CN1024611C - 小型电动机的充金属石墨电刷及其制造方法 - Google Patents

Abstract

经由换向器进行电流换向而转动的永磁式小型电动机用的一种充金属石墨电刷，通过粘合石墨粉制成，用以与所述换向器滑动接触，以进行电流换向，其中充金属石墨电刷是通过将高度提纯了的石墨粉与金属粉的混合物压制成型并烧结制成的；充金属石墨电刷用的石墨粉经过提纯，使其灰分含量成减少到0.05%重量。本发明还涉及制造该充金属石墨电刷的方法。

Description

本发明总的说来涉及小型永磁式电动机用的一种碳刷及其制造方法，更具体地说，涉及小型电动机的一种碳刷，该碳刷是充有金属的石墨电刷，换向性能和耐磨性能都优异，抗环境腐蚀的能力有所提高。它是这样制成的：将石墨粉提纯到其灰分含量减至小于0.05%重量，调节提纯后石墨粉料的粒度，将石墨粉与金属粉混合，然后将混合物压制成型并烧结。

迄今，小型电动机的碳刷是这样制造的：将粘合剂加到提纯到大约98%或99.5%的石墨粉中，辗磨并筛选固结的混合物，将经辗磨和筛选的混合物与金属粉混合，使其具有所要求的导电率，然后将得出的混合物压制成型并烧结。

图10例示了小型电动机的碳刷采用纯度为98%至99.5%的石墨粉的一般制造过程。

如图中所示，碳刷的制造过程是：往提纯到98%至99.5%纯度的石墨粉中加入粘合剂，辗磨并筛选固结的石墨粘合剂混合物，将经辗磨和筛选的混合物与金属粉进行混合，使其具有所要求的导电率，然后压制成型并烧结得出的混合物。

为了不使用粘合剂，大家知道有一种叫做镀铜的石墨电刷。这种镀铜石墨电刷是将提纯到大约99%纯度的石墨粉粒子镀铜，然后不用加粘合剂将镀了铜的石墨粉压制成型并烧结制造的。

一般的充金属石墨电刷是将天然石墨与粘合剂直接混合，辗磨和筛选混合物制成的。可是仅在直接混合过程中就有0.5至1.0%重量的SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃、硅酸盐、MnO、MgO及其它氧化物作为杂灰分的形式残留在石墨中。

图11是包含在石墨中的灰分（杂质）的放大视图。

即使往具有上述纯度的石墨粉中加入粘合剂制成的充金属石墨电刷，其抗环境腐蚀能力也很好，因为烧结时降低了剩余的粘合剂量，且表面积小的金属粒子遭腐蚀性气体的侵蚀和受氧化的可能性要小一些。

镀铜和其它金属的碳刷，孔隙率为10%至30%。这使薄膜金属的表面积变大，导致非常容易受到氧化和腐蚀性气体的侵蚀。

这样，残留量较大的杂质往往会损坏换向上的润滑膜，加速电刷的磨损，并使换向性能变差。

图12是一般充金属石墨电刷在示波器上的波形。显然图中电动机电流的波形是很不规则的。随着碳刷的不断磨损，包含在碳刷中的绝缘材料出现在碳刷与换向器之间的滑动表面上，使换向性能变差，严重时还会使电动机失灵。

本发明的目的是提供小型电动机用的一种换向性能良好、抗环境腐蚀能力有所提高的充金属石墨电刷及其制造方法，其中充金属石墨电刷主要是采用在纯化处理工序中纯化处理到小于0.05%重量灰分含量石墨粉，经粒度调节后，与金属粉混合，然后压制成型并烧结制成的。

本发明的另一个目的是提供小型电动机用的一种换向性能良好、抗环境腐蚀能力有所提高的充金属石墨电刷及其制造方法，其中充金属石墨电刷主要是通过往经提纯的石墨粉中加入0.1至10.0%重量粒度小于50微米的氧化物粒子，然后调节混合物的粒度，将混合物与金属粉混合，然后将得出的混合物压制成型并烧结制成的。

本发明的另一个目的是提供小型电动机用的一种换向性能良好、抗环境腐蚀能力有所提高的充金属石墨电刷及其制造方法，其中充金属石墨电刷主要是通过往经提纯的石墨粉中加入大约15%重量粒度小于50微米的耐磨、导电粉料，调节混合物的粒度后，将混合物与金属粉混合，然后将得出的混合物压制成型并烧结制造出来的。

