TWI586819B - 滑動接點材料以及其製造方法 - Google Patents

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Description

滑動接點材料以及其製造方法
本發明係關於由Ag合金所成之滑動接點材料。尤其，對於因高旋轉數化等而能增大負荷之馬達用整流子等可較好地使用之滑動接點材料。
馬達為各種家電製品或汽車等之多種用途所使用之機器，但近年來，關於其小型化、高輸出化而要求更高程度者。因該傾向而使馬達旋轉數增加，故而要求可對應其而可發揮長壽命之馬達。
作為因壽命而使馬達停止之例，舉例為因其構成零件的整流器與刷毛之間產生之機械磨耗者。該現象中，因馬達驅動過程之滑動所致之磨耗使整流器之材料移行附著至刷毛，其再移行附著於整流器之過程中生成粗大磨耗粒子。接著，該磨耗粒子累積於整流器之狹縫中，使整流器短路並使馬達停止。若考慮該機制，則作為用以使馬達長壽命化之對策，舉例有改善構成該等零件之滑動接點材料之耐磨耗特性。
作為應用於馬達等之滑動接點材料，除了耐磨耗性以外亦考慮導電性時，充分已知有Ag系合金。例如對Ag進行Cu合金化之Ag-Cu合金、或進而使Zn、Mg合金化之Ag-Cu-Zn合金、Ag-Cu-Zn-Mg合金等為已知。
[先前技術文獻]
[專利文獻1]日本特開平6-172894號公報
迄今所揭示之滑動接點材料雖亦具有一定效果，但為了開發亦可耐受因上述之馬達旋轉數增大導致之負荷之馬達，而要求耐磨耗性更優異者。因此，本發明之目的係提供耐磨耗性比以往技術更優異之以Ag合金為基本之滑動接點材料。
解決上述課題之本發明係滑動接點材料，其係由下列成分而成：6.0質量%以上9.0質量%以下之Cu、0.1質量%以上2.0質量%以下之Ni、0.1質量%以上0.8質量%以下之添加元素M、其餘為Ag及不可避免雜質，前述添加元素M係選自Sm、La、Zr所成之群中之至少一種元素，作為其材料組織，具有於Ag合金基質中分散有分散粒子之材料組織，該分散粒子包含至少含有Ni 及添加元素M之兩者之金屬間化合物，前述分散粒子中之Ni含量(質量%)與添加元素M之含量(質量%)之比率(KNi/KM)落於下述範圍內，
‧添加元素M為Sm、La時：1.50以上2.50以下
‧添加元素M為Zr時：1.80以上2.80以下。
本發明之滑動接點材料係以Ag-Cu合金為基底之合金，並於其中添加Ni及稀土類元素(Sm、La)或Zr者。而且，係以Ag合金為基質，於其中分散有包含特定金屬間化合物之分散粒子者。亦即，本發明係藉由金屬間化合物之分散強化機構而強化Ag合金，而具備作為滑動接點材料有效之耐磨耗性者。
此處重要的是所謂發揮強化作用之分散粒子並非意指單純地相對於成為基質之Ag合金為組成不同之相即可。Ni或Sm等稀土類元素即使固熔於Ag而並非單獨雖亦可形成分散粒子，但該情況下無法期待耐磨耗性之提高。本發明中之有效分散粒子係包含含有Ni與添加元素M兩者之金屬間化合物者，且針對Ni與添加元素M之含量要求具備特定比率。
進而，Sm、La、Zr雖分別與Ni形成金屬間化合物，但其構成不僅一種而可形成複數種金屬間化合物。作為其例，針對添加Ni及Sm兩者之情況加以說明。圖1係Sm-Ni系狀態圖，但如由該圖所了解，於該系中，根據Sm與Ni之構成比率可形成複數之金屬間化合物。根據本發明人等確認於Ag合金中添加Sm與Ni時， 可有效強化合金之金屬間化合物為SmNi5。此以外之金屬間化合物無助於材料強化。
如此，必須選擇具有強化作用之特定金屬間化合物之方面，於La、Zr亦相同。具體而言，關於La，LaNi5為有用，關於Zr，Zr2Ni7為有用。圖2係顯示La-Ni系及Ni-Zr系之狀態圖，但針對該等亦要求特定區域之金屬間化合物。本發明之滑動接點材料係藉由主體上包含該等有用金屬間化合物之分散粒子而強化。以下，針對本發明之構成更詳細說明。
如上述，本發明之滑動接點材料，作為全體組成，係由6.0質量%以上9.0質量%以下之Cu、0.1質量%以上2.0質量%以下之Ni、0.1質量%以上0.8質量%以下之添加元素M、其餘為Ag及不可避免雜質所成者。
