專利名稱：碳銅復(fù)合結(jié)構(gòu)換向器釬焊成型方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種碳換向器的成型方法。
技術(shù)背景換向器是直流電機(jī)中最主要的部件之一，也是直流電機(jī)中制造工藝最復(fù) 雜、加工難度最大的結(jié)構(gòu)件。換向器質(zhì)量的優(yōu)劣是衡量直流電機(jī)性能和質(zhì)量的 重要指標(biāo)。銅與同族元素銀和金有中等相似性，對熱和電有高度的傳導(dǎo)性，因此銅廣 泛應(yīng)用于電工領(lǐng)域。其優(yōu)異的性能使得銅及其合金在換向器制造中有著非常重 要的作用，可以說目前大多數(shù)換向器都是采用銅質(zhì)的。但是由于乙醇、液化石 油等對電機(jī)換向器的銅換向葉片產(chǎn)生強(qiáng)烈的腐蝕作用，使換向器火花增大，同 時(shí)由于銅與碳刷間的潤滑不足，磨損嚴(yán)重，使用壽命降低。因此采用銅碳相結(jié) 合的結(jié)構(gòu)，來解決銅換向器的弊端。石墨材料具有高溫強(qiáng)度高、導(dǎo)電傳熱、抗 熱震性、耐腐蝕性、潤滑性好等優(yōu)點(diǎn)，它已成為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中不可缺少的結(jié) 構(gòu)材料、高溫材料、導(dǎo)電材料、抗磨材料和功能材料。石墨在非氧化性介質(zhì)中 是化學(xué)惰性的，具有很好的耐腐蝕性，除了強(qiáng)酸和強(qiáng)氧化性介質(zhì)外，石墨不受 其它酸堿鹽的腐蝕，不與任何有機(jī)化合物反應(yīng)。石墨材料己廣泛應(yīng)用于冶金、 化工、電子、電器、機(jī)械以及核能和航空航天工業(yè)等部門。目前國外先進(jìn)的 汽車電動(dòng)燃油泵電機(jī)采用了碳換向器，而在我國尚未見到這方面的相關(guān)報(bào)道。 即使是可以査閱的一些涉及碳換向器的專利，也是幾乎沒有采用釬焊方法來實(shí)現(xiàn)這種新型換向器的連接的。如中國專利號為ZL03239176.5，授權(quán)公告號為 CN2607682，授權(quán)公告日為2004.03.24的平面碳換向器的公開文獻(xiàn)采用了膠結(jié) 結(jié)構(gòu)將碳塊和銀銅合金鍍層連接成型，但是膠結(jié)存在涂層不均勻，使得電阻率 不穩(wěn)定等缺點(diǎn)；中國專利號為ZL200520073003.4，授權(quán)公告號為CN2821946， 授權(quán)公告日為2006.09.27的碳平面換向器和專利號為ZL99806948.5,公開號 為CN1304576，公幵日為2001.07.18的碳換向器的公開文獻(xiàn)都涉及到碳換向 器，結(jié)構(gòu)單一，需要輔助結(jié)構(gòu)來減少電阻或者添加固定裝置。而實(shí)現(xiàn)這種復(fù)合 結(jié)構(gòu)的制造難點(diǎn)在于碳材料的難于潤濕，普通釬料對其不潤濕或者潤濕性差， 碳與銅的物理性能差異較大，用一般的方法很難實(shí)現(xiàn)二者之間的連接。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的涂層不均勻，使得電阻率不穩(wěn)定等缺點(diǎn) 和結(jié)構(gòu)單一，需要輔助結(jié)構(gòu)來減少電阻或者添加固定裝置的問題，以及操作復(fù)雜、效率低、成本高、設(shè)備要求高、產(chǎn)品使用壽命短，難以連接的弊端，提供 一種碳銅復(fù)合結(jié)構(gòu)換向器釬焊成型方法。本發(fā)明碳換向器的制造方法的步驟如下(一)碳板表面金屬化處理將 碳板表面鍍上一層厚度為0.001 lmm的金屬鍍層；(二)制備釬料釬料按重 量百分比由以下元素組成Cu: 70~80%、 Ni: 5~15%、 Sn: 4~10%、 P: 7~8%， 將釬料加工成所需形態(tài)；(三)對碳板金屬鍍層和銅換向葉片待焊部位表面清理；(四)將釬料添加到碳板和銅換向葉片之間并裝夾于對心裝置中，在軸向方向上施加0.0001 10MPa的壓力，將其置于釬焊設(shè)備中，然后進(jìn)行釬焊。 本發(fā)明是采用將碳材料表面金屬化，然后采用自釬釬料進(jìn)行釬焊的一種成型方法。本發(fā)明的目的在于提供一種簡單適用，高效易操作，設(shè)備要求簡單，工藝穩(wěn)定，成本低廉的生產(chǎn)碳銅換向器的方法。
具體實(shí)施方式
具體實(shí)施方式
一本實(shí)施方式的步驟如下(一)碳板表面金屬化處理 將碳板表面鍍土一層厚度為0.001 lmm的金屬鍍層；(二)制備釬料釬料按 重量百分比由以下元素組成Cu: 70~80%、Ni: 5~15%、 Sn: 4~10%、 P: 7~8%， 將釬料加工成所需形態(tài)；(三)對碳板金屬鍍層和銅換向葉片待焊部位表面清 理；(四)將釬料添加到碳板和銅換向葉片之間并裝夾于對心裝置中，在軸向 方向上施加0.0001 10MPa的壓力，將其置于釬焊設(shè)備中，然后進(jìn)行釬焊。
具體實(shí)施方式
