CN1637158A - 滑动接点材料和金属包层复合材料以及直流小型电动机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适合于用在最近的小型化的CD播放器上的直流小型电动机的、耐久性更好的滑动接点材料。本发明是用作直流小型电动机的整流子的滑动接点材料，它由0.01～3.0重量％的Ni、0.01～6.0重量％的ZnO及/或0.01－3.0重量％的MgO、根据情况还含有0.01－5.0重量％的Cu、余分为Ag的组成构成，使Ni金属粒子、ZnO粒子或MgO粒子分散于Ag基体中。

Description

滑动接点材料和金属包层复合材料以及直流小型电动机

技术领域

本发明涉及由机械性滑动动作进行电通断的直流小型电动机的整流子，特别涉及构成整流子的滑动接点材料，该整流子为在CD播放器中用于控制CD进出仓的加载机构及使读取CD信号的透镜移动的进给机构的直流小型电动机用整流子，由充电式电池驱动的家电产品所使用的直流小型电动机用整流子(此外，接地圈、旋转开关等)。

背景技术

近年来，在上述技术领域中，有关新的滑动接点材料的研究正方兴未艾。对构成直流小型电动机的整流子的滑动接点材料而言，最重要的课题是在使用接点时将磨损控制在比较理想的状态，并且实现低接触电阻。本来，要实现滑动接点材料的低接触电阻，除了滑动接点材料自身的导电性以外，可以通过使相接触的材料彼此间完全接触，或着贴合来达成。但是，该材料滑动时，相接触的材料彼此间的接触或着贴合程度越大，则摩擦阻力越大，如果使材料克服该摩擦进行滑动，则会发生显著的磨损现象。即对滑动接点材料而言，如果不能根本控制上述这种相反的现象，则不能获得具有更理想特性的材料。此外，该滑动接点的磨损现象在学术上还有很多未明确之处，因此要通过改进滑动接点材料来控制磨损现象可以说是非常困难的。

该滑动接点材料的磨损大致可以分为粘附磨损和刮痕磨损。通常，即使滑动接点材料的表面被加工得非常平滑，但在微观上也并不是完全的平面，存在较多微细的凹凸。如果这种金属表面互相接触，则虽然从表观上看起来好象是大面积接触，但实际上是存在于表面的微细的凹凸中突起的部分互相接触的状态，所谓的真接触面积小于表观的接触面积。由此该真的接触部、即相接触的突起部受到较大的压力，相接触的金属彼此间发生粘附，从而导致粘附磨损，即软质的金属被撕裂移向硬质金属。此外，在硬度不同的材料相接触时或者虽然是软质金属互相接触但一方含有较硬粒子时，软质金属被硬质金属机械剪切，发生刮痕磨损。

这种磨损现象较大程度上取决于相接触的金属材料的硬度，这些金属彼此间的结合性等，滑动接点材料的磨损现象基本上与接触压成正比，接触压越大越显著，利用材料的固化来降低。但是接触时的温度或湿度变化，以及存在腐蚀性成分、有机质蒸气、灰尘等，也会使磨损现象发生显著变化。由于该磨损现象的变化是接点部的接触状态的变化，因此会引起接触电阻的增加，对稳定地维持低接触电阻有很大的影响。

上述磨损现象，具体来说产生于将使用了滑动接点材料的金属包层复合材料作为整流子装入直流小型电动机，以高速旋转驱动电动机时的整流子和电刷间。即，构成整流子的滑动接点材料受长时间的接触摩擦，再加上滑动所产生的摩擦热，上述的粘附磨损、刮痕磨损一并产生。由此，因该磨损现象滑动接点材料的表面被磨削，产生磨损粉末，使接触电阻增加，该磨损磨粉填埋整流子的间隙，造成导通短路，或成为杂音产生的原因。

