換向器鍍鈀在微電機中的應用

王 健，鄒 莉，嚴 亮，王維昆

(中國電子科技集團公司第二十一研究所，上海200233)

0 引 言

接觸可靠性是衡量帶有電接觸元件的微特電機的重要質(zhì)量指標。直流力矩電動機的換向器不僅要有很好的導電性，還要求它與電刷之間的接觸電阻小而穩(wěn)定;在長期存放過程中無氧化、無硫化現(xiàn)象產(chǎn)生，耐腐蝕性和抗大氣腐蝕能力好;長期使用過程中換向器耐磨性好。所以換向器的表面處理是必須研究的重要內(nèi)容。

鈀(Pd)的顏色為銀白色［1］，在高溫、高壓、含硫化氫等環(huán)境中表現(xiàn)出極為穩(wěn)定的性能。雖然鈀自身的硬度較低，但是通過適當?shù)腻冣Z工藝所得到的鍍鈀層硬度卻非常高，其耐磨性也較好。鈀層可焊性較好、接觸電阻穩(wěn)定等方面的優(yōu)點能夠滿足電子元件的要求，其良好的性能已廣泛應用于我國航空航天、通訊、軍事、民用電子元器件等領域。

1 微特電機換向器鍍鈀工藝

1.1 鍍鈀裝置

通過對微特電機換向器結(jié)構(gòu)具體分析，設計了專用的換向器鍍鈀裝置，如圖1 所示。圖中，正電極1 和負電極2 是電樞外形仿形電極，正電極1 接電源正極，負電極2 接電源負極。正、負電極的內(nèi)圓部分與電樞4 換向器外圓曲率半徑相等，電樞4 通過鍍鈀夾具安裝在電動機的主軸上，在鍍鈀時，電動機帶動電樞4 轉(zhuǎn)動，正電極1 和負電極2 緊貼在電樞4換向器表面位置，形成一個電源回路。鍍鈀液3 是鍍鈀液的輸送管路，將鍍鈀液輸送至正極1。鍍鈀液正極包裹層5 的主要作用是儲存鍍鈀液［2］。

電樞鍍鈀時通過接在直流電源正極上的電極與接在負極上的電極相接觸，鍍鈀電樞轉(zhuǎn)動后，構(gòu)成了一個微型的鍍鈀裝置，吸附在正極電極包套上的鍍液中的金屬離子在直流電場的作用下，向換向器表面擴散，在其表面還原沉積，形成金屬鍍層。隨著鍍鈀作業(yè)時間的延長，鍍層逐漸增厚，直至達到所需的鍍層厚度為止。

圖1 鍍鈀裝置

1.2 鈀液配方

鈀液配方如表1 所示。

表1 鈀液配方參數(shù)

PdCl2在水中的溶解度較小，必須在NaNO2水溶液及加溫后逐步溶解，然后加入(NH4)2SO4用添加劑來調(diào)節(jié)pH 值。鍍鈀時，調(diào)節(jié)電壓，獲得不同的電流密度。鍍鈀工藝以表面不發(fā)黑、光亮的較大電流密度為宜。

1.3 換向器鍍鈀工藝流程

保護電樞非鍍面-打磨-拋光-水洗-電凈-水洗-活化-水洗-鍍鈀-水洗-干燥，圖2 為鍍鈀后的電樞和鍍鈀層截面。

圖2 鍍鈀后的電樞和鍍鈀層截面

2 試 驗

本文以某型Φ80 永磁式直流力矩電動機為例，以同一批次生產(chǎn)的20 臺微特電機為試樣，在電樞加工至鍍鈀工序時，取出10 臺不進行鍍鈀處理，并做好標記，其余工序仍然一起加工。該批電機14 臺組裝，6 臺不組裝，分成鍍鈀和不鍍鈀兩組，按照電機試驗大綱對其進行試驗分析。

2.1 鹽霧試驗

試驗前將兩組電樞各取3 臺徹底清除表面灰塵和油污，對外觀進行檢查，之后放置到鹽霧試驗箱內(nèi)，按GJB360A-96 中方法規(guī)定的試驗等級A 進行鹽霧試驗，試驗時電樞以線接觸的形式水平置于試驗箱內(nèi)，鹽霧能圍繞電樞循環(huán)暢通。當箱內(nèi)溫度穩(wěn)定在35℃±2℃時箱內(nèi)噴霧，第一次試驗時間按照試驗等級A -48h 進行。待第一次試驗結(jié)束后，觀察兩組電樞外觀，之后再對其在進行第二次試驗，試驗時間按照試驗等級A-96h 進行。

2.2 耐濕試驗

試驗前將兩組電機各取3 臺在不控制相對濕度的條件下放置24 h，溫度控制在50℃±2℃，測量電樞電阻阻值，并檢查其外觀。將兩組電機放置在耐濕試驗箱內(nèi)，一次循環(huán)24 h，連續(xù)循環(huán)10 次。

