CN114175420B - 滑动触点用金属材料及其制造方法、以及马达用刷材及振动马达 - Google Patents
滑动触点用金属材料及其制造方法、以及马达用刷材及振动马达 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供具有充分的导电性以向马达线圈通电且耐磨损性优异的滑动触点用金属材料、以及使用其的马达用刷材及振动马达，本发明的滑动触点用金属材料是具有由铜或铜合金形成的基材和作为最表层形成于基材的至少一部分且含有95质量％以上的Pd的含Pd层的金属材料，其特征在于，含Pd层的利用X射线衍射法测定的(111)面的晶体取向率大于60％且(200)面的晶体取向率与(220)面的晶体取向率的合计小于40％。
Description
技术领域
本发明涉及滑动触点用金属材料及其制造方法、以及马达用刷材及振动马达。
背景技术
微型马达被广泛使用于音响设备、家电、便携式电话、相机、机动车等多种用途。马达的寿命由用于向马达线圈通电的构件即换向器和电刷的耐久性来决定。作为这样的构件，需要在耐磨损性、耐电弧性、电连接性、导电性、强度等性能方面优异的材料，通常使用包覆有Ag-Pd合金的Cu合金条。
另一方面，针对镀敷材料，为了充分满足使用该镀敷材料的用途所要求的性能而进行了各种改良。例如，在专利文献1中公开了如下内容：针对金属基体上的镀Pd，利用X射线衍射法测定出的(111)面的晶体取向率为45～60％且(200)面的晶体取向率与(220)面的晶体取向率的合计为40～55％的镀敷结构体表现出极高的导电性。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第4351736号公报
发明内容
发明要解决的课题
如上所述，至今为止使用的刷材是在基材(例如Cu基材)上用Ag-Pd合金包覆而得到的包层材，由于反复进行退火和轧制来制造，因此制造成本高，此外，由于因加工产生的加工变质层(金属组织变化了的层)形成在Ag合金上，因此存在耐电弧性差且磨损早而使马达寿命短这样的课题。
本发明鉴于上述的实际情况而作成，其目的在于提供具有充分的导电性以向马达线圈通电且耐磨损性优异的滑动触点用金属材料及其制造方法、以及使用了该滑动触点用金属材料的马达用刷材及振动马达。
用于解决课题的手段
本申请的发明人为了达成上述的目的，反复进行了深入研究。其结果是，发现通过使滑动触点用金属材料具有由铜或铜合金形成的基材和作为最表层形成于基材的至少一部分且含有95质量％以上的Pd的含Pd层，并且，含Pd层的利用X射线衍射法测定的(111)面的晶体取向率大于60％且(200)面的晶体取向率与(220)面的晶体取向率的合计小于40％，由此，该滑动触点用金属材料具有充分的导电性以向马达线圈通电且耐磨损性优异，从而完成了本发明。
即，本发明的主旨结构如下所述。
(1)一种滑动触点用金属材料，其是具有由铜或铜合金形成的基材和作为最表层形成于所述基材的至少一部分且含有95质量％以上的Pd的含Pd层的金属材料，所述滑动触点用金属材料的特征在于，所述含Pd层的利用X射线衍射法测定的(111)面的晶体取向率大于60％且(200)面的晶体取向率与(220)面的晶体取向率的合计小于40％。
(2)根据上述(1)所述的滑动触点用金属材料，其特征在于，在所述基材与所述含Pd层之间具有由Ni或Ni合金形成的基底层。
(3)根据上述(1)或(2)所述的滑动触点用金属材料，其特征在于，所述含Pd层是通过电镀形成的。
(4)一种马达用刷材，其使用了上述(1)、(2)或(3)所述的滑动触点用金属材料。
