CN102255211B - 具有高耐磨性的钯银系电接触材料 - Google Patents
具有高耐磨性的钯银系电接触材料 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种具有高耐磨性的钯银系电接触材料，其一由Pd、Cu、RE、Ag组成，各成分按重量百分含量为：Pd 40-48％、Cu 1-10％、RE 0.05-1％、，余量为Ag；其二由Pd、Cu、RE、AM、Ag组成，各成分按重量百分含量为：Pd 40-48％、Cu 1-10％、RE 0.05-1％、AM0.05-0.5％，余量为Ag。上述材料中，RE为La、Ce、Nd、Sm、Eu、Gd、Er中的一种或几种，AM为Li、Na、K中的一种或几种。本发明所述材料的成本低于AgPd50合金合金，具有良好的耐磨性和电接触性能，本发明所述材料与铜或铜合金复合的合金，适合于制作小型直流电动机的刷片。
Description
技术领域
本发明涉及一直金属材料，特别涉及一种添加Cu、稀土及碱金属的、具有高耐磨性的钯银系滑动电接触合金和这种合金作工作层、铜或铜合金作基层所组成的层状复合材料，以及使用层状复合材料制作的刷片和使用该刷片的直流电动机。
背景技术
刷片是直流电动机的核心元件之一，它与换向器构成滑动电接触导电偶件。在工作过程中承受滑动磨损和电弧侵蚀的双重作用，同时还受到环境气氛中各种腐蚀性介质的影响。因此，刷片材料在要求良好导电性的同时，还需要有良好的耐磨性、抗电弧能力和耐腐蚀性；同时，刷片与换向器配对工作，其二者性能的合理匹配对直流电动机的性能和寿命具有决定性的影响。长期以来，以AgPd30和AgPd50(即按重量百分数计，合金的Pd含量分别为30％和50％)合金作工作层的材料制作的刷片，与AgCuNi系合金(包括AgCuNi、AgCuZnNi、AgCuPdZnNi等)为工作层的换向器配对在直流电动机中获得广泛的应用，并取得良好的效果。
为了提高直流电动机的性能，中国发明专利200810069483.5、200810070322.8和200910303095.3开发出了含稀土的银基电接触材料，并以其为工作层用于制作直流电动机的换向器；这类换向器与传统的AgPd50刷片配对使用，明显提高了直流电动机的稳定性、可靠性和使用寿命。大量实际应用结果表明，在这种配对条件下，AgPd50刷片工作层的耐磨性表现出明显的不足，很多情况下，在换向器工作层厚度还有50％以上剩余的情况下，刷片的工作层就全部磨损耗尽，严重的时候，还因刷片工作层早期磨损耗尽而导致直流电动机性能显著下降甚至失效。因此，提高刷片的耐磨性成为充分发挥贵金属电接触材料优良性能和进一步提高直流电动机的稳定性、可靠性及使用寿命的重要技术手段。
然而，将AgPd合金的含Pd量提高到60-70％(重量百分数)，可以提高其硬度，从而改善刷片的耐磨性，但这会大大增加材料成本，难以得到市场认可；也有使用含Cu量为30％(重量百分数)的PdAgCu合金制作刷片的报道，但由于其含Cu量太高，合金耐腐蚀性明显下降，使用范围受到很大限制，不适合在高温、高湿和有腐蚀性介质(如含S的环境)的条件下使用；而且使用过程中接触电阻变化较大，导致直流电动机稳定性降低、电噪声增大、输出波形恶化。
发明内容
针对现有钯银系刷片材料存在的问题，本发明提供一种具有高耐磨性的钯银系电接触材料，所述材料通过多元合金化，具有高耐磨性，以其作为刷片的工作面，与含稀土的银基换向器配对使用，优化二者的匹配性能，充分发挥出贵金属电接触材料的优良性能，在保证直流电动机稳定性的前提下，进一步提高其使用寿命。
本发明的技术方案是：
一种钯银系电接触合金，由Pd、Cu、RE、Ag组成，各成分按重量百分含量为：
Pd 40-48％；
Cu 1-10％；
RE 0.05-1％；
余量为Ag；
其中，RE为La、Ce、Nd、Sm、Eu、Gd、Er元素中的一种或几种。
