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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung eines plattierten
Verbundsmaterials für
elektrische Schleifenkontakte.
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In
letzter Zeit wurde auf dem oben erwähnten technischen Gebiet intensiv
Forschungsaufwand mit dem Ziel betrieben, neue Materialien für elektrische
Schleifkontakte zu entwickeln. Hierbei ist es besonders wichtig,
idealen Verschleiß und
niedrigen Übergangswiderstand
zu verwirklichen. Ein niedriger Übergangswiderstand
eines Schleifkontaktmaterials wird nicht nur durch hohe elektrische
Leitfähigkeit
des Materials verwirklicht, sondern auch durch starke Berührung zwischen
den Materialien, welche einander berühren. In dem Fall jedoch, in
dem die berührenden
Materialien aneinander schleifen, erhöht sich der Reibungswiderstand
mit dem Grad der Berührung
zwischen den einander berührenden
Materialien. Schleifberührung
bei einem solchen Widerstand verursacht eine augenfällige Verschleißerscheinung.
Folglich kann kein Schleifkontaktmaterial erhalten werden, das ideale
Eigenschaften zeigt, sofern die oben erwähnten, sich widersprechenden
Erscheinungen nicht beherrscht werden. Die Verschleißerscheinung
eines Schleifkontaktes umfasst viele Faktoren, welche noch nicht
wissenschaftlich gelöst
sind; demgemäß ist es
sehr schwierig, die Kontrolle über
die Verschleißerscheinung
durch die Verbesserung eines Schleifkontaktmaterials zu erlangen.
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Der
Verschleiß eines
Schleifkontakts kann grob in adhäsiven
Verschleiß und
Schürfverschleiß eingeteilt
werden. Sogar wenn die Oberfläche
eines Schleifkontaktmaterials zu einem hohen Glättegrad poliert wird, ist im
allgemeinen die Oberfläche
keine perfekte Ebene im mikroskopischen Maß stab, sondern ist rauh und hat
viele feine Vertiefungen und Erhebungen. Solche metallischen Oberflächen scheinen
sich, sobald sie miteinander in Berührung gebracht werden, auf
einer großen
Fläche
zu berühren.
Jedoch sind in Wirklichkeit nur kleine Erhebungen, die sich auf
der Oberfläche
befinden, miteinander in Berührung.
Folglich ist die sogenannte tatsächliche
Berührungsfläche kleiner
als die scheinbare Berührungsfläche. Entsprechend
wird ein hoher Druck auf den tatsächlichen Berührungsabschnitt,
d.h. auf berührende
Erhebungen ausgeübt,
was Verschmelzung zwischen den sich berührenden Metallen verursacht.
Als Folge wird weicheres Metall abgerissen und wandert auf das härtere Metall;
das heißt,
adhäsiver
Verschleiß tritt
auf. Wenn Materialien mit unterschiedlichen Härten miteinander in Berührung sind
oder wenn weiche Metalle, von denen jedes hartes enthält, einander
berühren,
schneidet hartes Metall mechanisch das weiche aus und verursacht
Schürfverschleiß.
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Eine
solche Verschleißerscheinung
hängt von
der Härte
der einander berührenden
metallischen Materialien ab und vom Zustand des Ineinandergreifens
der metallischen Materialien. Grundsätzlich steigt die Verschleißerscheinung
eines Schleifkontakts im Verhältnis
zum Berührungsdruck
an und wird weniger stark, je härter
das Material ist. Jedoch ändert
sich die Verschleißerscheinung
stark, abhängig
von der Temperatur während
der Berührung,
der Veränderung
der Feuchtigkeit, und der Anwesenheit einer korrodierenden Komponente,
eines organischen Dampfes, Staubes oder eines ähnlichen Stoffes. Eine solche Änderung
der Verschleißerscheinung
bedeutet eine Veränderung
des Zustands der Berührung
an dem Berührungsabschnitt
und führt
so zu einem Zuwachs des Übergangswiderstandes,
was die beständige
Beibehaltung eines niedrigen Übergangswiderstandes
merklich beeinträchtigt.
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Im
Falle eines Gleichstrommotors kleiner Baugröße, dessen Kommutator aus plattiertem
Verbundmaterial besteht, das ein Schleifkontaktmaterial ver wendet,
tritt die oben erwähnte
Verschleißerscheinung
zwischen dem Kommutator und einer Bürste auf, wenn der Motor mit
hoher Drehzahl läuft.
Kennzeichnenderweise erleidet ein Schleifkontaktmaterial, welches
den Kommutator bildet, wenn es über
einen langen Zeitraum Berührungsreibung
und Reibungshitze, verursacht durch Schleifen, ausgesetzt ist, gleichzeitig
adhäsiven
Verschleiß und
Schürfverschleiß. Die Folge
ist, dass die Oberfläche
des Schleifkontaktmaterials zerspant wird, wobei sie Verschleißpulver
erzeugt. Das so erzeugte Verschleißpulver verursacht eine Zunahme
des Übergangswiderstandes,
bleibt in Spalten des Kommutators hängen, wodurch ein Kurzschluss
erzeugt werden kann, oder erzeugt ein starkes Geräusch.
