换向器镀钯在微电机中的应用

王 健，邹 莉，严 亮，王维昆

(中国电子科技集团公司第二十一研究所，上海200233)

0 引 言

接触可靠性是衡量带有电接触元件的微特电机的重要质量指标。直流力矩电动机的换向器不仅要有很好的导电性，还要求它与电刷之间的接触电阻小而稳定;在长期存放过程中无氧化、无硫化现象产生，耐腐蚀性和抗大气腐蚀能力好;长期使用过程中换向器耐磨性好。所以换向器的表面处理是必须研究的重要内容。

钯(Pd)的颜色为银白色［1］，在高温、高压、含硫化氢等环境中表现出极为稳定的性能。虽然钯自身的硬度较低，但是通过适当的镀钯工艺所得到的镀钯层硬度却非常高，其耐磨性也较好。钯层可焊性较好、接触电阻稳定等方面的优点能够满足电子元件的要求，其良好的性能已广泛应用于我国航空航天、通讯、军事、民用电子元器件等领域。

1 微特电机换向器镀钯工艺

1.1 镀钯装置

通过对微特电机换向器结构具体分析，设计了专用的换向器镀钯装置，如图1 所示。图中，正电极1 和负电极2 是电枢外形仿形电极，正电极1 接电源正极，负电极2 接电源负极。正、负电极的内圆部分与电枢4 换向器外圆曲率半径相等，电枢4 通过镀钯夹具安装在电动机的主轴上，在镀钯时，电动机带动电枢4 转动，正电极1 和负电极2 紧贴在电枢4换向器表面位置，形成一个电源回路。镀钯液3 是镀钯液的输送管路，将镀钯液输送至正极1。镀钯液正极包裹层5 的主要作用是储存镀钯液［2］。

电枢镀钯时通过接在直流电源正极上的电极与接在负极上的电极相接触，镀钯电枢转动后，构成了一个微型的镀钯装置，吸附在正极电极包套上的镀液中的金属离子在直流电场的作用下，向换向器表面扩散，在其表面还原沉积，形成金属镀层。随着镀钯作业时间的延长，镀层逐渐增厚，直至达到所需的镀层厚度为止。

图1 镀钯装置

1.2 钯液配方

钯液配方如表1 所示。

表1 钯液配方参数

PdCl2在水中的溶解度较小，必须在NaNO2水溶液及加温后逐步溶解，然后加入(NH4)2SO4用添加剂来调节pH 值。镀钯时，调节电压，获得不同的电流密度。镀钯工艺以表面不发黑、光亮的较大电流密度为宜。

1.3 换向器镀钯工艺流程

保护电枢非镀面-打磨-抛光-水洗-电净-水洗-活化-水洗-镀钯-水洗-干燥，图2 为镀钯后的电枢和镀钯层截面。

图2 镀钯后的电枢和镀钯层截面

2 试 验

本文以某型Φ80 永磁式直流力矩电动机为例，以同一批次生产的20 台微特电机为试样，在电枢加工至镀钯工序时，取出10 台不进行镀钯处理，并做好标记，其余工序仍然一起加工。该批电机14 台组装，6 台不组装，分成镀钯和不镀钯两组，按照电机试验大纲对其进行试验分析。

2.1 盐雾试验

试验前将两组电枢各取3 台彻底清除表面灰尘和油污，对外观进行检查，之后放置到盐雾试验箱内，按GJB360A-96 中方法规定的试验等级A 进行盐雾试验，试验时电枢以线接触的形式水平置于试验箱内，盐雾能围绕电枢循环畅通。当箱内温度稳定在35℃±2℃时箱内喷雾，第一次试验时间按照试验等级A -48h 进行。待第一次试验结束后，观察两组电枢外观，之后再对其在进行第二次试验，试验时间按照试验等级A-96h 进行。

2.2 耐湿试验

试验前将两组电机各取3 台在不控制相对湿度的条件下放置24 h，温度控制在50℃±2℃，测量电枢电阻阻值，并检查其外观。将两组电机放置在耐湿试验箱内，一次循环24 h，连续循环10 次。

