滑动接点材料及包层复合材料以及电动机的制作方法

专利名称：滑动接点材料及包层复合材料以及电动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及适用于通过机械性的滑动动作来进行电开关的电动机的整流子的滑 动接点材料。特别涉及适用于汽车的电动收纳反光镜等所用的初始起动电流在IA以上的 高容量的直流小型电动机的滑动接点材料。
背景技术：
汽车装载有音响设备、空调机风挡、电动收纳反光镜及转向锁销等多种电气安装 件，使用多个直流小型电动机来进行这些电气安装件的驱动。根据驱动各电气安装件所需 的转矩将它们分开使用。直流小型电动机的输出转矩与输入电流呈线性的比例关系，但对 于汽车，因为对电动机施加的电压由具有一定的放电电压(13. 5V)的电池来供给，所以需 要大转矩的电气安装件的电动机中必须流过相当大的电流。因此，汽车电气安装件用的直流小型电动机根据初始起动电流(Initial Start 以下简称为is)被分开使用，在IS不到约IA(安培)的条件下使用的直流小型电动机被用 于音响设备及空调机风挡等所需转矩较小的电气安装件，用于IS在IA以上的高容量用途 的直流小型电动机被用于电动收纳反光镜及转向锁销等所需转矩较大的电气安装件。这些 电动机根据电流容量的不同，电刷和整流子中使用的滑动接点材料的种类和构成不同。在此，用于IS在IA以上的高容量用途的直流小型电动机的构成一般采用如下结 构电刷使用一边为数mm的块状的碳类烧结材料，整流子使用Cu类材料，用弹簧将块状的 烧结材料按压于整流子。高容量用途中，因为通电电流大，所以因电刷离开整流子时产生的 较大的火花放电或电弧放电而导致电刷侧发生较大的磨损。于是，通过使用相对于金属的 动摩擦系数小且滑动时的机械磨损少的碳来确保耐久性，还通过采用大体积的块状的电刷 材料来进行磨损的补偿。上述IS在IA以上的高容量用途的电动机虽然对施加电流的耐久性良好，但存在 旋转噪音大且产生的噪声多的问题。其主要原因在于作为电刷材料的碳。碳的最小电弧电 流小，对于放电有活性，因此在滑动时容易发生火花放电和电弧放电，由此容易产生旋转噪 音和噪声。此外，构成整流子的Cu类材料也是一大因素，Cu类材料具有容易因环境因素而 被腐蚀、容易形成氧化物、硫化物等的皮膜、接触电阻不稳定的倾向，这些也成为噪声产生 的原因。在目前的汽车业界，对高级感的要求愈加提高，存在即使对于电动收纳反光镜和 转向锁销等细小的部件也更优选使用不易产生多余的噪音的高品质的电动机的趋势。此 外，近年的汽车中，各种电气安装件和安全电路等的控制系统变得复杂，在防止这些控制系 统的误动作方面也不希望产生噪声。考虑到降低旋转噪音和噪声的情况下，作为其对策，考虑采用与IS不到IA的用途 中使用的直流小型电动机类似的构成。该低容量电动机中，作为电刷和整流子主要使用贵 金属合金的滑动接点材料，以将贵金属合金埋设于由Cu和Cu合金构成的基底材料而得的 包层材料的形式安装于电动机。此外，对于电刷，采用如下所述的结构利用基底材料的弹性，使将上述包层材料加工成板状或棒状而得的材料与整流子接触。上述在电刷和整流子中使用贵金属合金的电动机因为贵金属的耐放电特性良好， 且不易因环境因素而导致腐蚀，所以可期待噪声的抑制。此外，从该材料特性的角度来看， 在电刷侧，通过使用基底材料具有弹性的包层材料，电刷对整流子的随动性良好，从结构的 角度来看也能减轻噪声。然而，上述使用贵金属合金的电动机仍然只能用于低容量(IS不到1A)用途，如果 将其用于高容量(is在IA以上)用途，则电动机在达到所要求的寿命之前就停止工作。认 为该电动机停工的机理如下所述。即，即使是耐放电特性良好的贵金属合金，也不是完全不 发生放电，在电刷离开整流子的瞬间会发生火花放电和电弧放电。由于该放电，整流子的狭 缝部(整流子之间的端部)熔融磨损。