图1是说明本发明本原理的示意图。

图2是说明本发明基本制造方法的流程图。

图3是说明本发明的纯化处理工序中所使用的纯化炉的原理图。

图4是说明实施本发明的充金属石墨电刷（第一种碳刷）的换向波形在示波器上的波形图。

图5是说明本发明的充金属石墨电刷的另一个实施例（第二种碳刷）中氧化物添加剂的粒度与磨损程度之间的关系的试验结果数据。

图6是说明本发明的第二种碳刷中氧化物添加剂含量与磨损程度之间的关系的试验结果。

图7是用以将本发明的充金属石墨电刷的另一个实施例（第三种碳刷）的磨损程度与另一些碳刷的磨损程度进行比较的试验结果数据。

图8是说明本发明的第三种碳刷中碳物添加剂 含量与磨损程度之间的关系的试验结果数据。

图9是说明本发明的第三种碳刷中碳化物添加剂的粒度与磨损程度之间的关系的试验结果数据。

图10是说明现有技术充金属石墨制造过程的流程图。

图11是用现有技术制造工艺处理过的石墨的灰分含量（杂质）的结构图。

图12是现有技术充金属石墨电刷换向波形在示波器上的波形。

图1是辅助说明本发明的基本原理的示意图，示出了小型电动机的充金属石墨电刷（以下称碳刷）用在小型电动机的情况，图中还示出民碳刷的透视图（A-1）。

图1中，编号1表示换向，2表示换向片，3表示转轴，4表示碳刷，5表示碳刷弹性构件。

图1中，碳刷4由导电的碳刷弹性构件5夹持住，并与换向片2、2和2滑动接触地支撑着。碳刷4烧结成倒T字形，倒T字形的杆由碳刷弹性构件5支撑着，如图1的A-1透视图中所示。倒T字形的底部表面稍微弯曲，以便与换向片2滑动接触。

图2是说明本发明基本制造过程的流程图。图中的编号20表示提纯到大约99%至99.5%的石墨粉，21为本发明是纯化处理工序，22为粘合剂处理工序，23为辗磨和筛选工序，24为金属粉混合工序，25为压制成型工序，26为烧结工序。

本发明的碳刷，如图2所示，是通过对石墨粉进行以下一系列工序制造而成的：纯化处理工序21，粘合剂处理工序22，辗磨和筛选工序23、金属粉混合工序24、压制成型工序25和烧结工序26。这里，粘合剂处理工序22、压制成型工序25和烧结工序26是大家所熟悉的，因而不再赘述，但纯化处理工序21却是本发明的一个主要特点，下面参照图3详细说明。

图3是本发明纯化处理工序中所使用的纯化炉的原理图。图中，编号20是石墨粉;30是纯化炉本身，31是电源变压器，32是卤素管，33则是加热器。

纯化处理工序是用象CCl₄或CCl₂F₂等能放出卤素的物质处理石墨粉中的杂质的，这些物质在高温下在诸如氮或氩之类的惰性气体中易于放出卤素。也就是说，将石墨粉20充入纯化炉本体30中，卤素气体管32即在纯化炉本体30内放入石墨粉20中。当纯化炉中的温度由加热器33提高到1，800℃左右时，在惰性气体中饱和了的CCl₄通过卤素管32馈送。在此情况下，可以认为纯化炉中发生下列反应：

温度上升到1900℃以上时，用CCl₂F₂取代CCl₄，纯化处理在2500℃以上的温度持续4小时以上。在下一步的冷却工序中，保持用象氮或氩之类的惰性气体吹洗，以防杂质返回扩散，并将卤素除去。

经该纯化处理工序之后，生产出来的石墨达99.95%重量以上的纯度，杂质小于0.05%重量。

图4是用图2所示的基本制造工艺制造出来的碳刷（以下称第一种碳刷）的换向波形在示波器上的波形图。在本发明的第一种碳刷的情况下，其换向波形在换向时有规则地出现，这一点在图4中所示的示波器波形图显示得很清楚，不象图12中所示的现有技术碳刷的换向波形那样。这说明本发明的第一种碳刷的换向特性优异。

