JP4073319B2 - 中ないし高電流密度用の滑り接触子の製造方法およびこの方法によって得られる滑り接触子 - Google Patents
中ないし高電流密度用の滑り接触子の製造方法およびこの方法によって得られる滑り接触子 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、中ないし高電流密度用の滑り接触子の製造方法およびこの方法によって得られる滑り接触子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の製造方法によって製造された滑り接触子は、特に自動車における電気装置用の炭素ブラシであり、使用時、とりわけスタート時に高い電流密度が生ずる。
【０００３】
従来では、この種の滑り接触子に純粋な炭素接触子の有利な性質と金属接触子の有利な性質とを与えるために、製造時にこれらの材料の組み合わせがなされていた。こうした組み合わせはかなり従前から行なわれてきた技術であり、特に、炭素部分と金属との緊密な結合を得るための努力がなされてきた（特許文献１参照）。
【０００４】
さらに、鉛もしくはアンチモンは通常の滑り接触子に含有されて、これにより良好な清拭作用、作動中の滑り接触子の冷却および対の接触子に対する良好な滑り能力を得ることができる。しかし、この鉛もしくはアンチモンは、毒性を有しており、環境に有害であることから、鉛もしくはアンチモンの添加は回避されており、そうした技術は公知である（特許文献２参照）。こうした鉛もしくはアンチモンの添加剤に代わって銅を添加した場合、銅の合金が形成されてしまい、これを阻止するため、特別な製造措置を取らなければならなかった。鉛の代替物として特にスズ及び／または亜鉛またはこれらの合金が添加剤として使用される。環境に有害ではないそれら添加剤、特にスズまたは亜鉛は、上記基本成分（銅、黒鉛）に１回で混合せずに、複数回に分けて徐々に混合する。このようにしなければ、過度に硬くかつ十分に低い融点を有していない合金が生ずるため、所望の目的にかなわないことになる。
【０００５】
【特許文献１】
独国特許第１５４２８７号公報（ＤＥ−Ｃ）
【特許文献２】
欧州特許出願公開第０５２５２２２号公報（ＥＰ−Ａ１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、滑り接触子の製造方法において、その方法によって該滑り接触子が環境に有害な鉛もしくはアンチモンの添加剤を含有せず、かつそれにもかかわらず、上記の環境に有害な物質を含有した場合の滑り接触子の有利な作動特性を可能な限り高めることができる滑り接触子の製造方法およびこの方法によって得られる滑り接触子を提案することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題は、本発明によれば、製造方法において原則として、銅不含マトリックスの予め行なう混合の際、あるいは引き続いての主混合物としての銅含有マトリックスの混合の際に亜鉛、スズ、ビスマスまたはこれらの合金の群の中から選択された金属を基礎とする代替物を添加することによって解決される。引き続いて行なわれる滑り接触子の成形の後、この滑り接触子は、焼結ないしは熱処理される。その際に銅との本質的に点状の合金が、全ての製造方法の場合に確実に生ずるわけではない。しかし、後述する特徴を有する該合金形成が有利に達成され、このことによって滑り接触子の安定性がさらに著しく高められる。
【０００８】
亜鉛、スズ、ビスマスまたはこれらの合金の群の中から選択された代替物としての金属の添加が、黒鉛と合成樹脂バインダーとの混合物、すなわち前混合物を形成する際に行われる場合には、代替物として添加される該金属は、その大部分が該黒鉛−合成樹脂混合物に、後から添加される銅が遮断され、かつ銅との合金形成が行われない程度に組み入れられる。
【０００９】
しかし、これに代わって上記代替物の添加を、引き続き行なわれる主混合物を形成する際に実施することも可能である。この構成では、その際に、全ての銅ないしは銅マトリックスが黄銅合金に変換されるのではなく、いわゆる黄銅の島（Ｍｅｓｓｉｎｇｉｎｓｅｌｎ）が形成される程度の量のみで代替物が添加される点で好ましい。これにより、銅と例えばスズに比べて有利な点状の硬度上昇が起こることから、滑り接触子の安定性を高めることができる。しかしながらこのような点状の硬度上昇を所望しない場合には、これは研摩剤添加を最小化することによって補償することができる。
【００１０】
上記の代替物の代わりに、主混合物を形成する際に、微細な黄銅粉末を直接添加してもよい。引き続いて行なう滑り接触子の熱処理の際に、温度をその黄銅粉末が銅と合金を形成しない程度に低く維持する。
【００１１】