由此发生从整流子向电刷的非滑动部的转移，该转 移物再次转移至整流子狭缝部，然后再转移至电刷滑动部，最终发生整流子的转移物之间 的机械磨损。其结果是，电刷断裂，电动机在达到所要求的寿命之前就停止工作。根据关于上述电动机停工的机理的考察，可以说为了能将使用贵金属合金的电动 机用于IS在IA以上的高容量用途，要点在于抑制构成整流子的滑动接点材料的熔融磨损。 在此，作为低容量用途中的电动机的滑动接点材料的构成，电刷采用AgPd合金，作为整流 子的材料，已知专利文献1的AgCu合金和将其改良的专利文献2的AgCuNiZnOMgO类合金。 专利文献2的滑动接点材料是使MgO和ZnO粒子分散于AgCu合金基质中而得的材料，这些 金属氧化物起到滑动部的润滑效果，降低摩擦阻力，提高耐磨损性。但是，即使是上述特性 得到改善的滑动接点材料，在高容量用途中，虽然显现出优于AgCu合金的磨损特性，但在 达到所要求的寿命之前就会因电刷断裂而导致电动机停止工作。专利文献1 日本专利第3355380号公报专利文献2 日本专利特开2005-154838号公报

发明内容
本发明是基于上述背景而完成的发明，提供能用于IS在IA以上的高容量用途的 电动机的整流子、磨损非常少、耐久性良好的滑动接点材料。还提供使用该滑动接点材料的 所产生的旋转噪音和噪声小的直流小型电动机。解决上述课题的本发明是一种滑动接点材料，该材料是使金属氧化物粒子分散 于Ag合金基质中而形成的滑动接点材料，其特征在于，所述Ag合金基质是在Ag中含有 0. 01 10. 0重量％的选自Fe、Co、Ni和Cu的1种或2种以上的Ag合金，作为所述金属氧 化物，分散有0. 1 3. 0重量％的Ta氧化物。Ag合金基质中的添加元素和金属氧化物的含 量是相对于滑动接点材料整体的比例(下同)。本发明的滑动接点材料是以Ag合金为基质且分散有金属氧化物的材料，作为金 属氧化物分散有Ta的氧化物(Ta2O5)。该Ta氧化物具有提高整流子狭缝部的耐热性、降 低火花放电和电弧放电时的熔融磨损量、抑制向电刷的转移的作用。Ta氧化物的量必须在 0. 1 3.0重量％的范围内。这是因为如果不足0. 1重量％，则无法充分强化Ag合金基质， 降低熔融磨损量的效果变差。此外，如果超过3.0重量％，则原材料制造时的加工性大幅变 差，制造成本提高，不实用，而且因Ta氧化物发生凝集而导致接触电阻上升，从而使电动机 的耐久寿命变差。Ta氧化物的更优选的含量为0. 2 2. 5重量％。
此外，作为基质的Ag合金是在Ag中含有0.01 10. 0重量％的选自Fe、Co、Ni和 Cu的1种或2种以上的Ag合金。Fe、Co、Ni和Cu各金属固溶于Ag基质中，或者以粒子状 分散于Ag基质中，它们也具有降低滑动接点材料的机械磨损和转移的作用。这些Fe、Co、 Ni和Cu的金属量为0. 01 10. 0重量％。如果不到0. 01重量％，则有耐磨损性和减少转 移的效果变差的趋势。此外，如果超过10.0重量％，则因为滑动时的摩擦所导致的发热、火 花放电和电弧放电等所导致的金属成分的氧化，整流子表面形成氧化物皮膜，使电刷材料 出现机械磨损且接触电阻上升，从而减少电动机的耐久寿命。Fe、Co、Ni和Cu的添加量的 更优选的范围为0. 3 5. 0重量％。Fe、Co、Ni、Cu中特优选Ni和Cu，优选添加其中的至 少1种，此时，Ni较好为0.3 1.0重量％，Cu较好为0.5 5.0重量％。更好是同时含有 Cu 禾口 Ni。此外，本发明的滑动接点材料中还可以分散有选自Mg、Fe、Co、Ni和Zn的1种或2 种以上的氧化物。这是因为这些追加的氧化物粒子具有强化Ag基质、通过与Ta氧化物的 叠加效果来降低整流子狭缝部的熔融磨损的效果。这些Mg、Fe、Co、Ni和Zn的1种或2种 以上的氧化物的量为0. 1 10. 0重量％。这是因为如果不到0. 