一种钯银系电接触合金，由Pd、Cu、RE、AM、Ag组成，各成分按重量百分含量为：
Pd 40-48％；
Cu 1-10％；
RE 0.05-1％；
AM 0.05-0.5％；
余量为Ag；
其中，RE为La、Ce、Nd、Sm、Eu、Gd、Er元素中的一种或几种；AM为Li、Na、K元素中的一种或几种。
用于滑动式电接触的两层层状复合材料，由上述的钯银系电接触合金与铜或铜合金复合得到的复合材料，其中钯银系电接触合金作为工作层，铜或铜合金作为基层。
所述钯银系合金层部分或全部复合在铜或铜合金基层上。
用上述层状复合材料制备的电刷片。
直流电动机中使用上述刷片。
本发明所述的钯银系电接触合金中，由于铜和银均可无限固溶于钯中，发挥固溶强化作用，而且铜(0.128nm)与钯(0.137nm)原子半径之差较银(0.144nm)与钯原子半径之差大，所以铜对钯的固溶强化作用大于银，而且多种合金元素之间产生交互作用，可以发挥出比两种元素更好的强化作用，因此，本发明添加1-10％的铜可以提高钯银合金的硬度和耐磨性。其原因是Cu在室温下几乎完全不能固溶于Ag中，如果Cu添加过多(大于10％)，则容易出现尺寸较大的析出相，增大其与换向器材料的接触电阻，恶化直流电动机的波形；反之如果Cu添加过少(少于1％)，则不能发挥其强化作用。
本发明所述材料中0.05-1％的稀土元素，有去除杂质、净化合金，改善合金的成分均匀性、细化组织，从而提高合金的导电性与力学性能；同时，稀土元素还可以与Ag、Pd、Cu形成多种金属间化合物，并以微细颗粒形式从基体中弥散、均匀地析出，产生沉淀强化作用，改善合金的耐磨性，并提高其高温稳定性，抑制刷片在工作过程中由于温度升高而发生软化的现象，从而延长刷片的使用寿命。稀土元素含量为0.05-1％的原因是，如果稀土添加过多(大于1％)，则析出相增多、尺寸变大，接触电阻升高，并且对换向器的损伤增大，不利于直流电动机性能和寿命的改善；反之，如果稀土添加量太少(少于0.05％)，则不能发挥其有益作用。
本发明所述材料中0.05-0.5％的微量碱金属锂、钠、钾，可固溶于基体中，其性质活泼，在空气中极易氧化，电接触材料工作过程中，合金中的碱金属优先氧化，在材料表面形成容易剥落的氧化物膜，从而产生自润滑作用，特别是减少换向器与刷片金属表面的直接接触，在很大程度上降低粘着磨损造成的材料损伤，而且该氧化物膜很薄，不会增加接触电阻。同时，碱金属的沸点较低，受高温作用时容易挥发，因而可以带走电弧的热量，使电弧尽快熄灭，极大地减少接触材料的烧蚀。碱金属的含量为0.05-0.5％的原因是，如果碱金属元素添加过多(大于0.5％)，则合金电阻增加过多，制成的刷片在工作过程中温升增大，材料容易软化损伤，并且降低直流电动机的电流效率；反之，如果碱金属元素添加量太少(少于0.05％)，则不能有效发挥其润滑和灭弧作用。
本发明的优点为：
1)采用本发明的Ag-Pd-Cu-RE或Ag-Pd-Cu-RE-AM电接触材料制作微电机刷片，具有更好的耐磨性和高温稳定性，与含稀土的银基换向器配对使用，可以提高直流电动机的稳定性和使用寿命。
2)本发明的Ag-Pd-Cu-RE或Ag-Pd-Cu-RE-AM电接触合金可以采用普通真空熔炼工艺制造，设备和工艺技术不需要特殊的改造，生产中易于实施。
3)利用本发明的Ag-Pd-Cu-RE或Ag-Pd-Cu-RE-AM电接触合金制作层状复合材料时，可以采用现有的钯银合金/铜合金电接触复合带材的工艺和设备进行生产，技术易于掌握和实施，也不会增加生产成本。
4)本发明的合金通过Cu、稀土元素和碱金属元素的多元合金化，与现有AgPd50合金相比，在保证性能的前提下，减少了价格昂贵的Pd的含量，可以降低材料成本。
本发明所述材料与铜或铜合金复合的合金，适合于制作小型直流电动机的刷片。
具体实施方式
