CN103014402A - 高熔点合金元素增强滑动电接触合金及其层状复合材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高熔点合金元素增强滑动电接触合金，滑动电接触合金的成分由Cu、Zn、高熔点合金元素和Ag组成；各种成分的重量百分含量分别为：Cu：1~8%、Zn：1~5%、高熔点合金元素：0.1~1%、余量为Ag；所述高熔点合金元素为Re、W、Mo中的一种。本发明的有益技术效果是：通过将现有的AgCuNi合金中的Ni成分替换为高熔点合金元素成分，利用高熔点合金元素的高耐磨性和强抗电弧能力，使银合金的耐磨性和抗电弧能力得到改善，从而提高微电机的寿命，进而使使用该微电机的装置或设备的寿命也得到相应提高。

Description

高熔点合金元素增强滑动电接触合金及其层状复合材料

技术领域

本发明涉及一种用于制作微电机换向器的材料，尤其涉及一种高熔点合金元素增强滑动电接触合金及其层状复合材料。

背景技术

在直流微电机的工作过程中，换向器和电刷片相互接触并相对滑动，实现电流的传输，保持电机运转。

影响微电机寿命的因素主要有以下几个：1、微电机工作时，换向器和电刷之间不可避免地存在滑动摩擦磨损，因摩擦磨损产生的磨屑被挤压在换向器和电刷片之间，随着堆积的磨屑增多，换向器和电刷片之间的接触性能逐步降低，引起较大的接触电阻波动，导致输出波形不良和电噪声，严重时引起非换向期电弧，非换向期电弧又会进一步加快材料的磨损，最终导致微电机寿命终结；

2、微电机在换向时，换向器与电刷片瞬间分离，产生的换向期电弧温度很高，常常造成银合金的熔化、飞溅，从而导致换向器失效并最终使微电机寿命终止；

3、换向期电弧还容易使磨屑熔焊于换向器的沟槽中造成短路，致使微电机早期死机；

4、电接触过程中由于机械摩擦和电流作用所产生的温升会使材料表面硬度下降，降低其硬度和耐磨性，进一步加剧材料的机械磨损。

因此，提高换向器用电接触材料的耐磨性和抗电弧侵蚀能力是提高换向器使用性能和微电机使用寿命及稳定性的重要手段。

银合金具有优良的导电性和耐腐蚀性能，因而是换向器中最常见、用量最大的滑动式电接触合金；由于银的硬度和熔点均偏低，其抗磨损和抗电弧性能存在明显不足，无法满足微电机换向器的使用要求，因此现有技术中采用了各种方法来改善银合金的性能，目前，通过在Ag中添加Cu、Ni、Zn、Pd、Pt、RE（稀土）等元素的合金化来提高银合金性能的技术已经得到了广泛的应用；其中，较常用的有AgCuZnNi合金，Ni在固态下不溶于银，因而会以弥散相的形式析出于基体中，起到细化晶粒、提高耐磨性的作用，同时，由于其熔点较高（约1455℃），也可以提高抗电弧能力。但是，由于Ni为面心立方结构，滑移系较多，外力作用下容易变形，所以当摩擦严重时，仍然无法有效改善耐磨性；同时，在电弧强烈时，Ni仍然可能被熔化，其提供的抗电弧性能也有限。因此，开发具有更好的耐磨损性和抗电弧能力的新型滑动式电接触银合金，是提高换向器性能、延长微电机使用寿命的必要途径。

发明内容

针对背景技术中的问题，本发明提出了一种高熔点合金元素增强滑动电接触合金，滑动电接触合金的成分由Cu、Zn、高熔点合金元素和Ag组成；各种成分的重量百分含量分别为：Cu：1~8%、Zn：1~5%、高熔点合金元素：0.1~1%、余量为Ag；所述高熔点合金元素为Re、W、Mo中的一种（具体选用时，可综合考虑各种物质的价格成本择优选用）。

