CN103757460A - 具有时效硬化效应的电刷合金及用途 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有时效硬化效应的电刷合金，该合金组分包括重量百分含量Ag为30～40%；Cu为12～20%；Pt为0.5～2.5%；Au为0.1～1.5%；Zn0.5～2.0%；余量为Pd；通过固溶处理和时效处理，合金中含有Cu₃Pt和Cu₃Au有序相。该材料含有Cu₃Pt和Cu₃Au有序相，在高温下的硬度和耐磨性提高，适用作环境温度80～150℃下使用的小型直流电动机电刷的工作层；将该合金复合在铜合金的表面，可以节约成本、提高力学性能，充分发挥两层材料的性能。

Description

具有时效硬化效应的电刷合金及用途

技术领域

本发明涉及一种金属材料，特别涉及一种含有Cu₃Pt和/或Cu₃Au有序相的时效硬化效应的银钯系高温滑动式电接触合金及用途。

背景技术

换向器和电刷片是小型直流电动机的核心部件，工作中其承受的主要载荷是载电条件下的滑动摩擦，滑动摩擦磨损和电弧侵蚀对材料造成的损伤是换向器和电刷失效，并最终导致微电机失效的主要原因。而且，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加工硬化的材料产生再结晶，降低其硬度和耐磨性，进一步加剧了材料的机械磨损。

特别地，当直流微电机工作于高温环境时（80℃以上），由于环境温度高，电机的散热效果下降，电刷和换向器接触面的温升较常温条件下显著升高，材料的软化和磨损更加严重，常常导致电刷贵金属层早期磨耗，并进而加剧电弧，造成材料的严重电弧侵蚀甚至断裂，使微电机寿命显著缩短。因此，在这种条件下，电刷材料的高温耐磨性显得尤其重要。

目前普遍使用的电刷合金主要是AgPd二元合金，中国发明专利201110092385报道了添加Cu、RE和碱金属的钯银系电刷合金，较传统的AgPd二元合金具有更好的耐磨性，并且由于Cu的固溶强化、含稀土金属间化合物的沉淀强化，以及低熔点碱金属的灭弧作用，以该合金制作的电刷在温度高达70℃的环境中表现出较为优异的效果。然而，使用中发现，当环境温度升高到80～150℃时，这类电刷的磨损会显著加快，电弧侵蚀加剧，难以满足使用要求。

发明内容

本发明针对背景技术所述的现有电刷合金材料的不足，提供一种具有时效硬化效应的电刷合金，该材料含有Cu₃Pt和Cu₃Au有序相，具有较高的硬度，在电刷工作条件下，其硬度随温度升高的下降很小，在80～150℃的工作环境中仍然可以保持较高的硬度和耐磨性，满足了高温微电机的使用要求。

本发明的技术方案是：

具有时效硬化效应的电刷合金，各组分的重量百分含量为：

上述电刷合金含有Cu₃Pt和Cu₃Au有序相，为了保证Cu₃Pt和Cu₃Au有序相的析出，上述组分制作的材料需进行固溶处理和时效处理，其中固溶处理的保温温度为850～950℃，保温时间≥2min，随后水冷或空冷至室温；时效处理的保温温度为350～500℃，保温时间≥2min，随后水冷或空冷至室温。

用于小型直流电动机电刷用滑动电接触复合材料，以上述合金为工作层，铜合金为基层，其中，所述工作层全部或部分覆盖在铜合金的表面。

上述电刷合金或复合材料可以用于小型直流电动机电刷。

上述电刷可以用于小型直流电动机。

本发明中Ag是导电性最好的金属元素，并且具有良好的耐腐蚀性能，是滑动式电接触合金的首选元素，为电刷材料提供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，因此必须与其它元素进行合金化才能发挥其优势。在具有时效硬化效应的耐高温电刷合金中，如果Ag的含量低于30%，则合金的导电性下降，影响电机的输出扭矩；如果Ag的含量大于40%，则抗电弧侵蚀能力降低，电刷容易被电弧烧蚀乃至断裂。

本发明中Cu也是导电性非常优秀的元素，并且可以对合金产生优良的强化作用。在本发明的合金中，部分Cu溶解在Pd和Ag的固溶体中，产生固溶强化作用；更重要的是，还有一部分Cu可以与合金中的Pt形成有序相Cu₃Pt，并与Au形成有序相Cu₃Au，通过适当的固溶和时效处理，这两种有序相可以在时效过程中析出，产生显著的时效强化效果，提高合金的硬度和耐磨性，而且这些有序相高温稳定性很好，当本电刷合金工作温度达到80～150℃时，仍然能够很有效地保持其强化作用，因而大大提高了电刷的高温耐磨性，满足电机的高温使用要求。如果Cu含量低于12%，则不能有效地发挥时效强化效果，如果Cu含量高于20%，则会降低合金的抗氧化性能，在高温环境中容易出现过多的氧化膜而增加接触电阻。

本发明中Pt和Au的主要作用是与Cu形成有序相而产生时效强化效果，同时也能提高合金的抗氧化的耐腐蚀性能。两种元素配合添加的作用优于单独加入一种元素，因为两种不同有序相的配合使用有利于保持有序相的细小和均匀分布，保证强化效果在长期的高温环境使用过程中不下降。这两种元素的添加量如果低于本发明的下限，则不能得到足够的时效强化效果；如果高于上限，则一方面降低合金导电性，另一方面也增加合金成本。