本发明采用的开坯、轧制、中间退火、拉拔、热轧、温轧或冷轧复合工艺采用材料制备与加工领域中的常用生产的工艺。
制备本发明所述钯银系电接触材料的方法：
1)采用真空感应炉熔炼制备合金，其中Cu、La、Ce、Nd、Sm、Eu、Gd、Er、Li、Na、K元素可以以中间合金形式加入，也可以以纯金属形式加入；如果稀土元素和碱金属元素以纯金属形式添加，则必须将稀土元素和碱金属元素放在有氮气保护的手套箱中用银箔或银片包裹密封后取出，再添加，以防止其氧化，以免其在空气中氧化燃烧；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)将制备的Ag-Pd-Cu-RE或Ag-Pd-Cu-RE-AM电接触合金铸锭经开坯、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合金进行复合，制作成层状复合材料。其中本发明的钯银系电接触材料为工作层，铜或铜合金为基层。
实施例1至49的合金成分见表1。
表1实施例1-49合金成分(重量百分数)
| 实施例 | Pd | Cu | La | Ce | Nd | Sm | Eu | Gd | Er | Ag |
| 1 | 40 | 10 | 0.05 | 余量 | ||||||
| 2 | 40 | 10 | 0.05 | 余量 | ||||||
| 3 | 40 | 10 | 0.05 | 余量 | ||||||
| 4 | 40 | 10 | 0.05 | 余量 | ||||||
| 5 | 40 | 10 | 0.05 | 余量 | ||||||
| 6 | 40 | 10 | 0.05 | 余量 | ||||||
| 7 | 40 | 10 | 0.05 | 余量 | ||||||
| 8 | 42 | 8 | 0.2 | 余量 | ||||||
| 9 | 42 | 8 | 0.2 | 余量 |
| 10 | 42 | 8 | 0.2 | 余量 | ||||||
| 11 | 42 | 8 | 0.2 | 余量 | ||||||
| 12 | 42 | 8 | 0.2 | 余量 | ||||||
| 13 | 42 | 8 | 0.2 | 余量 | ||||||
| 14 | 42 | 8 | 0.2 | 余量 | ||||||
| 15 | 45 | 5 | 0.4 | 余量 | ||||||
| 16 | 45 | 5 | 0.4 | 余量 | ||||||
| 17 | 45 | 5 | 0.4 | 余量 | ||||||
| 18 | 45 | 5 | 0.4 | 余量 | ||||||
| 19 | 45 | 5 | 0.4 | 余量 | ||||||
| 20 | 45 | 5 | 0.4 | 余量 | ||||||
| 21 | 45 | 5 | 0.4 | 余量 | ||||||
| 22 | 48 | 1 | 1 | 余量 | ||||||
| 23 | 48 | 1 | 1 | 余量 | ||||||
| 24 | 48 | 1 | 1 | 余量 | ||||||
| 25 | 48 | 1 | 1 | 余量 | ||||||
| 26 | 48 | 1 | 1 | 余量 | ||||||
| 27 | 48 | 1 | 1 | 余量 | ||||||
| 28 | 48 | 1 | 1 | 余量 | ||||||
| 29 | 40 | 10 | 0.05 | 0.05 | 0.02 | 余量 | ||||
| 30 | 40 | 10 | 0.05 | 0.03 | 0.03 | 余量 | ||||
| 31 | 40 | 10 | 0.05 | 0.05 | 0.02 | 余量 | ||||
| 32 | 40 | 10 | 0.03 | 0.05 | 0.02 | 0.02 | 余量 | |||
