WO2016104323A1 - 摺動接点材料及びその製造方法 - Google Patents

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巧望 新妻
高橋　昌宏
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    • H01R43/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining, or repairing of line connectors or current collectors or for joining electric conductors
    • H01R43/12—Manufacture of brushes

Definitions

  • the present invention relates to a sliding contact material made of an Ag alloy.
  • the present invention relates to a sliding contact material that can be suitably used for a motor commutator or the like whose load can be increased by increasing the number of rotations.
  • Motors are devices that are used in many applications such as various home appliances and automobiles. In recent years, motors of higher level are required for their miniaturization and higher output. Due to this tendency, the number of rotations of the motor increases, and a motor that can cope with this and can exhibit a long life is required.
  • an Ag-based alloy As a sliding contact material applied to a motor or the like, an Ag-based alloy is well known in consideration of conductivity in addition to wear resistance.
  • an Ag—Cu alloy obtained by alloying Cu with Ag an Ag—Cu—Zn alloy obtained by alloying Zn and Mg, an Ag—Cu—Zn—Mg alloy, and the like are known.
  • An object of the present invention is to provide a sliding contact material based on an Ag alloy that is superior in wear resistance to the prior art.
  • the present invention that solves the above-mentioned problems includes 6.0 mass% to 9.0 mass% Cu, 0.1 mass% to 2.0 mass% Ni, 0.1 mass% to 0.8 mass%
  • a sliding contact material comprising the following additive element M, balance Ag and inevitable impurities, wherein the additive element M is at least one element selected from the group consisting of Sm, La, and Zr,
  • the Ag alloy matrix has a material structure in which dispersed particles containing an intermetallic compound containing at least both Ni and the additive element M are dispersed, and the Ni content (mass%) and the additive element M in the dispersed particles.
  • a sliding contact material having a ratio (K Ni / K M ) to the content (mass%) of the material in the following range. -When additive element M is Sm, La: 1.50 or more and 2.50 or less-When additive element M is Zr: 1.80 or more and 2.80 or less
  • the sliding contact material according to the present invention is made of an alloy based on an Ag—Cu alloy, to which Ni and rare earth elements (Sm, La) or Zr are added. Then, an Ag alloy is used as a matrix, and dispersed particles containing a predetermined intermetallic compound are dispersed therein. That is, in the present invention, an Ag alloy is strengthened by a dispersion strengthening mechanism of an intermetallic compound, and is provided with wear resistance effective as a sliding contact material.
  • the dispersed particles exhibiting the strengthening action may simply be a phase having a composition different from that of the Ag alloy as a matrix.
  • Rare earth elements such as Ni and Sm do not dissolve in Ag and can form dispersed particles alone, but in that case, improvement in wear resistance cannot be expected.
  • the dispersed particles effective in the present invention include an intermetallic compound containing both Ni and the additive element M, and have a predetermined ratio with respect to the contents of Ni and the additive element M. Is required.
  • FIG. 1 is an Sm—Ni system phase diagram. As can be seen from this figure, in this system, a plurality of intermetallic compounds can be formed depending on the composition ratio of Sm and Ni. According to the present inventors, when adding Sm and Ni Ag alloy, intermetallic compound which can effectively enhance the alloy it has been confirmed that a SmNi 5. Other intermetallic compounds do not contribute to material strengthening.
  • FIG. 2 shows phase diagrams of La—Ni system and Ni—Zr system, which also require an intermetallic compound in a specific region.
  • the sliding contact material according to the present invention is reinforced by dispersed particles mainly containing these useful intermetallic compounds.
  • the sliding contact material according to the present invention has an overall composition of 6.0% by mass to 9.0% by mass of Cu, 0.1% by mass to 2.0% by mass of Ni, 0.0% by mass. It consists of 1% by mass or more and 0.8% by mass or less of the additive element M, the balance Ag and inevitable impurities.
  • Cu is mainly a constituent component of an Ag alloy serving as a matrix of the sliding contact material according to the present invention.
  • the matrix is made to have an appropriate strength. If the Cu concentration is less than 6.0% by mass or more than 9.0% by mass, the wear resistance of the sliding contact material is lowered and the wear amount is increased.
  • Ni is a constituent element of an intermetallic compound having a strengthening action as described above.
  • the Ni concentration is 0.1% by mass or more and 2.0% by mass or less, it is difficult to produce an effective intermetallic compound outside these ranges. In particular, when it exceeds 2.0 mass%, segregation of Ni also occurs and workability deteriorates.
  • the additive element M (Sm, La, Zr) is 0.1% by mass or more and 0.8% by mass or less. This is to produce an intermetallic compound having an effective composition. In the case where a plurality of kinds of additive elements are added from Sm, La, and Zr, the total value thereof is set to 0.1% by mass or more and 0.8% by mass or less.
  • the concentration of the additive element M is more preferably 0.4% by mass or more and 0.8% by mass or less. Although several details will be described later, the concentration of the additive element M and the Ni concentration are preferably adjusted in consideration of the ratio between them.
  • the Ag alloy serving as a matrix is an Ag—Cu alloy.
  • the matrix is an Ag—Cu—Zn alloy or an Ag—Cu—Zn—Mg alloy. That is, the matrix contains almost no Ni and no additive element M. This is because these additive elements do not have a solid solution range with respect to Ag, and the Ni concentration in the matrix is 0.1% by mass or less.
  • the dispersed particles defined as the characteristics of the present invention are mainly composed of an intermetallic compound (SmNi 5 , LaNi 5 , Zr 2 Ni 7 ) of Ni and an additive element M (Sm, La, Zr). It does not necessarily consist only of them.
  • the dispersed particles may contain Cu in addition to Ni and Sm. This is presumably because Cu was dissolved in SmNi 5 to form dispersed particles, or an alloy phase containing Cu (such as CuNi) was mixed with SmNi 5 to form dispersed particles.
