專(zhuān)利名稱(chēng)：碳換向器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
該發(fā)明涉及一種具備碳層和金屬碳層的碳換向器及其制造方法。
背景技術(shù)：
碳換向器用于燃料泵電機(jī)等，碳系換向器片與電刷接觸，換向器片(segment)固定于作為金屬端子的換向器豎片(也稱(chēng)為“換向器升高片”，riser piece)上。在碳換向器中，由于燃料中的醇及硫化物等，換向器片中的金屬成分的腐蝕成為問(wèn)題。關(guān)于這一點(diǎn)，在專(zhuān)利文獻(xiàn)I (JP2002-369454A)中，換向器片由表面?zhèn)鹊奶紝雍蛽Q向器豎片側(cè)的金屬碳層這兩層所構(gòu)成，金屬碳層與醇等隔離。而且，在金屬碳層上設(shè)有突起，壓入換向器豎片的孔內(nèi)而固定換向器片，不需要軟釬焊等。另外，在金屬碳層中，為了防止金屬的腐蝕，使用黃銅 而非銅，為了進(jìn)行液相燒結(jié)而混合錫，進(jìn)而，在碳層和金屬碳層中均使用酚醛樹(shù)脂作為粘合劑。專(zhuān)利文獻(xiàn)2 (W099/08367)也同樣公開(kāi)了一種具備碳層和金屬碳層這兩層的碳換向器，在金屬碳層中使用電解銅粉、錫粉和碳，將酚醛樹(shù)脂作為粘合劑在800 850°C下進(jìn)行燒成。通過(guò)錫粉的熔融來(lái)進(jìn)行液相燒結(jié)，通過(guò)粘合劑來(lái)將碳層和金屬碳層中的碳進(jìn)行燒結(jié)。在專(zhuān)利文獻(xiàn)1、2的碳換向器中，將酚醛樹(shù)脂作為粘合劑，因此，在酚醛樹(shù)脂碳化并作為粘合劑發(fā)揮功能的700°C以上的溫度下進(jìn)行燒成。但是，有時(shí)在更低溫度下燒成得到的碳層的滑動(dòng)特性也優(yōu)異。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)在將酚醛樹(shù)脂作為粘合劑在低溫下對(duì)金屬碳層進(jìn)行燒成時(shí)，強(qiáng)度完全不足，并發(fā)現(xiàn)了能夠在低溫下進(jìn)行燒成的金屬碳層的組成和碳換向器的制造方法，從而完成了本發(fā)明。現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)專(zhuān)利文獻(xiàn)I JP2002-369454A專(zhuān)利文獻(xiàn)2 W099/0836
發(fā)明內(nèi)容
該發(fā)明的課題在于提供一種使用通過(guò)低溫?zé)汕揖哂谐浞值碾娞匦院蜋C(jī)械特性的金屬碳層的碳換向器及其制造方法。該發(fā)明涉及一種碳換向器，其具備由表面?zhèn)鹊奶紝雍偷酌鎮(zhèn)鹊慕饘偬紝訕?gòu)成的換向器片，且將換向器片的金屬碳層固定于換向器豎片上，其特征在于，碳層和金屬碳層均包含熱塑性樹(shù)脂粘合劑。熱塑性樹(shù)脂粘合劑通過(guò)熔融或者軟化，在各層內(nèi)作為粘合劑起作用的同時(shí)將碳層和金屬碳層結(jié)合。因此，通過(guò)低溫下的燒成，得到具有實(shí)用強(qiáng)度和導(dǎo)電性的碳換向器。優(yōu)選金屬碳層包含銅粉、例如電解銅粉。電解銅粉為樹(shù)枝狀的形狀，通過(guò)與其它粒子相互纏繞，賦予金屬碳層強(qiáng)度和導(dǎo)電性，而且在碳層和金屬碳層的界面形成不順滑。特別優(yōu)選金屬碳層進(jìn)一步包含錫。另外，優(yōu)選金屬碳層包含銅合金粉，例如黃銅粉、青銅粉、銅鎳合金粉，特別優(yōu)選金屬碳層包含黃銅粉，黃銅粉中的鋅含量采用例如10 40質(zhì)量％。有時(shí)銅粉被液體燃料中所包含的硫成分等所腐蝕，但黃銅粉等銅合金粉對(duì)硫等的耐腐蝕性高。特別優(yōu)選金屬碳層進(jìn)一步包含錫。更優(yōu)選金屬碳層包含電解銅粉和黃銅粉，通過(guò)電解銅粉得到金屬碳層的導(dǎo)電性、強(qiáng)度及與碳層的粘接強(qiáng)度，通過(guò)黃銅粉得到對(duì)液體燃料中的硫成分等的耐腐蝕性。