CN109983140A

CN109983140A - 铜石墨刷

Info

Publication number: CN109983140A
Application number: CN201780071558.0A
Authority: CN
Inventors: 赤濑加央理
Original assignee: Tris Inc
Current assignee: Tris Inc
Priority date: 2017-01-19
Filing date: 2017-12-06
Publication date: 2019-07-05
Also published as: WO2018135162A1; JPWO2018135162A1

Abstract

铜石墨刷以硼氧化物或硼酸的形式含有0.1质量％以上且2.0质量％以下的硼化合物，该硼化合物的含量是以B₂O₃进行换算得出的。

Description

铜石墨刷

技术领域

本发明涉及铜石墨刷。

背景技术

本发明涉及作为工业机械用的滑动构件而广泛使用的DC电机用的刷的机械强度的改善，尤其涉及弯曲强度的改善。

DC电机用的刷采用具有滑动性和导电性的铜石墨刷。铜石墨刷所含有的石墨在与对象材料滑动接触时，滑动面磨损而在滑动接触面上形成碳被膜，具有使滑动性提高的效果。另外，铜的导电性优异，且适度地柔软，能够以不易损伤对象材料且不损害滑动性的形态提高导电性。

如上所述，DC电机用的刷在电机内部以加压状态使刷前端面与滑动面抵接，因此，若在刷上施加加压(负荷)并长期使用DC电机，则有可能由于加压带来的影响而产生滑动不良。因此，DC电机用的刷优选弯曲强度高的刷，特别是需要在高温环境下稳定地维持较高的弯曲强度的刷。

在专利文献1(JP2002-80922)中，公开了一种铜石墨刷，其中，包含石墨：10～30质量％、六方晶氮化硼：0.5～4质量％、Ag：0.2～1.5质量％、和余量的Cu(64.5～89.3质量％)。为了提高弯曲强度，该刷具有在与滑动面相交的方向上延伸的Cu相的骨架结构，因此刷中的Cu比变大，承担滑动性的石墨的含量减小为10～30质量％。而且，为了弥补滑动性，含有高价的六方晶氮化硼和Ag。

在专利文献2(WO2007/096989)中，公开了在铜石墨刷中混合聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等树脂，在烧成时使树脂热分解的技术方案。然后，通过热分解后的树脂来结合石墨粒子，得到一定程度的弯曲强度(13MPa)。但是，在实际使用上，有时要求更高的弯曲强度。另外，在刷中大量混合非导电性的树脂的情况下，存在滑动部表面的导电性变差的情形。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：JP2002-80922。

专利文献2：WO2007/096989。

发明内容

发明所要解决的课题

本发明的课题在于，在DC电机中使用的铜石墨刷中，得到具有在高温环境下长期稳定的弯曲强度的铜石墨刷。

用于解决课题的手段

本发明的特征在于，在含有铜和石墨的铜石墨刷中，以硼氧化物或硼酸的形式含有0.1质量％以上且2.0质量％以下的硼化合物，该硼化合物的含量是以B₂O₃进行换算得出的。

硼氧化物例如为B₂O₃，但也可以包含B₂O₂、B₄O₃、B₄O₅等。另外，硼酸例如为H₃BO₃、HBO₂、H₂B₄O₇等。硼酸在300℃以上时容易变化为B₂O₃，有时硼酸由于烧成时的加热而变化为硼氧化物。硼氧化物中以B₂O₃为代表，但烧成时受到部分还原，有时含有B₂O₂等。另外，若放置铜石墨刷，则有时硼氧化物吸湿而转化为硼酸。在本发明中，硼氧化物和硼酸是能够相互转化的物质，区别它们没有意义。硼氧化物、硼酸等也可以含有Na离子等杂质。并且，硼化合物的含量换算成B₂O₃来确定。

H₃BO₃的熔点为184℃，H₂B₄O₇的熔点为140℃，与它们相比为高熔点的B₂O₃的熔点为577℃。硼的化合物在烧成时熔融，作为一种粘合剂发挥作用，因此，铜石墨刷的弯曲强度提高。需要说明的是，在通过300℃以下的低温烧成来制造铜石墨刷的情况下，优选以硼酸的形式来配合硼化合物。

