CN107109530A - 滑动接点材料及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种滑动接点材料，其具有下述组成：6.0质量％以上且9.0质量％以下的Cu、0.1质量％以上且2.0质量％以下的Ni、0.1质量％以上且0.8质量％以下的添加元素M、余量为Ag。该添加元素M为选自由Sm、La、Zr组成的组中的至少一种元素。本发明的滑动接点材料具有在Ag合金基质中分散有包含至少含有Ni和添加元素M这两者的金属间化合物的分散粒子的材料组织。该分散粒子中的Ni含量(质量％)与添加元素M的含量(质量％)的比率(KNi/KM)要求在规定范围内。本发明是耐磨损性比以往优良的Ag合金系滑动接点材料，是也能够应对微型电动机的高转速化的材料。

Description

滑动接点材料及其制造方法
技术领域
本发明涉及由Ag合金构成的滑动接点材料。特别是涉及能够适合用于负荷可能因高转速化等而增大的电动机用换向器等的滑动接点材料。
背景技术
电动机是在各种家电制品、汽车等多种用途中使用的机器，近年来，对于其小型化、高输出化提出了更高水平的要求。随着该趋势，电动机转速增大，希望得到能够应对转速增大而能发挥长寿命的电动机。
作为因寿命的原因导致电动机停止的示例，可以列举由在作为其构成部件的换向器与电刷之间产生的机械性磨损而引起的情况。在该现象中，由于电动机驱动过程的滑动所致的磨损，换向器的材料转移附着至电刷上，在其再次转移附着至换向器的过程中，生成粗大的磨损粒子。而且，该磨损粒子在换向器的狭缝中蓄积，换向器发生短路而导致电动机停止。考虑到该机理，作为用于使电动机长寿命化的努力，可以列举对构成这些部件的滑动接点材料的耐磨损特性进行改善。
作为适用于电动机等的滑动接点材料，除了耐磨损性之外还要考虑导电性，广为熟知的有Ag系合金。例如，已知有在Ag中将Cu合金化而成的Ag-Cu合金、进一步将Zn、Mg合金化而成的Ag-Cu-Zn合金、Ag-Cu-Zn-Mg合金等。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平6-172894号公报
发明内容
发明所要解决的问题
迄今公开的滑动接点材料虽然也具有一定的效果，但为了开发出也能够耐受上述电动机转速的增大所产生的负荷的电动机，希望得到耐磨损性更加优良的材料。因此，本发明的目的在于，对于以Ag合金为基本的滑动接点材料，提供与现有技术相比耐磨损性更优良的滑动接点材料。
用于解决问题的手段
解决上述问题的本发明为一种滑动接点材料，其为含有6.0质量％以上且9.0质量％以下的Cu、0.1质量％以上且2.0质量％以下的Ni、0.1质量％以上且0.8质量％以下的添加元素M、余量由Ag和不可避免的杂质构成的滑动接点材料，上述添加元素M为选自由Sm、La、Zr组成的组中的至少一种元素，作为其材料组织，具有在Ag合金基质中分散有包含至少含有Ni和添加元素M这两者的金属间化合物的分散粒子的材料组织，上述分散粒子中的Ni含量(质量％)与添加元素M的含量(质量％)的比率(KNi/KM)在下述范围内：
添加元素M为Sm、La时：1.50以上且2.50以下；
添加元素M为Zr时：1.80以上且2.80以下。
本发明的滑动接点材料是制成以Ag-Cu合金为基础的合金并向其中添加Ni以及稀土元素(Sm、La)或Zr而成的滑动接点材料。而且，是以Ag合金为基质并在其中分散包含规定的金属间化合物的分散粒子而成的滑动接点材料。即，本发明利用金属间化合物的分散强化机制对Ag合金进行强化，从而使其作为滑动接点材料具备有效的耐磨损性。
