JP2012178967A - カーボンコンミテータ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【構成】
カーボンコンミテータのセグメントは表面側のカーボン層と底面側の金属カーボン層とを備え、カーボン層と金属カーボン層は共に熱可塑性樹脂バインダーを含む。
【効果】
低温焼成でも十分な電気的特性と機械的特性とが得られる。
【選択図】 図５

Description

この発明は、カーボン層と金属カーボン層とを備えたカーボンコンミテータと、その製造方法とに関する。

カーボンコンミテータは燃料ポンプモータ等に使用され、カーボン系のセグメントがブラシと接触し、セグメントは金属端子としてのライザ片に固定されている。カーボンコンミテータでは、燃料中のアルコール及び硫化物等による、セグメント中の金属成分の腐食が問題になる。この点に関し、特許文献１（JP２００２−３６９４５４A）では、セグメントを表面側のカーボン層と、ライザ片側の金属カーボン層の２層で構成し、金属カーボン層をアルコール等から隔離している。そして金属カーボン層に突起を設けて、ライザ片の孔に圧入してセグメントを固定し、半田付け等を不要にしている。また金属カーボン層では、金属の腐食を防止するため銅ではなく黄銅を用い、液相焼結を行うため錫を混合し、さらにバインダーとしてカーボン層と金属カーボン層とに共にフェノール樹脂を用いている。

特許文献２（WO９９／０８３６７）も同様に、カーボン層と金属カーボン層の２層を備えたカーボンコンミテータを開示し、金属カーボン層では電解銅粉と錫粉とカーボンとを用い、フェノール樹脂をバインダーとして800〜850℃で焼成している。錫粉の溶融により液相焼結が行われ、バインダーによりカーボン層と金属カーボン層中のカーボンが焼結される。

特許文献１，２のカーボンコンミテータでは、フェノール樹脂をバインダーとするため、フェノール樹脂が炭化してバインダーとして機能を発揮する700℃以上の温度で焼成が行われる。しかしながらより低温で焼成したカーボン層の方が、摺動特性に優れることもある。発明者は、フェノール樹脂をバインダーとして金属カーボン層を低温で焼成すると、強度が全く不足することを見出し、低温で焼成できる金属カーボン層の組成とカーボンコンミテータの製造方法とを見出し、この発明に至った。

JP２００２−３６９４５４A WO９９／０８３６７

この発明の課題は、低温焼成で十分な電気的特性と機械的特性とを有する金属カーボン層を用いたカーボンコンミテータと、その製造方法を提供することにある。

この発明は、表面側のカーボン層と底面側の金属カーボン層とからなるセグメントを備え、セグメントの金属カーボン層をライザ片に固定したカーボンコンミテータにおいて、カーボン層と金属カーボン層は共に熱可塑性樹脂バインダーを含むことを特徴とする。熱可塑性樹脂のバインダーは溶融あるいは軟化することにより、各層内でバインダーとして作用すると共に、カーボン層と金属カーボン層とを結合する。このため低温での焼成により、実用的な強度と導電性とを備えたカーボンコンミテータが得られる。

好ましくは、金属カーボン層は銅粉、例えば電解銅粉を含む。電解銅粉は樹枝状の形状をし、他の粒子と絡み合うことにより金属カーボン層に強度と導電性を与え、またカーボン層と金属カーボン層との界面に引っ掛かりを形成する。また好ましくは、金属カーボン層は銅合金粉、例えば黄銅粉、青銅粉、銅ニッケル合金粉、特に好ましくは黄銅粉を含み、黄銅粉中の亜鉛含有量は例えば10〜40質量%とする。銅粉は液体燃料中に含まれる硫黄分等により腐食されることがあるが、黄銅粉等の銅合金粉は硫黄等に対する耐食性が高い。より好ましくは、金属カーボン層は電解銅粉と黄銅粉とを含み、電解銅粉により金属カーボン層の導電性と強度、及びカーボン層との接着強度を得、黄銅粉により液体燃料中の硫黄分等に対する耐食性を得る。