以下，将硼氧化物和硼酸总称为硼化合物，将硼化合物的含量换算为B₂O₃来表示。另外，有时将铜石墨刷简称为刷。如表2所示，刷中的硼化合物的含量为0.1质量％以上2.0质量％以下，烧成后的弯曲强度高，即使在高温下使用，弯曲强度的变化也变小。进而，硼化合物的含量为3.0质量％以上时，在刷表面产生凹凸，但在2.0质量％以下时，外观没有问题。图3表示硼化合物的含量为0.8质量％时的刷表面，图4表示硼化合物的含量为3质量％时的刷表面，图5表示硼化合物的含量为7质量％时的刷表面。在图4、图5中，在刷表面观察到被认为是来自于硼化合物的凹凸。

在本发明中，通过使石墨含量为例如35质量％以上且80质量％以下，因石墨发挥的滑动作用提高，不需要六方晶氮化硼、Ag等高价的润滑剂。需要说明的是，石墨的种类是人造石墨、天然石墨等任意的石墨。另外，来自酚醛树脂等热固化性树脂或热塑性树脂等的非晶质碳不包含在石墨中。进而，刷也可以含有焦炭等不定形碳、二硫化钼、二硫化钨等固体润滑剂、其他添加物和灰分等杂质。如果所述石墨含量低于35质量％，则滑动作用变差，因此不优选。另外，若上述石墨含量高于80质量％，则电解铜粉的量变小，有时导电性变差。铜和石墨为刷的主成分，铜含量例如为15质量％以上且63质量％以下。

铜不限于纯铜，也可以是黄铜等，只要含有铜元素即可。电解铜粉是树状的形状且铜粉相互缠绕而得到高导电性。另外，铜粉的粒度没有特别限制，可以使用10μm以上、100μm以下的铜粉。需要说明的是，即使进行烧成，电解铜粉的粒子形状也不会失去。

硼化合物的含量优选以B₂O₃换算为0.1质量％以上且1.0质量％以下，最优选为0.5质量％以上且1.0质量％以下。硼化合物的含量为0.5质量％以上时，弯曲强度高，高温下的时效变化也变小。如果硼化合物的含量为2.0质量％，则与弯曲强度高的硼化合物的1.0质量％以下的情况相比，高温下的弯曲强度的时效变化变大。另外，若低于0.1质量％，则弯曲强度的提高效果变小，若超过2.0质量％，则外观变差。

在本发明中，硼化合物原则上以粒子状的形态存在于刷中。需要说明的是，并不排除硼化合物的一部分以粒子状以外的形态存在的情况。在实施例中，由于以硼酸等的粉体的形式来配合硼化合物，因此烧成后的存在形态也应该为颗粒状。而且，如图2所示，硼元素与氧元素的分布一致，且与铜元素的分布独立的硼化合物粒子存在于刷中。铜、石墨在刷中形成为粒子状，因此，铜、石墨和硼化合物在刷中分别以粒子状的形态存在。

发明的效果

在本发明中，可得到弯曲强度高，即使在高温下弯曲强度也不易随时间变化的铜石墨刷。

附图说明

图1是实施例的铜石墨刷的侧视图。

图2是表示刷的切断面的SEM图像和B、O、Cu元素的EPMA像的照片。

图3是表示实施例的刷表面(硼化合物含量为0.8质量％)的照片。

图4是表示比较例的刷表面(硼化合物含量为3质量％)的照片。

图5是表示比较例的刷表面(硼化合物含量为7质量％)的照片。

具体实施形态

以下示出用于实施本发明的最佳实施例。本发明并不限于实施例，能够基于权利要求的范围来确定，并且能够对实施例增加本领域技术人员公知的事项来进行变形。

实施例

刷的结构

图1表示实施例的铜石墨刷2(以下称为“刷”)，4是与整流子等滑动对象8的滑动面，刷2具备引线6，并沿图中箭头的方向朝向滑动面4被加压。刷2可以是单层也可以是两层或三层，在多层的情况下，只要在任意一层中含有规定量的硼化合物即可。

刷的制造

对天然鳞状石墨混合溶解在甲醇中的酚醛树脂，用搅拌机均匀地混炼，用干燥机将甲醇干燥后，用冲击型粉碎机粉碎，用80目的筛(198μm的筛)筛分，得到树脂处理石墨粉体。向该树脂处理石墨粉体部加入电解铜粉(平均粒径40μm)、硼酸(H₃BO₃)的粉末和二硫化钼，用V型混合机混合，得到混合粉末。H₃BO₃可以换成H₂B₄O₇等其他的硼酸，也可以换成B₂O₃等硼氧化物，硼化合物作为粉末混合。二硫化钼也可以换成二硫化钨等其他固体润滑剂，也可以含有除此以外的成分。