| 33 | 40 | 10 | 0.02 | 0.03 | 0.05 | 0.02 | 余量 | |||
| 34 | 40 | 10 | 0.02 | 0.02 | 0.05 | 余量 | ||||
| 35 | 40 | 10 | 0.03 | 0.03 | 0.05 | 余量 | ||||
| 36 | 45 | 5 | 0.1 | 0.05 | 余量 | |||||
| 37 | 45 | 5 | 0.2 | 0.03 | 0.03 | 余量 | ||||
| 38 | 45 | 5 | 0.02 | 0.2 | 0.02 | 余量 | ||||
| 39 | 45 | 5 | 0.03 | 0.2 | 0.02 | 0.02 | 余量 | |||
| 40 | 45 | 5 | 0.02 | 0.03 | 0.2 | 0.02 | 余量 | |||
| 41 | 45 | 5 | 0.02 | 0.02 | 0.2 | 余量 | ||||
| 42 | 45 | 5 | 0.02 | 0.02 | 0.2 | 余量 | ||||
| 43 | 48 | 1 | 0.5 | 0.5 | 余量 | |||||
| 44 | 48 | 1 | 0.5 | 0.3 | 0.2 | 余量 | ||||
| 45 | 48 | 1 | 0.3 | 0.5 | 0.2 | 余量 | ||||
| 46 | 48 | 1 | 0.2 | 0.4 | 0.2 | 0.2 | 余量 | |||
| 47 | 48 | 1 | 0.2 | 0.1 | 0.5 | 0.2 | 余量 | |||
| 48 | 48 | 1 | 0.2 | 0.2 | 0.6 | 余量 | ||||
| 49 | 48 | 1 | 0.2 | 0.3 | 0.5 | 余量 |
按表1中的取各成分按照上述制备钯银系电接触材料的方法，制备钯银系电接触合金材料并浇铸成锭，经开坯、轧制、退火等工序制成带材，然后采用热轧复合工艺与BZn18-26铜合金复合得到层状复合材料，然后继续经多次轧制成Pd-Ag-Cu-RE合金层厚0.01mm，总厚0.15mm的复合带材。
比较例1合金成分为：50％Pd、余量为Ag，采用与上述各实施例相同工艺制成Pd-Ag合金层厚0.013mm，总厚0.15mm的复合带材。
将带材用于制作成直流电动机刷片，将该刷片装配在直流电动机中，进行寿命试验。对应的换向器材料为AgCu4Ni0.5RE/Cu，其中，银合金层厚度为0.03mm，材料总厚度0.25mm。
测试条件为：
测试温度：70℃；测试负荷：φ12mm CD；测试电压：3V；转速：5000RPM；运行方式：连续；每组测试电机数量：10台。
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无法启动时均判定为寿命终止，各组试验电机的寿命值均取其10台电机平均值计算。
测试结果见表2。
表2实施例1-49及比较例1寿命测试结果
| 实施例 | 寿命 |
| 1 | 5320 |
| 2 | 5210 |
| 3 | 5220 |
| 4 | 5190 |
| 5 | 5230 |
| 6 | 5050 |
| 7 | 5120 |
| 8 | 5120 |
| 9 | 5210 |
| 10 | 5330 |
| 11 | 5250 |
| 12 | 5270 |
| 13 | 5310 |
| 14 | 5320 |
| 15 | 5420 |
| 16 | 5410 |
| 17 | 5390 |
| 18 | 5420 |
| 19 | 5290 |
| 20 | 5460 |
| 21 | 5330 |
| 22 | 5340 |
| 23 | 5420 |
| 24 | 5410 |
| 25 | 5280 |
| 26 | 5380 |
