AgPd/BZn复合材料贵金属表面控制技术

2011-11-20杨贤军刘安利赵明华周晓荣徐永红

微特电机 2011年10期

杨贤军,刘安利,赵明华,周晓荣,王勇,2,徐永红,章应

(1.重庆川仪金属功能材料分公司,重庆400702;2.重庆大学,重庆400045)

0 引言

换向器和电刷片是小型直流电机的核心部件,两者组成接触导电偶件,执行传输电流、驱动电机运转的功能。在高级视听设备和数码产品等领域,对小型直流电机的稳定性、可靠性和使用寿命有很高的要求。换向器和电刷片的电接触性能和耐磨性是决定电机品质和寿命的关键因素,因此贵金属合金成为制作其工作面的首选材料,其中高档电刷片的工作面主要用AgPd合金制作。

小型直流电机运行过程中,电刷片是固定不动的,其工作部位不会变化。图1显示了工作一段时间后的三爪电刷片形貌,可见其工作区域只限于表面的一小段,因此,需要AgPd合金的部位也只占电刷片表面的一小部分。电刷片的受力部位处于其自由端附近,类似悬臂梁的工作形式,其与换向器的接触压力主要靠刷片的弹性应力来提供。为了在工作过程中始终保持足够的接触压力,需要使用具有良好弹性、强度和抗应力松弛性能的材料作为承受机械载荷的基带。为此,电刷片通常使用热轧复合的AgPd/BZn层状复合材料来制作[1-2],以便同时满足电接触性能和综合力学性能的要求。

然而,AgPd表面存在Zn的大量富集,且其色泽偏暗,显示棕色而非正常的银灰色,该问题长期困扰着生产。因此,本文对Zn富集的原因及其对AgPd色泽的影响进行了较深入的分析,并提出了相应的对策,在生产中获得良好效果。

图1 小型直流电机电刷片的工作区

1 试验方法

1.1 测试分析技术

对AgPd/BZn材料成品的表面进行直接分析,并采用0.5 μ m粒径的Al2O3粉末悬浮液机械抛光去除材料极表层后进行宏观观察及成分测试。用扫描电镜(Scanning Electron Microscope,SEM)进行表面形貌观察,使用能谱仪(Energy Dispersive Spectrometer,EDS)测试表面成分和不同区域的微区成分。取横断面试样,经磨制抛光后,进行形貌观察和微区成分分析。

1.2 工艺改进

在现有复合带材生产工艺的基础上,增加基带镀Ni工序,然后再进行开槽、复合、热处理、轧制等加工和处理得到带材。

2 结果及分析

2.1 AgPd合金表面色泽与成分

宏观观察发现,基带采用BZn合金的复合带材的AgPd层表面色泽偏暗,显示棕色,而基带若为不含Zn的MX(Cu-Ni-Sn)系列合金,则AgPd层为正常的银灰色。据此,可以初步判断AgPd层表面颜色的异常变化与基带成分有密切的关系。

取AgPd/BZn复合材料成品试样,于丙酮中超声清洗后,在SEM下观察,发现AgPd30和AgPd50表面均有弥散分布的横向深色条块,其特征在高倍下十分清晰(如图2所示)。这种条块物的出现,导致AgPd表面在体视显微镜或金相显微镜下出现“鱼鳞”特征。机械抛光2 min后,这种深色条块和“鱼鳞”形貌就全部消失了,而AgPd层的颜色也转变为银灰色。

利用EDS对该AgPd50/BZn试样抛光前后的AgPd层的成分进行分析,结果如表1所示。由表1不难看出,经过短时间的抛光以后,AgPd表面的Zn就消失了,说明含Zn层只存在于AgPd表面的极薄范围,而且正是这些Zn的存在导致了AgPd表面色泽异常。

图2 AgPd50/BZn的AgPd表面形貌

表1 AgPd50表面抛光前后的成分

通过EDS的点分析技术,可以测试材料中不同部位的微区成分。表2给出了利用该技术对AgPd表面不同特征区域的成分进行了分析,深色条块和基体各测试3点,结果如表2所示。

表2 AgPd50表面成分分布(质量分数百分比)

由表2可以看出,Zn在AgPd表面的分布是不均匀的,深色条块的Zn含量高出基体的一倍以上。Zn含量高的部位,Pd含量也显著偏高,Ag则偏低,亦即Zn的不均匀分布也导致了Pd和Ag含量的波动。这可能是由于Zn与Pd的亲和力较大,导致Pd向Zn的聚集部位大量扩散,以致于造成Ag的相对贫化。综合AgPd表面的光镜形貌、电镜形貌及微观成分分布进行分析,不难判断,AgPd表面的“鱼鳞”状特征主要是由于Zn、Pd和Ag的不均匀分布造成不同区域的反光特性不同所致。

