換向器鍍鈀在微電機(jī)中的應(yīng)用

王 健，鄒 莉，嚴(yán) 亮，王維昆

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所，上海200233)

0 引 言

接觸可靠性是衡量帶有電接觸元件的微特電機(jī)的重要質(zhì)量指標(biāo)。直流力矩電動(dòng)機(jī)的換向器不僅要有很好的導(dǎo)電性，還要求它與電刷之間的接觸電阻小而穩(wěn)定;在長(zhǎng)期存放過(guò)程中無(wú)氧化、無(wú)硫化現(xiàn)象產(chǎn)生，耐腐蝕性和抗大氣腐蝕能力好;長(zhǎng)期使用過(guò)程中換向器耐磨性好。所以換向器的表面處理是必須研究的重要內(nèi)容。

鈀(Pd)的顏色為銀白色［1］，在高溫、高壓、含硫化氫等環(huán)境中表現(xiàn)出極為穩(wěn)定的性能。雖然鈀自身的硬度較低，但是通過(guò)適當(dāng)?shù)腻冣Z工藝所得到的鍍鈀層硬度卻非常高，其耐磨性也較好。鈀層可焊性較好、接觸電阻穩(wěn)定等方面的優(yōu)點(diǎn)能夠滿足電子元件的要求，其良好的性能已廣泛應(yīng)用于我國(guó)航空航天、通訊、軍事、民用電子元器件等領(lǐng)域。

1 微特電機(jī)換向器鍍鈀工藝

1.1 鍍鈀裝置

通過(guò)對(duì)微特電機(jī)換向器結(jié)構(gòu)具體分析，設(shè)計(jì)了專用的換向器鍍鈀裝置，如圖1 所示。圖中，正電極1 和負(fù)電極2 是電樞外形仿形電極，正電極1 接電源正極，負(fù)電極2 接電源負(fù)極。正、負(fù)電極的內(nèi)圓部分與電樞4 換向器外圓曲率半徑相等，電樞4 通過(guò)鍍鈀夾具安裝在電動(dòng)機(jī)的主軸上，在鍍鈀時(shí)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)電樞4 轉(zhuǎn)動(dòng)，正電極1 和負(fù)電極2 緊貼在電樞4換向器表面位置，形成一個(gè)電源回路。鍍鈀液3 是鍍鈀液的輸送管路，將鍍鈀液輸送至正極1。鍍鈀液正極包裹層5 的主要作用是儲(chǔ)存鍍鈀液［2］。

電樞鍍鈀時(shí)通過(guò)接在直流電源正極上的電極與接在負(fù)極上的電極相接觸，鍍鈀電樞轉(zhuǎn)動(dòng)后，構(gòu)成了一個(gè)微型的鍍鈀裝置，吸附在正極電極包套上的鍍液中的金屬離子在直流電場(chǎng)的作用下，向換向器表面擴(kuò)散，在其表面還原沉積，形成金屬鍍層。隨著鍍鈀作業(yè)時(shí)間的延長(zhǎng)，鍍層逐漸增厚，直至達(dá)到所需的鍍層厚度為止。

圖1 鍍鈀裝置

1.2 鈀液配方

鈀液配方如表1 所示。

表1 鈀液配方參數(shù)

PdCl2在水中的溶解度較小，必須在NaNO2水溶液及加溫后逐步溶解，然后加入(NH4)2SO4用添加劑來(lái)調(diào)節(jié)pH 值。鍍鈀時(shí)，調(diào)節(jié)電壓，獲得不同的電流密度。鍍鈀工藝以表面不發(fā)黑、光亮的較大電流密度為宜。

1.3 換向器鍍鈀工藝流程

保護(hù)電樞非鍍面-打磨-拋光-水洗-電凈-水洗-活化-水洗-鍍鈀-水洗-干燥，圖2 為鍍鈀后的電樞和鍍鈀層截面。

圖2 鍍鈀后的電樞和鍍鈀層截面

2 試 驗(yàn)

本文以某型Φ80 永磁式直流力矩電動(dòng)機(jī)為例，以同一批次生產(chǎn)的20 臺(tái)微特電機(jī)為試樣，在電樞加工至鍍鈀工序時(shí)，取出10 臺(tái)不進(jìn)行鍍鈀處理，并做好標(biāo)記，其余工序仍然一起加工。該批電機(jī)14 臺(tái)組裝，6 臺(tái)不組裝，分成鍍鈀和不鍍鈀兩組，按照電機(jī)試驗(yàn)大綱對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)分析。

2.1 鹽霧試驗(yàn)

試驗(yàn)前將兩組電樞各取3 臺(tái)徹底清除表面灰塵和油污，對(duì)外觀進(jìn)行檢查，之后放置到鹽霧試驗(yàn)箱內(nèi)，按GJB360A-96 中方法規(guī)定的試驗(yàn)等級(jí)A 進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)電樞以線接觸的形式水平置于試驗(yàn)箱內(nèi)，鹽霧能圍繞電樞循環(huán)暢通。當(dāng)箱內(nèi)溫度穩(wěn)定在35℃±2℃時(shí)箱內(nèi)噴霧，第一次試驗(yàn)時(shí)間按照試驗(yàn)等級(jí)A -48h 進(jìn)行。待第一次試驗(yàn)結(jié)束后，觀察兩組電樞外觀，之后再對(duì)其在進(jìn)行第二次試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間按照試驗(yàn)等級(jí)A-96h 進(jìn)行。

2.2 耐濕試驗(yàn)

試驗(yàn)前將兩組電機(jī)各取3 臺(tái)在不控制相對(duì)濕度的條件下放置24 h，溫度控制在50℃±2℃，測(cè)量電樞電阻阻值，并檢查其外觀。將兩組電機(jī)放置在耐濕試驗(yàn)箱內(nèi)，一次循環(huán)24 h，連續(xù)循環(huán)10 次。