如上所述，之所以能制造出换向性能稳定而优异的碳刷是因为该碳刷是通过将石墨粉在本发明的基本制造工艺的纯化处理工序中提纯，使其杂质含量极低，然后使金属粉与石墨粉混合，再将混合物压制成型并烧结制成的。由于粘合剂的碳含量低，而且金属粉粒子的表面积小，因而产生氧化的可能性小，从而使碳刷具有良好的抗环境腐蚀的能力。

除进行纯化处理工序以提高充金属石墨碳刷中所用的石墨的纯度，并对装有这些碳刷的电动机进行试验之外，本发明人曾采用过下列方法制造充金属石墨电刷。

（ⅰ）物理提纯

借助利用固体粒子表面物理化学性能上的差别的悬浮工序将杂质从石墨中分离出来。物理提纯工序可以处理粒度约300微米的粒子。利用石墨可用气泡进行分离的特点，将石墨粉充入油与空气泡的混合物中，然后促使石墨粒子粘附到悬浮的气泡上加以收集。这个工序可以使纯度不低于98%和低于99.5%。这就是说，石墨粉中杂质的含量大于0.5%至大约2.0%。

（ⅱ）化学处理

使包含在石墨中的杂质溶解在高浓度的酸和碱溶液中，然后将溶液加热（到160℃～170℃）并加压（到5～6大气压）。这个处理过程通常叫做热压工序，它主要包括下列反应：

经此化学处理，得到的纯度不低于99%，但低于99.9%，高于0.05%、大约1.0%的杂质残留在石墨粉中。

这表明用上述物理和化学提纯工序得出的石墨纯度比经本发明的净化处理工序得出的石墨纯度差。也就是说，用上述物理和化学提纯法不能得出高纯度的石墨。

下面介绍本发明碳刷的另一个实施例（以下称第二种碳刷）及其制造方法。第二种碳刷及其制造方法大致上与早先参照图1至4所述的第一种碳刷的相同。第二种碳刷的耐磨性能比第一种碳刷的好。这是通过采用氧化物（例如SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃、MnO、MgO、TiO、硅酸盐等）作为耐磨物质，强迫加入大约0.1～10%重量粒度小于50微米的氧化物，再对混合物进行粘合剂处理工序和以后的各工序23-26而实现的。采用按这些工序制造出来的充金属石墨电刷，就可以使小型电动机具有优异的换向特性和耐磨性能。上述氧化物可以在金属粉混合工序24中加入。

图5示出了应加入到图2中的粘合剂处理工序22中的氧化物的粒度范围与磨损程度之间的关系的试验结果。图6示出了磨损程度通过改变氧化物含量但保持氧化物的粒度在50微米以下时的试验结果。

图5和6中所示的试验结果表示对各试验编号的十个碳刷制品进行最长达80小时的运行试验的试验结果。符号X表示碳刷损坏的时间。

从图5中可以明显看出，要降低磨损率，氧化物粉料的粒度一定要保持在50微米以下（2号试验）。也就是说，不加氧化物时（1号试验），磨损率变高。氧化物粒度为50～60微米时（3号试验），在较短的时间（平均为24小时）就有四个碳刷损坏。在其它粒度的情况下（4至7号试验），全部碳刷在很短的时间内（平均为3.2～4.3小时）损坏。

氧化物粉含量在0.1～10.0%重量时（1号至6号试验），实际上没有产生任何问题，因为磨损程度仍然在41%至67%的范围。这一点从图6中可以看得一清二楚。但氧化物粉含量高达12.0%重量时（7号试验），所有的碳刷损坏。

在上述试验结果的基础上，本发明的第二种碳刷是在所谓预处理工序中通过提高换向性能而制成的，即在图2所示的预处理工序的纯化处理工序21中，将石墨粉的纯度提高到99.95%以上（因而杂质小于0.05%），而在粘合剂处理工序22中提高耐磨性，在粘合剂处理工序22中，石墨粉不仅和现有技术一样用粘合剂加以固结，而且粘合剂中还加入了0.1-10%重量粒度小于50微米的氧化物。