2.2 Zn的存在范围及原因

为了分析Zn在AgPd层中的存在范围及其富集原因,对材料断面的成分分布进行了分析。图3显示了Zn元素在复层中的面分布测试结果(白色表示高含锌量),可见Zn只存在于AgPd表面的极薄区域,在复层内部并无Zn的存在。进一步对该富Zn区域进行了形貌观察和成分分析(图4),可见该层极薄,放大10 000倍时仍无法准确测量其厚度,可以判断在200 nm以下,该区域在SEM下也显示较暗的色泽,其测试点的成分(图4中的谱图1,质量分数百分比)为:31.76%Zn、37.07%Pd、31.17%Ag。

图3 AgPd/BZn材料横断面的Zn分布

图4 AgPd层的含Zn区形貌

上述形貌观察和成分测试证明,AgPd层中的Zn只存在于表面,而不存在于内部,该含Zn区极薄,在刷片使用初期的试机磨合阶段便可通过磨损去除,因此对电机的使用性能基本不产生影响。并且,表面的Zn不是从基体扩散进入AgPd层,而是直接从气氛中沉积到材料表面。

Zn与Cd、Hg同属ⅡB族,其熔点、沸点分别为420℃和907℃,表3给出了Zn在不同温度下的蒸汽压,可见低熔点和低沸点决定了该元素在高温下容易挥发。Zn的高挥发性在合金中也会表现出来。周正等[3]用热重法(TG)研究Al-10Zn合金的氮化时发现,从150℃起就能检测到Zn的挥发;刘顺华等指出[4],大气环境下熔炼Zn-Ni合金时,610℃就有可见的Zn挥发。

AgPd/BZn通常采用热复合工艺生产,复合后还要经历多次轧制和热处理,复合和热处理温度均在600℃以上。基带BZn18-26合金中含Zn量约为26%,复合前的加热及后续热处理过程中,基带中的Zn挥发出来进入炉内气氛,而后沉积于AgPd表面(在加热炉出口附近,温度降低,沉积更加明显)。轧制时,沉积的Zn就铺展在表面,并可能发生少量扩散形成富Zn薄层。带材连续加热过程中,Zn的沉积是不均匀的,从而导致AgPd表面的Zn分布不均匀。

2.3 工艺改进的效果

上述AgPd表面形貌和成分分析结果,证明Ag-Pd色泽和形貌异常的主要原因是Zn的大量富集。于是改善AgPd表面质量的工艺措施就集中在去除表面的富Zn层和防止Zn的挥发两个方面。前者不管是采用机械方法还是化学方法,均会造成贵金属材料的损失和产品尺寸精度控制难度增大,所以后者才是更有效的方法。于是本公司采用了基带镀Ni的技术。

图5对比显示了使用镀Ni基带对AgPd表面色泽的改进效果。可见使用镀Ni基带生产的复合带材,其AgPd表面呈现银灰色,从色泽来看基本消除了Zn的影响。图6是使用镀Ni基带产品的AgPd表面电镜形貌,对比图2可以看出,改进后AgPd表面的深色条块物基本消除。金相显微镜下观察也没有发现“鱼鳞”形貌。EDS分析表明,改进后AgPd表面成分为(质量分数百分比):10.39%Zn、47.24%Pd、42.37%Ag,Zn含量较改进前降低了1/3。

图5 基带镀Ni对AgPd表面色泽的影响

图6 镀Ni基带的AgPd表面形貌

BZn合金表面的镀Ni层有效地阻止了Zn向材料表面扩散和挥发,从而防止其在AgPd表面沉积与富集,改善了AgPd表面质量。但是,由于生产条件的限制,镀Ni在开槽以前进行,开槽工序去除了复合区域的镀Ni层,在轧制复合前的加热过程中,槽表面仍然会有Zn的挥发;另外,镀Ni层很薄,而且其塑性变形行为与BZn有差异,在轧制过程中难免发生破裂,裂纹处也会有Zn的挥发。所以,使用镀Ni基带后,AgPd表面仍然有Zn的存在。事实上,对日本田中公司产品的EDS分析表明,其AgPd表面也有Zn存在,不同批次产品的含量约在5%～10%质量分数百分比之间波动。可见,本公司的AgPd/BZn产品表面质量已经接近田中产品水平。