此處，說明各構成元素。Cu主要係本發明之滑動接點材料之成為基質之Ag合金之構成成分。藉由此Cu之添加量成為適當範圍，可使基質成為適當強度。Cu濃度未達6.0質量%及超過9.0質量%，均會使滑動接點材料之耐磨耗性降低並增大磨耗量。
Ni係如目前所說明般，為具有強化作用之金屬間化合物之構成元素。關於Ni濃度係設為0.1質量%以上2.0質量%以下，於該等範圍以外則難以生成有效之金屬間化合物。尤其若超過2.0質量%，則產生Ni偏析且加工性亦惡化。
關於添加元素M(Sm、La、Zr)係設為0.1 質量%以上0.8質量%以下。其理由為可生成有效組成之金屬間化合物。添加Sm、La、Zr中之複數種添加元素時，該等合計值設為0.1質量%以上0.8質量%以下。關於添加元素M之濃度，更好為0.4質量%以上0.8質量%以下。細節將於後述，但添加元素M之濃度與Ni濃度較好考慮兩者之比率而調整。
具有以上全體組成之Ag合金中，成為基質之Ag合金為Ag-Cu合金。且添加有後述之Zn、Mg時之基質成為Ag-Cu-Zn合金、Ag-Cu-Zn-Mg合金。亦即，於基質中幾乎不含Ni及添加元素M。係因為該等添加元素對於Ag不具有固熔範圍之故，基質中之Ni濃度為0.1質量%以下。
而且，本發明中作為特徵而規定之分散粒子係以Ni與添加元素M(Sm、La、Zr)之金屬間化合物(SmNi5、LaNi5、Zr2Ni7)為主成分，但不限於僅以該等構成。例如添加Sm作為添加元素M之滑動接點材料時，有時分散粒子中除了Ni與Sm以外亦包含Cu。此推測係因為形成了於SmNi5中固熔有Cu之分散粒子、或者形成了於SmNi5中混合有包含Cu之合金相(CuNi等)而一體化之分散粒子。如此，本發明之分散粒子亦可包含Ni與Sm等添加元素M以外之元素。
不過，即使分散粒子含有Ni與添加元素M以外之元素，由於本發明中成為有效之分散粒子係以適當金屬間化合物(SmNi5、LaNi5、Zr2Ni7)為主成分，故分散 粒子中之Ni含量(質量%)與添加元素M含量(質量%)之比率(KNi/KM)之值落於一定範圍內。關於該含量之比率(KNi/KM)，於添加元素M為Sm或La時為1.50以上2.50以下，且添加元素為M為Zr時為1.80以上2.80以下。依據本發明人等之檢討，認為KNi/KM之值在上述範圍外之分散粒子相當於並非以Ni與添加元素M之金屬間化合物構成之分散粒子，或者即使為含有Ni與添加元素M之金屬間化合物者亦以具有強化作用之金屬間化合物(SmNi5、LaNi5、Zr2Ni7)以外之金屬間化合物所構成之分散粒子等。此種分散粒子不具有材料強化作用。
關於添加元素M的Sm、La、Zr，亦可添加任2種或3種金屬元素。而且，添加複數種添加元素M時之分散粒子中之KM值係應用該分散粒子中之添加元素M之含量合計值。
不過，作為添加複數種添加元素時之分散粒子之構成，大多生成以1種金屬元素與Ni構成之2元系金屬間化合物。例如若添加Sm、La、Zr之3種元素，則分別形成Ni與Sm之金屬間化合物、Ni與La之金屬間化合物、及Ni與Zr之金屬間化合物之3種金屬間化合物，構成個別分散粒子之可能性高。該情況下，針對各分散粒子，只要KNi/KM之值在含有之添加元素M中設定之範圍內即可。但亦會生成由所添加之複數種元素全部所成之金屬間化合物之情況。該情況下將該分散粒子中之複數種添加元素之含量合計設為KM，只要KNi/KM之值滿足分散粒 子中之添加元素M所設定之全部範圍即可。例如添加Sm、Zr之2種元素，而生成Sm、Zr與Ni之金屬間化合物時，分散粒子中之Sm含量與Zr含量之合計值設為KM。因此，要求KNi/KM之值具備對於Sm之條件(1.50以上2.50以下)與對於Zr之條件(1.80以上2.80以下)之兩者，亦即要求1.80以上2.50以下。
