CN1388833A - Ni金属粒子分散型Ag－Ni系合金滑动接点材料及金属包层复合材料以及用其做成的直流小型电机 - Google Patents

Ni金属粒子分散型Ag－Ni系合金滑动接点材料及金属包层复合材料以及用其做成的直流小型电机 Download PDF

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Abstract

本发明的目的是提供滑动接点材料,所述材料具有不含Cd这样的有害物质的合金组成,其接触电阻特性优异,电性能良好且不随时间变化,与以往的滑动接点材料相比,具有在实用上毫不逊色的耐磨性。用这种耐久性优异的滑动接点材料制作直流小型电机的整流元件,可实现电机的长寿命化。本发明的Ni金属粒子分散型Ag－Ni系合金滑动接点材料用于通过机械滑动动作进行电气开闭的滑动部。混合搅拌0.7～3.0重量%的Ni粉、作为添加剂的换算成金属为0.01～0.50重量%的Li的Li2CO3和余量的Ag粉,形成均匀分散的混合物,再对该混合物进行成形处理和烧结处理而制得上述滑动接点材料。

Description

Ni金属粒子分散型Ag-Ni系合金滑动接点材料 及金属包层复合材料以及用其做成的直流小型电机
技术领域
本发明涉及通过机械滑动动作进行电气开闭的滑动部所用滑动接点材料，特别涉及CD播放器执行CD进出的装载机构或者移动读取CD信号用的快进机构中使用的直流小型电机整流元件，以及通过充电式电池驱动的家电产品中使用的直流小型电机用整流元件(包括接地环、旋转开关等)所用的滑动接点材料。
背景技术
近年，在上述技术领域有关新的滑动接点材料开发的研究一直踊跃进行。关于这种滑动接点材料，可以说是将接点使用时的磨耗达到理想状态而且实现低接触电阻最重要的开发课题。本来，降低滑动接点材料的接触电阻，通过提高所用接点材料的导电性，确保接触材料之间接触良好或者使之密接就可实现。但是，这种材料在滑动的时候，接触材料之间接触或密接程度越高，其摩擦阻力越大，要克服摩擦进行滑动，就会出现明显的磨损现象。也就是说，滑动接点材料如果不控制上述原本就互相矛盾的现象，是不可能获得特性更理想的产品的。另外，这种滑动接点的磨损现象在学术上尚有许多未解之迷，所以，一般认为，想通过改进滑动接点材料来控制磨损现象是非常困难的。
这种滑动接点材料的磨损大致上有熔敷磨损和划刮磨损两种。通常，滑动接点材料的表面即使加工得很平滑，在微观上也并非完全平面，而是大量存在微小的凹凸。与此金属表面接触，外观看起来好象是大面积接触，其实是表面存在的那些微细凹凸中的突起部分在互相接触。所谓真接触面积小于表观接触面积。因此，在此真接触部位，即接触的突起部承受很大的压力，使接触金属之间发生熔敷现象，由此便产生软质金属开裂变成硬质金属这样一种熔敷磨损现象。另外，在不同硬度材料互相接触的情况下，或虽然是软质金属接触，但其中一方含有硬颗粒时，软质金属会受到硬质金属的机械性剪切而产生划刮磨损现象。
这些磨损现象主要取决于接触金属材料的硬度和金属间的结合性等，所以滑动接点材料的磨损，基本上与接触压力成正比，随材料硬度的增加而减少。但是，接触时的温度和湿度变化、腐蚀性成分、有机蒸汽、尘埃等的存在，也会使磨损现象变得明显。这种磨损现象的变化是源于接点部接触状态的变化，所以引起接触电阻增加，对稳定维持低接触电阻产生很大的影响。
举例具体来说，在直流小型电机中装入使用了滑动接点材料的金属包层复合材料制成整流元件时，上述磨损现象是在高速旋转驱动马达的情况下在整流元件和刷子之间发生的。也就是说，构成整流元件的滑动接点材料受到长时间的接触摩擦，加上由滑动产生的摩擦热，上述熔敷磨损和划刮磨损同时产生。由于这种磨损现象的产生，造成滑动接点材料表面磨削，产生磨损粉，接触电阻增加，或者使磨损粉落于整流元件缝隙内造成导通短路，或者成为噪音源。