  • the dispersed particles in the present invention may contain an element other than the additive element M such as Ni and Sm.
  • the dispersed particles effective in the present invention are mainly composed of suitable intermetallic compounds (SmNi 5 , LaNi 5 , Zr 2 Ni 7 ). Since it is a component, the value of the ratio (K Ni / K M ) between the Ni content (mass%) and the content (mass%) of the additive element M in the dispersed particles is within a certain range.
  • the content ratio (K Ni / K M ) is 1.50 or more and 2.50 or less when the additive element M is Sm or La, and 1 when the additive element M is Zr. .80 to 2.80.
  • the dispersed particles of values outside the above range of K Ni / K M are dispersed particles that are not configured in an intermetallic compound of Ni and additive elements M, or, Ni and additive elements Even if it contains an intermetallic compound with M, it is considered that it corresponds to dispersed particles composed of an intermetallic compound other than an intermetallic compound (SmNi 5 , LaNi 5 , Zr 2 Ni 7 ) having a strengthening action. Such dispersed particles do not affect material strengthening.
  • any two or three kinds of metal elements may be added. Then, the value of K M in the dispersed particles upon addition of additive element M of plural kinds, the total value of the amount of additive element M in the dispersed particles is applied.
  • a binary intermetallic compound composed of one kind of metal element and Ni is often generated.
  • an intermetallic compound of Ni and Sm an intermetallic compound of Ni and La
  • an intermetallic compound of Ni and Zr an intermetallic compound of Ni and Zr
  • three metals there is a high possibility that intermetallic compounds are formed to form separate dispersed particles.
  • the value of K Ni / K M may be within the range set for the additive element M contained.
  • the intermetallic compound which consists of all the added multiple types of elements may produce
  • the total content of the plurality of additive elements in the dispersed particles and K M is the value of K Ni / K M is, satisfies all of the set range for the additive element M in the dispersed particles It only has to be.
  • Sm were added two elements of Zr, Sm, when an intermetallic compound of Zr and Ni has generated a total value of the content and the Zr content of Sm in the dispersed particles and the K M To do.
  • the value of K Ni / K M has provided both conditions (1.50 to 2.50) and (2.80 or less 1.80 or higher) conditions for Zr against Sm, i.e. 1. It is required to be 80 or more and 2.50 or less.
  • the Ni concentration (S Ni : mass%) and the concentration of the additive element M (S M : mass%) in the overall composition It is preferable to adjust the ratio.
  • the preferable range of the concentration ratio (S Ni / S M ) differs depending on the type of the additive element M.
  • the material containing Sm as the additive element M is preferably 0.80 or more and 5.0 or less.
  • the material containing La as the additive element M is preferably 1.50 or more and 5.0 or less, and the material containing Zr as the additive element M is preferably 1.40 or more and 6.7 or less.
  • concentration ratio ( SNi / SM ) has comprised all the suitable ranges set to each additive element.
  • the sum of the Sm concentration and the Zr concentration is the concentration of the additive element M (S M ), and the concentration ratio (S Ni / S M ) is It is preferable that both the suitable condition (0.80 or more and 5.0 or less) and the suitable condition for Zr (1.40 or more and 6.7 or less) are satisfied, that is, 1.4 or more and 5.0 or less.
  • the sliding contact material according to the present invention is based on an AgCu alloy, but other additive elements may be added thereto.
  • the addition of 0.1% by mass or more and 2.0% by mass or less of Zn contributes to strengthening of the Ag alloy serving as a matrix, and leads to material strengthening of the entire sliding contact material.
  • a sliding contact material containing 0.05 mass% or more and 0.3 mass% or less of Mg also has preferable characteristics such as slidability.
  • the sliding contact material according to the present invention has an essential configuration in which dispersed particles containing the above-mentioned predetermined intermetallic compound are dispersed, but it does not deny the presence of other phases (precipitates).
  • other phases that can be generated include an alloy phase of Cu and Ni (CuNi), an alloy phase of Cu, Ni, and Zn (CuNiZn) that can be formed when Zn is added.
  • the sliding contact material according to the present invention can be basically manufactured by a melt casting method. That is, 6.0% by mass or more and 9.0% by mass or less of Cu, 0.1% by mass or more and 2.0% by mass or less of Ni, 0.1% by mass or more and 0.8% by mass or less of additive element M, and the balance It can be manufactured by producing a molten Ag alloy composed of Ag and inevitable impurities, and then cooling and solidifying it.
  • the temperature control of the molten metal is important, and the temperature of the molten metal before cooling and solidification needs to be 1300 ° C. or higher. It is not necessary to maintain the molten metal temperature for a long time as long as it reaches the temperature before cooling, but it is preferable to cool the molten metal after holding it for about 5 to 10 minutes.
  • the upper limit of the heating temperature is preferably set to 1400 ° C. or less from a practical viewpoint such as energy cost and apparatus maintenance.
  • the cooling rate during solidification is set to 100 ° C./min or more.
  • the upper limit of the cooling rate is preferably 3000 ° C./min or less.
  • the sliding contact material of the present invention may be recycled and used.
  • the intermetallic compound in the sliding contact material of the present invention is regenerated with the same composition by reversibly dissolving and cooling by heating above the liquidus. For example, offcuts and used materials (not contaminated) from the previous manufacturing can be used.
  • the sliding contact material according to the present invention has high wear resistance by applying an intermetallic compound of Ni and a specific element that has not been confirmed to be useful so far.
  • the present invention is useful as a constituent material of a motor that is becoming smaller and having a higher rotational speed.
  • it is useful as a sliding contact material used in a commutator of a micromotor.
  • the sliding contact material according to the present invention can be used as a solid material, but can also be used in the form of a clad material.
  • a clad material formed by combining the sliding contact material according to the present invention with either Cu or a Cu alloy is mentioned.
