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WO2017130781A1 - 摺動接点材料及びその製造方法 - Google Patents

摺動接点材料及びその製造方法 Download PDF

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WO2017130781A1
WO2017130781A1 PCT/JP2017/001324 JP2017001324W WO2017130781A1 WO 2017130781 A1 WO2017130781 A1 WO 2017130781A1 JP 2017001324 W JP2017001324 W JP 2017001324W WO 2017130781 A1 WO2017130781 A1 WO 2017130781A1
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alloy
sliding contact
less
contact material
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敬雄 麻田
巧望 新妻
輝政 ▲鶴▼田
高橋　昌宏
裕介 齋藤
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Tanaka Kikinzoku Kogyo KK
Original Assignee
Tanaka Kikinzoku Kogyo KK
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    • H01R39/00—Rotary current collectors, distributors or interrupters
    • H01R39/02—Details for dynamo electric machines
    • H01R39/18—Contacts for co-operation with commutator or slip-ring, e.g. contact brush
    • H01R39/20—Contacts for co-operation with commutator or slip-ring, e.g. contact brush characterised by the material thereof

Definitions

  • the present invention relates to a sliding contact material made of an Ag alloy.
  • the present invention relates to a sliding contact material that can be suitably used in a brush application of a motor that can increase a load due to an increase in rotational speed or the like.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a configuration of a micromotor which is an embodiment of a small motor.
  • FIG. 8 is a figure explaining the structure of the coreless motor which is also one aspect
  • the motor rotation speed increases with the miniaturization and high output of the motor, and a long-life motor having durability that can meet this demand is required.
  • the material adjustment of the constituent members can be mentioned.
  • the brush which is a main component, is a member that constantly slides on a commutator, and brush breakage due to wear causes the motor to stop. Therefore, conventionally, a material having excellent wear resistance has been required as a material for brushes.
  • an alloy of Ag and Pd (AgPd30 alloy, AgPd50 alloy, etc.) is known as a conventional sliding contact material for a motor brush.
  • AgPd alloy is conventionally known as a sliding contact material for motor brushes, but there is a limit to improving its wear resistance. This is because the AgPd alloy can improve the wear resistance by increasing the Pd content, but if added over 50% by mass, the organic gas on the contact surface reacts by the catalytic action of Pd during sliding. This is because brown powder is generated to make the contact resistance unstable. Therefore, it is difficult for the AgPd alloy to cope with a motor whose load will increase in the future.
  • Measures for alloying Cu as an additive element are known as methods for improving the wear resistance of sliding contact materials for AgPd alloy-based motor brushes.
  • the material which added the further additive element to the AgPdCu alloy and improved abrasion resistance more is known (patent documents 1 and 2).
  • These conventional sliding contact materials for motor brushes have a certain reputation for wear resistance.
  • a sliding contact material made of an AgPdCu-based alloy has a problem that Cu is oxidized by heat during sliding and the contact resistance of the material becomes unstable.
  • this sliding contact material can be applied to a motor that is required to have higher output and higher rotation speed in the future.
  • the present invention has been made based on the background as described above, and an object of the present invention is to provide a sliding contact material for a motor brush that is more excellent in wear resistance than the prior art.
  • the present invention that solves the above-mentioned problems includes 20.0 mass% or more and 50.0 mass% or less of Pd; And a sliding contact material made of inevitable impurities.
  • the sliding contact material according to the present invention is improved in wear resistance by adding Ni and / or Co to the AgPd alloy.
  • the mechanism for improving the wear resistance is based on the effect of increasing strength based on the refinement of crystal grains of the AgPd alloy phase serving as a matrix by the addition of Ni and Co.
  • the wear resistance of the AgPd alloy is improved without adding Cu, and the contact material does not need to worry about destabilization of contact resistance due to oxidation of Cu.
  • the Pd concentration is 20.0 mass% or more and 50.0 mass% or less. Also in the material of the present invention, Pd is an element that improves wear resistance, and if it is less than 20.0% by mass, sufficient wear resistance cannot be ensured. Moreover, when Pd density
  • Ni and / or Co are added to the AgPd alloy, crystal grains of the alloy matrix are refined to improve material strength and wear resistance.
  • the total concentration of Ni and Co is 0.6 mass% or more and 3.0 mass% or less. If it is less than 0.6% by mass, these effects cannot be expected, and even if it exceeds 3.0% by mass, the effect of strengthening the material is small.
  • Either Ni or Co may be added, but both may be added. Since the total concentration is indicated as described above, when both Ni and Co are added, the total concentration is set to 3.0% by mass or less.
  • the above-described sliding contact material made of an AgPd (Ni, Co) alloy can exhibit high wear resistance with respect to a conventional AgPd alloy by the addition of Ni and Co.
  • the sliding contact material of this AgPd (Ni, Co) alloy exhibits higher wear resistance by adding an additive element M made of at least one of Sn and In.
  • the mechanism for improving the wear resistance by the additive element M is a dispersion strengthening effect by the composite dispersed particles containing an intermetallic compound of Pd and the additive element M.
  • Sn and In are both metal elements capable of forming an intermetallic compound with Pd, and may form a plurality of types of intermetallic compounds instead of one type.
  • the intermetallic compound of Sn and Pd as can be understood from the Pd—Sn system phase diagram of FIG. 1, in this system, multiple types of intermetallic compounds with different constituent ratios of Sn and Pd are formed. Can be done.
  • the intermetallic compound having the material strengthening action is Pd 3 Sn.
  • a specific intermetallic compound can contribute to material strengthening.
  • a plurality of intermetallic compounds can be formed, but it is considered that an intermetallic compound having an effective strengthening action is Pd 3 In.
  • Sn and In are believed to exhibit similar behavior in the alloy system of the present invention. It is considered that Sn and In combine with Pd to form an intermetallic compound (Pd 3 (Sn, In)) and exert a strengthening action.
  • the ratio (K Pd / K M ) between the Pd content (mass%) and the content (mass%) of the additive element M in the particles is in a certain range. It is clear that This ratio (K Pd / K M ) is not less than 2.4 and not more than 3.6. In the sliding contact material according to the present invention, K Pd / K M of almost all of them (90 to 100% on the basis of the number of particles) is 2.4 or more with respect to the dispersed particles containing both the existing Pd and the additive element M. 3.6 or less.