在此重要的是，发挥强化作用的分散粒子并非只要单纯地相对于作为基质的Ag合金为组成不同的相即可。Ni、Sm等稀土元素在Ag中能够单独形成分散粒子而不固溶，但这种情况下无法期待耐磨损性的提高。在本发明中有效的分散粒子要求包含含有Ni和添加元素M这两者的金属间化合物，并且对于Ni与添加元素M的含量要求具备规定比率。
此外，Sm、La、Zr虽然分别与Ni形成金属间化合物，但其构成并非1种，可形成多种金属间化合物。作为其示例，对添加Ni和Sm这两者的情况进行说明。图1是Sm-Ni系状态图，由该图可知，在该体系中根据Sm与Ni的构成比率的不同可形成多种金属间化合物。本发明人们确认了，在向Ag合金中添加Sm和Ni的情况下，能够有效地对合金进行强化的金属间化合物为SmNi5。除此以外的金属间化合物对材料强化没有帮助。
像这样必须选择具有强化作用的特定的金属间化合物这一点对于La、Zr来说也是同样的。具体而言，对于La来说，LaNi5是有用的，对于Zr来说，Zr2Ni7是有用的。图2示出了La-Ni系和Ni-Zr系的状态图，对于它们来说也要求特定区域的金属间化合物。本发明的滑动接点材料通过主要含有这些有用的金属间化合物的分散粒子得到了强化。以下，更详细地对本发明的构成进行说明。
如上所述，本发明的滑动接点材料作为整体组成含有6.0质量％以上且9.0质量％以下的Cu、0.1质量％以上且2.0质量％以下的Ni、0.1质量％以上且0.8质量％以下的添加元素M、余量由Ag和不可避免的杂质构成。
在此，对各构成元素进行说明。Cu主要形成作为本发明的滑动接点材料的基质的Ag合金的构成成分。通过使Cu的添加量在适当范围，能够使基质达到适当的强度。Cu浓度无论低于6.0质量％或是超过9.0质量％，滑动接点材料的耐磨损性都会降低，磨损量增大。
Ni如已经说明的那样，是具有强化作用的金属间化合物的构成元素。对于Ni浓度，设定为0.1质量％以上且2.0质量％以下是因为，在上述范围外时，难以生成有效的金属间化合物。特别是超过2.0质量％时，还产生Ni的偏析，加工性变差。
对于添加元素M(Sm、La、Zr)，设定为0.1质量％以上且0.8质量％以下。这是为了生成有效组成的金属间化合物。在添加Sm、La、Zr中的多种添加元素的情况下，将它们的合计值设定为0.1质量％以上且0.8质量％以下。关于添加元素M的浓度，更优选设定为0.4质量％以上且0.8质量％以下。详细情况在后文中记述，添加元素M的浓度和Ni浓度优选考虑两者的比率进行调节。
在具有上述的整体组成的Ag合金中，形成基质的Ag合金为Ag-Cu合金。另外，在后述的添加了Zn、Mg的情况下，基质为Ag-Cu-Zn合金、Ag-Cu-Zn-Mg合金。即，基质中几乎不含有Ni和添加元素M。这是因为这些添加元素对于Ag不具有固溶范围，基质中的Ni浓度为0.1质量％以下。
而且，在本发明中作为特征而规定的分散粒子以Ni与添加元素M(Sm、La、Zr)的金属间化合物(SmNi5、LaNi5、Zr2Ni7)作为主要成分，但并不限于仅由它们构成。例如，在作为添加元素M添加有Sm的滑动接点材料的情况下，分散粒子中除了Ni和Sm之外有时还含有Cu。推测这是因为，Cu固溶于SmNi5中而形成了分散粒子、或者含有Cu的合金相(CuNi等)混合在SmNi5中并一体化而形成了分散粒子。如此，本发明中的分散粒子可以含有Ni和Sm等添加元素M以外的元素。
