AgPd/BZn復(fù)合材料貴金屬表面控制技術(shù)

楊賢軍,劉安利,趙明華,周曉榮,王 勇,2,徐永紅,章 應(yīng)

(1.重慶川儀金屬功能材料分公司,重慶400702;2.重慶大學(xué),重慶400045)

0 引 言

換向器和電刷片是小型直流電機的核心部件,兩者組成接觸導(dǎo)電偶件,執(zhí)行傳輸電流、驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)的功能。在高級視聽設(shè)備和數(shù)碼產(chǎn)品等領(lǐng)域,對小型直流電機的穩(wěn)定性、可靠性和使用壽命有很高的要求。換向器和電刷片的電接觸性能和耐磨性是決定電機品質(zhì)和壽命的關(guān)鍵因素,因此貴金屬合金成為制作其工作面的首選材料,其中高檔電刷片的工作面主要用AgPd合金制作。

小型直流電機運行過程中,電刷片是固定不動的,其工作部位不會變化。圖1顯示了工作一段時間后的三爪電刷片形貌,可見其工作區(qū)域只限于表面的一小段,因此,需要AgPd合金的部位也只占電刷片表面的一小部分。電刷片的受力部位處于其自由端附近,類似懸臂梁的工作形式,其與換向器的接觸壓力主要靠刷片的彈性應(yīng)力來提供。為了在工作過程中始終保持足夠的接觸壓力,需要使用具有良好彈性、強度和抗應(yīng)力松弛性能的材料作為承受機械載荷的基帶。為此,電刷片通常使用熱軋復(fù)合的AgPd/BZn層狀復(fù)合材料來制作[1-2],以便同時滿足電接觸性能和綜合力學(xué)性能的要求。

然而,AgPd表面存在Zn的大量富集,且其色澤偏暗,顯示棕色而非正常的銀灰色,該問題長期困擾著生產(chǎn)。因此,本文對Zn富集的原因及其對AgPd色澤的影響進行了較深入的分析,并提出了相應(yīng)的對策,在生產(chǎn)中獲得良好效果。

圖1 小型直流電機電刷片的工作區(qū)

1 試驗方法

1.1 測試分析技術(shù)

對AgPd/BZn材料成品的表面進行直接分析,并采用0.5 μ m粒徑的Al2O3粉末懸浮液機械拋光去除材料極表層后進行宏觀觀察及成分測試。用掃描電鏡(Scanning Electron Microscope,SEM)進行表面形貌觀察,使用能譜儀(Energy Dispersive Spectrometer,EDS)測試表面成分和不同區(qū)域的微區(qū)成分。取橫斷面試樣,經(jīng)磨制拋光后,進行形貌觀察和微區(qū)成分分析。

1.2 工藝改進

在現(xiàn)有復(fù)合帶材生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上,增加基帶鍍Ni工序,然后再進行開槽、復(fù)合、熱處理、軋制等加工和處理得到帶材。

2 結(jié)果及分析

2.1 AgPd合金表面色澤與成分

宏觀觀察發(fā)現(xiàn),基帶采用BZn合金的復(fù)合帶材的AgPd層表面色澤偏暗,顯示棕色,而基帶若為不含Zn的MX(Cu-Ni-Sn)系列合金,則AgPd層為正常的銀灰色。據(jù)此,可以初步判斷AgPd層表面顏色的異常變化與基帶成分有密切的關(guān)系。

取AgPd/BZn復(fù)合材料成品試樣,于丙酮中超聲清洗后,在SEM下觀察,發(fā)現(xiàn)AgPd30和AgPd50表面均有彌散分布的橫向深色條塊,其特征在高倍下十分清晰(如圖2所示)。這種條塊物的出現(xiàn),導(dǎo)致AgPd表面在體視顯微鏡或金相顯微鏡下出現(xiàn)“魚鱗”特征。機械拋光2 min后,這種深色條塊和“魚鱗”形貌就全部消失了,而AgPd層的顏色也轉(zhuǎn)變?yōu)殂y灰色。