(5)一种振动马达，其包括导电性的基板和电刷，其特征在于，所述电刷是使用滑动触点用金属材料形成的，所述滑动触点用金属材料具有由铜或铜合金形成的基材和作为最表层形成于所述基材的至少一部分且含有95质量％以上的Pd的含Pd层，所述含Pd层的利用X射线衍射法测定的(111)面的晶体取向率大于60％且(200)面的晶体取向率与(220)面的晶体取向率的合计小于40％。
(6)根据上述(5)所述的振动马达，其中，所述导电性的基板具有：树脂制的板；形成在所述树脂制的板上的由铜或铜合金形成的铜层；以及作为表面层形成于所述铜层上的Au层、Au-Cu层、Au-Ni层或Au-Co层。
(7)一种滑动触点用金属材料的制造方法，其是制造上述(1)、(2)或(3)所述的滑动触点用金属材料的方法，其特征在于，针对由铜或铜合金形成的基材的至少一部分，以二氯四氨合钯为Pd源在Pd浓度为3～20g/L且浴温为46～60℃的镀浴中以电流密度为20～100A/dm2的条件实施镀Pd处理，从而形成含Pd层作为最表层。
发明效果
根据本发明，能够提供具有用于向马达线圈通电的充分的导电性且优异的耐磨损性的滑动触点用金属材料、以及使用其的马达用刷材及振动马达。
附图说明
图1是示意性地示出一实施方式的滑动触点用金属材料的纵截面的图。
具体实施方式
以下，对本发明的优选的实施方式详细进行说明，但本发明不限定于以下的实施方式。
1.滑动触点用金属材料
本发明的滑动触点用金属材料是具有由铜或铜合金形成的基材和作为最表层形成于基材的至少一部分且含有95质量％以上的Pd的含Pd层的金属材料，其特征在于，含Pd层的利用X射线衍射法测定的(111)面的晶体取向率大于60％且(200)面的晶体取向率与(220)面的晶体取向率的合计小于40％。
需要说明的是，“利用X射线衍射法测定的(111)面的晶体取向率”是将在X射线衍射法中使用了Cu-Kα射线时的(111)面的衍射峰的强度相对于来自各晶面的衍射峰的强度的合计的比率用百分率表示的值。另外，“利用X射线衍射法测定的(200)面的晶体取向率与(220)面的晶体取向率的合计”是将在X射线衍射法中使用了Cu-Kα射线时的(200)面的衍射峰的强度相对于来自各晶面的衍射峰的强度的合计的比率用百分率表示的值、与将在X射线衍射法中使用了Cu-Kα射线时的(220)面的衍射峰的强度相对于来自各晶面的衍射峰的强度的总和的比率用百分率表示的值相加所得的值。
图1是示意性地示出一实施方式的滑动触点用金属材料的纵截面的图。图1所示的滑动触点用金属材料10是具有由铜或铜合金形成的基材1和作为最表层形成于基材1的至少一部分且含有95质量％以上的Pd的含Pd层2的金属材料，其中，含Pd层2的利用X射线衍射法测定的(111)面的晶体取向率大于60％且(200)面的晶体取向率与(220)面的晶体取向率的合计小于40％。另外，图示的滑动触点用金属材料10表示在基材1与含Pd层2之间具有由Ni或Ni合金形成的基底层3的结构的情况。
以下，对本发明的滑动触点用金属材料的各部分详细进行说明。
(基材)
基材1由铜或铜合金形成。
作为铜合金，没有特别限定，但可以举出例如Cu-Zn系合金、Cu-Zn-Ni系合金、Cu-Ni-Si系合金、Cu-Sn系合金、Cu-Ni-Sn系合金、Cu-Cr-Mg系合金、Cu-Ni-Si-Zn-Sn-Mg系合金等。
作为基材1的厚度，没有特别限定，优选为0.02～0.15mm。
作为基材1的形状，没有特别限定，可以根据用途来适当选择，例如可以为条材、板材、棒材、线材等。
(含Pd层)
含Pd层2作为最表层形成于基材1的至少一部分，相对于含Pd层100质量％而言含有95质量％以上的Pd。这样，通过使含Pd层2中的Pd含量为95重量％以上，由此能够确保优异的导电性、耐腐蚀性。
作为含Pd层2中的Pd含量，如上所述只要为95质量％以上即可，没有特别限定，优选为98质量％以上。
作为含Pd层2，只要含有95质量％以上的Pd，则也可以是Pd合金。作为Pd合金，没有特别限定，可以举出Pd-Ni系合金、Pd-Ag系合金等。另外，含Pd层2可以以在Pd金属(母相)中存在Pd合金相的状态形成。