特別優(yōu)選金屬碳層進(jìn)一步包含錫。在金屬碳層包含錫的情況下，將熔點(diǎn)為約230°C的錫的液相燒結(jié)利用于金屬碳層的燒結(jié)。因?yàn)樵阱a的熔點(diǎn)以上進(jìn)行燒結(jié)，所以優(yōu)選熱塑性樹(shù)脂粘合劑的熔點(diǎn)為230°C 400°C，使用例如PPS (聚苯硫醚)、PEEK (聚醚醚酮)、尼龍66、聚四氟乙烯等。在不含有錫的情況下，也可以使用熔點(diǎn)為120°C左右的聚乙烯等作為粘合劑。另外，電解銅粉、黃銅粉等其它的金屬粉在230 400°C下不會(huì)熔融，因而在金屬碳層中也為粉體，且通過(guò)熱塑性樹(shù)脂粘合劑與錫相互結(jié)合。需要說(shuō)明的是，在該說(shuō)明書(shū)中，如230 400°C、5 40質(zhì)量％等通過(guò)“ ”來(lái)表示范圍的情況下，規(guī)定為如230°C以上400°C以下、5質(zhì)量％以上40質(zhì)量％以下 等包含下限和上限。就組成而言，優(yōu)選金屬碳層通過(guò)含有5 40質(zhì)量％的電解銅粉、2 30質(zhì)量％的錫、20 83質(zhì)量％的黃銅粉，從而含有合計(jì)90質(zhì)量％以上的金屬成分，金屬碳層進(jìn)一步含有O. 3 4質(zhì)量％的熱塑性樹(shù)脂粘合劑，剩余部分為碳。在低溫下燒結(jié)得到的金屬碳層導(dǎo)電性低。因此，通過(guò)使用含有5 40質(zhì)量％的電解銅粉、2 30質(zhì)量％的錫粉、20 83質(zhì)量％的黃銅粉，且含有合計(jì)90質(zhì)量％以上的金屬成分的金屬碳層來(lái)確保導(dǎo)電性。而且，通過(guò)錫的液相燒結(jié)、電解銅粉的纏繞及熱塑性樹(shù)脂粘合劑的熔融或者軟化來(lái)確保強(qiáng)度。在此，優(yōu)選含有O. 3 4質(zhì)量％的熱塑性樹(shù)脂粘合劑。另外，優(yōu)選金屬碳層含有黃銅粉和錫等金屬成分合計(jì)90質(zhì)量％以上和O. 3 4質(zhì)量％的熱塑性樹(shù)脂粘合劑，剩余部分為碳；碳層含有3 15質(zhì)量％的與金屬碳層中的熱塑性樹(shù)脂粘合劑相同化學(xué)式的熱塑性樹(shù)脂粘合劑，剩余部分為碳。優(yōu)選碳層含有3 15質(zhì)量％的與金屬碳層中的熱塑性樹(shù)脂粘合劑相同化學(xué)式的熱塑性樹(shù)脂粘合劑，剩余部分為碳。特別是，如果使碳與熱塑性樹(shù)脂的質(zhì)量比在金屬碳層和碳層中均相同，且使用相同化學(xué)式的熱塑性樹(shù)脂粘合劑，碳粒子之間的鍵合在金屬碳層和碳層中也同等。需要說(shuō)明的是，化學(xué)式相同是指，例如就聚苯硫醚(PPS)而言，化學(xué)式為相同的-[(p-S]-n。在此φ為亞苯基。該發(fā)明還涉及一種碳換向器的制造方法，所述碳換向器具備由表面?zhèn)鹊奶紝雍偷酌鎮(zhèn)鹊慕饘偬紝訕?gòu)成的換向器片，且將換向器片的金屬碳層固定于換向器豎片上，所述碳換向器的制造方法的特征在于，將由金屬碳層材料和碳層材料這兩層材料構(gòu)成的壓縮成型體在熱塑性樹(shù)脂粘合劑的熔點(diǎn) 500°C下進(jìn)行燒成，所述金屬碳層材料含有碳、熱塑性樹(shù)脂粘合劑和金屬粉，所述碳層材料含有碳和熱塑性樹(shù)脂粘合劑。壓縮成型和燒成可以在相同模具內(nèi)進(jìn)行，也可以從模具中取出另外進(jìn)行燒成。由于燒成溫度很低，所以氣氛是任意的，為了避免粘合劑的熱分解，優(yōu)選將燒成溫度設(shè)定為粘合劑的熔點(diǎn) 400°C。在壓縮成型中，可以將換向器豎片設(shè)置在模具內(nèi)，同時(shí)進(jìn)行金屬碳層向換向器豎片的壓入等和成型。此外，在實(shí)施例中，分開(kāi)進(jìn)行了壓縮成型、燒成和壓入等。金屬碳層材料優(yōu)選含有碳、熱塑性樹(shù)脂粘合劑、黃銅粉和電解銅粉。更優(yōu)選金屬碳層材料含有碳、熱塑性樹(shù)脂粘合劑、黃銅粉、電解銅粉和錫粉，且在230°C 50(TC下對(duì)壓縮成型體進(jìn)行燒成。特別優(yōu)選金屬碳層材料含有5 40質(zhì)量％的電解銅粉、2 30質(zhì)量％的錫粉、20 83質(zhì)量％的黃銅粉、且含有合計(jì)90質(zhì)量％以上的金屬成分，金屬碳層材料進(jìn)一步含有O. 3 4質(zhì)量％的熱塑性樹(shù)脂粘合劑，剩余部分為碳。在該說(shuō)明書(shū)中，關(guān)于碳換向器的記載也直接適用于其制造方法。