  • the sliding contact material according to the present invention is joined as a sliding surface to a part or the entire surface of Cu or Cu alloy.
  • a sliding contact material obtained by adding an additive element such as Ni and Sm to an Ag—Cu alloy or the like was manufactured, and the wear resistance was evaluated.
  • the test material was manufactured by mixing high-purity raw materials so as to have a predetermined composition, melting the high frequency to obtain a molten metal, measuring the molten metal temperature and heating it to 1300 ° C. or higher, and then rapidly cooling to produce an alloy ingot. The cooling rate at this time is 100 ° C./min. Then, after rolling and annealing at 600 ° C., re-rolling and cutting were performed to obtain a test piece (length 45 mm, width 4 mm, thickness 1 mm).
  • Examples 1 to 29 sliding contact materials having various compositions were manufactured in the above manufacturing process.
  • alloys in which only one of Ni and Sm was added (Comparative Examples 1 and 2) and an alloy with excessive Ni concentration (Comparative Example 3) were produced.
  • a material (Comparative Example 4) to which Eu, which is a rare earth element other than Sm and La, was added as an additive metal was also produced.
  • the structure observation was first performed by SEM and the presence or absence of the precipitation of a dispersed particle was investigated. Then, 20 dispersed particles are randomly selected, and the qualitative analysis of the dispersed particles is performed by EDX to measure the Ni content and the M content in the dispersed particles, and the ratio (K Ni / K M ) is calculated. did. For Examples 1 to 29, it was confirmed that K Ni / K M was within an appropriate range for all of the measured dispersed particles, and an average value thereof was calculated. Further, for the comparative example, the observed dispersed particles are examined based on the presence or absence of the dispersed particles containing both Ni and the additive element M.
  • FIG. 3 schematically illustrates a sliding test method.
  • the test piece of each example was used as a fixed contact, and an AgPd50 wire processed as a movable contact assuming a brush was brought into contact therewith. And slid.
  • the load was 40 g while always energizing at 6 V and 50 mA of the movable contact, and when reciprocating 5 mm (10 mm) back and forth from the starting point (20 mm), one cycle was slid 50,000 cycles (total sliding length 1 km) .
  • the wear depth of the sliding part was measured.
  • Table 1 This evaluation result also shows the measured values of the sliding contact material made of Ag—Cu alloy and Ag—Cu—Zn alloy, which are conventional techniques.
  • Table 1 shows that the alloys (Examples 1 to 29) to which Ni and the additive element M (Sm, La, Zr) are added at the same time are significantly more wear resistant than the conventional examples 1 and 2. It can confirm that it has improved. Regarding Ni and additive element M, both additions are essential, and the addition of only one of them has no effect. This can be understood from the comparison with Comparative Examples 1 and 2. In Comparative Examples 1 and 2, no intermetallic compound was produced, and Ni and Sm that could not be dissolved in the Ag alloy as the matrix were dispersed alone.
  • FIG. 4 is a metallographic photograph of Example 11 and Example 13. In any sample, spherical dispersed particles due to the formation of an intermetallic compound of Ni and Sm can be seen.
  • the alloy of Example 11 was an alloy having the smallest wear amount and excellent wear resistance.
  • FIG. 4 also shows the EDS analysis result of the dispersed particles of Example 11 as an example, but it can be seen that it contains appropriate amounts of Ni and Sm.
  • FIG. 5 is a metallographic photograph of Comparative Example 1 and Comparative Example 2. In Comparative Example 1, only Ni is added, but an elongated needle-like Ni phase is observed. In Comparative Example 2, only Sm was added, but no dispersed particles as in Examples 11 and 13 were observed. For Comparative Example 2, the observed precipitated phase was analyzed by EDS, but this precipitated phase naturally did not contain Ni.
  • Comparative Examples 3 to 8 regarding the configuration of the dispersed particles, it can be understood that it is necessary to control the ratio of the Ni content to the content of the additive element M (K Ni / K M ). That is, the value of K Ni / K M in each embodiment, the dispersion particles outside the specified range corresponding to each additive element was observed. In contrast, for Comparative Examples, the dispersed particles (intermetallic compound) alloy and which has not been observed at all the observation that in the K Ni / K value preferred range of M but dispersed particles had precipitated was not. For example, as in Comparative Example 3, when Ni is excessive, dispersed particles containing a large amount of Ni are generated. In contrast to Comparative Examples 1 and 2 and Conventional Examples 1 and 2, this Comparative Example 3 has a slight improvement in wear resistance, but is not so good.
  • the present invention is basically based on an alloy in which Ni and Sm are added to an Ag—Cu alloy (Examples 1 to 6, Examples 8 to 10, and Examples 26 to 27). Further, by adding Zn to this basic alloy system, it is further strengthened (Example 7, Examples 11 to 25, Example 28). Further, Mg may be added (Example 29).
  • Comparative Examples 5 to 8 it is important to set the manufacturing conditions in order to obtain a suitable alloy. That is, Comparative Examples 5 and 6 are alloys manufactured in the same manner as in Example 13 but with a low molten metal temperature or a low cooling rate as a casting condition. Further, Comparative Examples 7 and 8 are alloys cast with the same composition as in Examples 2 and 7 and a low melt temperature. In these comparative examples, an effective intermetallic compound is not formed, the composition of the dispersed particles is out of the range, and the wear resistance is inferior. Therefore, it was confirmed that the material according to the present invention is not preferably evaluated only by the composition (overall composition), and the material structure based on the manufacturing conditions must be taken into consideration.
  • the sliding contact material according to the present invention has higher wear resistance than the conventional Ag-based sliding contact material.
  • the present invention is particularly useful as a sliding contact material for commutators of micromotors that are becoming smaller and having higher rotational speeds.
  • a motor such as a micromotor manufactured using the sliding contact material according to the present invention is a high-performance and highly durable motor.

