內(nèi)氧化型Ag基換向器合金材料耐磨性研究

王耀東，趙彥杰，陳華江，胡 勁

(1.昆明鉑生金屬材料加工有限公司，昆明 650031；2.昆明理工大學(xué)，昆明 650031)

0 引 言

純銀塑性好、易加工、導(dǎo)電率和導(dǎo)熱率最高，抗氧化性好，是優(yōu)良的電接觸材料。為了提高其硬度、強(qiáng)度和耐磨性，往往添加銅，形成固溶強(qiáng)化型合金；為了細(xì)化晶粒、增加強(qiáng)度及耐磨性，往往再添加少量的鎳，形成AgCuNi固溶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化型合金。早期用于微電機(jī)換向器的AgCu4Ni0.3合金相對(duì)于Ag而言，具有較高的強(qiáng)度及耐磨性。對(duì)于滑動(dòng)電接觸，優(yōu)良的耐磨損性能是必備條件。但隨著微電機(jī)向更加小型化、高性能、長(zhǎng)壽命等方向發(fā)展，該材料明顯表現(xiàn)出耐磨損性能差的缺點(diǎn)。

對(duì)于滑動(dòng)電接觸材料，如何使材料具有良好的電學(xué)性能及耐磨性能一直是學(xué)者們研究的熱點(diǎn)。周曉龍等研究了采用粉末冶金法反應(yīng)合成Ag/CuO復(fù)合材料[1]。程禮椿采用添加WS2,MoS2的方法制備出具有自潤(rùn)滑性能的Cu基電接觸材料[2]。鄭翼等研究了Cu-石墨電接觸用復(fù)合材料的電性能及磨損性能[3]。

在電接觸材料中，銀金屬氧化物(Ag/MeO)材料由于具有較好的耐電磨損、抗熔焊性和導(dǎo)電性，在低壓電器中得到廣泛應(yīng)用[4]。氧化物具有高硬度、高耐磨性及良好化學(xué)穩(wěn)定性，采用少量氧化物彌散強(qiáng)化，在不過(guò)多犧牲材料導(dǎo)電性能前提下，明顯改善合金的力學(xué)性能。氧化物強(qiáng)化金屬基復(fù)合材料AgSnO2，AgCuO，AgZnO等已成功運(yùn)用于電接觸領(lǐng)域。

本文通過(guò)內(nèi)氧化法制得金屬氧化物彌散強(qiáng)化的AgCuONiO合金，并用于微電機(jī)換向器裝機(jī)試驗(yàn)，研究了內(nèi)氧化處理對(duì)AgCu4Ni0.3合金磨損性能的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原料選擇及熔煉

以純度為99.99%Ag，99.95%Cu和Ni作原料(按質(zhì)量分?jǐn)?shù)) 配料，放入40 kW真空中頻爐內(nèi), 抽真空充氬, 經(jīng)多次抽真空除氣及掉頭重熔、澆鑄后制得AgCu4Ni0.3合金鑄錠試樣,成分如表1所示。

表1 AgCuNi試樣成份含量

1.2 材料制備

鑄錠經(jīng)700 ℃/2 h真空均勻化處理，表面處理后常規(guī)壓力加工及常規(guī)熱處理制得2根0.40 mm×100 mm帶材，編號(hào)為1#,2#。1#帶材經(jīng)620 ℃/2 h真空退火處理后軋制到厚度0.20 mm。2#帶材放入內(nèi)氧化爐中，通入0.1 MPa純氧氣氛700 ℃內(nèi)氧化3 h，表面處理后軋制到厚度0.20 mm。1#,2#帶材取樣進(jìn)行X射線衍射、金相、硬度、電學(xué)性能、磨損性能分析測(cè)試。