| 27 | 5410 |
| 28 | 5250 |
| 29 | 5360 |
| 30 | 5330 |
| 31 | 5380 |
| 32 | 5360 |
| 33 | 5290 |
| 34 | 5430 |
| 35 | 5320 |
| 36 | 5410 |
| 37 | 5380 |
| 38 | 5360 |
| 39 | 5420 |
| 40 | 5330 |
| 41 | 5320 |
| 42 | 5290 |
| 43 | 5310 |
| 44 | 5280 |
| 45 | 5290 |
| 46 | 5320 |
| 47 | 5290 |
| 48 | 5410 |
| 49 | 5360 |
| 比较例1 | 4120 |
实施例50至73的合金成分见表1。
表3实施例50-73合金成分(重量百分数)
| 实施例 | Pd | Cu | RE | Li | Na | K | Ag |
| 50 | 40 | 10 | 0.05 | 0.05 | 余量 | ||
| 51 | 40 | 10 | 0.05 | 0.05 | 余量 | ||
| 52 | 40 | 10 | 0.05 | 0.05 | 余量 | ||
| 53 | 42 | 8 | 0.1 | 0.1 | 余量 | ||
| 54 | 42 | 8 | 0.1 | 0.1 | 余量 | ||
| 55 | 42 | 8 | 0.1 | 0.1 | 余量 | ||
| 56 | 45 | 5 | 0.4 | 0.3 | 余量 | ||
| 57 | 45 | 5 | 0.4 | 0.3 | 余量 | ||
| 58 | 45 | 5 | 0.4 | 0.3 | 余量 | ||
| 59 | 48 | 2 | 1 | 0.5 | 余量 | ||
| 60 | 48 | 2 | 1 | 0.5 | 余量 | ||
| 61 | 48 | 2 | 1 | 0.5 | 余量 | ||
| 62 | 40 | 10 | 0.05 | 0.02 | 0.03 | 余量 | |
| 63 | 40 | 10 | 0.05 | 0.02 | 0.03 | 余量 | |
| 64 | 40 | 10 | 0.05 | 0.03 | 0.02 | 余量 | |
| 65 | 40 | 10 | 0.05 | 0.02 | 0.02 | 0.01 | 余量 |
| 66 | 45 | 5 | 0.3 | 0.05 | 0.05 | 余量 | |
| 67 | 45 | 5 | 0.3 | 0.05 | 0.05 | 余量 | |
| 68 | 45 | 5 | 0.3 | 0.05 | 0.05 | 余量 | |
| 69 | 45 | 5 | 0.3 | 0.03 | 0.03 | 0.04 | 余量 |
| 70 | 48 | 2 | 1 | 0.2 | 0.3 | 余量 | |
| 71 | 48 | 2 | 1 | 0.3 | 0.2 | 余量 | |
| 72 | 48 | 2 | 1 | 0.2 | 0.3 | 余量 | |
| 73 | 48 | 2 | 1 | 0.2 | 0.1 | 0.2 | 余量 |
按表3取各成分按照上述制备钯银系电接触材料的方法，制备钯银系电接触合金材料并浇铸成锭，经开坯、轧制、退火等工序制成带材，然后采用热轧复合工艺与BZn18-26铜合金复合得到层状复合材料，然后继续经多次轧制成Pd-Ag-Cu-RE合金层厚0.01mm，总厚0.15mm的复合带材。
比较例2合金成分为：50％Pd、余量为Ag，采用与上述各实施例相同工艺制成Pd-Ag合金层厚0.013mm，总厚0.15mm的复合带材。
将带材用于制作成直流电动机刷片，将该刷片装配在直流电动机中，进行寿命试验。对应的换向器材料为AgCu4Ni0.5RE/Cu，其中，银合金层厚度为0.03mm，材料总厚度0.25mm。