1重量％，则降低整流子狭 缝部的熔融磨损的效果差，如果超过10. 0重量％，则加工性大幅变差且会因这些氧化物的 凝集而导致接触电阻的上升。这些追加的金属氧化物的特优选的量为0. 3 5. 0重量％。 此外，Mg、Fe、Co、Ni和Zn的氧化物中，优选将Mg氧化物和Zn氧化物的至少1种分散。将上述本发明的滑动接点材料用作电动机的整流子时，为了制成更适合的整流子 构成材料，较好是采用Cu或Cu合金的基底材料，在该基底材料上的一部分中埋设本发明的 滑动接点材料而制成包层复合材料。为使整流子电接触而必需进行的锡焊处理中的焊锡附 着性良好，且成形为整流子形状时的加工性也提高。而且，通过采用包层复合材料的形态， 可根据所使用的电动机来控制埋设于基底材料的本发明的滑动接点材料的厚度，只要在需 要的部分使用高价的滑动接点材料即可，因此在成本方面也很合适。此外，对于上述包层材料，也可用Au或Au合金覆盖所埋设的滑动接点材料上的至 少一部分。包层材料的滑动接点材料的暴露于表面的部分因暴露于大气而具有容易硫化的 趋势。于是，通过覆盖耐腐蚀性优良的Au或Au合金，可有效地防止滑动接点材料的硫化现 象。此外，Au或Au合金是实现低接触电阻的良好的滑动接点材料，通过覆盖Au或Au合金， 可实现良好的电动机驱动。此时，虽然可能会因磨损而导致Au或Au合金被破坏，但由于内 部存在本发明的滑动接点材料，因此完全不会影响随后的持续使用。本发明的滑动接点材料适合用于IS在IA以上的高容量用途的电动机的整流子， 磨损非常少，耐久性也良好。另外，将埋设有本发明的滑动接点材料的包层材料作为整流子 组装而成的电动机与以往的高容量用途的电动机相比，噪声得到降低并且耐久性优良。关 于该降噪效果，例如现有的汽车电动收纳反光镜用电动机的机械噪声为40 48dB，相对 地，采用埋设有本发明的滑动接点材料的包层复合材料的汽车电动收纳反光镜用电动机的 机械噪声为24 33dB，可实现静音化。关于将埋设有本发明的滑动接点材料的包层材料作为整流子组装而成的电动机， 对应的电刷的材料无特别限定。优选的电刷材料为AgPd合金(AgPd50%合金)。该电刷材 料和本发明的滑动接点材料的组合可实现低噪声，降低两种材料的磨损，延长电动机的寿 命。
此外，本发明的滑动接点材料也可用于IS不到IA的空调机风挡及音响设备等装 载于汽车的电气安装件中使用的直流小型电动机或CD播放器、DVD播放器、照相机、剃须刀 等家用电器中使用的直流小型电动机的整流子。此时，与采用现有的滑动接点材料的情况 相比，可延长寿命。


图1是表示本实施方式中进行的磨损试验的结果(整流子侧)的图。图2是表示本实施方式中进行的磨损试验的结果(电刷侧)的图。
具体实施例方式基于以下记载的实施例及现有例来说明本发明的优选实施方式。本实施方式中， 制造了表1所示的各种滑动接点材料，进行了其特性对比。[表 1] 实施例1的滑动接点材料是用球磨机将2. 0重量％的Cu粉末、0. 5重量％的Ni粉 末、0. 3重量％的Ya氧化物粉末及余分的Ag粉末混合4小时，使各粉末均勻分散而得的粉 末混合物。然后，将该粉末混合物填入圆筒容器，实施从圆柱长边方向施加4. 9X IO5的压 力的压缩加工处理，从而形成直径50mm的圆柱坯。接着，在1123K的温度下对该圆柱坯进 行4小时的真空(5. OPa)烧结处理。该压缩加工处理和烧结处理重复进行4次。实施该压缩加工和真空烧结处理后的圆柱坯通过热挤压加工形成直径6. Omm的线材。然后，通过反复进行拉丝加工和退火处理制成直径1. 6mm的线材。此外，实施例2 10及现有例1的滑动接点材料也是制作表1的组成的粉末混合 物，按照与实施例1同样的工序进行加工，分别制成直径1. 6mm的线材。用轧制机将如上所述形成的各线材加工成带状，将其嵌入接合于作为基底层的Cu 材料，得到包层复合材料。