微电机用环保复合金属材料现状及发展趋势.pdf

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1、33电工材料 2008 No.3微电机用环保复合金属材料现状及发展趋势章应,徐永红,廖国君,于朝清(重庆川仪金属功能材料分公司研究所,重庆400702)摘要:由于环保要求,微电机换向器中含 Cd 的复合金属材料已逐渐被 Ag_Cu_Ni/TU1 系复合材料所取代。本文系统总结了弱电领域微电机用换向器及刷片复合材料的现状及发展趋势,对当前微电机失效的主要模式进行了分析。认为,刷片烧断和换向器沟槽短路死机是造成微电机失效的主要原因,尤其在高温低速的情况下更加明显。当前环保型复合材料的发展应以 Ag_Cu_Ni 合金为基,掺杂有益元素并使其加工方式多样化来有效提高材料使用寿命。关键词:微电机;换向器

2、;环保;复合金属材料中图分类号:TM 205.1;TM201.3文献标志码:A文章编号:1671-8887(2008)03-0033-05Status and Development Trends of Environment_friendlyClad Metal Used in Micro_motorZHANGying,XU Yong_hong,LIAO Guo_jun,YU Cao_qing(R&D Institute ofChongqingChuanyi Metallic Functional Materials Co.LTD.,Chongqing400702,China)Abstrac

3、t:Because of environmental request,Cd containingclad m etal series has been re?placed byAg_Cu_Ni/TU 1 seriesgradually.This article sum marizes the situation and devel?opingtrend of com mutator and brush clad metal applied in micro_motors in weak currentaspect.Currentlythere are two failure modes in

4、micro_m otor,one is the brush sheetbeen burntout,the other is the shortin commutatorgrooves leadingsystemfailure,speciallyunder the condition of high temperature and low speed.Sopresently,the m aindevelopingtrend is to add beneficial elem ents into Ag_Cu_Ni alloyor improveprocessingm ethod to enhanc

5、e material s workinglife.Keywords:m icro_motor;commutator;environment_friendly;clad metal1引言弱电领域的微电机制造业是中国当前快速发展的行业之一,中国目前已成为世界生产和出口微电机的大国。长江三角洲、珠江三角洲和环渤海湾三大地区已形成我国微电机的主要生产基地和出口基地,总产量约占全球的 60%。直流微电机是视听设备、计算机用外围设备、家用电器及汽车等领域重要的电子器件,而微电机中的换向器与刷片则是微电机的心脏,如果换向器与刷片材料出现失效,将导致微电机出现故障,以致整个设备不能正常运转。最早一代使用在微电

6、机换向器中的复合材料主要是 AgCd/T U1 和 AgCuCdNi/TU 1 等系列复合材料。由于含 Cd 材料具有良好的灭弧特征,在弱点领域得到广泛应用。但由于 Cd 的毒性,欧盟于 2003年 2月 13日公布了两项指令,其中之一?在电子电气设备中限制使用某些有害物质指令?(RoHS)明确规定了含 Cd 等有害物质的电子设备自 2006年 7月 1日起禁止投放市场,因此各种无 Cd 电接触材料逐渐成为研究的热点 1。AgCu 系合金的硬度比 Ag 高,导电、导热性能比其他合金好,而且价格较低,在滑动电接触领域已作者简介:章应(1981-),男,安徽安庆人,硕士,所长,主要从事复合材料的开

7、发工作,(电话)023-68223942(电子信箱)feiboss1981 。收稿日期:2008-08-01章应等:微电机用环保复合金属材料现状及发展趋势34电工材料 2008 No.3得到广泛应用。在 AgCu 合金中添加少量 Ni 制得的AgCuNi 合金,可以获得细化晶粒、提高再结晶温度、改善合金耐磨性等预期效果。Ni 的熔点较高,有利于提高耐电弧烧蚀及抗熔焊能力,同时,Ni 和 Ag不互溶,对合金的导电性能影响甚微,因此,以AgCuNi/TU 1为主的换向器材料在微电机行业上得到广泛应用2 4。2环保复合材料的生产工艺及研究现状贵金属资源稀缺,价格昂贵,而且在滑动式电接触组件工作过程中

8、有效接触面积很小,因此为了节约贵金属、降低成本并改善材料性能,通常不使用整体贵金属合金,而将其与廉金属制成层状复合材料。为了适应大规模的连续生产,目前国际上广泛使用的复合技术以轧制复合为主。根据复合温度的不同,可以分为热轧复合(温度高于贵金属合金再结晶温度)和冷轧复合(温度低于贵金属合金再结晶温度)。根据复层与基带相对宽度的不同,产品可分为嵌入式复合(也叫条复,inlay)和覆盖式复合(也叫面复,overlay)。随着技术的发展,条复由单条发展到多条,复层的厚度向极薄(小于 1?m)和贯穿两个极端发展,复合层数则由两层向多层发展,目前三层复合技术已较为成熟,重庆川仪金属功能材料分公司已掌握了该