利用EDS對該AgPd50/BZn試樣拋光前后的AgPd層的成分進行分析,結(jié)果如表1所示。由表1不難看出,經(jīng)過短時間的拋光以后,AgPd表面的Zn就消失了,說明含Zn層只存在于AgPd表面的極薄范圍,而且正是這些Zn的存在導(dǎo)致了AgPd表面色澤異常。

圖2 AgPd50/BZn的AgPd表面形貌

表1 AgPd50表面拋光前后的成分

通過EDS的點分析技術(shù),可以測試材料中不同部位的微區(qū)成分。表2給出了利用該技術(shù)對AgPd表面不同特征區(qū)域的成分進行了分析,深色條塊和基體各測試3點,結(jié)果如表2所示。

表2 AgPd50表面成分分布(質(zhì)量分?jǐn)?shù)百分比)

由表2可以看出,Zn在AgPd表面的分布是不均勻的,深色條塊的Zn含量高出基體的一倍以上。Zn含量高的部位,Pd含量也顯著偏高,Ag則偏低,亦即Zn的不均勻分布也導(dǎo)致了Pd和Ag含量的波動。這可能是由于Zn與Pd的親和力較大,導(dǎo)致Pd向Zn的聚集部位大量擴散,以致于造成Ag的相對貧化。綜合AgPd表面的光鏡形貌、電鏡形貌及微觀成分分布進行分析,不難判斷,AgPd表面的“魚鱗”狀特征主要是由于Zn、Pd和Ag的不均勻分布造成不同區(qū)域的反光特性不同所致。

2.2 Zn的存在范圍及原因

為了分析Zn在AgPd層中的存在范圍及其富集原因,對材料斷面的成分分布進行了分析。圖3顯示了Zn元素在復(fù)層中的面分布測試結(jié)果(白色表示高含鋅量),可見Zn只存在于AgPd表面的極薄區(qū)域,在復(fù)層內(nèi)部并無Zn的存在。進一步對該富Zn區(qū)域進行了形貌觀察和成分分析(圖4),可見該層極薄,放大10 000倍時仍無法準(zhǔn)確測量其厚度,可以判斷在200 nm以下,該區(qū)域在SEM下也顯示較暗的色澤,其測試點的成分(圖4中的譜圖1,質(zhì)量分?jǐn)?shù)百分比)為:31.76%Zn、37.07%Pd、31.17%Ag。

圖3 AgPd/BZn材料橫斷面的Zn分布

圖4 AgPd層的含Zn區(qū)形貌

上述形貌觀察和成分測試證明,AgPd層中的Zn只存在于表面,而不存在于內(nèi)部,該含Zn區(qū)極薄,在刷片使用初期的試機磨合階段便可通過磨損去除,因此對電機的使用性能基本不產(chǎn)生影響。并且,表面的Zn不是從基體擴散進入AgPd層,而是直接從氣氛中沉積到材料表面。

Zn與Cd、Hg同屬ⅡB族,其熔點、沸點分別為420℃和907℃,表3給出了Zn在不同溫度下的蒸汽壓,可見低熔點和低沸點決定了該元素在高溫下容易揮發(fā)。Zn的高揮發(fā)性在合金中也會表現(xiàn)出來。周正等[3]用熱重法(TG)研究Al-10Zn合金的氮化時發(fā)現(xiàn),從150℃起就能檢測到Zn的揮發(fā);劉順華等指出[4],大氣環(huán)境下熔煉Zn-Ni合金時,610℃就有可見的Zn揮發(fā)。

AgPd/BZn通常采用熱復(fù)合工藝生產(chǎn),復(fù)合后還要經(jīng)歷多次軋制和熱處理,復(fù)合和熱處理溫度均在600℃以上?；鶐Zn18-26合金中含Zn量約為26%,復(fù)合前的加熱及后續(xù)熱處理過程中,基帶中的Zn揮發(fā)出來進入爐內(nèi)氣氛,而后沉積于AgPd表面(在加熱爐出口附近,溫度降低,沉積更加明顯)。軋制時,沉積的Zn就鋪展在表面,并可能發(fā)生少量擴散形成富Zn薄層。帶材連續(xù)加熱過程中,Zn的沉積是不均勻的,從而導(dǎo)致AgPd表面的Zn分布不均勻。