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Im
Falle eines plattierten Verbundmaterials, bei dem ein Schleifkontaktmaterial
verwendet wird, verursacht das Fortschreiten einer solchen Verschleißerscheinung
die Zerstörung
von Metall in der Oberflächenschicht
des plattierten Verbundmaterials, d.h. die Zerstörung des Schleifkontaktmaterials.
Als Folge erreicht der Verschleiß ein Trägermaterial, das sich unter
dem Schleifkontaktmaterial befindet; das heißt, das Trägermaterial, welches leicht
oxidiert, ist freigelegt. Ein durch Oxidation des Trägermaterials
gebildetes Metalloxid kann verschiedene elektrische Probleme verursachen.
Wenn ein doppelschichtiges oder dreischichtiges plattiertes Verbundmaterial
als Kommutator verwendet werden soll, ist deshalb die Verbesserung
des Legierungsmaterials, das die einzelnen Schichten bildet, eine
sehrwichtige Aufgabe.
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Beispiele
für bekannte
Materialien, die für
einen Kommutator für
einen Gleichstrommotor kleiner Baugröße verwendet wurden, der in
einem von einer wiederaufladbaren Batterie betriebenen Haushaltselektrogerät verwendet
wird, d.h. Beispiele eines Schleifkontaktmaterials, umfassen ein
doppelschichtiges plattiertes Verbundmaterial (zum Beispiel, Ag99-Cd1/Cu),
welches als Oberflächenschicht
eine Ag-Cd Legierung verwendet, die 1-2 Gewichts% Cd und den Rest
Ag enthält
und als Trägerschicht
Cu oder eine Cu-Legierung verwendet; und ein doppelschichtiges plattiertes
Verbundmaterial (zum Beispiel, Ag97,7-Cd2-Ni0,3/Cu) welches als
Oberflächenschicht
eine Ag-Cd-Ni-Legierung, die 1-2 Gewichts% Cd, 0,01-0,7 Gewichts%
Ni, und den Rest Ag enthält
und das als Trägerschicht
Cu oder eine Cu-Legierung verwendet. Der oben in Klammer gesetzte
Ausdruck "[Legierungszusammensetzung]/Cu" bezeichnet ein doppelschichtiges
plattiertes Verbundmaterial, und das Symbol "/" bezeichnet
die Grenze zwischen einer Oberflächenschicht
und einer Trägerschicht.
In dem Ausdruck "[Legierungszusammensetzung]/Cu" ist eine nach einem
Element als Bestandteil der Legierungszusammensetzung erscheinende
Zahl ein Wert in der Einheit Gewichts%.
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Solche
Ag-Cd und Ag-Cd-Ni-Legierungen zeigen hervorragende elektrische
Kenngrößen, Härte, und Übergangswiderstand.
Zum Beispiel offenbart die offen gelegte Japanische Patentanmeldung
Nr. 2-60745 eine Ag-Legierung, die als Schleifkontaktmaterial für einen
Gleichstrommotor kleiner Baugröße dient.
Die Ag-Legierung enthält
Sn und/oder Cd in einem Gesamtausmaß von 1-5 Gewichts% und den
Rest Ag. Da jedoch Cd hinsichtlich der Auswirkungen auf die Umwelt
einen schädlichen
Stoff darstellt, ist die Fertigung oder der Gebrauch von Schleifkontaktmaterial,
das Cd enthält,
nicht ratsam.
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Andere
Legierungen, die als Schleifkontaktmaterialien dienen, umfassen
Ag-Cu und Ag-Cu-Cd. Jedoch haben diese Materialien insofern ein
Problem, als dass der Übergangswiderstand
zu einem frühen
Zeitpunkt der Verwendung niedrig ist, sie aber zeitliche Schwankung
zeigen, was eine Wertminderung des Produkts bei Elektrorasierern
und ähnlichen
Produkten, die eine wiederaufladbare Batterie verwenden, zur Folge hat.
Wenn ein Motor eine solche Legierung als Schleifkontaktmaterial
verwendet, ergibt sich kennzeichnenderweise aus der zeitlichen Schwankung
eine Zunahme des Übergangswiderstandes,
woraus eine Zunahme der Anlaufspannung folgt. Entsprechend vermindert
sich die elektromotorische Kraft einer Batterie; folglich startet der
Motor nicht. Deshalb erhöht
sich die Frequenz des Wiederaufladens der Batterie, und die Lebensdauer
der Batterie selbst neigt dazu, sich zu verkürzen.
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Die
offengelegte Japanische Patentanmeldung JP 5-8104140-A offenbart
auch eine Ag-Zn-Legierung, die als Schleifkontaktmaterial dient.