而且，如果磨损现象进一步发展，则在用了滑动接点材料的金属包层复合材料中，设置于金属包层复合材料的表层的金属、即滑动接点材料受到磨损而被破坏，磨损扩大到其下的基底材料。这种金属包层复合材料的基底材料被磨损的状态的情况下，由于易氧化的基底材料露出，因此可能会因该基底材料的金属氧化物引发各种电气故障。因此构成所谓的二层或三层金属包层复合材料用作整流子的情况下，可以说改进构成各层的合金的材料是极其重要的课题。

近年来，在CD播放器中控制CD进出仓的加载机构、或使读取CD信号的透镜移动的进给机构所使用的直流小型电动机用整流子的滑动接点材料，以及由充电式电池驱动的家电产品所使用的直流小型电动机用整流子的滑动接点材料采用，表面层使用由1～2重量％的Cd、余分为Ag构成的Ag-Cd合金，基底层使用Cu或Cu合金的二层金属包层复合材料(例如Ag99-Cdl/Cu)；或者表面层使用由1～2重量％的Cd、0.01～0.70重量％的Ni、余分为Ag构成的Ag-Cd-Ni合金，基底层用Cu或Cu合金的二层金属包层复合材料(例如Ag97.7-Cd2-Ni0.3/Cu)等。上述()内所述的“合金组成/Cu”表示构成二层的金属包层复合材料，“/”表示表面层和基底层的界面。在合金组成元素后的数字表示重量％的值。

这种Ag-Cd合金及Ag-Cd-Ni合金是电气特性、硬度、低接触电阻性都非常优良的材料，例如在日本特许公告平2-60745号公报中所公开的直流小型电动机的整流子用滑动接点材料，该接点材料由含有1～5重量％的Sn及Cd中的至少一种，余分为Ag的Ag合金构成。但是，如果考虑到目前的环境问题等，制造及使用含有作为有害物质的Cd的滑动接点材料并不是理想的。

作为其它的合金，也可以采用Ag-Cu合金和Ag-Cu-Cd合金等。但是这些滑动接点材料虽然使用初期的接触电阻低，但是该接触电阻会随使用时间的增加发生变化。因此存在使用充电式电池的电动剃刀等的产品价值差的问题。即，这些合金系的滑动接点材料用于直流小型电动机时，由于经时变化接触电阻增高，因此电动机的启动电压增高。即，电池的电动势下降到电动机的启动电压的时间变短，产生电动机不立即启动的问题。其结果是，电池的充电次数增加，电池本身的寿命变短。

此外，例如在日本特许公开公报58-104140号中公开了一种Ag-Zn系合金的滑动接点材料，该合金由在Ag中添加1～10重量％的Zn和0.5-1.0重量％的Te、Co、Ni、Cu、Ge、Ti、Pb的至少一种而形成。这种滑动接点材料利用Te、Co、Ni、Cu、Ge、Ti、Pb比Zn更易氧化的性质，通过含有这些金属，抑制Zn的氧化，保持滑动接点材料的耐硫化性、润滑性，实现耐磨损性的提高和低接触电阻的稳定化。但是，这种滑动接点材料也和上述的Ag-Cu合金等一样，虽然初期接触电阻低，但是接触电阻发生经时变化，具有随着使用时间的增长接触电阻变高的趋势。

在日本特许公开公报平8-260078号中，公开了Ag-Zn合金、Ag-Zn-Ni合金的滑动接点材料。这些滑动接点材料虽然接触电阻低，但还称不上是能够将磨损现象控制到使电动机的寿命得到提高的程度。

发明内容

上述以往的滑动接点材料可以说不能充分适应最近小型化的CD播放器的加载机构和进给机构的规格。随着CD播放器的小型化，用在其内部的直流电动机也小型化，但CD播放器的加载机构规格本身与电动机的大小无关，与一直以来所需的转矩相同。因此即使将电动机小型化，也达到1万转/分钟以上的高速旋转，通过齿轮，实现必需的转矩。但是在该1万转/分钟以上的高速旋转领域中，凭以往的滑动接点材料所具有的特性是无法充分满足要求的，因此迫切需要耐久性更高的优良的滑动接点材料。