如果这种磨损现象继续进行，则在使用了滑动接点材料的金属包层复合材料中，设于金属包层复合材料表层的金属即滑动接点材料会由于磨损而破坏，而且磨损一直发展到其下面的基材。出现这种磨损状态时，易氧化的基材金属裸露出来，形成的基材金属氧化物，往往带来种种电气故障。因此可以说，在使用所谓双层或三层金属包层复合材料做整流元件的情况下，构成各层的合金材料的改良是亟待解决的重要课题。
近年来，CD播放器中取出、放入CD的装载机构或者移动读出CD信号的快进机构中所用直流小型电机整流元件的滑动接点材料，以及通过充电式电池驱动的家电产品所用直流小型电机整流元件的滑动接点材料，有的是表面层使用1～2重量％的Cd、余量为Ag的Ag-Cd合金，基底层使用Cu或Cu合金的双层金属包层复合材料(例如：Ag99-Cd1/Cu)；有的是表面层使用1～2重量％的Cd、0.01～0.70重量％的Ni、余量为Ag的Ag-Cd-Ni合金，基底层使用Cu或Cu合金的双层金属包层复合材料(例如：Ag97.7-Cd2-Ni0.3/Cu)等。上述()内记载的「合金组成/Cu」表示双层结构的金属包层复合材料，「/」表示表面层和基底层的界面。另外，在合金组成元素后面记载的数字表示重量％值。
这种Ag-Cd合金或Ag-Cd-Ni合金都是电性能、硬度、低接触电阻特性优异的材料。例如，日本专利公报平2-60745号揭示了由1～5重量％的Sn和Cd中的至少一种元素和余量为Ag的Ag合金构成的直流小型电机整流元件用滑动接点材料。但是，如果考虑到当今的环境问题等情况，包含有害元素Cd的滑动接点材料的制造及其使用都是不理想的。
其他合金系列还使用Ag-Cu合金及Ag-Cu-Cd合金等。但是，这些滑动接点材料虽然在使用初期的接触电阻都较低，但其接触电阻会随时间变化。因此，存在使用了充电式电池的脉冲形成电路等产品价值低劣的问题。也就是说，将这些合金系的滑动接点材料用于马达时，因为随着时间的变化接触电阻会升高，所以马达的启动电压增高，电池电动势下降，最后导致马达无法启动。其结果是，表现出电池充电次数增加，电池本身的寿命缩短的不良倾向。
此外，日本专利公开公报昭58-104140号揭示了在Ag中添加1～10重量％的Zn和0.5～1.0重量％的选自Te、Co、Ni、Cu、Ge、Ti、Pb的至少一种元素而构成的Ag-Zn系合金滑动接点材料。
这种滑动接点材料利用Te、Co、Ni、Cu、Ge、Ti、Pb比Zn更容易氧化的性质，通过包含这些金属，抑制Zn的氧化，保持滑动接点材料的耐硫化性，润滑性，提高耐磨性，以及实现低接触电阻的稳定化。但是，这种滑动接点材料与上述Ag-Cu合金等同样，虽然初期的接触电阻较低，但接触电阻会随时间发生变化，所以使用时间变长，接触电阻升高。
在日本专利公开公报平8-260078号揭示了Ag-Zn合金和Ag-Zn-Ni合金的滑动接点材料。这些材料虽然接触电阻低，但还不能说是可控制磨损现象、提高马达寿命的滑动接点材料。
如上所述，现有滑动接点材料，对于目前小型化的CD播放器的装载机构技术规格、快进技术规格还不能充分满足。随着CD播放器的小型化，其内部所用马达也要小型化，但CD播放器装载机构的技术规格本身与马达的大小无关，与所需转矩相同。因此，即使马达小型化，做成1万转/分以上的高速旋转，通过齿轮也可制得具备所需转矩的小型马达。但是，在1万转/分以上的高速旋转区域，现有滑动接点材料的特性是满足不了要求的，所以，人们还在极力寻求耐久性更好的滑动接点材料。
发明的揭示
本发明的目的在于提供一种滑动接点材料，它具有不含Cd这样的有害物质的合金组成，其接触电阻特性优异，电性能良好且不随时间变化，与以往的滑动接点材料相比，具有在实用上毫不逊色的耐磨性。此外，将这种耐久性优异的滑动接点材料用于制造直流小型电机的整流元件，可实现电机的长寿命化。
