JPWO2018135162A1 - 銅黒鉛質ブラシ - Google Patents
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Abstract
銅黒鉛質ブラシは、B2O3換算で0.1mass%以上2.0mass%以下のホウ素化合物を、ホウ素酸化物あるいはホウ酸として含有する。
Description
この発明は銅黒鉛質ブラシに関する。
本発明は、産業機械用の摺動部材として広く用いられているDCモータ用のブラシの機械的強度の改善に関し、特に曲げ強度の改善に関する。
DCモータ用のブラシには、摺動性及び導電性を備える銅黒鉛ブラシが用いられている。銅黒鉛質ブラシに含まれる黒鉛は、相手材と摺接する際、摺動面が摩耗して摺接面にカーボン被膜を形成し、摺動性を向上させる効果がある。また、銅は導電性に優れ、かつ適度に柔らかく、相手材を傷付け難く摺動性を損なわずに導電性を向上させることができる。
前記、DCモータ用のブラシは、モータ内部においてブラシ先端面を加圧状態で摺動面に当接させるため、ブラシに加圧（負荷）が掛かりDCモータの使用が長期に亘ると加圧が及ぼす影響による摺動不良の発生が懸念される。このためDCモータ用のブラシは曲げ強度の高いものが望ましく、特に高温環境下で、高い曲げ強度が安定して維持されるブラシが必要になる。
特許文献１（JP2002-80922）は、黒鉛：10〜30mass%、六方晶窒化ホウ素：0.5〜4mass%、Ag：0.2〜1.5mass%、と残部のCu（64.5〜89.3mass%）を含む銅黒鉛質ブラシを開示している。曲げ強度を向上させるため、このブラシは摺動面と交わる方向に伸びるCu相の骨格構造を有し、そのためブラシ中のCu比が大きくなり、摺動性を担う黒鉛の含有量は10〜30mass%と小さくなっている。そして摺動性を補うために、高価な六方晶窒化ホウ素とAgを含有させている。
特許文献２（WO2007/096989）は、銅黒鉛質ブラシにポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン等の樹脂を配合し、焼成時に樹脂を熱分解することを開示している。そして熱分解した樹脂により黒鉛粒子を結合することにより、ある程度の曲げ強度（13MPa）を得ている。しかし実用上は、さらに高い曲げ強度が要求されることがある。また、非導電性の樹脂をブラシ中に多量に配合した場合、摺動部表面の導電性が悪化する場合がある。
この発明の課題は、DCモータに使用する銅黒鉛質ブラシにおいて、高温環境下で長期に亘り安定した曲げ強度を有する銅黒鉛質ブラシを得ることにある。
この発明は、銅と黒鉛とを含有する銅黒鉛質ブラシにおいて、B2O3換算で0.1mass%以上2.0mass%以下のホウ素化合物を、ホウ素酸化物あるいはホウ酸として含有することを特徴とする。
ホウ素酸化物は例えばB2O3であるが、B2O2,B4O3,B4O5などを含んでいても良い。またホウ酸は例えばH3BO3,HBO2,H2B4O7等である。ホウ酸は300℃以上ではB2O3に変化しやすく、焼成時の加熱によりホウ酸がホウ素酸化物に変化することがある。ホウ素酸化物ではB2O3が代表的であるが、焼成時に部分的な還元を受け、B2O2等が含まれていることがある。また銅黒鉛質ブラシを放置すると、ホウ素酸化物が吸湿してホウ酸に変化することがある。本発明において、ホウ素酸化物とホウ酸は互いに変化し得る物質であって、これらを区別する意義はない。ホウ素酸化物、ホウ酸などは、Naイオン等の不純物を含んでいても良い。そしてホウ素化合物の含有量は、B2O3に換算して定める。
H3BO3の融点は184℃、H2B4O7では140℃、これらに比べて高融点のB2O3でも融点は577℃である。ホウ素の化合物は焼成時に溶融して、一種のバインダとして作用し、このため銅黒鉛質ブラシの曲げ強度が向上する。なお300℃以下の低温焼成により銅黒鉛質ブラシを製造する場合、ホウ素化合物をホウ酸として配合することが好ましい。
以下、ホウ素酸化物とホウ酸とを総称してホウ素化合物と呼び、ホウ素化合物の含有量はB2O3に換算して示す。また銅黒鉛質ブラシを単にブラシと呼ぶことがある。表２に示すように、ブラシ中のホウ素化合物の含有量が0.1mass%以上2.0mass%以下で、焼成後の曲げ強度が高く、高温で使用しても曲げ強度の変化が小さくなる。さらにホウ素化合物の含有量が3.0mass%以上ではブラシ表面に凹凸が生じるが、2.0mass%以下では外観も問題がない。図３にホウ素化合物の含有量が0.8mass%の場合のブラシ表面を、図４にホウ素化合物の含有量が3mass%の場合のブラシ表面を、図５にホウ素化合物の含有量が7mass%の場合のブラシ表面を示す。図４，図５では、ホウ素化合物に由来すると考えられる凹凸がブラシ表面に見られる。