在含Pd层2中，利用X射线衍射法测定的(111)面的晶体取向率大于60％。Pd结晶的(111)面与其他的晶面、例如(200)面或(220)面相比存在硬度相对较高的趋势，因此若其晶体取向率大于60％，则表面层整体的硬度变高，难以产生因电弧放电引起的磨损，耐电弧性得以提高，因此使用其构成的刷材的寿命变长。
作为含Pd层2中的(111)面的晶体取向率，只要大于60％即可，更优选为65％以上。
作为含Pd层2中的利用X射线衍射法测定的(200)面的晶体取向率与(220)面的晶体取向率的合计，只要小于40％即可，没有特别限定，优选小于35％。Pd结晶的(200)面及(220)面与(111)面相比硬度低，因此，若(200)面及(220)面的晶体取向率高，则含Pd层2的表面容易因电弧放电而产生磨损，耐电弧性差，因此刷材的寿命可能会变短。
作为含Pd层2的厚度，没有特别限定，优选为0.1～5μm，更优选为0.1～2μm，进而优选为0.2～0.5μm。通过将含Pd层2的厚度设为5μm以下，由此能够平衡性良好地兼顾优异的加工性和低成本。
优选含Pd层是通过电镀形成的。由此，通过利用电镀形成，从而能够提高Pd结晶的(111)面的取向率。
(基底层)
虽然基底层不是必须的构成要素，但是在滑动触点用金属材料10中，在上述的基材1与含Pd层2之间也可以具有由Ni或Ni合金形成的基底层3。
若基材1与含Pd层2直接接触，则在高温下、硫化氢气氛下等中，基材1中含有的Cu原子会在含Pd层2中扩散，出现在含Pd层2的表面而形成氧化铜，接触电阻有时会上升。因而，假设在上述那样的环境下的使用的情况下，优选设置基底层3来防止Cu的扩散，抑制接触电阻的上升。
作为Ni合金，没有特别限定，例如可以举出Ni-P系、Ni-Fe系、Ni-B系等。
作为基底层3的厚度，没有特别限定，例如优选为0.1～3.0μm，更优选为0.2～1.0μm。
需要说明的是，在基底层3上，即便取代由镍系材料构成的含Ni层而使用由钴或钴合金层形成的含钴(Co)层，也能够获得与含Ni层同样的效果。
2.马达用刷材及振动马达
如上那样构成的滑动触点用金属材料10能够作为例如振动马达所使用的马达用刷材来使用。
具体而言，振动马达包括导电性的基板和电刷。并且，在这样的振动马达中，作为电刷，可以使用与上述的滑动触点用金属材料同样构成的金属材料。更具体而言，该电刷使用具有由铜或铜合金形成的基材和作为最表层形成于基材的至少一部分且含有95质量％以上的Pd的含Pd层的滑动触点用金属材料来形成，在该金属材料中，含Pd层的利用X射线衍射法测定的(111)面的晶体取向率大于60％且(200)面的晶体取向率与(220)面的晶体取向率的合计小于40％。
在这样的振动马达中，作为与刷材相接(滑动)的导电性的基板，没有特别限定，优选使用例如在树脂制的板上使用粘贴等方法形成由铜或铜合金形成的铜层、进而在该铜层上使用镀敷等形成Au、Ni、Rh及它们的合金这样的导电性优异的层作为表面层而得到的复合材料。另外，其中，尤其是通过将表面层设为Au层、Au-Cu层、Au-Ni层或Au-Co层的镀层，由此在该表面层与构成电刷的基材的至少一部分的最表层上所形成的含Pd层之间耐磨损性更为优异。
3.滑动触点用金属材料的制造方法
本发明的滑动触点用金属材料的制造方法是制造上述的滑动触点用金属材料的方法。具体而言，该滑动触点用金属材料的制造方法针对由铜或铜合金形成的基材的至少一部分，以二氯四氨合钯为Pd源在Pd浓度(按金属Pd换算)为3～20g/L且浴温为46～60℃的镀浴中以电流密度为20～100A/dm2的条件实施镀Pd处理，从而形成含Pd层作为最表层。