特に好ましくは金属カーボン層はさらに錫を含み、融点が約230℃の錫の液相焼結を金属カーボン層の焼結に利用する。錫の融点以上で焼結するので、熱可塑性樹脂バインダーは融点が230℃〜400℃であることが好ましく、例えばPPS（ポリフェニレンサルファイド）、PEEK（ポリエーテルエーテルケトン）、66ナイロン、ポリテトラフルオロエチレン等を用いる。錫を含有させない場合、融点が120℃付近のポリエチレン等もバインダーとして使用できる。なお電解銅粉、黄銅粉等の他の金属粉は230〜400℃では溶融せず、金属カーボン層中でも粉体であり、錫と熱可塑性樹脂バインダーによって互いに結合されている。なおこの明細書において、230〜400℃，5〜40質量%等のように”〜”により範囲を示した場合、230℃以上で400℃以下、5質量%以上で40質量%以下、等のように下限と上限とを含むものとする。

組成に関しては、金属カーボン層は、電解銅粉を5〜40質量%、錫を2〜30質量%、黄銅粉を20〜83質量%含有することにより金属成分を合計90質量%以上含有し、さらに熱可塑性樹脂バインダーを0.3〜4質量%含有し、残部がカーボンであることが好ましい。低温で焼結した金属カーボン層は導電性が低い。そこで電解銅粉を5〜40質量%、錫粉を2〜30質量%、黄銅粉を20〜83質量%含有し、かつ金属成分を合計90質量%以上含有する金属カーボン層を用いることにより、導電性を確保する。そして錫による液相焼結と、電解銅粉による絡みと、熱可塑性樹脂バインダーの溶融あるいは軟化により強度を確保する。ここで熱可塑性樹脂バインダーを好ましくは0.3〜4質量%含有させる。

カーボン層は金属カーボン層と同じ化学式の熱可塑性樹脂バインダーを3〜15質量%含有し、残部がカーボンであることが好ましい。特にカーボンと熱可塑性樹脂との質量比を金属カーボン層もカーボン層も同じにし、同じ化学式の熱可塑性樹脂バインダーを用いると、カーボン粒子同士の結合に関して、金属カーボン層もカーボン層も同等になる。なお化学式が同じとは、例えばポリフェニレンサルファイド（PPS）であれば化学式が同じ-[φ-S]-_ｎであることを言う。ここにφはフェニレン基である。

この発明はまた、表面側のカーボン層と底面側の金属カーボン層とからなるセグメントを備え、セグメントの金属カーボン層をライザ片に固定したカーボンコンミテータの製造方法において、カーボンと熱可塑性樹脂バインダーと金属粉とを含有する金属カーボン層材料と、カーボンと熱可塑性樹脂バインダーとを含有するカーボン層材料の２層の材料から成る圧縮成型体を、熱可塑性樹脂バインダーの融点〜500℃で焼成することを特徴とする。

圧縮成型と焼成は同じ型内で行っても良く、型から取りだして別途に焼成しても良い。焼成温度が低いので雰囲気は任意で、バインダーの熱分解を避けるため好ましくは焼成温度はバインダーの融点以上で400℃以下とする。圧縮成型ではライザ片を型内にセットして、ライザ片への金属カーボン層の圧入等と成型とを同時に行っても良い。なお実施例では、圧縮成型と焼成と圧入等とを別途に行っている。

金属カーボン層材料は好ましくは、カーボンと熱可塑性樹脂バインダーと黄銅粉と電解銅粉とを含有する。より好ましくは、金属カーボン層材料はカーボンと熱可塑性樹脂バインダーと黄銅粉と電解銅粉と錫粉とを含有し、230℃〜500℃で圧縮成型体を焼成する。特に好ましくは、金属カーボン層材料は、電解銅粉を5〜40質量%、錫粉を2〜30質量%、黄銅粉を20〜83質量%含有し、かつ金属成分を合計90質量%以上含有し、さらに熱可塑性樹脂バインダーを0.3〜4質量%含有し、残部がカーボンである。この明細書において、カーボンコンミテータに関する記載は、その製造方法にもそのまま当てはまる。

