專利名稱：氮化物增強(qiáng)滑動(dòng)電接觸合金及其層狀復(fù)合材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于微電機(jī)換向器的合金材料，尤其涉及一種氮化物增強(qiáng)滑動(dòng)電接觸合金及其層狀復(fù)合材料。
背景技術(shù)：
在直流微電機(jī)的工作過程中，換向器和電刷片相互接觸并相對滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電流的傳輸，保持電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。影響微電機(jī)壽命的因素主要有以下幾個(gè)1、微電機(jī)工作時(shí)，換向器和電刷之間不可避免地存在滑動(dòng)摩擦磨損，因摩擦磨損產(chǎn)生的磨屑被擠壓在換向器和電刷片之間，隨著堆積的磨屑增多，換向器和電刷片之間的接觸性能逐步降低，引起較大的接觸電阻波動(dòng)，導(dǎo)致輸出波形不良和電噪聲，嚴(yán)重時(shí)引起非換向期電弧，非換向期電弧又會(huì)進(jìn)一步加快材料的磨損，最終導(dǎo)致微電機(jī)壽命終結(jié)；2、微電機(jī)在換向時(shí) ，換向器與電刷片瞬間分離，產(chǎn)生的換向期電弧溫度很高，常常造成銀合金的熔化、飛濺，從而導(dǎo)致?lián)Q向器失效并最終使微電機(jī)壽命終止；3、換向期電弧還容易使磨屑熔焊于換向器的溝槽中造成短路，致使微電機(jī)早期死機(jī)；4、電接觸過程中由于機(jī)械摩擦和電流作用所產(chǎn)生的溫升會(huì)使材料表面硬度下降，降低其硬度和耐磨性，進(jìn)一步加劇材料的機(jī)械磨損。因此，提高換向器用電接觸材料的耐磨性和抗電弧侵蝕能力是提高換向器使用性能和微電機(jī)使用壽命及穩(wěn)定性的重要手段。銀合金具有優(yōu)良的導(dǎo)電性和耐腐蝕性能，因而是換向器中最常見、用量最大的滑動(dòng)式電接觸合金；但是銀的硬度和熔點(diǎn)均偏低，抗磨損和抗電弧性能存在明顯不足，無法滿足微電機(jī)換向器的使用要求，本領(lǐng)域技術(shù)人員采用了各種方法來改善其性能，目前，通過Cu、N1、Zn、Pd、Pt、RE (稀土)等元素與銀合金的合金化來提高銀合金性能的技術(shù)已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用；但是，隨著社會(huì)發(fā)展，工程領(lǐng)域?qū)ξ㈦姍C(jī)性能的要求也在不斷提高，因此現(xiàn)有的換向器用滑動(dòng)電接觸合金難以滿足要求，引入新的強(qiáng)化組元、開發(fā)新型換向器材料是滑動(dòng)式電接觸材料研發(fā)和生產(chǎn)部門的重點(diǎn)發(fā)展方向。

發(fā)明內(nèi)容
針對背景技術(shù)中的問題，本發(fā)明提出了一種氮化物增強(qiáng)滑動(dòng)電接觸合金，滑動(dòng)電接觸合金的成分由Cu、N1、氮化物和Ag組成；各種成分的重量百分含量為Cu Γ8%, Ni
O.Γθ. 5%、氮化物0. 5 2%、余量為Ag ;所述氮化物為TiN、AIN、BN、Si3N4中的一種(實(shí)際工藝中，可綜合考慮各種物質(zhì)的成本擇優(yōu)選用)。本發(fā)明方案的核心是在現(xiàn)有的銀合金中添加氮化物來使銀合金的性能得到改善，從而制作出高性能的換向器及微電機(jī)；之所以選擇將氮化物添加進(jìn)銀合金中，理由如下氮化物具有高的硬度，一方面可以通過彌散強(qiáng)化機(jī)制提高銀基體的硬度，另一方面氮化物自身也具有很強(qiáng)的抵抗滑動(dòng)磨損的能力，從而使滑動(dòng)式電接觸材料的耐磨性得以提高，減少磨屑的產(chǎn)生；同時(shí)，氮化物還具有高熔點(diǎn)的特性，不會(huì)在電弧高溫的作用下熔化，當(dāng)銀基體在電弧高溫的作用下熔化時(shí)，細(xì)小的氮化物顆粒分散在熔融的銀中，增大了銀液的液相粘度，可以有效地防止銀基體的飛濺和流失，從而提高材料整體的抗電弧能力。