2.3 工藝改進的效果

上述AgPd表面形貌和成分分析結(jié)果,證明Ag-Pd色澤和形貌異常的主要原因是Zn的大量富集。于是改善AgPd表面質(zhì)量的工藝措施就集中在去除表面的富Zn層和防止Zn的揮發(fā)兩個方面。前者不管是采用機械方法還是化學(xué)方法,均會造成貴金屬材料的損失和產(chǎn)品尺寸精度控制難度增大,所以后者才是更有效的方法。于是本公司采用了基帶鍍Ni的技術(shù)。

圖5對比顯示了使用鍍Ni基帶對AgPd表面色澤的改進效果。可見使用鍍Ni基帶生產(chǎn)的復(fù)合帶材,其AgPd表面呈現(xiàn)銀灰色,從色澤來看基本消除了Zn的影響。圖6是使用鍍Ni基帶產(chǎn)品的AgPd表面電鏡形貌,對比圖2可以看出,改進后AgPd表面的深色條塊物基本消除。金相顯微鏡下觀察也沒有發(fā)現(xiàn)“魚鱗”形貌。EDS分析表明,改進后AgPd表面成分為(質(zhì)量分?jǐn)?shù)百分比):10.39%Zn、47.24%Pd、42.37%Ag,Zn含量較改進前降低了1/3。

圖5 基帶鍍Ni對AgPd表面色澤的影響

圖6 鍍Ni基帶的AgPd表面形貌

BZn合金表面的鍍Ni層有效地阻止了Zn向材料表面擴散和揮發(fā),從而防止其在AgPd表面沉積與富集,改善了AgPd表面質(zhì)量。但是,由于生產(chǎn)條件的限制,鍍Ni在開槽以前進行,開槽工序去除了復(fù)合區(qū)域的鍍Ni層,在軋制復(fù)合前的加熱過程中,槽表面仍然會有Zn的揮發(fā);另外,鍍Ni層很薄,而且其塑性變形行為與BZn有差異,在軋制過程中難免發(fā)生破裂,裂紋處也會有Zn的揮發(fā)。所以,使用鍍Ni基帶后,AgPd表面仍然有Zn的存在。事實上,對日本田中公司產(chǎn)品的EDS分析表明,其AgPd表面也有Zn存在,不同批次產(chǎn)品的含量約在5%～10%質(zhì)量分?jǐn)?shù)百分比之間波動?？梢?本公司的AgPd/BZn產(chǎn)品表面質(zhì)量已經(jīng)接近田中產(chǎn)品水平。

3 結(jié) 論

(1)AgPd/BZn復(fù)合材料AgPd表面色澤偏暗的主要原因是Zn的沉積,“魚鱗”狀形貌則是由Zn的不均勻分布所引起。

(2)AgPd表面含Zn層極薄,且很容易通過機械方法去除,對復(fù)合材料的使用性能沒有影響。

(3)采用基帶開槽前鍍Ni方法,可以顯著降低AgPd表面的含Zn量,使其呈現(xiàn)銀灰色,并且消除了“魚鱗”特征。

[1] 區(qū)國苑,盧小東,周光喆,等.微電機換向器及電刷用復(fù)合材料的工藝研制[J].微特電機,2003(2):34-35.

[2] 章應(yīng),徐永紅,廖國君,等.微電機用環(huán)保復(fù)合金屬材料現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].電工材料,2008(3):33-37.

[3] 周正,陶靜梅.Al-Zn合金直接氮化過程中ZnO的形成[J].重慶大學(xué)學(xué)報,2004,27(4):93-96.

[4] 劉順華,陳光均,焦躍峰,等.熱鍍鋅用Zn-Ni中間合金的熔煉工藝[J].特種鑄造及有色合金,1999(2):39-41.