm≤r≤3μm | 余量 | |||
12 | 1.0% | 0.1% | 2.0% | 0.5μm≤r≤3μm | 余量 |
按上表所列配方,用常规工艺或本文所述工艺,将其制作为成品层状复合材料,该层状复合材料的总厚为0.25mm,工作层厚度为0.03mm,基层采用铜制作,然后将其制作为换向器并安装于微电机中;对应的电刷片材料为AgPd50/MX215。
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个比较例所采用的配方如下(重量百分比):
比较例 | Cu | Ni | Ag |
1 | 4.0% | 0.3% | 余量 |
2 | 6.0% | 0.4% | 余量 |
同样地,用常规工艺按2个比较例的配方分别制作出银合金带材,再将银合金带材与铜质基层复合为层状复合材料,该层状复合材料的总厚为0.25mm,工作层厚度为0.03mm,然后将其制作为换向器并安装于微电机中;对应的电刷片材料为AgPd50/MX215。
对实施例1~12和比较例1和2的微电机进行寿命试验,测试条件如下:
测试温度:-40℃
测试负荷:8g·cm
测试电压:10V
旋转速度:5000rpm
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。
测试结果见下表:
实施例 | 寿命(h) |
1 | 652 |
2 | 640 |
3 | 653 |
4 | 680 |
5 | 665 |
6 | 670 |
7 | 668 |
8 | 650 |
9 | 645 |
10 | 630 |
11 | 623 |
12 | 683 |
比较例1 | 455 |
比较例2 | 535 |
结论:上述测试结果表明,在AgCuNi合金中添加适当含量和粒度的碳化物,可以提高换向器材料的耐磨性和抗电弧能力,以这种材料作工作层、铜为基层制成层状复合材料,用于制作微电机换向器,与现有的AgCuNi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 (5)
1.一种碳化物增强滑动电接触合金,其特征在于:滑动电接触合金的成分由Cu、Ni、碳化物和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%、碳化物:0.5~2%、余量为Ag;所述碳化物为SiC、TiC、WC、VC中的一种。
2.根据权利要求1所述的碳化物增强滑动电接触合金,其特征在于:所述碳化物的平均粒度为0.5~3μm。
3.一种层状复合材料,其特征在于:权利要求1~2中任一项所述的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。
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