  • the content of the additive element M is calculated based on the sum of the Sn content (mass%) and the In content (mass%), and the range thereof. Becomes 2.4 or more and 3.6 or less.
  • composition of the composite dispersed particles is required to include an intermetallic compound composed of Pd and the additive element M, it is not required to be composed only of this intermetallic compound.
  • the composite dispersed particle may contain Ag, Ni, and Co constituting a matrix together with the intermetallic compound.
  • Composite dispersed particles, also while include those metallic elements, Pd, the ratio of the characterized by the content K Pd / K M of the additive metal M may if 2.4 or more 3.6 or less.
  • the composite dispersed particles preferably have an average particle size of 0.1 ⁇ m or more and 1.0 ⁇ m or less. This is because coarse particles of dispersion have poor reinforcing action in order to improve wear resistance by the dispersion strengthening action.
  • the addition amount of the additive element M is 0.1% by mass or more and 3.0% by mass or less as a total concentration. This is to make the composition of the composite dispersed particles appropriate, and to prevent the dispersed particles from becoming coarse and resulting in strength reduction.
  • the Sn content is 0.5% by mass or more and 1.0% by mass or less.
  • the In content is preferably 1.0% by mass or more and 2.0% by mass or less.
  • the total content is preferably 0.5% by mass or more and 3.0% by mass or less.
  • Examples of the dispersed particle phase other than the composite dispersed particles include alloy particles of Pd, Ni, and Co (PdNi alloy particles, PdCo alloy particles).
  • PdNi alloy particles and PdCo alloy particles are spherical or needle-like dispersed phases, and are alloy phases having a concentration ratio with Pd (Ni / Pd, Co / Pd) in the range of 0.67 to 1.5. . This alloy phase does not affect the strength of the entire alloy.
  • the matrix (matrix) of the sliding contact material according to the present invention is made of an AgPd alloy with or without Sn and In. However, depending on the content of Ni and Co in the entire contact material, an AgPd alloy containing a small amount of Ni and Co of 0.5% by mass or less may be obtained.
  • the sliding contact material according to the present invention is expected to have higher wear resistance and longer life than the conventional AgPd alloy, which is a material for motor brushes.
  • the sliding contact material according to the present invention is a material to be applied to a motor brush, the performance as a contact structure constituted by a combination with a constituent material of a commutator which is a counterpart material of the brush. Is preferably taken into account.
  • the constituent material of the commutator of the motor there are conventionally known AgCu alloy-based materials such as AgCu alloy and AgCuNi alloy.
  • an AgCuNi alloy with a balance of 4.0% by mass to 10.0% by mass Cu and 0.1% by mass to 1.0% by mass of Ni is particularly known.
  • An AgCuNi-based alloy to which at least one of Pd is added is also applied.
  • the constituent materials of these conventional commutators have a Vickers hardness of Hv120 or more and 150 or less.
  • an improved commutator material with improved wear resistance rare earth metals of 0.1 mass% or more and 0.8 mass% or less are added to the above-described AgCu alloys and AgCuNi alloys.
  • a material in which at least one of (Sm, La) and Zr is added and an intermetallic compound is dispersed has been developed.
  • the constituent material of such an improved commutator has a hardness higher than that of the above-mentioned conventional material, and exhibits a Vickers hardness of Hv 140 or more and 180 or less.
  • the sliding contact material according to the present invention may be composed of an AgPd (Ni, Co) alloy or an alloy to which at least one of Sn and In is further added.
  • an AgPd (Ni, Co) alloy or an alloy to which at least one of Sn and In is further added.
  • the present invention basically, in the contact structure combined with the conventional and improved commutator materials described above, higher wear resistance and longer life are achieved than when the prior art AgPd alloy is applied. be able to.
  • a contact material made of an AgPd (Ni, Co) alloy exhibits a suitable durability in combination with a conventional commutator material such as an AgCu alloy or an AgCuNi alloy.
  • a material in which Sn and In are further added to an AgPd (Ni, Co) alloy is added to the above rare earth elements and Zr as well as conventional commutator materials such as an AgCu alloy and an AgCuNi alloy.
  • the improved commutator material is also highly durable.
  • the sliding contact material according to the present invention can be basically manufactured by a melt casting method.
  • the melting and casting step is a step of adjusting the molten Ag alloy adjusted to a predetermined composition, and cooling and solidifying the molten Ag alloy at the casting temperature.
  • the molten Ag alloy has an alloy composition for manufacturing purposes and the above-described alloy composition.
  • AgPd (Ni, Co) alloys the usual melt casting method is often applicable.
  • the casting temperature is set at a temperature 100 ° C. or more higher than the liquidus temperature of the AgPd binary alloy having a Pd concentration equal to the Pd concentration of the Ag alloy to be manufactured.
  • This casting temperature setting method uses a phase diagram of an AgPd binary alloy as shown in FIG. 2, reads the liquidus temperature of the AgPd alloy having a Pd concentration of the Ag alloy to be manufactured from the phase diagram, and 100 ° C. therefrom.
  • the above temperature is defined as a casting temperature.
  • the alloy material according to the present invention is composed of a large number of metal elements of Ag, Pd, Ni, Co, Sn, and In, but the phase diagram of the AgPd binary alloy simplifies the setting of the casting temperature. It is to do.
  • about the upper limit of casting temperature it is preferable to make it 200 degreeC or less from the said liquidus temperature from realistic viewpoints, such as energy cost and apparatus maintenance.
  • the casting temperature only needs to reach the above-mentioned temperature before cooling, and it is not necessary to maintain the casting temperature for a long time, but it is preferable to cool the casting after holding it for about 5 to 10 minutes.
  • the setting of the cooling rate in the casting process is also important.
  • the intermetallic compound constituting the composite dispersed particle of the present invention needs to increase the cooling rate in order to produce a high melting point. If the cooling rate is excessively slow, an unfavorable intermetallic compound having a low melting point may be deposited. For this reason, in the present invention, the cooling rate during solidification is set to 100 ° C./min or more. The upper limit of the cooling rate is preferably 3000 ° C./min or less.
