CN105684240A - 滑环组件及其部件 - Google Patents

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Abstract

可通过将至少一种纳米颗粒嵌入形成滑动接触表面的层中来增强贵金属或贵金属合金的滑动接触表面(11、31)的寿命。

Description

滑环组件及其部件
发明领域
本发明涉及电滑动接触。在金属性(例如金)滑动轨道和与其电接触的刷(例如金属性线)之间提供滑动接触，放置该刷以在滑动轨道上方滑动，滑动轨道和/或刷彼此相对移动。滑动接触允许该滑动轨道和刷之间的数据和/或能量的电传输，其中该刷和轨道可相对于彼此移动。例如，该滑动轨道可以是环或环段并且可被驱动以围绕其中心轴转动。刷和环的组合为滑环组件。
相关技术的描述
滑动接触在滑环组件中是特别有用的。在这种情况下，滑动轨道是环或环段等并且因此称作滑环。该滑环可以相对于该刷转动。该刷相对于给定的坐标系可为静态的。可替代地，该滑动轨道即滑环可为静态的并且该刷相对于给定的坐标系移动。第三种替代方式是该刷和滑环相对于给定的坐标系移动。通常滑环具有由贵金属例如金(Au)或银(Ag)制成的接触表面以提供具有低阻力的滑动接触。然而，纯Au是柔软的并且因此快速磨损掉，特别是在与作为刷的非Au金属线接触时。
US4,398,113建议将Au滑动轨道与具有比Au滑动轨道更高的耐磨性的刷接触。在初始运行周期中，来自滑动轨道的Au附着于该刷，产生耐用的刷以及该滑动轨道和该刷之间降低的摩擦。
WO2013/007458A2公开了具有与刷接触的滑动轨道的滑环组件。该滑动轨道是双层滑动轨道，其中第一层具有比第一层顶部上的Au层更高的耐磨性。选择该刷的材料以具有介于第一层的耐磨性与Au层的耐磨性之间的耐磨性。由此，首先Au层磨损，然后是刷，这是容易检测的。第一层更硬，即具有比Au层更高的刚度。这增强了Au层的寿命。
WO2005/038985涉及具有接触层的电接触元件。所述接触层包含具有Mn+1AXn组成的非晶态碳化物或氮化物膜，其中n是正整数；M是钪、钛、钒(Vandum)、铬、锆、铌、钼、铪或钽之一；A是铝、硅、磷(Phospor)、硫、镓、锗、砷镉、铟、锡、铊或铅之一，并且X是碳、氮或二者。该层具有与处于纳米晶状态的所述材料的区域混合的所述Mn+1AXn的非晶态区域。该层应具有低摩擦系数并且因此是耐磨的。
US2004/0000834A1涉及换向器，其具有换向器滑动零件。该滑动零件包含由石墨、金属粉末、粘结剂、固体润滑剂和碳纳米管或碳纳米纤维组成的层。将组分混合、模制和烘烤。
发明内容
要解决的问题是提供具有高耐久性和低接触阻力的滑动轨道或刷。
在独立权利要求中描述了该问题的解决方案。从属权利要求涉及本发明的进一步改进。
本发明的滑动轨道具有与至少一个刷接触的顶层。该滑动轨道可包含主要由贵金属例如金(Au)或银(Ag)制成的顶层。该顶层可包含合金化组分例如铜(Cu)、钴(Co)或类似物以增强该顶层的硬度和耐磨性。另外，合金化组分可促进通过电解沉积来沉积顶层。还可向刷施加该顶层用于接触滑动轨道，例如现有技术的滑动轨道或具有本发明的顶层的滑动轨道。
优选地，将纳米颗粒(至少一种)嵌入该顶层中。纳米颗粒由ISO/TS27687：2008定义为具有小于100nm的直径的颗粒。因此可将纳米颗粒嵌入例如具有Au或Ag或其它贵金属的顶层中。通过纳入纳米颗粒，可获得弥散硬化。