2.3 寿命试验

将两组各4 台电机安装固定在标准试验支架上，施加连续堵转电压13.5 V，峰值堵转27 V，其运行方式及试验时间如表2 所示，电机试验每24 h 改变一次转向，在每次改变轴伸位置和运行方式时，允许清理换向器表面的碳粉。

表2 寿命试验

3 试验结果分析

三类试验结束后，我们将两组电机分开摆放，利用肉眼、金相显微镜、微欧计等观察和了解换向器和电枢的性能变化。通过查看两组电机换向器在外观、电阻、氧化、硫化、磨损等情况的变化，分析镀钯后的换向器性能的变化。

3.1 换向器耐腐性

第一组盐雾试验结束后，观察电枢外观变化，镀钯组电枢换向器部分表面仍旧光亮，没有被腐蚀的现象。而不镀钯组的表面光泽暗淡，换向器部分吸附有沉积的盐。第二次试验结束后，用自来水轻轻清洗电枢表面沉积的盐，洗涤时水温控制在超过38℃。之后对电枢外观再次进行检查，检查结果发现，镀钯的电枢换向器表面仍旧光亮，受腐蚀损伤较轻，而不镀钯电枢换向器表面腐蚀相比于镀钯的电枢换向器表面损伤更为严重，如图3 所示。

图3 换向器表面情况

3.2 换向器表面氧化及电阻值测量

耐湿试验结束后，从试验箱内取出电枢，在初始检测的环境下放置24 h，然后进行外观检查和电枢电阻阻值的测量。测量结果显示，镀钯电枢的电阻阻值在经过耐湿试验后阻值变化范围较小，符合电枢电阻详细规范规定，其允差为规定值的±12.5%，如表3 所示。将试验后电枢清洗擦拭后，检查两组电枢外观，通过肉眼可以明显看出，镀钯组换向器表面光亮，而不镀钯组换向器表面呈暗灰色，表面有氧化现象。

表3 Φ80 基座号永磁式直流力矩电动机电阻值(规定电枢阻值14.5 Ω)

3.3 换向器的磨损性

寿命试验结束后，拆机清理后观察，在两组试验电机中分别挑选磨痕最为明显的电枢，通过肉眼和金相显微镜观察换向片的磨损程度。肉眼观察可以看到，镀钯换向器表面磨痕明显比不镀钯换向器情况好［3］，它的磨痕较轻。再通过金相显微镜观察，可以更清楚地发现损伤特征的差别，不镀钯组换向器表面工作区磨损严重，而镀钯换向器的磨损情况相对较轻。图4 分别显示了不镀钯和镀钯组换向器工作区的磨损情况。

图4 金相显微镜下的换向器工作区域磨损情况

另外，我们通过跟踪镀钯电机的使用情况发现，用户对镀钯电机在使用环境的适应性、寿命等方面给予很好的评价，性能的改善得到了用户的认可。

4 结 语

通过对试验结果分析，电机在相同的使用情况下，得出以下的结论:

(1)在使用环境较为恶劣的环境下，电枢换向器镀钯层没有受到影响，镀钯换向器表现出较强的耐腐蚀性。

(2)在电机长期存放过程中，镀钯换向器组电机的电阻变化范围较小，表面光亮、无氧化现象，满足了电机长期存放过程中换向器表面抗大气腐蚀和高可靠性的要求。

(3)在电机长期使用过程中，镀钯换向器的工作区域磨损减薄程度较轻，其耐磨性相对于没有镀钯时得到了有效增强，同时电机的使用寿命也得到有效提升。

［1］ 郭涛，王珲.某型鱼雷铍青铜零件镀钯工艺研究［J］. 材料热处理技术，2012，41(12):116 -1l7.

［2］ 杨瑞鹏.电刷镀钯机理和工艺研究及优化、应用［D］. 上海:上海交通大学，2001.

［3］ 徐永红，匡纲要，章应，等.含稀土Ag 基换向器在微电机中的应用［J］.微特电机，2009，37(7):31 -35.