CN102623867A - 碳换向器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供碳换向器及其制造方法，所述碳换向器的换向器片具有表面侧的碳层和底面侧的金属碳层，碳层和金属碳层均含有热塑性树脂粘合剂。
Description
技术领域
该发明涉及一种具备碳层和金属碳层的碳换向器及其制造方法。
背景技术
碳换向器用于燃料泵电机等，碳系换向器片与电刷接触，换向器片(segment)固定于作为金属端子的换向器竖片(也称为“换向器升高片”，riser piece)上。在碳换向器中，由于燃料中的醇及硫化物等，换向器片中的金属成分的腐蚀成为问题。关于这一点，在专利文献1(JP2002-369454A)中，换向器片由表面侧的碳层和换向器竖片侧的金属碳层这两层所构成，金属碳层与醇等隔离。而且，在金属碳层上设有突起，压入换向器竖片的孔内而固定换向器片，不需要软钎焊等。另外，在金属碳层中，为了防止金属的腐蚀，使用黄铜而非铜，为了进行液相烧结而混合锡，进而，在碳层和金属碳层中均使用酚醛树脂作为粘合剂。
专利文献2(WO99/08367)也同样公开了一种具备碳层和金属碳层这两层的碳换向器，在金属碳层中使用电解铜粉、锡粉和碳，将酚醛树脂作为粘合剂在800～850℃下进行烧成。通过锡粉的熔融来进行液相烧结，通过粘合剂来将碳层和金属碳层中的碳进行烧结。
在专利文献1、2的碳换向器中，将酚醛树脂作为粘合剂，因此，在酚醛树脂碳化并作为粘合剂发挥功能的700℃以上的温度下进行烧成。但是，有时在更低温度下烧成得到的碳层的滑动特性也优异。发明人发现在将酚醛树脂作为粘合剂在低温下对金属碳层进行烧成时，强度完全不足，并发现了能够在低温下进行烧成的金属碳层的组成和碳换向器的制造方法，从而完成了本发明。
现有技术文献
专利文献1：JP2002-369454A
专利文献2：WO99/08367
发明内容
该发明的课题在于提供一种使用通过低温烧成且具有充分的电特性和机械特性的金属碳层的碳换向器及其制造方法。
该发明涉及一种碳换向器，其具备由表面侧的碳层和底面侧的金属碳层构成的换向器片，且将换向器片的金属碳层固定于换向器竖片上，其特征在于，碳层和金属碳层均包含热塑性树脂粘合剂。热塑性树脂粘合剂通过熔融或者软化，在各层内作为粘合剂起作用的同时将碳层和金属碳层结合。因此，通过低温下的烧成，得到具有实用强度和导电性的碳换向器。
优选金属碳层包含铜粉、例如电解铜粉。电解铜粉为树枝状的形状，通过与其它粒子相互缠绕，赋予金属碳层强度和导电性，而且在碳层和金属碳层的界面形成不顺滑。特别优选金属碳层进一步包含锡。另外，优选金属碳层包含铜合金粉，例如黄铜粉、青铜粉、铜镍合金粉，特别优选金属碳层包含黄铜粉，黄铜粉中的锌含量采用例如10～40质量％。有时铜粉被液体燃料中所包含的硫成分等所腐蚀，但黄铜粉等铜合金粉对硫等的耐腐蚀性高。特别优选金属碳层进一步包含锡。更优选金属碳层包含电解铜粉和黄铜粉，通过电解铜粉得到金属碳层的导电性、强度及与碳层的粘接强度，通过黄铜粉得到对液体燃料中的硫成分等的耐腐蚀性。特别优选金属碳层进一步包含锡。
在金属碳层包含锡的情况下，将熔点为约230℃的锡的液相烧结利用于金属碳层的烧结。因为在锡的熔点以上进行烧结，所以优选热塑性树脂粘合剂的熔点为230℃～400℃，使用例如PPS(聚苯硫醚)、PEEK(聚醚醚酮)、尼龙66、聚四氟乙烯等。在不含有锡的情况下，也可以使用熔点为120℃左右的聚乙烯等作为粘合剂。另外，电解铜粉、黄铜粉等其它的金属粉在230～400℃下不会熔融，因而在金属碳层中也为粉体，且通过热塑性树脂粘合剂与锡相互结合。需要说明的是，在该说明书中，如230～400℃、5～40质量％等通过“～”来表示范围的情况下，规定为如230℃以上400℃以下、5质量％以上40质量％以下等包含下限和上限。
