CN102505083A - 自润滑的滑动接点材料及层状复合材料 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种自润滑的滑动接点材料，所述的接点材料成分为：Pd：15～60％；RE：0.05～0.5％；C：0.005～0.1％；余量为Ag，所述的滑动接点材料可以镶嵌在铜及铜合金表面形成层状复合材料。所述的自润滑的滑动接点材料具有良好的自润滑和抗电弧特性，适合用作机械摩擦和电弧严重的高负荷微电机上电刷的工作层。

Description

自润滑的滑动接点材料及层状复合材料

技术领域

本发明涉及一种自润滑的滑动电接触材料，尤其涉及一种具有优良的抗弧、自润滑的滑动接点材料，以及用这种材料镶嵌铜或铜合金表面，滑动电接触材料作为工作层、铜或铜合金作为基层的层状复合材料。

背景技术

电刷是直流微电机的核心元件之一，它与换向器相互接触并相对滑动，实现电能传输、推动电机运行。电刷在工作过程中承受滑动磨损和电弧侵蚀的双重作用，同时受到环境气氛中各种腐蚀性介质的影响，并且摩擦和电流造成的温升加剧了磨损和腐蚀的作用。因此，电刷材料在要求良好接触导电性的同时，还需要具有良好的耐磨损、抗电弧、抗熔焊和耐腐蚀性能；同时，电刷在与换向器配对工作过程中，其工作区域只局限在很小的一段，虽然在工作过程中有加工硬化的作用，但在磨损和电弧严重的场合仍然难以保证足够的寿命和稳定性，尤其在微电机换向器普遍使用含稀土的银合金以后，电刷的性能逐渐成为制约微电机寿命的关键因素。

目前在微电机电刷这类滑动式电接触材料中常用的改善灭弧和自润滑的手段是添加低熔点、易氧化的金属元素(如Li、Mg、Zn、Sn、In等)，这些元素在使用过程中，当产生电弧、温度升高时，可以通过挥发带走电弧热量来使电弧熄灭，并且可以在电刷表面形成氧化物薄膜，产生自润滑作用。但是这些元素是固溶在基体中，其灭弧作用受到挥发速率和挥发量的限制，在电弧较大时不能有效抑制材料的电弧损伤；而且氧化膜的润滑原因主要是该膜层与金属表面结合力较低，摩擦过程中易于剥离而降低了摩擦系数，这种润滑作用对于减小材料的磨损也是很有限的。因此这类材料在机械摩擦和电弧严重的高负荷微电机上应用时，寿命和稳定性仍然有所不足。

发明内容

针对现有电刷材料存在的问题以及微电机行业不断提高的寿命要求，提出一种具有优异的自润滑和抗电弧性能的电刷材料，以其作为电刷的工作面，复合在铜合金基体上构成层状复合材料，充分发挥出贵金属电接触材料的优良性能，提高直流微电机的稳定性和使用寿命。

本发明的技术方案是：

本发明所述的自润滑的滑动接点材料，包括Pd、RE、C和Ag，其各组分的重量百分含量为：

Pd  15～60％；

RE  0.05～0.5％；

C   0.005～0.1％；

余量为Ag。

上述自润滑的滑动接点材料中所述的RE最优选择为La、Ce中的一种或几种。

本发明所述的层状复合材料，采用上述滑动接点材料镶嵌在铜或铜合金的表面，其中铜或铜合金为基层，滑动接点材料为工作层。

本发明涉及的一种微电机，它使用上述层状复合材料作电刷。

本发明所述的材料中，Ag是导电性最好的金属元素，并且具有良好的耐腐蚀性能，是电刷材料导电和耐腐蚀的基本保证，但纯Ag的力学性能不足、抗硫化性能差，易受电弧侵蚀和熔焊，因此必须进行合金化。

Pd是改善Ag抗硫化性能的主要元素，并且可进一步提高耐腐蚀性，还通过固溶强化提高材料的硬度和耐磨性，其较好的化学稳定性，可以改善材料的抗硫化性能；如果Pd的含量低于15％，则其对电刷材料性能的改善作用不能充分发挥，如果其含量高于60％，则材料的成本增加较多。

稀土元素RE可以去除杂质、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和Pd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，可抑制电刷在工作过程中电弧的产生，从而延长电刷的使用寿命。如果稀土添加量少于0.05％，则不能充分发挥其有益作用；如果稀土添加量大于0.5％，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，不利于直流微电机性能和寿命的改善。