二本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)在于步驟(一) 中鍍層的方法采用電鍍、化學(xué)鍍、濺射或高溫反應(yīng)生產(chǎn)碳化物層。其它步驟與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)在于碳板表面的金屬鍍層為鍍銅、鎳、銀、錫、金或鉻及鈦金屬。其它步驟與具體實(shí)施方式
一 相同。
具體實(shí)施方式
四本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)在于步驟(二) 中釬料形態(tài)為非晶態(tài)或晶態(tài)的釬料箔或粉末釬料，其它步驟與具體實(shí)施方式
一 相同。
具體實(shí)施方式
五本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
四的不同點(diǎn)在于步驟(二) 中將釬料加工成厚度為5 50|im的非晶態(tài)或晶態(tài)的釬料箔。其它步驟與具體實(shí) 施方式四相同。
具體實(shí)施方式
六本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
五的不同點(diǎn)在于步驟(二) 中將非晶態(tài)或晶態(tài)的釬料箔加工成與焊接接頭相同的形狀，非晶態(tài)或晶態(tài)的釬 料箔的內(nèi)徑與銅換向葉片和碳板的內(nèi)徑相同，非晶態(tài)或晶態(tài)的釬料箔的外徑比銅換向葉片或者碳板中的最大外徑大0 2mm。其它步驟與具體實(shí)施方式
五相 同。
具體實(shí)施方式
七本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
六的不同點(diǎn)在于步驟(三)中增加了非晶態(tài)或晶態(tài)的釬料箔清理后直接置于銅換向葉片和碳板金屬鍍層 的待焊表面之間。其它步驟與具體實(shí)施方式
六相同。
具體實(shí)施方式
八本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
四的不同點(diǎn)在于步驟(二)中將釬料的原料放入球磨機(jī)中，在保護(hù)氣體或者空氣中球磨0 24h，制成粉末形態(tài)的釬料。其它步驟與具體實(shí)施方式
四相同。
具體實(shí)施方式
九本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
八的不同點(diǎn)在于步驟(二) 中粉末形態(tài)的釬料，經(jīng)黏結(jié)劑混合成膏體后涂抹于銅換向葉片和碳板的待焊表 面之間或粉末壓坯成形置于銅換向葉片和碳板的待焊表面之間部位，釬料厚度都不大于2mm。其它步驟與具體實(shí)施方式
八相同。
具體實(shí)施方式
十本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)在于步驟(四)中在軸向方向上施加0.5 9MPa的壓力。其它與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
十一本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
十的不同點(diǎn)在于步驟(四) 中在軸向方向上施加1 8MPa的壓力。其它與具體實(shí)施方式
十相同。
具體實(shí)施方式
十二本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
i"^一的不同點(diǎn)在于步驟(四)中在軸向方向上施加2MPa的壓力。其它與具體實(shí)施方式
十一相同。
具體實(shí)施方式
十三本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)在于步驟(四) 中采用高頻感應(yīng)設(shè)備進(jìn)行焊接，首先通入保護(hù)氣l~12s，然后以50。C/s的速率 將銅換向葉片和碳板均勻加熱到650 750。C并保持此溫度8~12s，然后停止加 熱并繼續(xù)通入保護(hù)氣，待釬料凝固后撤去壓力。其它與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
十四本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
十三的不同點(diǎn)在于通入保 護(hù)氣2-lls，然后以50°C/s的速率將材料加熱到660 740'C，保持此溫度9~lls。其它步驟與具體實(shí)施方式
十三相同。
具體實(shí)施方式
十五本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
十四的不同點(diǎn)在于通入保 護(hù)氣10s，然后以50°C/s的速率將材料加熱到720°C，保持此溫度10s。其它 步驟與具體實(shí)施方式
十四相同。
具體實(shí)施方式
