CN103757461A - 含有固态可分解化合物的银基滑动式电接触材料及应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及含有固态可分解化合物的银基滑动式电接触材料，其各组分的重量百分含量为：Cu1.0-8.0%；Ni0.1-1.0%；RE0.02-0.5%；CaCO₃0.1-2.0%；余量Ag；其中CaCO₃颗粒的粒径≤100nm。该材料中由于CaCO₃在材料中分布均匀，可以达到完全致密化，因此，其具有良好的抗磨损和自灭弧性能，用于制作小型直流电动机的换向器，具有寿命长、可靠性高等优点。该材料可以单独使用，也可以作为工作层复合在铜表面使用。

Description

含有固态可分解化合物的银基滑动式电接触材料及应用

技术领域

本发明涉及一种金属材料，特别涉及一种含有固态可分解化合物的银基滑动式电接触材料及应用。

背景技术

换向器是小型直流电动机的核心部件，在稳定要求较高的用途中，通常是采用银基合金作为换向器的工作层，并与铜或铜合金制作成层状复合材料以降低成本。在工作过程中换向器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失效，并最终导致电动机失效的主要原因。

大量试验事实表明，电弧侵蚀是造成换向器早期严重损伤和电机失效的主要原因。因此，采用各种手段抑制电弧是高档换向器用新材料开发的重点方向。早期曾采用低熔点、低沸点的镉对银进行合金化，利用工作过程中镉的挥发来降低电弧热量并缩短燃弧时间，但镉是有毒的元素，目前国际上已经广泛禁止其使用。中国发明专利03135166报道了在银合金中添加锌，利用锌的挥发来灭弧的技术；中国发明专利200910303095报道了在换向器用银合金中添加碱金属锂、钠、钾，利用这些碱金属的挥发来灭弧的技术；中国发明专利201110092385报道了在钯银系电刷合金合金中利用碱金属挥发灭弧的技术；中国发明专利201110335754报道了在银合金中添加石墨，利用石墨氧化产生二氧化碳气体来熄灭电弧的技术。这些新技术均在一定条件下获得了良好的使用效果，但是由于小型直流电动机的用途很广，运行参数和环境条件差异很大，所需要的材料特性也有很大差别，特别是上述这些灭弧成分的强化作用都不明显，导致材料的抗磨能力难以满足要求，因此新型灭弧材料的开发仍然是一个重要课题。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种含有固态可分解化合物的银基滑动式电接触材料及应用。该材料中由于CaCO₃在材料中分布均匀，可以达到完全致密化，因此，其具有良好的抗磨损和自灭弧性能，用于制作小型直流电动机的换向器，具有寿命长、可靠性高等优点。该材料可以单独使用，也可以作为工作层复合在铜表面使用。

本发明的材料成分为：含有固态可分解化合物的银基滑动式电接触材料，其各组分的重量百分含量为：

其中，CaCO₃颗粒的粒径≤100nm。

所述RE为La、Ce中的一种或两种。

含有固态可分解化合物的银基滑动式电接触材料的制备方法，有以下步骤：

1）按照是述的材料配比取Ag、Cu、Ni、RE原料，采用水雾化法制备AgCuNiRE合金粉末，水雾化压力≥50MPa，其粉末颗粒的平均等效直径≤30μm；

2）步骤1）得到合金粉末与粒径≤100nmCaCO₃粉末混合均匀；

3）步骤2）得到混合粉末进行冷等静压制，冷等静压压力≥50Mpa，冷等静压时间≥60S；

4）将压制好的坯料置于氨分解或纯氢气氛中进行烧结，烧结温度750～800℃，烧结时间≥3h；

5）对烧结好的坯料进行挤压，挤压比≥30；

6）将挤压好的坯料通过轧制、中间退火、拉拔等工艺，制备成带材或丝材。

将上述含有固态可分解化合物的银基滑动式电接触材料覆盖在铜或铜合金表面，其中铜或铜合金为基层，含有固态可分解化合物的银基滑动式电接触材料为工作层，得到层状电接触复合材料。

所述工作层全部或部分覆盖在基层的表面。

本发明所述的层状电接触复合材料可用于微电机换向器，该微电机换向器可用于微电机。

本发明所述材料中的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。在本发明的材料中，银作为基本组元存在。

本发明所述材料中的Cu也是导电性非常优秀的元素，在一定范围内对Ag的导电性没有明显影响；并且可以对合金产生优良的强化作用，提高材料的耐磨性。如果Cu含量低于1.0%，则不能有效地发挥其强化效果；如果Cu含量高于8.0%，则会降低材料的耐磨性和抗氧化性能，在高温环境中容易出现过多的氧化膜而增加接触电阻。

本发明所述材料中的Ni可以细化材料晶粒，并且由于其熔点较高，可以提高抗电弧能力；同时Ni和Cu形成的固溶体以第二相形式析出，可以产生沉淀强化作用。如果Ni含量低于0.1%，则不能有效地发挥其强化效果；如果Ni含量高于1.0%，则容易发生严重偏析，显著降低材料的成分均匀性和使用性能。

本发明所述材料中的稀土元素可以去除杂质、净化合金，改善合金的成分均匀性、细化组织，提高合金的导电性与力学性能；同时，稀土元素还可以与Ag、Cu、Ni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，抑制电刷在工作过程中由于温度升高而发生软化的现象，从而延长电刷的使用寿命。如果稀土添加量少于0.02%，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，材料的接触电阻升高，使用性能下降。

