CN103151099A - 一种用于加工微电机整流子的具有自润滑能力的复合带材 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于加工微电机整流子的具有自润滑能力的复合带材，包括基层及镶嵌复合或面复合于该基层上的Ag合金层；基层为铜层或铜合金层；Ag合金层由自润滑电接触材料制成，自润滑电接触材料包括以下重量百分比的成分：0.1%～2.0%的Ti3SiC2微粒；1%～15%的Cu；合金成分还包括Ni、Zn、Mg、La、Ce、Y、Sm中的一种或多种，上述每种加入的金属元素的含量为0.1%～3.0%，且上述加入的金属元素的总量不超过3%；余量为Ag；自润滑电接触材料是采用粉末冶金的方法将Ti3SiC2粉末加入Ag合金中制成的。本发明能够大大提高直流微电机整流子的耐磨性，能够有效延长微电机使用寿命。

Description

一种用于加工微电机整流子的具有自润滑能力的复合带材

技术领域

 本发明涉及一种金属层状复合带材，具体涉及一种用于加工微电机整流子的具有自润滑能力的复合带材。

背景技术

直流微电机的关键元件——整流子一般由Ag合金制成，制备整流子的Ag合金材料要具有高导电性、高导热性和抗氧化性，要抗电弧烧蚀和耐磨损。纯Ag导电性能优良，但材料较软，抗磨损性能较差。AgCd合金性能优异，但因Cd的毒性而被淘汰，取而代之的是AgCuNi、AgCuZnNi等环保的合金材料。用Ag合金材料制成的整流子在电机转动过程中与供电的电刷片滑动摩擦，实现电流的导通和换向。与整流子配对的电刷片一般为C7701（CuNiZn合金）、MX215(CuNiSn合金)和MX96(CuNiSn合金)等弹性材料或这些弹性材料与AgPd等合金制成的层状复合带材。

在工作过程中，高速旋转的微电机整流子与电刷片间的滑动摩擦是一种无润滑的干摩擦，这种干磨擦条件下的磨损主要表现为粘着磨损和磨粒磨损。一般情况下，粘着磨损更为严重。微电机高速转动过程中，电刷片给整流子一个正压力，以保持电接触面导电良好，由于电机转速较快，电刷和整流子之间又有电弧烧蚀，摩擦副温度逐步升高，使摩擦面上接触的微小凸出部份产生焊合，焊合面随即又被旋转引起的剪切应力撕裂，被剪切下来的强度较低的整流子材料大部份以磨屑的形式脱落，磨屑逐步堆集在整流子相邻极片的间隙中，最终造成极片短路，使电机早期失效，死机。电刷片材料也可能有逆向的磨损，但程度相对较轻微。在整流子和电刷片的滑动接触面上一般不添加常规润滑剂，添加常规润滑剂会对电接触性能产生不利影响。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的不足，提供一种用于加工微电机整流子的具有自润滑能力的复合带材。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种用于加工微电机整流子的具有自润滑能力的复合带材，包括基层及镶嵌复合或面复合于该基层上的Ag合金层；

所述基层为铜层或铜合金层；所述Ag合金层由自润滑电接触材料制成，该自润滑电接触材料包括以下重量百分比的成分：0.1%～2.0%的Ti3SiC2微粒；1%～15%的Cu；合金成分还包括Ni、Zn、Mg、La、Ce、Y、Sm中的一种或多种，上述每种加入的金属元素的含量为0.1%～3.0%，且上述加入的金属元素的总量不超过3%；余量为Ag；所述自润滑电接触材料是采用粉末冶金的方法将Ti3SiC2粉末加入Ag合金中制成的。

所述Ti3SiC2微粒的纯度≥98%，平均粒径≤2.0μm。

所述Ag合金层的上表面还复合有厚度1～2μm的Au或Au合金层。

下面对Ti3SiC2粉末的作用加以说明。层状结构的Ti3SiC2属六方晶系，晶格常数为a=0.30665nm，c=1.767nm。共棱的CTi6八面体被平面的平行四边形分布的Si原子层所分割，每个晶包含有2个Ti3SiC2分子。Ti-C为共价键结合，结合键力较强，造就了Ti3SiC2有3000℃以上的高熔点。而Si原子与Ti-C-Ti-C-Ti链的键力较弱，Ti层和Si层在外力作用下易于产生剪切滑移，使Ti3SiC2具有优异的自润滑性能和极低的摩擦系数。对于含有Ti3SiC2微粒的整流子材料，在电机运转摩擦过程中，其中含有的固体润滑物质Ti3SiC2释放出来，进入金属的摩擦界面中，形成一种半边界润滑状态。剪切抗力低的固体润滑剂Ti3SiC2减小了摩擦系数。有报导称，金属间的摩擦系数一般在0.5～1.0之间。而Ag基自润滑电接触材料摩擦系数多在0.16～0.55范围。另一方面，Ti3SiC2固体润滑剂吸附在摩擦面上使摩擦面表面能大为降低，在很大程度上减少了粘着摩损的发生。所加固体润滑剂Ti3SiC2的导电性能优良，不会影响电刷片和整流子之间的电流导通。