9、项技术。冷轧复合与热轧复合的结合机理不同。冷轧复合的界面结合机制是裂口机制,即,金属表面在钢刷清理过程中会产生一层加工硬化层,在金属塑性变形过程中,比基体塑性差的硬化层会破裂,导致新鲜金属暴露,界面两侧的新鲜金属在正压力作用下通过硬化层的裂缝挤出并相互接触形成牢固的冶金结合。在压力作用下只有当裂口达到一定宽度时才能完成上述过程,所以金属界面结合需要一定的临界变形率,通常认为该临界变形率为 60%70%。热轧复合机制是扩散机制,即在轧机的强大压力和高温共同作用下,使待复合的两种金属表面破碎,并在整个金属截面内产生塑性变形,同时使复合界面附近的金属原子获得足够的能量,于是结合界面原子相互扩散,形成

10、平面状冶金结合。热轧复合技术成本低,产量高,工艺及装备较为成熟,自 20 世纪 30年代便开始应用于层状复合材料的制备,已成为工业化生产的主要技术之一。双金属热轧与单金属的热轧有诸多相似之处,现有的轧制理论很多仍适用于复合轧制,但是其差异也十分显著,其中最重要的就在于复合轧制过程中还包括两种不同金属之间的扩散和界面结合的形成,同时,两种金属的塑性变形能力的不同所造成的一些特殊的轧制变形现象也不容忽视。为了获得高质量的复合板材,有关学者对叠层轧制过程中的变形规律、工艺参数优化、界面结合强度等进行了大量研究,获得了很多重要成果。J.Sommer 和 A.G.Fitzgerald 等5,6对 Ag/

11、Cu界面原子扩散过程进行了研究,结果表明:由于 Cu的原子半径小于 Ag 的原子半径,高温下 Cu 原子向Ag 的扩散速率大于相反方向的扩散速率,当退火温度较高时,会在 Cu 侧出现显微孔洞,随退火时间延长,这些孔洞将会逐步连接起来。J.P.Rogers 等7对 Ag/Cu 复合材料的(001)半共格界面进行了数值模拟,其结果与实验吻合较好。近来,我国学者也对冷轧复合的两层和三层复合材料的界面扩散退火工艺进行了研究,重点研究了扩散退火对冷轧复合的Ag/Cu 两层和Au/Ag_Cu/Cu_Ni_Zn 三层复合材料界面成分、组织结构和性能等的影响 8 12。倪泽胜13、霍志文等14用快冷雾化制粉技

12、术生产出细晶Ag,然后利用可控气氛复合技术生产高性能的AgCu 复合带材,实现了连续大卷重生产,产品厚度比均匀,复合界面清洁,结合强度高,电性能良好。在微电机换向器和刷片材质方面主要是围绕AgCuNi/T U1及 AgPd30(50)/BZn18_26 复合材料展开研究。AgCuNi 合金中的 Cu 可以起到固溶强化和时效强化的作用,可以提高摩擦副的抗机械磨损能力,而 Ni 质点可以抑制晶粒长大,提高热强度,有一定的灭弧能力,且成本较低,故在换向器方面得到广泛应用。刷片所使用的 AgPd 材料是一种固溶体材料,当含 Pd 量超过 30%时,不仅能提高 Ag 合金的硬度和机械性能,而且改善了硫化

13、方向。AgPd合金接触电阻低而稳定,材料消耗和金属转移较小,故非常适合于作为微电机刷片的接触材料。为了提高 Ag 合金的抗硫化能力,可以加入少量 Zn(Ag_Cu_Zn_Ni 合金)。这是因为 Zn 的熔点低,易挥发,同时能起到一定的灭弧作用,而且,这些廉金属的加入,使得材料在使用过程中能产生少量氧化物,有一定的自润滑作用。Pd 的抗氧化、抗硫化性能很好,与 Ag、Cu、Ni 均可无限互溶,加入 Ag 合金中具有固溶强化作用,并可以改善基体与富 Cu、Ni析出相之间的结合力,更有效地发挥其沉淀强化作用,提高耐磨性。溶入析出相中的 Pd 可以提高 Cu、章应等:微电机用环保复合金属材料现状及发展

14、趋势35电工材料 2008 No.3Ni 抗高温氧化的能力,使合金能在较高的温度下使用,扩大其应用范围。国外对刷片材质也进行了研究,研究者在 AgPd 合金中添加微量的 C 可以明显提高材料被焊接及被转移的能力15 18。但是,目前对于微电机用贵金属滑动电接触材料的成分、工艺与组织性能的对应关系(如熔炼和加工过程中成分、组织的演变规律及热轧复合过程中涉及的多层金属的不同变形规律、界面结构与扩散以及动态回复和动态再结晶等)尚缺乏深入系统的研究;对其使用性能(如接触电阻、载电条件下的耐磨性、电接触稳定性及其影响因素和规律等)还有待进一步探索;层状复合材料的界面在载电磨损过程中的作用尚未引起人们足够

