CN101385222A

CN101385222A - 碳换向器及其制造方法

Info

Publication number: CN101385222A
Application number: CNA2007800055040A
Authority: CN
Inventors: 田中宏明; 高柳宏之; 大竹诚治; 石崎三成
Original assignee: Mitsuba Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Mitsuba Corp
Priority date: 2006-03-06
Filing date: 2007-03-02
Publication date: 2009-03-11
Anticipated expiration: 2027-03-02
Also published as: CN101385222B; JP5014326B2; BRPI0708563B1; US7799430B2; BRPI0708563A2; US20090011242A1; JPWO2007102417A1; WO2007102417A1

Abstract

本发明提供一种碳换向器及其制造方法，在制造在碳基材(14)的表面形成有可接合金属材料的铁层(15)的碳复合基材(11)时，增大碳基材(14)和铁层(15)的剥离强度。在预先烧结形成的碳基材(14)的表面附着铁粉，并在碳的扩散温度以上、铁的熔点以下的温度烧结形成该碳复合基材(11)时，铁粉使用预先通过施行水浸渍处理或热处理而实施增加表面吸附氧的处理后的铁粉，从而增大剥离强度。

Description

碳换向器及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种电动机的碳换向器(carbon commutator)及其制造方法。

背景技术

一般地，在搭载在车辆上的内置式(インタンク式)的燃料泵中，燃料泵自身被没入(浸渍)在燃料中，因此，构成燃料泵的壳体内部成为汽油等燃料的回路，在这样的燃料泵中，必须使用被燃料侵蚀等其功能也不会被损坏的耐燃料特性优良的材料来形成装入燃料泵的各构件。另一方面，近年来，从环境保护的观点考虑，作为燃料，正在尝试着使用醇(甲醇或乙醇等)或含有醇的混合燃料，可是，公知的是现有装入汽油用的燃料泵的电动机是由铜制成换向器的换向片，因此，在含有醇的燃料中直接采用这样的汽油燃料用的燃料泵时，铜会被醇成分侵蚀。

于是，已在提倡将换向器的换向片制成电刷滑接的部位为碳制(碳基材)且不会被醇侵蚀那样的换向片，在该电刷滑接部位的相反侧的面上(碳基材一方的表面)形成金属层，且以与该金属层一体化的方式(电接合)制成例如铜制的导电端子部件(换向器竖片)(例如参照专利文献1)。附带提一下，公知的是碳基材是表面润湿性差且与大部分金属的接合都难的材料，为了使导电端子部件与碳基材表面接合，需要在它们之间形成金属层。因此，在所述公报中，是在碳基材的表面使用镍等实施镀敷，在该镀敷后的面上通过锡焊等接合方法接合导电端子部件，可是，在这种情况下，存在如下问题，通过镀敷形成的金属层容易剥落，假如，即使能将金属层和导电端子部件一体地接合，也可能使镀敷的金属层与导电端子部件一起从碳基材表面剥离，有可能不仅不能充分地确保作为换向器的强度，而且还会缺乏耐久性。

对此，公知的是，将碳粉末、相对于该碳粉末配置为层状的金属粉末和配置在该金属粉末侧的导电端子部件进行一体烧结，形成预先在碳基材上接合有导电端子部件的结构(例如参照专利文献2)。

可是，该结构为将碳粉末、金属粉末和导电端子部件一体烧结而构成的，因此，不仅烧结工序变得复杂困难，而且作为烧结温度必须设定为铜制的导电端子部件不变形的程度的温度，且比金属粉末的熔点更低的温度，存在对碳基材的烧结温度产生限制这一问题。而且其中，在金属粉末和碳粉末之间存在烧结收缩率的差的情况下，在它们之间易产生间隙，可能导致剥离，为防止此现象，作为碳的材质，必须选择与金属粉末的烧结收缩率近似的材料，存在碳材质的选择范围被限制，碳的特性方面被限制这一问题。

于是提出，在碳基材上附着铁粉，在碳的扩散温度以上、铁的熔融温度以下的温度对其进行烧结，制成在碳基材的表面一体化形成铁层的倾斜功能材料，利用锡焊等将该铁层与换向片(铜制板材)接合，由此来制造换向片和碳基材电连接的一体物(参照专利文献3)。