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Abstract

　本発明は、６．０質量％以上９．０質量％以下のＣｕ、０．１質量％以上２．０質量％以下のＮｉ、０．１質量％以上０．８質量％以下の添加元素Ｍ、残部Ａｇの組成を有する摺動接点材料である。この添加元素Ｍは、Ｓｍ、Ｌａ、Ｚｒからなる群から選択される少なくとも１の元素である。本発明に係る摺動接点材料は、Ａｇ合金マトリックス中にＮｉと添加元素Ｍの双方を少なくとも含む金属間化合物を含む分散粒子が分散する材料組織を有する。この分散粒子中のＮｉ含有量（質量％）と添加元素Ｍの含有量（質量％）との比率（ＫＮｉ／ＫＭ）が所定範囲内にあることが要求されている。本発明は、従来よりも耐磨耗性にも優れたＡｇ合金系の摺動接点材料であり、マイクロモーターの高回転数化にも対応可能な材料である。

Description

摺動接点材料及びその製造方法
　本発明は、Ａｇ合金からなる摺動接点材料に関する。特に、高回転数化等により負荷が増大し得るモーター用の整流子等に対して好適に使用できる摺動接点材料に関する。
　モーターは、各種家電製品や自動車等、多くの用途で使用されている機器であるが、近年、その小型化、高出力化に関して一層高いレベルのものが要求されている。この傾向によりモーター回転数は増大することとなり、これに対応できて長寿命を発揮し得るモーターが求められる。
　寿命によるモーターの停止の例としては、その構成部品である整流子とブラシとの間で生じる機械的磨耗によるものが挙げられる。この現象においては、モーター駆動過程の摺動による磨耗で整流子の材料がブラシに移着し、それが整流子に再移着する過程で粗大な磨耗粒子が生成する。そして、この磨耗粒子が整流子のスリットに蓄積し、整流子がショートしてモーターが停止するというものである。かかるメカニズムを考慮すると、モーターの長寿命化のための取り組みとしては、これらの部品を構成する摺動接点材料の耐磨耗特性の改善が挙げられる。
　モーター等に適用される摺動接点材料としては、耐磨耗性に加えて導電性を考慮しＡｇ系合金が良く知られている。例えば、ＡｇにＣｕ合金化したＡｇ－Ｃｕ合金や、更に、Ｚｎ、Ｍｇを合金化したＡｇ－Ｃｕ－Ｚｎ合金、Ａｇ－Ｃｕ－Ｚｎ－Ｍｇ合金等が知られている。
特開平６－１７２８９４号公報
　これまで開示された摺動接点材料も一定の効果はあるものの、上記したモーター回転数の増大による負荷にも耐え得るモーターを開発するためには、より耐磨耗性にすぐれたものが求められている。そこで本発明は、Ａｇ合金を基本とする摺動接点材料について、従来技術よりも耐磨耗性にも優れたものを提供することを目的とする。
　上記課題を解決する本発明は、６．０質量％以上９．０質量％以下のＣｕ、０．１質量％以上２．０質量％以下のＮｉ、０．１質量％以上０．８質量％以下の添加元素Ｍ、残部Ａｇ及び不可避不純物からなる摺動接点材料であって、前記添加元素Ｍは、Ｓｍ、Ｌａ、Ｚｒからなる群から選択される少なくとも１の元素であり、その材料組織として、Ａｇ合金マトリックス中に、Ｎｉと添加元素Ｍの双方を少なくとも含む金属間化合物を含む分散粒子が分散する材料組織を有し、前記分散粒子中の、Ｎｉ含有量（質量％）と添加元素Ｍの含有量（質量％）との比率（ＫＮｉ／ＫＭ）が下記範囲内にある摺動接点材料である。
・添加元素ＭがＳｍ、Ｌａのとき：１．５０以上２．５０以下
・添加元素ＭがＺｒのとき：１．８０以上２．８０以下
　本発明に係る摺動接点材料は、Ａｇ－Ｃｕ合金をベースとなる合金とし、これにＮｉ、及び、希土類元素（Ｓｍ、Ｌａ）又はＺｒを添加したものである。そして、Ａｇ合金をマトリックスとし、ここに所定の金属間化合物を含む分散粒子を分散させたものである。即ち、本発明は、Ａｇ合金を金属間化合物の分散強化機構により強化し、摺動接点材料として有効な耐磨耗性を具備させたものである。
　ここで重要なのは、強化作用を発揮する分散粒子とは、単純にマトリックスとなるＡｇ合金に対して組成の異なる相であれば良いというものではない。ＮｉやＳｍ等の希土類元素は、Ａｇに固溶することがなく単独でも分散粒子を形成することができるが、その場合には耐磨耗性の向上は期待できない。本発明において有効な分散粒子は、Ｎｉと添加元素Ｍの双方を含む金属間化合物を含むものであって、且つ、Ｎｉと添加元素Ｍの含有量について所定比率を具備するようになっていることが要求される。
　更に、Ｓｍ、Ｌａ、Ｚｒは、それぞれＮｉと金属間化合物を形成するものの、その構成は１種類ではなく複数種の金属間化合物を形成し得る。その例として、ＮｉとＳｍの双方を添加した場合について説明する。図１はＳｍ－Ｎｉ系状態図であるが、この図から分かるように、この系ではＳｍとＮｉとの構成比率により複数の金属間化合物が形成され得る。本発明者等によれば、Ａｇ合金にＳｍとＮｉを添加する場合、合金を有効に強化することができる金属間化合物はＳｍＮｉ５であることが確認されている。これ以外の金属間化合物は、材料強化に寄与しない。