本发明的目的是提供滑动接点材料，以及通过将该具有优良特性的滑动接点材料用于直流小型电动机的整流子，实现电动机的长寿化。该滑动接点材料为不含有Cd这类有害物质的合金组成，特别是接触电阻特性优良，电气性能良好，且无经时变化，具有实用上不逊于以往的滑动接点材料的耐磨损性。

为了解决上述课题，本发明者经过深入地研究，最终想到了本发明。本发明是用作直流小型电动机的整流子的滑动接点材料，其特征是由0.01～3.0重量％的Ni、0.01～6.0重量％的ZnO、余分为Ag的组成构成，使Ni金属粒子、ZnO粒子分散于Ag基体中。

本发明涉及的滑动接点材料是Ni金属粒子、ZnO粒子分散于Ag基体中的合金。分散在该Ag基体中的ZnO起着滑动部的润滑剂的作用，减小摩擦阻力，提高耐磨损性。

以往的滑动接点材料，例如Ag-Zn合金、Ag-Cu合金等也是意图通过形成ZnO、CuO的氧化表面膜来控制磨损现象，但是这些合金如果放置在空气中，在接点部随着时间的增加会过量产生ZnO、CuO，反而使接触电阻增高。特别是，产生过量的导电性低的CuO会显著增加接触电阻，即使具有导电性的ZnO时，如果过量产生则会引起接触电阻的增加。

另一方面，本发明的滑动接点材料中，在分散于Ag基体中的Ni金属粒子的表面形成极微量的NiO，但由于Ni以金属粒子的形式存在于原材料中，因此NiO不会包覆整个接点表面。此外，由于分散在Ag基体中的ZnO也以氧化物的形式预先分散在原材料中，因此ZnO不会包覆整个原材料。即，本发明的滑动接点材料和以往的Ag-Zn合金的滑动接点材料不同，即使是含有Zn的组成，也不会因ZnO使接触电阻增加。

象本发明的滑动接点材料这种，使Ni金属粒子和ZnO粒子分散于Ag基体中，通过利用所谓的粉末冶金法进行制造来实现。采用粉末冶金法，可将存在于Ag基体中的Ni金属粒子、ZnO氧化物粒子极其均匀地分散，但用目前的溶解法不能够制造具有和本发明相同的组织构造的滑动接点材料。

本发明的滑动接点材料中的Ni金属粒子主要起提高滑动接点材料的耐磨损性的作用，该Ni量如果未满0.01重量％，则存在Ni金属粒子的提高耐磨损性的效果变小的趋势；如果超过3.0重量％，则对提高耐磨损性有反作用，磨损电刷，从而使电动机的耐久寿命降低。将该Ni控制在0.3～1.0重量％组成范围，能够使本发明的滑动接点材料的特性最优良。

本发明的滑动接点材料中的ZnO在滑动部，即接点表面起固相润滑剂的作用。该ZnO量，如果未满0.01重量％，则无法发挥润滑剂的功能，而如果超过6.0重量％，则滑动接点材料的加工性降低，同时接触电阻的稳定性降低。将该ZnO控制在0.5～5.0重量％的组成范围，能够使滑动接点材料的特性最优良。

本发明者发现使上述本发明的滑动接点材料含有Cu也能够获得同样的效果。本发明的另一种滑动接点材料是由0.01～3.0重量％的Ni、0.01～6.0重量％的ZnO、0.01～5.0重量％的Cu、余分为Ag的组成构成，使Ni金属粒子、ZnO粒子分散于AgCu合金基体中。

该本发明涉及的滑动接点材料，Cu固溶于Ag基体中，固溶的Cu在滑动中，在接点表面形成极薄的CuO氧化表面膜，具有不会提高接触电阻而抑制粘附磨损的作用。但是，Cu的含量如果未满0.01重量％，则无添加铜的效果，如果超过5.0重量％，则使滑动接点材料的加工性降低，同时接触电阻的稳定性降低。将Cu控制在0.5～3.0重量％的组成范围，能够形成具有最优良特性的本发明的滑动接点材料。