石墨熔点高，抗电弧烧蚀能力强，同时在电弧的高温作用下，石墨可以发生氧化产生CO₂气体，起到吹灭电弧的作用，从而提高了材料的抗电弧烧蚀能力。石墨具有六方结构，其层间容易滑移，因此是一种很好的固体润滑剂，将石墨添加到用于滑动接触的电刷材料中，在电刷和换向器相对滑动而产生滑动摩擦时，石墨的这种润滑作用可以充分发挥出来，大幅度减少电刷和换向器的机械磨损，在机械摩擦过程中，石墨自身的损失很少，其润滑作用可以长期保持；并且石墨具有良好的导电性，对接触电阻的影响可以忽略。如果石墨添加量少于0.005％，其自润滑作用不能充分发挥，如果石墨添加量高于0.1％，则材料的加工性能变差。

将上述材料作为工作层复合在具有优良力学性能的铜合金表面，用于制作微电机电刷，不仅可以节约贵金属，而且可以改善电刷整体的力学性能，保证其工作期间接触压力的稳定性，从而保证微电机使用性能的稳定性。

本发明的优点为：

1)采用本发明的材料制作微电机电刷，利用稀土优良的抗电弧性能和C元素优良的抗弧和自润滑性能，在机械磨损和电弧严重的微电机中使用，可以提高微电机的稳定性和使用寿命。

2)本发明的接点材料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)采用本发明所述的滑动接点材料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。

附图说明

图1为层状复合材料横截面结构的示意图。

具体实施方式

实施例1至12的合金成分见表1。

表1实施例1-12合金成分(重量百分数)

实施例	Pd	C	La	Ce	Ag
						1	15	0.005	0.05		余量
2	15	0.005		0.05	余量
						3	15	0.005	0.05	0.05	余量
4	30	0.03	0.1		余量
						5	30	0.03		0.1	余量
6	30	0.03	0.08	0.08	余量
						7	50	0.05	0.1		余量
8	50	0.05		0.1	余量
						9	50	0.05	0.08	0.08	余量
10	60	0.1	0.2		余量
						11	60	0.1		0.2	余量
12	60	0.1	0.15	0.15	余量
						比较例1	15				余量
比较例2	30				余量
						比较例3	50				余量
比较例4	60				余量

按表1中的取各组分进行真空熔炼熔炼，浇铸成锭，经开坯、轧制、退火等工序制成滑动接点材料带材，然后将滑动接点材料1镶嵌在铜合金2的表面(参见图1)，采用热轧复合工艺将滑动接点材料与C7701铜合金复合得到层状复合材料，然后继续经多次轧制成银合金层厚为0.001mm，总厚0.07mm的层状复合带材，具体的制备工艺为：

1)采用真空感应炉熔炼制备合金，其中，C以PdC合金的形式加入；稀土元素以纯金属形式添加，以银箔包裹等方式进行保护，以免其在空气中氧化；其他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滑动接点材料的原料。

2)将制备的滑动接点材料铸锭经开坯、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，将上述带材或丝材状的滑动接点材料镶嵌在铜合金表面，制作成层状复合材料。其中滑动接点材料为工作层，铜合金为基层。比较例1～比较例4中的合金成分采用与上述相同工艺制成银合金层厚为0.001mm，总厚0.07mm的层状复合带材。

将实施例1-12的材料制备成层状复合材料以及比较例1～4的复合带材制作成直流电动机刷片装配在直流电动机中，进行寿命试验。与电刷片配套的换向器材质为AgCu4Ni0.5RE/Cu层状复合材料，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：60℃

测试载荷：12g·cm

测试电压：12V

转速：10000rpm

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1-12及比较例1～4寿命测试结果

实施例	寿命(h)
		1	200
2	205
		3	215
4	500
		5	510
6	525
		7	800
8	803
		9	828
10	850
		11	853
12	869
		比较例1	120
比较例2	425
		比较例3	650
比较例4	680

结论：上述测试结果表明，与现有的AgPd15、AgPd30、AgPd50、AgPd60合金相比，本发明的Ag-Pd-RE-C合金具有更好的抗电弧性能和自润滑性能，以其作为工作层与铜合金复合制成复合材料，用于制作直流微电机电刷，与采用AgPd15、AgPd30、AgPd50、AgPd60合金所制作的微电机电刷相比，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。

Claims (4)

1.一种自润滑的滑动接点材料，其特征在于，自润滑的滑动接点材料包括Pd、RE、C和Ag，其各组分的重量百分含量为：

Pd  15～60％；

RE  0.05～0.5％；

C   0.005～0.1％；

余量为Ag。

2.根据权利要求1所述的一种自润滑的滑动接点材料，其特征在于，所述RE为La、Ce中的一种或两种。

3.一种层状复合材料，其特征在于：权利要求1～2中任一项所述的滑动接点材料镶嵌在铜或铜合金的表面，其中铜或铜合金为基层，自润滑的滑动接点材料为工作层。

4.一种微电机，其特征在于：它使用权利要求3的所述的层状复合材料作电刷。