可是，虽然该一体物在通过将作为换向器的铜制的换向片用焊锡等与铁层接合，可以将碳层和铜层一体化方面是理想的，但在制造所述倾斜功能材料时，在碳的原材料中有烧结温度设定较低的材料，使用这样的碳原材料制造碳复合基材时，因烧结温度低，因此，碳原材料中的胶结碳化成分和铁粉之间难以发生扩散反应，可以推定其原因是相当于渗碳反应的固溶的促进被阻碍，因而成为碳和铁粉的接合不稳定、铁层与碳层的接合强度弱(低)的材料，且只有用手就能够剥落的程度的强度，存在有必要进一步改善的问题。

于是，提议将铁层制成和碳层的亲和性高的含有铬(Cr)或钼(Mo)这样的金属的铁合金层，由此改进其和碳层的亲和性，从而提高剥离强度(参考专利文献4)。

专利文献1:美国专利第5175463号公报

专利文献2:日本特开平8-308183号公报

专利文献3:日本特开2002-398378号

专利文献4:日本特开2004-208398号公报

但是，虽然前述专利文献4中铁合金层和碳层的亲和性方面有所改善，但是在铁合金层上要用锡焊接合铜板或黄铜板时，就焊锡的润湿性而言，与铁合金层相比，铜板或黄铜板一方更好，因此，存在在铜板或黄铜板与铁合金层之间容易产生间隙而使得接合强度不稳定这一问题。因此，也可以考虑为了改善润湿性而使用强酸性的焊剂，可是，这样不仅会产生环境方面的问题，而且存在因为是强酸性所以耐腐蚀性被损坏的问题，这里是本发明要解决的问题。

发明内容

本发明是鉴于上述问题且以解决这些课题为目的而开发的，本发明的第一方面为碳换向器，其使用在碳基材的表面形成有可接合金属材料的铁层的碳复合基材，其特征在于，在预先烧结形成的碳基材的表面附着铁粉，并在碳的扩散温度以上、铁的熔点以下的温度烧结形成该碳复合基材时，铁粉为实施了增加表面吸附氧的处理的铁粉。

本发明的第二方面为本发明第一方面所述的碳换向器，其特征在于，增加铁粉的表面吸附氧的处理为水浸渍处理或热处理。

本发明的第三方面为碳换向器的制造方法，其中，在制造使用在碳基材的表面形成有可接合金属材料的铁层的复合基材的换向器时，该碳复合基材是在预先烧结形成的碳基材的表面附着实施了增加表面吸附氧的处理的铁粉，然后，在碳的扩散温度以上、铁的熔点以下的温度烧结形成的复合基材。

本发明的第四方面为本发明第三方面所述的碳换向器的制造方法，其特征在于，增加铁粉的表面吸附氧的处理为水浸渍处理或热处理。

本发明第五方面为碳换向器，其特征在于，当使用在碳基材的表面形成有利用锡焊可接合金属材料的铁层的碳复合基材形成碳换向器时，所述碳复合基材是在预先烧结形成的碳基材的表面附着了含有用于提高与碳的亲和性的金属粉的铁合金粉，在碳的扩散温度以上、铁的熔点以下的温度烧结形成的复合基材，铁合金粉中还含有铜系金属材料粉。

本发明的第六方面为本发明第五方面所述的碳换向器，其特征在于，铜系金属材料粉是选自铜粉或铜和其他金属的合金粉中的至少一种。

本发明的第七方面为碳换向器的制造方法，其特征在于，当使用在碳基材的表面形成有可接合金属材料的铁层的碳复合基材制造碳换向器时，所述碳复合基材是在预先烧结形成的碳基材的表面附着了还含有用于提高与碳的亲和性的金属粉和铜系金属材料的铁粉，然后，在碳的扩散温度以上、铁的熔点以下的温度烧结形成的。