また、代替物として、前混合物を形成する際に、亜鉛、スズ、ビスマスまたはこれらの合金の群の中から選択された金属の酸化物を添加することができる。
【００１２】
このような酸化物の添加は、主混合物の形成の際に同様に実施することも可能である。
【００１３】
また、前混合物を形成する際、あるいは主混合物の形成の際に、亜鉛、スズ、ビスマスまたはこれらの合金の上記群の中から選択された金属の塩基性炭酸塩が添加されてもよい。この構成では、その際、塩基性炭酸亜鉛が特に好ましい。それは、滑り接触子として有利な性質、特に安定性がもたらされることによる。微細な形で添加される塩基性炭酸塩によって、主混合物を得た後に行なわれる焼結過程の際、もしくは熱処理の際に、合金形成が促進され、これにより得られた滑り接触子は特に長い使用寿命をもつ。
【００１４】
詳細には、炭酸水酸化亜鉛約２〜５重量％を主混合物中の銅マトリックス約３０〜７０重量％に添加することによって前述の有利な黄銅の島が引き続き行なわれる熱処理の際に形成される。
【００１５】
塩基性炭酸塩の形で添加された代替物との合金形成のために、成形された滑り接触子の焼結および熱処理は、第１の段階で滑り接触子を１５０〜２５０℃の範囲内の温度で窒素雰囲気下で焼結し、第２の段階で３００〜４５０℃の温度で焼結をさらに続け、第３の段階で焼結を焼結雰囲気への水素の導入の下で温度４５０℃で続け、そして最後に合金形成が時間に依存して３００℃を越える温度で行われる。
【００１６】
本発明によれば、有利な性質、特に安定性を有する滑り接触子が本発明による方法によって得られる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に本発明による方法の好ましい実施の形態としてマトリックス中の銅を含有する主混合物への塩基性炭酸亜鉛の添加を示す。
【００１８】
まず、第１の段階として、主混合物に、５ＺｎＯ・２ＣＯ2 ・４Ｈ2 Ｏで示される著しく微細な粒状の炭酸亜鉛を混合する。
【００１９】
そして、滑り接触子に成形した後、窒素雰囲気下かつ温度１５０〜２５０℃、（１８０℃が好ましい）で、最初にこの滑り接触子を焼結することによって第２の段階、２ＺＮＣＯ3 ・３ＺＮＯへの変換が行われる。
【００２０】
次に、３００〜４５０℃の範囲内で、さらに温度上昇による第３の段階、５ＺＮＯに入る。
【００２１】
さらに引き続き、焼結雰囲気に水素分子が少なくとも４５０℃の温度から最大温度６００℃までの範囲で添加され、これによって第４の段階、酸化亜鉛が分解され、Ｚｎが得られる。その後、時間および３００℃以上の温度に追従する該亜鉛と銅含有分との融合によって、融解相を経ずして黄銅合金が形成される。
【００２２】
第２段階および第３段階の際に、他の方法で酸化亜鉛の添加が可能である。
【００２３】
他の変法として、第４段階の際に、亜鉛の添加を行うことも可能である。
【００２４】
原則的に塩基性炭酸亜鉛の添加は、上記の他の方法を用いる場合には、前混合物を形成の際に、銅不含のマトリックスに行うことも可能である。その際、上記と同じ過程が進行するものの、最終的な合金形成はない。ただし合金形成は、滑り接触子の安定性を達成するために、前述のとおり、特に有益である。しかしながら、その他の点では鉛およびアンチモンの代わりとなる所望の添加剤の効果は、合金形成を含めた上記の全ての状態において達成することが可能である。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の中ないし高電流密度用の滑り接触子の製造方法およびこの方法によって得られる滑り接触子によれば、合金形成が有利に達成され、このことによって滑り接触子の安定性がさらに著しく高められる。つまり、環境に有害な鉛もしくはアンチモンの添加剤を含有せず、しかも、この環境に有害な物質を含有した場合の滑り接触子の有利な作動特性を可能な限り高めることができる滑り接触子およびその滑り接触子の製造方法が実現できる。
【発明の属する技術分野】
本発明は、中ないし高電流密度用の滑り接触子の製造方法およびこの方法によって得られる滑り接触子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の製造方法によって製造された滑り接触子は、特に自動車における電気装置用の炭素ブラシであり、使用時、とりわけスタート時に高い電流密度が生ずる。
【０００３】
従来では、この種の滑り接触子に純粋な炭素接触子の有利な性質と金属接触子の有利な性質とを与えるために、製造時にこれらの材料の組み合わせがなされていた。こうした組み合わせはかなり従前から行なわれてきた技術であり、特に、炭素部分と金属との緊密な結合を得るための努力がなされてきた（特許文献１参照）。
【０００４】
