WO2007102417A1 - カーボンコンミテータおよびその製造方法 - Google Patents

カーボンコンミテータおよびその製造方法 Download PDF

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Hiroyuki Takayanagi
Seiji Otake
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    • Y10T428/30—Self-sustaining carbon mass or layer with impregnant or other layer

Definitions

  • the present invention belongs to the technical field of a carbon commutator for an electric motor and a method for manufacturing the same.
  • the commutator commutator piece is made of carbon (carbon base material) where the brush is slidably contacted so that it is not eroded by alcohol, and the opposite side surface of the brush slidable part (one surface of the carbon base material)
  • a metal layer is formed on the metal layer, and a conductive terminal member (riser piece) made of, for example, copper is integrated (electrically bonded) to the metal layer (for example, Patent Document 1). reference).
  • carbon substrates are known to have poor surface wettability and are difficult to bond to most metals, and in order to bond conductive terminal members to the carbon substrate surface, it is between these. It is necessary to form a metal layer.
  • the surface of the carbon base material is plated using nickel or the like, and the conductive terminal member is bonded to the plated surface by a bonding means such as soldering.
  • the plated metal layer can be used together with the conductive terminal member.
  • the carbon powder, the metal powder arranged in layers with respect to the carbon powder, and the conductive terminal member arranged on the metal powder side are integrally sintered, and the carbon base material is electrically conductive in advance.
  • a device in which a terminal member is joined is known (see, for example, Patent Document 2).
  • the sintering process becomes complicated and difficult, and the sintering temperature is as follows.
  • the temperature must be such that the copper conductive terminal member is not deformed and lower than the melting point of the metal powder, which limits the sintering temperature of the carbon base material.
  • the carbon material must be selected to be close to the sintering shrinkage rate of the metal powder, which limits the range of carbon material selection and limits the carbon characteristics.
  • the iron powder is adhered to the surface of the carbon base material, and this is sintered at a temperature not lower than the diffusion temperature of the carbon and not higher than the melting temperature of the iron, so that the iron layer is integrally formed on the surface of the carbon base material.
  • this iron layer is joined to a commutator piece (copper plate material) by soldering or the like, thereby producing an integrated body in which the commutator piece and the carbon substrate are electrically connected.
  • Some carbon materials have a low sintering temperature and are set. When a carbon composite base material is manufactured using such a carbon material, the sintering temperature is low. Force that is presumed to be caused by the inhibition of solid solution equivalent to the carburization reaction in which the diffusion reaction between the binder carbonization component and iron powder is difficult to occur.Stable bonding between carbon and iron powder The strength of the bond between the iron layer and the carbon layer is weak (low), and it has only enough strength to peel off by hand. Therefore, there is a problem that further improvement is necessary.
  • the iron layer has a high affinity with the carbon layer and is made of an iron alloy layer containing a metal such as chromium (Cr) or molybdenum (Mo), thereby improving the compatibility with the carbon layer, A proposal was made to improve the peel strength (see Patent Document 4).
  • Patent Document 1 US Patent No. 5175463
  • Patent Document 2 JP-A-8-308183
  • Patent Document 3 JP 2002-398378
  • Patent Document 4 Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2004-208398
  • Patent Document 4 Although the affinity between the iron alloy layer and the carbon layer has been improved, when trying to join a copper plate or a brass plate to the iron alloy layer by soldering, Since the wettability of the solder is better for the copper plate and the brass plate than for the iron alloy layer, there is a problem that a gap is easily formed between the iron alloy layer and the joint strength is not stable. Therefore, it is conceivable to use a strongly acidic flux to improve the wettability, but there is a problem that the corrosion resistance is impaired due to the strong acidity as well as the occurrence of environmental problems. There is a problem to be solved by the invention.
  • the present invention was created in view of the above-described circumstances to solve these problems, and the invention of claim 1 is capable of joining a metal material to the surface of a carbon substrate.
  • a commutator using a carbon composite base material on which an iron layer is formed the iron powder being attached to the surface of the carbon base material that has been pre-sintered to the carbon composite base material, and a carbon diffusion temperature or higher.
