滑动触点材料及其制造方法与流程

本申请是申请日为2017年1月17日、申请号为201780007965.5(国际申请号为pct/jp2017/001324)、发明名称为“滑动触点材料及其制造方法”的发明专利申请的分案申请。

本发明涉及包含ag合金的滑动触点材料。特别是涉及能够适合在负荷可能因高转速化等而增大的电动机的电刷用途中使用的滑动触点材料。

背景技术：

电动机是在各种家电制品、汽车等多种用途中使用的机器，近年来，对于其小型化、高输出化要求更高的水平。图7是示出作为小型电动机的一个方式的微型电动机的构成的图。另外，图8是对同样作为小型电动机的一个方式的无铁芯电动机的结构进行说明的图。由于电动机的小型化、高输出化，导致电动机转速增大，谋求具有能够应对该要求的耐久性的长寿命的电动机。

作为改善电动机的寿命的方法，首先可以列举构成构件的材质调整。特别是，作为主要构成构件的电刷是在换向器(commutator)上不断滑动的构件，因磨损导致的电刷弯折成为电动机停止的主要原因。因此，以往作为电刷用材料，要求耐磨损性优良。在此，作为到目前为止的电动机电刷用滑动触点材料，已知有ag与pd的合金(agpd30合金、agpd50合金等)。

agpd合金作为电动机电刷用滑动触点材料以往以来已熟知，但其耐磨损性的改善存在极限。这是因为：agpd合金能够通过增大pd含量而提高耐磨损性，但添加量超过50质量％时，在滑动中触点表面的有机气体因pd的催化作用发生反应而生成褐色粉末，使得接触电阻变得不稳定。因此，agpd合金难以应对今后负荷增大的电动机。

作为改善agpd合金系的电动机电刷用滑动触点材料的耐磨损性的方法，已知将cu作为添加元素进行合金化的对策。另外，已知在agpdcu合金中进一步加入添加元素从而进一步提高耐磨损性的材料(专利文献1、2)。这些现有的电动机电刷用滑动触点材料关于耐磨损性得到了一定的认可。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2000-192169号公报

专利文献2：日本特开2000-192171号公报

技术实现要素：

发明所要解决的问题

但是，对于包含agpdcu系合金的滑动触点材料，指出了由于滑动中的热导致cu发生氧化而使材料的接触电阻变得不稳定这样的问题。另外，关于该滑动触点材料，对于今后要求高输出化和高转速化的电动机能够应对到何种程度还有所担心。

此外，在电动机的高性能化时，不仅针对电刷的构成材料，而且针对作为与电刷成对的构件的换向器(commutator)的材质也研究了改良、耐磨损性提高。因此，在开发电刷的构成材料时，优选还考虑这样的对象材料的改良的倾向。

本发明是基于如上所述的背景而完成的，其目的在于提供耐磨损性比现有技术优良的电动机电刷用滑动触点材料。

用于解决问题的方法

解决上述问题的本发明是一种滑动触点材料，其包含20.0质量％以上且50.0质量％以下的pd、以合计浓度计为0.6质量％以上且3.0质量％以下的ni和/或co、以及余量的ag和不可避免的杂质。

以下，对本发明详细地进行说明。本发明的滑动触点材料通过在agpd合金中添加ni和/或co而提高耐磨损性。该耐磨损性提高的机理以基于通过添加ni、co而使成为基质的agpd合金相的晶粒微细化的强度升高作用为基础。在本发明中，在不添加cu的情况下使agpd合金的耐磨损性提高，其是无需担心因cu的氧化引起的接触电阻的不稳定化的触点材料。

首先，对构成本发明的滑动触点材料的各金属元素进行说明。首先，pd浓度设定为20.0质量％以上且50.0质量％以下。在本发明的材料中，pd也是提高耐磨损性的元素，小于20.0质量％时，不能确保充分的耐磨损性。另外，pd浓度超过50.0质量％时，担心会在滑动时生成褐色粉末而导致接触电阻的不稳定化。

另外，在本发明中，通过在agpd合金中添加ni和/或co，合金的基质的晶粒微细化而使得材料强度、耐磨损性提高。ni、co的添加浓度合计设定为0.6质量％以上且3.0质量％以下。小于0.6质量％时，不能期待它们的效果，即使超过3.0质量％，材料强化的效果也少。ni、co可以添加任意一者，也可以添加两者。如上所述示出合计浓度，因此，在添加ni、co这两者的情况下，合计设定为3.0质量％以下。