十六:本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)在于步驟(四) 中采用真空加熱設(shè)備進(jìn)行焊接，首先以20'C/min的速率將銅換向葉片和碳板 均勻加熱到釬料熔點(diǎn)或黏結(jié)劑揮發(fā)的溫度后保溫2 10min，然后以10°C/min 的速率升溫到高于釬料熔點(diǎn)20 10(TC的溫度后保溫不大于15min，待釬料凝固 后撤去壓力。其它步驟與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
十七本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
十六的不同點(diǎn)在于以 20°C/min的速率將材料加熱到釬料熔點(diǎn)或黏結(jié)劑揮發(fā)的溫度后保溫3 9min， 然后以10'C/min的速率升溫到高于釬料熔點(diǎn)30 9(TC的溫度保溫不大于 15min。其它步驟與具體實(shí)施方式
十六相同。
具體實(shí)施方式
十八本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
十七的不同點(diǎn)在于以 20°C/min的速率將材料加熱到釬料熔點(diǎn)溫度后保溫5min，然后以10°C/min的 速率升溫到高于釬料熔點(diǎn)5(TC的溫度保溫10min。其它步驟與具體實(shí)施方式
十 七相同。
具體實(shí)施方式
十九本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)在于步驟(一) 中釬料按重量百分比由以下元素組成Cu: 71 79%， Ni: 6~14%， Sn: 5~9%，P: 7 8%。其它與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
二十本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
十九的不同點(diǎn)在于釬料按 重量百分比由以下元素組成Cu: 73~77% 、 Nh 8-120/。、 Sn: 6~8%、 P: 7~8%。其它與具體實(shí)施方式
十九相同。
具體實(shí)施方式
二十一本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
二十的不同點(diǎn)在于釬料按重量百分比由以下元素組成Cu: 75% 、 Ni: 10%、 Sn: 8%、 P: 7%。其 它與具體實(shí)施方式
二十相同。
具體實(shí)施方式
二十二本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)在于釬料中 增加了銀(Ag)，銀(Ag)的含量小于釬料總重量的15%。其它與具體實(shí)施方式
一 相同。銀元素達(dá)到降低接頭的電阻率的作用。本發(fā)明中采用了Cu-Ni-Sn-P釬料，為自釬釬料，釬料中的Sn元素能夠降 低熔點(diǎn)，Ni元素提高釬料的非晶態(tài)形成能力，如果在釬料中添加銀Ag元素可 以降低接頭的電阻率，但是成本會升高。本發(fā)明采用了高頻感應(yīng)加熱設(shè)備和真 空加熱設(shè)備，碳板與銅換向葉片用Cu-Ni-Sn-P釬料在高頻氣體保護(hù)下進(jìn)行釬 焊，可以使石墨與銅接頭的力學(xué)性能不低于3MPa，換向葉片與碳板間的平均 電阻率小于4mQ，符合使用技術(shù)要求。用上述釬料采用真空釬焊也可以得到 類似的結(jié)果，但接頭強(qiáng)度比高頻感應(yīng)加熱方法得到的接頭強(qiáng)度稍差，但與電鍍 層的厚度及基體與鍍層的結(jié)合強(qiáng)度更為密切，換向葉片與碳板間的平均電阻率 小于2.5 mQ，符合使用技術(shù)要求。在高頻保護(hù)氣氛下進(jìn)行釬焊時(shí)，適當(dāng)?shù)膲?力可以擠出多余的殘存釬料，減少釬縫中的氣孔。而且高頻焊接過程可以快速 進(jìn)行，釬焊時(shí)間很短，釬焊一個(gè)試件的試件不超過90秒。高頻設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)得 到利用，也可以減少釬料與金屬鍍層的反應(yīng)，提高接頭的強(qiáng)度。該方法適合生 產(chǎn)的換向器的尺寸范圍為換向器外徑為3-360mm。
權(quán)利要求