2.3 壽命試驗

將兩組各4 臺電機安裝固定在標準試驗支架上，施加連續(xù)堵轉(zhuǎn)電壓13.5 V，峰值堵轉(zhuǎn)27 V，其運行方式及試驗時間如表2 所示，電機試驗每24 h 改變一次轉(zhuǎn)向，在每次改變軸伸位置和運行方式時，允許清理換向器表面的碳粉。

表2 壽命試驗

3 試驗結(jié)果分析

三類試驗結(jié)束后，我們將兩組電機分開擺放，利用肉眼、金相顯微鏡、微歐計等觀察和了解換向器和電樞的性能變化。通過查看兩組電機換向器在外觀、電阻、氧化、硫化、磨損等情況的變化，分析鍍鈀后的換向器性能的變化。

3.1 換向器耐腐性

第一組鹽霧試驗結(jié)束后，觀察電樞外觀變化，鍍鈀組電樞換向器部分表面仍舊光亮，沒有被腐蝕的現(xiàn)象。而不鍍鈀組的表面光澤暗淡，換向器部分吸附有沉積的鹽。第二次試驗結(jié)束后，用自來水輕輕清洗電樞表面沉積的鹽，洗滌時水溫控制在超過38℃。之后對電樞外觀再次進行檢查，檢查結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鍍鈀的電樞換向器表面仍舊光亮，受腐蝕損傷較輕，而不鍍鈀電樞換向器表面腐蝕相比于鍍鈀的電樞換向器表面損傷更為嚴重，如圖3 所示。

圖3 換向器表面情況

3.2 換向器表面氧化及電阻值測量

耐濕試驗結(jié)束后，從試驗箱內(nèi)取出電樞，在初始檢測的環(huán)境下放置24 h，然后進行外觀檢查和電樞電阻阻值的測量。測量結(jié)果顯示，鍍鈀電樞的電阻阻值在經(jīng)過耐濕試驗后阻值變化范圍較小，符合電樞電阻詳細規(guī)范規(guī)定，其允差為規(guī)定值的±12.5%，如表3 所示。將試驗后電樞清洗擦拭后，檢查兩組電樞外觀，通過肉眼可以明顯看出，鍍鈀組換向器表面光亮，而不鍍鈀組換向器表面呈暗灰色，表面有氧化現(xiàn)象。

表3 Φ80 基座號永磁式直流力矩電動機電阻值(規(guī)定電樞阻值14.5 Ω)

3.3 換向器的磨損性

壽命試驗結(jié)束后，拆機清理后觀察，在兩組試驗電機中分別挑選磨痕最為明顯的電樞，通過肉眼和金相顯微鏡觀察換向片的磨損程度。肉眼觀察可以看到，鍍鈀換向器表面磨痕明顯比不鍍鈀換向器情況好［3］，它的磨痕較輕。再通過金相顯微鏡觀察，可以更清楚地發(fā)現(xiàn)損傷特征的差別，不鍍鈀組換向器表面工作區(qū)磨損嚴重，而鍍鈀換向器的磨損情況相對較輕。圖4 分別顯示了不鍍鈀和鍍鈀組換向器工作區(qū)的磨損情況。

圖4 金相顯微鏡下的換向器工作區(qū)域磨損情況

另外，我們通過跟蹤鍍鈀電機的使用情況發(fā)現(xiàn)，用戶對鍍鈀電機在使用環(huán)境的適應性、壽命等方面給予很好的評價，性能的改善得到了用戶的認可。

4 結(jié) 語

通過對試驗結(jié)果分析，電機在相同的使用情況下，得出以下的結(jié)論:

(1)在使用環(huán)境較為惡劣的環(huán)境下，電樞換向器鍍鈀層沒有受到影響，鍍鈀換向器表現(xiàn)出較強的耐腐蝕性。

(2)在電機長期存放過程中，鍍鈀換向器組電機的電阻變化范圍較小，表面光亮、無氧化現(xiàn)象，滿足了電機長期存放過程中換向器表面抗大氣腐蝕和高可靠性的要求。

(3)在電機長期使用過程中，鍍鈀換向器的工作區(qū)域磨損減薄程度較輕，其耐磨性相對于沒有鍍鈀時得到了有效增強，同時電機的使用壽命也得到有效提升。

［1］ 郭濤，王琿.某型魚雷鈹青銅零件鍍鈀工藝研究［J］. 材料熱處理技術(shù)，2012，41(12):116 -1l7.

［2］ 楊瑞鵬.電刷鍍鈀機理和工藝研究及優(yōu)化、應用［D］. 上海:上海交通大學，2001.

［3］ 徐永紅，匡綱要，章應，等.含稀土Ag 基換向器在微電機中的應用［J］.微特電機，2009，37(7):31 -35.