Die Ag-Zn-Legierung
enthält
Zn in einer Menge von 1-10 Gewichts, mindestens ein Element, ausgewählt aus
einer Gruppe bestehend aus Te, Co, Ni, Cu, Ge, Ti und Pb in einer
Gesamtmenge von 0,5-1,0 Gewichts% und den Rest Ag. Nachdem Te, Co,
Ni, Cu, Ge, Ti und Pb leichter oxidieren als Zn, sind solche Elemente
im Schleifkontaktmaterial enthalten in dem Bestreben, die Oxidation
von Zn zu unterdrücken,
damit das Schleifkontaktmaterial die Sulfoxidationsbeständigkeit
und Gleitfähigkeit
beibehält und
verbesserte Verschleißfestigkeit
und beständigen,
niedrigen Übergangswiderstand
zeigt. Wie im Fall der oben erwähnten
Ag-Cu-Legierung ist jedoch der Übergangswiderstand
dieses Schleifkontaktmaterials in einem frühen Zeitabschnitt des Gebrauchs
niedrig, unterliegt aber zeitlicher Schwankung.
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Die
weitere offen gelegte Japanische Patentanmeldung JP 08260078-A offenbart
Ag-Zn- und Ag-Zn-Ni-Legierungen, die als Schleifkontaktmaterial
dienen. Diese Schleifkontaktmaterialien zeigen auch einen niedrigen Übergangswiderstand,
bewirken aber die Verschleißerscheinung
nicht so, dass die Haltbarkeit eines Motors verbessert ist.
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In
der deutschen, am 29. Mai 1952 unter der Nr. P 49 991 D. ausgelegten
Patentanmeldung ist eine Lötlegierung
offenbart, die verbesserte Benetz- und Fließeigenschaften aufweist. Hierbei
handelt es sich um eine Legierung, die 1-45 Gew.-% Pd oder Pd und
Cu, 0-4 Gew.-% Zn und/oder Cd, 0-3% Gew.-% Ni, Pt, Au und/oder Sn
sowie als Rest Ag mit Verunreinigungen auf weist. Diese Lötlegierung
eignet sich vorteilhaft beim Löten
von z. B. Elektrogeräten.
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Eine
weitere Legierung ist in der deutschen Patenschrift 5 93 466 offenbart,
die sich für
elektronische Kontakte bei Relais, Schaltern und dgl. eignet. Diese
Legierung setzt sich grundsätzlich
aus Palladium, weniger als 25%; Kupfer 1-50%; und als Rest Silber
zusammen. Sie kann einen kleinen Zusatz an Zink enthalten.
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Die
herkömmlichen,
vorstehend beschriebenen Schleifkontaktmaterialien eignen sich nicht
für neuere, mit
einer wiederaufladbaren Batterie betriebene Haushaltselektrogeräte. Neuere
Haushaltselektrogeräte,
die eine wiederaufladbare Batterie verwenden, speziell Kopfhörer-Stereogeräte, Kameras
und Elektrorasierer, müssen
eine Benutzung über
einen langen Zeitraum ermöglichen,
auch wenn ein Motor mit niedriger Anlaufspannung und einer wiederaufladbaren
Batterie verwendet wird. Daher gibt es eine große Nachfrage nach einem diesbezüglich zufrieden
stellenden Schleifkontaktmaterial.
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Im
Hinblick auf das Vorstehende ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
ein Material für
elektrische Schleifkontakte zu schaffen, dessen Legierungszusammensetzung
keinen umweltschädlichen
Stoff enthält, das
einen hervorragenden Übergangswiderstand
zeigt, dessen elektrische Kenngrößen gut
sind und keiner zeitlichen Schwankung unterliegen und dessen Verschleißfestigkeit
praktisch mit derjenigen anderer herkömmlicher Schleifkontaktmaterialien
vergleichbar ist, ebenso wie die Verlängerung der Lebensdauer eines Gleichstrommotors
kleiner Baugröße durch
die Verwendung eines solchen elektrischen Schleifkontaktmaterials
in einem daraus hergestellten Kommutator.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe ist in den Ansprüchen
1, 2 und 3 angegeben.
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Die
vorgenannten Probleme wurden durch Steuerung der Legierungszusammensetzung
der Ag-Zn-Pd- und Ag-Zn-Pd-Cu-Legierungen, die im wesentlichen Ag
als Hauptbestandteil enthalten, in Verbindung mit einem Trägermaterial
an Cu oder einer Cu-Legierung gelöst, so dass ein geeignetes
Verbundmaterial gefunden wurde. Der Gehalt von Zn und Pd oder der
von Zn, Pd und Cu wurde im Verhältnis
zum Ag-Gehalt gesteuert, um Legierungsgefüge zu erhalten, in denen diese
Metalle in der Ag-∝-Phase
in Form einer vollständigen
festen Lösung
vorkommen. Es stellte sich heraus, dass ein Schleifkontaktmaterial
mit dem so erhaltenen Legierungsgefüge für das erfindungsgemäße Verbundmaterial
seinen niedrigen Übertragungswiderstand
beibehält,
keine zeitabhängige
Schwankung aufweist und verbesserte Verschleißfestigkeit besitzt.
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Durch
die Vereinigung von Zn und Pd mit Ag oder die Vereinigung von Zn,
Pd und Cu mit Ag in geeigneten Mengen und in Form einer festen Lösung, werden
die folgenden Eigenschaften erhalten. Erstens ermöglicht die
Anwesenheit dieser Metalle in Form einer festen Lösung es
dem Ag, ohne Beeinträchtigung
der Leitfähigkeit
auszuhärten,
wobei dem daraus entstandenen Kontaktmaterial die geeignete Härte verliehen
wird. Zweitens bildet Zn oder Cu, wenn es in Ag in Form einer festen
Lösung
vorhanden ist, auf der Oberfläche
des Kontaktmaterials während
des Schleifens eine entsprechende Oxidschicht (Oxidband), d.h. ZnO
oder CuO. Diese Oxidschicht dient dem Berührungsabschnitt als Schmiermittel,
wobei sie den Reibungswiderstand vermindert und die Verschleißfestigkeit
verbessert.