本发明所述材料中的CaCO₃在该材料中可以产生明显的弥散强化作用，显著提高材料的耐磨性；而且其分解温度（847℃）低于基本组元Ag的熔点（906℃），当材料在工作过程中出现电弧时，CaCO₃会在基体熔化前发生如下分解反应：

CaCO₃→CaO+CO₂

这一反应是一个吸热过程，可以消耗电弧热量，分解产物中的CO₂是气体，对电弧有吹灭作用，两方面共同作用缩短了电弧的燃烧时间，显著降低材料的电弧侵蚀。而且，上述反应的另一产物CaO高温性能很稳定，仍然以强化相的形式保留在材料中，使材料仍然能够保持较高的硬度和耐磨性。CaCO₃的尺寸不能超过100nm，否则会对材料的接触电阻造成明显的不良影响，而且分解产物CaO容易脱落，降低材料的耐磨性。通过对各种强化组元性能的研究和比较，优选出既有强化效果，又有灭弧性能的添加组分碳酸钙，开发出一种新型高性能银基电接触材料。由于碳酸钙的强化作用，这种材料具有较高的硬度和耐磨性，在工作过程中，当受到电弧高温作用时，碳酸钙分解成氧化钙和二氧化碳，这一过程吸收热量，降低电弧温度，产生的二氧化碳气体具有吹灭电弧的作用，两方面的共同作用缩短了电弧燃烧时间，有效抑制了材料的电弧损伤；而且，分解产物氧化钙仍然保留着材料中发挥其强化作用，使材料的抗磨能力不会因碳酸钙的分解而下降。银基电接触材料中使用的灭弧成分在提高材料抗磨能力方面有所

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。

本发明的优点为：

1）采用本发明的材料制作微电机换向器，具有优良的耐磨损、抗电弧等性能，可以提高小型直流电动机的稳定性和使用寿命。

2）本发明采用制粉、成形、烧结、压力加工和热处理技术进行生产，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AgCuNi系合金/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，基本不会增加生产成本。

4）本发明采用雾化法制备AgCuNiRE合金粉末，其成分均匀性高；而后采用混粉、等静压成形、挤压加工等技术生产换向器材料，可以有效地保证CaCO₃在材料中分布的均匀性，并且材料可以达到完全致密化。

具体实施方式

实施例1至12的合金成分见表1。

按表1中的各成分配制采用雾化法制备AgCuNiRE合金粉末，水雾化压力≥50MPa，控制粉末平均粒度≤30μm。将得到的合金粉末与拟定含量且尺寸≤100nm的CaCO₃粉末混合，经压制、烧结、挤压、轧制、退火等工艺制成带材。其中压制采用冷等静压制，冷等静压压力≥50Mpa，冷等静压时间≥60S；将压制好的坯料置于氨分解或纯氢气氛中进行烧结，烧结温度750～800℃，烧结时间≥3h；烧结好的坯料进行挤压，挤压比≥30；挤压好的坯料通过轧制、中间退火、拉拔等工艺，制备成带材或丝材。将制备的带材或丝材，采用热轧工艺与纯铜复合成层状复合材料，并轧制成银合金层厚0.03mm，总厚0.25mm的带材。其中铜或铜合金为基层，含有固态可分解化合物的银基滑动式电接触材料为工作层。

将实施例1～8材料制成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；用于比较的换向器材料为AgCuNiRE/TU1。对应的电刷片材料均为AgPd50/MX96。

测试条件如下：

测试温度：常温

测试负荷：15g·cm

测试电压：8V

电机转速：6000rpm

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2。

表2实施例1～8及对比合金AgCuNiRE寿命测试结果

实施例	寿命
		1	3520
2	3650
		3	3650
4	3700
		5	3680
6	3720
		7	3690
8	3750
		AgCuNiRE	3160

结论：上述测试结果表明，本发明的合金具有良好的耐磨性和抗电弧能力。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换向器，在相同的条件下工作，与传统的AgCuNiRE合金所制换向器相比，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 (7)

1.一种含有固态可分解化合物的银基滑动式电接触材料，其特征在于，其各组分的重量百分含量为：

其中，CaCO₃颗粒的粒径≤100nm。

2.根据权利要求1所述的材料，其特征在于：所述RE为La、Ce中的一种或两种。

3.含有固态可分解化合物的银基滑动式电接触材料的制备方法，其特征在于，有以下步骤：

1）按照权利要求1或2所述的材料配比取Ag、Cu、Ni、RE原料，采用水雾化法制备AgCuNiRE合金粉末，水雾化压力≥50MPa，其粉末颗粒的平均等效直径≤30μm；

2）步骤1）得到合金粉末与粒径≤100nmCaCO₃粉末混合均匀；

3）步骤2）得到混合粉末进行冷等静压制，冷等静压压力≥50Mpa，冷等静压时间≥60S；

4）将压制好的坯料置于氨分解或纯氢气氛中进行烧结，烧结温度750～800℃，烧结时间≥3h；

5）对烧结好的坯料进行挤压，挤压比≥30；

6）将挤压好的坯料通过轧制、中间退火、拉拔等工艺，制备成带材或丝材。

4.一种层状电接触复合材料，其特征在于，权利要求1-2任一所述的覆盖在铜或铜合金表面，其中铜或铜合金为基层，含有固态可分解化合物的银基滑动式电接触材料为工作层。

5.根据权利要求4所述的层状电接触复合材料，其特征在于：所述工作层全部或部分覆盖在基层的表面。

6.一种微电机换向器，其特征在于，它使用权利要求1或2所述的复合材料。

7.一种微电机，其特征在于，它使用权利要求6所述的换向器。