本发明的改进点在于，将现有的AgCuNi合金中的Ni成分替换为高熔点合金元素，相比于Ni元素，高熔点合金元素具有更强的耐磨性和抗电弧侵蚀能力，可以使银合金的性能得到显著改善，从而提高微电机的寿命。其作用原理为：由于高熔点合金元素的固有性质，在将其与银基体的合金化过程中，高熔点合金元素不能固溶于银基体中，在最终得到的银合金的固相中，高熔点合金元素会以第二相形式弥散析出，对银合金的耐磨性可以起到明显的改善效果；高熔点合金元素的熔点普遍较高，基本上可以达到2620℃以上，因此高熔点合金元素的抗电弧侵蚀能力很强，产生电弧时，高熔点合金元素不会因电弧高温而熔化，高熔点合金元素仍然以固态形式存在于银基体中，增大了熔融的银基体的液相粘度，可以有效地防止银基体的飞溅和流失，从而提高材料整体的抗电弧能力。发明人在大量的实验中发现，若高熔点合金元素的含量低于0.1%，则其耐磨损和抗电弧作用不能得到充分发挥，对银合金的性能改善作用较弱，而若高熔点合金元素的含量高于1%，则银合金中的成分均匀性不容易得到保证，并且会对电刷造成严重磨损，反而会导致微电机因电刷过快磨损而寿命降低，因此，前述的配方中，高熔点合金元素的含量应在0.1~1%范围内取舍。

在前述方案的基础上，为了进一步提高银合金的耐磨性，还可采用如下优选方案：当所述高熔点合金元素采用W或Mo时，可通过在合金化过程中对工艺参数进行控制，使W或Mo的晶体结构以体心立方形式存在于滑动电接触合金中，当所述高熔点合金元素采用Re时，使Re的晶体结构以密排六方形式存在于滑动电接触合金中。前述的体心立方形式的W或Mo，以及密排六方形式的Re，他们的共性是：应力作用下不容易发生塑性变形，因此其抵抗摩擦力造成的变形和磨损的能力很强，可以进一步有效地提高银合金在滑动摩擦条件下的耐磨性。前述的使高熔点合金元素以特定的晶体结构形式存在于银基体中的方案，可通过现有、成熟的合金化工艺实现。

所述的滑动电接触合金层叠或镶嵌在铜或铜合金表面即形成层状复合材料，其中铜或铜合金为基层，滑动电接触合金为工作层。将本发明的滑动电接触合金作为工作层复合在基层表面，用于制作微电机换向器，可以节约贵金属，降低换向器和微电机的生产成本；

在前述方案的基础上，本发明又分别提出了一种换向器和一种微电机，他们都得益于前述方案中高熔点合金元素对银合金的性能所起到的改善作用，从而获得高性能的换向器和微电机。

本发明的有益技术效果是：通过将现有的AgCuNi合金中的Ni成分替换为高熔点合金元素成分，利用高熔点合金元素的高耐磨性和强抗电弧能力，使银合金的耐磨性和抗电弧能力得到改善，从而提高微电机的寿命，进而使使用该微电机的装置或设备的寿命也得到相应提高。

附图说明

图1、工作层层叠复合在基层的全部表面上时的层状复合材料截面示意图；

图2、工作层镶嵌复合在基层的部分表面上时的层状复合材料截面示意图。

图中标记1为工作层，标记2为基层。

具体实施方式

一种高熔点合金元素增强滑动电接触合金，滑动电接触合金的成分由Cu、Zn、高熔点合金元素和Ag组成；各种成分的重量百分含量分别为：Cu：1~8%、Zn：1~5%、高熔点合金元素：0.1~1%、余量为Ag；所述高熔点合金元素为Re、W、Mo中的一种。

进一步地，所述高熔点合金元素采用W或Mo时，W或Mo的晶体结构以体心立方的形式存在于滑动电接触合金中，所述高熔点合金元素采用Re时，Re的晶体结构以密排六方的形式存在于滑动电接触合金中

一种层状复合材料，前述滑动电接触合金层叠或镶嵌在铜或铜合金表面形成层状复合材料，其中铜或铜合金为基层，滑动电接触合金为工作层。

一种换向器，采用前述的层状复合材料制作换向器。

一种微电机，采用前述的换向器制作微电机。

为了便于本领域技术人员实施，本发明还提出了一种具体的制作步骤：

1）采用真空感应炉熔炼制备合金，其中各元素可以以中间合金形式加入，也可以以纯金属形式加入；另外，还可以利用生产过程中废弃的、成分合格的边角料作为制备新合金的原料。