進而，本發明中，為了使分散粒子之組成及其分佈狀態為良好者，較好調整全體組成中之Ni濃度(SNi：質量%)與添加元素M之濃度(SM：質量%)之比率。該濃度比(SNi/SM)之較佳範圍係隨添加元素M種類而異。具體而言，含有Sm作為添加元素M之材料較好為0.80以上5.0以下。且，含有La作為添加元素M之材料較好為1.50以上5.0以下，含有Zr作為添加元素M之材料較好為1.40以上6.7以下。
又，添加Sm、La、Zr中之2種或3種金屬元素時，添加元素M之濃度(SM)係應用各添加元素之濃度之合計值。因此，濃度比(SNi/SM)較好具備各添加元素所設定之較佳範圍之全部。例如添加Sm、Zr之2種元素之材料，Sm濃度與Zr濃度之合計設為添加元素M之濃度(SM)，濃度比(SNi/SM)較好具備對於Sm之較佳條件(0.80以上5.0以下)與對於Zr之較佳條件(1.40以上6.7以下)之兩者，亦即1.4以上5.0以下。
本發明之滑動接點材料為以AgCu合金為基礎者，但亦可於其中添加其他添加元素。尤其藉由添加0.1 質量%以上2.0質量%以下之Zn，有助於成為基質之Ag合金之強化，與滑動接點材料全體之材料強化有關。又，基於同樣意旨，含有0.05質量%以上0.3質量%以下之Mg之滑動接點材料亦具有滑動性等之較佳特性。
本發明之滑動接點材料係以分散有包含上述特定金屬間化合物之分散粒子為必須構成，但並未否定其以外之相(析出物)之存在。此處，作為可產生之其他相，舉例有Cu與Ni之合金相(CuNi)或添加Zn時可能生成之Cu與Ni與Zn之合金相(CuNiZn)等。該等析出相雖為對材料強化無較大助益者，但由於亦非阻礙要因故而可容許存在。
其次，針對本發明之滑動接點材料之製造方法加以說明。本發明之滑動接點材料基本上可藉由溶解鑄造法製造。亦即，可藉由生成由6.0質量%以上9.0質量%以下之Cu、0.1質量%以上2.0質量%以下之Ni、0.1質量%以上0.8質量%以下之添加元素M、其餘為Ag及不可避免雜質所成之Ag合金之熔液，之後使之冷卻凝固而製造。
但，本發明中，有必要形成具有強化作用之金屬間化合物，分散具有Ni含量與添加元素M含量之比率(KNi/KM)之分散粒子。上述之有效金屬間化合物任一情況下均為高熔點且固相線溫度高。因此本發明中，熔液之溫度管理重要，需要將冷卻凝固前之溶液之溫度設為1300℃以上。該熔液溫度在冷卻前只要達到前述溫度即可 並無必要長時間保持，但較好保持5~10分鐘左右後冷卻。該加熱溫度之上限，基於能源成本或裝置保全等之現實觀點，較好為1400℃以下。
因此，本發明之滑動接點材料之製造方法之另一重要點為凝固時之冷卻速度。本發明中必須之金屬間化合物由於有比重比基質(Ag合金)低之傾向，故若冷卻速度低則生成之金屬間化合物浮揚而對均一分散產生障礙。又，若冷卻速度過度慢，則有適當組成之金屬間化合物組成產生變動而變化成不佳組成之金屬間化合物之虞。基於此，本發明中凝固時之冷卻速度設為100℃/min以上。冷卻速度之上限較好設為3000℃/min以下。
又，製造Ag合金熔液時，通常使用各金屬成分(Ag、Cu等)之高純度原料，並將該等混合‧熔解。此時，本發明之滑動接點材料亦可回收使用。本發明之滑動接點材料之金屬間化合物藉由加熱至液相線以上，藉由可逆地熔解冷卻而以同樣組成再生。例如，可利用前次製造之邊料或使用過之材料(未被污染者)。
如以上說明，本發明之滑動接點材料藉由應用迄今有用性未被確認之Ni與特定元素之金屬間化合物而具有高的耐磨耗性。本發明可使用作為進展為小型化‧高旋轉數化之馬達之構成材料。尤其，可使用作為於微型馬達之整流器使用之滑動接點材料。又，本發明之滑動接 點材料亦可作為無垢材使用，但亦可以包覆材之形態使用。舉例為例如於Cu或Cu合金之任一者複合本發明之滑動接點材料而成之包覆材。此時，將本發明之滑動接點材料作為滑動面接合於Cu或Cu合金之一部分或全面。
圖1係用以說明本發明所生成之金屬間化合物之Sm-Ni系狀態圖。
圖2係用以說明本發明所生成之金屬間化合物之La-Ni系狀態圖及Ni-Zr系狀態圖。
圖3係說明以本實施形態進行之滑動試驗之試驗方法之圖。
圖4係實施例11及實施例13之金屬組織照片與實施例11之EDS分析結果。