本发明中Zn是一种低熔点、低沸点、高蒸汽压的元素，其在合金中的主要作用是，1）Zn可以取代有序相Cu₃Pt和/或Cu₃Au中的部分Cu，形成更为复杂的有序相，提高这些有序相的高温稳定性，进一步强化材料，提高高温下的使用寿命；2）当电刷工作过程中产生电弧时，Zn可以挥发灭弧。如果Zn含量低于0.5%，则其强化和灭弧作用不足；如果Zn含量高于2%，则合金的导电性和抗氧化能力下降。

本发明中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，还通过与Ag的固溶来提高合金的硬度和耐磨性，其熔点较高，也有利于改善合金的抗电弧性能，在本发明的合金中作为余量元素存在。

本发明的合金需要通过适当的固溶和时效处理才能有效发挥其良好作用。采用本发明所述的固溶处理，可以将尽可能多的合金元素溶解到面心立方的AgPd固溶体中，并且防止这些合金元素在冷却过程中析出；时效处理可以使Cu₃Pt和/或Cu₃Au有序相从基体中均匀、弥散析出，发挥其强化作用。

申请人通过***研究合金元素之间的交互作用及其随含量和温度的变化，优化了合金的成分设计，并且结合固溶处理和时效处理，得到一种含有Cu₃Pt和/或Cu₃Au有序相具有时效强化效应的电刷合金。该合金在80～150℃的工作环境中仍然可以保持较高的硬度和耐磨性，其硬度随温度升高下降的很小，能满足80～150℃高温微电机服役环境要求，适合用作环境温度80～150℃下使用的小型直流电动机电刷的工作层。

将该合金复合在铜合金的表面，不仅可以节约成本，而且还能够提高力学性能，使两层材料的性能得以充分发挥。

本发明所述具有时效硬化效应的电刷合金，可以直接用于作为电刷材料，也可以将其符复合在铜合金的表面，作为电刷材料使用，其原则是根据电机服役环境和电机的制备工艺进行选择。

本发明的优点为：

1）采用本发明的材料制作微电机电刷，具有显著的时效强化效果，而且强化相的高温稳定性好，特别适合用作80～150℃高温环境下使用的电刷材料。

2）本发明的电刷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）本发明的电刷合金中各元素在熔炼过程中烧损较少，凝固过程中成分偏析不严重，因而其成分和成分均匀性容易保证，适合于大规模生产。

具体实施方式

实施例1至12的合金成分见表1。

上述合金的制备及处理工艺为：

1）采用真空感应炉熔炼制备合金，其中各元素可以中间合金形式加入，也可以纯金属形式加入；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。

为了保证合金中含有Cu₃Pt和Cu₃Au有序相，按表1中所述的配比制备的合金需要进行固溶处理：固溶处理温度为850～950℃，保温时间不小于2min，采取空冷或水冷的方式冷却到室温以达到固溶效果；时效处理的工艺为：保护气氛中加热至温度350～500℃，保温，时间不小于2min，保温后，采取空冷或水冷的方式冷却到室温，达到所需要的时效强化效果，即得到具有时效硬化的电刷合金。该合金具有较高的硬度，具有显著的时效强化效果，而且强化相的高温稳定性好，特别适合用作80～150℃高温环境下使用的电刷材料。

上述时效硬化热处理温度及硬度测试结果见表2。

通过轧制复合技术，将上述合金复合在C7701铜合金上，制作成一种层压复合材料，其中上述合金作为工作层，C7701作为基层。

然后将述复合材料制作成小型直流电动机的电刷，装配在小型直流电动机中，进行高温寿命试验。其配对换向器材料为AgCu4Ni0.5RE0.5/TU1。用于对比的电刷材料为AgPd50/C7701。

测试条件如下：

测试温度：+80～150℃

测试负荷：8g·cm

测试电压：8V

电机转速：4000rpm

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。

测试结果见表3。

表3实施例1～12及比较例AgPd50/C7701寿命测试结果

结论：上述测试结果表明，本发明的合金具有良好的时效硬化效果，在高温下具有优良的耐磨性。以本发明合金作工作层、铜合金为基层制成复合材料，用于制作小型直流电动机电刷，在80～150℃条件下工作，与传统的A_gPd50合金所制电刷相比，具有更长的使用寿命，达到了提高小型直流电动机高温性能的目的。

Claims (5)

1.一种具有时效硬化效应的电刷合金，其特征在于，该合金组分包括重量百分含量Ag为30～40%；Cu为12～20%；Pt为0.5～2.5%；Au为0.1～1.5%；Zn0.5～2.0%；余量为Pd；通过固溶处理和时效处理，合金中含有Cu₃Pt和Cu₃Au有序相。

2.根据权利要求1所述的电刷合金，其特征在于：所述固溶处理的方法是，保温温度为850～950℃，保温时间≥2min，随后水冷或空冷至室温；所述时效处理的方法是，保温温度为350～500℃，保温时间≥2min，随后水冷或空冷至室温。

3.用于小型直流电动机电刷用滑动电接触复合材料，其特征在于，它以权利要求1的合金为工作层，铜合金为基层，其中，工作层全部或部分覆盖在铜合金的表面。

4.一种小型直流电动机电刷，其特征在于，它使用权利要求1或2所述的电刷合金或权利要求3所述的复合材料。

5.一种小型直流电动机，其特征在于，它使用权利要求4所述的电刷。