本发明者们进行研究后发现，使用Ni金属粒子分散型Ag-Ni系合金滑动接点材料可解决上述课题。混合搅拌0.7～3.0重量％的Ni粉、作为添加剂的换算成金属为0.01～0.50重量％的Li的Li2CO3和余量的Ag粉，形成均匀分散的混合物，再对该混合物进行成形处理和烧结处理就可获得上述Ni金属粒子分散型Ag-Ni系合金滑动接点材料。
本发明的Ni金属粒子分散型Ag-Ni系合金滑动接点材料是一种在Ag基体中分散Ni金属粒子的Ag-Ni系合金，而且还适当地分散了Li2CO3。在此材料中分散的Li2CO3在滑动过程中在材料表面形成LiOH·H2O薄膜，起到滑动部位润滑剂的作用，减少摩擦阻力，提高耐磨性。
以往的滑动接点材料，例如Ag-Zn合金、Ag-Cu合金等都是想通过形成ZnO、CuO的氧化区来控制磨损现象的。但是，如果将这些合金放置在空气中，随着时间的变化都会在接点部生成过剩的ZnO、CuO，反而会使接触电阻增大。尤其是导电性差的CuO，如果生成过多，接触电阻的增加更明显，即便是具备导电性的ZnO，如果生成过多，也会引起接触电阻的增加。
另一方面，本发明的滑动接点材料的Ag基体中的Ni金属粒子虽然会在其表面形成很少一点NiO，但是因为Ni在材料中是以金属粒子形式存在的，所以接点表面整体上不会被NiO包覆。另外，材料中分散的Li2CO3量很少，换算成Li金属只有0.01～0.50重量％，所以不会影响到接触电阻的增加。
本发明的Ni金属粒子分散型Ag-Ni系合金滑动接点材料是通过所谓的粉末冶金工艺制得的，所以Ag基体中存在的Ni金属粒子和Li2CO3分散得极其均匀。用熔融法则不可能形成与本发明具有相同组成的Ag-Ni系合金。所以本发明可同时实现以往的Ag-Zn-Pd-Cu-Ni合金等滑动接点材料无法实现的接触电阻的稳定性和耐磨性的提高，而且不含Cd。
本发明的Ni金属粒子分散型Ag-Ni系合金滑动接点材料中的Ni金属粒子主要起着提高滑动接点材料耐磨性的作用。以Ni粉形式混合时，如果Ni含量不足0.7重量％，则Ni金属粒子提高耐磨性的效果就不明显，如果含量超过3.0重量％，则耐磨性过度提高，反而会摩擦刷子，造成马达耐久寿命下降。混入0.7～2.0重量％的Ni粉可使本发明的Ni金属粒子分散型Ag-Ni系合金滑动接点材料的特性达到最佳。
本发明的Ni金属粒子分散型Ag-Ni系合金滑动接点材料中所含的Ni量为0.7～3.0重量％。但是这种Ni金属粒子分散型Ag-Ni系合金滑动接点材料并不是通过熔融铸造形成的，因为Ag和Ni在熔融时几乎互不相熔，呈二相分离状态，在坩埚的上方是Ni，下方是Ag，即各自熔融但分离存在。即使进行铸造，也只能得到Ni偏析的Ag-Ni系合金。也就是说，通过熔融法是不可能形成本发明的Ni金属粒子分散型Ag-Ni系合金滑动接点材料的。因此，本发明的Ag-Ni系合金滑动接点材料采用粉末冶金法形成，材料中的Ni金属粒子在Ag基体中呈极其均匀的分散状态，充分发挥其提高耐磨性的作用。
另外，在本发明的Ni金属粒子分散型Ag-Ni系合金滑动接点材料中分散的Li2CO3，在滑动部即在接点表面形成LiOH·H2O，起到润滑剂作用。Li2CO3的分散量换算成金属Li如果不足0.01重量％，则起不到润滑剂的作用，其量如果超过0.50重量％，则滑动接点材料加工性能下降，同时接触电阻稳定性也呈下降趋势。混入换算成金属Li为0.01～0.20重量％的Li2CO3粉末可使本发明的Ni金属粒子分散型Ag-Ni系合金滑动接点材料的特性达到最佳。
本发明者们还对Ni金属粒子分散型Ag-Ni系合金滑动接点材料的添加剂进行了种种研究，其结果是，除了Li2CO3之外，添加La2O3也能完成本发明。具体来说，混合搅拌0.7～3.0重量％的Ni粉、作为添加剂的换算成金属为0.01～0.50重量％的Li的Li2CO3粉末、换算出金属为0.01～1.00重量％的La的La2O3粉末和余量的Ag粉，形成均匀分散的混合物，再对该混合物进行成形处理和烧结处理就可获得上述Ni金属粒子分散型Ag-Ni系合金滑动接点材料。