现在说明本发明碳刷的另一个实施例（以下称第三种碳刷）及其制造方法。第三种碳刷及其制造方法实质上与早先所述的第一种和第二种碳刷的相同。第三种碳刷与第一种和第二种碳刷相比耐磨性能和导电性能优异。第三种碳刷是这样制取的：加入0.1至15.0%重量粒度小于50微米的耐磨和导电物质（例如主要由下列其中一种或两种以上组成的碳化物：TiC、ZrC、HfC、VC、NbC、TaC、Cr₃C₂、MoC、WC），然后在图2中所示的基本制造工艺的粘合剂处理工序22中对混合物进行粘合剂处理和其它以后的工序23-26。如此制造出来的第三种碳刷换向性能、耐磨性能以及导电性能都好。上述碳化物可以在金属粉混合工序24中加入。

图7示出了对具有在纯化处理工序21中提纯到99.96%的纯度的石墨粉中只加粘合剂不加添加剂的碳刷（1号试验）、加有氧化物（例如SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃、MnO、MgO、TiO、硅酸盐等）而制成的碳刷（2号试验）和加有导电碳化物而制成的碳刷（3号试验）的电动机分别进行试验的结果。

这些试验是令具有上述碳刷的小型电动机运转达80小时之久进行的。在该试验中，在制造碳刷时。往粘合剂中加入了3%重量粒度小于50微米的氧化物或碳化物。

如图7所示，什么都不加的碳刷，其磨损率达100%，加了氧化物的碳刷，磨损率为33%，加了碳化物的碳刷，磨损率为19%。这就是说，加入碳化物可以提高碳刷的耐磨性。

图8示出了对加入不同量碳化物（粒度小于50微米）的碳刷进行试验的结果，其目的是搞清楚磨 损率随所加入的碳化物量的变化而变化的情况。在此情况下，十块碳刷是加入不同量的碳化物制造出来的，且经受最长达80小时的运行试验。图中的符号X表示碳刷损坏的时间。

如图所示，加了0.5%重量碳化物的碳刷在运行80小时之后磨损率为32%，加了1.0-15.0%重量碳化物的碳刷，磨损率较低，仅为20～26%。碳化物加入量20%重量时，换向器磨损率极高，以致所有小型电动机都停止运转。

这说明碳化物的加入量最好是在1.0-15.0%重量的范围内。

图9示出了对碳化物加入量保持恒定（3%重量）但改变其粒度时的碳刷进行磨损率试验的结果。

从图中可以看出，加入了粒度小于50微米的碳化物的碳刷，在运行80小时后的磨损率为22%，而所含碳化物的粒度在50～74微米范围的碳刷，其磨损率为20%。碳化物粒度在105-149微米的范围时，碳刷的磨损率为30%，至电动机失灵的平均动转时间短达53小时。碳化物粒度在149-174微米范围时，碳刷磨损率明显增加，结果所有的电动机几乎都失灵（至电动机失灵的平均运转时间为38小时）。

根据上述试验结果确定的最佳粒度和碳化物加入量分别为小于50微米和0.1-15.0%重量的范围。

在该实施例中，碳化物系作为耐磨导电材料，但耐磨导电材料并不局限于碳化物。采用氮化物（例如TiN、ZrN、NbN、TaN、Cr₂N、VN等）、硼化物（例如TiB₂、ZrB₂、NbB₂、TaB₂、CrB、MoB、WB、LaB、VB₂等）或硅化物（例如TiSi₂、ZrSi₂、NbSi₂、TaSi₂、CrSi₂、MoSi₂、WSi₂等）也可以取得类似的效果。

此外，将两种以上上述碳化物、氮化物、硼化物或硅化物组合起来使用也可取得类似效果。

如上所述，本发明的第三种碳刷能实现耐磨性能和导电性能有所提高的充金属石墨电刷的作用，这是因为本发明的第三种碳刷是通过在所谓预处理工艺中提高换向性能而制造的，在该预处理工艺中，在图2所示的以后各工序之前的纯化处理工序21中，石墨粉的纯度提高到99.95%以上（因而杂质少于0.05%重量，在粘合剂处理工序22或金属粉混合工序24中，粘合剂中加入了0.1-15.0%重量的耐磨导电材料，因而耐磨性能和导电性能都有所提高。

Claims (12)

1、一种用于经由换向器进行电流换向而转动的永磁式小型电动机的充金属石墨电刷，通过粘合石墨粉制成，用以与所述换向器滑动接触，以进行电流换向，其特征在于，所述充金属石墨电刷是这样制取的将所述石墨粉提纯，将所述石墨粉与金属粉混合，然后将所述石墨粉与所述金属粉的混合物压制成型并烧结；所述充金属石墨电刷所用的所述石墨粉经过提纯使其灰分含量不大于0.05%重量。

