合金元素对电刷材料AgPd50 组织及性能影响

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Effect of Alloying Elements on Microstructure and Properties of AgPd50 Brush Material 

TIAN Mao-jiang1, WANG Yong2, YU Wen-xin1 (1. Chongqing Chuanyi Metallic Functional Materials Co. Ltd., Chongqing 400702, China; 2. Chongqing University, Chongqing 400044, China)

 Abstract: AgPd50/MX215 and AgPdCuRE/MX215 composite strips were fabricated by hot-rolling. Microstructure, microhardness, wear morphology and element distribution of the strips were investigated by microscope, microhardness tester, scanning electron microscope (SEM) and energy disperse spectroscopy (EDS). The results show that grain refinement and second phase strengthening are observed in the samples after adding Cu and RE, the highest microhardness of AgPdCuRE/ MX215 is 265 HV0.2. The earliest failure time of AgPd50/MX215 brush group is 114.83 h, that of AgPdCuRE/MX215 brush group is 189.33 h. The wear resistance of AgPdCuRE/MX215 is better. 

Key words: AgPdCuRE; AgPd50; microstructure; abrasion resistance

引言 

      微电机常用于汽车、医疗及通信等工业生产 中，具有较大的市场需求。AgPd系列合金具有良好 的电性能、机械性能及抗氧化性能，常用作微电机 电刷的工作层。传统的AgPd 合金只有Ag、Pd 两种 元素，其机械性能提高有限且价格昂贵[1～3]。随着电 机使用要求的提高，单纯的AgPd 合金材料已越来越不能满足电机的高性能要求。 实际生产中，AgPd 合金与锌白铜、锡铜、铍铜、 MX材料等通过轧制复合，制成层状复合材料，在降 低成本的同时，又增加材料力学性能[4,5]。通过添加 适量廉价合金元素，能有效降低AgPd 合金成本，并 提高其性能。徐永红等[6]在AgPd 合金中引入Cu 元 素，使得材料成本降低且力学性能、耐磨性能提 高。尹平[7]在Ag合金中加入稀土元素，提高了合金 耐腐蚀性能及耐磨性能。 

      本研究用传统的AgPd50 合金以及在其中添加Cu 和RE 等元素形成AgPdCuRE 的多元合金，采用 热轧方式与MX215 复合制成AgPd50/MX215 和 AgPdCuRE/MX215 复合带材，加工成电刷，并对两 种电刷工作层的组织形貌、显微硬度及耐磨性能进 行对比，为提高产品性能提供理论指导。

1 试验材料与方法 

      试验中，电刷的基带材料为MX215 铜合金，工 作层材料分别为AgPd50 和AgPdCuRE，通过热轧复 合的方式制成层状复合材料，换向器材料为AgCu- NiRE/Cu复合带材，几种材料的成分见表1。

      退火温度为700 ℃，退火时间为30 min，采用 ZEISS AX金相显微镜观察材料退火处理后的组织 形貌；材料腐蚀剂为王水，腐蚀时间为10 min。使用 HXD1000TMCD显微硬度计，分别对退火前、退火 温度为200～550 ℃(退火时间皆为30 min)的退火 态试样进行硬度测试。加载载荷为1.96 N，加载时 间为10 s，试验值为试样表面任意5 个点硬度的平 均值。

     磨损试验采用某公司生产直流电机，电机电压 6 V，载荷15 g/cm，运行方式为正反转，测试时间为 200 h，测试温度为室温。试验中，两组电机各15 台，并记录每组电机最早失效时间。采用JSM- 6460LV 扫描电镜，观察两种不同材料电刷运行 100 h 后的表面形貌，并测试不同磨损区域合金元素 成分。

2 试验结果及分析

     通过加入Cu、RE 等合金元素，电刷工作层组 织、退火硬度及耐磨性能都有所改变。

2.1 显微组织观察

    图1 为AgPd50 及AgPdCuRE 合金的组织形 貌。由图1 可知，AgPd50 工作层退火态晶粒尺寸为 40～50 μm；AgPdCuRE 工作层退火态晶粒尺寸为 15～25 μm。添加Cu、RE 等合金元素后，晶粒得以 细化且组织中能观察到大量均匀分布的细小析出 相。从而发生晶粒细化并产生弥散强化，使复层硬 度和耐磨性能得到提高；同时，晶粒细化能使材料 的加工硬化指数提高，在相同形变量下得到更好的 加工硬化；而微量元素对晶界具有拖拽效应，能抑 制合金再结晶过程的软化，因而AgPdCuRE 具有更 好的抗软化性能。