这种La2O3与Li2CO3一样分散在材料中，La2O3粒子本身起润滑剂的作用，与此同时，它不仅存在于Ag基体中，还存在于Ni金属粒子的内部，还具有提高Ni金属粒子耐磨性的复合效果，对材料的耐磨性提高做出贡献。该La2O3的分散量换算成金属La如果不足0.01重量％，则不能得到与Ni金属粒子的复合效果，其量如果超过1.00重量％，则滑动接点材料的加工性能会下降，同时接触电阻的稳定性也呈下降的趋势。混入换算成金属La为0.20～0.40重量％的La2O3粉末可使本发明Ni金属粒子分散型Ag-Ni系合金滑动接点材料的特性达到最佳。
本发明的Ni金属粒子分散型Ag-Ni系合金滑动接点材料中的La2O3可用其他稀土元素如Ce2O3、Sm2O3等代替。本发明的Ni金属粒子分散型Ag-Ni系合金滑动接点材料之所以采用La2O3是因为La2O3资源丰富，容易入手。
在用本发明的Ni金属粒子分散型Ag-Ni系合金滑动接点材料制作马达整流元件时，为了获得更好的整流元件，最好选用Cu或Cu合金做基材，在部分上述基材中埋设本发明的滑动接点材料做成金属包层复合材料。这样，在进行整流元件电气连接所需焊接处理时的焊接性能更好，而且整流元件的成形加工性能也可提高。另外，通过采取金属包层复合材料这一形态，随所用马达埋设于基材中的本发明滑动接点材料的厚度可以控制，所以可局部采用高价滑动接点材料，这在经济上是有利的。
上述金属包层复合材料的埋设的滑动接点材料中露出表面的部分，因为暴露在大气中，容易被腐蚀，所以，在Cu或Cu合金的基材中局部埋设本发明滑动接点材料做成金属包层复合材料时，其滑动接点材料上的至少一部分最好用Au或Au合金被覆一下。众所周知，Au或Au合金是耐腐蚀性好且可实现低接触电阻的良好滑动接点材料，不过价格昂贵，大量使用在经济上是不利的。所以，通过局部被覆Au或Au合金来控制成本的增加，同时防止本发明的Ni金属粒子分散型Ag-Ni系合金滑动接点材料腐蚀。如果用该金属包层复合材料制作马达整流元件，则在使用初期由于Au或Au合金优异的接触电阻特性，可以实现马达的良好驱动，即使因为磨损Au或Au合金被破坏，因为内部还存在本发明的滑动接点材料，所以还能继续使用。另外，用上述本发明的所谓双层或三层金属包层复合材料制作直流小型电机的整流元件，可以实现稳定的低接触电阻，经时变化小，没有磨损粉末造成的故障，在低启动电压下也可以驱动直流小型电机。这一特点在用于CD播放器的装载机构或快送机构时可实现直流小型电机的长寿命化。
对附图的简单说明
图1是双层金属包层复合材料的立体图。
图2是三层金属包层复合材料的立体图。
图3表示耐久试验的结果。
图4表示初期无负载电流值的测定结果。
实施发明的最佳方式
根据以下记载的实施例对本发明的实施方式进行说明。表1表示实施例1和2的滑动接点材料的组成，表2表示用于特性对比的以往例1和比较例1的滑动接点材料的组成。比较例1是本发明者们以前开发的滑动接点材料。
                                    表1
  Ag粉(重量％)   Ni粉(重量％) Li2CO3粉末(换算成金属Li，重量％) La2O3粉末(换算成金属La，重量％)
实施例1   余量   1.0     0.1     -
实施例2   余量   1.0     0.1     0.3
                                 表2
  Ag   Cd   Pd   Cu   Zn   Ni
  以往例1   余量   2.0   -   -   -   0.3