2.3 壽命試驗(yàn)

將兩組各4 臺(tái)電機(jī)安裝固定在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)支架上，施加連續(xù)堵轉(zhuǎn)電壓13.5 V，峰值堵轉(zhuǎn)27 V，其運(yùn)行方式及試驗(yàn)時(shí)間如表2 所示，電機(jī)試驗(yàn)每24 h 改變一次轉(zhuǎn)向，在每次改變軸伸位置和運(yùn)行方式時(shí)，允許清理?yè)Q向器表面的碳粉。

表2 壽命試驗(yàn)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

三類試驗(yàn)結(jié)束后，我們將兩組電機(jī)分開擺放，利用肉眼、金相顯微鏡、微歐計(jì)等觀察和了解換向器和電樞的性能變化。通過(guò)查看兩組電機(jī)換向器在外觀、電阻、氧化、硫化、磨損等情況的變化，分析鍍鈀后的換向器性能的變化。

3.1 換向器耐腐性

第一組鹽霧試驗(yàn)結(jié)束后，觀察電樞外觀變化，鍍鈀組電樞換向器部分表面仍舊光亮，沒(méi)有被腐蝕的現(xiàn)象。而不鍍鈀組的表面光澤暗淡，換向器部分吸附有沉積的鹽。第二次試驗(yàn)結(jié)束后，用自來(lái)水輕輕清洗電樞表面沉積的鹽，洗滌時(shí)水溫控制在超過(guò)38℃。之后對(duì)電樞外觀再次進(jìn)行檢查，檢查結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鍍鈀的電樞換向器表面仍舊光亮，受腐蝕損傷較輕，而不鍍鈀電樞換向器表面腐蝕相比于鍍鈀的電樞換向器表面損傷更為嚴(yán)重，如圖3 所示。

圖3 換向器表面情況

3.2 換向器表面氧化及電阻值測(cè)量

耐濕試驗(yàn)結(jié)束后，從試驗(yàn)箱內(nèi)取出電樞，在初始檢測(cè)的環(huán)境下放置24 h，然后進(jìn)行外觀檢查和電樞電阻阻值的測(cè)量。測(cè)量結(jié)果顯示，鍍鈀電樞的電阻阻值在經(jīng)過(guò)耐濕試驗(yàn)后阻值變化范圍較小，符合電樞電阻詳細(xì)規(guī)范規(guī)定，其允差為規(guī)定值的±12.5%，如表3 所示。將試驗(yàn)后電樞清洗擦拭后，檢查兩組電樞外觀，通過(guò)肉眼可以明顯看出，鍍鈀組換向器表面光亮，而不鍍鈀組換向器表面呈暗灰色，表面有氧化現(xiàn)象。

表3 Φ80 基座號(hào)永磁式直流力矩電動(dòng)機(jī)電阻值(規(guī)定電樞阻值14.5 Ω)

3.3 換向器的磨損性

壽命試驗(yàn)結(jié)束后，拆機(jī)清理后觀察，在兩組試驗(yàn)電機(jī)中分別挑選磨痕最為明顯的電樞，通過(guò)肉眼和金相顯微鏡觀察換向片的磨損程度。肉眼觀察可以看到，鍍鈀換向器表面磨痕明顯比不鍍鈀換向器情況好［3］，它的磨痕較輕。再通過(guò)金相顯微鏡觀察，可以更清楚地發(fā)現(xiàn)損傷特征的差別，不鍍鈀組換向器表面工作區(qū)磨損嚴(yán)重，而鍍鈀換向器的磨損情況相對(duì)較輕。圖4 分別顯示了不鍍鈀和鍍鈀組換向器工作區(qū)的磨損情況。

圖4 金相顯微鏡下的換向器工作區(qū)域磨損情況

另外，我們通過(guò)跟蹤鍍鈀電機(jī)的使用情況發(fā)現(xiàn)，用戶對(duì)鍍鈀電機(jī)在使用環(huán)境的適應(yīng)性、壽命等方面給予很好的評(píng)價(jià)，性能的改善得到了用戶的認(rèn)可。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析，電機(jī)在相同的使用情況下，得出以下的結(jié)論:

(1)在使用環(huán)境較為惡劣的環(huán)境下，電樞換向器鍍鈀層沒(méi)有受到影響，鍍鈀換向器表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐腐蝕性。

(2)在電機(jī)長(zhǎng)期存放過(guò)程中，鍍鈀換向器組電機(jī)的電阻變化范圍較小，表面光亮、無(wú)氧化現(xiàn)象，滿足了電機(jī)長(zhǎng)期存放過(guò)程中換向器表面抗大氣腐蝕和高可靠性的要求。

(3)在電機(jī)長(zhǎng)期使用過(guò)程中，鍍鈀換向器的工作區(qū)域磨損減薄程度較輕，其耐磨性相對(duì)于沒(méi)有鍍鈀時(shí)得到了有效增強(qiáng)，同時(shí)電機(jī)的使用壽命也得到有效提升。

［1］ 郭濤，王琿.某型魚雷鈹青銅零件鍍鈀工藝研究［J］. 材料熱處理技術(shù)，2012，41(12):116 -1l7.

［2］ 楊瑞鵬.電刷鍍鈀機(jī)理和工藝研究及優(yōu)化、應(yīng)用［D］. 上海:上海交通大學(xué)，2001.

［3］ 徐永紅，匡綱要，章應(yīng)，等.含稀土Ag 基換向器在微電機(jī)中的應(yīng)用［J］.微特電機(jī)，2009，37(7):31 -35.