2.2 显微硬度测试结果

     图2 为AgPd50 及AgPdCuRE 合金的退火软化 曲线。由图2 可知，两种材料的显微硬度都随着退 火温度升高，先增加后降低。AgPdCuRE 合金的显 微硬度最高可达265HV0.2，而AgPd50 合金的最高 硬度只有201HV0.2。在一定温度范围内，合金中的 第二相析出随退火温度的升高而增加，能起到沉淀 强化作用。AgPdCuRE 所含合金元素较多，且大部 分以第二相形式析出，产生沉淀强化效果，在相同 退火温度工艺下硬度较高；添加合金元素后，AgPd- CuRE 晶粒得以细化，细晶强化作用下硬度进一步 提高。同时，合金元素析出使得基体晶格畸变减 小，导电率损失较固溶强化态下降。

2.3 耐磨性能测试结果

       图3 为AgPd50、AgPdCuRE 作为电刷材料，工 作200 h 后的失效率及最早失效时间对比。AgPd50 电刷组失效率为20%，AgPdCuRE 电刷组失效率为 13.3%；AgPd50 电刷组最早失效时间为114.83 h， AgPdCuRE 电刷组最早失效时间为189.33 h。相较 而言，AgPdCuRE 的失效率低，寿命长。由于AgPd- CuRE 电刷晶粒细小，表面硬度提高的同时其韧性 也会有所提高；同时，电刷表面第二相也能使材料 在磨损过程中受到的冲击减小。因而，AgPdCuRE 相对于AgPd50的耐磨性能更好[8]。

     图4 为AgPd50、AgPdCuRE 电刷组磨损形貌对 比，AgPdCuRE 较AgPd50 磨痕浅，电弧损伤较轻且 与换向器匹配性更好。表2 为磨损试验后表面区域 成分测试结果，AgPd50 电刷组工作区Pd 层已经基 本耗尽，合金元素中出现了基体所含的Sn 元素，深 色基带上存在Ag 元素转移形成的白色区域。 AgPdCuRE电刷组磨损相对较轻，中间爪存在Ag元 素转移形成的凸起物，其余两爪存在大量Pd 层残 留。从合金元素分布也可知，AgPdCuRE 的耐磨性 能优于AgPd50。

3 结论 

（1）通过加入Cu、RE 合金元素，AgPdCuRE 合 金较AgPd50 合金的晶粒得以细化，退火处理后有 第二相析出。

（2）AgPdCuRE 合金硬度高于AgPd50 合金，且 抗软化能力更强。

（3）两组试验电机中，AgPd50 电刷组失效率为 20%，最早失效时间为114.83h，AgPdCuRE 电刷组 失效率为13.3%，最早失效时间为189.33h；AgPd- CuRE较AgPd50 的电弧损伤较轻，前者与换向器的 匹配性更好。AgPdCuRE 表现出更优异的耐磨 性能。

 （4）总体而言，AgPdCuRE电刷组的寿命及稳定 性优于AgPd50电刷组。

参考文献： 

[1] 王勇,胡建旗,徐永红,等.电刷材料Ag-Pd-Cu-X 合金的热变行为 分析[J].重庆大学学报,2014,37(3):10-15. 

[2] 匡纲要,徐永红,王勇,等.利用稀土银合金开发高性能车用微电 机[J].微特电机,2010,38(4):8-10.

[3] Slanac D A, Hardin W G, Johnston K P, et al. Atomic Ensemble and Electronic Effects in Ag-rich AgPd Nanoalloy Catalysts for Oxygen Reduction in Alkaline Media.[J]. Journal of the American Chemical Society,2012,134(23):9812-9819. 

[4] 杨贤军,刘安利,赵明华,等. AgPd/BZn 复合材料贵金属表面控 制技术[J].微特电机,2011,39(10):73-75.

[5] 章应,徐永红,廖国君,等. 微电机用环保复合金属材料现状及发 展趋势[J].电工材料,2008(3):33-37.

[6] 徐永红,匡纲要,章应,等.具有高耐磨性的钯银系电接触材料.中 国:201110092355[P].2011-04-13. 

[7] 尹平.贵/廉复合材料用银合金复层的腐蚀及磨损性能研究[D]. 重庆理工大学,2011. 

[8] 叶宏,喻文新,雷临萍,等. H13 钢表面激光熔覆Ni 基涂层的组织 与耐磨性能[J].特种铸造及有色合金,2016,36(7):690-693.