CN114556720B

CN114556720B - 以银为主成分的金属石墨质接地电刷及其制造方法

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Publication number: CN114556720B
Application number: CN202080067667.7A
Authority: CN
Inventors: 池田光男; 金川浩忠; 广田充弘; 西村喜弘
Original assignee: Tris Inc
Current assignee: Tris Inc
Priority date: 2019-11-25
Filing date: 2020-11-18
Publication date: 2024-06-04
Anticipated expiration: 2040-11-18
Also published as: JP2021086668A; EP4068520A1; CN114556720A; EP4068520A4; WO2021106700A1; US20230006405A1; JP7250337B2; US11764532B2

Abstract

以银为主成分的金属石墨质接地电刷与轴的圆周面滑动接触，并将轴接地。电刷中的银与含挥发成分的碳质的质量比为：银超过30％且为90％以下、碳质低于70％且为10％以上，在将银和碳质的合计质量设定为100％时，挥发成分的含量为2.0％以上且15％以下。该金属石墨质接地电刷可确实地将轴接地，抑制对汽车收音机的噪音等，而且寿命长并具备强度。

Description

以银为主成分的金属石墨质接地电刷及其制造方法

技术领域

本发明涉及以降低电磁噪声为目的的以银为主成分的金属石墨质接地电刷及其制造方法。本发明涉及例如将马达驱动的汽车的驱动轴接地的电刷，尤其涉及降低汽车的对汽车收音机的电磁噪声的接地电刷。

背景技术

汽车的驱动方式正在从发动机驱动向马达驱动转变。特别是为了削减温室效应气体，全世界在推进不具有发动机的电动汽车的开发和普及。电动汽车的加速减速通过利用变换器控制马达的转速来进行，车载计算机基于各式各样的输入信息来控制变换器。

变换器通过电流的断续来变换电压及频率。因此产生高频能量，高频能量经由电动汽车的驱动轴等而泄漏到外部，产生电磁噪声。而且电磁噪声对汽车的控制设备、车载电子设备、汽车收音机等音响设备产生不良影响，特别是在汽车收音机的声音中混入杂音。另外，这样的问题并不局限于电动汽车，通过发动机和马达的双方来行驶的混合动力车也同样。

示出相关联的现有技术。专利文献1(日本特表2016-525329)提出了含有1～8％银的碳质的接地电刷。但是，专利文献1的接地电刷对于将汽车的变换器接地而言电阻过高。

专利文献2(日本特开2007-60861)提出了含有大约70质量％银的旋转电机用的电刷。该电刷与整流子滑动接触，通过银粒子研磨整流子表面的氧化覆膜，抑制整流子火花的发生。其结果是，谋求旋转电机的低噪音化。但是，专利文献1没有示出将变换器接地。此外，低噪音化的机理是抑制整流子火花，不是轴的接地。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特表2016-525329

专利文献2：日本特开2007-60861

发明内容

发明要解决的问题

本发明的课题在于提供一种接地电刷(grounding brush)，该接地电刷具有与旋转电机用的通常的电刷匹敌的强度和寿命，且能够将来自马达驱动的汽车的驱动轴的电磁噪声有效地接地。

本发明的课题例如在于有效率地抑制汽车的对汽车收音机的噪声。

另外，本发明作为对象的噪声不仅包括经由上述的轴等泄漏到外部的高频能量，而且还可以是沿着电缆流动的电信号，还包括从电子设备的机箱放射的电磁波。也就是说，本发明中，将从电动汽车、混合动力车的电子设备非有意产生的电磁波称为电磁噪声。

用于解决问题的手段

本发明提供一种以银为主成分的金属石墨质接地电刷，其特征在于，其与轴的圆周面滑动接触，并将所述轴接地，

其中，电刷中的银与含挥发成分的碳质的质量比为：银超过30％且为90％以下、碳质低于70％且为10％以上；

在将银和碳质的合计质量设定为100％时，挥发成分的含量为2.0％以上且15％以下。

在本说明书中，按银和碳质的质量比示出电刷的基本组成，有机物的挥发成分作为碳质的一部分示出组成。电刷中除银以外也可以加入铜等金属成分，此外也可以加入固体润滑剂、研磨剂等无机物。如果将银和碳质的合计设定为100质量％而示出这些第3成分的浓度，则固体润滑剂、研磨材等添加剂例如为5质量％以下，优选设定为2质量％以下。