就组成而言，优选金属碳层通过含有5～40质量％的电解铜粉、2～30质量％的锡、20～83质量％的黄铜粉，从而含有合计90质量％以上的金属成分，金属碳层进一步含有0.3～4质量％的热塑性树脂粘合剂，剩余部分为碳。在低温下烧结得到的金属碳层导电性低。因此，通过使用含有5～40质量％的电解铜粉、2～30质量％的锡粉、20～83质量％的黄铜粉，且含有合计90质量％以上的金属成分的金属碳层来确保导电性。而且，通过锡的液相烧结、电解铜粉的缠绕及热塑性树脂粘合剂的熔融或者软化来确保强度。在此，优选含有0.3～4质量％的热塑性树脂粘合剂。另外，优选金属碳层含有黄铜粉和锡等金属成分合计90质量％以上和0.3～4质量％的热塑性树脂粘合剂，剩余部分为碳；碳层含有3～15质量％的与金属碳层中的热塑性树脂粘合剂相同化学式的热塑性树脂粘合剂，剩余部分为碳。
优选碳层含有3～15质量％的与金属碳层中的热塑性树脂粘合剂相同化学式的热塑性树脂粘合剂，剩余部分为碳。特别是，如果使碳与热塑性树脂的质量比在金属碳层和碳层中均相同，且使用相同化学式的热塑性树脂粘合剂，碳粒子之间的键合在金属碳层和碳层中也同等。需要说明的是，化学式相同是指，例如就聚苯硫醚(PPS)而言，化学式为相同的
在此
为亚苯基。
该发明还涉及一种碳换向器的制造方法，所述碳换向器具备由表面侧的碳层和底面侧的金属碳层构成的换向器片，且将换向器片的金属碳层固定于换向器竖片上，所述碳换向器的制造方法的特征在于，将由金属碳层材料和碳层材料这两层材料构成的压缩成型体在热塑性树脂粘合剂的熔点～500℃下进行烧成，所述金属碳层材料含有碳、热塑性树脂粘合剂和金属粉，所述碳层材料含有碳和热塑性树脂粘合剂。
压缩成型和烧成可以在相同模具内进行，也可以从模具中取出另外进行烧成。由于烧成温度很低，所以气氛是任意的，为了避免粘合剂的热分解，优选将烧成温度设定为粘合剂的熔点～400℃。在压缩成型中，可以将换向器竖片设置在模具内，同时进行金属碳层向换向器竖片的压入等和成型。此外，在实施例中，分开进行了压缩成型、烧成和压入等。
金属碳层材料优选含有碳、热塑性树脂粘合剂、黄铜粉和电解铜粉。更优选金属碳层材料含有碳、热塑性树脂粘合剂、黄铜粉、电解铜粉和锡粉，且在230℃～500℃下对压缩成型体进行烧成。特别优选金属碳层材料含有5～40质量％的电解铜粉、2～30质量％的锡粉、20～83质量％的黄铜粉、且含有合计90质量％以上的金属成分，金属碳层材料进一步含有0.3～4质量％的热塑性树脂粘合剂，剩余部分为碳。在该说明书中，关于碳换向器的记载也直接适用于其制造方法。
在该发明中，通过利用热塑性树脂粘合剂进行结合，可以得到使用通过低温烧成且具有充分的电特性和机械特性的金属碳层的碳换向器。在金属碳层中含有电解铜粉时，可以得到更高的强度，在含有黄铜粉等铜合金成分时，对液体燃料中的硫成分等的耐腐蚀性提高。而且，通过含有锡，能够利用锡的液相烧结来增加强度。另外，烧成温度能够通过选择热塑性树脂粘合剂的种类来进行调整。
附图说明
图1为实施例的碳换向器的平面图。
图2为沿图1的II-II方向的碳换向器的截面图。
图3为实施例中的碳板的底面图。
图4为沿图3的IV-IV方向的碳板的截面图。
图5为表示实施例和比较例中的烧成温度与金属碳层的电阻率的关系的特性图。
图6为表示实施例和比较例中的烧成温度与金属碳层的弯曲强度的关系的特性图。
图7为表示实施例和比较例中的金属碳层与碳层之间的边界面抗拉强度的特性图。
具体实施方式
下面示出用于实施本发明的最佳实施例。本发明不限定于实施例，而是基于权利要求的范围来确定，且可以在实施例中加入本领域技术人员公知的事项进行变形。
[实施例]
图1～图7中示出实施例及其特性。图1～图4表示碳换向器2的结构，切断碳板6而成的换向器片8通过压入等被固定于由金属构成的换向器竖片4上，10为轴孔。换向器片8由表面侧的碳层12和压入换向器竖片4的金属碳层14这两层构成，换向器片8相互之间被狭缝16分离，同样地换向器竖片4也相互分离。18为树脂部，以包埋换向器竖片4的方式成型，金属碳层14的突起20被压入换向器竖片4的孔中。另外，碳换向器2的结构本身是任意的。
实施例