可是，即使分散粒子含有Ni和添加元素M以外的元素，由于本发明中有效的分散粒子以适当的金属间化合物(SmNi5、LaNi5、Zr2Ni7)作为主要成分，因此分散粒子中的Ni含量(质量％)与添加元素M的含量(质量％)的比率(KNi/KM)的值也在一定范围内。关于该含量的比率(KNi/KM)，在添加元素M为Sm或La的情况下，为1.50以上且2.50以下，另外，在添加元素M为Zr的情况下，设定为1.80以上且2.80以下。根据本发明人们的研究，认为KNi/KM的值在上述范围外的分散粒子相当于并非由Ni与添加元素M的金属间化合物构成的分散粒子、或者即使含有Ni与添加元素M的金属间化合物但也是由具有强化作用的金属间化合物(SmNi5、LaNi5、Zr2Ni7)以外的金属间化合物构成的分散粒子等。这种分散粒子对材料强化不起作用。
关于作为添加元素M的Sm、La、Zr，可以添加任意两种或三种金属元素。而且，添加多种添加元素M时的分散粒子中的KM的值应用该分散粒子中的添加元素M的含量的合计值。
可是，作为添加多种添加元素时的分散粒子的构成，大多生成由一种金属元素和Ni构成的二元系金属间化合物。例如，添加Sm、La、Zr这三种元素时，分别生成Ni与Sm的金属间化合物、Ni与La的金属间化合物、以及Ni与Zr的金属间化合物这三种金属间化合物，构成分别的分散粒子的可能性高。这种情况下，对于各分散粒子，KNi/KM的值只要在针对含有的添加元素M所设定的范围内即可。但是，有时也会生成由添加的全部多种元素构成的金属间化合物。这种情况下，将该分散粒子中的多种添加元素的含量的合计设定为KM，KNi/KM的值只要满足针对分散粒子中的添加元素M所设定的全部范围即可。例如，在添加Sm、Zr这两种元素而生成Sm、Zr与Ni的金属间化合物时，将分散粒子中的Sm的含量与Zr的含量的合计值设定为KM。而且，KNi/KM的值要求同时具备针对Sm的条件(1.50以上且2.50以下)和针对Zr的条件(1.80以上且2.80以下)这两者，即，要求为1.80以上且2.50以下。
此外，在本发明中，为了使分散粒子的组成及其分布状态良好，优选对整体组成中的Ni浓度(SNi：质量％)与添加元素M的浓度(SM：质量％)的比率进行调节。该浓度比(SNi/SM)的优选范围根据添加元素M的种类而不同。具体而言，对于含有Sm作为添加元素M的材料，优选设定为0.80以上且5.0以下。另外，对于含有La作为添加元素M的材料，优选为1.50以上且5.0以下，对于含有Zr作为添加元素M的材料，优选为1.40以上且6.7以下。
需要说明的是，在添加Sm、La、Zr中的两种或三种金属元素的情况下，添加元素M的浓度(SM)应用各添加元素的浓度的合计值。而且，浓度比(SNi/SM)优选具备针对各添加元素所设定的全部优选范围。例如，对于添加有Sm、Zr这两种元素的材料而言，将Sm浓度与Zr浓度的合计作为添加元素M的浓度(SM)，浓度比(SNi/SM)优选同时具备针对Sm的优选条件(0.80以上且5.0以下)和针对Zr的优选条件(1.40以上且6.7以下)，即，优选为1.4以上且5.0以下。
本发明的滑动接点材料以AgCu合金为基础，但也可以向其中添加其他添加元素。特别是通过添加0.1质量％以上且2.0质量％以下的Zn，有助于作为基质的Ag合金的强化，从而带来滑动接点材料整体的材料强化。另外，出于同样的宗旨而含有0.05质量％以上且0.3质量％以下的Mg的滑动接点材料也具有滑动性等优选的特性。
本发明的滑动接点材料以分散有上述的含有规定的金属间化合物的分散粒子作为必须构成，但并不否定除此以外的相(析出物)的存在。在此，作为可能产生的其他相，可以列举Cu与Ni的合金相(CuNi)、在添加Zn时可能生成的Cu、Ni和Zn的合金相(CuNiZn)等。这些析出相虽然对于材料强化没有大的帮助，但也不会成为妨碍因素，因此允许存在。
接着，对本发明的滑动接点材料的制造方法进行说明。本发明的滑动接点材料基本上可以利用熔铸法进行制造。即，可以通过生成含有6.0质量％以上且9.0质量％以下的Cu、0.1质量％以上且2.0质量％以下的Ni、0.1质量％以上且0.8质量％以下的添加元素M、余量由Ag和不可避免的杂质构成的Ag合金的熔融金属，然后使其冷却凝固来进行制造。