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Die
Anwesenheit von Pd spielt eine wichtige Rolle bei der Verbesserung
der Verschleißfestigkeit,
die ein zweites Merkmal der vorliegenden Erfindung darstellt. Herkömmliche
Schleifkontaktmaterialien, wie zum Beispiel Ag-Zn und Ag-Cu-Legierungen,
versuchen ebenfalls durch Bildung einer Oxid schicht, wie ZnO oder CuO,
die Verschleißerscheinung
zu steuern. Wenn jedoch herkömmliche
Legierungen an der Luft bleiben, wird mit der Zeit an einem Berührungsabschnitt übermäßig viel
ZnO oder CuO erzeugt, mit der Folge einer Erhöhung des Übergangswiderstandes. Besonders
wenn CuO, dessen elektrische Leitfähigkeit niedrig ist, in einem hohen
Maße erzeugt
wird, sinkt der Übergangswiderstand
beträchtlich.
Sogar im Fall des elektrisch leitfähigen ZnO verursacht die übermäßige Bildung
des ZnO eine Erhöhung
des Übergangswiderstandes.
Im Gegensatz dazu unterdrückt
die Anwesenheit von Pd im Schleifkontaktmaterial der vorliegenden
Erfindung die übermäßige Oxidation
von Zn, oder Zn und Cu, das in Ag in Form einer festen Lösung vorhanden
ist. Genauer gesagt, unterdrückt
im Legierungsmaterial die Anwesenheit von Pd die übermäßige Oxidation
von Zn oder Cu und verhindert dadurch eine Zunahme des Übergangswiderstandes,
die sonst durch das Oxidband verursacht würde. Nichtsdestowenigerwird
ZnO oder CuO in dem Ausmaß erzeugt,
in dem es die Schmierung während
des Schleifens beeinflusst, und verbessert dadurch die Verschleißfestigkeit.
Somit wurde ohne die Beigabe von Cd eine Verbesserung der Eigenschaften
des Übergangswiderstandes
und der Verschleißfestigkeit
erzielt, was im Gegensatz zum Fall der herkömmlichen Ag-Zn und Ag-Cu-Legierungen
steht, die diese Verbesserung nicht erzielen können.
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Die
Erfindung ist nachstehend in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen
beispielsweise näher erläutert. Darin
zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines doppelschichtigen plattierten Verbundmaterials;
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2 eine
perspektivische Ansicht eines dreischichtigen plattierten Verbundmaterials.
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Nachstehend
sind zunächst
Legierungsmaterialien für
ein elektrisches Schleifkontaktmaterial mit den vorstehend erwähnten Eigenschaften
beschrieben.
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Gemäß einer
ersten Ausführungsform
nimmt ein Legierungsmaterial die Form einer Ag-Zn-Pd-Cu-Legierung
an, die 0,1-3,0 Gewichts% Zn, 0,1-1,5 Gewichts% Pd, 0,1-3,0 Gewichts%
Cu und als Rest Ag und unvermeidbare Verunreinigungen enthält.
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Durch
den Einsatz eines Zn-Gehalts von 0,1 bis zu weniger als 1,0 Gewichts%
kann der Beibehaltung eines niedrigen Übergangswiderstandes der Vorzug
gegeben werden. Durch den Einsatz eines Zn-Gehalts von 1,0 bis 3,0
Gewichts% kann der Verbesserung der Verschleißfestigkeit der Vorzug gegeben
werden. Die Eigenschaften des Legierungsmaterials können also
durch die Steuerung des Zn-Gehalts wahlweise genutzt werden. Verbesserung
der Verschleißfestigkeit
und Beibehaltung der nötigen
Eigenschaften des Übergangswiderstandes
können
bei einem Zn-Gehalt von weniger als 0,1 Gewichts% nicht erzielt
werden. Bei einem Zn-Gehalt von mehr als 3,0 Gewichts% erhöht sich
der Übergangswiderstand.
Die Zugabe von Cu ist sehr wirksam, wenn der Verbesserung der Verschleißfestigkeit
der Vorzug gegeben werden soll. Ein Cu-Gehalt von 0,5-2,5 Gewichts%
erzielt die größte Verbesserung
der Verschleißfestigkeit.
So wie beim Zn-Gehalt, kann bei einem Cu-Gehalt von weniger als
0,1 Gewichts% die Verbesserung der Verschleißfestigkeit und die Beibehaltung
der nötigen
Eigenschaften des Übergangswiderstandes
nicht erzielt werden. Bei einem Cu-Gehalt von mehr als 3,0 Gewichts%
kann die Verschleißfestigkeit
verbessert werden, aber es erhöht
sich der Übergangswiderstand.