需要说明的是，从润滑性的观点出发，优选使石墨含量为35质量％以上，随之使Cu含量为64质量％以下，从导电性的观点出发，优选使Cu含量为19质量％以上，随之使石墨含量为80质量％以下。需要说明的是，即使改变Cu与石墨的比例，硼化合物含量对刷的弯曲强度和外观的影响也与表1所示的实施例和比较例相同。

以将混合粉末从料斗投入模具内，并埋入引线6的前端的形态，在4×10⁸Pa(48×9800N/cm²)的压力下进行模塑成型，在还原环境的电炉中在700℃条件下进行烧结，得到表1所示组成的刷。需要说明的是，烧成温度优选为600～1000℃。

表1

*单位为质量％，余量为来自酚醛树脂的碳为1.3质量％、二硫化钼为0.8质量％、灰分为0.2质量％。

图2表示实施例6中的刷的切断面的EPMA(Electron Probe Micro Analysis：电子探针显微分析)图像。B元素的分布与O元素的分布大致一致，与Cu元素的分布不一致。这表示硼以硼的氧化物或硼酸的形式并且以粒子状的形态存在。另外，这也与以硼酸(H₃BO₃)的形式来配合硼的情况相对应。

图3是表示实施例4的刷表面的照片，图4是表示比较例2的刷表面的照片，图5是表示比较例4的刷表面的照片。照片的刷是通过上述实施例中记载的制造方法制作而成的试验片，尺寸为20mm×10mm×5mm。在以B₂O₃换算的硼含量为0.1～2质量％的实施例中，刷的表面平滑且能够直接使用，但在硼含量为3～7质量％的比较例中，在刷的表面出现被认为是因硼酸产生的块，在表面产生凹凸。而且，该块在刷的使用中容易脱落，因此硼含量为3质量％以上的比较例并不实用。

无论在实施例还是在比较例中，刷的电阻率等都在实用上没有问题的范围内。测定烧成后的刷的弯曲强度和在200℃条件下时效处理100小时后以及在200℃条件下时效处理400小时后的弯曲强度。需要说明的是，弯曲强度为三点弯曲强度。弯曲强度和刷的外观的评价结果如表2所示。

表2

*弯曲强度根据JIS Z 2248“金属材料弯曲试验方法”来测定。

*100小时后表示在200℃条件下100小时后的弯曲强度，400小时后表示在200℃条件下400小时后的弯曲强度。

*强度为MPa单位，随时间变化为200℃条件下400小时的时效处理引起的弯曲强度的变化。

*将外观为刷的表面平滑且可直接使用的情况记作○；将外观为虽然在表面有块但若切削则能够使用的情况记作△；将外观为在表面有多个块而不能使用的情况记作×。

由表2可知以下内容。在以B₂O₃换算，硼化合物浓度低于0.1质量％的情况中，刷的弯曲强度不足。在0.1质量％以上且小于0.5质量％的情况中，弯曲强度虽然提高但稍低。在0.5质量％以上且1.0质量％以下的情况中，弯曲强度高，高温下的弯曲强度的随时间变化也小。在超过1.0质量％且为2.0质量％以下的情况中，虽然弯曲强度高，但高温下的弯曲强度的随时间变化稍微变大。在超过2.0质量％的情况中，由于外观不良而无法使用，并且有时在时效试验中产生裂纹。因此，硼化合物的含量设为0.1质量％以上且2.0质量％以下，优选为0.1质量％以上且1.0质量％以下，最优选为0.5质量％以上且1.0质量％以下。

如上所述，本发明的DC电机用的铜石墨刷的弯曲强度高，并且高温下的随时间变化小，因此能够长时间维持特性。因此，可以特别适用于汽车的电机、交流发电机等那样在高温下长期使用的滑动构件。

符号的说明

2铜石墨刷；4滑动面；6引线；8滑动对象。

Claims

1.一种铜石墨刷，其含有铜和石墨，其特征在于，

以硼氧化物或硼酸的形式含有0.1质量％以上且2.0质量％以下的硼化合物，该硼化合物的含量是以B₂O₃进行换算得出的。

2.根据权利要求1所述的铜石墨刷，其中，含有35质量％以上且80质量％以下的石墨。

3.根据权利要求1或2所述的铜石墨刷，其中，作为铜含有电解铜粉。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的铜石墨刷，其中，含有0.1质量％以上且1.0质量％以下的硼化合物，该硼化合物的含量是以B₂O₃进行换算得出的。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的铜石墨刷，其中，以粒子状的形态含有硼化合物。

6.根据权利要求5所述的铜石墨刷，其中，铜、石墨和硼化合物分别以粒子状的形态存在。