本发明的第八方面为本发明第七方面所述的碳换向器的制造方法，其特征在于，铜系金属材料粉是选自铜粉或铜和其他金属的合金粉中的至少一种。

根据本发明的第一方面或第三方面，通过使用实施了增加表面吸附氧的处理的铁粉，可以制造促进在碳基材和铁粉的接触界面的反应且剥离强度大的碳换向器。

根据本发明的第二方面或第四方面，能够简单地进行增加表面吸附氧的处理。

根据本发明的第五方面或第七方面，通过在铁合金层中含有铜系金属材料来提高焊锡的濡湿性，由此可以提供在铁合金层上焊接铜系金属时的剥离强度得到改善的碳复合基材。

根据本发明的第六方面或第八方面，能够简单地得到含在铁合金层中的铜系金属材料。

附图说明

图1是燃料泵的纵向剖面图；

图2是换向器的正面图；

图3是换向器的纵向剖面图；

图4是将锡焊碳复合基材和铜板形成的部件模式化的状态的纵向剖面图；

图5是表示碳复合基材的剥离强度的测定结果的图表；

图6是将其他例的锡焊碳复合基材和铜板形成的部件模式化的状态的纵向剖面图；

图7是表示其他例的碳复合基材的剥离强度的测定结果的图表。

符号说明

11 碳复合基材

14 碳基材

15 铁层

具体实施方式

下面，基于附图对本发明的实施方式进行说明。在图中，1是用于向内燃机供给在汽油中混有甲醇的混合燃料的燃料泵，该燃料泵1的构成包括泵部分2和电动机部分3，本实施方式中，泵部分2采用后述的设于转子轴4上的通用的叶轮式泵装置，关于详细情况省略。另外，电动机部分3是在所述转子轴4上一体地设有转子铁芯5、后述的换向器(碳换向器)6，同时，在轭铁7的内周面固定有永久磁铁8，此外，与所述换向器6滑接的电刷9由弹簧10施力。所述换向器6的转子轴4的轴芯方向一侧面成为电刷9的滑动接触面。

所述换向器6的结构为，用本发明实施的碳复合基材11形成换向器片(换向片)12，在此，通过以转子轴4贯穿碳复合基材11的状态，射出成形由绝缘性原材料形成的树脂材料13而一体形成换向器6。如图3所示，换向片12在一侧面形成有直径方向的切槽12a，由此，该多个换向片12以成为非电连接状态，沿围绕轴的方向设置，而且在各个换向片12上突出形成有用于卷挂缠绕在转子铁芯5上的线圈5a的换向器竖片12b。

用于形成本发明的换向器6的碳复合基材11是如下形成的，对预先烧结而成的碳基材14的表面在载有热处理或水浸渍处理后的铁粉的状态下使温度上升，在超出碳的固溶温度(扩散温度)的温度进行加热，由此，即使是固溶温度低的碳基材14也可在当碳基材料14上有效地发生相当于渗碳反应的固溶，从而形成剥离强度大的铁层15。

通过对铁粉进行水浸渍处理或热处理，使铁粉的表面成为氧化反应进行状态，从而成为铁粉表面吸附着许多的活性氧的状态。该活性氧在碳基材14上促进相当于渗碳反应的固溶，其结果可以推定，碳基材和铁之间的剥离强度增强。作为铁粉的水浸渍处理所用的水，为了促进铁粉表面的氧化，要求其为溶解有氧的水。

可是公知的是，在碳气氛下用超出碳的固溶温度即800℃以上的温度对碳含量少的铁进行加热时，在铁材表面发生碳扩散并固溶的所谓渗碳反应，而当发生像这样的渗碳反应时，变成如上所述的铁粉，使得以铁为主成分且含有其他金属的金属粉在碳基材14的表面烧结而形成的材料接合强度变为高强度，实际测定其剥离强度，结果在接合面剥离前碳基材14就被破坏(碳基材的破坏强度约200kgf/cm²)，可以确认已达到了实用上没有问题的接合强度。

更详细地说，碳基材14使用例如对将碳粉末压粉成形为任意形状(环状等)的材料，在800～2000℃下烧结两个小时的时间，然后冷却至常温(室温)而形成的基材，该碳基材14的烧结温度、烧结时间等基于按照碳基材14的用途适当设定的条件而形成。而且，这样在预先形成的碳基材14的上面(表面)附着进行了所述水浸渍处理或热处理的铁粉，在此，有用刮刀等将直接载置于碳基材14上面的适量铁粉均匀化等各种方法，但也可以使用在烧结时的升温阶段燃烧等而不残留的粘合剂(例如有机粘合剂)实施强制性地附着。