但是，在本发明中，需要形成具有强化作用的金属间化合物，并且使具有Ni含量与添加元素M的含量的比率(KNi/KM)的分散粒子分散。在上述任意一种有效的金属间化合物的情况下，均为高熔点且固相线温度高。因此，在本发明中，熔融金属的温度管理很重要，需要使冷却凝固前的熔融金属的温度为1300℃以上。该熔融金属温度只要在冷却前达到上述温度即可，不需要长时间保持，但优选在保持约5分钟～约10分钟后进行冷却。从能量成本、装置维护等现实的观点考虑，该加热温度的上限优选设定为1400℃以下。
而且，在本发明的滑动接点材料的制造方法中重要的另外一点是凝固时的冷却速度。本发明中所必需的金属间化合物具有比重比基质(Ag合金)低的倾向，因此在冷却速度低时，生成的金属间化合物漂浮起来，给均匀分散带来障碍。另外，冷却速度变得过度缓慢时，优选组成的金属间化合物可能产生组成变动而变化成不优选的组成的金属间化合物。因此，在本发明中，将凝固时的冷却速度设定为100℃/分钟以上。关于冷却速度的上限，优选设定为3000℃/分钟以下。
需要说明的是，在制造Ag合金熔融金属时，通常使用各金属成分(Ag、Cu等)的高纯度原料，将它们混合、熔化。此时，可以循环使用本发明的滑动接点材料。本发明的滑动接点材料中的金属间化合物通过加热至液相线以上而可逆地熔化，通过冷却以同样的组成得到再生。例如，可以利用前次制造时的边角材料、使用过的材料(未被污染的材料)。
发明效果
如以上所说明，本发明的滑动接点材料通过应用迄今为止尚未确认有用性的Ni与特定元素的金属间化合物而具有高耐磨损性。本发明作为推进小型化、高转速化的电动机的构成材料有用。特别是作为在微型电动机的换向器中使用的滑动接点材料有用。需要说明的是，本发明的滑动接点材料可以以裸材(無垢材)的形式使用，也可以以包层材料的形态使用。可以列举例如在Cu或Cu合金中的任意一种上复合本发明的滑动接点材料而成的包层材料。此时，将本发明的滑动接点材料作为滑动面接合至Cu或Cu合金的一部分或整面上。
附图说明
图1是用于对本发明中生成的金属间化合物进行说明的Sm-Ni系状态图。
图2是用于对本发明中生成的金属间化合物进行说明的La-Ni系状态图和Ni-Zr系状态图。
图3是对本实施方式中进行的滑动试验的试验方法进行说明的图。
图4是实施例11和实施例13的金属组织照片和实施例11的EDS分析结果。
图5是比较例1和比较例2的金属组织照片和比较例2的EDS分析结果。
具体实施方式
以下，对本发明的实施方式进行说明。在本实施方式中，制造在Ag-Cu合金等中添加有Ni和Sm等添加元素的滑动接点材料并评价耐磨损性。试验材料的制造如下：将高纯度原料以达到规定组成的方式混合，高频熔化制成熔融金属，测定熔融金属温度，加热至达到1300℃以上，然后骤冷，制造合金锭。此时的冷却速度为100℃/分钟。然后，进行轧制加工，在600℃下退火后，再次进行轧制加工，进行切割加工而制成试验片(长度45mm、宽度4mm、厚度1mm)。
在本实施方式中，作为实施例1～实施例29，通过上述制造工序制造了各种组成的滑动接点材料。另外，作为比较例，制造了仅添加Ni、Sm中的一者的合金(比较例1、2)、Ni浓度过高的合金(比较例3)。另外，还制造了添加Sm、La以外的稀土元素Eu作为添加金属的合金(比较例4)。
此外，在本实施方式中还研究了合金的制造条件所带来的影响。在此，制造了使熔融金属温度为比各实施例的温度(1300℃)低的温度(1100℃)并从该温度开始进行骤冷的合金(比较例5、比较例7、8)。此外，还制造了使熔融金属温度为1300℃以上、同时利用炉冷以小于100℃/分钟的速度进行缓冷而得到的合金(比较例6)。需要说明的是，比较例5和比较例6是组成与实施例13相同的合金。另外，比较例7是组成与实施例2相同的合金，比较例8是组成与实施例7相同的合金。