本发明者还发现用MgO代替ZnO时，也可形成具有和上述本发明的滑动接点材料同样的效果，而且高温时的特性优良的材料。即，由0.01～3.0重量％的Ni、0.01～3.0重量％的MgO、余分为Ag的组成构成，Ni金属粒子、MgO粒子分散于Ag基体中的滑动接点材料。由0.01～3.0重量％的Ni、0.01～3.0重量％的MgO、0.01～5.0重量％的Cu、余分为Ag的组成构成，Ni金属粒子、MgO粒子分散于AgCu合金基体中的滑动接点材料。

与上述ZnO分散的本发明涉及的滑动接点材料相比，发现分散MgO粒子的滑动接点材料更能够提高高温下的耐久寿命。如果该MgO未满0.01重量％，则无助于高温下的耐久寿命的提高，而如果超过3.0重量％，则滑动接点材料的加工性降低，同时接触电阻的稳定性降低。将MgO控制在0.3～1.5重量％的组成范围，能够形成具有最优良特性的本发明的滑动接点材料。

在上述本发明的滑动接点材料中，可分别单独含有ZnO和MgO，也可以并用。即，同时含有ZnO和MgO时，形成由0.01～3.0重量％的Ni、0.01～6.0重量％的ZnO、0.01～3.0重量％的MgO、0.01～5.0重量％的Cu、余分为Ag的组成构成，Ni金属粒子、ZnO粒子、MgO粒子分散于AgCu合金基体中的滑动接点材料。象这样，同时含有ZnO和MgO，可形成耐磨损特性优良、具有高温下的耐久寿命特性、所有特性均衡的本发明的滑动接点材料。

使用上述本发明的滑动接点材料作为电动机的整流子时，为了形成更佳的整流子的构成材料，较好是使用由Cu或Cu合金构成的基底材料，在该基底材料上的一部分埋设本发明的滑动接点材料，形成金属包层复合材料。这样，在为电连接整流子而必须进行的钎焊处理中的钎焊性良好，而且成形为整流子形状时的加工性也得到提高。此外，通过采用金属包层复合材料这种形式，能够按照所使用的电动机控制埋设于基底材料的本发明的滑动接点材料的厚度，由于可以只在需要部分使用价格高的滑动接点材料，因此能够形成在经济性上也较佳的材料。

使用Cu或Cu合金的基底材料的金属包层复合材料中，埋设的滑动接点材料中露出于表面的部分曝露在大气中，易被硫化。因此，对在Cu或Cu合金的基底材料上的一部分埋设了本发明的滑动接点材料的金属包层复合材料而言，最好是用Au或Au合金包覆该滑动接点材料上的至少一部分。众所周知Au或Au合金是耐腐蚀性优良且实现低接触电阻的良好的滑动接点材料，但由于非常昂贵，若大量使用经济性不佳。因此通过用Au或Au合金只包覆一部分，既能够抑制成本的增加，又能够有效地防止本发明的滑动接点材料的硫化现象。如果将这种金属包层复合材料用于直流小型电动机的整流子，在使用初期时利用Au或Au合金的优良的接触电阻特性，能够进行良好的电动机驱动，即使因磨损Au和Au合金被破坏，由于在内部还存在本发明的滑动接点材料，因此还可以继续使用。

如果将上述本发明的所谓的二层或三层金属包层复合材料作为整流子用于直流小型电动机，稳定实现低接触电阻，经时变化少，而且没有磨损粉末的妨碍，能够以低启动电压驱动直流小型电动机。这样，在用于CD播放器的加载机构或进给机构时，能够使直流小型电动机本身的寿命长期化。

本发明的滑动接点材料不含有Cd这类有害物质，电特性良好且经时变化少，具有实用上不逊于以往的滑动接点材料的耐磨损性。特别是将本发明的滑动接点材料应用于具有使用充电式电池的直流小型电动机的家电产品，能够一直保持低接触电阻，以低启动电压驱动电动机，使以往无法实现的电动机的长期连续使用成为可能。而且还能延长驱动直流小型电动机的充电式电池的寿命。