さらに、鉛もしくはアンチモンは通常の滑り接触子に含有されて、これにより良好な清拭作用、作動中の滑り接触子の冷却および対の接触子に対する良好な滑り能力を得ることができる。しかし、この鉛もしくはアンチモンは、毒性を有しており、環境に有害であることから、鉛もしくはアンチモンの添加は回避されており、そうした技術は公知である（特許文献２参照）。こうした鉛もしくはアンチモンの添加剤に代わって銅を添加した場合、銅の合金が形成されてしまい、これを阻止するため、特別な製造措置を取らなければならなかった。鉛の代替物として特にスズ及び／または亜鉛またはこれらの合金が添加剤として使用される。環境に有害ではないそれら添加剤、特にスズまたは亜鉛は、上記基本成分（銅、黒鉛）に１回で混合せずに、複数回に分けて徐々に混合する。このようにしなければ、過度に硬くかつ十分に低い融点を有していない合金が生ずるため、所望の目的にかなわないことになる。
【０００５】
【特許文献１】
独国特許第１５４２８７号公報（ＤＥ−Ｃ）
【特許文献２】
欧州特許出願公開第０５２５２２２号公報（ＥＰ−Ａ１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、滑り接触子の製造方法において、その方法によって該滑り接触子が環境に有害な鉛もしくはアンチモンの添加剤を含有せず、かつそれにもかかわらず、上記の環境に有害な物質を含有した場合の滑り接触子の有利な作動特性を可能な限り高めることができる滑り接触子の製造方法およびこの方法によって得られる滑り接触子を提案することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題は、本発明によれば、製造方法において原則として、銅不含マトリックスの予め行なう混合の際、あるいは引き続いての主混合物としての銅含有マトリックスの混合の際に亜鉛、スズ、ビスマスまたはこれらの合金の群の中から選択された金属を基礎とする代替物を添加することによって解決される。引き続いて行なわれる滑り接触子の成形の後、この滑り接触子は、焼結ないしは熱処理される。その際に銅との本質的に点状の合金が、全ての製造方法の場合に確実に生ずるわけではない。しかし、後述する特徴を有する該合金形成が有利に達成され、このことによって滑り接触子の安定性がさらに著しく高められる。
【０００８】
亜鉛、スズ、ビスマスまたはこれらの合金の群の中から選択された代替物としての金属の添加が、黒鉛と合成樹脂バインダーとの混合物、すなわち前混合物を形成する際に行われる場合には、代替物として添加される該金属は、その大部分が該黒鉛−合成樹脂混合物に、後から添加される銅が遮断され、かつ銅との合金形成が行われない程度に組み入れられる。
【０００９】
しかし、これに代わって上記代替物の添加を、引き続き行なわれる主混合物を形成する際に実施することも可能である。この構成では、その際に、全ての銅ないしは銅マトリックスが黄銅合金に変換されるのではなく、いわゆる黄銅の島（Ｍｅｓｓｉｎｇｉｎｓｅｌｎ）が形成される程度の量のみで代替物が添加される点で好ましい。これにより、銅と例えばスズに比べて有利な点状の硬度上昇が起こることから、滑り接触子の安定性を高めることができる。しかしながらこのような点状の硬度上昇を所望しない場合には、これは研摩剤添加を最小化することによって補償することができる。
【００１０】
上記の代替物の代わりに、主混合物を形成する際に、微細な黄銅粉末を直接添加してもよい。引き続いて行なう滑り接触子の熱処理の際に、温度をその黄銅粉末が銅と合金を形成しない程度に低く維持する。
【００１１】
また、代替物として、前混合物を形成する際に、亜鉛、スズ、ビスマスまたはこれらの合金の群の中から選択された金属の酸化物を添加することができる。
【００１２】
このような酸化物の添加は、主混合物の形成の際に同様に実施することも可能である。
【００１３】
また、前混合物を形成する際、あるいは主混合物の形成の際に、亜鉛、スズ、ビスマスまたはこれらの合金の上記群の中から選択された金属の塩基性炭酸塩が添加されてもよい。この構成では、その際、塩基性炭酸亜鉛が特に好ましい。それは、滑り接触子として有利な性質、特に安定性がもたらされることによる。微細な形で添加される塩基性炭酸塩によって、主混合物を得た後に行なわれる焼結過程の際、もしくは熱処理の際に、合金形成が促進され、これにより得られた滑り接触子は特に長い使用寿命をもつ。
【００１４】
詳細には、炭酸水酸化亜鉛約２〜５重量％を主混合物中の銅マトリックス約３０〜７０重量％に添加することによって前述の有利な黄銅の島が引き続き行なわれる熱処理の際に形成される。
【００１５】
塩基性炭酸塩の形で添加された代替物との合金形成のために、成形された滑り接触子の焼結および熱処理は、第１の段階で滑り接触子を１５０〜２５０℃の範囲内の温度で窒素雰囲気下で焼結し、第２の段階で３００〜４５０℃の温度で焼結をさらに続け、第３の段階で焼結を焼結雰囲気への水素の導入の下で温度４５０℃で続け、そして最後に合金形成が時間に依存して３００℃を越える温度で行われる。