例如可将硬质材料例如碳化物如碳化硅(SiC)和/或碳化钨(WC)和/或碳化钛(TiC)和/或碳化硼(B4C)和/或碳化钽(TaC)和/或碳化铍(Be2C)的纳米颗粒纳入或换言之嵌入该滑动轨道的顶层中。氮化物，特别是氮化钛(TiN)和/或钽(TaN)和/或立方氮化硼(BN)和/或氮化硅(Si3N4)和/或氮化铝(AlN)也可被嵌入。还可将金刚石、氧化铝(Al2O3)、刚玉、蓝宝石、红宝石(Rubin)、锆石、二氧化硅(SiO2)、碳纳米管(CNT)、二硼化钛(TiB2)和/或二硅化钼(MoSi2)或类似物嵌入顶层中。纳米颗粒还可包含混合晶体例如TiC-WC和/或TiC-TaC-WC和/或TiC-TiN,这也是对于其高刚度和良好的热导率及电导率是已知的。多碳化物和复合碳化物例如特别是Co3W3C、Ni3W3C也可包含在纳米颗粒中作为金属间化合物例如W-Co和/或W-Os和/或W-Re和/或W-Ir和/或Mo-Be。
烧结陶瓷金属(简称“金属陶瓷”)的纳米颗粒也是适合的。可能的组合物特别包括以下金属陶瓷：Al2O3-Cr；Al2O3-Mo-Cr；Al2O3-Ni；UO2-Mo；ZrO2-Mo和/或碳化钛(TiC)/氮化钛(TiN)-Ni。
所有这些材料的纳米颗粒是硬的并且因此共同具有高耐磨性。由此，降低了顶层的磨损而不显著降低接触阻力。换句话说，增强了该顶层的寿命周期。据认为Au层的实验观察到的硬化是由于弥散硬化。可预期硬纳米颗粒可对刷的寿命周期具有负面影响，然而，出乎预料地证明不是如此。在第一阶段中Au线刷的磨损似乎得到增强，然而，在所谓的协调(inphase)运行之后减少了Au线的磨损。据认为，在协调运行期间来自线的柔软的Au发出响声(speaksoils)或在顶层上涂抹，并且由此降低顶层的粗糙度。该效果相当出乎预料，因为硬纳米颗粒增强了该滑动轨道的粗糙度并且对刚砂纸具有与刚玉相同的作用，即会预期纳米颗粒的硬尖端研磨刷线直至其失效。但是研磨过程在协调运行之后突然停止。
要将硬度理解为压痕硬度，其例如可通过洛氏硬度测试仪进行测量并且与材料的拉伸强度线性相关。
作为替代或者另外，可嵌入由石墨和/或氮化硼(BN)和/或二硫化钼(MoS2)和/或聚四氟乙烯(PTFE)制得的纳米颗粒。这些材料降低该滑动轨道的顶层和刷之间的摩擦。另外减少了磨损。
用于接触滑动轨道、特别是具有如上所解释的嵌入有纳米颗粒的滑动轨道的刷可包含至少一种金属性线。优选地，该线具有贵金属和/或具有至少一个贵金属涂层(例如Au或银涂层)以提供低阻力接触表面。可将纳米颗粒、特别是上面列出的材料的纳米颗粒嵌入该涂层中。该线和/或该涂层可包含合金化组分例如铜(Cu)、钴(Co)或类似物以增强该刷接触表面的硬度和耐磨性。
在顶层中嵌入例如上面提及的材料的纳米颗粒可通过在分散的纳米颗粒的存在下电镀顶层来获得。因此，用于提供滑动轨道和/或刷的嵌入纳米颗粒的金属层的方法，包括至少：
－制备在其中分散纳米颗粒的电解质浴，
－电流沉积，即在所述电解质浴中在滑动轨道坯料或刷坯料上优选电镀金属层作为顶层。该金属层优选具有贵金属或包含贵金属例如Au或Ag的合金。
当电镀该滑动轨道坯料时，分散的纳米颗粒沉积在滑动轨道坯料上并且纳入即嵌入该滑动轨道的沉积的顶层中。
滑动轨道坯料是可在其上沉积随后的滑动轨道的顶层的基材。在最简单的形式中，该坯料可包含在适用于沉积随后的顶层金属例如Au或Au合金或不同的贵金属或合金的PCB载体上的金属性层。环状滑动轨道坯料是滑环坯料。
在滑环的情况下，制造经常是更复杂的，但是在任何情况下将随后的顶层沉积在传导坯料即滑动轨道坯料或滑环坯料上。例如，可在金属环的内表面上沉积该顶层。可用树脂或任何其它塑性材料填充该环。在塑性材料的固化之后，例如可使用车床移除金属环直到先前沉积的顶层可接触刷。
如果滑动轨道坯料是滑环坯料，则滑环坯料优选在电解质浴中转动，由此获得金属的非常均匀的沉积和所沉积的金属层中均匀的纳米颗粒分布。
旋转的滑环不必完全低于电解质浴的流体水平。在这种情况下，仅滑环坯料的环段浸渍到电解质浴中。这使得能够将顶层施加至甚至大直径的滑环坯料而不需要大的电解质浴和大量的电解质。
