含氮化物的滑动电接触合金及其层状复合材料.pdf

本发明公开了一种含氮化物的滑动电接触合金，其特征在于：滑动电接触合金的成分由Cu、Ni、Zn、氮化物和Ag组成；各种成分的重量百分含量为：1~8%Cu、0.1~0.5%Ni、1~5%Zn、0.5~2%氮化物、余量为Ag；所述氮化物为TiN、AlN、BN、Si3N4中的一种。本发明的有益技术效果是：通过在银合金中添加氮化物，使银合金的耐摩性和抗电弧能力都得到大幅提高，将这种高性能的银合金用于微电机中换向器上的层状复合材料的制作，最终使微电机的性能得到改善，提高微电机的寿命和接触稳定性，从而使与微电机匹配的设备或装置的寿命和性能也得到了相应的提高。

权利要求书一种含氮化物的滑动电接触合金，其特征在于：滑动电接触合金的成分由Cu、Ni、Zn、氮化物和Ag组成；各种成分的重量百分含量为：1~8%Cu、0.1~0.5%Ni、1~5%Zn、0.5~2%氮化物、余量为Ag；所述氮化物为TiN、AlN、BN、Si3N4中的一种。
根据权利要求1所述的含氮化物的滑动电接触合金，其特征在于：所述氮化物的平均粒度为0.5~3μm。
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。
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。
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。