另一方面，铁粉的粒径用大约5～15微米(μm)，优选平均10微米的粒径。此时的烧结温度为比碳的扩散温度高(扩散温度以上)、比铁的熔点低的温度(熔点以下)的温度，为1000～1300℃，优选为大约1100～1150℃，烧结时间1～2小时，优选大约1.5小时。作为烧结气氛，优选在真空气氛下进行，但并不限定于此。而且，通过这样操作，形成表面形成有铁层15的碳复合基材11，这样操作形成的碳复合基材11能够作为可利用焊锡16处理在铁层15上例如固定铜板17的所谓倾斜机能材料用于各种用途。

另外，本发明中制造的碳复合基材11是在碳基材14的表面形成有利用锡焊可接合铜和黄铜等的金属材料的烧结铁合金层的材料，作为构成铁合金层的除铁以外的其他金属，是与碳的亲和性(相容性)好的金属，作为该金属，可以例示元素的长周期型周期表的4族、5族、6族、7族、9族、10族的金属，为选自这些金属的一种或多种金属，更具体地说，可以例示:钛(Ti)、钒(V)、铬(Cr)、锰(Mn)，钴(Co)、镍(Ni)、铌(Nb)、钼(Mo)、钨(W)。而且选择这些金属中的一种或多种。

作为铁合金，也可以是单一金属的粉末彼此的混合物，但从烧结而成的铁合金层的均一性的观点考虑，优选将含有所述选择的金属的铁合金制成粉末的方法。作为这样的合金，可以列举例如:不锈钢、铬钢、铬钼钢、镍铬钢、镍铬钼钢等合金，这些单独使用或选择它们中的两种以上并用都可以。铁以外的金属含量是1～40％左右，例如合金为不锈钢时，以日本工业标准(JIS)命名的SUS304L是含有锰0.2％、镍10.0％、铬19.2％(这些金属的总计比例为29.4％)的金属的铁合金。另外，SUS316L是含有锰0.4％、镍13.0％、铬17.0％、钼3.0％、铌0.4％(这些金属的总计比例为31.1％)的金属的铁合金。另外，SUS444L是含有锰0.2％、镍0.2％、铬18.0％、钼2.0％(这些金属的总计比例为20.4％)的金属的铁合金。另外，铁合金为铬钼钢时，以日本工业标准命名的SCM415含有锰0.6％、铬1.0％、钼0.3％(这些合金总计比例为1.9％)，本发明中可以采用这样的铁合金。

而且，为了改善用于与铜层17接合的焊锡16的润湿性，这种铁合金中含有铜系金属材料。作为含有的铜系金属材料，不仅可以采用铜单体，而且还可以采用铜中含有其他金属的铜合金，例如铜和锌(Zn)的合金即黄铜、铜和锡(Sn)的合金即青铜、铜和铝(Al)的合金即铝青铜、铜和铍(Be)的合金即铍青铜、铜和镍的合金即白铜、铜和镍和锌的合金即洋白铜等各种铜的合金的一种或是选择的多种。

所述金属粉的粒径采用大约5～30微米(μm)，平均粒径为10微米左右的粒径。另外烧结温度为比碳的扩散温度高(扩散温度以上)、比铁的熔点低的温度(熔点以下)，即1000～1300，优选大约为1050～1150℃，烧结时间大约为0.5～2小时，优选大约为1.5小时。作为烧结气氛，优选在真空气氛下进行，但并并不限定于此。而且，通过这样操作，在碳基材14的表面形成碳复合基材11，该碳复合基材11中形成有含有铜的含铜铁合金层15，可以作为所谓的倾斜功能材料用于各种用途。例如，通过使用焊锡16进行焊接的接合装置将铜制的换向片12接合在含铜铁合金层15的表面，则能够制造换向器。

以下给出实验例。

(处理铁粉的制造)

将平均粒径为10微米的铁粉在实施了空气的通气处理的蒸馏水中浸渍20小时后，过滤并在常温下干燥，得到水处理铁粉。

另外，将所述铁粉在空气中且在200℃和500℃的温度下分别实施一个小时时间的加热处理后，自然冷却至常温得到热处理铁粉-1和2。

(碳复合基材的制造-1)