优选搅拌电解质浴。由此，纳米颗粒可保持为分散的。
对于分散纳米颗粒，可使用超声波来搅拌该浴。
上面关于提供具有其中嵌入有纳米颗粒的优选贵金属顶层的滑动轨道解释了该方法。该方法还可用于提供用于接触滑动轨道的刷，例如通过电镀用作刷的线。
可将具有其中嵌入有纳米颗粒的顶层的滑动轨道与现有技术的刷以及与具有其中也嵌入有纳米颗粒的金属涂层的刷进行组合。可将具有嵌入有纳米颗粒的金属涂层的刷与现有技术的滑动轨道以及与根据本发明的滑动轨道进行组合。如果滑动轨道是环状的，那么每个组合形成滑环组件。
示例性涂层：
1.根据供应商说明书稀释了用于硬Au涂层的可商购的电解质浓缩物。优选地，还添加了表面润湿剂。例如使用氢氧化钾溶液和/或酸例如柠檬酸将pH设置为2.8－4.6，更优选设置为4.1－4.3。优选在即将电镀前，使用超声波浴在电解质溶液中分散约120gSiC纳米颗粒(例如具有20nm的d50)持续例如1小时。可替代地，还可分散碳纳米管和/或至少一种上面提及的材料的至少一种纳米颗粒，例如金刚石纳米颗粒和WC。所获得的电解质溶液可用作电解质浴，该电解质浴用于采用嵌入的SiC纳米颗粒电镀Au。
在所述电解质浴中，用纳入有SiC纳米颗粒的Au层涂覆滑环的滑动轨道。具有约2254dm2的表面的滑动轨道完全置于电解质浴中并且用作阴极。将滑动轨道完全浸渍在电解质浴中并且转动(约400rpm±50％、优选±25％、更优选±10％)。另外，可使用磁搅拌器搅拌该电解质浴。可使用Pt线网格作为阳极。成功地施加DC电流(例如介于0.2和10A/dm2之间、优选介于1和8A/dm2之间、更优选介于2和6A/dm2之间)。可替代地，使用脉冲电流例如使用矩形脉冲获得镀层，该矩形脉冲具有tOn＝100ms(±25％、优选±15％、更优选±7.5％)和tOff＝1000ms(±25％、优选±15％、更优选±7.5％)。在约0.5A/dm2(±50％、优选±25％、更优选±10％)和20A/dm2(±50％、优选±25％、更优选±10％)之间，优选在2A/dm2和17.5A/dm2之间，并且更优选在4S/dm2和15A/dm2之间(所有电流密度±50％、优选±25％、更优选±10％)改变平均电流密度。
2.根据供应商说明书稀释了用于硬Au的可商购的电解质浓缩物。例如使用碱例如氢氧化钾溶液和/或酸例如柠檬酸、硫酸和/或硝酸或类似物将pH设置为7.0－7.8，更优选设置为7.0－7.3，在57℃下(±10℃)。优选在即将电镀前，使用超声波浴在电解质溶液中分散约120g(60g至180g、优选90g至150g)SiC纳米颗粒(例如具有20nm的d50)持续例如1小时(±30分钟)。还可分散例如金刚石和WC的其它纳米颗粒。所获得的电解质溶液可用作电解质浴，该电解质用于采用嵌入的SiC纳米颗粒使用如实施例1的直流或脉冲电流电镀来电镀Au。
应该注意的是，术语“至少一种纳米颗粒”意指一种或多种纳米颗粒。实际上大多数将较大量的纳米颗粒嵌入贵金属层中，但是在顶层中采用非常少的并且理论上采用单一纳米颗粒已经可以获得技术效果。仅出于方便，在本申请中大多数使用了复数“纳米颗粒”，但是这当然应该涵盖在顶层中仅单一纳米颗粒的情况。
还应该注意的是，术语贵金属包括列表铷、铑、钯、银、锇、铱、铂、金和铅的任何金属。非稳定贵金属对于形成滑动轨道或刷的顶层是不相关的，但是原则上也可以使用。顶层的贵金属通常是晶态的，即不是非晶态的。
附图说明
以下将通过举例来描述本发明，而不是将整体发明构思限制于参考附图的实施方案的实例。
图1显示了第一滑动轨道刷组件的横截面。
图2显示了第二滑动轨道刷组件的横截面。
图3显示了如图1和图2中的顶层的细节。
图4显示了滑环组件的实例。