测试条件为：
测试温度：70℃；测试负荷：12g·cm；测试电压：3V；转速：7000RPM；运行方式：连续；每组测试电机数量：10台。
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无法启动时均判定为寿命终止，各组试验电机的寿命值均取其10台电机平均值计算。
表4实施例50-73及比较例2寿命测试结果
| 实施例 | 寿命 |
| 50 | 4880 |
| 51 | 4850 |
| 52 | 4930 |
| 53 | 4870 |
| 54 | 4860 |
| 55 | 4930 |
| 56 | 4850 |
| 57 | 4930 |
| 58 | 4890 |
| 59 | 4790 |
| 60 | 4920 |
| 61 | 4880 |
| 62 | 4870 |
| 63 | 4910 |
| 64 | 4790 |
| 65 | 4930 |
| 66 | 4790 |
| 67 | 4880 |
| 68 | 4850 |
| 69 | 4870 |
| 70 | 4920 |
| 71 | 4910 |
| 72 | 4860 |
| 73 | 4880 |
| 比较例2 | 3810 |
结论：上述测试结果表明，与AgPd50合金相比，本发明的Pd-Ag-Cu-RE合金和Pd-Ag-Cu-RE-AM合金具有更好的耐磨性和电接触性能，以其作为工作层与铜或铜合金复合制成复合材料，用于制作直流电动机刷片，与采用AgPd50合金所制作的微电机刷片相比，在与相同材质和规格的换向器配对运行的条件下，显示出更长的使用寿命，达到了提高直流电动机工作寿命和稳定性的目的，从而更有效地发挥出了贵金属电接触材料的优良性能。
本实施例是将钯银系电接触合金作为工作层，铜合金作为基层。根据上述，本领域技术人员完全可以按照本发明所述的生产工艺将钯银系电接触合金作为工作层，铜作为基层，得到用于滑动式电接触的两层层状复合材料，所得的复合材料同样具有本发明所述的技术效果。
为降低生产成本，本实施例是将钯银系合金层部分复合在铜或铜合金基层上(部分复合是在用于滑动式电接触的两层层状复合材料的工作区域复合钯银系合金)，根据上述，本领域技术人员完全可以按照本发明所述的生产工艺将将钯银系合金层全部复合在铜或铜合金基层上，得到的用于滑动式电接触的两层层状复合材料，所得的复合材料同样具有本发明所述的技术效果。
Claims (6)
1.一种用于直流电动机电刷片的钯银系电接触材料，其特征在于所述材料由Pd、Cu、RE、Ag组成，各成分按重量百分含量为：
Pd 40-48%；
Cu 1-10%；
RE 0.05-1%；
余量为Ag；
其中，RE为La、Ce、Nd、Sm、Eu、Gd、Er元素中的一种或几种。
2.一种用于直流电动机电刷片的钯银系电接触材料，其特征在于：所述材料由Pd、Cu、RE、AM 、Ag组成，各成分按重量百分含量为：
Pd 40-48%；
Cu 1-10%；
RE 0.05-1%；
AM 0.05-0.5%；
余量为Ag；
其中，RE为La、Ce、Nd、Sm、Eu、Gd、Er元素中的一种或几种；AM为Li、Na、K元素中的一种或几种。
3.用于滑动式电接触的两层层状复合材料，其特征在于：由权利要求1或权利要求2所述的钯银系电接触材料与铜或铜合金复合得到的复合材料，其中钯银系电接触合金作为工作层，铜或铜合金作为基层。
4.根据权利要求3所述的复合材料，其特征在于：钯银系合金层部分或全部复合在铜或铜合金基层上。
5.一种用权利要求3或4所述的层状复合材料制备的电刷片。
6.一种直流电动机，使用权利要求5所述的电刷片。
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