  • the sliding contact material according to the present invention can exhibit higher wear resistance than the conventional AgPd alloy.
  • the present invention is useful as a material for a brush of a motor whose size and rotation speed are increasing.
  • generated by this invention The phase diagram of an Ag-Pd binary alloy.
  • a sliding contact material made of an AgPd (Ni, Co) alloy was manufactured and its characteristics were evaluated.
  • the test material was manufactured by mixing high-purity raw materials of each metal element so as to have a predetermined composition, melting at high frequency to obtain a molten Ag alloy, setting the casting temperature to 1300 ° C., and then rapidly cooling to manufacture an alloy ingot.
  • the cooling rate was 100 ° C./min. After casting the alloy, it was rolled and annealed at 600 ° C., then rerolled and cut to obtain a test piece (length 45 mm, width 4 mm, thickness 1 mm).
  • sliding contact materials of various compositions were manufactured by the above-described steps for the test materials A1 to A5 in Table 1 described later.
  • an AgPd alloy without addition of Ni and Co was manufactured (A6).
  • FIG. 3 schematically illustrates the sliding test method.
  • each test material brush is processed into a movable contact, and the movable contact is slid on a fixed contact assuming a commutator. I let you.
  • a load of 40 g was applied while the movable contact was always energized at 12 V and 100 mA, and when reciprocating back and forth 5 mm (10 mm) from the starting point (20 mm), one cycle was taken, and 50,000 cycles were slid (total sliding length 1 km) ).
  • the wear depth ( ⁇ m 2 ) of the sliding portion of the movable contact was measured.
  • the fixed contact material used was an AgCuNi alloy (92.5 mass% Ag-6 mass% Cu-1 mass% Zn-0.5 mass% Ni: hereinafter referred to as “AgCuNi-1”), which is a conventional contact material for brushes.
  • the evaluation in the sliding test is based on the measured values of the wear depth of the two types of counterpart materials (AgCuNi-1, AgCuNi-2) of the AgPd alloy (A6) without addition of Ni and Co, which is a conventional technique, About 75% of the wear amount (a wear depth of 2500 ⁇ m 2 for AgCuNi-1 and a wear depth of 3500 ⁇ m 2 for AgCuNi- 2 ) was used as a reference value. And about each test material, the case where there was little abrasion amount from a reference value was determined to be "pass". Table 1 shows the results of the wear test of each test material manufactured in the present embodiment.
  • Second Embodiment In this embodiment, various sliding contact materials made of an Ag alloy in which Sn and In are further added to an AgPd (Ni, Co) alloy were manufactured and their characteristics were evaluated.
  • the manufacture of the test material is basically the same as in the first embodiment.
  • High purity raw materials of each metal element are mixed and melted to form a molten Ag alloy, heated to a temperature of 100 ° C. or higher than the liquidus temperature of the AgPd binary phase diagram while measuring the molten metal temperature, and then rapidly cooled Thus, an alloy ingot was manufactured.
  • the casting temperature is 1350 ° C. for an alloy of 30% by mass of Pd and 1450 ° C. for an alloy of 40% by mass of Pd.
  • the cooling rate was 100 ° C./min. After casting the alloy, rolling, annealing, and re-rolling were performed to obtain a test piece (length 45 mm, width 4 mm, thickness 1 mm) having the same dimensions as in the first embodiment.
  • sliding contact materials having various compositions were manufactured in the above manufacturing process for B1 to B12 in Table 2 described later. Furthermore, in this embodiment, the influence by the manufacturing conditions of the alloy is also examined.
  • the casting temperature is about 50 ° C. (1250 ° C.) higher than the liquidus temperature of the AgPd binary system phase diagram, and the alloy (B13) rapidly cooled therefrom, and the molten metal temperature is 100 from the liquidus temperature of the AgPd binary system phase diagram.
  • An alloy having a cooling rate reduced to less than 100 ° C./min by slow cooling (furnace cooling) while maintaining a high temperature of 1 ° C. (1350 ° C.) was also produced (B14).
  • the structure was observed by SEM to examine the presence or absence of precipitation of the composite dispersed particles.
  • 20 composite dispersed particles are randomly selected, and the qualitative analysis of the dispersed particles is performed by EDX to measure the Pd content and the M content in the dispersed particles, and the ratio (K Pd / K M ) is calculated. Calculated.
  • FIG. 4 exemplifies a part of the structure observation results performed on each test piece.
  • the matrix and dispersed particles were analyzed in more detail.
  • FIG. 5 is an enlarged photograph explaining analysis points (three points) and results of analysis results for B2 (Ni 1%, Sn 1% added).
  • FIG. 6 is the result of the enlarged photograph and analysis result explaining an analysis point (3 points) about B5 (Ni1%, In2% addition).
  • the structure observation and the measurement of the dispersed particle composition and the average particle diameter were performed for each test piece.
  • K Pd / K M was within an appropriate range for all of the composite dispersed particles measured in the alloys of Examples B1 to B8 and B10 to B12.
  • those average values are calculated (Table 2).
  • the composition having excellent overall wear resistance is 0.5% to 1.0% for Sn (B1, B2), and 1.0% to 2.0% by weight for In.
  • B4, B5 are preferable.
  • the test material of B9 is an alloy in which the total amount exceeds 3% by mass while adding Sn and In.
  • the sliding contact material according to the present invention is preferably selected in consideration of the constituent material of the commutator which is the counterpart material when applied to the brush.
  • the commutator is formed of a conventional material such as the AgCuNi alloy 1
  • a contact structure using an AgPd (Ni, Co) alloy as a brush can be applied.
  • the material in which Sn and In are added to the AgPdNi alloy it is not necessary to specifically limit the material of the counterpart material.
  • the sliding contact material according to the present invention has higher wear resistance than the conventional Ag-based sliding contact material.
  • the present invention is particularly useful as a sliding contact material for brushes of small motors such as micro motors and coreless motors that are becoming smaller and higher in rotational speed.