この発明では、黒鉛含有量を例えば35mass%以上80mass%以下とすることで、黒鉛に由来する摺動作用が高まり、六方晶窒化ホウ素、Ag等の高価な潤滑剤が不要になる。なお黒鉛の種類は、人造黒鉛、天然黒鉛等、任意である。またフェノール樹脂等の熱硬化性樹脂、あるいは熱可塑性樹脂等に由来する非晶質カーボンは、黒鉛に含めない。さらにブラシは、コークス等の不定形カーボン、二硫化モリブデン、二硫化タングステン等の固体潤滑剤、その他の添加物、及び灰分等の不純物を含んでいても良い。前記黒鉛含有量が35mass%を下回ると、摺動作用が悪化するため望ましくない。また前記黒鉛含有量が80mass%を上回ると、電解銅粉の量が小さくなり導電性が悪化する場合がある。銅と黒鉛がブラシの主成分で、銅含有量は例えば15mass%以上63mass%以下である。
銅は純銅に限らず、黄銅などでも良く、銅元素を含んでいればよい。電解銅粉は樹状の形状で銅粉が互いに絡み合って高い導電性が得られる。また銅粉の粒度は、特に制限されないが、10μｍ以上、100μｍ以下のものが用いられる。なお焼成しても電解銅粉の粒子形状は失われない。
ホウ素化合物の含有量は、好ましくはB2O3換算で0.1mass%以上1.0mass%以下とし、最も好ましくは0.5mass%以上1.0mass%以下とする。ホウ素化合物の含有量を0.5mass%以上とすると、曲げ強度が高く、高温下での経時変化も小さくなる。ホウ素化合物の含有量を2.0mass%とすると、曲げ強度は高いものの1.0mass%以下の場合よりも、高温での曲げ強度の経時変化が大きくなる。また、0.1mass%未満では曲げ強度の向上に効果が小さくなり、2.0mass%を上回ると外観が悪化してしまう。
この発明では、ホウ素化合物は原則として粒子状の形態でブラシ中に存在する。なおこのことは、ホウ素化合物の一部が粒子状以外の形態で存在することを排除するものではない。実施例では、ホウ素化合物をホウ酸などの粉体として配合したので、焼成後の存在形態も粒子状のはずである。そして図２に示すように、ホウ素元素と酸素元素の分布が一致し、かつ銅元素の分布とは独立している、ホウ素化合物粒子がブラシ中に存在する。銅と黒鉛はブラシ中で粒子状をしているので、銅と黒鉛とホウ素化合物はブラシ中に各々粒子状の形態で存在する。
この発明では、曲げ強度が高く、高温でも曲げ強度が経時変化しにくい銅黒鉛質ブラシが得られる。
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。
ブラシの構造
図１は実施例の銅黒鉛質ブラシ２（以下、「ブラシ」）を示し、４は整流子などの摺動相手８との摺動面で、ブラシ２はリード線６を備え、図の矢印の向きに摺動面４へ向けて加圧されている。ブラシ２は単層でも２層あるいは３層でも良く、多層の場合、いずれかの層にホウ素化合物を所定量含んでいればよい。
図１は実施例の銅黒鉛質ブラシ２（以下、「ブラシ」）を示し、４は整流子などの摺動相手８との摺動面で、ブラシ２はリード線６を備え、図の矢印の向きに摺動面４へ向けて加圧されている。ブラシ２は単層でも２層あるいは３層でも良く、多層の場合、いずれかの層にホウ素化合物を所定量含んでいればよい。
ブラシの製造
天然の鱗状黒鉛に対し、メタノールに溶解したフェノール樹脂を混合し、ミキサーで均一に混練し、乾燥機でメタノールを乾燥させた後、衝撃型粉砕器で粉砕し、80メッシュパスの篩（198μｍパスの篩）で篩い分けて、樹脂処理黒鉛粉体を得た。この樹脂処理黒鉛粉体部に、電解銅粉（平均粒径40μｍ）、ホウ酸（H3BO3）の粉末、及び二硫化モリブデンを加えて、Ｖ型混合機で混合し、配合粉を得た。H3BO3はH2B4O7などの他のホウ酸に変えて良く、またB2O3などのホウ素酸化物に変えても良く、ホウ素化合物は粉末として配合する。二硫化モリブデンは二硫化タングステン等の他の固体潤滑剤に変えても良く、これ以外の成分を含有させても良い。
天然の鱗状黒鉛に対し、メタノールに溶解したフェノール樹脂を混合し、ミキサーで均一に混練し、乾燥機でメタノールを乾燥させた後、衝撃型粉砕器で粉砕し、80メッシュパスの篩（198μｍパスの篩）で篩い分けて、樹脂処理黒鉛粉体を得た。この樹脂処理黒鉛粉体部に、電解銅粉（平均粒径40μｍ）、ホウ酸（H3BO3）の粉末、及び二硫化モリブデンを加えて、Ｖ型混合機で混合し、配合粉を得た。H3BO3はH2B4O7などの他のホウ酸に変えて良く、またB2O3などのホウ素酸化物に変えても良く、ホウ素化合物は粉末として配合する。二硫化モリブデンは二硫化タングステン等の他の固体潤滑剤に変えても良く、これ以外の成分を含有させても良い。