对于制作的各样品，首先，利用SEM进行组织观察，考察有无分散粒子的析出。然后，随机选出20个分散粒子，利用EDX进行分散粒子的定性分析，测定分散粒子中的Ni含量和M含量，算出它们的比率(KNi/KM)。然后，对于实施例1～29，确认了所测定的分散粒子的KNi/KM全部在适当范围内，并且算出了它们的平均值。另外，对于比较例，对于被观察的分散粒子，从有无含有Ni和添加元素M这两者的分散粒子开始进行研究，在未观察到含有Ni和添加元素M的分散粒子的情况下，判定分散粒子为“无”。另外，在观察到含有Ni和添加元素M的分散粒子的情况下，确认到它们全部在适当范围之外，并且算出了KNi/KM的平均值。作为结果，在比较例3、比较例5～8中，观察到含有Ni和添加元素M的分散粒子，但KNi/KM的值在适当范围内的分散粒子一个也未能发现。
然后，对各试验片进行用于评价耐磨损性的滑动试验。图3对滑动试验的方法进行概略说明，在该试验中，将各实施例的试验片作为固定接点，将假设为电刷的作为活动接点进行了加工的AgPd50的线材抵接于试验片上进行滑动。此时，以6V、50mA对活动接点进行持续通电的同时使载荷为40g，将从起点开始前后5mm(10mm)往返时(20mm)作为1次循环，循环滑动50000次(滑动长度合计1km)。然后，测定滑动部分的磨损深度。将该结果示于表1。该评价结果中也示出了作为现有技术的由Ag-Cu合金、Ag-Cu-Zn合金构成的滑动接点材料的测定值。
[表1]
由表1中同时添加了Ni和添加元素M(Sm、La、Zr)的合金(实施例1～实施例29)来看，可以确认，相对于现有例1、2，耐磨损性飞跃性地提高。关于Ni和添加元素M，必须添加两者，仅添加任意一者时没有效果。由实施例与比较例1、2的对比可以了解这一点。在比较例1、2中，无金属间化合物的生成，在作为基质的Ag合金中单独分散有无法固溶的Ni、Sm。
图4是实施例11和实施例13的金属组织照片。在任意一个试样中均可见通过Ni与Sm的金属间化合物形成而产生的球状的分散粒子。实施例11的合金是磨损量最少的耐磨损性优良的合金。图4中还示出了作为示例的实施例11的分散粒子的EDS分析结果，可知其含有适当量的Ni和Sm。与此相对，图5是比较例1和比较例2的金属组织照片。比较例1仅添加了Ni，观察到细长的针状的Ni相。比较例2仅添加了Sm，其中也未观察到如实施例11、13那样的分散粒子。对于比较例2，对观察到的析出相进行了EDS分析，该析出相当然不含有Ni。
关于分散粒子的构成，参考比较例3～比较例8可以理解，需要控制Ni含量与添加元素M的含量的比率(KNi/KM)。即，在各实施例中，未观察到KNi/KM的值在与各添加元素相应的规定范围之外的分散粒子。与此相对，对于各比较例，为未见分散粒子(金属间化合物)的合金，或者虽然分散粒子析出但完全未观察到KNi/KM的值在优选范围内的分散粒子。例如，如比较例3那样Ni过多时，生成Ni多的分散粒子。将该比较例3与比较例1、2、现有例1、2进行对比时，耐磨损性多少得到改善，但尚未达到可称为良好的程度。
而且，详细研究各实施例的结果时，可以说选择Sm、La、Zr作为添加元素是有效的。对此，由以下也可以理解：在比较例4中即使添加作为稀土元素的Eu，也不生成金属间化合物、未见耐磨损性的改善。另外，由实施例21～实施例24的结果可以说，为了发挥更优选的耐磨损性，关于合金的整体组成，优选对Ni浓度与添加元素M的浓度之比(SNi/SM)进行控制。这是因为，这些实施例的磨损量超过800μm2，认为它们与其他实施例相比耐磨损性略差。