Ti3SiC2结合了金属和陶瓷的优点，具有优异的导电性和导热性。室温时的电导率为4.5X106Ω^-1.m^-1(约为纯Ti电导率的2倍)，导热率为43w.m^-1.k^-1。Ti3SiC2耐酸碱浸蚀、抗氧化、抗热震性能良好，还有优良的可加工性。这些优异的性能是直流微电机整流子材料需要具备的。

加入了Ti3SiC2微粒的AgCuNi或AgCuZnNi等合金不仅具有自润滑能力，减少整流子材料的磨损，Ti3SiC2微粒的加入还起到了微粒强化的作用，使AgCuNi、AgCuZnNi等合金的强度和硬度得到提高，增强了AgCuNi、AgCuZnNi等合金抗磨损能力。在本发明的材料中，Ti3SiC2微粒的重量百分比含量不超过2%。Ti3SiC2微粒的重量百分比含量太高，Ag合金变脆，材料加工性能恶化，几乎无法生产出所需的带材。如果Ti3SiC2微粒的重量百分比含量小于0.1%，就起不到自润滑和微粒强化的效果。同时，Ti3SiC2微粒的平均粒径≤2μm。因为冲制微电机整流子的精密复合带材的Ag合金工作层厚度一般仅有20～30μm，Ti3SiC2微粒的粒径过大，会影响工作层的性能。在Ag合金中加入Ti3SiC2粉末时，需要采取有效的工艺措施，使Ti3SiC2微粒在Ag合金基体组织中分布均匀。

本发明的贵金属复合带材，大量节约Ag等贵金属资源，将含有Ti3SiC2微粒的具有自润滑能力的Ag合金带材通过压力加工的工艺，镶嵌复合或面复合在铜或铜合金带材上，形成一个结合牢固的精密的层状复合带材，供冲制直流微电机整流子使用。这种复合带材，只有整流子工作面上使用很少的Ag合金，而其余大部份则使用廉价的导电性能仍然优异的Cu合金。这种整流子使用的复合带材，不但可以大大节约Ag等贵金属资源，而且还可充分利用不同金属材料的优异性能。Ag合金层导电导热性能优异，耐磨损，抗电弧烧蚀，作为工作层；Cu合金基层为Ag合金层提供机械支撑，并导通电流。对于表层为Au或Au合金，中间层为具有自润滑能力的Ag合金这种3层复合带材，由于表层有Au或Au合金层，因此其抗氧化能力极强，接触导通可靠，接触电阻稳定。该3层复合带材冲制的整流子主要用于要求可靠性高的重要电机。

本发明的材料生产工艺流程为：

1、将极细的Ti3SiC2粉末以粉末冶金的方法加入到AgCuNi或AgCuZnNi等合金中，制成含有Ti3SiC2微粒的AgCuNi或AgCuZnNi合金锭。

2、将上述合金锭通过退火—压延加工—退火的循环工艺流程，加工成Ag合金带材。

3、将上述Ag合金带材通过压力加工的工艺，镶嵌复合或面复合在铜或铜合金带材上，形成结合牢固的精密的2层层状复合带材，供冲制直流微电机整流子使用。上述2层精密复合带材，Ag合金层必须与Cu合金基层结合牢固。

4、在上述2层复合带材的Ag合金层的上表面再复合上一层厚度1～2μm的Au或Au合金层。这样就形成一种以Au或Au合金层为表层、以Ag合金层为中间层、以Cu或Cu合金层为基层的3层复合带材。Au或Au合金层可以采用镶嵌复合形式，也可以是面复合形式。

5、将上述2层精密复合带材或3层精密复合带材冲制成微电机整流子。

本发明的有益效果是：由于在复合带材的Ag合金层中添加了Ti3SiC2微粒，本发明能够大大提高直流微电机整流子的耐磨性，能够有效延长微电机使用寿命。

附图说明

图1是本发明的二层复合带材的一种实施方式的结构示意图。

在图中：1-铜合金基层；2-Ag合金层。

具体实施方式

以下对本发明作详细描述。

实施例1：二层复合带材

1）材料 (材料标识：复层材料主成份/基层材料)

  AgCu4NiT/Tu1 (T表示添加Ti3SiC2，Tu1表示无氧铜)

2）带材尺寸（尺寸标注：复层Ag合金厚度×宽度/带材总厚度×宽度）

       0.03×2.0/0.12×7.5

3）工作层：AgCu4NiT成份(wt%)

       Cu 4.2    Ni 0.38    Ti3SiC2 0.35   Ag余量

4）复合带材显微硬度 (硬度标识：Ag合金层硬度/Cu合金基层硬度)

       156.6  161.9  157.3/117.2  116.8  115.4

实施例2：二层复合带材

1）材料 ：AgCu4NiT/Tu1 

2）带材尺寸：0.02×3/0.25×11

3）工作层：AgCu4NiT成份(wt%)