この発明では、熱可塑性樹脂バインダーによる結合により、低温焼成で十分な電気的特性と機械的特性とを有する金属カーボン層を用いたカーボンコンミテータが得られる。金属カーボン層に電解銅粉を含有させるとさらに高い強度が得られ、黄銅粉等の銅合金分を含有させると、液体燃料中の硫黄分等への耐食性が向上する。そして錫を含有させることにより、錫の液相による焼結により強度を増すことができる。また焼成温度は、熱可塑性樹脂バインダーの種類を選ぶことにより調整できる。

実施例のカーボンコンミテータの平面図 図１のII−II方向に沿ったカーボンコンミテータの断面図 実施例でのカーボンプレートの底面図 図３のIV-IV方向に沿ったカーボンプレートの断面図 実施例と比較例での、焼成温度と金属カーボン層の固有抵抗との関係を示す特性図 実施例と比較例での、焼成温度と金属カーボン層の曲げ強度との関係を示す特性図 実施例と比較例での、金属カーボン層とカーボン層間の境界面引っ張り強度を示す特性図

以下に本発明を実施するための最適実施例を示す。本発明は実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に基づいて定められ、かつ実施例に当業者に公知の事項を加えて変形できる。

図１〜図７に実施例とその特性とを示す。図１〜図４はカーボンコンミテータ２の構造を示し、金属から成るライザ片４にカーボンプレート６を切断したセグメント８が圧入等で固定されており、１０は軸孔である。セグメント８は、表面側のカーボン層１２とライザ片４に圧入された金属カーボン層１４の２層で構成され、スリット１６でセグメント８が互いに分離され、同様にライザ片４が互いに分離されている。１８は樹脂部で、ライザ片４を埋め込むように成型され、金属カーボン層１４の突起２０がライザ片４の孔に圧入されている。なおカーボンコンミテータ２の構造自体は任意である。

実施例
ステップ１ 黄銅粉（Zn割合30質量%の水アトマイズ粉、平均粒径40μｍ）60質量%と電解銅粉（平均粒径40μｍ）20質量%と錫粉10質量%と、あらかじめ8質量%のPPS（ポリフェニレンサルファイド）樹脂粉末（平均粒径15μｍ）を混合した天然黒鉛（平均粒径30μｍ）混合粉10質量%を混合器で均一に混合し、金属カーボン層の配合粉（金属カーボン層材料）を得た。ここで8質量%のPPS樹脂粉末を混合した天然黒鉛混合粉とは、PPS8質量%：天然黒鉛92質量%の混合粉のことである。またPPS樹脂粉末はあらかじめ天然黒鉛粉と混合せずに、PPS粉末単体及び天然黒鉛粉末単体として金属粉と混合しても良い。さらにカーボンの種類は天然黒鉛に限らず、電気黒鉛等の人造黒鉛、非晶質カーボン等でも良く、各粉体の平均粒径は任意である。金属カーボン層材料中の金属成分は少なくとも85質量%以上95質量%以下、好ましくは90質量%以上95質量%以下とし、残部が黒鉛及びPPS等の熱可塑性樹脂である。また金属成分は電解銅粉を5〜40質量%、錫粉を2〜30質量%、黄銅粉を20〜83質量%含有し、合計量を85質量%以上、好ましくは90質量%以上で95質量%以下とする。熱可塑性樹脂バインダーは0.3〜4質量%含有することが好ましく、特に好ましくは0.3〜1.5質量%含有する。

ステップ２ 上記の金属カーボン層材料を所定の金型に充填し、その上に、別途配合した摺動部材となるカーボン層材料を充填し、上パンチと下パンチを用いて圧縮成型し、未焼成のカーボンプレートを得た。カーボン層材料は平均粒径が30μｍの天然黒鉛92質量%とPPS8質量%とから成り、カーボン層材料でのカーボンと熱可塑性樹脂との質量比は、金属カーボン層材料でのカーボンと熱可塑性樹脂バインダーとの質量比と等しくすることが好ましい。カーボン層材料は例えば金属カーボン層と同じ熱可塑性樹脂バインダーを3〜15質量%含有し、残部が天然黒鉛、人造黒鉛、非晶質カーボン等のカーボンである。金属カーボン層とカーボン層とで、カーボンの種類が異なっても良い。なお金属カーボン層の組成を相対的に金属リッチな下層と相対的にカーボンリッチな上層等に分け、金属カーボン層とカーボン層の界面での組成の変化をなだらかにしても良い。