更具体地对滑动触点用材料的制造方法进行说明。首先，在由铜或铜合金形成的基材上任意地层叠形成由Ni或Ni合金形成的基底层。在形成基底层的情况下在基底层上(在没有形成基底层的情况下在基材上)以二氯四氨合钯为Pd源在Pd浓度为3～20g/L且浴温为46～60℃的镀浴中以电流密度为20～100A/dm2的条件实施镀Pd处理，从而形成含Pd层作为最表层。
通过将电流密度设为20～100A/dm2，由此(111)面成为优先生长的析出状态。其结果是，作为最表层，能够获得利于X射线衍射法测定的(111)面的晶体取向率大于60％且(200)面的晶体取向率与(220)面的晶体取向率的合计小于40％的含Pd层。
需要说明的是，作为用于形成含Pd层的镀敷法，使用电镀法。另一方面，作为用于形成基底层的镀敷法，没有特别限定，例如可以使用电镀、非电解镀这样的湿式镀敷、蒸镀或溅射这样的干式镀敷等。其中，优选使用湿式镀敷，更优选使用电镀。此时，形成含Pd层时的浴温和电流密度以外的镀Pd条件(镀敷液中的金属浓度、处理时间、形成基底层时的浴温及电流密度等)根据镀敷方法、镀层的化学种类、镀层的厚度等来适当调整即可。
实施例
接着，为了进一步明确本发明的效果，对实施例及比较例进行说明，但本发明不限定于这些实施例。
通过以下所示的制造方法制作出实施例1～7及比较例1～7的试样。
[实施例1]
对弹簧用锌白铜(C7701)实施电解脱脂、酸清洗后，对与导电性的基板旋转接触的至少表面实施镀Pd-Ni。镀Pd-Ni的条件设为：以二氯四氨合钯为Pd源，Pd浓度为3g/L，浴温为46℃，电流密度为20A/dm2。获得的金属材料的含Pd层的(111)面的晶体取向率为70％，(200)面与(220)面的取向率的合计为23％。
[实施例2]
在对弹簧用锌白铜(C7701)进行电解脱脂、酸清洗之后，对与导电性的基板旋转接触的至少表面实施镀Pd。镀Pd的条件设为：以二氯四氨合钯为Pd源，Pd浓度为6g/L，浴温为46℃，电流密度为30A/dm2。获得的金属材料的含Pd层的(111)面的取向率为65％，(200)面与(220)面的取向率的合计为34％。
[实施例3]
对弹簧用锌白铜(C7701)实施电解脱脂、酸清洗之后，对与导电性的基板旋转接触的至少表面实施镀Pd。镀Pd的条件设为：以二氯四氨合钯为Pd源，Pd浓度为20g/L，浴温为60℃，电流密度为100A/dm2。获得的金属材料的含Pd层的(111)面的取向率为61％，(200)面与(220)面的取向率的合计为39％。
[实施例4]
对弹簧用锌白铜(C7701)实施电解脱脂、酸清洗之后，对与导电性的基板旋转接触的至少表面实施镀Pd。镀Pd的条件设为：以二氯四氨合钯为Pd源，Pd浓度为6g/L，浴温为55℃，电流密度为30A/dm2。获得的金属材料的含Pd层的(111)面的取向率为80％，(200)面与(220)面的取向率的合计为15％。
[实施例5]
对弹簧用锌白铜(C7701)实施电解脱脂、酸清洗之后，实施Ni的基底的镀敷。接着，对其与导电性的基板旋转接触的至少表面实施镀Pd。镀Pd的条件设为：以二氯四氨合钯为Pd源，Pd浓度为10g/L，浴温为55℃，电流密度为60A/dm2。获得的金属材料的含Pd层的(111)面的取向率为63％，(200)面与(220)面的取向率的合计为35％。
[实施例6、7]
对弹簧用锌白铜(C7701)实施电解脱脂、酸清洗之后，实施Ni的基底的镀敷。接着，对其与导电性的基板旋转接触的至少表面实施镀Pd。镀Pd的条件设为：以二氯四氨合钯为Pd源，Pd浓度为10g/L，浴温为55℃，电流密度为30A/dm2。获得的金属材料是含Pd层的(111)面的取向率为71％且(200)面与(220)面的取向率的合计为25％的金属材料。
[比较例1]
对弹簧用锌白铜(C7701)进行电解脱脂、酸清洗之后，实施镀Ni作为最表层，从而获得金属材料。