以上说明的包含agpd(ni,co)合金的滑动触点材料通过添加ni、co而能够发挥比现有的agpd合金高的耐磨损性。并且，该agpd(ni,co)合金的滑动触点材料通过添加包含sn、in中的至少任一种的添加元素m，发挥更高的耐磨损性。该添加元素m所带来的耐磨损性提高的机理是由含有pd与添加元素m的金属间化合物的复合分散粒子带来的分散强化效果。

在此，sn、in都是能够与pd形成金属间化合物的金属元素，有可能形成多种金属间化合物而并非形成一种。例如，从sn与pd的金属间化合物来看，由图1的pd-sn系状态图可以了解到，在该体系中能够形成sn与pd的构成比率不同的多种金属间化合物。本发明人考察到：在agpd(ni,co)合金中添加sn的情况下，具有材料强化的作用的金属间化合物为pd3sn。并且认为，除此以外的构成比率的金属间化合物无助于材料强化。

同样地，在添加in的情况下，也是特定的金属间化合物能够有助于材料强化。考察到：在in的情况下也能够形成多种金属间化合物，但具有有效的强化作用的金属间化合物为pd3in。

另外，在本发明中，也允许同时添加sn和in这两者。认为sn和in在本发明的合金系中表现出类似的行为。认为sn和in与pd结合而形成金属间化合物(pd3(sn,in))从而发挥强化作用。

另外可知，在含有有效的金属间化合物的复合分散粒子中，粒子中的pd含量(质量％)与添加元素m的含量(质量％)的比率(kpd/km)处于一定范围。该比率(kpd/km)为2.4以上且3.6以下。对于本发明的滑动触点材料而言，关于所存在的含有pd和添加元素m这两者的分散粒子，它们几乎全部(以粒子数基准计为90～100％)的kpd/km为2.4以上且3.6以下。另外，计算复合分散粒子中的kpd/km时，添加元素m的含量基于sn含量(质量％)与in含量(质量％)的合计来算出，其范围为2.4以上且3.6以下。

需要说明的是，复合分散粒子的构成必须含有包含pd和添加元素m的金属间化合物，但并不要求仅由该金属间化合物构成。复合分散粒子中，可以与金属间化合物一起含有构成基质的ag、ni、co。对于复合分散粒子而言，尽管含有这些金属元素，但只要通过pd、添加金属m的含量而具有特征、kpd/km的比率为2.4以上且3.6以下即可。

另外，复合分散粒子优选平均粒径为0.1μm以上且1.0μm以下。这是因为：通过分散强化作用来实现耐磨损性提高，因此，对于粗大化的分散粒子而言，强化作用不足。

关于添加元素m(sn、in)的添加量，以合计浓度计设定为0.1质量％以上且3.0质量％以下。这是为了使复合分散粒子的构成为适当的构成、并且防止分散粒子的粗大化以及由此导致的强度降低。优选sn的含量设定为0.5质量％以上且1.0质量％以下。另外，关于in的含量，优选设定为1.0质量％以上且2.0质量％以下。在添加sn和in这两者的情况下，优选合计含量设定为0.5质量％以上且3.0质量％以下。

如上所述，对于在agpd(ni,co)合金中添加sn、in的滑动触点材料而言，通过复合分散粒子(pd3sn、pd3in)的作用实现材料强化。但是，在本发明中，并不否定这些特定的金属间化合物以外的相(析出物)的存在。这样的相虽然无助于材料强化，但也不会成为阻碍因素，因此允许存在。

作为复合分散粒子以外的分散粒子相，可以列举：pd与ni、co的合金粒子(pdni合金粒子、pdco合金粒子)。pdni合金粒子、pdco合金粒子是球状或针状的分散相，是与pd的浓度比(ni/pd、co/pd)处于0.67～1.5的范围内的合金相。该合金相不会对合金整体的强度带来影响。

需要说明的是，不管有无sn、in，本发明的滑动触点材料的基质(母相)都包含agpd合金。但是，根据触点材料整体的ni、co的含量，有时形成含有0.5质量％以下的微量的ni、co的agpd合金。

本发明的滑动触点材料与作为现有的电动机电刷用材料的agpd合金相比，耐磨损性高，能够期待长寿命化。本发明的滑动触点材料是被研究应用于电动机电刷的材料，但优选考虑作为由与作为电刷的对象材料的换向器的构成材料的组合构成的触点结构的性能。