なお潤滑性の点から黒鉛含有量を35mass%以上とし、これに伴いCu含有量を64mass%以下とすることが好ましく、導電性の点からCu含有量を19mass%以上とし、これに伴い黒鉛含有量を80mass%以下とすることが好ましい。なおCuと黒鉛との比率を変えても、ブラシの曲げ強度と外観へのホウ素化合物含有量の影響は、表１に示す実施例及び比較例と同様であった。
配合粉をホッパから型内に投入し、リード線６の先端を埋め込むように、4×10８Pa（48×9800Ｎ／cm２）の圧力でモールド成形し、還元雰囲気の電気炉で700℃で焼結し、表１に示す組成のブラシを得た。なお焼成温度は600℃〜1000℃が好ましい。
表１
Cu 黒鉛 ホウ素 残部
比較例１ 51.5 46.2 0 2.3
実施例１ 51.3 46.3 0.1 2.3
実施例２ 51.2 46.2 0.3 2.3
実施例３ 51.2 46.0 0.5 2.3
実施例４ 51.0 45.9 0.8 2.3
実施例５ 50.9 45.8 1.0 2.3
実施例６ 50.5 45.2 2.0 2.3
比較例２ 49.8 44.9 3.0 2.3
比較例３ 48.7 44.0 5.0 2.3
比較例４ 47.6 43.1 7.0 2.3
* 単位はmass%で、残部はフェノール樹脂由来の炭素が1.3mass%、
二硫化モリブデンが0.8mass%、灰分が0.2mass%．
Cu 黒鉛 ホウ素 残部
比較例１ 51.5 46.2 0 2.3
実施例１ 51.3 46.3 0.1 2.3
実施例２ 51.2 46.2 0.3 2.3
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* 単位はmass%で、残部はフェノール樹脂由来の炭素が1.3mass%、
二硫化モリブデンが0.8mass%、灰分が0.2mass%．
図２は、実施例６でのブラシ切断面のEPMA（Electron Probe Micro Analysis）画像を示す。B元素の分布とO元素の分布はほぼ一致し、Cu元素の分布と一致しない。このことはホウ素は、ホウ素の酸化物もしくはホウ酸として、粒子状の形態で存在することを示している。またこのことは、ホウ酸（H3BO3）としてホウ素を配合したこととも対応する。
図３は実施例４のブラシ表面を、図４は比較例２のブラシ表面を、図５は比較例４のブラシ表面を示す写真である。写真のブラシは、前記実施例に記載の製造方法で作成したテスト片であり、寸法は20mm×10mm×5mmとなっている。B2O3換算でのホウ素含有量が0.1〜2mass%の実施例ではブラシ表面は平滑でそのまま使用できるが、ホウ素含有量が3〜7mass%の比較例では、ブラシ表面にホウ酸に由来すると考えられる塊が表れ、表面に凹凸が生じている。そしてこの塊はブラシの使用中に脱落しやすいため、ホウ素含有量が3mass%以上の比較例は実用的ではない。
実施例でも比較例でも、ブラシの抵抗率等は実用上問題がない範囲であった。焼成後のブラシの曲げ強度と、200℃で100時間エージング後及び200℃で400時間エージング後の曲げ強度を測定した。なお曲げ強度は3点曲げ強度である。曲げ強度とブラシの外観の評価結果を表２に示す。
表２
曲げ強度（MPa） 外観
ホウ素含有量 焼成後 100時間後 400時間後 経時変化
比較例１ 0 15.3 24.1 22.4 7.1 ○
実施例１ 0.1mass% 24.0 25.5 25.2 1.2 ○
実施例２ 0.3mass% 24.0 25.4 25.3 1.3 ○
実施例３ 0.5mass% 26.7 27.8 27.9 1.2 ○
実施例４ 0.8mss% 28.5 30.2 29.5 1.0 ○
実施例５ 1.0mass% 27.5 26.3 28.6 1.1 ○
実施例６ 2.0mass% 27.1 29.5 29.0 1.9 ○
比較例２ 3.0mass% 28.5 30.9 30.9 2.4 △
比較例３ 5.0mass% 25.8 29.3 24.3 −1.5 ×
比較例４ 7.0mass% 29.1 28.6 22.2 −6.9 ×
＊ 曲げ強度はJIS Z 2248 「金属材料曲げ試験方法」に準拠して測定．
＊ 100時間後は200℃で100時間後の曲げ強度を、400時間後は200℃で400時間後の曲げ強度を示す．
＊ 強度はMPa単位、経時変化は200℃400時間のエージングによる曲げ強度の変化．
＊ 外観は、ブラシ表面が平滑でそのまま使用できるものを○、
表面に塊があるが、切削すれば使用できるものを△、
表面に塊が多数あり、使用できないものを×とした.