  比较例1   余量   -   0.5   0.5   0.5   0.3
                                                 (重量％)
用球磨机对1.0重量％的Ni粉、作为添加剂的换算成金属为0.1重量％的Li的Li2CO3粉以及余量的Ag粉搅拌4小时，制成各种粉末均匀分散的粉末混合物。然后把该混合粉粉末装入圆桶容器内，从圆柱轴向施加压力4.9×1015N(50tf)进行压缩处理加工，形成直径50mm的圆柱坯段。接着，将此圆柱坯段置于1123K(850℃)的温度下进行4小时的烧结处理。将上述压缩加工处理和烧结处理过程重复操作4次，制得实施例1的Ni金属粒子分散型Ag-Ni系合金滑动接点材料。
进行过上述压缩加工处理和烧结处理的圆柱坯段再通过热压加工形成直径6.0mm的线材。然后进行拉线加工，做成直径1.6mm的线材。
用球磨机对1.0重量％的Ni粉、换算成金属为0.1重量％的Li的Li2CO3粉、换算成金属为0.3重量％的La的La2O3粉以及余量的Ag粉搅拌4小时，制成各种粉末均匀分散的粉末混合物。然后把该粉末混合物装入圆桶容器内，从圆柱轴向施加压力4.9×1015N(50tf)进行压缩处理加工，形成直径50mm的圆柱坯段。以下工艺过程与实施例1的情况相同，在此省略，制得实施例2的Ni金属粒子分散型Ag-Ni系合金滑动接点材料。
以往例1和比较例1是用熔解法得到的滑动接点材料，按表2记载的组成熔解各金属，然后通过铸造、加压加工、拉线加工做成直径1.6mm的线材。
上述的各线材再用压延机加工成带状，把它镶嵌接合于基底层的Cu合金上，得到金属包层复合材料。然后，将此金属包层复合材料置于1023K(750℃)的温度下，进行热处理，重复进行压延，制成总厚0.2mm、幅宽19mm的双层金属包层复合材料。
以下，对本发明的金属包层复合材料的实施方式进行说明。图1的立体图表示在用Cu合金构成的基材的一部分中埋设了本实施方式所示的滑动接点材料的所谓双层金属包层复合材料。图2的立体图表示在用Cu合金构成的基材的一部分中埋设了本实施方式所示的滑动接点材料、且用Au或Au合金被覆上述埋设的部分滑动接点材料的所谓三层金属包层复合材料。图1a以及图2a、2b表示镶衬一条、图1b表示镶衬两条的金属包层复合材料。图中的符号1表示本发明的滑动接点材料，图2的符号1’表示埋设的滑动接点材料1部分露出的露出部，符号2表示Cu合金基材，符号3表示Au或Au合金。
下面再说明用上述金属包层复合材料实际组装直流小型电机，考察马达耐久性能结果的情况。直流小型电机的组装，使用表1及表2所示各组成的滑动接点材料，制作上述图1a所示的双层金属包层复合材料，将该双层金属包层复合材料加工成三极整流元件。耐久试验的条件如以下表3所示。
                      表3
  温度     295K(22℃)
  湿度     50％
  电压     6.5V
  电流     250mA
方式 正转(从输出侧方向看为顺时针方向)2秒-停止1秒反转(从输出侧方向看为反时针方向)2秒-停止1秒
  转速     12000rpm
  转矩     7.84×10-4N-m(8gf-cm)
试验台数     5台
                                    表4
  耐久试验中5台马达停止转动的时间(小时)
  实施例1   221.5   267.5   274.5   280.5   321.0
  实施例2   211.5   279.5   280.5   294.0   309.0
  以往例1   140.5   224.5   226.0   237.5   241.0
  比较例1   117.0   133.0   140.5   150.0   157.5