Bei einem Pd-Gehalt von weniger als 0,1 Gewichts% verschwindet die
Wirkung gegen übermäßige Oxidation
des Zn und Cu. Wenn das Material, bei einem Pd-Gehalt von mehr als
1,5 Gewichts% an der Luft gelassen wird, neigt das Pd selbst dazu,
oxidiert zu werden und bildet eine Oxidschicht, die auf diese Wei se den Übergangswiderstand
erhöht.
Eine Zugabe von Pd ist bei einem Pd-Gehalt von 0,5-1,0 Gewichts%
besonders wirkungsvoll.
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Des
Weiteren wurde festgestellt, dass ein Legierungsmaterial für ein elektrisches
Schleifkontaktmaterial durch Zugabe von Ni zu einer Ag-Zn-Pd-Cu-Legierung einen
niedrigen Übergangswiderstand,
Verschleißfestigkeit
und hervorragende Maßhaltigkeit
zeigt. Es ist bekannt, dass Ag-Zn-Legierungen
eine Entfestigung zeigen. Diese Entfestigungserscheinung beeinflusst
in der eigentlichen Verwendung die Gleiteigenschaften nicht, hat
aber eine beträchtliche
Auswirkung auf die Maßhaltigkeit
während
der Verarbeitung eines Schleifkontaktmaterials; zum Beispiel während der
Herstellung eines plattierten Verbundmaterials. Im Falle der Anwendung
in einem Motor kleiner Baugröße, verursacht
insbesondere ein Maßfehler
ein Problem während
der Montage des Motors. Um die Entfestigung ohne Verschlechterung
des niedrigen Übergangswiderstandes
und der Verschleißfestigkeit
zu verhindern, wird gemäß der Erfindung
Ni in Silber fein dispergiert und schafft dadurch ein elektrisches
Schleifkontaktmaterial, das während
der Verarbeitung hervorragende Maßhaltigkeit zeigt. Weil Ni
Schwierigkeiten hat, im Silber in Form einer festen Lösung zu
bestehen, liegt Ni in dem Silber in einem fein dispergierten Zustand
vor, im Gegensatz zum Fall des Zn, Pd oder Cu. Dispergierte Ni-Teilchen
verhindern die Entfestigung, die sonst in Ag-Zn-Legierungen auftreten würde, und
dienen ferner als Schmiermittel, wodurch sie zur Verbesserung der
Verschleißfestigkeit
beitragen.
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Ein
solches Legierungsmaterial für
ein elektrisches Schleifenkontakmaterials nimmt die Form einer Ag-Zn-Pd-Ni-Legierung
an, die 0,1-3,0 Gewichts% Zn, 0,1-1,5 Gewichts% Pd, 0,01 bis weniger
als 0,5 Gewichts% Ni und als Rest Ag und unvermeidbare Verunreinigungen
enthält.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
nimmt ein Legierungsmaterial die Form einer Ag-Zn-Pd-Cu-Ni-Legierung
an, die 0,1-3,0 Gewichts% Zn, 0,1-1,5 Gewichts Pd, 0,1-3,0 Gewichts%
Cu, 0,01 bis weniger als 0,5 Gewichts% Ni und als Rest Ag und unvermeidbare
Verunreinigungen enthält.
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Bei
einem Ni-Gehalt von weniger als 0,01 Gewichts% kann eine Entfestigung
nicht verhindert werden. Bei einem Ni-Gehalt von mehr als 0,5 Gewichts%
sondert sich Ni ungleichmäßig ab.
Ferner bilden die auf der Oberfläche
eines Kontakts dispergierten Ni-Teilchen während des Schleifens Oxide,
die eine örtliche
Erhöhung des Übergangswiderstandes
verursachen. Gegen eine Entfestigung ist ein Ni-Gehalt von 0,2-0,4
Gewichts% am wirkungsvollsten und trägt auch in einem gewissen Grade
zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit
bei.
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Um
ein besseres Aufbringen auf einen Kommutator eines Motors zu gewährleisten,
wird das elektrische Schleifkontaktmaterial in Form eines plattierten
Verbundmaterials verwendet, in dem das Legierungsmaterial in einem
Abschnitt des Trägermaterials
aus Cu oder einer Cu-Legierung
eingebettet ist. Die Form des plattierten Verbundmaterials bietet
gute Lötbarkeit
beim Löten
der elektrischen Verbindungen des Kommutators ebenso wie verbesserte
Verarbeitbarkeit während
der Formung in eine vorbestimmte Gestalt des Kommutators. Durch
die Anwendung in Form eines plattierten Verbundmaterials kann die
Dicke des Legierungsmaterials, welches in das Trägermaterial eingebettet werden
soll, entsprechend dem zu verwendenden Motor gesteuert werden. Das
teure Legierungsmaterial kann so auf eine abschnittsweise Verwendung
eingeschränkt werden,
wodurch sich ein wirtschaftlicher Vorteil ergibt.
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Ein
im oben erwähnten
plattierten Verbundmaterial frei liegender Abschnitt des eingebetteten
Legierungsmaterials ist der Atmosphäre ausgesetzt und ist daher
korrosionsanfällig.