　このように、強化作用を有する特定の金属間化合物を選定しなければならない点は、Ｌａ、Ｚｒでも同様である。具体的には、ＬａについてはＬａＮｉ５が有用であり、ＺｒについてはＺｒ２Ｎｉ７が有用である。図２は、Ｌａ－Ｎｉ系及びＮｉ－Ｚｒ系の状態図を示すが、これらにおいても特定領域の金属間化合物が要求される。本発明に係る摺動接点材料は、これらの有用な金属間化合物を主体的に含む分散粒子により強化されている。以下、本発明の構成についてより詳細に説明する。
　上記の通り、本発明に係る摺動接点材料は、全体組成として、６．０質量％以上９．０質量％以下のＣｕ、０．１質量％以上２．０質量％以下のＮｉ、０．１質量％以上０．８質量％以下の添加元素Ｍ、残部Ａｇ及び不可避不純物からなるものである。
　ここで、各構成元素に関して説明する。Ｃｕは、主に、本発明に係る摺動接点材料のマトリックスとなるＡｇ合金の構成成分となる。Ｃｕの添加量を適正範囲とすることでマトリックスを適正な強度とする。Ｃｕ濃度は、６．０質量％未満であっても９．０質量％を超えても摺動接点材料の耐磨耗性は低下し磨耗量が増大する。
　Ｎｉはこれまで説明したように、強化作用を有する金属間化合物の構成元素である。Ｎｉ濃度について０．１質量％以上２．０質量％以下とするのは、これらの範囲外では有効な金属間化合物を生成しがたくなる。特に、２．０質量％を超えると、Ｎｉの偏析も生じ加工性が悪化する。
　添加元素Ｍ（Ｓｍ、Ｌａ、Ｚｒ）については、０．１質量％以上０．８質量％以下とする。有効な組成の金属間化合物を生成させるためである。Ｓｍ、Ｌａ、Ｚｒの中から複数種の添加元素を添加する場合、それらの合計値を０．１質量％以上０．８質量％以下とする。添加元素Ｍの濃度については、より好ましくは、０．４質量％以上０．８質量％以下とする。数詳細は後述するが、添加元素Ｍの濃度とＮｉ濃度は、両者の比率を考慮して調整するのが好ましい。
　以上の全体組成を有するＡｇ合金において、マトリックスとなるＡｇ合金は、Ａｇ－Ｃｕ合金である。また、後述するＺｎ、Ｍｇが添加された場合のマトリックスは、Ａｇ－Ｃｕ－Ｚｎ合金、Ａｇ－Ｃｕ－Ｚｎ－Ｍｇ合金となる。つまり、マトリックスにはＮｉ及び添加元素Ｍは殆ど含まれていない。これらの添加元素は、Ａｇに対して固溶範囲を有しないからであり、マトリックス中のＮｉ濃度は０．１質量％以下である。
　そして、本発明で特徴として規定される分散粒子は、Ｎｉと添加元素Ｍ（Ｓｍ、Ｌａ、Ｚｒ）との金属間化合物（ＳｍＮｉ５、ＬａＮｉ５、Ｚｒ２Ｎｉ７）を主成分としているが、それらのみで構成されているとは限らない。例えば、添加元素ＭとしてＳｍを添加した摺動接点材料の場合、分散粒子にはＮｉとＳｍに加えてＣｕが含まれていることがある。これは、ＳｍＮｉ５にＣｕが固溶して分散粒子を形成している、或いは、ＳｍＮｉ５にＣｕを含む合金相（ＣｕＮｉ等）が混合し一体化して分散粒子を形成したためと推定される。このように、本発明における分散粒子は、ＮｉとＳｍ等の添加元素Ｍ以外の元素を含んでいても良い。
　もっとも、分散粒子がＮｉと添加元素Ｍ以外の元素を含んでいるとしても、本発明で有効とされる分散粒子は、好適な金属間化合物（ＳｍＮｉ５、ＬａＮｉ５、Ｚｒ２Ｎｉ７）を主成分としていることから、分散粒子中の、Ｎｉ含有量（質量％）と添加元素Ｍの含有量（質量％）との比率（ＫＮｉ／ＫＭ）の値が一定範囲内にある。この含有量の比率（ＫＮｉ／ＫＭ）については、添加元素ＭがＳｍ又はＬａである場合に１．５０以上２．５０以下である、また、添加元素ＭがＺｒである場合は、１．８０以上２．８０以下とする。本発明者等の検討によれば、ＫＮｉ／ＫＭの値が上記範囲外の分散粒子は、Ｎｉと添加元素Ｍとの金属間化合物で構成されていない分散粒子、或いは、Ｎｉと添加元素Ｍとの金属間化合物を含むものであっても強化作用を有する金属間化合物（ＳｍＮｉ５、ＬａＮｉ５、Ｚｒ２Ｎｉ７）以外の金属間化合物で構成された分散粒子等に該当すると考えられる。そのような分散粒子は材料強化に作用しない。
　添加元素ＭであるＳｍ、Ｌａ、Ｚｒについて、いずれか２種或いは３種の金属元素を添加しても良い。そして、複数種の添加元素Ｍを添加したときの分散粒子中のＫＭの値は、その分散粒子中の添加元素Ｍの含有量の合計値が適用される。
　もっとも、複数種の添加元素を添加したときの分散粒子の構成としては、1種の金属元素とＮｉとで構成される２元系金属間化合物が生成されることが多い。例えば、Ｓｍ、Ｌａ、Ｚｒの３種の元素を添加すると、ＮｉとＳｍとの金属間化合物、ＮｉとＬａとの金属間化合物、及び、ＮｉとＺｒとの金属間化合物、と３種の金属間化合物がそれぞれ生成し、別々の分散粒子を構成する可能性が高い。この場合には各分散粒子について、含有する添加元素Ｍについて設定されている範囲内にＫＮｉ／ＫＭの値があれば良い。但し、添加した複数種の元素全てからなる金属間化合物が生成することもある。この場合には当該分散粒子中の複数の添加元素の含有量の合計をＫＭとし、ＫＮｉ／ＫＭの値が、分散粒子中の添加元素Ｍについて設定された範囲の全てを満足するようになっていれば良い。例えば、Ｓｍ、Ｚｒの２種の元素を添加し、Ｓｍ、ＺｒとＮｉとの金属間化合物が生成したとき、分散粒子中のＳｍの含有量とＺｒの含有量との合計値をＫＭとする。そして、ＫＮｉ／ＫＭの値が、Ｓｍに対する条件（１．５０以上２．５０以下）とＺｒに対する条件（１．８０以上２．８０以下）の双方を具備していること、つまり１．８０以上２．５０以下であることが要求される。