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Abstract

本発明は、モーターの構成部品、特に、ブラシに使用される摺動接点材料に関する。本発明は、２０．０質量％以上５０．０質量％以下のＰｄと、合計濃度で０．６質量％以上３．０質量％以下のＮｉ及び／又はＣｏと、残部Ａｇ及び不可避不純物からなる摺動接点材料である。この摺動接点材料は、更に、Ｓｎ、Ｉｎの少なくともいずれかからなる添加元素Ｍを含み、添加元素Ｍの合計濃度は、０．１質量％以上３．０質量％以下となっているものが好ましい。添加元素Ｍを含む場合、Ａｇ合金マトリックス中に、Ｐｄと添加元素Ｍとの金属間化合物を含んでなる複合分散粒子が分散する材料組織を有し、前記複合分散粒子は、Ｐｄ含有量（質量％）と添加元素Ｍの含有量（質量％）との比率（ＫＰｄ／ＫＭ）が、２．４以上３．６以下の範囲内にある。

Description

摺動接点材料及びその製造方法
　本発明は、Ａｇ合金からなる摺動接点材料に関する。特に、高回転数化等により負荷が増大し得るモーターのブラシ用途で好適に使用できる摺動接点材料に関する。
　モーターは、各種家電製品や自動車等、多くの用途で使用されている機器であるが、近年、その小型化、高出力化に関して一層高いレベルのものが要求されている。図７は、小型モーターの一態様であるマイクロモーターの構成を示す図である。また、図８は、同じく小型モーターの一態様であるコアレスモーターの構造を説明する図である。モーターの小型化、高出力化により、モーター回転数は増大することとなり、この要求に対応できる耐久性を有する長寿命なモーターが求められる。
　モーターの寿命改善の手法としては、構成部材の材質調整がまず挙げられる。特に、主要な構成部材であるブラシは、整流子（コミテータ）の上を絶えず摺動する部材であり、磨耗によるブラシ折れがモーターの停止の要因となる。そのため、従来からブラシ用の材料として耐磨耗性に優れるものが要求されている。ここで、これまでのモーターブラシ用の摺動接点材料として、ＡｇとＰｄとの合金（ＡｇＰｄ３０合金、ＡｇＰｄ５０合金等）が知られている。
　ＡｇＰｄ合金はモーターブラシ用の摺動接点材料として従来から知られているが、その耐磨耗性の改善には限界がある。これは、ＡｇＰｄ合金はＰｄ含有量の増大によって耐磨耗性を向上させることができるが、５０質量％を超えて添加すると、摺動中に接点表面の有機ガスがＰｄの触媒作用により反応してブラウンパウダーを生成して接触抵抗を不安定にするからである。そのため、ＡｇＰｄ合金は、今後負荷が増大するモーターへの対応は困難となっている。
　ＡｇＰｄ合金系のモーターブラシ用の摺動接点材料の耐磨耗性改善の手法としては、添加元素としてＣｕを合金化する方策が知られている。また、ＡｇＰｄＣｕ合金に更なる添加元素を添加して、耐磨耗性をより向上させた材料が知られている（特許文献１、２）。これらの従来のモーターブラシ用の摺動接点材料は、耐磨耗性について一定の評価を得ている。
特開２０００－１９２１６９号公報 特開２０００－１９２１７１号公報
　しかし、ＡｇＰｄＣｕ系合金からなる摺動接点材料については、摺動中の熱によりＣｕが酸化して材料の接触抵抗が不安定になるという問題が指摘されている。また、この摺動接点材料についても、今後、高出力化・高回転数化が要求されるモーターに対して、どこまで対応可能かが懸念されている。
　更に、モーターの高性能化に際しては、ブラシの構成材料だけではなく、ブラシと対になる部材である整流子（コミテータ）の材質についての改良・耐磨耗性向上も検討されている。よって、ブラシの構成材料の開発にあっては、こうした相手材の改良の傾向も考慮することが好ましい。
　本発明は、以上のような背景の元になされたものであり、モーターブラシ用の摺動接点材料について、従来技術よりも耐磨耗性に優れたものを提供することを目的とする。
　上記課題を解決する本発明は、２０．０質量％以上５０．０質量％以下のＰｄと、合計濃度で０．６質量％以上３．０質量％以下のＮｉ及び／又はＣｏと、残部Ａｇ及び不可避不純物からなる摺動接点材料である。
　以下、本発明について詳細に説明する。本発明に係る摺動接点材料は、ＡｇＰｄ合金にＮｉ及び／又はＣｏを添加することで耐磨耗性を向上させている。この耐磨耗性向上のメカニズムは、Ｎｉ，Ｃｏの添加によって、マトリックスとなるＡｇＰｄ合金相の結晶粒微細化に基づく強度上昇作用を基礎とする。本発明では、Ｃｕを添加することなくＡｇＰｄ合金の耐磨耗性を向上させるものであり、Ｃｕの酸化に起因する接触抵抗の不安定化を懸念する必要のない接点材料である。
　まず、本発明に係る摺動接点材料の構成する各金属元素について説明する。まず、Ｐｄ濃度は、２０．０質量％以上５０．０質量％以下とする。本発明の材料においても、Ｐｄは耐磨耗性を向上させる元素であり、２０．０質量％未満では十分な耐磨耗性を確保できない。また、Ｐｄ濃度が５０．０質量％を超える場合、摺動時にブラウンパウダーの生成による接触抵抗の不安定化が懸念される。
　そして、本発明では、ＡｇＰｄ合金にＮｉ及び／又はＣｏを添加することで、合金のマトリックスの結晶粒が微細化されて材料強度・耐磨耗性を向上させている。Ｎｉ，Ｃｏの添加濃度は、合計で０．６質量％以上３．０質量％以下とする。０．６質量％未満であるとこれらの効果が期待できず、３．０質量％を超えても材料強化の効果は少ない。Ｎｉ，Ｃｏは、いずれか一方を添加しても良いが、双方添加しても良い。上記の通り、合計濃度を示すので、Ｎｉ，Ｃｏの双方を添加する場合には合計で３．０質量％以下とする。