曲げ強度（MPa） 外観
ホウ素含有量 焼成後 100時間後 400時間後 経時変化
比較例１ 0 15.3 24.1 22.4 7.1 ○
実施例１ 0.1mass% 24.0 25.5 25.2 1.2 ○
実施例２ 0.3mass% 24.0 25.4 25.3 1.3 ○
実施例３ 0.5mass% 26.7 27.8 27.9 1.2 ○
実施例４ 0.8mss% 28.5 30.2 29.5 1.0 ○
実施例５ 1.0mass% 27.5 26.3 28.6 1.1 ○
実施例６ 2.0mass% 27.1 29.5 29.0 1.9 ○
比較例２ 3.0mass% 28.5 30.9 30.9 2.4 △
比較例３ 5.0mass% 25.8 29.3 24.3 −1.5 ×
比較例４ 7.0mass% 29.1 28.6 22.2 −6.9 ×
＊ 曲げ強度はJIS Z 2248 「金属材料曲げ試験方法」に準拠して測定．
＊ 100時間後は200℃で100時間後の曲げ強度を、400時間後は200℃で400時間後の曲げ強度を示す．
＊ 強度はMPa単位、経時変化は200℃400時間のエージングによる曲げ強度の変化．
＊ 外観は、ブラシ表面が平滑でそのまま使用できるものを○、
表面に塊があるが、切削すれば使用できるものを△、
表面に塊が多数あり、使用できないものを×とした.
表２から、以下のことが分かった。B2O3換算でホウ素化合物濃度が0.1mass%未満では、ブラシの曲げ強度が不足する。0.1mass%以上0.5mass%未満では、曲げ強度は向上するもののやや低い。0.5mass%以上1.0mass%以下では、曲げ強度は高く、高温での曲げ強度の経時変化も小さい。1.0mass%超2.0mass%以下では、曲げ強度は高いものの、高温での曲げ強度の経時変化がやや大きくなる。2.0mass%超では、外観不良のため使用不可で、かつ経時試験中に割れが発生することがあった。これらのことから、ホウ素化合物の含有量は0.1mass%以上2.0mass%以下とし、好ましくは0.1mass%以上1.0mass%以下、最も好ましくは0.5mass%以上1.0mass%以下とする。
前記のように、本発明のDCモータ用の銅黒鉛ブラシは曲げ強度が高く、且つ高温下での経時変化が小さいため、特性を長時間維持することができる。このため、特に自動車のモータ、オールタネータ等のように、高温下で長期間使用される摺動部材に好適に用いることができる。
２ 銅黒鉛質ブラシ ４ 摺動面 ６ リード線 ８ 摺動相手
Claims (6)
- 銅と黒鉛とを含有する銅黒鉛質ブラシにおいて、
B2O3換算で0.1mass%以上2.0mass%以下のホウ素化合物を、ホウ素酸化物あるいはホウ酸として含有することを特徴とする、銅黒鉛質ブラシ。 - 黒鉛を35mass%以上80mass%以下含有することを特徴とする、請求項１の銅黒鉛質ブラシ。
- 銅として電解銅粉を含有することを特徴とする、請求項１または２の銅黒鉛質ブラシ。
- B2O3換算で0.1mass%以上1.0mass%以下のホウ素化合物を含有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれかの銅黒鉛質ブラシ。
- ホウ素化合物を粒子状の形態で含有することを特徴とする、請求項１〜４のいずれかの銅黒鉛質ブラシ。
- 銅と黒鉛とホウ素化合物が各々粒子状の形態で存在することを特徴とする、請求項５の銅黒鉛質ブラシ。
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