在此，作为电动机的换向器的构成材料，以往已知有作为agcu合金系的材料的agcu合金、agcuni合金等。作为具体的组成，特别地已知含有4.0质量％以上且10.0质量％以下的cu和0.1质量％以上且1.0质量％以下的ni且余量为ag的agcuni合金。另外，还应用了在该agcuni合金中添加有0.1质量％以上且2.0质量％以下的zn、0.1质量％以上且2.0质量％以下的mg、0.1质量％以上且2.0质量％以下的pd中的至少任一种的agcuni系合金。这些现有型的换向器的构成材料的维氏硬度为hv120以上且150以下。

另一方面，近年来，作为提高耐磨损性的改良型的换向器用材料，开发了在上述列举的agcu合金、agcuni系合金中添加0.1质量％以上且0.8质量％以下的稀土金属(sm、la)、zr中的至少任一种并使金属间化合物分散而得到的材料。这样的改良型的换向器的构成材料与上述现有型的材料相比，硬度更高，以维氏硬度计显示出hv140以上且180以下。

另外，本发明的滑动触点材料存在由agpd(ni,co)合金构成的情况和由进一步添加有sn、in中的至少任一种的合金构成的情况。本发明基本上在与上述的现有型和改良型的换向器用材料的组合而成的触点结构中能够实现比现有技术的应用agpd合金的情况更高的耐磨损性和长寿命化。

但是，作为优选的组合，包含agpd(ni,co)合金的触点材料在与agcu合金、agcuni系合金这样的现有型的换向器材料的组合中发挥适当的耐久性。

另一方面，在本发明中，对于在agpd(ni,co)合金中进一步添加有sn、in的材料而言，自不必说相对于agcu合金、agcuni系合金等现有型的换向器材料，相对于上述的添加有稀土元素、zr的改良型的换向器材料也发挥高耐久性。

接着，对本发明的滑动触点材料的制造方法进行说明。本发明的滑动触点材料基本上可以通过熔化铸造法来制造。熔化铸造工序是制备调整成规定组成的ag合金的熔液并将达到铸造温度的ag合金的熔液冷却而使其凝固的工序。ag合金的熔液为制造目标的合金组成，为上述的合金组成。关于agpd(ni,co)合金，大多能够应用通常的熔化铸造法。

但是，对于在agpd(ni,co)合金中添加有sn、in中的至少任一种的合金材料，需要分散有含有规定的组成(ni含量与添加元素m的含量的比率(kpd/km))的复合分散粒子。为了使如此规定了组成的金属间化合物析出，要求铸造温度(熔液温度)的管理和冷却速度的调整。上述有效的金属间化合物在任一种情况下都是高熔点、固相线温度高。对于要求该高熔点的金属间化合物的析出的合金，需要针对铸造温度和冷却速度这两者进行管理。

具体而言，铸造温度设定为比与制造目标的ag合金的pd浓度相等的pd浓度的agpd二元系合金的液相线温度高100℃以上的温度。该铸造温度的设定方法中，使用图2那样的agpd二元系合金的状态图，从状态图读取制造目标的ag合金的pd浓度的agpd合金的液相线温度，将从该液相线温度起100℃以上的温度设定为铸造温度。本发明的合金材料由ag、pd、ni、co、sn、in多种金属元素构成，但使用agpd二元系合金的状态图是为了使铸造温度的设定简便化。将铸造温度设定为比agpd二元系合金中的液相线温度高100℃以上是因为：在其以下的温度下不生成目标金属间化合物。需要说明的是，关于铸造温度的上限，从能量成本、装置保养等现实的观点出发，优选设定为比上述液相线温度高200℃以下的温度。关于该铸造温度，只要在冷却前熔液达到上述温度即可，无需长时间保持于铸造温度，但优选在保持约5分钟～约10分钟后进行冷却。

此外，在制造本发明的合金材料时，铸造工序中的冷却速度的设定也很重要。对于构成本发明的复合分散粒子的金属间化合物而言，为了生成高熔点，需要提高冷却速度。冷却速度变得过慢时，有可能析出低熔点的不优选的金属间化合物。出于这种原因，在本发明中，将凝固时的冷却速度设定为100℃/分钟以上。关于冷却速度的上限，优选设定为3000℃/分钟以下。