Deshalb ist in einem plattierten Verbundmateri al, in welchem das
Legierungsmaterial in einen Abschnitt des Trägermaterials eingebettet ist, zumindest
ein Abschnitt des Legierungsmaterials mit Au oder einer Au-Legierung
plattiert. Au oder eine Au-Legierung ist bekannt als gutes Kontaktmaterial,
das hervorragende Korrosionsbeständigkeit
und niedrigen Übergangswiderstand
zeigt, ist aber sehr teuer. Deshalb ist die Verwendung einer großen Menge
von Au oder einer Au-Legierung wirtschaftlich unvorteilhaft. Daher
ist das Legierungsmaterial der vorliegenden Erfindung teilweise
plattiert mit Au oder einer Au-Legierung, wodurch Kosten reduziert
und Korrosion des Materials verhindert werden. Über dies kann durch das Auftragen
eines solchen plattierten Verbundmaterials auf einen Kommutator eines
Motors der Motor in einem frühen
Zeitabschnitt seines Gebrauchs in guter Verfassung vermöge der hervorragenden
Eigenschaften des Übergangswiderstandes
von Au oder einer Au-Legierung betrieben werden. Der Motor kann
weiterhin verwendet werden, auch wenn die Plattierung aus Au oder
einer Au-Legierung durch Verschleiß zerstört wurde, da sich das Legierungsmaterial
darunter befindet.
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Das
so genannte doppelschichtige oder dreischichtige plattierte Verbundmaterial
wird auf einen Kommutator eines Gleichstrommotors kleiner Baugröße aufgetragen.
Demzufolge kann der Gleichstrommotor kleiner Baugröße unter
folgenden Bedingungen betrieben werden: ein beständig niedriger Übergangswiderstand, eine
geringere zeitabhängige
Schwankung, das Fehlen des durch Verschleißpulver verursachten Problems und
eine niedrige Anlaufspannung. So kann die Lebensdauer eines Gleichstrommotors
kleiner Baugröße, sowie
die Lebensdauer der wiederaufladbaren Batterie, mit welcher der
Motor betrieben wird, verlängert
werden.
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Nachstehend
ist eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit den unten angeführten Beispielen
1 bis 18 beschrieben. Die Beispiele 1 bis 18 weisen die in Tabelle
1 gezeigten Legierungen auf. Beispiele 1 bis 6 nach dem Stand der
Technik und die Vergleichsbeispiele 1 und 2 bezeichnen Legierungsmaterialien,
die zum Vergleich mit den Beispielen verwendet werden (die Beispiele
des Standes der Technik und die Vergleichsbeispiele bezeichnen Legierungsmaterialien
von Kommutatoren, welche die Erfinder herkömmlich angewendet haben). Diese
Legierungen mit den jeweiligen Zusammensetzungen wurden durch Schmelzen,
Gießen,
Plandrehen und Walzen mithilfe einer Nutenfräse bearbeitet, um sie dabei
in quadratische 5,5-mm-Stäbe
zu formen. Die quadratischen Stäbe
wurden hitzebehandelt (Förderofen,
650 °C,
250 mm/min) und wurden dann zu Rundstäben mit einem Durchmesser von
2 mm gezogen.
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Die
Testmaterialien, welche die Form eines Rundstabes mit 2 mm Durchmesser
annehmen und jeweils die Legierungszusammensetzung der Beispiele
1-18, der Beispiele 1-6 des Standes der Technik und der Vergleichsbeispiele
1 und 2 aufweisen, wurden in der folgenden Weise getestet. Jedes
der Testmaterialien und ein Rundstab aus 50 Gewichts% Ag-Pd mit
einem Durchmesser von 2 mm wurden gekreuzt und einer Verschleißprüfung unter
den unten angeführten
Prüfbedingungen
unterzogen, um die Verschleißmenge
(Verschleißvolumen)
zu messen.
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Das
Verschleißvolumen
wurde unter den folgenden Verschleiß-Prüfbedingungen
erhalten.
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[Verschleiß-Prüfbedingungen]
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Bemerkenswerterweise
wurde bei den Testmaterialien, die der Verschleißprüfung unterzogen worden waren,
ein Übertrag
des Materials von dem Material des beweglichen Kontakts (Testmaterial)
auf das Material des ortsfesten Kontakts (50 Gewichts Ag-Pd) beobachtet.
Da die Gestalt eines verschlissenen Abschnitts des Materials des
beweglichen Kontakts (Testmaterial) im Wesentlichen als Ellipsoid
angenähert
werden kann, wurde das Verschleißvolumen des verschlissenen
Abschnitts nach der folgenden Formel (1) berechnet. Das Verschleißvolumen
wurde an 10 Punkten für
jedes der Legierungsmaterialien bestimmt und ein durchschnittliches
Verschleißvolumen
wurde berechnet. Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse der Berechnung
TABELLE
2
Als nächstes ist
eine Ausführungsform
eines plattierten Verbundmaterials gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Die perspektivische Ansicht von
1 zeigt
ein so genanntes doppelschichtiges plattiertes Verbundmaterial,
in welches ein Legierungsmaterial (
1) gemäß aller
Beispiele in einem Abschnitt eines Trägermaterials (
2) aus
Cu-Legierung eingebettet ist. Die perspektivische Ansicht von
2 zeigt
ein so genanntes dreischichtiges plattiertes Verbundmaterial, in
welches ein Legierungsmaterial (
1) gemäß aller Beispiele in einem Abschnitt
des Trägermaterials
(
2) aus Cu-Legierung
eingebettet ist und in welchem ein Abschnitt des eingebetteten Legierungsmaterials
mit Au plattiert ist.