优选电刷的电阻率为1000μΩ·cm以下，特别优选为100μΩ·cm以下。只要电刷的电阻率在此范围，就具有降低电磁噪声的效果。

此外，优选所述挥发成分为粘合剂树脂的未碳化物，特别优选所述挥发成分为热固性树脂的未碳化物。如果选择电刷的烧成条件，则粘合剂树脂以未碳化原状不完全分解而残存于电刷中。这样的挥发成分因使电刷的强度提高，且使电刷的磨损量减小，从而提高电刷寿命。

优选的是，通过包含银粉或表面涂银的金属粉(例如涂银的铜粉)、且不含粘合剂树脂的埋入材料，将引线埋入在电刷的孔部内。如果用包含银粉或表面涂银的金属粉的埋入材料埋入引线，则与在电刷的冲压时埋入引线时相比，可提高电刷和引线间的导电性。此外，包含银粉或表面涂银的金属粉的埋入材料适合于以银和石墨为主成分的电刷主体。埋入材料不含粘合剂树脂，也可提高引线和电刷间的导电性。

银碳质接地电刷与马达驱动的汽车的驱动轴的圆周面滑动接触，将驱动轴接地在所述汽车的车体上。由此降低汽车内的电磁噪声，特别是降低对汽车收音机的噪声。所谓马达驱动的汽车，是通过2次电池或燃料电池而行驶的汽车、及具备2次电池的通过发动机和马达而行驶的汽车。驱动轴是将马达的动力传递至汽车的驱动轮的轴。

在本发明的制造方法中，制造与轴的圆周面滑动接触、与所述轴接地的以银为主成分的金属石墨质接地电刷。本发明的制造方法的特征在于：

通过进行将银粉、石墨粉和合成树脂粘合剂混炼而形成电刷材料的步骤和对所述电刷材料进行冲压成型而形成冲压成型体的步骤，来制造电刷；

所述电刷中的银与碳质的质量比为：银超过30％且为90％以下、碳质低于70％且为10％以上，所述碳质包含来自所述合成树脂粘合剂的挥发成分和石墨，且在将银和碳质的合计质量设定为100％时，挥发成分的含量为2.0％以上且15％以下。另外，挥发成分因通过烧成而减少，所以不是电刷原料的组成范围，制造的电刷的组成范围是重要的。

如果作为轴结构来考虑本发明，则轴结构具备：

轴、与其圆周面滑动接触且将所述轴接地的以银为主成分的金属石墨质接地电刷、维持接地电刷与轴的圆周面的接触的弹簧；

电刷中的银与含挥发成分的碳质的质量比为：银超过30％且为90％以下、碳质低于70％且为10％以上；

在将银和碳质的合计质量设定为100％时，挥发成分的含量为2.0％以上且15％以下；

施加给电刷的弹簧压为1.6kg/cm²以下，例如为0.1kg/cm²以上且1.6kg/cm²以下，优选为0.3kg/cm²以上且1.6kg/cm²以下。轴例如为马达驱动的汽车的驱动轴。

说明书中的有关电刷自身的记载也直接适用于电刷的制造方法及轴结构。

发明效果

如果增大电刷中的银的比例，则电刷的电阻率下降。但是，在除去来自轴的噪音时，与电刷自身的电阻率相比，包含电刷与轴的接触电阻的整体的电阻是重要的。另外，在本说明书中，将在电刷自身的电阻中加上了电刷与轴的接触电阻的电阻简称为“接触电阻”。而且，根据实验，如果将银和碳质的总量设定为100质量％时的银的比例超过90％，则低温时的接触电阻变得不稳定，有时示出异常高的值。(图5、图6)。

接着，在银含量低于30％时，电刷的电阻率非常高，超过1000μΩ·cm。因此，在将银和碳质的总量设定为100质量％时，设定为银超过30％且为90％以下、碳质低于70％且为10％以上。优选在将银和碳质的总量设定为100质量％时，设定为银50％以上且75％以下、碳质50％以下且25％以上。在该范围时，电刷的接触电阻较小，而且电刷的电阻率为100μΩ·cm以下。所以，能够大大减小来自轴的电磁噪声。