在該發(fā)明中，通過(guò)利用熱塑性樹(shù)脂粘合劑進(jìn)行結(jié)合，可以得到使用通過(guò)低溫?zé)汕揖哂谐浞值碾娞匦院蜋C(jī)械特性的金屬碳層的碳換向器。在金屬碳層中含有電解銅粉時(shí)，可以得到更高的強(qiáng)度，在含有黃銅粉等銅合金成分時(shí)，對(duì)液體燃料中的硫成分等的耐腐蝕性提高。而且，通過(guò)含有錫，能夠利用錫的液相燒結(jié)來(lái)增加強(qiáng)度。另外，燒成溫度能夠通過(guò)選擇熱塑性樹(shù)脂粘合劑的種類(lèi)來(lái)進(jìn)行調(diào)整。


圖I為實(shí)施例的碳換向器的平面圖。圖2為沿圖I的II-II方向的碳換向器的截面圖。圖3為實(shí)施例中的碳板的底面圖。圖4為沿圖3的IV-IV方向的碳板的截面圖。圖5為表示實(shí)施例和比較例中的燒成溫度與金屬碳層的電阻率的關(guān)系的特性圖。圖6為表示實(shí)施例和比較例中的燒成溫度與金屬碳層的彎曲強(qiáng)度的關(guān)系的特性圖。圖7為表示實(shí)施例和比較例中的金屬碳層與碳層之間的邊界面抗拉強(qiáng)度的特性圖。
具體實(shí)施例方式下面示出用于實(shí)施本發(fā)明的最佳實(shí)施例。本發(fā)明不限定于實(shí)施例，而是基于權(quán)利要求的范圍來(lái)確定，且可以在實(shí)施例中加入本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的事項(xiàng)進(jìn)行變形。[實(shí)施例]圖I 圖7中示出實(shí)施例及其特性。圖I 圖4表示碳換向器2的結(jié)構(gòu)，切斷碳板6而成的換向器片8通過(guò)壓入等被固定于由金屬構(gòu)成的換向器豎片4上，10為軸孔。換向器片8由表面?zhèn)鹊奶紝?2和壓入換向器豎片4的金屬碳層14這兩層構(gòu)成，換向器片8相互之間被狹縫16分離，同樣地?fù)Q向器豎片4也相互分離。18為樹(shù)脂部，以包埋換向器豎片4的方式成型，金屬碳層14的突起20被壓入換向器豎片4的孔中。另外，碳換向器2的結(jié)構(gòu)本身是任意的。實(shí)施例步驟I :將黃銅粉(Zn比例為30質(zhì)量％的水霧化粉、平均粒徑為40 μ m) 60質(zhì)量％、電解銅粉(平均粒徑為40 μ m) 20質(zhì)量％、錫粉10質(zhì)量％及預(yù)先混合有8質(zhì)量％的PPS (聚苯硫醚)樹(shù)脂粉末(平均粒徑為15 μ m)的天然石墨(平均粒徑為30 μ m)混合粉10質(zhì)量％用混合器均勻地混合，得到金屬碳層的配合粉(金屬碳層材料)。在此，混合有8質(zhì)量％的PPS樹(shù)脂粉末的天然石墨混合粉是指PPS為8質(zhì)量％、天然石墨為92質(zhì)量％的混合粉。另外，PPS樹(shù)脂粉末也可以不預(yù)先與天然石墨粉混合，而作為PPS粉末單體及天然石墨粉末單體與金屬粉進(jìn)行混合。而且，碳的種類(lèi)不限于天然石墨，也可以為電化石墨等人造石墨、非晶質(zhì)碳等，各粉體的平均粒徑為任意。金屬碳層材料中的金屬成分至少為85質(zhì)量％ 95質(zhì)量％，優(yōu)選為90質(zhì)量％ 95質(zhì)量％，剩余部分為石墨及PPS等熱塑性樹(shù)脂。另外，金屬成分含有電解銅粉5 40質(zhì)量％、錫粉2 30質(zhì)量％、黃銅粉20 83質(zhì)量％，合計(jì)量為85質(zhì)量％以上、優(yōu)選90質(zhì)量％以上、95%質(zhì)量以下。優(yōu)選含有熱塑性樹(shù)脂粘合劑O. 3 4質(zhì)量％，特別優(yōu)選含有O. 3 I. 5質(zhì)量％。