1a,
2a und
2b zeigen
plattierte Verbundmaterialien mit einem Band, und
1b zeigt
ein plattiertes Verbundmaterial mit zwei Bändern. In
1 und
2 bezeichnet
Ziffer
1 das Legierungsmaterial der Erfindung; Ziffer
1' bezeichnet
einen freiliegenden Abschnitt des Legierungsmaterials; Ziffer
2 bezeichnet
ein Trägermaterial
aus einer Cu-Legierung; und Ziffer
3 bezeichnet Au.
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Die
vorerwähnten
doppelschichtigen plattierten Verbundmaterialien wurden mittels
der hier beispielhaft dargestellten Legierungsmaterialien hergestellt
und wurden auf zeitliche Schwankung des Übergangswiderstandes (Kontaktwiderstand)
hin überprüft. Die
doppelschichtigen plattierten Ver bundmaterialien wurden beschleunigenden
Bedingungen ausgesetzt, um sie dadurch auf die zeitliche Schwankung
des Übergangswiderstandes
auszuwerfen. Kennzeichnenderweise wurden die plattierten Verbundmaterialien
240 Stunden lang in einer Atmosphäre mit einer Temperatur von
60 °C und
einer Feuchtigkeit von 90 % belassen; mit anderen Worten, die zweischichtigen
plattierten Verbundmaterialien wurden gealtert, damit sich auf der
Oberfläche
eines jeden Legierungsmaterials eine Oxidschicht bildet. Vor und
nach dem Altern wurden der Übergangswiderstand
der Proben mit einem Übergangswiderstands-Messgerät gemessen,
welches ein Verfahren anwendet, welches vier Fühler benötigt unter Verwendung von Platinmessfühlern und
einer Belastung von 10 g. Der Übergangswiderstand
jeder der Proben wurde an 100 Punkten gemessen. Die Messungen wurden
durch die nachstehende Formel (2) statistisch ausgewertet, wonach
sich der Übergangswiderstand
für jede
Probe ergab.
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Die
Legierungsmaterialien der Beispiele haben, wie aus den Versuchsergebnissen
in Tabelle 2 und 3 ersichtlich ist, folgende Eigenschaften. Wie
aus Tabelle 2 ersichtlich, besitzen die Legierungsmaterialien von Beispiel
3 bis 18 einen Übergangswiderstand,
der im Wesentlichen dem der Beispiele des Standes der Technik und
der Vergleichsbeispiele ähnelt.
Wie aus Tabelle 3 ersichtlich, ähneln
die mit den Legierungsmaterialien der Beispiele hergestellten plattierten
Verbundmaterialien, was den vor dem Altern gemessenen Übergangswiderstand
betrifft, im wesentlichen denen der Beispiele des Standes der Technik
und der Vergleichsbeispiele und sind bis zu einem gewissen Ausmaß, was den
nach dem Altern gemessenen Übergangswiderstand
betrifft, denen der Beispiele des Standes der Technik unterlegen,
zeigen aber keine extreme Zunahme des nach dem Altern gemessenen Übergangswiderstandes,
wie es bei den Vergleichsbeispielen 1 und 2 der Fall ist. Die nach dem
Altern gemessenen Werte des Übergangswiderstandes
der Beispiele sind zu einem gewissen Ausmaß schlechter, sind aber hinreichend
zufrieden stellend im tatsächlichen
Gebrauch. In Tabelle 2 zeigen Beispiel 1 und 2 eine Verschleißfestigkeit,
welche zu einem gewissen Ausmaß jener
der Beispiele des Standes der Technik und der Vergleichsbeispiele
unterlegen ist. Eine gemeinsame Auswertung der Prüfergebnisse
aus Tabelle 2 und 3 deutet darauf hin, dass die Legierungsmaterialien
von Beispiel 1 und 2, was den tatsächlichen Gebrauch betrifft,
hinreichend zufrieden stellende Eigenschaften besitzen.
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Es
wurden Gleichstrommotoren kleiner Baugröße unter Verwendung der wie
vorstehend beschrieben hergestellten elektrischen Schleifkontaktmaterialien
zusammengebaut und auf Haltbarkeit hin untersucht. Zuerst ist die
Haltbarkeitsprüfung
beschrieben, die an jenen Motoren durchgeführt wurde, welche die Legierungsmaterialien
der Beispiele 3 und 15 gemäß der Erfindung
und des Beispiels des Standes der Technik, verwendeten. Die in 1 gezeigten
zweischichtigen plattierten Verbundmaterialien wurden unter Verwendung
der Legierungsmaterialien mit den Zusammensetzungen von Beispiel
3 und 15 und von Beispiel 1 des Standes der Technik hergestellt.