图5显示了在200000倍放大下的嵌入有碳纳米管的示例性Au滑动轨道。
图1显示了在刷10和滑动轨道之间的滑动接触50、51。该滑动轨道具有支撑体30，其具有作为机械支撑和扩散阻挡的例如Ni(镍)的第一层。在第一层32顶部上是顶层31。顶层与刷10电接触。刷10是优选的。在该实例中，该刷可为线10，优选具有贵金属涂层11、例如金(Au)涂层的线10。该刷可置于滑动轨道的槽中，一方面该槽引导该刷10，另一方面该槽将使建立该刷10和滑动轨道之间的滑动接触的50、51的区域翻倍。在图1的实例中，该槽具有三角形横截面。然而，其它横截面也是可能的。
在图1和2的实例中，该刷是单一线刷。可替代地，该刷可为例如多线刷10或多丝刷。
在图2中描绘了带槽的滑动轨道的替代物。图2的滑动轨道具有至少基本上平面的横截面。这是与图1的滑动轨道的唯一区别。
在图3中显示了如图1和图2所示的顶层31的细节。如可见的，SiC纳米颗粒随机地嵌入分布于顶层中。
在图4中显示了图1和2的滑动轨道组件的应用。滑动轨道30具有环状或柱状侧视图并且与刷10接触。仅仅是为了简化，没有示出第一层32和顶层31。
使用电镀施加了图1和图2中的刷10的顶层31以及涂层11。使用具有分散的纳米颗粒例如碳纳米管的电解质溶液进行电镀。
图5显示了在约20000倍放大下的其中嵌入有碳纳米管的顶层31的Au表面(STM照片)。如实施例1所解释的制备该表面，但是使用碳纳米管替代SiC以及使用约2A/dm2的DC电流用于沉积。碳纳米管作为薄线出现。箭头指向碳纳米管的聚集物。
附图标记列表
10刷/刷线
11线10的贵金属涂层
20刷支架
30支撑物
31优选比Au更硬的金属(例如Ni)的第一层
32贵金属(例如Au)的顶层
40纳米颗粒，例如SiC
50滑动接触
51滑动接触

Claims (6)

1.滑动轨道或刷的具有金(Au)和/或银(Ag)和/或其它稳定贵金属的顶层(31)，用于通过至少一个刷(10)或滑动轨道而被电接触以在该顶层31和刷(10)或滑动轨道之间提供至少一个滑动接触(50、51)，其特征在于：
在该顶层(31)中嵌入具有比Au和/或Ag更高的耐磨性和/或更低的摩擦系数的纳米颗粒。
2.具有通过滑动接触来电连接的刷和滑动轨道的滑环组件，其特征在于：
该滑动轨道和/或该刷具有权利要求1的权利要求1的顶层(31)和/或该刷是权利要求2的刷。
3.前述权利要求之一的主题，其特征在于：
至少一种所述纳米颗粒选自SiC、Ti、MO、W、WC、金刚石、PTFE、CNT、石墨、石墨烯、刚玉、Al2O3、烧结陶瓷金属、B4C、TaC、Be2C、TiN、TaN、BN、Si3N4、AlN、红宝石、锆石、TiB2、MoSi2、TiC-WC、TiC-TaC-WC、TiC-TiN、Co3W3C、Ni3W3C、W-Co、W-Os、W-Re、W-Ir、Mo-Be、Al2O3-Cr；Al2O3-Mo-Cr；Al2O3-Ni；UO2-Mo；ZrO2-Mo和/或碳化钛(TiC)/氮化钛(TiN)-Ni。
4.用于提供滑动轨道和/或刷(10)的贵金属层的方法，该方法包括至少以下步骤：
－通过使用电解质浴电镀滑动轨道和/或刷坯料来沉积贵金属层，其特征在于：
将纳米颗粒分散在该电解质浴中。
5.权利要求5的方法，其特征在于：
至少一种所述至少纳米颗粒的材料选自SiC、Ti、MO、W、WC、金刚石、PTFE、CNT、石墨、石墨烯、刚玉、Al2O3。
6.权利要求5或权利要求6的方法，其特征在于该方法还包括：
－制备包含贵金属离子的水溶液，
－将至少一种所述至少一种纳米颗粒分散在溶液中，
－使用该溶液作为电解质浴用于沉积贵金属。
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