步驟2 :將上述金屬碳層材料填充到規(guī)定模具中，在其上填充為另外配合得到的滑動(dòng)部件的碳層材料，使用上沖頭和下沖頭進(jìn)行壓縮成型，得到未燒成的碳板。碳層材料由92質(zhì)量％的平均粒徑為30 μ m的天然石墨和8質(zhì)量％的PPS構(gòu)成，優(yōu)選使碳層材料中的碳和熱塑性樹(shù)脂的質(zhì)量比與金屬碳層材料中的碳和熱塑性樹(shù)脂粘合劑的質(zhì)量比相同。碳層材料含有例如與金屬碳層中相同的熱塑性樹(shù)脂粘合劑3 15質(zhì)量％，剩余部分為天然石墨、人造石墨、非晶質(zhì)碳等碳。在金屬碳層和碳層中，碳的種類(lèi)可以不同。另外，也可以將金屬碳層的組成分為相對(duì)富含金屬的下層和相對(duì)富含碳的上層等，從而使金屬碳層與碳層的界面的組成的變化較為平穩(wěn)。步驟3 :將未燒成的碳板從模具取出，在例如空氣中，在比PPS的熔點(diǎn)略高的300°C下加熱燒成，得到碳板。在該過(guò)程中，錫粉熔融而將金屬成分相互接合，PPS粒子熔融而將金屬碳層的各粒子接合。同時(shí)，碳層的碳粒子相互被PPS接合，金屬碳層與碳層的界面也被接合。另外，在金屬碳層與碳層的表面，電解銅粉突出而輔助接合。燒成溫度規(guī)定為熱塑性樹(shù)脂的熔點(diǎn)以上，優(yōu)選規(guī)定為錫的熔點(diǎn)左右的230°C 500°C，更優(yōu)選為230°C 400°C。步驟4 :將碳板壓入按每個(gè)換向器片切斷前的換向器豎片中，設(shè)置在模具中并注射成型為外殼的樹(shù)脂。接著，切斷碳板和換向器豎片從而形成狹縫，制成碳換向器。將如上得到的碳換向器作為實(shí)施例I。將上述黃銅粉80質(zhì)量％、上述錫粉10質(zhì)量％及上述混合粉末10質(zhì)量％均勻地混合，制成金屬碳層的配合粉。另外，混合粉末為將8質(zhì)量％的PPS樹(shù)脂粉末(平均粒徑為15 μ m)和平均粒徑為30 μ m的天然石墨粉末92質(zhì)量％混合而成的粉末。與實(shí)施例I相同，將上述混合粉末作為碳層材料。然后，與實(shí)施例I同樣地，進(jìn)行壓縮成型、在空氣中300°C下的燒成和向換向器豎片的壓入，從而制作碳換向器，將該碳換向器作為實(shí)施例2。比較例步驟I :將上述黃銅粉70質(zhì)量％、與上述相同的錫粉5質(zhì)量％及預(yù)先混合有20質(zhì)量％的酚醛樹(shù)脂的天然石墨混合粉末(混合前的石墨的平均粒徑為30 μ m) 25質(zhì)量％用混合器均勻地混合，得到金屬碳層的配合粉。步驟2 :將上述金屬碳層配合粉填充到規(guī)定模具中，在其上填充預(yù)先混合有20質(zhì)量％的酚醛樹(shù)脂的上述天然石墨混合粉末并壓縮成型，得到未燒成的碳板。步驟3 :將未燒成的碳板在還原氣體氣氛中、900°C或300°C下進(jìn)行加熱燒成。步驟4 :使用燒成完畢的碳板，按照與實(shí)施例同樣的方法得到碳換向器。以下，將300°C下燒成的碳換向器作為比較例I、將900°C下燒成的碳換向器作為比較例2。將實(shí)施例1、2及比較例1、2的制造條件和特性示于表I。需要說(shuō)明的是，表中的邊界面抗拉強(qiáng)度表示金屬碳層與碳層的邊界面的抗拉強(qiáng)度。
權(quán)利要求
1.一種碳換向器，其特征在于，其具備由表面?zhèn)鹊奶紝雍偷酌鎮(zhèn)鹊慕饘偬紝訕?gòu)成的換向器片，且將換向器片的金屬碳層固定于換向器豎片上，其中，碳層和金屬碳層均包含熱塑性樹(shù)脂粘合劑。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的碳換向器，其特征在于，金屬碳層包含銅粉，優(yōu)選包含電解銅粉。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的碳換向器，其特征在于，金屬碳層包含銅合金粉，優(yōu)選包含黃銅粉。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的碳換向器，其特征在于，金屬碳層包含電解銅粉和黃銅粉。