2）将制备好的合金铸锭，经开坯、轧制、中间退火、拉拔等工艺，制备成带材或丝材。

3）采用热轧、温轧或冷轧复合技术，将上述带材或丝材与铜质或铜合金质的带材进行复合，制作成层状复合材料。

真空熔炼工艺、轧制工艺、退火工艺、拉拔工艺等均为本领域常用的一般制作工艺，易于掌握和实施。

实施例：

实施例1至9的合金成分如下表所示（重量百分比）：

实施例	Cu	Zn	W	Mo	Re	Ag
							1	8.0%	1.0%	0.1%	-	-	余量
2	8.0%	1.0%	-	0.1%	-	余量
							3	8.0%	1.0%	-	-	0.1%	余量
4	4.0%	3.0%	0.5%	-	-	余量
							5	4.0%	3.0%	-	0.5%	-	余量
6	4.0%	3.0%	-	-	0.5%	余量
							7	1.0%	5.0%	1.0%	-	-	余量
8	1.0%	5.0%	-	1.0%	-	余量
							9	1.0%	5.0%	-	-	1.0%	余量

用现有的合金化工艺将上表中的各种配方制成合金，然后将合金浇铸成锭，经开坯、轧制、退火等工序制成带材，然后采用通用的金属层复合工艺将合金带材与铜带材复合得到层状复合材料，层状复合材料总厚0.15mm，工作层厚0.01mm。

为了比较本发明与现有技术的差异，本发明还设计了2个比较例，两个比较例的银合金成分见下表（重量百分比）：

比较例	Cu	Ni	Zn	Ag
					1	4.0%	0.3%	4.0%	余量
2	6.0%	0.4%	2.0%	余量

同样地，采用通用的加工手段按比较例中的两个配方分别制作为银合金，仍然将银合金与铜质带材复合为层状复合材料，层状复合材料总厚0.15mm，工作层厚0.01mm。

将实施例1~9和比较例1和2的带材用于制作成微电机三极换向器，将该换向器装配在微电机中，进行寿命试验，对应的电刷片材料为AgPd50/MX215。

测试条件如下：

测试温度：50℃

测试负荷：12g·cm

测试电压：12V

旋转速度：7000rpm

运转方式：连续

测试过程中，通过检测电机转速和电流的变化来判定电机的工作状态，出现转速或电流超标或停止运转时均判定为寿命终止。

测试结果如下表：

实施例	寿命（h）
		1	2730
2	2723
		3	2783
4	2750
		5	2735
6	2752
		7	2736
8	2740
		9	2750
比较例1	2243
		比较例2	2566

结论：上述测试结果表明，在AgCuZn合金中添加适当含量的高熔点合金元素，可以提高换向器材料的耐磨性和抗电弧能力，以这种材料作工作层、铜或铜合金为基层制成层状复合材料，用于制作微电机换向器，与现有的AgCuZnNi合金所制作的微电机换向器相比，在相同运行条件下显示出更长的使用寿命，达到了提高微电机工作寿命和稳定性的目的。

Claims (4)

1.一种高熔点合金元素增强滑动电接触合金，其特征在于：滑动电接触合金的成分由Cu、Zn、高熔点合金元素和Ag组成；各种成分的重量百分含量分别为：Cu：1~8%、Zn：1~5%、高熔点合金元素：0.1~1%、余量为Ag；所述高熔点合金元素为Re、W、Mo中的一种。

2.根据权利要求1所述的高熔点合金元素增强滑动电接触合金，其特征在于：所述高熔点合金元素采用W或Mo时，W或Mo的晶体结构以体心立方的形式存在于滑动电接触合金中，所述高熔点合金元素采用Re时，Re的晶体结构以密排六方的形式存在于滑动电接触合金中

一种层状复合材料，其特征在于：权利要求1~2中任一项所述滑动电接触合金层叠或镶嵌在铜或铜合金表面，其中铜或铜合金为基层，滑动电接触合金为工作层。

3.一种换向器，其特征在于：采用权利要求3所述的层状复合材料制作换向器。

4.一种微电机，其特征在于：采用权利要求4所述的换向器制作微电机。

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