　以上説明したＡｇＰｄ（Ｎｉ，Ｃｏ）合金からなる摺動接点材料は、Ｎｉ，Ｃｏの添加により、従来のＡｇＰｄ合金に対して高い耐磨耗性を発揮させることができる。そして、このＡｇＰｄ（Ｎｉ，Ｃｏ）合金の摺動接点材料は、Ｓｎ、Ｉｎの少なくともいずれかからなる添加元素Ｍを添加することで、より高い耐磨耗性を発揮する。この添加元素Ｍによる耐磨耗性向上のメカニズムは、Ｐｄと添加元素Ｍとの金属間化合物を含む複合分散粒子による分散強化効果である。
　ここで、Ｓｎ、Ｉｎは、いずれもＰｄと金属間化合物を形成可能な金属元素であり、１種類ではなく複数種の金属間化合物を形成する可能性がある。例えば、ＳｎとＰｄとの金属間化合物についてみると、図１のＰｄ－Ｓｎ系状態図から把握できるように、この系ではＳｎとＰｄとの構成比率が相違した複数種の金属間化合物が形成され得る。本発明者等によれば、ＡｇＰｄ（Ｎｉ，Ｃｏ）合金にＳｎを添加する場合、材料強化の作用を有する金属間化合物は、Ｐｄ３Ｓｎであると考察している。そして、それ以外の構成比率の金属間化合物は材料強化に寄与しないと考えている。
　同様に、Ｉｎを添加した場合も特定の金属間化合物が材料強化に寄与することができる。Ｉｎの場合も複数の金属間化合物が形成され得るが、有効な強化作用がある金属間化合物は、Ｐｄ３Ｉｎであると考察している。
　また、本発明では、ＳｎとＩｎの双方を同時に添加することも許容される。ＳｎとＩｎは、本発明の合金系で類似する挙動を示すと考えられる。ＳｎとＩｎはＰｄと結合して金属間化合物（Ｐｄ３（Ｓｎ，Ｉｎ））を形成して強化作用を発揮すると考えられる。
　そして、有効な金属間化合物を含む複合分散粒子においては、粒子中のＰｄ含有量（質量％）と添加元素Ｍの含有量（質量％）との比率（ＫＰｄ／ＫＭ）が一定の範囲にあることが明らかとなっている。この比率（ＫＰｄ／ＫＭ）は、２．４以上３．６以下である。本発明に係る摺動接点材料では、存在するＰｄと添加元素Ｍの双方を含む分散粒子に関し、それらのほぼ全て（粒子数基準で９０～１００％）のＫＰｄ／ＫＭが２．４以上３．６以下となっている。そして、複合分散粒子におけるＫＰｄ／ＫＭの算出にあたっては、添加元素Ｍの含有量は、Ｓｎ含有量（質量％）とＩｎ含有量（質量％）との合計を元に算出され、その範囲が２．４以上３．６以下となる。
　尚、複合分散粒子の構成は、Ｐｄと添加元素Ｍとからなる金属間化合物を含むことを必須とするが、この金属間化合物のみからなることは要求されない。複合分散粒子は、金属間化合物と共にマトリックスを構成するＡｇ、Ｎｉ，Ｃｏを含んでいても良い。複合分散粒子は、それらの金属元素を含みつつも、Ｐｄ、添加金属Ｍの含有量によって特徴付けられＫＰｄ／ＫＭの比率が２．４以上３．６以下であれば良い。
　そして、複合分散粒子は、平均粒径が、０．１μｍ以上１．０μｍ以下であることが好ましい。分散強化作用による耐磨耗性向上を図るため、粗大化した分散粒子では強化作用に乏しいからである。
　添加元素Ｍ（Ｓｎ、Ｉｎ）の添加量については、合計濃度で、０．１質量％以上３．０質量％以下とする。複合分散粒子の構成を適切なものとすると共に、分散粒子の粗大化及びそれによる強度低下を防止するためである。好ましくは、Ｓｎの含有量は０．５質量％以上１．０質量％以下とする。また、Ｉｎの含有量については、１．０質量％以上２．０質量％以下とするのが好ましい。ＳｎとＩｎの双方を添加する場合、合計含有量が０．５質量％以上３．０質量％以下とするのが好ましい。
　以上の通り、ＡｇＰｄ（Ｎｉ，Ｃｏ）合金にＳｎ、Ｉｎを添加する摺動接点材料では、複合分散粒子（Ｐｄ３Ｓｎ、Ｐｄ３Ｉｎ）の作用により材料強化がなされている。但し、本発明では、これら特定の金属間化合物以外の相（析出物）の存在を否定するものではない。そのような相は、材料強化に寄与することは無いが、阻害要因にもならないことから存在が許容される。
　複合分散粒子以外の分散粒子相としては、ＰｄとＮｉ，Ｃｏとの合金粒子（ＰｄＮｉ合金粒子、ＰｄＣｏ合金粒子）が挙げられる。ＰｄＮｉ合金粒子、ＰｄＣｏ合金粒子は、球状又は針状の分散相であり、Ｐｄとの濃度比（Ｎｉ/Ｐｄ、Ｃｏ／Ｐｄ）が０．６７～１．５の範囲内にある合金相である。この合金相は、合金全体の強度には影響を与えるものではない。
　尚、本発明に係る摺動接点材料のマトリックス（母相）は、Ｓｎ、Ｉｎの有無を問わずＡｇＰｄ合金からなる。但し、接点材料全体のＮｉ，Ｃｏの含有量によっては０．５質量％以下の微量のＮｉ，Ｃｏを含むＡｇＰｄ合金となっていることがある。
　本発明に係る摺動接点材料は、従来のモーターブラシ用材料であるＡｇＰｄ合金よりも耐磨耗性が高く長寿命化が期待できる。ところで、本発明に係る摺動接点材料は、モーターブラシへの適用が検討される材料であるが、ブラシの相手材である整流子の構成材料との組合わせで構成される接点構造としての性能を考慮することが好ましい。
