CN105648261B - 用于高压大电流的银基换向器材料及制备方法和用途 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于高压大电流的银基换向器材料，其特征在于，材料各组份的重量百分含量为：10～25％Cu；1～5％Ni；0.5～5％石墨；0.5～5％Zn；0.05～1％RE，余量为Ag，其中石墨以游离单质形式在材料的基体中。本发明所述材料具有较好的耐磨性和抗电弧能力，灭弧和自润滑性能好，在高电压、大电流和高转速条件下具有优良性能，可以改善接触稳定性、延长微电机的使用寿命，适用于用于小型无人机用直流微电机。

Description

用于高压大电流的银基换向器材料及制备方法和用途

技术领域

本发明涉及一种金属材料，特别涉及一种用于高压大电流的银基换向器材料及制备方法和用途。

背景技术

直流微电机是将电能转化为机械能、带动机器零件运行的关键电气元件。目前广泛使用的微电机可分为有刷和无刷两大类，其中有刷电机因成本低、可靠性高等优点，用量远远超过无刷电机。有刷电机依靠换向器和电刷片的相对滑动来实现电流传输、保持机器运转。因此，换向器和电刷之间不可避免地存在滑动摩擦磨损，而且有电弧产生，对材料造成损伤；提高耐磨和抗电弧等性能相应地成为新型换向器和电刷材料开发的主要方向。

银是导电性最好的单质材料，而且其具有优良的化学稳定性，因而是换向器材料中最常见、用量最大的金属。但是单质银金属的耐磨损和抗电弧性能明显不足，无法满足微电机换向器的使用要求，因此必须对其进行合金化改性。目前，开发了一系列的银基换向器材料，使用了多种合金元素和氧化物、碳化物、硫化物、氮化物等化合物对银进行合金化和复合化以提高其性能，这些材料在诸如手机振动电机、剃须刀电机、车载音响电机等领域得到广泛应用。目前，随着无人机产业的发展，一种能够适用于小型无人机，在高电压、大电流和高转速条件下稳定工作的微电机已经形成较大的市场需求，但现有的换向器材料在上述工作状态下均表现出很高的损伤速度，导致微电机的使用寿命达不到要求，在很到程度上影响了这一潜在市场的拓展。因此，针对这一新的发展趋势，开发新型高性能换向器材料是滑动式电接触材料行业近期的重点研发方向。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种用于高压大电流的银基换向器材料及制备方法和用途。该材料具有较好的耐磨性和抗电弧能力，灭弧和自润滑性能好，在高电压、大电流和高转速条件下具有优良性能，可以改善接触稳定性、延长微电机的使用寿命，适用于用于小型无人机用直流微电机。

本发明的技术方案是：

用于高压大电流的银基换向器材料的各组份的重量百分含量为：

10～25％Cu；1～5％Ni；0.5～5％石墨；0.5～5％Zn；0.05～1％RE，余量为Ag，其中石墨以游离单质形式在材料的基体中。

所述RE为Ce、Sm或Gd中的一种。

用于高压大电流的银基换向器材料的制备方法，有以下步骤：

1)按上述配比取Ag、Cu、Ni、Zn、RE原料，采用水雾化法制备AgCuNiZnRE合金粉末，合金粉末颗粒的最大等效直径≤80μm，石墨以铜包覆石墨形成加入，其中Cu的含量包括铜包覆石墨的铜含量；

2)步骤1)所述的合金粉末与铜包覆石墨粉末混合均匀，压力为80～200MPa冷等静压制成形，得到坯料；

3)步骤2)所述的坯料置于氨分解或纯氢气氛中，750～900℃烧结；

4)烧结好的坯料以挤压比≥20挤压；

5)将挤压的坯料通过室温轧制、再结晶退火、冷拉等工艺，制备成带材或丝材。

将上述用于高压大电流的银基换向器材料覆盖在基层的表面，得到用于微电机换向器的复合材料，其中铜为基层。用于高压大电流的银基换向器材料部分或全部覆盖在基层的表面。其中，部分采用将用于高压大电流的银基换向器材料镶嵌在基层的表面，全部覆盖是在基层的顶面和地面全部覆盖用于高压大电流的银基换向器材料。