　更に、本発明においては、分散粒子の組成及びその分布状態を良好なものとするため、全体組成におけるＮｉ濃度（ＳＮｉ：質量％）と添加元素Ｍの濃度（ＳＭ：質量％）との比率を調整することが好ましい。この濃度比（ＳＮｉ／ＳＭ）の好適範囲は、添加元素Ｍの種類によって相違する。具体的には、添加元素ＭとしてＳｍを含む材料は０．８０以上５．０以下とするのが好ましい。また、添加元素ＭとしてＬａを含む材料は１．５０以上５．０以下が好ましく、添加元素ＭとしてＺｒを含む材料は１．４０以上６．７以下となっていることが好ましい。
　尚、Ｓｍ、Ｌａ、Ｚｒの中から２種或いは３種の金属元素を添加する場合、添加元素Ｍの濃度（ＳＭ）は、各添加元素の濃度の合計値が適用される。そして、濃度比（ＳＮｉ／ＳＭ）が、各添加元素に設定された好適範囲の全てを具備していることが好ましい。例えば、Ｓｍ、Ｚｒの２種の元素を添加した材料については、Ｓｍ濃度とＺｒ濃度との合計を添加元素Ｍの濃度（ＳＭ）とし、濃度比（ＳＮｉ／ＳＭ）が、Ｓｍに対する好適条件（０．８０以上５．０以下）とＺｒに対する好適条件（１．４０以上６．７以下）の双方を具備すること、つまり１．４以上５．０以下であることが好ましい。
　本発明に係る摺動接点材料は、ＡｇＣｕ合金を基礎とするものであるが、ここに他の添加元素を加えても良い。特に、０．１質量％以上２．０質量％以下のＺｎを添加することで、マトリックスとなるＡｇ合金の強化に寄与し、摺動接点材料全体の材料強化に繋がる。また、同様の趣旨から、０．０５質量％以上０．３質量％以下のＭｇを含む摺動接点材料も摺動性等の好ましい特性を有する。
　本発明に係る摺動接点材料は、上述した所定の金属間化合物を含む分散粒子が分散していることを必須構成とするが、それ以外の相（析出物）の存在を否定するものではない。ここで、生じうる他の相としては、ＣｕとＮｉとの合金相（ＣｕＮｉ）や、Ｚｎを添加した場合に生成し得るＣｕとＮｉとＺｎとの合金相（ＣｕＮｉＺｎ）等が挙げられる。これらの析出相は、材料強化に大きく寄与することは無いものの、阻害要因にもならないことから存在が許容される。
　次に、本発明に係る摺動接点材料の製造方法について説明する。本発明に係る摺動接点材料は、基本的に溶解鋳造法により製造可能である。即ち、６．０質量％以上９．０質量％以下のＣｕ、０．１質量％以上２．０質量％以下のＮｉ、０．１質量％以上０．８質量％以下の添加元素Ｍ、残部Ａｇ及び不可避不純物からなるＡｇ合金の溶湯を生成し、その後冷却凝固させることで製造可能である。
　但し、本発明では、強化作用を有する金属間化合物を形成し、Ｎｉ含有量と添加元素Ｍの含有量との比率（ＫＮｉ／ＫＭ）を有する分散粒子を分散させる必要がある。上記した有効な金属間化合物は、いずれの場合も高融点であり固相線温度が高い。そのため本発明においては、溶湯の温度管理が重要であり、冷却凝固前の溶湯の温度を１３００℃以上とすることを要する。この溶湯温度は、冷却前に前記温度に達していれば良く長時間保持する必要は無いが、５～１０分間程度保持した後に冷却することが好ましい。この加熱温度の上限は、エネルギーコストや装置保全等の現実的な観点から１４００℃以下にするのが好ましい。
　そして、本発明に係る摺動接点材料の製造方法においてもう一点重要なのは、凝固時の冷却速度である。本発明で必須とする金属間化合物は、比重がマトリックス（Ａｇ合金）よりも低い傾向があるため、冷却速度が低いと生成した金属間化合物が浮揚し均一分散に支障が生じる。また、冷却速度が過度に遅くなると、好適組成の金属間化合物に組成変動が生じて好ましくない組成の金属間化合物に変化するおそれがある。このようなことから、本発明では凝固時の冷却速度を１００℃／ｍｉｎ以上とする。冷却速度の上限については３０００℃／ｍｉｎ以下とするのが好ましい。
　尚、Ａｇ合金溶湯を製造する際、通常は各金属成分（Ａｇ、Ｃｕ等）の高純度原料を使用し、それらを混合・溶解することになる。このとき、本発明の摺動接点材料をリサイクルして使用しても良い。本発明の摺動接点材料における金属間化合物は、液相線以上に加熱することで可逆的に溶解し冷却することで同様の組成で再生される。例えば、前回製造時の端材や使用済み材料（汚染されていないもの）を利用することができる。
　以上説明したように、本発明に係る摺動接点材料は、これまで有用性が確認されていなかったＮｉと特定元素との金属間化合物を適用することで高い耐磨耗性を有する。本発明は、小型化・高回転数化が進むモーターの構成材料として有用である。特に、マイクロモーターの整流子で使用される摺動接点材料として有用である。尚、本発明に係る摺動接点材料は、無垢材として使用することもできるが、クラッド材の形態で使用することもできる。例えば、Ｃｕ又はＣｕ合金のいずれかに本発明に係る摺動接点材料を複合してなるクラッド材が挙げられる。このとき、Ｃｕ又はＣｕ合金の一部又は全面に本発明に係る摺動接点材料を摺動面として接合する。