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Die
so hergestellten zweischichtigen plattierten Verbundmaterialien
wurden zu Dreipolkommutatoren geformt. Diese Dreipolkommutatoren
wurden als elektrische Schleifkontakte in Gleichstrommotoren kleiner Baugröße eingebaut. Bedingungen
der Haltbarkeitsprüfung:
| Spannung | 1,2V |
| Drehmoment | 15
g-cm |
| Umlaufsinn | von
der Ausgangswelle aus gesehen gegen den Uhrzeigersinn |
| Betriebsart | 5
Minuten EIN, 30 Sekunden AUS |
| Anzahl
der geprüften
Motoren | 10 |
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Tabelle
4 zeigt den stationären
Strom und die Drehzahl, wie sie für die Motoren in der Anfangsphase der
obigen Haltbarkeitsprüfung
und 500 Stunden später
gemessen wurden.
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Wie
in Tabelle 4 gezeigt, ähneln
die Motoren, welche die Legierungsmaterialien von Beispiel 3 und
15 verwenden, in Übergangswiderstand
und Haltbarkeit jenen, die das Legierungsmaterial der Beispieles
des Standes der Technik 1 verwenden, welches Cd enthält.
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Tabelle
5 zeigt die Ergebnisse der Haltbarkeitsprüfung, die an Gleichstrommotoren
kleiner Baugröße durchgeführt wurden,
wobei die Motoren Schleifkontaktmaterialien unter Verwendung des
Legierungsmaterials von Beispiel 5 und 6 des Standes der Technik,
welche kein Cd enthalten, und die Schleifkontaktmaterialien mit
dem Legierungsmaterial von Beispiel 4 und 14 einsetzen. Der Einbau
der Kommutatoren in die Motoren und die Prüfbedingungen gleichen jenen
der oben beschriebenen Haltbarkeitsprüfung; deshalb erübrigt sich die
Beschreibung derselben.
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Von
den zehn Motoren, die das Schleifkontaktmaterial auf der Basis des
Beispieles 5 des Standes der Technik verwendeten, blieb, wie in
Tabelle 5 gezeigt, ein Motor nach 260 Betriebsstunden stehen, und
ein anderer blieb nach 380 Betriebsstunden stehen. Von den zehn
Motoren, die das Schleifkontaktmaterial auf der Basis von Beispiel
6 des Standes der Technik verwendeten, blieb ein Motor nach 260
Betriebsstunden stehen. Diese Motoren erreichen das Ziel einer Lebensdauer
von 400 Stunden nicht. Im Gegensatz dazu zeigten die zehn Motoren,
die das elektrische Schleifkontaktmaterial auf der Basis der Beispiele
4 bis 14 verwendeten, eine Lebensdauer von nicht weniger als 400
Stunden.
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Die
oben beschriebenen Prüfergebnisse
können
wie folgt zusammengefasst werden. Die beispielsweisen elektrischen
Schleifkontaktmaterialien enthalten Legierungen, die kein Cd enthalten, ähneln jedoch, was
den Übergangswiderstand
und die Verschleißfestigkeit
betrifft, den Legierungsmaterialien, die Cd enthalten. Auch sind
die Legierungsmaterialien der Beispiele mit anderen herkömmlichen
Legierungsmaterialien, die kein Cd enthalten, praktisch vergleichbar.
Des weiteren zeigen die beispielsweisen elektrischen Schleifkontaktmaterialien,
wenn sie in einen Gleichstrommotor kleiner Baugröße eingebaut werden, ähnlichen Übergangswiderstand
und Verschleißfestigkeit,
wie Schleifkontaktmaterialien, die Cd enthalten, und gewährleisten
offensichtlich, verglichen mit herkömmlichen Schleifkontaktmaterialien,
die kein Cd enthalten, eine längere
Lebensdauer des Motors.
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Das
elektrische Schleifkontaktmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung
hat, wie oben beschrieben, eine Legierungszusammensetzung, welche
keine umweltschädlichen
Stoffe, wie Cd, enthält;
es kann einen niedrigen Übergangswiderstand
beibehalten, zeigt gute elektrische Kenngrößen frei von zeitlicher Schwankung,
und zeigt überdies
einen Übergangswiderstand,
der mit dem von herkömmlichen
Schleifkontaktmaterialien praktisch gleichzusetzen ist. Insbesondere
wenn es in einem Haushaltselektrogerät zur Anwendung kommt, das
mit einem mit einer wiederaufladbaren Batterie betriebenen Gleichstrommotor
kleiner Baugröße ausgestattet
ist, behält
das elektrische Schleifkontaktmaterial einen niedrigen Übergangswiderstand
bei, und der Motor kann bei einer niedrigen Anlaufspannung betrieben
werden. Somit kann ein Motor, der das Schleifkontaktmaterial der
Erfindung verwendet, im Gegensatz zu einem Motor, der ein herkömmliches
Schleifkontaktmaterial verwendet, über einen langen Zeitraum hinweg
ohne Unterbrechung verwendet werden. Des weiteren kann die Lebensdauer
einer für
den Betrieb eines Motors gedachten, wiederaufladbaren Batterie verlängert werden.
Als nächstes ist eine Ausführungsform eines plattierten Verbundmaterials gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die perspektivische Ansicht von