附图说明

图1为二层金属包层复合材料的立体图。

图2为三层金属包层复合材料的立体图。

图3为表示试验温度75℃时的耐久试验结果的柱形图。

图4为表示试验温度室温时的耐久试验结果的柱形图。

图5为表示试验温度0℃时的耐久试验结果的柱形图。

具体实施方式

根据以下所述的实施例和以往比较例说明本发明的较佳实施方式。表1中示出了从实施例1～11的滑动接点材料的组成，表2中示出了进行特性对比的以往例1、2的滑动接点材料。

                               表1

	Ni	ZnO	MgO	Cu	Ag
						实施例1	0.5	5.5	-	-	余分
实施例2	0.5	2.0	-	0.5	余分
						实施例3	0.5	2.0	-	2.0	余分
实施例4	0.5	4.0	-	0.5	余分
						实施例5	0.5	4.0	-	2.0	余分
实施例6	0.5	4.0	-	3.0	余分
						实施例7	0.5	-	1.0	-	余分
实施例8	0.5	-	1.0	2.0	余分
						实施例9	0.5	-	1.0	3.0	余分
实施例10	0.5	2.5	0.5	2.0	余分
						实施例11	0.5	2.5	0.5	3.0	余分

                                                              (重量％)

                              表2

	Cu	Zn	Mg	Ni	Ag
						以往例1	6.0	1.0	-	0.5	余分
以往例2	10.0	-	0.3	-	余分

实施例1的滑动接点材料是，将0.5重量％Ni粉末、5.5重量％的ZnO粉末和余分Ag粉末，用球磨机搅拌4小时，所形成的各粉末均匀分散的粉末混合物。然后，将该粉末混合物装入圆筒容器，进行从圆柱长度方向施加4.9×10⁵N(50tf)的压缩加工处理，形成直径50mm的圆柱坯锭。接着，在1123K(850℃)的温度中对该圆柱坯锭进行4小时的真空烧结处理(5.0Pa)。该压缩加工处理、烧结处理反复进行4次。

经过该压缩加工处理和烧结处理的圆柱坯锭利用热轧挤出加工，形成了直径6.0mm的线材。接着，通过拉丝加工，制成直径1.6mm的线材。

实施例2～实施例11的滑动接点材料也是通过制造表1所示组成的粉末混合物，按照和上述实施例1同样的工序进行加工，分别制成直径1.6mm的线材。

以往例1和以往例2是用溶解法获得的滑动接点材料，按照表2所示的各组成，溶解各金属，其后经过铸造，挤出加工、拉丝加工，制成直径1.6mm的线材。该以往例的滑动接点材料的制造方法在日本特许公开公报平6-220555号和日本特许公开公报平7-166268号中有详细记载。

以上形成的各种线材用压延机加工成带状，将其镶接在作为基底层的Cu材料层上，制得金属包层复合材料。然后，在1023K(750℃)对该金属包层复合材料进行热处理，反复压延，形成总厚0.2mm、宽19mm的二层金属包层复合材料。

以下，对本发明涉及的金属包层复合材料的一种实施方式进行说明。图1的立体图表示在由Cu合金构成的基底材料层的一部分埋设了本实施方式所示的滑动接点材料的被称为二层金属包层复合材料的材料。图2的立体图表示在由Cu合金构成的基底材料层的一部分埋设本实施方式所示的滑动接点材料，再用Au或Au合金包覆该埋设的滑动接点材料的一部分的被称为三层金属包层复合材料的材料。图1a和图2a、2b表示埋设一条、图1b表示埋设两条的金属包层复合材料。图中，符号1表示本发明的滑动接点材料，图2的符号1’表示被埋设的滑动接点材料1的一部分露出的露出部，符号2表示Cu合金的基底材料层，符号3表示Au或Au合金。

接着对采用上述的金属包层复合材料实际装配直流小型电动机，调查电动机的耐久性的结果进行说明。采用表1和表2所示各组成的滑动接点材料，制造上述图1a所示的二层金属包层复合材料，将该二层金属包层复合材料加工成三极式整流子。耐久试验的条件如下表3所示。