15、的重视,即使在一些关于镀层材料载电磨损的研究中,也没有充分考察界面对磨损行为的影响;另外,电接触摩擦副材料成分、组织及性能的合理匹配,以及摩擦副材料与环境的交互作用也有待系统地探讨。这些基础研究工作的不足在很大程度上妨碍了新材料的开发,已逐渐成为高档微电机、电位器等元器件发展的限制性环节,成为我国复合材料生产厂家需要重点探讨的问题。3环保复合材料常见失效模式及分析随着微电机行业的快速发展,以 AgCuNi/T U1为代表的换向器复层材料已不能满足需要,突出表现为启动电压高,由于接触电阻变化带来的电机运行不稳,出现 掉速!或 死机!现象,同时在高温下微电机使用寿命极短等。据国外报道,配有电刷的小

16、型微电机在温度为 25 、湿度为 60%的环境下,其寿命约为 6 000 h,而在温度为 70 、湿度为 5%的环境下,其寿命只能达到 200h。微电机运行时,换向器与刷片接触并相对滑动,一方面导电,另一方面又会发生滑动磨损,从而产生载电条件下的磨损损伤。与通常的机械磨损相比,摩擦副对偶件表面不仅承担载荷,而且传递电流,从而使材料的工作条件复杂化,对复合材料也需要一些特殊要求。一般认为,常规的机械磨损过程中,材料表面的氧化膜可以起到润滑的作用,减少磨损,但是在载电磨损过程中,氧化膜的形成会增大接触电阻,并导致表面温升增大,对导电和耐磨性均可能产生不利影响。复合材料在微电机中的失效模式主要有两种

17、类型,一种是电流较小时以机械磨损为主,该类材料主要失效模式为磨屑在沟槽内堆积短路死机;另一种是电流较大时以电弧烧蚀为主,该类材料的主要失效模式为刷片被电弧烧断致断路死机,图 1、2分别为两种具有代表性的 300和 180 型号电机的失效模式。图 1300 电机磨屑堵塞沟槽短路死机图2180 电机刷片烧断断路死机300 电机由于电流较小,机械磨损是造成死机的主要因素。从材料微观角度来看,尽管换向器与刷片用复合材料表面加工得比较光滑,但在微观下观察时其表面并不是完全平整,材料在实际接触过程中,表观上是大面积相互接触,实际上是点与点的接触。在电机的运转过程中,换向器与刷片产生滑动,接触部位和突出部位

18、的金属之间产生焊接,从而拉出了换向器中较软的材料,使其转移到较硬的刷片材料上,这层材料在电刷表面沉积成突出状的沉积物,沉积物在换向器表面产生磨粒磨损,在换向器表面刮起大块的磨屑,并推到换向器的沟槽内导致换向器短路死机。一般情况下,堆积在换向器沟槽内的磨屑可在换向器高速旋转所产生的离心力的作用下飞散,但是在实际电机的运行过程中,由于换向器表面存在章应等:微电机用环保复合金属材料现状及发展趋势36电工材料 2008 No.3油污,会产生粘接作用,同时在滑动磨损和电流传输过程中产生的热会起到一定的烧结作用,使磨屑无法甩出导致微电机短路死机。180 电机在运转过程中,由于电流较大,负载也较大,电弧烧蚀

19、是造成死机的主要因素。这是因为换向器在工作时除了传输纵向电流外,还存在电流换向任务。这些电流在主电流换向时产生反向电流和电抗电压,导致电刷在换向器滑动时引起边部火花及电弧。电弧较大时会将刷片烧断,将换向器表面烧焦。在此情况下,一般换向器与刷片的损伤都很大,换向器的复层材料很容易被磨损完,一旦复层被磨损掉,将引起换向器与刷片的接触电阻急剧增大,产生电弧的几率增大,在此情况下,刷片将很容易被电弧烧断。当然,机械磨损和电弧烧蚀是滑动接触磨损中共同存在的因素。一般来说,微电机失效是两种因素共同作用的结果。因此,单纯提高换向器用复合材料的硬度是不可取的,在载电磨损过程中接触面必然会发热产生温升,当其达到