一般在电刷原料中添加粘合剂树脂等有机物。如果在相对低的温度下对电刷进行烧成，则粘合剂等有机物因以达不到完全的碳化的程度热分解，而作为挥发性的未碳化物残存。电刷中的挥发成分量影响电刷的磨损量，在将银和碳质的总量设定为100质量％时，挥发成分为2.0质量％以上，电刷的强度增大，因此磨损量减小。此外，如果挥发成分超过15质量％，则因烧成时发生大量的气体，而使电刷容易产生崩碎、膨胀等。因此，在将银和碳质的总量设定为100质量％时，将挥发成分设定为2.0质量％以上且15质量％以下。

上述的挥发成分优选设为粘合剂树脂的未碳化物，特别优选设为热固性树脂的未碳化物，实施例中设为酚系树脂的未碳化物。也可使用其它的热固性树脂，例如呋喃系树脂、二甲苯系树脂、热固化性聚酰亚胺树脂等。此外，作为热塑性树脂，还可使用PPS(聚苯硫醚)、PEEK(聚醚醚酮)、PTFE(聚四氟乙烯)、POM(聚甲醛)、PI(聚酰亚胺)等。

本发明的银碳质接地电刷与马达驱动的汽车的驱动轴的圆周面滑动接触，将所述驱动轴接地在所述汽车的车体上。由此，降低汽车的对控制设备、电子设备及音响设备的电磁噪声，尤其降低对汽车收音机的噪声。

附图说明

图1是表示实施例的电刷的使用状态的图。

图2是实施例的电刷的立体图。

图3是实施例的电刷的侧视图。

图4是表示实施例中的接触电阻的测定法的图。

图5是表示转速500rpm时的实施例和比较例的电刷的接触电阻的特性图。

图6是表示转速5000rpm时的实施例和比较例的电刷的接触电阻的特性图。

图7是表示转速500rpm时的含铜的实施例的电刷的接触电阻的特性图。

具体实施方式

以下示出用于实施本发明的最佳实施例。本发明并不限定于实施例，而基于权利要求范围来确定，且实施例中可加入本领域技术人员公知的事项而进行变形。

实施例

接地电刷的构造和使用状态

图1～图6中示出实施例和其特性。图1示出实施例的以银为主成分的金属石墨质接地电刷的使用状态，图2示出接地电刷1的构造。2是电刷主体，例如安装有引线3。电刷主体2例如为长方体状，滑动接触面4与汽车的驱动轴滑动接触。5为孔部，与埋入材料6一同埋入引线3。此外，埋入材料为银粉或表面涂银的金属粉(例如表面镀银的铜粉)，不含粘合剂树脂。通过用埋入材料6将引线3的一端固定在孔部5内，能够减小电刷主体2与引线3之间的电阻。此外，埋入材料6和电刷主体1因都含银，所以相互的磨合良好。另外，接地电刷2的形状和构造是任意的，也可以没有引线3。

10是汽车的驱动轴，电刷主体2的滑动接触面4与其圆周面滑动接触，经由引线3将驱动轴2接地在车体上。使用的汽车是电动汽车或是通过电池和发动机的双方行驶的混合动力车。控制计算机14控制变换器13，变换器13控制马达12的转速。通过变速机11减速马达12的旋转，经由驱动轴10使车轮旋转。

接地电刷的制造

将银粉、石墨粉、粘合剂树脂及根据需要的添加剂混合，对电刷主体2进行冲压成型。接着在还原性气氛等中对电刷主体2进行烧成，形成接地电刷1。为提高电刷主体2的强度和导电性，优选形状为树枝状的电解银粉。石墨粉可采用例如天然或人造的石墨粉。粘合剂树脂例如为热固性树脂，在该树脂不完全分解而作为未碳化物残存在电刷主体2中的温度下，例如在200℃～600℃下对电刷主体2进行烧成。

通过冲压成型来成型成图2、图3的形状，但也可以通过冲压成大的成型体，接着将成型体切断，安装引线3，形成图2、图3的电刷1。

通过切削加工机将烧成后的电刷主体2加工成图2、图3的形状，设置孔部5。接着，通过埋入材料6将引线3埋入孔部5内，通过加压将埋入材料6压缩，将引线3的端部固定在孔部5内，形成电刷成品。作为埋入材料，可使用铜、银等金属粉及对它们进行了表面涂覆的金属粉等，特别优选银粉或用银涂覆了金属粉表面的金属粉(例如用银涂覆了表面的铜粉)。埋入材料6不含粘合剂树脂，优选不含上述金属粉以外的材料。