【００１６】
本発明によれば、有利な性質、特に安定性を有する滑り接触子が本発明による方法によって得られる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に本発明による方法の好ましい実施の形態としてマトリックス中の銅を含有する主混合物への塩基性炭酸亜鉛の添加を示す。
【００１８】
まず、第１の段階として、主混合物に、５ＺｎＯ・２ＣＯ2 ・４Ｈ2 Ｏで示される著しく微細な粒状の炭酸亜鉛を混合する。
【００１９】
そして、滑り接触子に成形した後、窒素雰囲気下かつ温度１５０〜２５０℃、（１８０℃が好ましい）で、最初にこの滑り接触子を焼結することによって第２の段階、２ＺＮＣＯ3 ・３ＺＮＯへの変換が行われる。
【００２０】
次に、３００〜４５０℃の範囲内で、さらに温度上昇による第３の段階、５ＺＮＯに入る。
【００２１】
さらに引き続き、焼結雰囲気に水素分子が少なくとも４５０℃の温度から最大温度６００℃までの範囲で添加され、これによって第４の段階、酸化亜鉛が分解され、Ｚｎが得られる。その後、時間および３００℃以上の温度に追従する該亜鉛と銅含有分との融合によって、融解相を経ずして黄銅合金が形成される。
【００２２】
第２段階および第３段階の際に、他の方法で酸化亜鉛の添加が可能である。
【００２３】
他の変法として、第４段階の際に、亜鉛の添加を行うことも可能である。
【００２４】
原則的に塩基性炭酸亜鉛の添加は、上記の他の方法を用いる場合には、前混合物を形成の際に、銅不含のマトリックスに行うことも可能である。その際、上記と同じ過程が進行するものの、最終的な合金形成はない。ただし合金形成は、滑り接触子の安定性を達成するために、前述のとおり、特に有益である。しかしながら、その他の点では鉛およびアンチモンの代わりとなる所望の添加剤の効果は、合金形成を含めた上記の全ての状態において達成することが可能である。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の中ないし高電流密度用の滑り接触子の製造方法およびこの方法によって得られる滑り接触子によれば、合金形成が有利に達成され、このことによって滑り接触子の安定性がさらに著しく高められる。つまり、環境に有害な鉛もしくはアンチモンの添加剤を含有せず、しかも、この環境に有害な物質を含有した場合の滑り接触子の有利な作動特性を可能な限り高めることができる滑り接触子およびその滑り接触子の製造方法が実現できる。
Claims (6)
- 黒鉛を合成樹脂バインダーに予め高温状態で混合することにより、前混合物を形成した後、この前混合物を常温で銅と混合することにより、主混合物を形成し、その後この主混合物を滑り接触子に成形し、最後にこの滑り接触子を焼結する、中ないし高電流密度用の滑り接触子の製造方法において、上記前混合物を形成する際に、亜鉛、スズ、ビスマスまたはこれらの合金の群の中から選択された金属の塩基性炭酸塩を添加することを特徴とする、中ないし高電流密度用の滑り接触子の製造方法。
- 黒鉛を合成樹脂バインダーに予め高温状態で混合することにより、前混合物を形成した後、この前混合物を常温で銅と混合することにより、主混合物を形成し、その後この主混合物を滑り接触子に成形し、最後にこの滑り接触子を焼結する、中ないし高電流密度用の滑り接触子の製造方法において、上記主混合物を形成する際に、亜鉛、スズ、ビスマスまたはこれらの合金の群の中から選択された金属の塩基性炭酸塩を添加することを特徴とする、中ないし高電流密度用の滑り接触子の製造方法。
- 上記塩基性炭酸塩が炭酸亜鉛であることを特徴とする、請求項１または２記載の方法。
- 炭酸水酸化亜鉛約２〜５重量％、上記主混合物中の銅マトリックス約３０〜７０重量％に添加することを特徴とする、請求項３記載の方法。
- 上記滑り接触子の焼結を、１５０〜２５０℃の範囲内の温度で窒素雰囲気下で焼結する第１の段階、さらに温度３００〜４５０℃で焼結を行なう第２の段階、および焼結雰囲気への水素の導入の下で、温度４５０℃を越えて最終温度６００℃まで焼結を継続して行なう第３の段階の工程を有し、最後に合金形成が時間に依存して３００℃を越える温度で行われることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
- 請求項１から５までのいずれか１項に記載の方法により製造され、銅−／炭素を基礎としかつ金属が添加されていることを特徴とする、中ないし高電流密度用の滑り接触子。
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