2、如权利要求1所述的小型电动机用的充金属石墨电刷，其特征在于，所述充金属石墨电刷是通过在粘合剂处理或金属混合工序中往所述提纯到作为所述石墨粉中的杂质的灰分含量不大于0.05%重量的石墨粉中加入0.1至10.0%重量粒度不大于50微米的氧化物，然后将所述石墨和所述氧化物的混合物压制成型并烧结制成的。

3、如权利要求1所述的小型电动机用的充金属石墨电刷，其特征在于，所述充金属石墨电刷是通过在粘合剂处理或金属粉混合工序中，往提纯到作为所述石墨粉中的杂质的灰分含量不大于0.05%重量的石墨粉中加入0.1至15.0%重量粒度不大于50微米的耐磨导电材料，然后将所述石墨和所述耐磨导电材料的混合物压制成型并烧结。

4、如权利要求2所述的微型电动机用的充金属石墨电刷，其特征在于，所述氧化物为主要由SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃、MnO、MgO、PiO、硅酸盐等组成的杂质。

5、如权利要求3所述的小型电动机用的充金属石墨电刷，其特征在于，所述耐磨导电材料是主要由一种或两种以上的TiC、ZrC、HfC、VC、NbC、TaC、Cr₃C₂、MoC、WC等组成的碳化物。

6、如权利要求3所述的小型电动机用的充金属石墨电刷，其特征在于，所述耐磨导电材料为主要由一种或两种以上的TiN、ZrN、NbN、TaN、Cr₂N、VN、WC等组成的氮化物。

7、如权利要求3所述的小型电动机用的充金属石墨电刷，其特征在于，所述耐磨导电材料为主要由一种或两种以上的TiB₂、ZrB₂、NbB₂、TaB₂、CrB、MoB、WB、LaB、VB₂等组成的硼化物。

8、如权利要求3所述的小型电动机用的充金属石墨电刷，其特征在于，所述耐磨导电材料为主要由一种或两种以上的TiSi₂、ZrSi₂、NbSi₂、TaSi₂、CrSi₂、MoSi₂、WSi₂等组成的硅化物。

9、一种制造用于经由换向器进行电流换向而转动的永磁式小型电动机的充金属石墨电刷的方法，该石墨电刷是通过粘合石墨粉制成的，用以与所述换向器滑动接触，以进电流换向，其特征在于，所述充金属石墨电刷是通过履行下列工序制造的：

纯化处理工序，用以在高温惰性气氛中用能放出卤素的物质提纯石墨粉;

辗磨和筛选工序，用以往所述提纯了的石墨粉中加入粘合剂，然后辗磨并筛选所述提纯了的石墨粉与所述粘合剂的混合物;

金属粉混合工序，用以将金属粉与所述经提纯和筛选的石墨粉进行混合;

压制成型工序，用以将所述石墨粉与所述金属粉的混合物压制成型;和

烧结工序，用以烧结所述压制成型件。

10、如权利要求9所述的小型电动机用的充金属石墨电刷的制造方法，其特征在于，所述充金属石墨电刷是通过在所述粘合剂处理或金属粉混合工序中加入0.1至10%重量粒度不大于50微米的氧化物粉制成的。

11、如权利要求9所述的小型电动机用的充金属石墨电刷的制造方法，其特征在于，所述充金属石墨电刷是通过在所述粘合剂处理或金属粉混合工序中加入0.1至15%重量粒度不大于50微米的耐磨导电材料制成的。

12、如权利要求9所述的小型电动机用的充金属石墨电刷的制造方法，其特征在于，所述纯化处理工序是采用有一个升温用的加热器的净化炉进行的;所述纯化处理工序分四步，第一步是使CCl₄在惰性气体中饱和并在炉温达大约1800℃时馈送到所述石墨粉中使其发生化学反应，即

第二步是以CCl₂F₂代替CCl₄，使其在惰性气体中饱各并在炉温超过1900℃时馈送到所述石墨粉中;第三步是在炉温升到2500℃以上的情况下令该纯化处理继续进行下去，历时4小时以上;第四步则在完成第三步之后令炉内连同所述石墨粉一起冷却下来;在第四步中继续输送N或Ar进行吹洗，以防杂质返回扩散，并除去卤素。

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