1.3 性能測(cè)試

采用Rigaku D/max 2200型X射線衍射儀(XRD)進(jìn)行組織結(jié)構(gòu)分析；用Olympus BX-51型光學(xué)顯微鏡(OM)形貌分析；用MH-5型顯微硬度儀硬度測(cè)試；用QJ84型直流電橋測(cè)量電學(xué)性能；用BS 224S電子天平(感量0.1 mg)測(cè)量樣品重量。

用自制的磨損試驗(yàn)儀進(jìn)行快速磨損試驗(yàn)，磨損試驗(yàn)儀的設(shè)計(jì)及原理如圖1所示。試驗(yàn)前精確調(diào)整配重位置，使試樣架處于平衡、垂直狀態(tài)。砝碼重100 g；精確調(diào)節(jié)磨輪位置。采用1 000#氧化鋁磨輪及WA W7-05磨輪，磨輪轉(zhuǎn)速500 r/min，室溫下進(jìn)行試驗(yàn)。1#，2#樣品每組取樣3個(gè)，進(jìn)行5 min磨損試驗(yàn)，試驗(yàn)前后，樣品均經(jīng)丙酮清洗并用干燥的冷氣吹干，每一個(gè)樣品試驗(yàn)前均更換新的磨輪。試驗(yàn)完畢測(cè)量樣品失重，評(píng)估樣品的耐磨性。

圖1 磨損試驗(yàn)儀原理圖

實(shí)際裝機(jī)磨損試驗(yàn)條件：1#及2#樣品經(jīng)沖壓成型制成換向器裝配成試驗(yàn)電機(jī)(電壓3 V)，AgPd30作為電刷材料。電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)300 h后，拆下?lián)Q向器組件，在金相顯微鏡下觀察換向器表面磨損情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 組織結(jié)構(gòu)及主要性能

AgCu4Ni0.3合金700 ℃/3 h內(nèi)氧化處理后，合金由Ag基體相和彌散分布的CuO，NiO組成。合金中的Cu,Ni發(fā)生了內(nèi)氧化，如圖2所示。氧在銀中有較大的溶解度，在適當(dāng)?shù)难醴謮杭皽囟认?，氧將溶入、擴(kuò)散到基體合金材料中，使其中的Cu,Ni氧化。文獻(xiàn)[2]的研究認(rèn)為氧化的擇優(yōu)順序?yàn)镹i,Cu，而其中的Ag不發(fā)生氧化。由圖3可看出，AgCu4Ni0.3合金700 ℃/3 h內(nèi)氧化處理后，氧化物顆粒彌散分布于基體中，顆粒細(xì)小、均勻。

圖2 AgCu4Ni0.3合金700 ℃/3 h

圖3 AgCu4Ni0.3700 ℃/3 h內(nèi)氧化后金相照片

合金的主要性能對(duì)比如表2所示，內(nèi)氧化后合金的再結(jié)晶溫度大幅提高，擾拉強(qiáng)度有一定程度的提高，同時(shí)電阻率也增大。

表2 合金的主要性能

*硬態(tài)(ε:50%～55%)

2.2 磨損性能

表3為1#,2#樣品在自制的磨損試驗(yàn)儀上經(jīng)過(guò)不同的對(duì)磨材料(磨輪)進(jìn)行磨損試驗(yàn)后的質(zhì)量損耗對(duì)比。表3的質(zhì)量損耗也表明，經(jīng)過(guò)相同條件的磨損試驗(yàn)后，AgCuNi合金較AgCuONiO質(zhì)量損耗較大，即AgCuONiO合金比AgCuNi合金更耐磨。

表3 樣品質(zhì)量損耗

圖4、圖5為AgCuNi，AgCuONiO合金經(jīng)過(guò)1 000#氧化鋁磨輪及WA W7-05磨輪磨損試驗(yàn)后的表面形貌。由圖4、圖5中看出，AgCuNi合金表面較AgCuONiO合金表面磨損嚴(yán)重、磨痕較深。

(a) AgCuNi

(b) AgCuONiO

圖4合金經(jīng)磨損后的表面形貌(1000#氧化鋁磨輪)