发明效果

如以上所说明的那样，本发明的滑动触点材料与现有的agpd合金相比，能够发挥高的耐磨损性。本发明作为促进小型化、高转速化的电动机的电刷用材料是有用的。

附图说明

图1是用于对本发明中生成的金属间化合物进行说明的pd-sn系状态图。

图2是ag-pd二元合金的状态图。

图3是说明本实施方式中进行的滑动试验的试验方法的图。

图4是针对第二实施方式中制造的触点材料的基于sem的组织观察结果。

图5是说明第二实施方式的b2(ni1％+sn1％)的分析点的放大照片及edx分析结果。

图6是说明第二实施方式的b5(ni1％+in2％)的分析点的放大照片及edx分析结果。

图7是说明微型电动机的构成的图。

图8是说明无铁芯电动机的结构的图。

具体实施方式

第一实施方式：以下，对本发明的实施方式进行说明。在本实施方式中，制造包含agpd(ni,co)合金的滑动触点材料并进行其特性评价。

关于试验材料的制造，将各金属元素的高纯度原料以达到规定组成的方式进行混合，进行高频熔化而制成ag合金的熔液，将铸造温度设定为1300℃，然后进行骤冷，制造合金铸锭。冷却速度设定为100℃/分钟。将合金铸造后，进行轧制加工并在600℃下进行退火后，进行再轧制加工，进行切割加工而制成试验片(长度45mm、宽度4mm、厚度1mm)。

在本实施方式中，针对后述的表1中的a1～a5的试验材料，通过上述工序制造各种组成的滑动触点材料。另外，为了与现有技术进行对比，制造未添加ni、co的agpd合金(a6)。

接着，对各试验片进行用于耐磨损性评价的滑动试验。图3是对滑动试验的方法进行概略说明的图，但在该试验中，加工成设想为各试验材料电刷的可动触点，使可动触点在设想为换向器的固定触点上滑动。此时，以12v、100ma对可动触点进行持续通电的同时施加40g的载荷，将从起点开始前后5mm(10mm)往返时(20mm)作为一个循环，使其滑动50000个循环(滑动长度合计1km)。该试验后，测定可动触点的滑动部分的磨损深度(μm²)。

在该滑动试验中，使用两种固定触点用材料。所使用的固定触点材料是作为现有型的电刷用触点材料的agcuni合金(92.5质量％ag-6质量％cu-1质量％zn-0.5质量％ni：以下称为“agcuni-1”)和作为改良型的电刷用触点材料的在agcuni系合金中添加有稀土金属(sm)的合金(89.6质量％ag-8质量％cu-1质量％zn-1质量％ni-0.4质量％sm：以下称为“agcuni-2”)这两种。

滑动试验中的评价中，以作为现有技术的未添加ni、co的agpd合金(a6)的、对于两种对象材料(agcuni-1、agcuni-2)的磨损深度的测定值为基准，以它们的约75％的磨损量(对于agcuni-1的磨损深度为2500μm²、对于agcuni-2的磨损深度为3500μm²)为基准值。然后，针对各试验材料，将磨损量少于基准值的情况判定为“合格”。将本实施方式中制造的各试验材料的磨损试验的结果示于表1中。

根据表1，首先确认到，通过在作为现有的电刷用滑动触点材料的agpd合金(试样a6)中添加ni和/或co，能够改善耐磨损性。但可知，过度添加而使ni为4％时，接近未添加时的磨损面积，效果减弱(试样a3)。

第二实施方式：在本实施方式中，制造各种包含在agpd(ni,co)合金中进一步添加有sn、in的ag合金的滑动触点材料并进行其特性评价。

试验材料的制造基本上与第一实施方式相同。将各金属元素的高纯度原料混合、熔化而制成ag合金的熔液，在测定熔液温度的同时加热至达到比agpd二元系状态图的液相线温度高100℃以上的温度，然后进行骤冷而制造合金铸锭。关于该铸造温度，对于pd30质量％的合金而言为1350℃、对于pd40质量％的合金而言为1450℃。并且，冷却速度均设定为100℃/分钟。合金铸造后，进行轧制加工、退火、再轧制加工而得到与第一实施方式相同尺寸的试验片(长度45mm、宽度4mm、厚度1mm)。