如表4及图3所示，使用本实施例1及2的Ni金属粒子分散型Ag-Ni系合金滑动接点材料的马达，比使用含Cd的以往例1的滑动接点材料的马达表现出更优秀的耐久性能。在该耐久试验的条件及电流250mA、转速12000rpm高速旋转条件下，比较例1的滑动接点材料显现出耐久性能差的倾向，而本实施例1及2显现出适合于实际使用的耐久性。
以下，对初期无负载电流值(在新马达无负载、电压6V的状态下开始旋转的电流)的测定结果进行说明。表5表示其测定结果，图4表示由这些数据形成的图形。
                         表5
  最小值   最大值   平均值
    实施例1     61.3     85.1     71.3
    实施例2     62.5     75.2     67.6
    以往例1     71.1     99.8     84.6
    比较例1     84.7     107.0     98.1
                                            (mA)
如表5及图4所示，使用本实施例1及2的Ni金属粒子分散型Ag-Ni系合金滑动接点材料的马达，比使用含Cd的以往例1的滑动接点材料的马达以及使用本发明者们以前开发的比较例1的滑动接点材料的马达的初期无电荷电流值低得多。
归纳以上试验结果表明，本实施例的Ni金属粒子分散型Ag-Ni系合金滑动接点材料，即使在电流值250mA、转速12000rpm这样的使用条件下，也具有和含Cd的以往例1的滑动接点材料同等程度的耐久性能。另外还表明，本发明的Ni金属粒子分散型Ag-Ni系合金滑动接点材料降低初期无负载电流值的性能比含Cd的以往的滑动接点材料更佳。
产业上利用的可能性
本发明的Ni金属粒子分散型Ag-Ni系合金滑动接点材料具有不含Cd这样的有害物质的合金组成，其电性能良好且不随时间变化，与以往的滑动接点材料相比，具有在实用上毫不逊色的耐磨性。将本发明的Ni金属粒子分散型Ag-Ni系合金滑动接点材料用于装有使用充电式电池的直流小型电机的家电产品时，能一直维持低接触电阻，以低启动电压驱动马达，所以使过去不可能实现的马达长期连续使用的想法成为可能，同时可以延长驱动马达的充电式电池的寿命。

Claims (5)

1.Ni金属粒子分散型Ag-Ni系合金滑动接点材料，所述材料用于通过机械滑动动作进行电气开闭的滑动部，其特征在于，混合搅拌0.7～3.0重量％的Ni粉、作为添加剂的换算成金属为0.01～0.50重量％的Li的Li2CO3和余量的Ag粉，形成均匀分散的混合物，再对该混合物进行成形处理和烧结处理而制得。
2.Ni金属粒子分散型Ag-Ni系合金滑动接点材料，所述材料用于通过机械滑动动作进行电气开闭的滑动部，其特征在于，混合搅拌0.7～3.0重量％的Ni粉、作为添加剂的换算成金属为0.01～0.50重量％的Li的Li2CO3粉末、换算出金属为0.01～1.00重量％的La的La2O3粉末和余量的Ag粉，形成均匀分散的混合物，再对该混合物进行成形处理和烧结处理而制得。
3.金属包层复合材料，其特征在于，在部分Cu或Cu合金的基材中埋设权利要求1或2所述的Ni金属粒子分散型Ag-Ni系合金滑动接点材料而制得。
4.金属包层复合材料，其特征在于，在部分Cu或Cu合金的基材中埋设权利要求1或2所述的Ni金属粒子分散型Ag-Ni系合金滑动接点材料而制得，且埋设的Ni金属粒子分散型Ag-Ni系合金滑动接点材料中的一部分被Au或Au合金包覆。
5.直流小型电机，其特征在于，以权利要求3或4所述的金属包层复合材料为整流元件。
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