20、变形态材料的软化温度度时,表层材料发生再结晶,硬度将迅速降低,磨损加剧。微电机死机除与材料的耐磨损性有关外,还与换向器和刷片的冲压、装配、电机设计、环境等因素有关。如在冲压过程中换向器表面的真圆度不够、换向器表面有异物、在装配过程中刷片不对称或间距过大等都将对微电机的寿命和波形产生致命影响,因此在微电机用复合材料的设计及失效分析时,要充分考虑其环境的特殊性,既要注意材料的机械性能,又要考虑材料的电接触性能,还应关注其抗氧化、抗污染及耐腐蚀等性能,此外还须仔细研究基带和界面的作用。4环保复合材料的发展方向19 21以 AgCuNi/T U1为代表的环保型复合材料在取代含 Cd 材料过程中,存在着

21、使用寿命短、稳定性差等问题,同时随着电机越来越微型化,使用条件将越来越苛刻,因此对环保型复合材料进行改进已成为当前复合材料研究的热点,主要有以下几方面:(1)针对使用寿命短、稳定性差的特点,重点开展 AgCuNi 贵金属工艺的研究,包括快速凝固技术和粉末冶金技术,从而提高 AgCuNi 中析出相的均匀性和产品的一致性。国外生产复合材料的某厂家采用粉末冶金技术生产 AgCuNi,其 Ni 含量可达约1%,有效提高了电机的使用寿命。此外,对 AgCuNi组织的控制也将对电机寿命产生影响。生产中可通过控制固溶和时效的工艺来控制 Cu 在 Ag 基体的固溶度,以适应不同机种。(2)在 AgCuNi/T

22、 U1复合材料的贵金属中掺杂有益的合金化元素,如 Zn、Pd、稀土、Mg、Pt 等。通过添加相关元素,可以提高材料的抗电弧烧蚀能力,同时还可改善换向器材料向刷片的沉积,减少针状磨屑的产生,获得良好的明显高于常规材料的使用寿命。(3)针对复合材料使用越来越苛刻的特点,复合材料在两层材料的基础上向三层材料发展,其中第一层为 Au 基材料,主要作用是提高抗硫化能力,降低接触电阻和启动电压;第二层材料为 AgCuNi 基贵金属,用作为复合材料的工作层;Cu 基则为支撑和焊接用。(4)针对微电机越来越微型化的发展趋势,人们相继开发了多元合金振动微电机用贵金属复合材料,该材料的主要元素为 Au、Ag、Cu

23、、Pt、Pd、Zn、Ni等。日本田中公司已形成了 SP-1到 SP-7的 7个系列,生产工艺以熔炼和粉末冶金为主,目前大批量生产的主要是 SP-1 和 SP-2 系列,类似于中国的APZC 和 APNC,其基带一般采用 MX215 和 MX96高弹性材料。重庆川仪金属功能材料分公司作为国内生产复合材料的主要厂家之一,在对引进技术进行消化吸收的基础上,不断加强自主研发的能力,其环保型复合材料项目取得重大进展,所生产的复合材料已应用于微电机等电子元件的制造业。目前环保型复合材料的主要产品牌号见表 1。5结论(1)含 Cd 的微电机用换向器复合材料正逐步被环保型 AgCuNi/TU1 复合材料所取代

24、,但产品的一致性和稳定性方面与含 Cd 材料相比还有差距。(2)目前微电机失效的表观现象是换向器沟槽堆积短路死机和刷片烧断断路死机,其原因主要与章应等:微电机用环保复合金属材料现状及发展趋势37电工材料 2008 No.3章应等:微电机用环保复合金属材料现状及发展趋势表 1复合材料相关牌号注:AAC-1/AAC-2 材质为:AuAgCu/AgCuPdNi;AAC-3/AAC-4 材质为AuAgPdCu/AgCuPdN i;APZC为 Ag、Pd、Pt、Au、Cu、Zn 等 6元合金;A PN C 为Ag、Au、Pt、Cu、Ni 等 5元合金。材质的选择和相关的元件加工及电机的装配有关。(3)随

25、着微电机使用条件的越来越苛刻,环保型复合材料将向多元合金元素有益掺杂和加工工艺多样化方向发展,这将是国内外研究者的研究热点。参考文献:1谢永忠,陈京生.欧盟二指令对我国电触头材料发展及出口影响分析 J.电工材料,2004(2):38-41.2刘先曙.电接触材料的研究和应用 M.北京:国防工业出版社,1979.3贵金属材料加工手册编写组.贵金属材料加工手册K .北京:冶金工业出版社,1978.4日本电气学会编.电工技术手册.第一卷K .北京:机械工业出版社,1978.5Sommer J.Silver Tracer Diffusion in Oriented Ag/Cu In_terphase B

26、oundaries and Correlation to the BoundaryStructure J.Acta Mater.,1996,44(1):327-334.6Fitzgerald A G.Microbeam Analysis Studies of the Cop_per_ silver Interface J.M ater.Sci.,1993(28):1819-1823.7Rogers J P.Monte Carlo Simulation of the Cu-Ag(001)Semicoherent Interphase Boundary J.Acta M etall.M ater.

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