步骤1：将黄铜粉(Zn比例为30质量％的水雾化粉、平均粒径为40μm)60质量％、电解铜粉(平均粒径为40μm)20质量％、锡粉10质量％及预先混合有8质量％的PPS(聚苯硫醚)树脂粉末(平均粒径为15μm)的天然石墨(平均粒径为30μm)混合粉10质量％用混合器均匀地混合，得到金属碳层的配合粉(金属碳层材料)。在此，混合有8质量％的PPS树脂粉末的天然石墨混合粉是指PPS为8质量％、天然石墨为92质量％的混合粉。另外，PPS树脂粉末也可以不预先与天然石墨粉混合，而作为PPS粉末单体及天然石墨粉末单体与金属粉进行混合。而且，碳的种类不限于天然石墨，也可以为电化石墨等人造石墨、非晶质碳等，各粉体的平均粒径为任意。金属碳层材料中的金属成分至少为85质量％～95质量％，优选为90质量％～95质量％，剩余部分为石墨及PPS等热塑性树脂。另外，金属成分含有电解铜粉5～40质量％、锡粉2～30质量％、黄铜粉20～83质量％，合计量为85质量％以上、优选90质量％以上、95％质量以下。优选含有热塑性树脂粘合剂0.3～4质量％，特别优选含有0.3～1.5质量％。
步骤2：将上述金属碳层材料填充到规定模具中，在其上填充为另外配合得到的滑动部件的碳层材料，使用上冲头和下冲头进行压缩成型，得到未烧成的碳板。碳层材料由92质量％的平均粒径为30μm的天然石墨和8质量％的PPS构成，优选使碳层材料中的碳和热塑性树脂的质量比与金属碳层材料中的碳和热塑性树脂粘合剂的质量比相同。碳层材料含有例如与金属碳层中相同的热塑性树脂粘合剂3～15质量％，剩余部分为天然石墨、人造石墨、非晶质碳等碳。在金属碳层和碳层中，碳的种类可以不同。另外，也可以将金属碳层的组成分为相对富含金属的下层和相对富含碳的上层等，从而使金属碳层与碳层的界面的组成的变化较为平稳。
步骤3：将未烧成的碳板从模具取出，在例如空气中，在比PPS的熔点略高的300℃下加热烧成，得到碳板。在该过程中，锡粉熔融而将金属成分相互接合，PPS粒子熔融而将金属碳层的各粒子接合。同时，碳层的碳粒子相互被PPS接合，金属碳层与碳层的界面也被接合。另外，在金属碳层与碳层的表面，电解铜粉突出而辅助接合。烧成温度规定为热塑性树脂的熔点以上，优选规定为锡的熔点左右的230℃～500℃，更优选为230℃～400℃。
步骤4：将碳板压入按每个换向器片切断前的换向器竖片中，设置在模具中并注射成型为外壳的树脂。接着，切断碳板和换向器竖片从而形成狭缝，制成碳换向器。将如上得到的碳换向器作为实施例1。
将上述黄铜粉80质量％、上述锡粉10质量％及上述混合粉末10质量％均匀地混合，制成金属碳层的配合粉。另外，混合粉末为将8质量％的PPS树脂粉末(平均粒径为15μm)和平均粒径为30μm的天然石墨粉末92质量％混合而成的粉末。与实施例1相同，将上述混合粉末作为碳层材料。然后，与实施例1同样地，进行压缩成型、在空气中300℃下的烧成和向换向器竖片的压入，从而制作碳换向器，将该碳换向器作为实施例2。
比较例
步骤1：将上述黄铜粉70质量％、与上述相同的锡粉5质量％及预先混合有20质量％的酚醛树脂的天然石墨混合粉末(混合前的石墨的平均粒径为30μm)25质量％用混合器均匀地混合，得到金属碳层的配合粉。
步骤2：将上述金属碳层配合粉填充到规定模具中，在其上填充预先混合有20质量％的酚醛树脂的上述天然石墨混合粉末并压缩成型，得到未烧成的碳板。
步骤3：将未烧成的碳板在还原气体气氛中、900℃或300℃下进行加热烧成。
步骤4：使用烧成完毕的碳板，按照与实施例同样的方法得到碳换向器。以下，将300℃下烧成的碳换向器作为比较例1、将900℃下烧成的碳换向器作为比较例2。
将实施例1、2及比较例1、2的制造条件和特性示于表1。需要说明的是，表中的边界面抗拉强度表示金属碳层与碳层的边界面的抗拉强度。
将实施例和比较例的特性示于表1和图5～图7。图5示出金属碳层的电阻率，图6示出金属碳层的弯曲强度。另外，图7示出边界面抗拉强度。将含有酚醛树脂粘合剂5质量％、且金属成分含量为75质量％的金属碳层材料在300℃下进行烧成时(比较例1)，电阻率为80000μΩ·cm，达到900℃下烧成的比较例2的400倍，弯曲强度为5MPa，为900℃烧成时的1/3以下。如上可知，用酚醛树脂粘合剂进行300℃等低温烧成时，不能得到实用的碳换向器。