需要说明的是，本发明中，以在Ag-Cu合金中添加Ni和Sm等而成的合金为基本(实施例1～6、实施例8～10、实施例26～27)。而且，通过在该作为基本的合金系中添加Zn，进一步得到强化(实施例7、实施例11～25、实施例28)。另外，也可以添加Mg(实施例29)。
另外，由比较例5～8的结果可知，为了得到优选的合金，设定制造条件是很重要的。即，比较例5、6是组成与实施例13同样、但作为铸造时的条件的熔融金属温度低或减慢冷却速度而制造的合金。另外，比较例7、8也是分别与实施例2、7具有共同的组成、同时将熔融金属温度设定得较低而铸造的合金。在这些比较例中，不生成有效的金属间化合物，分散粒子的组成也在范围之外，耐磨损性也差。因此确认，本发明的材料不优选仅以组成(整体组成)进行评价，而必须考虑以制造条件为背景的材料组织。
产业上的可利用性
如以上所说明，本发明的滑动接点材料相对于以往的Ag系滑动接点材料具有高耐磨损性。本发明特别是作为推进小型化、高转速化的微型电动机的换向器的滑动接点材料有用。而且，使用本发明的滑动接点材料制作的微型电动机等电动机是高性能、高耐久性的电动机。

Claims (8)

1.一种滑动接点材料，其为含有6.0质量％以上且9.0质量％以下的Cu、0.1质量％以上且2.0质量％以下的Ni、0.1质量％以上且0.8质量％以下的添加元素M、余量由Ag和不可避免的杂质构成的滑动接点材料，
所述添加元素M为选自由Sm、La、Zr组成的组中的至少一种元素，
作为其材料组织，具有在Ag合金基质中分散有包含金属间化合物的分散粒子的材料组织，其中，所述金属间化合物至少含有Ni和添加元素M这两者，
所述分散粒子中的Ni含量(质量％)与添加元素M的含量(质量％)的比率(KNi/KM)在下述范围内：
添加元素M为Sm、La时：1.50以上且2.50以下；
添加元素M为Zr时：1.80以上且2.80以下。
2.如权利要求1所述的滑动接点材料，其中，含有Sm作为添加元素M，Ni浓度(SNi：质量％)与添加元素M的浓度(SM：质量％)之比(SNi/SM)为0.80以上且5.0以下。
3.如权利要求1或权利要求2所述的滑动接点材料，其中，含有La作为添加元素M，Ni浓度(SNi：质量％)与添加元素M的浓度(SM：质量％)之比(SNi/SM)为1.50以上且5.0以下。
4.如权利要求1～权利要求3中任一项所述的滑动接点材料，其中，含有Zr作为添加元素M，Ni浓度(SNi：质量％)与添加元素M的浓度(SM：质量％)之比(SNi/SM)为1.40以上且6.7以下。
5.如权利要求1～权利要求4中任一项所述的滑动接点材料，其中，含有0.1质量％以上且2.0质量％以下的Zn。
6.如权利要求1～权利要求5中任一项所述的滑动接点材料，其中，含有0.05质量％以上且0.3质量％以下的Mg。
7.一种滑动接点材料的制造方法，其为权利要求1～权利要求6中任一项所述的滑动接点材料的制造方法，
该制造方法包括生成Ag合金的熔融金属、然后使其冷却凝固的工序，
所述Ag合金的熔融金属含有6.0质量％以上且9.0质量％以下的Cu、0.1质量％以上且2.0质量％以下的Ni、0.1质量％以上且0.8质量％以下的添加元素M、余量由Ag和不可避免的杂质构成，
所述冷却前的所述Ag合金的熔融金属的温度为1300℃以上，
使冷却时的冷却速度为100℃/分钟以上。
8.一种包层材料，其是在权利要求1～权利要求6中任一项所述的滑动接点材料上复合Cu或Cu合金中的任意一种而成的。
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