(a) AgCuNi

(b) AgCuONiO

圖5合金經(jīng)磨損后的表面形貌(WA W7-05磨輪)

圖6為用AgCuNi,AgCuONiO合金制成換向器，配對(duì)電刷為AgPd30合金，經(jīng)過(guò)300 h裝機(jī)試驗(yàn)后換向器的表面形貌?？梢钥闯?，AgCuNi合金表面磨損嚴(yán)重，而AgCuONiO表面只有輕微的磨痕。同時(shí)觀察到經(jīng)過(guò)300 h運(yùn)轉(zhuǎn)后，AgCuNi合金換向器的電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)較大。

(a) AgCuNi

(b) AgCuONiO

圖6300 h運(yùn)轉(zhuǎn)后的合金換向器表面形貌(×20)

2.3 討論

AgCu4Ni0.3合金屬于固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化合金，合金中的Cu固溶于Ag中， Ni部分固溶于Cu銅中，部分彌散分布于Ag中。由于上述作用，使得AgCu4Ni0.3具有一定的強(qiáng)度及耐磨性[5]，作為微電機(jī)換向器材料被廣泛應(yīng)用。

內(nèi)氧化后的AgCu4Ni0.3合金，其中彌散分布的CuO，NiO氧化物硬質(zhì)相對(duì)合金起到了彌散強(qiáng)化的作用。氧化相作為不可切變的第二相，阻礙了位錯(cuò)及晶界的移動(dòng)，提高了合金的再結(jié)晶溫度[6-7]。同時(shí)，CuO，NiO氧化物硬質(zhì)相在磨擦過(guò)程中作為硬質(zhì)質(zhì)點(diǎn)具有較低的磨擦系數(shù)和較高的耐磨性，從而大幅度提高了材料的耐磨性。

微電機(jī)工作過(guò)程中，換向器材料與電刷材料高速磨擦的同時(shí)有電流通斷，由此產(chǎn)生磨擦熱及焦耳熱。局部的高熱使得AgCu4Ni0.3合金材料局部軟化，磨擦系數(shù)增加，加劇了粘著磨損。而內(nèi)氧化處理后的AgCu4Ni0.3合金再結(jié)晶溫度顯著提高，由材料局部軟化導(dǎo)致的粘著磨損也明顯減弱。表現(xiàn)為在實(shí)際裝機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)AgCuONiO換向器比AgCu4Ni0.3換向器更耐磨。

3 結(jié) 語(yǔ)

1) 內(nèi)氧化處理后的AgCu4Ni0.3合金，其強(qiáng)度提高，再結(jié)晶溫度提高，電阻率提高；

2) 內(nèi)氧化處理后的AgCu4Ni0.3合金，其耐磨性大幅度提高；

3) 經(jīng)過(guò)內(nèi)氧化處理的AgCu4Ni0.3合金，成功用于微電機(jī)換向器，延長(zhǎng)電機(jī)使用壽命。

[1] 周曉龍，陳敬超 ，曹建春，等.反應(yīng)合成制備Ag/CuO電觸頭材料及其組織性能[J].機(jī)械工程材料，2005(25)：49-51.

[2] 程禮椿.具有自潤(rùn)滑性能的滑動(dòng)電接觸用新型復(fù)合材料[J].電工合金,1994(4):3-7.

[3] 鄭翼，朱家珮.銅基電接觸復(fù)合材料的研究[J].摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，1995(15)：19-28.

[4] 馮晶，陳敬.原位合成Ag/Y2O3和Ag/CeO2電接觸材料研究[J].稀有金屬材料與工程,2007(36)：174-177.

[5] 李季,楊富陶.微量稀土元素鈰對(duì)AgCuNi 合金的性能影響[J].稀有金屬,2007(31):1-3.

[6] 黎鼎新，秦國(guó)義.稀土元素對(duì)銀的再結(jié)晶及晶粒組織的影響[J].貴金屬，1988(9):1-8.

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