所述的复合材料可以用于微电机换向器，该微电机换向器可用于直流微电机。

用于高压大电流的银基换向器材料可以用于微电机换向器，该微电机换向器可用于直流微电机。

本发明所述材料中各元素的作用：

铜在高温下可以大量固溶于银中，随着温度下降，溶解度迅速降低，因此是一种良好的沉淀硬化元素，可以有效提高合金的硬度和耐磨性，而且对银的导电性影响不大，是电接触银合金中最重要的一种强化元素。目前常用的滑动式电接触银合金中，铜的典型含量为4％左右，然而在本发明的用途中，若铜含量低于10％，则仍然无法有效提高材料性能；但是，若铜含量高于25％，则由于过于接近共晶成分而导致材料液相线温度严重下降，工作时容易因温度升高而迅速软化，反而缩短使用寿命。

镍是一种高熔点元素，在电弧作用导致的高温下不容易熔化，即使银基体有一定的熔化，由于镍的存在，也能够有效抑制液态银的流失，因而改善了材料的抗电弧性能。无论液态还是固态，镍在银中的溶解度都极低，采用熔炼方式在银中加入超过1％的镍就无法保证均匀性，但镍与铜在液态和固态均可以无限互溶，所以在添加了大量铜的前提下，加入较多的镍也可以得到均匀的合金。为了满足本发明所述的高电压、大电流、高转速的使用条件，镍的添加量不能低于1％；但如果其含量超过5％，则会使导电性降低过多。

锌的熔点和沸点都比较低，可以作为材料的灭弧剂。在换向器使用过程中，当电弧作用导致材料温度升高时，锌容易挥发，从而消耗电弧热量促使其熄灭，同时也减少了材料的温升，抑制换向器软化。为了起到有效的灭弧作用，锌的添加量不能低于0.5％，但如果其含量超过5％，则会使导电性显著下降。

稀土(RE)元素具有较高的化学活性，在银基电接触材料中可以与Ag、Cu、Ni等元素形成金属间化合物，产生较强的弥散强化作用；此外，RE还具有抗电弧和净化合金的作用。稀土添加量如低于0.05％，其作用不能有效发挥；若高于1％，则容易在表面形成稀土氧化物膜，显著增大接触电阻。

石墨是一种良好的固体润滑剂，在滑动式电接触材料中具有自润滑作用，而且熔点很高，具有优良的抗电弧和灭弧作用；为了发挥上述作用，石墨必须以游离的单质形式存在。本发明以铜包覆石墨粉末和雾化法制备的银合金粉末为原料，采用粉末冶金的方式在材料中加入石墨，可以保证石墨以游离单质形式存在；同时，采用这种方式添加石墨，也避免了因石墨与银合金密度差异过大而造成的偏聚现象，保证材料的成分均匀性。若石墨加入量低于0.5％，则自润滑和灭弧作用不足；若石墨加入量超过5％，则会使材料强韧性明显下降，降低使用寿命。

将本发明的换向器材料作为工作层复合在铜基层表面，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。

本发明的优点为：

1)本发明采用现有的雾化制粉、等静压成形、烧结、压力加工和热处理技术进行生产，设备和工艺技术不需要特殊的改造，生产中易于实施。

2)本发明采用雾化法制备银合金粉末，并以铜包覆石墨粉的形式加入石墨，可以保证材料具有很高的成分均匀性；而后采用混粉、等静压成形、挤压加工等技术生产换向器材料，可以有效地保证石墨在材料中分布的均匀性，并且材料可以达到完全致密化。

3)本发明材料适合用于小型无人机用直流微电机的工作条件：5～10V、电流1.5～2A、转速30000rpm以上。

本发明根据银基滑动电接触合金材料不能满足小型无人机用直流微电机使用要求的现状，系统研究材料的磨损和电弧侵蚀机理及影响因素，优化材料成分设计，在具有较好的耐磨性和抗电弧能力的基体合金中，进一步引入灭弧和自润滑的成分，并且开发出雾化制粉和粉末冶金生产工艺，制备出一种在高电压、大电流和高转速条件下具有优良性能的换向器材料，以改善接触稳定性、延长微电机的使用寿命，其符合小型无人机的技术性能要求。

具体实施方式

实施例1至24的合金成分见表1.