　ここで、モーターの整流子の構成材料としては、従来から知られているのは、ＡｇＣｕ合金系の材料である、ＡｇＣｕ合金、ＡｇＣｕＮｉ合金等がある。具体的な組成として、４．０質量％以上１０．０質量％以下のＣｕと０．１質量％以上１．０質量％以下のＮｉを含み残部ＡｇのＡｇＣｕＮｉ合金が特に知られている。また、このＡｇＣｕＮｉ合金に、０．１質量％以上２．０質量％以下のＺｎ、０．１質量％以上２．０質量％以下のＭｇ、０．１質量％以上２．０質量％以下のＰｄ、の少なくともいずれかを添加したＡｇＣｕＮｉ系合金も適用されている。これら従来型の整流子の構成材料は、ビッカース硬度がＨｖ１２０以上１５０以下となっている。
一方で、近年、耐磨耗性を向上させた改良型の整流子用の材料として、上記で列記したＡｇＣｕ合金、ＡｇＣｕＮｉ系合金に、０．１質量％以上０．８質量％以下の希土類金属（Ｓｍ、Ｌａ）やＺｒの少なくともいずれか添加し金属間化合物を分散させた材料が開発されている。こうした改良型の整流子の構成材料は、上記従来型の材料よりも高硬度であり、ビッカース硬度でＨｖ１４０以上１８０以下を示す。
　そして、本発明に係る摺動接点材料は、ＡｇＰｄ（Ｎｉ，Ｃｏ）合金で構成される場合と、更にＳｎ、Ｉｎの少なくともいずれかを添加した合金で構成される場合がある。本発明は、基本的に、上記した従来型及び改良型の整流子用の材料と組み合わせた接点構造において、従来技術のＡｇＰｄ合金を適用する場合よりも高い耐磨耗性・長寿命化を図ることができる。
　但し、好ましい組み合わせとして、ＡｇＰｄ（Ｎｉ，Ｃｏ）合金からなる接点材料は、ＡｇＣｕ合金、ＡｇＣｕＮｉ系合金といった従来型の整流子材料との組み合わせにおいて好適な耐久性を発揮する。
　一方、本発明でＡｇＰｄ（Ｎｉ，Ｃｏ）合金に、更に、Ｓｎ、Ｉｎを添加した材料は、ＡｇＣｕ合金、ＡｇＣｕＮｉ系合金等の従来型の整流子材料はもとより、上記の希土類元素、Ｚｒを添加した改良型の整流子材料に対しても高耐久性を発揮する。
　次に、本発明に係る摺動接点材料の製造方法について説明する。本発明に係る摺動接点材料は、基本的に溶解鋳造法により製造可能である。溶解鋳造工程は、所定組成に調整したＡｇ合金の溶湯を調整し、鋳造温度になったＡｇ合金の溶湯を冷却して凝固させる工程である。Ａｇ合金の溶湯は、製造目的の合金組成であり、上記した合金組成である。ＡｇＰｄ（Ｎｉ，Ｃｏ）合金に関しては、通常の溶解鋳造法が適用できることが多い。
　但し、ＡｇＰｄ（Ｎｉ，Ｃｏ）合金にＳｎ、Ｉｎの少なくともいずれかを添加した合金材料については、所定の組成（Ｎｉ含有量と添加元素Ｍの含有量との比率（ＫＰｄ／ＫＭ））を含有する複合分散粒子が分散している必要がある。このように組成が規定された金属間化合物を析出させるためには、鋳造温度（溶湯温度）の管理と冷却速度の調整が要求される。上記した有効な金属間化合物は、いずれの場合も高融点であり固相線温度が高い。かかる高融点の金属間化合物の析出が要求される合金については、鋳造温度と冷却速度の双方についての管理が必要となる。
　具体的には、鋳造温度については、製造目的のＡｇ合金のＰｄ濃度と等しいＰｄ濃度のＡｇＰｄ２元系合金の液相線温度より１００℃以上高温に設定する。この鋳造温度の設定方法は、図２のようなＡｇＰｄ２元系合金の状態図を使用し、製造目的のＡｇ合金のＰｄ濃度のＡｇＰｄ合金の液相線温度を状態図から読み取り、そこから１００℃以上の温度を鋳造温度とする。本発明に係る合金材料は、Ａｇ、Ｐｄ、Ｎｉ，Ｃｏ、Ｓｎ、Ｉｎの多数の金属元素で構成されるが、ＡｇＰｄ２元系合金の状態図を使用するのは、鋳造温度の設定を簡便化するためである。鋳造温度をＡｇＰｄ２元系合金における液相線温度より１００℃以上とするのは、それ以下の温度では目的とする金属間化合物が生成しないからである。尚、鋳造温度の上限については、エネルギーコストや装置保全等の現実的な観点から前記液相線温度より２００℃以下の高温にするのが好ましい。この鋳造温度は、冷却前に溶湯が前記温度に達していれば良く、長時間鋳造温度に保持する必要は無いが、５～１０分間程度保持した後に冷却することが好ましい。
　更に、本発明に係る合金材料製造に際しては、鋳造工程における冷却速度の設定も重要となる。本発明の複合分散粒子を構成する金属間化合物は高融点を生成するためには冷却速度を高める必要がある。冷却速度が過度に遅くなると、低融点の好ましくない金属間化合物が析出するおそれがある。このようなことから、本発明では凝固時の冷却速度を１００℃／ｍｉｎ以上とする。冷却速度の上限については３０００℃／ｍｉｎ以下とするのが好ましい。
　以上説明したように、本発明に係る摺動接点材料は、従来のＡｇＰｄ合金よりも高い耐磨耗性を発揮することができる。本発明は、小型化・高回転数化が進むモーターのブラシ用の材料として有用である。
本発明で生成する金属間化合物について説明するためのＰｄ－Ｓｎ系状態図。 Ａｇ－Ｐｄ２元合金の状態図。 本実施形態で行った摺動試験の試験方法を説明する図。 第２実施形態で製造した接点材料についてのＳＥＭによる組織観察結果。 第２実施形態のＢ２（Ｎｉ１％＋Ｓｎ１％）の分析ポイントを説明する拡大写真及びＥＤＸ分析結果。 第２実施形態のＢ５（Ｎｉ１％＋Ｉｎ２％）の分析ポイントを説明する拡大写真及びＥＤＸ分析結果。 マイクロモーターの構成を説明する図。 コアレスモーターの構造を説明する図。
第１実施形態：以下、本発明の実施形態について説明する。本実施形態では、ＡｇＰｄ（Ｎｉ，Ｃｏ）合金からなる摺動接点材料を製造しその特性評価を行った。