       Cu 4.0    Ni 0.22    Ti3SiC2 0.81   Ag余量

4）复合带材显微硬度 

       163.5  162.8  161.3/113.5  114.6  115.2

实施例3：二层复合带材

1）材料 ：AgCu6NiT/Tu1 

2）带材尺寸：0.03×3.8/0.30×12

3）工作层：AgCu6NiT成份(wt%)

       Cu 6.1    Ni 0.43    Ti3SiC2 0.42   Ag余量

4）复合带材显微硬度

       160.5  158.3  164.1/115.5  116.0  115.8

实施例4：二层复合带材

1）材料 ：AgCu6ZnNiT/Tu1 

2）带材尺寸：0.03×1.8/0.25×9

3）工作层：AgCu6ZnNiT成份(wt%)

       Cu6.0   Zn 0.98   Ni 0.42  Ti3SiC2 0.55  Ag余量

4）复合带材显微硬度

       163.3  157.7  160.4/116.2  114.6  117.1

实施例5：三层复合带材

1）材料 ：AuAg40/AgCu4NiT/Tu1 

2）带材尺寸：0.001×3.0/0.029×3.0/0.25×12

3）工作层：AuAg40成份(wt%)

       Au 60%  Ag余量（40%）

4）中间层AgCu4NiT成份(wt%)

    Cu 4.1   Ni 0.35   Ti3SiC2 0.50

5）复合带材显微硬度 

       146.7  143.8  145.2/114.6  113.5  116.7

材料耐久试验

（1）按上述实施方案中Ag合金成份加工贵金属

Ag合金成份表(wt)%

	Cu	Zn	Ni	Ti3SiC2	Ag
						实施例1	4.2		0.38	0.35	余量
实施例2	4.0		0.22	0.81	余量
						实施例3	6.1		0.43	0.42	余量
实施例4	6.0	0.98	0.42	0.55	余量
						实施例5	4.1		0.35	0.5	余量
比较例1	4.1		0.35		余量

（2）将上述成份的Ag合金加工成带材并镶嵌复合在TU1无氧铜基带上加工成二层复合带材。Ag合金工作层厚0.03mm，带材总厚0.25mm。

（3）将上述二层复合带材冲制成微电机3极整流子并与AgPd30/BZn18-26电刷配对装配成微电机。

（4）试验条件：常温，空载，4V、连续运转。

（5）耐久试验结果见下表。

	小时
		实施例1	1315
实施例2	1393
		实施例3	1357
实施例4	1366
		比较例1	826

在上表实施例5中，Ag合金表面再复上1.0μm的AuAg40合金，中间Ag合金层厚0.029mm，带材总厚0.25mm的3层复合带材，冲制成相同整流子并装配成相同电机，与AgPd50/BZn18-26电刷配对，在相同条件下进行耐久试验，其寿命达到1560h。

上述耐久试验结果显示，在AgCuNi和AgCuZnNi合金中添加适量固体润滑剂Ti3SiC2后，使Ag合金具有自润滑能力，降低了整流子的Ag合金工作面与电刷接触面间的滑动摩擦系数，并对Ag合金进行强化。使用上述具有自润滑性能的Ag合金加工出来的复合带材冲制的直流微电机整流子具有耐磨损的性能，能减少材料磨损，延长了电机使用寿命。

如图1所示，铜合金基层1与Ag合金层2镶嵌复合。

最后应当说明的是，以上内容仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，本领域的普通技术人员对本发明的技术方案进行的简单修改或者等同替换，均不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (4)

1.一种用于加工微电机整流子的具有自润滑能力的复合带材，其特征在于：所述用于加工微电机整流子的具有自润滑能力的复合带材包括基层及镶嵌复合或面复合于该基层上的Ag合金层；

所述基层为铜层或铜合金层；所述Ag合金层由自润滑电接触材料制成，该自润滑电接触材料包括以下重量百分比的成分：0.1%～2.0%的Ti3SiC2微粒；1%～15%的Cu；合金成分还包括Ni、Zn、Mg、La、Ce、Y、Sm中的一种或多种，上述每种加入的金属元素的含量为0.1%～3.0%，且上述加入的金属元素的总量不超过3%；余量为Ag；所述自润滑电接触材料是采用粉末冶金的方法将Ti3SiC2粉末加入Ag合金中制成的。

2.根据权利要求1所述的用于加工微电机整流子的具有自润滑能力的复合带材，其特征在于：所述Ti3SiC2微粒的纯度≥98%，平均粒径≤2.0μm。

3.根据权利要求1或2所述的用于加工微电机整流子的具有自润滑能力的复合带材，其特征在于：所述Ag合金层的上表面还复合有厚度1～2μm的Au或Au合金层。

4.一种微电机的整流子，其特征在于，所述微电机的整流子由权利要求1-3所述的用于加工微电机整流子的具有自润滑能力的复合带材冲制而成。

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