对300℃下烧成的实施例1、2(PPS粘合剂为0.8质量％)和900℃下烧成的比较例2(酚醛树脂粘合剂为5质量％)进行比较时，实施例中的电阻率比比较例2高，但弯曲强度与比较例2大致同等或在其以上，金属碳层与碳层的边界面的抗拉强度比比较例2高。如上所述，在实施例中，虽然用300℃的低温烧成、粘合剂含量少达0.8质量％，但综合来看能够得到与900℃下烧成、粘合剂含量为5质量％的比较例2同等的性能。
上述效果得益于以下因素：碳层和金属碳层均含有热塑性树脂粘合剂、并用热塑性树脂粘合剂和锡的液相烧结、及金属碳层中的金属含量高达90质量％。另外，通过在金属碳层中含有电解铜粉，在降低金属层电阻率的同时，提高金属层弯曲强度和边界面抗拉强度，但不含有电解铜粉的实施例2也能够得到实用的性能。
符号说明
2碳换向器
4换向器竖片
6碳板
8换向器片
10轴孔
12碳层
14金属碳层
16狭缝
18树脂部
20突起
Claims (15)
1.一种碳换向器，其特征在于，其具备由表面侧的碳层和底面侧的金属碳层构成的换向器片，且将换向器片的金属碳层固定于换向器竖片上，其中，碳层和金属碳层均包含热塑性树脂粘合剂。
2.根据权利要求1所述的碳换向器，其特征在于，金属碳层包含铜粉，优选包含电解铜粉。
3.根据权利要求1所述的碳换向器，其特征在于，金属碳层包含铜合金粉，优选包含黄铜粉。
4.根据权利要求2所述的碳换向器，其特征在于，金属碳层包含电解铜粉和黄铜粉。
5.根据权利要求4所述的碳换向器，其特征在于，金属碳层进一步包含锡。
6.根据权利要求5所述的碳换向器，其特征在于，热塑性树脂粘合剂的熔点为230℃～400℃。
7.根据权利要求6所述的碳换向器，其特征在于，金属碳层通过含有5～40质量％的电解铜粉、2～30质量％的锡、20～83质量％的黄铜粉，从而含有合计90质量％以上的金属成分，金属碳层进一步含有0.3～4质量％的热塑性树脂粘合剂，剩余部分为碳。
8.根据权利要求7所述的碳换向器，其特征在于，碳层含有3～15质量％的与金属碳层中的热塑性树脂粘合剂相同化学式的热塑性树脂粘合剂，剩余部分为碳。
9.根据权利要求3所述的碳换向器，其特征在于，金属碳层进一步包含锡。
10.根据权利要求9所述的碳换向器，其特征在于，热塑性树脂粘合剂的熔点为230℃～400℃。
11.根据权利要求10所述的碳换向器，其特征在于，金属碳层含有合计90质量％以上的金属成分和0.3～4质量％的热塑性树脂粘合剂，剩余部分为碳；碳层含有3～15质量％的与金属碳层中的热塑性树脂粘合剂相同化学式的热塑性树脂粘合剂，剩余部分为碳。
12.一种碳换向器的制造方法，其特征在于，所述碳换向器具备由表面侧的碳层和底面侧的金属碳层构成的换向器片，且将换向器片的金属碳层固定于换向器竖片上，其中，
将由金属碳层材料和碳层材料这两层材料构成的压缩成型体在热塑性树脂粘合剂的熔点～500℃下进行烧成，所述金属碳层材料含有碳、热塑性树脂粘合剂和金属粉，所述碳层材料含有碳和热塑性树脂粘合剂。
13.根据权利要求12所述的碳换向器的制造方法，其特征在于，金属碳层材料含有碳、热塑性树脂粘合剂、黄铜粉和电解铜粉。
14.根据权利要求13所述的碳换向器的制造方法，其特征在于，金属碳层材料含有碳、热塑性树脂粘合剂、黄铜粉、电解铜粉和锡粉，在230℃～500℃下对压缩成型体进行烧成。
15.根据权利要求14所述的碳换向器的制造方法，其特征在于，金属碳层材料含有5～40质量％的电解铜粉、2～30质量％的锡粉、20～83质量％的黄铜粉，且含有合计90质量％以上的金属成分，金属碳层材料进一步含有0.3～4质量％的热塑性树脂粘合剂，剩余部分为碳。
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