[发明专利]含氮化物的滑动电接触合金及其层状复合材料

说明书

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。