　試験材の製造は、各金属元素の高純度原料を所定組成になるように混合し、高周波溶解しＡｇ合金の溶湯とし、鋳造温度を１３００℃とし、その後急冷して合金インゴットを製造した。冷却速度は１００℃／ｍｉｎとした。合金を鋳造後、圧延加工して６００℃でアニーリングした後、再圧延加工し、切断加工して試験片（長さ４５ｍｍ、幅４ｍｍ、厚さ１ｍｍ）とした。
　本実施形態では、後述の表１における、Ａ１～Ａ５の試験材について上記工程により各種組成の摺動接点材料を製造した。また、従来技術との対比のため、Ｎｉ，Ｃｏの添加のないＡｇＰｄ合金を製造した（Ａ６）。
　次に、各試験片について耐磨耗性評価のための摺動試験を行った。図３は、摺動試験の方法を概略説明するものであるが、この試験では、各試験材ブラシを想定した可動接点に加工し、整流子を想定した固定接点の上で可動接点を摺動させた。このとき、可動接点を１２Ｖ、１００ｍＡで常時通電しつつ荷重４０ｇを掛け、始点から前後５ｍｍ（１０ｍｍ）を往復したとき（２０ｍｍ）を１サイクルとし、５００００サイクル摺動させた（摺動長合計１ｋｍ）。この試験後、可動接点の摺動部分の磨耗深さ（μｍ２）を測定した。
　この摺動試験では２種類の固定接点用材料を使用した。使用した固定接点材料は、従来型のブラシ用の接点材料であるＡｇＣｕＮｉ合金（９２．５質量％Ａｇ－６質量％Ｃｕ－１質量％Ｚｎ－０．５質量％Ｎｉ：以下「ＡｇＣｕＮｉ－１」と称する。）と、改良型のブラシ用の接点材料であるＡｇＣｕＮｉ系合金に希土類金属（Ｓｍ）を添加した合金（８９．６質量％Ａｇ－８質量％Ｃｕ－１質量％Ｚｎ－１質量％Ｎｉ－０．４質量％Ｓｍ：以下「ＡｇＣｕＮｉ－２」と称する。）の２種である。
　摺動試験における評価は、従来技術であるＮｉ，Ｃｏの添加のないＡｇＰｄ合金（Ａ６）の、２種の相手材（ＡｇＣｕＮｉ－１、ＡｇＣｕＮｉ－２）に対する磨耗深さの測定値を基準とし、それらの約７５％の磨耗量（ＡｇＣｕＮｉ－１に対する磨耗深さ２５００μｍ２、ＡｇＣｕＮｉ－２に対する磨耗深さ３５００μｍ２）を基準値とした。そして、各試験材について、基準値より磨耗量が少ない場合を「合格」と判定した。本実施形態で製造した各試験材の磨耗試験の結果を表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１から、まず、従来のブラシ用摺動接点材料であるＡｇＰｄ合金（試料Ａ６）に、Ｎｉ及び/又はＣｏを添加することで耐磨耗性を改善できることが確認される。但し、Ｎｉを４％と過度に添加すると、添加しない場合の磨耗面積に近づき効果が薄くなることがわかる（試料Ａ３）。
第２実施形態：本実施形態では、ＡｇＰｄ（Ｎｉ，Ｃｏ）合金に更にＳｎ、Ｉｎを添加したＡｇ合金からなる摺動接点材料を各種製造してその特性評価を行った。
　試験材の製造は基本的に第１実施形態と同じである。各金属元素の高純度原料を混合・溶解してＡｇ合金の溶湯とし、溶湯温度を測定しながらＡｇＰｄ２元系状態図の液相線温度より１００℃以上の高温になるように加熱し、その後急冷して合金インゴットを製造した。この鋳造温度は、Ｐｄ３０質量％の合金で１３５０℃であり、Ｐｄ４０質量％の合金で１４５０℃であり。そして、冷却速度はいずれも１００℃／ｍｉｎとした。合金鋳造後、圧延加工・アニーリング・再圧延加工して第１実施形態と同寸法の試験片（長さ４５ｍｍ、幅４ｍｍ、厚さ１ｍｍ）を得た。
　本実施形態では、後述の表２における、Ｂ１～Ｂ１２について上記の製造工程で各種組成の摺動接点材料を製造した。更に、本実施形態では合金の製造条件による影響も検討している。ここでは、鋳造温度をＡｇＰｄ２元系状態図の液相線温度より約５０℃高温（１２５０℃）としてそこから急冷した合金（Ｂ１３）、溶湯温度をＡｇＰｄ２元系状態図の液相線温度より１００℃の高温（１３５０℃）としつつ、徐冷（炉冷）により冷却速度を１００℃／ｍｉｎ未満に低くした合金も製造した（Ｂ１４）。
　本実施形態では、作製した各試験材について、まず、ＳＥＭにより組織観察を行い複合分散粒子の析出の有無を調べた。そして、複合分散粒子を２０個無作為に選出し、分散粒子の定性分析をＥＤＸで行って分散粒子中のＰｄ含有量とＭ含有量を測定し、それらの比率（ＫＰｄ／ＫＭ）を算出した。また、分散粒子の平均粒径も測定した。平均粒径は、分散粒子の高倍率（２００００倍）のＳＥＭ像を基に粒子の長径（Ｌ１）と短径（Ｌ２）を測定し、それらの算術平均（（Ｌ１＋Ｌ２）／２）を算出してその値を当該分散粒子の粒径Ｄとした。そして、２０個の分散粒子についての粒径（Ｄｎ（ｎ＝１～２０））を測定し、それらの平均値を分散粒子の平均粒径とした。
　図４に、各試験片について行った組織観察結果において、その一部を例示する。これらの材料組織において、より詳細にマトリックスと分散粒子の分析を行った。図５は、Ｂ２（Ｎｉ１％、Ｓｎ１％添加）について分析ポイント（３点）を説明する拡大写真及び分析結果の結果である。また、図６は、Ｂ５（Ｎｉ１％、Ｉｎ２％添加）について分析ポイント（３点）を説明する拡大写真及び分析結果の結果である。本実施形態では、各試験片について、組織観察及び分散粒子の組成及び平均粒径の測定を行った。本実施形態においては、Ｂ１～Ｂ８、Ｂ１０～Ｂ１２の各実施例の合金においては、測定した複合分散粒子の全てにおいてＫＰｄ／ＫＭが適正範囲内にあることが確認された。本実施形態ではそれらの平均値を算出している（表２）。