ステップ３ 未焼成のカーボンプレートを型から取り出し、例えば空気中で、PPSの融点よりもやや高い300℃で加熱焼成し、カーボンプレートを得た。この過程で錫粉が溶融して金属成分を互いに接合し、PPS粒子が溶融して金属カーボン層の各粒子を接合する。同時にカーボン層のカーボン粒子が互いにPPSで接合され、金属カーボン層とカーボン層の界面も接合される。また金属カーボン層とカーボン層の界面には電解銅粉が突き出して接合を助けている。焼成温度は熱可塑性樹脂の融点以上とし、好ましくは錫の融点付近の230℃以上で500℃以下とし、より好ましくは230℃以上で400℃以下とする。

ステップ４ カーボンプレートを、セグメント毎に切断する前のライザ片に圧入し、型にセットしてハウジングの樹脂を射出成型した。次いでカーボンプレートとライザ片を切断してスリットを設け、カーボンコンミテータとした。以上のようにして得られたカーボンコンミテータを実施例１とする。

前記の黄銅粉80質量%と前記の錫粉10質量%、及び前記の混合粉末10質量%を均一に混合し、金属カーボン層の配合粉とした。なお混合粉末は、8質量%のPPS樹脂粉末（平均粒径15μｍ）と平均粒径が30μｍの天然黒鉛粉末92質量%とを混合した粉末である。実施例１と同様に、前記の混合粉末をカーボン層の材料とした。そして実施例１と同様に、圧縮成型と空気中300℃での焼成と、ライザ片への圧入とを行ってカーボンコンミテータとし、このカーボンコンミテータを実施例２とした。

比較例
ステップ１ 前記の黄銅粉70質量%と前記と同じ錫粉5質量%、及び予め20質量%のフェノール樹脂を混合した天然黒鉛混合粉末（混合前の黒鉛の平均粒径30μｍ）25質量%を混合器で均一に混合して、金属カーボン層の配合粉を得た。
ステップ２ 上記の金属カーボン層配合粉を所定の金型に充填し、その上に予め20質量%のフェノール樹脂を混合した上記の天然黒鉛混合粉末を充填して圧縮成型し、未焼成のカーボンプレートを得た。
ステップ３ 未焼成のカーボンプレートを還元ガス雰囲気中900℃もしくは300℃で加熱焼成した。
ステップ４ 焼成済みのカーボンプレートを用いて、実施例と同様にカーボンコンミテータを得た。以下では、300℃焼成のカーボンコンミテータを比較例１、900℃焼成のカーボンコンミテータを比較例２とする。

実施例１，２及び比較例１，２の製造条件と特性を表１に示す。なお表中の境界面引張強度は金属カーボン層とカーボン層の境界面の引張強度を表す。

実施例と比較例の特性を、表1と図５〜図７に示す。図５は金属カーボン層の固有抵抗を示し、図６は金属カーボン層の曲げ強度を示す。また図７は境界面引張強度を示す。フェノール樹脂バインダー5質量%を含み、金属成分含有量が75質量%の金属カーボン層材料を300℃で焼成すると（比較例１）、固有抵抗は80000μΩ・cmと900℃焼成の比較例２の400倍に達し、曲げ強度は5MPaと900℃焼成の場合の1/3以下となる。以上のように、フェノール樹脂バインダーで300℃等の低温焼成を行うと、実用的なカーボンコミテータは得られないことが分かった。