關(guān)于氮化物的含量，發(fā)明人在大量實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，若氮化物的含量低于0.5%，則其耐磨損和抗電弧作用不能得到充分發(fā)揮，對銀合金的性能改善效果相對較弱；若氮化物的含量高于2%，滑動(dòng)接觸時(shí)的接觸電阻會(huì)顯著增大，并且會(huì)對電刷造成嚴(yán)重磨損，反而降低了微電機(jī)的壽命，因此，比較合理的氮化物用量應(yīng)該在O. 5^2%之間取舍；為了保證氮化物顆粒在銀基體中的數(shù)量和分布的均勻性，本發(fā)明還對氮化物的平均粒度進(jìn)行了優(yōu)選在現(xiàn)有的生產(chǎn)條件下，如果氮化物的平均粒度過于細(xì)小，不僅會(huì)使加工成本增加，而且在運(yùn)輸、保存和使用過程中容易團(tuán)聚，其在銀基體中的分散性和均勻性很得到難保證，導(dǎo)致不同批次材料性能的一致性和穩(wěn)定性無法得到保證，不能滿足大批量生產(chǎn)的要求；反之，如果氮化物的平均粒度過大，會(huì)`導(dǎo)致銀基體中的氮化物顆粒的數(shù)量相對較少，弱化對銀合金的增強(qiáng)效果，同時(shí)，還會(huì)嚴(yán)重降低材料的工藝性能，生產(chǎn)中，銀合金帶材容易出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，難以滿足大批量生產(chǎn)的要求，此外，過于粗大的顆粒對接觸電阻和電刷也會(huì)產(chǎn)生不利影響，發(fā)明人經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，將所述氮化物的平均粒度控制在O. 5^3 μ m范圍，既可以避免氮化物出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，又可以保證銀基體中的氮化物顆粒數(shù)量足夠多，從而達(dá)到預(yù)期的增強(qiáng)效果，同時(shí)還保證了材料的工藝性；氮化物的平均粒度可通過采用篩網(wǎng)對原料進(jìn)行過篩處理篩選獲得。所述的滑動(dòng)電接觸合金層疊或鑲嵌在銅或銅合金表面即形成層狀復(fù)合材料，其中銅或銅合金為基層，滑動(dòng)電接觸合金為工作層。將本發(fā)明的滑動(dòng)電接觸合金作為工作層復(fù)合在基層表面，用于制作微電機(jī)換向器，可以節(jié)約貴金屬，降低換向器和微電機(jī)的生產(chǎn)成本；將前述的層狀復(fù)合材料用于制作換向器，所制作出的換向器，其工作原理和物理結(jié)構(gòu)均與現(xiàn)有技術(shù)相同，其不同之處在于換向器的滑動(dòng)電觸頭采用前述的層狀復(fù)合材料制作。更進(jìn)一步地，將前述的換向器用于制作微電機(jī)，所得到的微電機(jī)，其工作原理和物理結(jié)構(gòu)均與現(xiàn)有技術(shù)相同，但得益于前述方案中由材料配方改進(jìn)帶來的銀合金性能的改善，相比于普通微電機(jī)，本發(fā)明的微電機(jī)可以獲得更長的使用壽命和更高的接觸穩(wěn)定性以及更低的電噪聲。本發(fā)明的有益技術(shù)效果是通過在銀合金中添加氮化物，使銀合金的耐摩性和抗電弧能力都得到大幅提高，將這種高性能的銀合金用于微電機(jī)中換向器上的滑動(dòng)電觸頭的制作，最終使微電機(jī)的性能得到改善，提高微電機(jī)的壽命和接觸穩(wěn)定性，從而使與微電機(jī)匹配的設(shè)備或裝置的壽命和性能也得到了相應(yīng)的提高。


圖1、工作層層疊復(fù)合在基層的全部表面上時(shí)的層狀復(fù)合材料截面示意圖；圖2、工作層鑲嵌復(fù)合在基層的部分表面上時(shí)的層狀復(fù)合材料截面示意圖。圖中標(biāo)記I為工作層，標(biāo)記2為基層。
具體實(shí)施例方式一種氮化物增強(qiáng)滑動(dòng)電接觸合金，滑動(dòng)電接觸合金的成分由Cu、N1、氮化物和Ag組成；各種成分的重量百分含量為=Cu :1 8%、N1:0. Γ0. 5%、氮化物0. 5 2%、余量為Ag ;所述氮化物為TiN、AIN、BN、Si3N4中的一種。進(jìn)一步地，所述氮化物的平均粒度為O. 5^3 μ m。一種層狀復(fù)合材料，前述滑動(dòng)電接觸合金層疊或鑲嵌在銅或銅合金表面形成層狀復(fù)合材料，其中銅或銅合金為基層，滑動(dòng)電接觸合金為工作層。一種換向器，采用前述的層狀復(fù)合材料制作換向器。一種微電機(jī)，采用前述的換向器制作微電機(jī)。為了便于本領(lǐng)域技術(shù)人員實(shí)施，發(fā)明人列舉了一種具體的制備方法銀合金可采用現(xiàn)有的成品AgCuNi合金,也可通過現(xiàn)有的合金化方法以純金屬制備,下文以成品AgCuNi合金為例進(jìn)行闡述；I)對AgCuNi合金進(jìn)行粉末化處理，得到粉末狀的A產(chǎn)物；2)對氮化物進(jìn)行粉末化處理，得到粉末狀的B產(chǎn)物；對B產(chǎn)物進(jìn)行過篩處理，通過過篩處理將B產(chǎn)物的粉末顆粒的平均粒度控制在O. 5^3 μ m ;所述氮化物為TiN、AIN、BN、Si3N4中的一種；