在本实施方式中，针对后述表2中的b1～b12，通过上述制造工序制造各种组成的滑动触点材料。此外，在本实施方式中对合金的制造条件所带来的影响也进行了研究。在此，还制造了将铸造温度设定为比agpd二元系状态图的液相线温度高约50℃的温度(1250℃)并从该温度起进行骤冷而得到的合金(b13)、将熔液温度设定为比agpd二元系状态图的液相线温度高100℃的温度(1350℃)并且利用缓冷(炉冷)使冷却速度低至小于100℃/分钟而得到的合金(b14)。

在本实施方式中，对于所制作的各试验材料，首先，利用sem进行组织观察，考察复合分散粒子的析出的有无。然后，随机选择20个复合分散粒子，利用edx进行分散粒子的定性分析而测定分散粒子中的pd含量和m含量，算出它们的比率(kpd/km)。另外，还测定分散粒子的平均粒径。关于平均粒径，基于分散粒子的高倍率(20000倍)的sem图像测定粒子的长径(l1)和短径(l2)，算出它们的算术平均值((l1+l2)/2)，将该值作为该分散粒子的粒径d。然后，针对20个分散粒子测定粒径(dn(n＝1～20))，将它们的平均值作为分散粒子的平均粒径。

图4中例示出对各试验片进行的组织观察结果的一部分。在这些材料组织中，更详细地进行了基质和分散粒子的分析。图5是针对b2(添加ni1％、sn1％)对分析点(3点)进行说明的放大照片及分析结果的结果。另外，图6是针对b5(添加ni1％、in2％)对分析点(3点)进行说明的放大照片及分析结果的结果。在本实施方式中，对于各试验片，进行组织观察以及分散粒子的组成和平均粒径的测定。在本实施方式中，对于b1～b8、b10～b12的各实施例的合金，确认到所测定的复合分散粒子全部是kpd/km处于适当范围内。在本实施方式中，算出它们的平均值(表2)。

另一方面，对于铸造工序的条件不适当的试验材料(b13、b14)而言，虽然观察到含有pd和添加元素m的分散粒子，但kpd/km的值处于适当范围内的分散粒子一个也没有发现，并没有处于存在复合分散粒子的状态。

接着，对各试验片进行用于耐磨损性评价的滑动试验。滑动试验的试验条件设定为与第一实施方式同样。另外，在此也测定对于两种对象材料(agcuni-1、agcuni-2)的磨损深度的测定值。针对本实施方式中制造的各滑动触点材料，将组织观察结果及滑动试验的结果示于表2中。

可知通过在agpd(ni,co)合金中添加sn和/或in，进一步发挥耐磨损性的改善效果。特别是应用耐磨损性高的改良型的agcuni-2作为对象材料(换向器)时的耐磨损性的改善效果变得显著。并且，作为综合地耐磨损性优良的组成，sn优选设定为0.5％以上且1.0％以下(b1、b2)，in优选设定为1.0质量％以上且2.0质量％以下(b4、b5)。对于超过这些适当值的合金而言，分散粒子变得粗大，对于agcuni-1的磨损面积超过基准值。另外，b9的试验材料是添加有sn和in且合计量超过3质量％的合金，虽然观察到含有pd和添加元素m的分散粒子，但kpd/km的值均没有在适当范围内。对于这些合金，只进行用于参考的分散粒子的粒径测定。粒径粗大化，耐磨损性也不充分。

另外，在如b13、b14那样使合金制造时的铸造条件不适当的情况下，未生成适当的复合分散粒子。这些合金是即使添加sn、in也完全没有发挥耐磨损性的改善效果、耐磨损性比agpd合金差的合金。确认到：本发明的材料不仅需要组成控制、而且需要使铸造条件适当从而使材料组织适当。

另外，将第一实施方式的未添加sn、in的agpd(ni,co)合金(a1～a5)的结果综合考虑，认为它们在对象材料为agcuni合金2时的耐磨损性的改善效果不怎么高，但对于agcuni合金1相当有效。因此，本发明的滑动触点材料在应用于电刷时优选考虑到作为对象材料的换向器的构成材料来选择。在利用如agcuni合金1那样的现有型的材料构成换向器的情况下，可以应用以agpd(ni,co)合金作为电刷的触点结构。但是，对于在agpdni合金中添加有sn、in的材料，无需特别限定对象材料的材质。

产业上的可利用性

如上述说明的那样，本发明的滑动触点材料相对于现有的ag系滑动触点材料具有高的耐磨损性。本发明特别是作为促进小型化、高转速化的微型电动机、无铁芯电动机等小型电动机的电刷用滑动触点材料是有用的。