然后于1023K进行热处理，反复进行轧制，制成双层包层复合材 料。然后，使用所制成的各包层复合材料，实际组装直流小型电动机，进行各滑动接点 材料的磨损试验。将包层复合材料加工成整流子，组装于直流小型电动机。关于电刷材料， 将AgPd50埋设于Cu合金，将双层包层复合材料加工成电刷。该磨损试验的条件如表2所不。[表 2] 磨损试验中，将经过了规定的循环次数的电动机解体，取出电刷和整流子，用接触 式粗糙度计测定整流子狭缝部和电刷的磨损深度。各实施例、现有例的电动机所测得的磨 损深度的结果示于图1、2，磨损深度的平均值示于表3。[表 3] 由磨损试验的结果可知，从整流子狭缝部的磨损深度来看，所有的实施例1 10 与现有例相比，磨损深度均下降了 20%以上。此外，从电刷侧的磨损深度来看，通常本用途在市场上所要求的寿命为10万次循 环，如果在本试验条件下(5万次循环)电刷磨损深度在15 μ m以下，则判定为可满足所要 求的寿命。这就意味着如果仅以表3的平均值来判断，实施例和现有例均合格。但是，由图 2可知，对于现有例，如果将偏差包括在内看，则电刷磨损深度有时超过15 μ m,相对地，对 于实施例1 10，即使将偏差包括在内看，电刷磨损深度也被抑制在15 μ m以下。此外，实 施例1 10与现有例1相比，磨损均下降了 30%以上。特别是可知在AgCuNi合金中添加 了 Ta氧化物和Zn氧化物的实施例5 7、在AgCuNi合金中添加了 Ta氧化物和Mg氧化物 的实施例8 10与现有例1相比，磨损下降了约50%以上。产业上利用的可能性通过将埋设有本发明的滑动接点材料的包层复合材料用于直流小型电动机，可大 幅降低整流子狭缝部的磨损，由整流子狭缝部的磨损引起的电刷磨损也被大幅抑制，在IS 在IA以上的高容量电动机的用途中具有足够的耐久性能。
权利要求
一种滑动接点材料，该材料是使金属氧化物粒子分散于Ag合金基质中而成的滑动接点材料，其特征在于，所述Ag合金基质是在Ag中含有0.01～10.0重量％的选自Fe、Co、Ni和Cu的1种或2种以上的Ag合金，作为所述金属氧化物，分散有0.1～3.0重量％的Ta氧化物。
2.如权利要求1所述的滑动接点材料，其特征在于，Ag合金基质是在Ag中含有0.01 10.0重量％的选自Ni和Cu的至少1种的Ag合金。
3.如权利要求1或2所述的滑动接点材料，其特征在于，还分散有0.1 10. 0重量％ 的选自Mg、Fe、Co、Ni和Zn的1种或2种以上的金属氧化物粒子。
4.一种包层复合材料，其特征在于，在Cu或Cu合金的基底材料的一部分中埋设权利要 求1 3中的任一项所述的滑动接点材料而得。
5.如权利要求4所述的包层复合材料，其特征在于，用Au或Au合金覆盖所埋设的滑动 接点材料上的至少一部分。
6.一种电动机，将权利要求4或5所述的包层复合材料用作整流子。
全文摘要
本发明提供能用于初始起动电流(IS)在1A以上的高容量用途的电动机的整流子、磨损非常少、耐久性良好的滑动接点材料。本发明是一种滑动接点材料，该材料是使金属氧化物粒子分散于Ag合金基质中而成的滑动接点材料，其特征在于，所述Ag合金基质是在Ag中含有0.01～10.0重量％的选自Fe、Co、Ni及Cu的1种或2种以上的Ag合金，作为金属氧化物，分散有0.1～3.0重量％的Ta氧化物。本发明中，也可以使0.1～10.0重量％的选自Mg、Fe、Co、Ni和Zn的1种或2种以上的金属氧化物粒子分散。这些滑动接点材料以埋设于Cu或Cu合金的基底材料上的一部分而成的包层复合材料的形态使用。
文档编号H01H1/02GK101906551SQ201010200489
公开日2010年12月8日 申请日期2010年6月4日 优先权日2009年6月5日
发明者中村启次, 坂口理, 堀内义德, 高桥昌宏, 高畠诚, 鹈泽秀幸, 麻田敬雄 申请人:马渊马达株式会社;田中贵金属工业株式会社