圖5係比較例1及比較例2之金屬組織照片與比較例2之EDS分析結果。
以下針對本發明之實施形態加以說明。本實施形態中，於Ag-Cu合金等中添加Ni及Sm等之添加元素而製造滑動接點材料並評價耐磨耗性。試驗材之製造係將高純度原料以成為特定組成之方式混合並進行高頻熔解作成熔液，測定熔液溫度以加熱至1300℃以上之方式加 熱，隨後急冷而製造合金錠塊。此時之冷卻速度為100℃/min。接著，進行輥軋加工，於600℃退火後，進行再輥軋加工、切斷加工作成試驗片(長45mm、寬4mm、厚1mm)。
本實施形態中，作為實施例1~實施例29，以上述製造步驟製造各種組成之滑動接點材料。且，作為比較例，製造僅添加Ni、Sm之一者之合金(比較例1、2)、Ni濃度過量之合金(比較例3)。且，亦製造添加Sm、La以外之稀土類元素的Eu作為添加金屬者(比較例4)。
進而，本實施形態亦檢討合金之製造條件所致之影響。此處，關於熔液溫度，設為比各實施例之溫度(1300℃)更低溫(1100℃)隨後急冷製造合金(比較例5、比較例7、8)。再者，將熔液溫度設為1300℃以上，以未達100℃/min緩慢冷卻，亦製造合金(比較例6)。又，比較例5與比較例6係組成與實施例13相同之合金。且，比較例7係組成與實施例2相同之合金，比較例8係組成與實施例7相同之合金。
針對所製作之各樣品，首先利用SEM進行組織觀察，調查分散粒子析出之有無。接著，隨機選出20個分散粒子，以EDX進行分散粒子之定性分析，測定分散粒子中之Ni含量與M含量，算出該等之比率(KNi/KM)。因此，關於實施例1~29，確認所測定之分散粒子全部之KNi/KM均在適當範圍內，並且算出該等之 平均值。又，關於比較例，針對所觀察之分散粒子，基於包含Ni與添加元素M兩者之分散粒子之有無進行檢討，於未觀察到包含Ni與添加元素M之分散粒子時判定為「無」分散粒子。且於觀察到包含Ni與添加元素M之分散粒子時，確認該等全部於適當範圍外，並算出KNi/KM之平均值。結果，比較例3、比較例5~8中，雖觀察到包含Ni與添加元素M之分散粒子，但KNi/KM值在適當範圍內之分散粒子一個也未發現。
接著，針對各試驗片進行用以評價耐磨耗性之滑動試驗。圖3係概略說明滑動試驗方法者，於該試驗將各實施例之試驗片作為固定接點，對其抵接作為刷毛預定之可動接點而加工之AgPd50線材並滑動。此時，可動接點以6V、50mA經常通電並荷重40g，自起點於前後5mm(10mm)往返時(20mm)設為1循環，滑動50000次循環(滑動長度合計1km)。隨後，測定滑動部分之磨耗深度。其結果示於表1。於該評價結果中，亦顯示先前技術之由Ag-Cu合金、Ag-Cu-Zn合金所成之滑動接點材料之測定值。
由表1可知若觀察同時添加Ni與添加元素M(Sm、La、Zr)之合金(實施例1~實施例29)，則可確認相對於先前例1、2之耐磨耗性飛躍性地提高。關於Ni與添加元素M，兩者之添加為必須，僅添加任一者則無效果。此可由與比較例1、2之比對而掌握。比較例1、2中，並未生成金屬間化合物，Ni、Sm並未固熔至基質的Ag合金中而是單獨分散。
圖4係實施例11及實施例13之金屬組織照 片。任一試料均見到因形成Ni與Sm之金屬間化合物所致之球狀分散粒子。實施例11之合金係磨耗量最少耐磨耗性優異之合金。圖4中，作為例亦顯示實施例11之分散粒子之EDS分析結果，可知係包含適當量之Ni及Sm者。相對於此，圖5係比較例1及比較例2之金屬組織照片。比較例1中，僅添加Ni者見到細長針狀之Ni相。比較例2係僅添加Sm者，但亦未見到如實施例11、13般之分散粒子。關於比較例2，對所觀察之析出相進行EDS分析，當然該析出相亦非包含Ni者。
關於分散粒子之構成，若參考比較例3~比較例8，則可理解必須控制Ni含量與添加元素M之含量之比率(KNi/KM)。亦即，各實施例中並未見到KNi/KM之值在與各添加元素對應之規定範圍外之分散粒子。相對於此，各比較例中，全然未觀察到未見到分散粒子(金屬間化合物)之合金、或分散粒子析出者之KNi/KM之值在適當範圍內者。例如，如比較例3若Ni過多則產生Ni較多之分散粒子。該比較例3中，與比較例1、2或先前例1、2對比，則耐磨耗性多少被改善，但尚不能稱為良好。