在预先以1400℃的温度烧结2小时时间后的碳基材14的表面，用所述得到的处理铁粉制造碳复合基材11。在制造碳复合基材11时，就水处理铁粉和热处理铁粉-1而言，以厚度大致为0.1毫米且均匀的状态载置，在真空气氛下、在约1100℃的温度下分别烧结1.5小时，得到碳复合基材11。另外，就热处理铁粉-2而言，使用75％的无处理铁粉、25％的热处理铁粉-2混合而成的混合铁粉，用同样的方法得到碳复合基材11。另外，为了比较，使用无处理铁粉用同样的方法得到碳复合基材11。对得到的这些碳复合基材11测定剥离强度(N)，同时，确认剥离面的状况。其结果示于图5的图表。由该结果可观察到，使用实施了水浸渍处理或热处理的铁粉制造碳复合基材11的情况与使用无处理铁粉的情况相比，剥离强度都增大，同时，向铜制的端子部件一侧的碳基材的残留比例也增大。

(碳复合基材的制造-2)

对预先在1400℃的温度下烧结2个小时的时间形成的碳基材14的表面，将以相对于平均粒径为10微米的所述SUS444L的铁合金粉，使平均粒径为10微米的铜粉末为3％、7.5％、15重量％的比例混合而成的合金粉末，载置于碳基材14的上面，并使其达到整平为大约0.5毫米的厚度的状态，在真空气氛下、将烧结温度设定为1100℃烧结1.5小时，得到将含铜铁合金层15和碳基材14接合为一体的碳复合基材。该碳复合基材的含铜铁合金层15的厚度平均大约为200微米。该含铜铁合金层15利用焊锡16与铜板17接合，测定其接合强度(剥离强度N)。结果示于图7的图表。由该结果可以确认，铁合金中混合了铜系金属材料的碳复合基材与不混合铜系金属材料的碳复合基材相比，接合强度提高。

本发明适用于电动机的碳换向器及其制造方法，在预先烧结形成的碳基材的表面附着通过水浸渍处理或热处理实施了增加表面吸附氧的处理的铁粉，在碳的扩散温度以上、铁的融点以下的温度进行烧结，形成碳复合基材，由此能够促进在碳基材和铁粉的接触界面的反应，从而制成剥离强度大的换向器。

Claims

1、一种碳换向器，其使用在碳基材的表面形成有可接合金属材料的铁层的碳复合基材，其特征在于，在预先烧结形成的碳基材的表面附着铁粉，并在碳的扩散温度以上、铁的熔点以下的温度下烧结形成该碳复合基材时，铁粉为实施了增加表面吸附氧的处理的铁粉。

2、如权利要求1所述的碳换向器，其特征在于，增加铁粉的表面吸附氧的处理为水浸渍处理或热处理。

3、一种碳换向器的制造方法，其中，制造使用在碳基材的表面形成有可接合金属材料的铁层的碳复合基材的换向器时，该碳复合基材是在预先烧结形成的碳基材的表面附着实施了增加表面吸附氧的处理的铁粉，然后，在碳的扩散温度以上、铁的熔点以下的温度下烧结形成的复合基材。

4、如权利要求3所述的碳换向器的制造方法，其特征在于，增加铁粉的表面吸附氧的处理为水浸渍处理或热处理。

5、一种碳换向器，其特征在于，当使用在碳基材的表面形成通过锡焊可接合金属材料的铁层的碳复合基材形成碳换向器时，所述碳复合基材是在预先烧结形成的碳基材的表面附着了含有用于提高与碳的亲和性的金属粉的铁合金粉，在碳的扩散温度以上、铁的熔点以下的温度下烧结形成的复合基材，铁合金粉中还含有铜系金属材料粉。

6、如权利要求5所述的碳换向器，其特征在于，铜系金属材料粉是选自铜粉或铜和其他金属的合金粉中的至少一种。

7、一种碳换向器的制造方法，其特征在于，当使用在碳基材的表面形成有可接合金属材料的铁层的碳复合基材制造碳换向器时，所述碳复合基材是在预先烧结形成的碳基材的表面附着了还含有用于提高与碳的亲和性的金属粉和铜系金属材料粉的铁粉，然后，在碳的扩散温度以上、铁的熔点以下的温度下烧结形成的复合基材。

8、如权利要求7所述的碳换向器的制造方法，其特征在于，铜系金属材料粉是选自铜粉或铜和其他金属的合金粉中的至少一种。