说明书含氮化物的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微电机换向器的合金材料，尤其涉及一种含氮化物的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；但是银的硬度和熔点均偏低，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，本领域技术人员采用了各种方法来改善其性能，目前，通过Cu、Ni、Zn、Pd、Pt、RE（稀土）等元素与银合金的合金化来提高银合金性能的技术已经得到广泛的应用；但是，随着社会发展，工程领域对微电机性能的要求也在不断提高，因此现有的换向器用滑动电接触合金难以满足要求，引入新的强化组元、开发新型换向器材料是滑动式电接触材料研发和生产部门的重点发展方向。
发明内容
针对背景技术中的问题，本发明提出了一种含氮化物的滑动电接触合金，滑动电接触合金的成分由Cu、Ni、Zn、氮化物和Ag组成；各种成分的重量百分含量为：1~8%Cu、0.1~0.5%Ni、1~5%Zn、0.5~2%氮化物、余量为Ag；所述氮化物为TiN、AlN、BN、Si3N4中的一种（具体选用哪种物质时，可综合考虑各种物质的成本择优选用）。
本发明方案的核心是：在现有的银合金中添加氮化物来使银合金的性能得到改善，从而制作出高性能的换向器及微电机；之所以选择将氮化物添加进银合金中，理由如下：氮化物具有高的硬度，一方面可以通过弥散强化机制提高银基体的硬度，另一方面氮化物自身也具有很强的抵抗滑动磨损的能力，从而使滑动式电接触材料的耐磨性得以提高，减少磨屑的产生；同时，氮化物还具有高熔点的特性，不会在电弧高温的作用下熔化，当银在电弧高温的作用下熔化时，细小的氮化物颗粒分散在熔融的银中，增大了银液的液相粘度，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。
关于氮化物的含量，发明人在大量实验研究中发现，若氮化物的含量低于0.5%，则其耐磨损和抗电弧作用不能充分发挥，对银合金的性能改善效果不明显；若氮化物的含量高于2%，滑动接触时的接触电阻会显著增大，并且会对电刷造成严重磨损，反而降低了微电机的寿命，因此，比较合理的氮化物用量应该在0.5~2%之间取舍；
为了保证氮化物颗粒在银基体中的数量和分布的均匀性，本发明还对氮化物的平均粒度进行了优选：在现有的生产条件下，如果氮化物颗粒的平均粒度过于细小，不仅会使加工成本上升，而且在运输、保存和使用过程中容易出现团聚现象，导致其在银基体中的分散性和均匀性很难得到保证，降低不同批次材料性能的一致性和稳定性，不能满足大批量生产的要求；反之，如果氮化物的平均粒度过大，会导致银基体中的氮化物颗粒的数量减少，增强效果较低，同时，还会严重降低材料的工艺性能，生产中容易出现开裂现象，难以满足大批量生产的要求，此外，过于粗大的颗粒对接触电阻和电刷也会产生不利影响，发明人经过大量实验后发现，将所述氮化物的平均粒度控制在0.5~3μm范围，既可以避免氮化物出现团聚现象，又可以保证银基体中分布有足够数量的氮化物颗粒，达到预期的增强效果，同时还保证了材料的工艺性；氮化物的平均粒度可通过筛网对原料进行过筛处理筛选获得。
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；
将前述的层状复合材料用于制作换向器，所制作出的换向器，其工作原理和物理结构均与现有技术相同，其不同之处在于换向器的滑动电触头采用前述的层状复合材料制作。
更进一步地，将前述的换向器用于制作微电机，所得到的微电机，其工作原理和物理结构均与现有技术相同，但得益于前述方案中由材料配方改进带来的银合金性能的改善，相比与普通微电机，本发明的微电机可以获得更长的使用寿命和更高的接触稳定性以及更低的电噪声。
本发明的有益技术效果是：通过在银合金中添加氮化物，使银合金的耐摩性和抗电弧能力都得到大幅提高，将这种高性能的银合金用于微电机中换向器上的层状复合材料的制作，最终使微电机的性能得到改善，提高微电机的寿命和接触稳定性，从而使与微电机匹配的设备或装置的寿命和性能也得到了相应的提高。
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
一种含氮化物的滑动电接触合金，滑动电接触合金的成分由Cu、Ni、Zn、氮化物和Ag组成；各种成分的重量百分含量为：1~8%Cu、0.1~0.5%Ni、1~5%Zn、0.5~2%氮化物、余量为Ag；所述氮化物为TiN、AlN、BN、Si3N4中的一种。
进一步地，所述氮化物的平均粒度为0.5~3μm。
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，发明人列举了一种具体的制备方法：银合金可采用现有的成品AgCuZnNi合金，也可通过现有的合金化方法用纯金属单独制备，下文以成品AgCuZnNi合金为例进行阐述；
1）对AgCuZnNi合金进行粉末化处理，得到粉末状的A产物；
2）对氮化物进行粉末化处理，得到粉末状的B产物；对B产物进行过筛处理，通过过筛处理将B产物的粉末颗粒的平均粒度控制在0.5~3μm；所述氮化物为TiN、AlN、BN、Si3N4中的一种；
3）将A产物和B产物按比例混合均匀，得到C产物；C产物中的各种成分的重量比例关系满足如下条件：1~8%Cu、0.1~0.5%Ni、1~5%Zn、0.5~2%氮化物、余量为Ag；
4）对C产物进行等静压制操作，得到D产物；
5）将D产物置于氨分解气氛或纯氢气氛中进行烧结，得到E产物；
6）对E产物进行挤压操作，得到F产物；挤压操作中的挤压比大于或等于20；
7）对F产物顺次进行轧制、退火、拉拔处理，最终得到成品银合金带材。
实施例1‑24：
后表所列24种配方，分别将其按本发明的制备方法制作为成品带材，并将其与铜质或铜合金质的基层复合为层状复合材料（工作层厚度0.03mm，基层厚度0.22mm），再将层状复合材料制作成三极换向器并安装于微电机中，对应的电刷片材料为AgPd50/MX215，对24个微电机进行测试，测试条件为：测试温度75℃、测试负荷10g·cm、测试电压：14V、旋转速度9000rpm、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。实施例1‑24的配方表如下（重量百分比）：
实施例CuNiZnTiNAlNBNSi3N4氮化物平均粒度rAg18.0%0.5%1.0%0.5%‑‑‑0.5μm余量28.0%0.5%1.0%‑0.5%‑‑0.5μm余量38.0%0.5%1.0%‑‑0.5%‑0.5μm余量48.0%0.5%1.0%‑‑‑0.5%0.5μm余量54.0%0.3%3.0%1.0%‑‑‑3μm余量64.0%0.3%3.0%‑1.0%‑‑3μm余量74.0%0.3%3.0%‑‑1.0%‑3μm余量84.0%0.3%3.0%‑‑‑1.0%3μm余量91.0%0.1%5.0%2.0%‑‑‑2μm余量101.0%0.1%5.0%‑2.0%‑‑2μm余量111.0%0.1%5.0%‑‑2.0%‑2μm余量121.0%0.1%5.0%‑‑‑2.0%2μm余量138.0%0.5%1.0%0.5%‑‑‑2.5μm余量148.0%0.5%1.0%‑0.5%‑‑2.5μm余量158.0%0.5%1.0%‑‑0.5%‑2.5μm余量168.0%0.5%1.0%‑‑‑0.5%2.5μm余量174.0%0.3%3.0%1.0%‑‑‑1.5μm余量184.0%0.3%3.0%‑1.0%‑‑1.5μm余量194.0%0.3%3.0%‑‑1.0%‑1.5μm余量204.0%0.3%3.0%‑‑‑1.0%1.5μm余量211.0%0.1%5.0%2.0%‑‑‑1μm余量221.0%0.1%5.0%‑2.0%‑‑1μm余量231.0%0.1%5.0%‑‑2.0%‑1μm余量241.0%0.1%5.0%‑‑‑2.0%1μm余量
为了比较本发明的微电机与现有技术的微电机之间的差异，本发明还设计了2个比较例：采用现有的两种微电机换向器用滑动电接触合金配方，采用现有工艺将其制作为成品银合金带材（工作层厚度0.03mm，基层厚度0.22mm），并且也与铜质或铜合金质的片材进行复合，形成层状复合材料并安装于换向器上，对应的电刷片材料为AgPd50/MX215，进行测试，测试条件同前；比较例1、2中的两种微电机换向器用滑动电接触合金配方如下（重量百分比）：
比较例CuNiZnAg14.0%0.3%4.0%余量26.0%0.4%2.0%余量
前述24个实施例和比较例1、2的测试结果如下表所示：
实施例寿命（h）115212153031526415875156261569715668155291547101535111522121584131654141636151657161639171641181663191680201630211667221679231653241675比较例1985比较例21030
结论：上述测试结果表明，在AgCuZnNi合金中添加适当含量和粒度的氮化物，可以明显提高换向器材料的耐磨性和抗电弧能力，用这种材料制作出的层状复合材料，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。