接著，詳細檢討各實施例之結果時，選定Sm、La、Zr作為添加元素可謂有效。此亦可由比較例4中，添加稀土類元素的Eu，亦未生成金屬間化合物且亦未見到耐磨耗性之改善加以理解。又，由實施例21~實施例24之結果可知，為了發揮更佳耐磨耗性，關於合金之 全體組成，較好控制Ni濃度與添加元素M之濃度之比(SNi/SM)。係因為該等實施例之磨耗量超過800μm2，認為比其他實施例耐磨耗性稍差。
又，關於本發明，以於Ag-Cu合金中添加Ni與Sm等之合金作為基本(實施例1~6、實施例8~10、實施例26~27)。而且，藉由於成為基本之合金系中添加Zn，而更強化(實施例7、實施例11~25、實施例28)。又，亦可添加Mg(實施例29)。
又，由比較例5~8之結果，可知為了獲得適當合金，重要的是設定製造條件。亦即，比較例5、6係組成與實施例13相同，但鑄造時之條件係熔液溫度較低或冷卻速度較慢而製造之合金。又，比較例7、8亦係各組成與實施例2、7共通，但熔液溫度設定為較低所製造之合金。該等比較例中，未生成有效之金屬間化合物，分散粒子組成亦在範圍外，耐磨耗性亦差。因此，本發明之材料僅以組成(全體組成)進行評價並非較佳，確認必須考慮以製造條件作為背景之材料組織。
[產業上之可利用性]
如以上說明，本發明之滑動接點材料具有相對於以往之Ag系滑動接點材料更高之耐磨耗性。本發明尤其可使用作為進展小型化‧高旋轉數化之微型馬達之整流器之滑動接點材料。因此，使用本發明之滑動接點材料所製作之微型馬達等之馬達為高性能‧高耐久性之馬達。

Claims (8)

  1. 一種滑動接點材料，其係由下列成分而成：6.0質量%以上9.0質量%以下之Cu、0.1質量%以上2.0質量%以下之Ni、0.1質量%以上0.8質量%以下之添加元素M、其餘為Ag及不可避免雜質，前述添加元素M係選自Sm、La、Zr所成之群中之至少一種元素，作為其材料組織，具有於Ag合金基質中分散有分散粒子之材料組織，該分散粒子包含至少含有Ni及添加元素M之兩者之金屬間化合物，前述分散粒子中之Ni含量(質量%)與添加元素M之含量(質量%)之比率(KNi/KM)落於下述範圍內，‧添加元素M為Sm、La時：1.50以上2.50以下‧添加元素M為Zr時：1.80以上2.80以下。
  2. 如請求項1之滑動接點材料，其中，含有Sm作為添加元素M，Ni濃度(SNi：質量%)與添加元素M之濃度(SM：質量%)之比(SNi/SM)為0.80以上5.0以下。
  3. 如請求項1或2之滑動接點材料，其中，含有La作為添加元素M，Ni濃度(SNi：質量%)與添加元素M之濃度(SM：質量%)之比(SNi/SM)為1.50以上5.0以下。
  4. 如請求項1或2之滑動接點材料，其中，含有Zr作為添加元素M，Ni濃度(SNi：質量%)與添加元素M 之濃度(SM：質量%)之比(SNi/SM)為1.40以上6.7以下。
  5. 如請求項1或2之滑動接點材料，其中，含有0.1質量%以上2.0質量%以下之Zn。
  6. 如請求項1或2之滑動接點材料，其中，含有0.05質量%以上0.3質量%以下之Mg。
  7. 一種滑動接點材料之製造方法，其係如請求項1~6中任一項之滑動接點材料之製造方法，且包含生成Ag合金之熔液，之後使其冷卻凝固之步驟，前述Ag合金之熔液係由6.0質量%以上9.0質量%以下之Cu、0.1質量%以上2.0質量%以下之Ni、0.1質量%以上0.8質量%以下之添加元素M、其餘為Ag及不可避免雜質所成，前述冷卻前之前述Ag合金之熔液溫度為1300℃以上，冷卻時之冷卻速度設在100℃/min以上。
  8. 一種包覆材，其係對如請求項1~6中任一項之滑動接點材料複合Cu或Cu合金之任一者而成。
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