[比较例2]
在弹簧用铜基合金(C72950)上包覆厚度10μm的Ag-Pd合金膜来获得金属材料。
[比较例3]
对弹簧用锌白铜(C7701)实施电解脱脂、酸清洗之后，实施Ni的基底的镀敷。接着，对其与导电性的基板旋转接触的至少表面实施镀Pd。镀Pd的条件设为：以二硝基四氨合钯为Pd源，Pd浓度为6g/L，浴温为40℃，电流密度为30A/dm2。获得的金属材料的含Pd层的(111)面的取向率为60％，(200)面与(220)面的取向率的合计为40％。
[比较例4]
对弹簧用锌白铜(C7701)实施电解脱脂、酸清洗之后，实施Ni的基底的镀敷。接着，对其与导电性的基板旋转接触的至少表面实施镀Pd。镀Pd的条件设为：以二氯四氨合钯为Pd源，Pd浓度为15g/L，浴温为46℃，电流密度为110A/dm2。获得的金属材料的含Pd层的(111)面的取向率为42％，(200)面与(220)面的取向率的合计为54％。
[比较例5]
对弹簧用锌白铜(C7701)实施电解脱脂、酸清洗之后，实施Ni的基底的镀敷。接着，对其与导电性的基板旋转接触的至少表面实施镀Pd。镀Pd的条件设为：以二氯四氨合钯为Pd源，Pd浓度为3g/L，浴温为70℃，电流密度为20A/dm2。获得的金属材料的含Pd层的(111)面的取向率为51％，(200)面与(220)面的取向率的合计为49％。
[比较例6]
对弹簧用锌白铜(C7701)实施电解脱脂、酸清洗之后，实施Ni的基底的镀敷。接着，对其与导电性的基板旋转接触的至少表面实施镀Pd。镀Pd的条件设为：以二氯四氨合钯为Pd源，Pd浓度为3g/L，浴温为55℃，电流密度为10A/dm2。获得的金属材料的含Pd层的(111)面的取向率为49％，(200)面与(220)面的取向率的合计为47％。
[比较例7]
对弹簧用锌白铜(C7701)实施电解脱脂、酸清洗之后，对与导电性的基板旋转接触的至少表面实施镀Pd。镀Pd的条件设为：以二氯四氨合钯为Pd源，Pd浓度为10g/L，浴温为70℃，电流密度为40A/dm2。获得的金属材料的含Pd层的(111)面的取向率为55％，(200)面与(220)面的取向率的合计为40％。
针对如上那样制作出的试样评价了其结构及特性，并将它们的结构及特性与其制造条件一并显示于表1。
(含Pd层的厚度的测定)
按照JIS H8501：1999的荧光X射线式试验方法，从制作出的各试样的表面进行荧光X射线分析并测定。另外，为了确认各层的厚度，还利用图像分析法对截面进行了测定。图像分析法按照JIS H8501：1999的扫描型电子显微镜试验方法来进行。
(峰的X射线强度面积的比率的测定方法)
使用X射线衍射法对各试样的表层的表面进行分析，算出各峰的强度，之后算出相对于其合计量而言的(111)面的比率以及(200)面的比率与(220)面的比率的合计。X射线衍射测定在以下的条件下进行。
试样的大小：15mm×15mm
测定装置：理学株式会社Geigerflex RAD-A
N数：n＝10
(耐磨损性的评价)
将各试样压制加工成换向器片及刷材形状并装入小型马达中来进行了评价。马达的导电性的基板使用在树脂制的板上粘贴由铜合金形成的铜层并在铜层上形成Au层、Au-Cu层、Au-Ni层或Au-Co层来作为表面的镀层(表面层)的基板。在施加电压为2.5V、负载电流为0.1A、负载时转速为2000转/分钟的条件下进行马达试验，测定直至马达停止为止的时间(马达停止时间)，按以下的基准进行了评价。
◎：7200小时以上
○：5000小时以上且小于7200小时
×：小于5000小时
(接触电阻值的测定)