接地电刷的形状

电刷的形状设为图2的形状，电刷主体2的长度L为16mm，深度D为5mm，宽度W为5mm。引线3为未镀的铜裸线的绞合线，直径为1.0mm，埋入部的深度为3.0mm。

本说明书中，碳的质量中包含粘合剂树脂的质量，按将银和碳的合计设定为100质量％的浓度计，规定它们的含量。优选粘合剂树脂在原料阶段含有2.5～22质量％。此外，银浓度一般为超过30％且90％以下，含有碳低于70质量％且10质量％以上。优选含有50质量％以上且75质量％以下的银，含有50质量％以下且25质量％以上的碳。挥发成分含有2.0质量％以上且15质量％以下，优选含有2.5质量％以上且10质量％以下。添加剂为二硫化钼、二硫化钨等固体润滑剂、二氧化硅等磨削材，添加的有无是任意的，其浓度相对于电刷主体2例如为2质量％以下，优选为1质量％以下。

实验例

将鳞片状天然石墨、酚醛树脂粘合剂和丙酮混炼，以通过32目的筛的方式进行粉碎，形成带粘合剂的石墨粉。用V型混合机将平均粒径15μm的电解银粉与带粘合剂的石墨粉混合，形成电刷主体2的材料。粘合剂浓度为除去溶剂丙酮的净含量。添加剂的种类和有无是任意的。表1中示出实施例的材料组成和电刷的特性，表2中示出比较例的材料组成和电刷的特性。材料组成用将银和碳的合计设定为100质量％的浓度来表示。

将电刷主体材料压缩成型，在还原性气氛中在300℃～700℃进行烧成，制造接地电刷1。对制造的接地电刷1，按以下测定电刷主体2中的银浓度和(含挥发成分的)碳浓度。

银和碳的定量法

将烧成后的接地电刷切削成粉末状，称量5.0g，溶解于将比重1.38的硝酸水溶液用纯水以体积比1∶1稀释而得到的硝酸水溶液15mL中，用加热器煮沸，在使银完全溶解后，用定量滤纸(No.5A)分离不溶部分，得到硝酸银水溶液。在该水溶液中，每次少量地添加0.2mol/L的盐酸水溶液使氯化银析出，直到不产生沉淀。用重量法从得到的氯化银求出银的含量。此外，从滤纸上的不溶部分的干燥重量，求出碳含量(在含有银和碳以外的添加剂时，为碳和添加剂的合计含量)。在接地电刷含有添加剂时，将在大气气氛中用900℃以上的电炉把接地电刷烧成15小时以上后的剩余量作为添加剂含量。在接地电刷含有银以外的金属例如铜时，采用过滤了氯化银的溶液，采用PAN指示剂，通过EDTA测定铜等的浓度。另外，采集的接地电刷材料为电刷主体2中除孔部5以外的部分的材料。

表3、表4中示出烧成后的电刷主体2中的银浓度和包含石墨及挥发成分的碳浓度及挥发成分浓度。另外，无视添加剂，用将银和碳的合计设定为100质量％的浓度来表示。

挥发成分浓度

按以下测定电刷主体2的挥发成分浓度。用切刀前端将电刷主体切削成粉末状，将5mg±0.2mg的试样各制作3个。将试样投入差热天平(Rigaku株式会社制造的TG-DTATG8120)中，在氮气氛中(氮流量为200mL/min)从室温以20℃/min的升温速度加热到902℃。另外，本发明的测定开始温度为空调下的室温，在JIS Z 8703中确定的常温范围内(5～35℃)。加热结束后，从重量减少曲线读取加热前后的重量，求出重量减少率。对3个试样进行上述测定，将重量减少率的平均值用电刷主体中的银和碳的合计浓度进行修正，作为挥发成分浓度。

电刷的电阻率

在滑动接触面4和其相反面之间施加直流电流，使2个端子以10mm的间隔与电刷主体2(试样数4)的一个侧面(在图2的右侧看到的侧面)接触，通过4端子法测定电压下降值。同样对相反的侧面也同样地测定电压下降值，每1个试样得到两个数据。从2×4个的测定数据的平均值，求出电刷主体2的电阻率。