　一方、鋳造工程の条件に適正なものではない試験材（Ｂ１３、Ｂ１４）は、Ｐｄと添加元素Ｍを含む分散粒子が観察されたものの、ＫＰd／ＫＭの値が適正範囲内にある分散粒子は一つも発見できず、複合分散粒子が存在する状態にはなかった。
　次に、各試験片について耐磨耗性評価のための摺動試験を行った。摺動試験の試験条件は、第１実施形態と同様とした。また、ここでも２種の相手材（ＡｇＣｕＮｉ－１、ＡｇＣｕＮｉ－２）に対する磨耗深さの測定値を測定した。本実施形態で製造した各摺動接点材料について、組織観察結果及び摺動試験の結果を表２に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　ＡｇＰｄ（Ｎｉ，Ｃｏ）合金にＳｎ及び／又はＩｎを添加することで、更なる耐磨耗性の改善効果が発揮されることが分かる。特に、相手材（整流子）として耐磨耗性の高い改良型のＡｇＣｕＮｉ－２を適用したときの耐磨耗性の改善効果が顕著となっている。そして、総合的に耐磨耗性に優れた組成としては、Ｓｎについては０．５％以上１．０％以下とし（Ｂ１、Ｂ２）、Ｉｎについては１．０質量％以上２．０質量％以下（Ｂ４、Ｂ５）とするのが好ましい。これらの適正値を超えた合金は、分散粒子が粗大となっておりＡｇＣｕＮｉ－１に対する磨耗面積が基準値を超えていた。また、Ｂ９の試験材は、Ｓｎ及びＩｎを添加しつつ合計量が３質量％を超えた合金であるが、Ｐｄと添加元素Ｍを含む分散粒子が観察されたものの、いずれもＫＰd／ＫＭの値が適正範囲内になかった。これらについては、参考のため分散粒子の粒径測定のみ行った。粒径が粗大化しており、耐磨耗性も不十分であった。
　そして、Ｂ１３、Ｂ１４のように合金製造の差異の鋳造条件を適正にしない場合、好適な複合分散粒子が生成されなかった。これらは、Ｓｎ、Ｉｎを添加しても耐磨耗性の改善効果が全く発揮されておらず、ＡｇＰｄ合金よりも耐磨耗性に劣る合金となった。本発明に係る材料は、組成制御だけではなく鋳造条件を適切にして材料組織を好適にする必要があることが確認された。
　また、第１実施形態のＳｎ、Ｉｎを添加しないＡｇＰｄ（Ｎｉ，Ｃｏ）合金（Ａ１～Ａ５）の結果を併せて考慮すると、それらは相手材がＡｇＣｕＮｉ合金２であるときの耐磨耗性の改善効果はさほど高くはないが、ＡｇＣｕＮｉ合金１に対してはかなり有効であると考えられる。従って、本発明に係る摺動接点材料は、ブラシに適用する際に相手材である整流子の構成材料に考慮して選択することが好ましい。ＡｇＣｕＮｉ合金１のような従来型の材料で整流子を構成する場合は、ＡｇＰｄ（Ｎｉ，Ｃｏ）合金をブラシとした接点構造を適用することができる。もっとも、ＡｇＰｄＮｉ合金にＳｎ、Ｉｎを添加した材料については、相手材の材質を特に限定する必要はない。
　以上説明したように、本発明に係る摺動接点材料は、従来のＡｇ系摺動接点材料に対して高い耐磨耗性を有する。本発明は、特に、小型化・高回転数化が進むマイクロモーターやコアレスモーター等の小型モーターのブラシ用の摺動接点材料として有用である。
 

Claims (8)

  1. 　２０．０質量％以上５０．０質量％以下のＰｄと、
    　合計濃度で０．６質量％以上３．０質量％以下のＮｉ及び／又はＣｏと、
    　残部Ａｇ及び不可避不純物からなる摺動接点材料。
  2. 　更に、Ｓｎ、Ｉｎの少なくともいずれかからなる添加元素Ｍを含み、
    　添加元素Ｍの合計濃度は、０．１質量％以上３．０質量％以下であり、
    　Ａｇ合金マトリックス中に、Ｐｄと添加元素Ｍとの金属間化合物を含んでなる複合分散粒子が分散する材料組織を有し、
    　前記複合分散粒子は、Ｐｄ含有量（質量％）と添加元素Ｍの含有量（質量％）との比率（ＫＰｄ／ＫＭ）が、２．４以上３．６以下の範囲内にある請求項１記載の摺動接点材料。
  3. 　複合分散粒子の平均粒径が、１．０μｍ以下である請求項２記載の摺動接点材料。
  4. 　添加元素ＭとしてＳｎを少なくとも含み、その含有量が０．５質量％以上１．０質量％以下である請求項２又は請求項３記載の摺動接点材料。
  5. 　添加元素ＭとしてＩｎを少なくとも含み、その含有量が１．０質量％以上２．０質量％以下である請求項２～請求項４のいずれかに記載の摺動接点材料。
  6. 　添加元素ＭとしてＳｎとＩｎの双方を含み、それらの合計含有量が０．５質量％以上３．０質量％以下である請求項２又は請求項３記載の摺動接点材料。
  7. 　請求項１～請求項６のいずれかに記載の摺動接点材料をブラシに適用したモーター。
  8. 　請求項２～請求項６のいずれかに記載の摺動接点材料の製造方法であって、
    　溶解鋳造工程を含み、
    　前記溶解鋳造工程は、鋳造温度になったＡｇ合金の溶湯を冷却する工程であり、
    　前記Ａｇ合金の溶湯は、２０．０質量％以上５０．０質量％以下のＰｄと、合計濃度で０．６質量％以上３．０質量％以下のＮｉ及び／又はＣｏと、０．１質量％以上３．０質量％以下の添加元素Ｍと、残部Ａｇ及び不可避不純物からなり、
    　前記鋳造温度を、前記Ａｇ合金のＰｄ濃度と等しいＰｄ濃度を有するＡｇＰｄ２元系合金の液相線温度より１００℃以上高温に設定し、
    　冷却時の冷却速度を１００℃／ｍｉｎ以上とする、摺動接点材料の製造方法。
     
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