利用四端子法测定并求出导电材料(各试样)与Ag表面包覆鼓出加工材料(在表层具有膜厚为3μm的Ag层的无氧铜C1020，鼓出加工部的曲率半径为5mm)之间的接触电阻。作为DC电流源，使用株式会社TFF Keithley Instruments公司制的6220型DC电流源，电阻的测定使用电流测定器(该公司制的2182A型纳伏表)。测定任意五处的接触电阻值，分别算出平均值(n＝5)，按以下的基准进行了评价。
◎：小于5mΩ
○：5mΩ以上且小于10mΩ
×：10mΩ以上
(耐硫化试验)
按照JIS H 8502：1999，将各试样在40℃、由3ppm的硫化氢(H2S)及作为其余部分的空气构成的气氛下放置48小时，进行与硫化氢接触的耐硫化试验。之后，按照上述接触电阻值的测定的方法来求出耐硫化试验后的接触电阻值。评价基准也同样。
(耐热试验)
对各试样在大气气氛下进行了以350℃加热5分钟的耐热试验。之后，按照上述接触电阻值的测定的方法来求出耐热试验后的接触电阻值。评价基准也同样。
表1
根据上述表1可知，实施例1～7的试样的耐磨损性均优异。此外，实施例1～7的试样的接触电阻低，即便在进行了耐硫化试验、耐热试验之后接触电阻也维持低的值。
相对于此，不具备含Pd层的比较例1的试样及(111)面的晶体取向率比本发明的适当范围低的比较例2～7的试样的耐磨损性均差。
此外，在最表层为Ni的比较例1的试样中，由于Ni容易被硫化，因此耐硫化试验后的接触电阻变高。另外，Pd的含量比本发明的适当范围少的比较例2的试样由于Pd纯度低，因此进行耐硫化试验、耐热试验之后的接触电阻高。需要说明的是，认为比较例2的试样因包层加工而在含Pd层上形成有加工变质层或者Pd的含量少，导致(111)面的晶体取向率低。进而，Pd的含量比本发明的适当范围少的比较例4的试样由于Pd纯度低，因此耐硫化试验后的接触电阻低。另外，含Pd层的厚度薄的比较例5的试样的耐热试验后的接触电阻高。此外，不具有基底层的比较例7的试样的耐热试验后的接触电阻高。
符号说明
1 基材
2 含Pd层
3 基底层
10 滑动触点用金属材料
Claims (7)
1.一种滑动触点用金属材料，其是具有由铜或铜合金形成的基材和作为最表层形成于所述基材的至少一部分且含有95质量％以上的Pd的含Pd层的金属材料，
所述滑动触点用金属材料的特征在于，
所述含Pd层的利用X射线衍射法测定的(111)面的晶体取向率为65％以上且(200)面的晶体取向率与(220)面的晶体取向率的合计小于35％。
2.根据权利要求1所述的滑动触点用金属材料，其特征在于，
在所述基材与所述含Pd层之间具有由Ni或Ni合金形成的基底层。
3.根据权利要求1或2所述的滑动触点用金属材料，其特征在于，
所述含Pd层是通过电镀形成的。
4.一种马达用刷材，其使用了权利要求1、2或3所述的滑动触点用金属材料。
5.一种振动马达，其包括导电性的基板和电刷，其特征在于，
所述电刷是使用滑动触点用金属材料形成的，所述滑动触点用金属材料具有由铜或铜合金形成的基材和作为最表层形成于所述基材的至少一部分且含有95质量％以上的Pd的含Pd层，
所述含Pd层的利用X射线衍射法测定的(111)面的晶体取向率为65％以上且(200)面的晶体取向率与(220)面的晶体取向率的合计小于35％。
6.根据权利要求5所述的振动马达，其中，所述导电性的基板具有：
树脂制的板；
形成在所述树脂制的板上的由铜或铜合金形成的铜层；以及
作为表面层形成于所述铜层上的Au层、Au-Cu层、Au-Ni层或Au-Co层。
7.一种滑动触点用金属材料的制造方法，其是制造权利要求1、2或3所述的滑动触点用金属材料的方法，其特征在于，
针对由铜或铜合金形成的基材的至少一部分，以二氯四氨合钯为Pd源在Pd浓度为3～20g/L、浴温为46～60℃的镀浴中以电流密度为20～100A/dm2的条件实施镀Pd处理，从而形成含Pd层作为最表层。
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