本発明で生成する金属間化合物について説明するためのＳｍ－Ｎｉ系状態図。 本発明で生成する金属間化合物について説明するためのＬａ－Ｎｉ系状態図及びＮｉ－Ｚｒ系状態図 本実施形態で行った摺動試験の試験方法を説明する図。 実施例１１及び実施例１３の金属組織写真と実施例１１のＥＤＳ分析結果。 比較例１及び比較例２の金属組織写真と比較例２のＥＤＳ分析結果。
　以下、本発明の実施形態について説明する。本実施形態では、Ａｇ－Ｃｕ合金等にＮｉ及びＳｍ等の添加元素を添加した摺動接点材料を製造し耐磨耗性を評価した。試験材の製造は、高純度原料を所定組成になるように混合し高周波溶解し溶湯とし、溶湯温度を測定し１３００℃以上になるように加熱し、その後急冷して合金インゴットを製造した。このときの冷却速度は１００℃／ｍｉｎである。そして、圧延加工して６００℃でアニーリングした後、再圧延加工し、切断加工して試験片（長さ４５ｍｍ、幅４ｍｍ、厚さ１ｍｍ）とした。
　本実施形態では、実施例１～実施例２９として、上記製造工程で各種の組成の摺動接点材料を製造した。また、比較例として、Ｎｉ、Ｓｍの一方のみ添加した合金（比較例１、２）、Ｎｉ濃度過剰の合金（比較例３）を製造した。また、添加金属としてＳｍ、Ｌａ以外の希土類元素であるＥｕを添加したもの（比較例４）も製造した。
　更に、本実施形態では合金の製造条件による影響も検討している。ここでは、溶湯温度について、各実施例の温度（１３００℃）より低温（１１００℃）としてそこから急冷した合金（比較例５、比較例７、８）を製造した。更に、溶湯温度を１３００℃以上としつつ、炉冷により１００℃／ｍｉｎ未満で徐冷した合金（比較例６）も製造した。尚、比較例５と比較例６は、組成が実施例１３と同じ合金である。また、比較例７は組成が実施例２と同じ合金であり、比較例８は組成が実施例７と同じ合金である。
　作製した各サンプルについては、まず、ＳＥＭにより組織観察を行い分散粒子の析出の有無を調べた。そして、分散粒子を２０個無作為に選出し、分散粒子の定性分析をＥＤＸで行って分散粒子中のＮｉ含有量とＭ含有量を測定し、それらの比率（ＫＮｉ／ＫＭ）を算出した。そして、実施例１～２９については、測定した分散粒子の全てにおいてＫＮｉ／ＫＭが適正範囲内にあることを確認した上で、それらの平均値を算出した。また、比較例については、観察された分散粒子について、Ｎｉと添加元素Ｍの双方を含む分散粒子の有無から検討し、Ｎｉと添加元素Ｍを含む分散粒子が観察されなかった場合には分散粒子「無」と判定した。また、Ｎｉと添加元素Ｍを含む分散粒子が観察された場合、それらの全てが適正範囲外にあることを確認した上で、ＫＮｉ／ＫＭの平均値を算出した。結果として、比較例３、比較例５～８では、Ｎｉと添加元素Ｍを含む分散粒子が観察されたものの、ＫＮｉ／ＫＭの値が適正範囲内にある分散粒子は一つも発見できなかった。
　そして、各試験片について耐磨耗性評価のための摺動試験を行った。図３は、摺動試験の方法を概略説明するものであるが、この試験では各実施例の試験片を固定接点とし、これにブラシを想定した可動接点として加工されたＡｇＰｄ５０の線材を当接して摺動させた。このとき、可動接点の６Ｖ、５０ｍＡで常時通電しつつ荷重４０ｇとし、始点から前後５ｍｍ（１０ｍｍ）を往復したとき（２０ｍｍ）を１サイクルとし、５００００サイクル摺動させた（摺動長合計１ｋｍ）。その後、摺動部分の磨耗深さを測定した。この結果を表１に示す。この評価結果には、従来技術であるＡｇ－Ｃｕ合金、Ａｇ－Ｃｕ－Ｚｎ合金からなる摺動接点材料の測定値も示した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１から、Ｎｉと添加元素Ｍ（Ｓｍ、Ｌａ、Ｚｒ）を同時添加した合金（実施例１～実施例２９）について見ると、従来例１、２に対して飛躍的に耐磨耗性が向上していることが確認できる。Ｎｉと添加元素Ｍに関しては、双方添加が必須であり、いずれか一方のみの添加では効果がない。これは比較例１、２との対比から把握できる。比較例１、２では、金属間化合物の生成はなく、マトリックスであるＡｇ合金に固溶できないＮｉ、Ｓｍが単独で分散していた。
　図４は、実施例１１及び実施例１３の金属組織写真である。いずれの試料でも、ＮｉとＳｍとの金属間化合物の形成による球状の分散粒子が見られる。実施例１１の合金は、磨耗量が最も少ない耐磨耗性に優れた合金であった。図４には、例として実施例１１の分散粒子のＥＤＳ分析結果も示したが、Ｎｉ及びＳｍを適切量含むものであることが分かる。これに対して、図５は、比較例１及び比較例２の金属組織写真である。比較例１は、Ｎｉのみを添加したものであるが細長い針状のＮｉ相が見られる。比較例２はＳｍのみを添加したものであるが、こちらも実施例１１、１３のような分散粒子は見られなかった。比較例２について、観察された析出相をＥＤＳ分析したが、この析出相は当然ながらＮｉを含むものではなかった。