1、碳銅復(fù)合結(jié)構(gòu)換向器釬焊成型方法，其特征在于它的步驟如下(一)碳板表面金屬化處理將碳板表面鍍上一層厚度為0.001～1mm的金屬鍍層；(二)制備釬料釬料按重量百分比由以下元素組成Cu70～80％、Ni5～15％、Sn4～10％、P7～8％，將釬料加工成所需形態(tài)；(三)對碳板金屬鍍層和銅換向葉片待焊部位表面清理；(四)將釬料添加到碳板和銅換向葉片之間并裝夾于對心裝置中，在軸向方向上施加0.0001～10MPa的壓力，將其置于釬焊設(shè)備中，然后進(jìn)行釬焊。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳銅復(fù)合結(jié)構(gòu)換向器釬焊成型方法，其特征在 于步驟(一)中鍍層的方法采用電鍍、化學(xué)鍍、濺射或高溫反應(yīng)生產(chǎn)碳化物層。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳銅復(fù)合結(jié)構(gòu)換向器釬焊成型方法，其特征在 于碳板表面的金屬鍍層為鍍銅、鎳、銀、錫、金或鉻及鈦金屬。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳銅復(fù)合結(jié)構(gòu)換向器釬焊成型方法，其特征在 于步驟(二)中釬料形態(tài)為非晶態(tài)或晶態(tài)的釬料箔或粉末釬料。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的碳銅復(fù)合結(jié)構(gòu)換向器釬焯成型方法，其特征在 于步驟(二)中將釬料加工成厚度為5 50pm的非晶態(tài)或晶態(tài)的釬料箔，非晶 態(tài)或晶態(tài)的釬料箔加工成與焊接接頭相同的形狀，非晶態(tài)或晶態(tài)的釬料箔的內(nèi) 徑與銅換向葉片和碳板的內(nèi)徑相同，外徑比銅換向葉片或者碳板中的最大外徑 大0 2mm。非晶態(tài)或晶態(tài)的釬料箔清理后直接置于銅換向葉片和碳板金屬鍍 層的待焊表面之間。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳銅復(fù)合結(jié)構(gòu)換向器釬焊成型方法，其特征在 于步驟(二)中將釬料的原料放入球磨機(jī)中，在保護(hù)氣體或者空氣中球磨 0 24h，取出粉末形態(tài)的釬料，經(jīng)黏結(jié)劑混合成膏體后涂抹于銅換向葉片和碳 板的待焊表面g間或粉末壓坯成形置于銅換向葉片和碳板的待焊表面之間部 位，釬料厚度都不大于2mm。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳銅復(fù)合結(jié)構(gòu)換向器釬焊成型方法，其特征在 于步驟(四)中采用高頻感應(yīng)設(shè)備進(jìn)行焊接，首先通入保護(hù)氣l~12s，然后以 5(TC/s的速率將銅換向葉片和碳板均勻加熱到650 75(TC并保持此溫度8 12s， 然后停止加熱并繼續(xù)通入保護(hù)氣，待釬料凝固后撤去壓力。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳銅復(fù)合結(jié)構(gòu)換向器釬焊成型方法，其特征在于步驟(四)中采用真空加熱設(shè)備進(jìn)行焊接，首先以2(TC/min的速率將銅換 向葉片和碳板均勻加熱到釬料熔點(diǎn)或黏結(jié)劑揮發(fā)的溫度后保溫2 10min，然后 以10°C/min的速率升溫到高于釬料熔點(diǎn)20 100°C的溫度后保溫不大于15min， 待釬料凝固后撤去壓力。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳銅復(fù)合結(jié)構(gòu)換向器釬焊成型方法，其特征在 于釬料按重量百分比由以下元素組成Cu: 75% 、 Ni: 10%、 Sn: 8%、 P: 7%。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳銅復(fù)合結(jié)構(gòu)換向器釬焊成型方法，其特征在 于釬料中增加了 Ag， Ag含量小于釬料總重量的15%。
全文摘要
碳銅復(fù)合結(jié)構(gòu)換向器釬焊成型方法，涉及碳換向器成型方法。本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在電阻率不穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)單一和添加固定裝置的問題，以及成本高、設(shè)備要求高、產(chǎn)品使用壽命短，難以連接的弊端。它的步驟如下一、碳板表面金屬化處理；二、制備釬料Cu70～80％、Ni5～15％、Sn4～10％、P7～8％，將釬料加工成所需形態(tài)；三、碳板金屬鍍層和銅換向葉片待焊部位清理；四、釬料添加到碳板和銅換向葉片之間并裝夾于對心裝置中，在軸向方向上施加0.0001～10MPa的壓力，將其置于釬焊設(shè)備中，然后進(jìn)行釬焊。本發(fā)明是采用將碳材料表面金屬化，然后進(jìn)行釬焊的一種成型方法。本發(fā)明的目的在于提供一種簡單適用，高效易操作，設(shè)備要求簡單，工藝穩(wěn)定，成本低廉的生產(chǎn)碳換向器的方法。
文檔編號H01R43/06GK101127430SQ20071007247
公開日2008年2月20日 申請日期2007年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月6日
發(fā)明者鵬 何, 馮吉才, 張九海, 謝鳳春 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)