[发明专利]一种换向器用低银铜镧合金及制备方法

说明书

技术领域

本发明提供一种直流电机换向器用可替代常规铜银合金的含低量银和镧的优质铜合金电工材料及制备方法，属于新材料技术领域。

技术背景

换向器是在电动机和发电机中用来转换和传导电流的一类零件。除了鼠笼式感应电机外，其他电机都要使用换向器，因此，换向器质量的好坏直接影响电机的使用性能，是电机的重要零件。直流微电机是办公自动化设备、视听电子设备、通信设备、汽车及家电制造业不可缺少的电子器件。直流微电机采用三极换向器与电刷滑动接触，实现电力传输维持电机运转。换向器与电刷的工作状况对电机的稳定性和使用寿命有着举足轻重的影响。

在实际工作条件下，换向器主要承受载电磨损，以及在电流换向瞬间，电刷与换向器极片分离而产生电弧作用。因此，换向器材料需要具备良好的导电性、低接触电阻、耐腐蚀、抗氧化、耐磨损和耐电弧损伤等优良性能。

20世纪后期，贵金属复合材料的问世和大批量生产，使微电机换向器材料发生了根本性的变化。以贵金属复层优良的电接触性能和贱金属基带较好的机械性能和导电导热性能的组合来取代单一金属或合金，从而获得质优价廉的最佳效果，因此得到了迅速推广应用，为微电机产业的发展起到了有力的推动作用。

众所周知，银是贵金属中相对廉价且具有优良导电性和导热性的金属，铜也有良好的导电导热能力。为了提高换向器的耐磨损和耐电弧等性能，开发出多种银基合金用于换向器的制作。从成本和实际使用条件的考虑，还将银合金复合在铜合金基层表面得到层状复合材料。换向器通常采用铜合金制作，其中铜银合金具有高导电性、高软化温度和较高强度，是电机换向器的新材料。目前常规的含银量0.03-0.3％铜银合金是制作换向器的主要材料。

不同型号的铜银合金在换向器中的应用情况大致为：低银银铜合金(含银0.03％)主要用于一般的直流电机，或功率较小的电动工具和小家电电机；含银0.08-0.10％的铜银合金用于功率较大的电动工具或家用电器；含银0.2％的铜银合金应用于少数功率较大且震动较大要求较高的电动工具，目前应用不广泛；含银0.3％的铜银合金主要应用于吸尘器电机。可见，在小功率电机上可以采用含低银的铜合金材料制作换向器，但对于功率较大的直流电机，一般采用含银量高于0.1％的银铜合金制作换向器。

随着国内外电机的发展和机电行业的技术进步，换向器市场容量不断增大。目前国内电机换向器用铜银合金的年需求量约2-3万吨左右，并且还不断增长，由此可以推算用银约10-15吨。然而，我国是一个银资源相对贫乏的国家，工业用银很大一部分依赖进口，而大部分工业用银又用于电工材料上；相对而言，我国稀土资源丰富，且稀土纯镧(99％)的市场价格大约只有纯银的百分之一。因此，开发和使用性能可达到或接近常规铜银合金的含低量银的铜镧合金，其意义深远而重大。迄今为止，尚未有用含低量银(Ag≤0.02％)的铜镧合金作换向器材料的相关专利报道。

发明内容

本发明针对我国银资源相对贫乏而稀土资源丰富的现状，开发出一种直流电机换向器用含低量银的铜镧合金，其合金元素含量(重量百分比)为：银含量0.005-0.020％，稀土镧含量0.05-0.30％，铜含量99.68-99.94％，其余为不可避免的杂质。经优化的合金元素含量(重量百分比)为：银含量0.01-0.02％，稀土镧含量0.10-0.25％，铜含量99.73-99.89％，其余为不可避免的杂质。

本发明所述的一种直流电机换向器用含低量银的铜镧合金，采用含铜量99.95％的阴极铜板、含银量99.99％以上的电解银和含镧20％以上的铜镧中间合金，在非真空熔炼炉中熔炼。其工艺的创造性为：稀土镧以含镧20-40％的铜镧中间合金形式加入铜熔体。熔炼前在部分阴极铜板上加工沟槽，然后将易碎的铜镧中间合金镶入这些沟槽中；待铜熔体温度达到1120-1160℃时，将镶有铜镧中间合金的阴极铜板压入熔体底部进行熔化。

其后采用常规“上引连铸+连续挤压+高精冷拉”及机加工方法生产各种换向器用异型材，其电导率达95.5-97.0％IACS，室温下硬度达110-120HV。本发明的含低量银的铜镧合金，不仅可应用于小功率的直流电机换向器，而且可应用于较高功率的直流电机换向器，而其中的银含量仅为常规银铜合金(含银0.10-0.30％)的五分之一，甚至几十分之一，显著降低材料成本，具有明显的市场优势。

本发明低银铜镧合金设计的依据如下：