300℃焼成の実施例１，２（PPSバインダー0.8質量%）と900℃焼成の比較例２（フェノール樹脂バインダー5質量%）とを比較すると、実施例では固有抵抗は比較例２よりも高いが、曲げ強度は比較例２とほぼ同等かそれ以上で、金属カーボン層とカーボン層との境界面の引張強度は比較例２よりも高い。以上のように実施例では300℃での低温焼成で、バインダー含有量が0.8mass%と少ないにも係わらず、900℃焼成でバインダー含有量が5mass%の比較例２と総合的に見て対等の性能が得られた。

上記の効果は、カーボン層と金属カーボン層とに共に熱可塑性樹脂バインダーを含有させたこと、熱可塑性樹脂バインダーと錫の液相焼結とを併用したこと、及び金属カーボン層中の金属含有量を90質量%と高くしたことによるものである。また電解銅粉を金属カーボン層に含有させることにより、金属層固有抵抗を低下させると共に、金属層曲げ強度と境界面引張強度とを向上させたが、電解銅粉を含まない実施例２でも実用的な性能が得られた。

２ カーボンコンミテータ
４ ライザ片
６ カーボンプレート
８ セグメント
１０ 軸孔
１２ カーボン層
１４ 金属カーボン層
１６ スリット
１８ 樹脂部
２０ 突起

Claims (12)

1. 表面側のカーボン層と底面側の金属カーボン層とからなるセグメントを備え、セグメントの金属カーボン層をライザ片に固定したカーボンコンミテータにおいて、
   カーボン層と金属カーボン層は共に熱可塑性樹脂バインダーを含むことを特徴とする、カーボンコンミテータ。
2. 金属カーボン層は銅粉、好ましくは電解銅粉を含むことを特徴とする、請求項１のカーボンコンミテータ。
3. 金属カーボン層は銅合金粉、好ましくは黄銅粉を含むことを特徴とする、請求項１のカーボンコンミテータ。
4. 金属カーボン層は電解銅粉と黄銅粉とを含むことを特徴とする、請求項２のカーボンコンミテータ。
5. 金属カーボン層はさらに錫を含むことを特徴とする、請求項２〜４のいずれかのカーボンコンミテータ。
6. 熱可塑性樹脂バインダーは融点が230℃〜400℃であることを特徴とする、請求項５のカーボンコンミテータ。
7. 金属カーボン層は、電解銅粉を5〜40質量%、錫を2〜30質量%、黄銅粉を20〜83質量%含有することにより金属成分を合計90質量%以上含有し、さらに熱可塑性樹脂バインダーを0.3〜4質量%含有し、残部がカーボンであることを特徴とする、請求項６のカーボンコンミテータ。
8. カーボン層は金属カーボン層と同じ化学式の熱可塑性樹脂バインダーを3〜15質量%含有し、残部がカーボンであることを特徴とする、請求項１〜７のいずれかのカーボンコンミテータ。
9. 表面側のカーボン層と底面側の金属カーボン層とからなるセグメントを備え、セグメントの金属カーボン層をライザ片に固定したカーボンコンミテータの製造方法において、
   カーボンと熱可塑性樹脂バインダーと金属粉とを含有する金属カーボン層材料と、カーボンと熱可塑性樹脂バインダーとを含有するカーボン層材料の２層の材料から成る圧縮成型体を、熱可塑性樹脂バインダーの融点〜500℃で焼成することを特徴とする、カーボンコンミテータの製造方法。
10. 金属カーボン層材料はカーボンと熱可塑性樹脂バインダーと黄銅粉と電解銅粉とを含有することを特徴とする、請求項９のカーボンコンミテータの製造方法。
11. 金属カーボン層材料はカーボンと熱可塑性樹脂バインダーと黄銅粉と電解銅粉と錫粉とを含有し、230℃〜500℃で圧縮成型体を焼成することを特徴とする、請求項１０のカーボンコンミテータの製造方法。
12. 金属カーボン層材料は、電解銅粉を5〜40質量%、錫粉を2〜30質量%、黄銅粉を20〜83質量%含有し、かつ金属成分を合計90質量%以上含有し、さらに熱可塑性樹脂バインダーを0.3〜4質量%含有し、残部がカーボンであることを特徴とする、請求項１１のカーボンコンミテータの製造方法。

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