3)將A產(chǎn)物和B產(chǎn)物按比例混合均勻，得到C產(chǎn)物；C產(chǎn)物中的各種成分的重量比例關(guān)系滿足如下條件f8%Cu、0. Γθ. 5%N1、0. 5 2%氮化物、余量為Ag ；4)對C產(chǎn)物進(jìn)行等靜壓制操作，得到D產(chǎn)物；5)將D產(chǎn)物置于氨分解氣氛或純氫氣氛中進(jìn)行燒結(jié)，得到E產(chǎn)物；6)對E產(chǎn)物進(jìn)行擠壓操作，得到F產(chǎn)物；擠壓操作中的擠壓比大于或等于20 ；7)對F產(chǎn)物順次進(jìn)行軋制、退火、拉拔處理，最終得到成品銀合金帶材。實(shí)施例1-24 后表所列24種配方，分別將其按本發(fā)明的制備方法制作為成品帶材，并將其與銅質(zhì)或銅合金質(zhì)的基層見合為層狀見合材料(工作層厚度O. 03mm,基層厚度O. 22mm),再將層狀復(fù)合材料制作成三極換向器并安裝于微電機(jī)中，對應(yīng)的電刷片材料為AgPd50/MX215，對24個(gè)微電機(jī)進(jìn)行測試，測試條件為測試溫度75°C、測試負(fù)荷IOg μπι、測試電壓14V、旋轉(zhuǎn)速度9000rpm、運(yùn)轉(zhuǎn)方式連續(xù)；測試過程中，通過檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速和電流的變化來判定電機(jī)的工作狀態(tài)，出現(xiàn)轉(zhuǎn)速或電流超標(biāo)或停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)均判定為壽命終止。實(shí)施例1-24的配方表如下(重量百分比)
權(quán)利要求
1.一種氮化物增強(qiáng)滑動(dòng)電接觸合金，其特征在于滑動(dòng)電接觸合金的成分由Cu、N1、氮化物和Ag組成；各種成分的重量百分含量為Cu Γ8%, Ni 0. Γθ. 5%、氮化物0. 5 2%、余量為Ag ;所述氮化物為TiN、A1N、BN、Si3N4中的一種。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物增強(qiáng)滑動(dòng)電接觸合金，其特征在于所述氮化物的平均粒度為O. 5^3 μ m。
3.—種層狀復(fù)合材料，其特征在于權(quán)利要求Γ2中任一項(xiàng)所述滑動(dòng)電接觸合金層疊或鑲嵌在銅或銅合金表面，其中銅或銅合金為基層，滑動(dòng)電接觸合金為工作層。
4.一種換向器，其特征在于采用權(quán)利要求3所述的層狀復(fù)合材料制作換向器。
5.一種微電機(jī)，其特征在于米用權(quán)利要求4所述的換向器制作微電機(jī)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種氮化物增強(qiáng)滑動(dòng)電接觸合金，其特征在于滑動(dòng)電接觸合金的成分由Cu、Ni、氮化物和Ag組成；各種成分的重量百分含量為Cu1~8%、Ni0.1~0.5%、氮化物0.5~2%、余量為Ag；所述氮化物為TiN、AlN、BN、Si3N4中的一種。本發(fā)明的有益技術(shù)效果是通過在銀合金中添加氮化物，使銀合金的耐摩性和抗電弧能力都得到大幅提高，將這種高性能的銀合金用于微電機(jī)中換向器上的滑動(dòng)電觸頭的制作，最終使微電機(jī)的性能得到改善，提高微電機(jī)的壽命和接觸穩(wěn)定性，從而使與微電機(jī)匹配的設(shè)備或裝置的壽命和性能也得到了相應(yīng)的提高。
文檔編號H01R39/04GK103060600SQ201210560328
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月21日
發(fā)明者徐永紅, 章應(yīng) 申請人:重慶川儀自動(dòng)化股份有限公司