　分散粒子の構成について、比較例３～比較例８を参照すると、Ｎｉ含有量と添加元素Ｍの含有量との比率（ＫＮｉ／ＫＭ）の制御が必要であることが理解できる。即ち、各実施例においてはＫＮｉ／ＫＭの値は、各添加元素に応じた規定範囲を外れる分散粒子は見られなかった。これに対して、各比較例については、分散粒子（金属間化合物）がみられなかった合金や、分散粒子は析出していたもののＫＮｉ／ＫＭの値が好適範囲内のものは全く観察されなかった。例えば、比較例３のようにＮｉ過多であるとＮｉの多い分散粒子が生じる。この比較例３は、比較例１、２や従来例１、２と対比すると、耐磨耗性が多少改善しているが良好といえるほどではない。
　そして、各実施例の結果を詳細に検討するに、添加元素としてＳｍ、Ｌａ、Ｚｒの選定は有効であるといえる。これは比較例４で希土類元素であるＥｕを添加しても、金属間化合物を生成させることなく耐磨耗性の改善も見られなかったことからも理解できる。また、実施例２１～実施例２４の結果から、より好適な耐磨耗性を発揮させるためには、合金の全体組成に関して、Ｎｉ濃度と添加元素Ｍの濃度との比（ＳＮｉ／ＳＭ）を制御することが好ましいといえる。これらの実施例は、磨耗量が８００μｍ２を超えており、他の実施例よりは耐磨耗性がやや劣ると思われるからである。
　尚、本発明に関しては、Ａｇ－Ｃｕ合金にＮｉとＳｍ等を添加した合金を基本とする（実施例１～６、実施例８～１０、実施例２６～２７）。そして、この基本となる合金系にＺｎを添加することで、更に強化される（実施例７、実施例１１～２５、実施例２８）。また、Ｍｇを添加しても良い（実施例２９）。
　また、比較例５～８の結果から、好適な合金を得るためには製造条件を設定が重要であることがわかる。即ち、比較例５、６は、組成が実施例１３と同様であるが、鋳造時の条件として溶湯温度が低い又は冷却速度を遅くして製造された合金である。また、比較例７、８も実施例２、７とそれぞれ組成を共通としつつ、溶湯温度を低く設定して鋳造された合金である。これらの比較例では、有効な金属間化合物が生成せず、分散粒子も組成は範囲外となり、耐磨耗性にも劣っている。よって、本発明に係る材料は、組成（全体組成）のみで評価することは好ましいものではなく、製造条件を背景とした材料組織を考慮しなければならないことが確認された。
　以上説明したように、本発明に係る摺動接点材料は、従来のＡｇ系摺動接点材料に対して高い耐磨耗性を有する。本発明は、特に、小型化・高回転数化が進むマイクロモーターの整流子の摺動接点材料として有用である。そして、本発明に係る摺動接点材料を用いて作製されるマイクロモーター等のモーターは、高性能・高耐久性なモーターである。
 

Claims (8)

  1. 　６．０質量％以上９．０質量％以下のＣｕ、
    　０．１質量％以上２．０質量％以下のＮｉ、
    　０．１質量％以上０．８質量％以下の添加元素Ｍ、
    　残部Ａｇ及び不可避不純物からなる摺動接点材料であって、
    　前記添加元素Ｍは、Ｓｍ、Ｌａ、Ｚｒからなる群から選択される少なくとも１の元素であり、
    　その材料組織として、Ａｇ合金マトリックス中に、Ｎｉと添加元素Ｍの双方を少なくとも含む金属間化合物を含む分散粒子が分散する材料組織を有し、
    　前記分散粒子中の、Ｎｉ含有量（質量％）と添加元素Ｍの含有量（質量％）との比率（ＫＮｉ／ＫＭ）が下記範囲内にある摺動接点材料。
    ・添加元素ＭがＳｍ、Ｌａのとき：１．５０以上２．５０以下
    ・添加元素ＭがＺｒのとき：１．８０以上２．８０以下
  2. 　添加元素ＭとしてＳｍを含み、Ｎｉ濃度（ＳＮｉ：質量％）と添加元素Ｍの濃度（ＳＭ：質量％）との比（ＳＮｉ／ＳＭ）が０．８０以上５．０以下である請求項１記載の摺動接点材料。
  3. 　添加元素ＭとしてＬａを含み、Ｎｉ濃度（ＳＮｉ：質量％）と添加元素Ｍの濃度（ＳＭ：質量％）との比（ＳＮｉ／ＳＭ）が１．５０以上５．０以下である請求項１又は請求項２記載の摺動接点材料。
  4. 　添加元素ＭとしてＺｒを含み、Ｎｉ濃度（ＳＮｉ：質量％）と添加元素Ｍの濃度（ＳＭ：質量％）との比（ＳＮｉ／ＳＭ）が１．４０以上６．７以下である請求項１～請求項３のいずれかに記載の摺動接点材料。
  5. 　０．１質量％以上２．０質量％以下のＺｎを含む請求項１～請求項４のいずれかに記載の摺動接点材料。
  6. 　０．０５質量％以上０．３質量％以下のＭｇを含む請求項１～請求項５のいずれかに記載の摺動接点材料。
  7. 　請求項１～請求項６のいずれかに記載の摺動接点材料の製造方法であって、Ａｇ合金の溶湯を生成し、その後冷却凝固させる工程を含み、
    　前記Ａｇ合金の溶湯は、６．０質量％以上９．０質量％以下のＣｕ、０．１質量％以上２．０質量％以下のＮｉ、０．１質量％以上０．８質量％以下の添加元素Ｍ、残部Ａｇ及び不可避不純物からなり、
    　前記冷却前の前記Ａｇ合金の溶湯の温度は１３００℃以上であり、
    　冷却時の冷却速度を１００℃／ｍｉｎ以上とする、摺動接点材料の製造方法。
  8. 　請求項１～請求項６のいずれかに記載の摺動接点材料に、Ｃｕ又はＣｕ合金のいずれかを複合してなるクラッド材。
     
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