表1 重量百分比％

按表1中的各金属元素含量配制并熔炼不同成分的AgCuNiZnRE合金(其中Cu的含量需要根据表1中所示的设计成分和使用的铜包覆石墨粉中的Cu与石墨的含量进行计算，以保证经过后续粉末冶金工艺制成的银基换向材料成分满足表1的要求。)，通过水雾化法制备成粉末，粉末颗粒的最大等效直径小于80μm。将得到的合金粉末与适量的铜包覆石墨粉末混合均匀，经压制、烧结、挤压、轧制、退火、拉拔等工艺制成带材；然后采用热轧工艺与纯铜复合成层状复合材料，并轧制成银合金层厚0.03mm，总厚0.25mm的带材。

比较例1和2电接触银合金成分见表2。

表2比较例合金成分(重量百分数)

比较例	Cu	Pd	Ni	Ag
					1	4.0	0.8	0.4	余量
2	4.5	0.9	0.5	余量

按表2中的各成分配制并熔炼合金，浇铸成锭后，经开坯、轧制、退火等工序制成带材，然后与铜复合成层状复合材料，并轧制成银合金层厚0.03mm，总厚0.25mm的带材。

将实施例1～24和比较例1和2的带材用于制作成微电机三极换向器，将该换向器装配在微电机中，进行寿命试验。其对应的电刷片材料为AgPd50/MX96。

实施例1～24和比较例1、2的测试条件如下：

测试温度：常温

测试负荷：10g·cm

测试电压：8V

测试电流：1.7A

旋转速度：30000rpm

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。

测试结果见表3。

表3实施例1～24及比较例1～2寿命测试结果

结论：上述测试结果表明，本发明的合金在高电压、大电流和高转速条件下具有优良的耐磨性和抗电弧能力。以本发明合金做工作层、铜合金为基层制成复合材料，用于制作小型无人机用直流微电机，在相同条件下工作，与现有的AgCuPdNi合金所制换向器相比，具有更长的使用寿命，达到了改善微电机接触稳定性和延长使用寿命的目的，达到了小型无人机的使用要求。

Claims (7)

1.用于高压大电流的银基换向器材料，其特征在于，该材料各组份的重量百分含量为：

10~25%Cu；1~5%Ni；0.5~5%石墨；0.5~5%Zn；0.05~1%RE，所述RE为Ce、Sm或Gd中的一种，余量为Ag，其中石墨以游离单质形式在材料的基体中。

2.用于高压大电流的银基换向器材料的制备方法，其特征在于，有以下步骤：

1）按权利要求1所述的配比取Ag、Cu、Ni、Zn、RE原料，采用水雾化法制备AgCuNiZnRE合金粉末，合金粉末颗粒的最大等效直径≤80μm，石墨以铜包覆石墨形成加入，其中Cu的含量包括铜包覆石墨的铜含量；

2）步骤1）所述的合金粉末与铜包覆石墨粉末混合均匀，压力为80~200MPa冷等静压制成形，得到坯料；

3）步骤2）所述的坯料置于氨分解或纯氢气氛中，750~900℃烧结；

4）烧结好的坯料以挤压比≥20挤压；

5）将挤压的坯料通过室温轧制、再结晶退火、冷拉工艺，制备成带材或丝材。

3.一种用于微电机换向器的复合材料，其特征在于：权利要求1所述的材料覆盖在基层的表面，其中铜为基层。

4.根据权利要求3所述的复合材料，其特征在于：权利要求1所述的材料部分或全部覆盖在基层的表面。

5.一种微电机换向器，其特征在于：它使用权利要求1所述的材料。

6.根据权利要求5所述的微电机换向器，其特征在于：它使用权利要求3所述的复合材料。

7.一种直流微电机，其特征在于：它使用权利要求5或6所述的换向器。