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的碳換向器，其特征在于，金屬碳層進(jìn)一步包含錫。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的碳換向器，其特征在于，熱塑性樹(shù)脂粘合劑的熔點(diǎn)為230°C 400。。。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的碳換向器，其特征在于，金屬碳層通過(guò)含有5 40質(zhì)量％的電解銅粉、2 30質(zhì)量％的錫、20 83質(zhì)量％的黃銅粉，從而含有合計(jì)90質(zhì)量％以上的金屬成分，金屬碳層進(jìn)一步含有0. 3 4質(zhì)量％的熱塑性樹(shù)脂粘合劑，剩余部分為碳。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的碳換向器，其特征在于，碳層含有3 15質(zhì)量％的與金屬碳層中的熱塑性樹(shù)脂粘合劑相同化學(xué)式的熱塑性樹(shù)脂粘合劑，剩余部分為碳。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的碳換向器，其特征在于，金屬碳層進(jìn)一步包含錫。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的碳換向器，其特征在于，熱塑性樹(shù)脂粘合劑的熔點(diǎn)為 230。。 400。。。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的碳換向器，其特征在于，金屬碳層含有合計(jì)90質(zhì)量％以上的金屬成分和0. 3 4質(zhì)量％的熱塑性樹(shù)脂粘合劑，剩余部分為碳；碳層含有3 15質(zhì)量％ 的與金屬碳層中的熱塑性樹(shù)脂粘合劑相同化學(xué)式的熱塑性樹(shù)脂粘合劑，剩余部分為碳。
12.—種碳換向器的制造方法，其特征在于，所述碳換向器具備由表面?zhèn)鹊奶紝雍偷酌鎮(zhèn)鹊慕饘偬紝訕?gòu)成的換向器片，且將換向器片的金屬碳層固定于換向器豎片上，其中，將由金屬碳層材料和碳層材料這兩層材料構(gòu)成的壓縮成型體在熱塑性樹(shù)脂粘合劑的熔點(diǎn) 500°C下進(jìn)行燒成，所述金屬碳層材料含有碳、熱塑性樹(shù)脂粘合劑和金屬粉，所述碳層材料含有碳和熱塑性樹(shù)脂粘合劑。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的碳換向器的制造方法，其特征在于，金屬碳層材料含有碳、 熱塑性樹(shù)脂粘合劑、黃銅粉和電解銅粉。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的碳換向器的制造方法，其特征在于，金屬碳層材料含有碳、 熱塑性樹(shù)脂粘合劑、黃銅粉、電解銅粉和錫粉，在230°C 500°C下對(duì)壓縮成型體進(jìn)行燒成。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的碳換向器的制造方法，其特征在于，金屬碳層材料含有5 40質(zhì)量％的電解銅粉、2 30質(zhì)量％的錫粉、20 83質(zhì)量％的黃銅粉，且含有合計(jì)90質(zhì)量％以上的金屬成分，金屬碳層材料進(jìn)一步含有0. 3 4質(zhì)量％的熱塑性樹(shù)脂粘合劑，剩余部分為碳。
全文摘要
本發(fā)明提供碳換向器及其制造方法，所述碳換向器的換向器片具有表面?zhèn)鹊奶紝雍偷酌鎮(zhèn)鹊慕饘偬紝樱紝雍徒饘偬紝泳袩崴苄詷?shù)脂粘合劑。
文檔編號(hào)H01R39/04GK102623867SQ201210037489
公開(kāi)日2012年8月1日 申請(qǐng)日期2012年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月31日
發(fā)明者中川慎也, 清瀨顯三, 福塚隆司, 西尾誠(chéng), 西野雄也 申請(qǐng)人:株式會(huì)社電裝, 特耐斯株式會(huì)社