                    表3

电压	DC4V
		电流	120mA
模式	170ms(顺时针旋转)-50ms(停止)170ms(逆时针旋转)-50ms(停止)的重复
		电动机的转数	14,000rpm
负荷	1.5g-cm
		试验温度	75℃、室温、0℃
电动机台数	5台

耐久试验在3种试验温度75℃、室温、0℃下进行，图3～图5表示各耐久试验中电动机发生故障的耐久时间值的柱形图。表4中记载了基于图3～图5的图表所示的各时间数据算出的平均耐久时间。

                        表4

	试验温度
				75℃	室温	0℃
	实施例1	523	1777				899
实施例2				726	1195	728
	实施例3	583	1339				1025
实施例4				926	1795	999
	实施例5	928	1099				931
实施例6				990	1435	910
	实施例7	1024	1009				467
实施例8				1806	1339	577
	实施例9	1625	1137				729
实施例10				1556	1224	762
	实施例11	1146	969				584
以往例1				889	596	468
	以往例2	527	909				525

                                                (hr)

图3表示75℃的情况、图4表示室温的情况、图5表示0℃的情况。由图4表明，在室温时，实施例1～11的耐久时间都高于以往例1、2。

在试验温度为75℃时，含有MgO的实施例7～11的耐久特性优良。而在试验温度为0℃时，含有ZnO的实施例1～6的耐久特性优良。由此可以认为，含有MgO的本实施例的滑动接点材料适合于预备在高温环境下使用的汽车用直流小型电动机。与此相对，含有ZnO的本实施例的滑动接点材料适合于例如冰箱所配备的自动制冰器所用的直流小型电动机等。同时可以确认含有ZnO和MgO的滑动接点材料是具有能够广泛使用于从低温区域到高温区域的特性的滑动接点材料。

Claims (8)

1.滑动接点材料，它是用作直流小型电动机的整流子的滑动接点材料，其特征在于，由0.01～3.0重量％的Ni、0.01～6.0重量％的ZnO、余分为Ag的组成构成，使Ni金属粒子、ZnO粒子分散于Ag基体中。

2.滑动接点材料，它是用作直流小型电动机的整流子的滑动接点材料，其特征在于，由0.01～3.0重量％的Ni、0.01～6.0重量％的ZnO、0.01～5.0重量％的Cu、余分为Ag的组成构成，使Ni金属粒子、ZnO粒子分散于AgCu合金基体中。

3.滑动接点材料，它是用作直流小型电动机的整流子的滑动接点材料，其特征在于，由0.01～3.0重量％的Ni、0.01～3.0重量％的MgO、余分为Ag的组成构成，使Ni金属粒子、MgO粒子分散于Ag基体中。

4.滑动接点材料，它是用作直流小型电动机的整流子的滑动接点材料，其特征在于，由0.01～3.0重量％的Ni、0.01～3.0重量％的MgO、0.01～5.0重量％的Cu、余分为Ag的组成构成，使Ni金属粒子、MgO粒子分散于AgCu合金基体中。

5.滑动接点材料，它是用作直流小型电动机的整流子的滑动接点材料，其特征在于，由0.01～3.0重量％的Ni、0.01～6.0重量％的ZnO、0.01～3.0重量％的MgO、0.01～5.0重量％的Cu、余分为Ag的组成构成，使Ni金属粒子、ZnO粒子、MgO粒子分散于AgCu合金基体中。

6.金属包层复合材料，其特征在于，在Cu或Cu合金的基底材料层上的一部分埋设了权利要求1～5中任一项所述的滑动接点材料而形成。

7.金属包层复合材料，其特征在于，在Cu或Cu合金的基底材料层上的一部分埋设了权利要求1～5中任一项所述的滑动接点材料，并且用Au或Au合金将埋设了滑动接点材料上的至少一部分包覆而形成。

8.直流小型电动机，其特征在于，使用权利要求6或7所述的金属包层复合材料作为整流子。

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