接触电阻

图4示出接触电阻的测定法。使一对电刷1、1平行地与电动汽车的驱动轴10(铬钼钢制，直径10mm，表面无油膜)滑动接触。通过弹簧8，以1.56kg/cm²的弹簧压将电刷1向轴10侧加压。如图4所示的那样，连接直流电源16、电阻17及电压计18，从电阻17的电压，测定电刷1、1的主体电阻、电刷1、1与轴10间的接触电阻及轴10内的电阻的合计值。轴10内的电阻较小，电刷1、1主体的电阻固定，变动的主要原因是接触电阻。一边变更气氛温度及轴的转速，一边测定电阻的合计值。测定结果中的电阻的变动要素显示电刷1、1和轴10的实际的接触电阻。图5、图6中示出测定结果。另外，在实际的轴结构中，通过弹簧8例如使1个电刷1与驱动轴10的圆周面接触。

磨损量

与接触电阻的测定同样地，使电刷1与轴10滑动接触。其中，将气氛温度设定在80℃，将轴的转速设定为10000rpm，测定200小时滑动接触后的电刷长度方向的长度，将测定前后的尺寸差作为磨损量。

结果

参照表1～表4，研究结果。各表中组成的单位均为质量％。另外，表1、表2的挥发成分量不是电刷中的挥发成分浓度。例如表1的实施例1示出6.6质量％的粘合剂以5.2质量％的挥发成分残存。在该例子中，因烧成时的分解而损失相当于1.4质量％的粘合剂，所以如表3所示的那样，烧成前的银浓度70％在烧成后变化成71％，石墨浓度从23.4％增加至23.7％，烧成后的挥发成分浓度为5.3％。表3、表4中示出电刷中的挥发成分浓度等。

表2

表3烧成后的电刷主体的组成(实施例)

	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	实施例5	实施例6
							Ag	71	34	85.5	56.2	74.3	71.6
碳	29	66	14.5	43.8	25.7	28.4
							明细：石墨	23.7	56	11.8	35.8	20.3	26.1
明细：挥发成分	5.3	10	2.7	8.0	5.4	2.3

表4烧成后的电刷主体的组成(比较例)

	比较例1	比较例2	比较例3	比较例4
					Ag	26	95.4	83.5	32.3
碳	74	4.6	16.5	67.7
					明细：石墨	61	2.5	14.4	48.0
明细：挥发成分	13	2.1	2.1	19.7

结果

随着挥发成分量减少，磨损量增加，在挥发成分量为1.8质量％的比较例3中磨损量超出容许范围。与此相对，在挥发成分为2质量％以上的实施例6、比较例2中，磨损量在容许范围内。因此，将挥发成分浓度的下限设定为2质量％。如果挥发成分浓度增大，则烧成时电刷主体2产生膨胀或崩碎，由于在19.5质量％(比较例4)时在容许范围外，在12.6质量％(比较例1)时在容许范围内，所以将挥发成分浓度的上限设定为15质量％。优选将挥发成分浓度设定为2.0质量％以上且10质量％以下。

电刷主体2的电阻率与银浓度一同减小，在为32质量％的实施例2及比较例4中在容许范围内，在为25质量％的比较例1中在容许范围外，所以将银浓度设定为超过30质量％。如果将银浓度设定为50质量％以上，则电刷主体2的电阻率变得十分低(实施例1、3～6、比较例3)，因此是优选的。

图5(500rpm)和图6(5000rpm)中示出电刷的接触电阻。图5、图6中均在比较例2(银浓度95质量％)中，接触电阻的变动激烈，平均值也高。特别是在气氛温度相对较低、转速较低的区域(图5)中，比较例2的接触电阻的变动显著。此外，在转速较高时(图6)，比较例2中接触电阻的变动也激烈，平均值也较高。在银浓度为77质量％的实施例1及为55质量％的实施例4中，接触电阻较低且稳定，变动也小。另外，在银浓度为85质量％的实施例3(图6)中，得到了比较例2和实施例1、4的中间的结果。

如果使电刷1与驱动轴10接触的弹簧压过大，则磨损量增加，如果过小则接触变得不稳定。优选的弹簧压为1.6kg/cm²以下，例如为0.1kg/cm²以上且1.6kg/cm²以下，优选为0.3kg/cm²以上且1.6kg/cm²以下。

这与官能试验中的电动汽车的来自汽车收音机的噪音的强弱对应。也就是说，比较例2中在从低速行驶的加速时在汽车收音机中混入不愉快的杂音，但在实施例1～6中来自汽车收音机的噪音小，在实施例1、4、5、6中来自汽车收音机的噪音特别小。实施例1、4中得到了最优异的结果，由于实施例3次于上述结果，所以电刷主体2的银浓度优选为50质量％以上且75质量％以下。

实施例中，得到了磨损量小、电刷主体形状无崩碎及膨胀、电刷主体的电阻率也低、且与驱动轴的接触电阻小的接地电刷。

Ag-Cu混合系

只要是少量，除银以外也可以含有铜等其它金属。在此种情况下，也将银和含挥发成分的碳质的质量比设定为银超过30％且为90％以下、碳质低于70％且为10％以上，除银和碳质以外，例如也可以含有铜和固体润滑剂等添加物。铜等其它金属的相对于电刷主体的浓度例如为20质量％以下，优选为16质量％以下，更优选为12质量％以下，特别优选为6质量％以下，最优选为5质量％以下。银以外的金属虽不改善电刷的特性，但与银相比一般比较廉价。

除了采用0.5质量％二硫化钼，将银粉的一部分置换成5质量％、10质量％或20质量％的电解铜粉以外，与实施例1同样地制造了接地电刷(实施例7～9)。其它的制造条件与实施例1相同。表5中示出电刷主体的原料组成和400℃烧成后的挥发成分浓度。

表5

图7中示出与图5相同的测定条件下的电刷和轴间的接触电阻。如果混合10质量％以上的铜则性能下降，在20质量％时如果选择使用环境则可使用，在10质量％时为低性能，但大致在全温度下可使用，在5质量％时在全温度下可使用。

符号说明

1－接地电刷、2－电刷主体、3－引线、4－滑动接触面、5－孔部、6－埋入材料、8－弹簧、10－驱动轴、11－变速机、12－马达、13－变换器、14－控制计算机、16－直流电源、17－电阻、18－电压计。

Claims

1.一种以银为主成分的金属石墨质接地电刷，其特征在于，其是用于降低电磁噪声的接地电刷，其与轴的圆周面滑动接触，并将所述轴接地，

2.根据权利要求1所述的以银为主成分的金属石墨质接地电刷，其特征在于，所述电刷的电阻率为1000μΩ·cm以下。

3.根据权利要求1所述的以银为主成分的金属石墨质接地电刷，其特征在于，所述挥发成分为粘合剂树脂的未碳化物。

4.根据权利要求3所述的以银为主成分的金属石墨质接地电刷，其特征在于，所述挥发成分为热固性树脂的未碳化物。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的以银为主成分的金属石墨质接地电刷，其是用于通过与马达驱动的汽车的驱动轴的圆周面滑动接触，并将所述驱动轴接地在所述汽车的车体上，从而降低所述汽车内的电磁噪声。

6.根据权利要求5所述的以银为主成分的金属石墨质接地电刷，其特征在于，其用于降低汽车收音机的噪声。

7.一种以银为主成分的金属石墨质接地电刷的制造方法，其特征在于，其是与轴的圆周面滑动接触、并将所述轴接地的以银为主成分的金属石墨质接地电刷的制造方法，所述接地电刷用于降低电磁噪声，

其通过进行将银粉、石墨粉和合成树脂粘合剂混炼而形成电刷材料的步骤和对所述电刷材料进行冲压成型而形成冲压成型体的步骤，来制造下述电刷，

所述电刷中的银与碳质的质量比为：银超过30％且为90％以下、碳质低于70％且为10％以上，所述碳质包含来自所述合成树脂粘合剂的挥发成分和石墨，且在将银和碳质的合计质量设定为100％时，挥发成分的含量为2.0％以上且15％以下。

8.根据权利要求7所述的以银为主成分的金属石墨质接地电刷的制造方法，其特征在于，在所述冲压成型步骤之后，在200℃以上且600℃以下对所述冲压成型体进行烧成。