  • the iron powder is a carbon commutator that has been subjected to a treatment to increase surface adsorbed oxygen when formed by sintering at a temperature below the melting point of iron.
  • the invention according to claim 2 is the carbon commutator according to claim 1, wherein the treatment for increasing the surface adsorbed oxygen of the iron powder is a water immersion treatment or a heat treatment.
  • the invention of claim 3 is directed to manufacturing a commutator using a carbon composite base material in which an iron layer capable of joining a metal material is formed on the surface of the carbon base material. Then, iron powder that has been treated to increase the surface adsorbed oxygen is attached to the surface of a carbon substrate that has been pre-sintered, and then sintered at a temperature above the carbon diffusion temperature and below the iron melting point. It is a manufacturing method of the carbon commutator which is formed.
  • the invention according to claim 4 is the method for producing a carbon commutator according to claim 3, wherein the treatment for increasing the amount of oxygen adsorbed on the surface of the iron powder is a water immersion treatment or a heat treatment.
  • the carbon composite base material in forming a carbon commutator using a carbon composite base material in which an iron layer capable of joining a metal material with solder on the surface of the carbon base material is formed, the carbon composite base material includes: An iron alloy powder containing metal powder for improving the affinity with carbon is attached to the surface of a carbon base that has been pre-sintered and sintered at a temperature above the carbon diffusion temperature and below the melting point of iron.
  • the carbon commutator is characterized in that the iron alloy powder further contains copper-based metal material powder.
  • the invention according to claim 6 is the carbon commutator according to claim 5, wherein the copper-based metallic material powder is at least one kind selected from copper powder or an alloy powder of copper and another metal. is there.
  • the invention according to claim 7 is directed to manufacturing a carbon commutator using a carbon composite base material in which an iron layer capable of joining a metal material is formed on the surface of the carbon base material.
  • Iron powder containing metal powder and copper-based metal material powder further improving the affinity with carbon is adhered to the surface of the carbon base material, and after that, after the carbon diffusion temperature or higher, It is a method for producing a carbon commutator characterized by being formed by sintering at a temperature below the melting point of iron.
  • the invention according to claim 8 is the carbon commutator according to claim 7, wherein the copper-based metal material powder is at least one selected from the group consisting of copper powder and an alloy powder of copper and another metal. It is a manufacturing method.
  • the reaction at the contact interface between the carbon substrate and the iron powder is promoted, and the peel strength is increased.
  • the wettability of the solder is improved by including the copper-based metal material in the iron alloy layer, thereby soldering the copper-based metal to the iron alloy layer.
  • a carbon composite substrate with improved peel strength can be provided.
  • the copper-based metal material to be included in the iron alloy layer can be easily obtained.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a fuel pump.
  • FIG. 2 is a front view of the commutator.
  • FIG. 3 is a longitudinal sectional view of a commutator.
  • FIG. 4 is a vertical cross-sectional view of a state in which a carbon composite base material and a copper plate are soldered.
  • FIG. 5 is a table showing the measurement results of the peel strength of the carbon composite substrate.
  • FIG. 6 is a vertical cross-sectional view of a state in which a carbon composite base material and a copper plate of another example are soldered.
  • FIG. 7 is a graph showing measurement results of peel strength of carbon composite substrates of other examples.
  • reference numeral 1 denotes a fuel pump for supplying a mixed fuel obtained by mixing gasoline with methyl alcohol to an internal combustion engine.
  • the fuel pump 1 includes a pump unit 2 and a motor unit 3.
  • a general-purpose impeller-type pump means provided on a rotor shaft 4 described later is employed in the present embodiment, and details thereof are omitted.
  • the motor unit 3 is provided with a rotor core 5 and a commutator (carbon commutator) 6 to be described later on the rotor shaft 4, and a permanent magnet 8 is fixed to the inner peripheral surface of the yoke 7.
  • a brush 9 slidably contacting the mitator 6 is urged by an ammunition 10.
  • one side surface in the axial direction of the rotor shaft 4 is a sliding contact surface of the brush 9.
  • the commutator 6 has a structure in which a commutator piece (commutator piece) 12 is formed using the carbon composite base material 11 in which the present invention is implemented.
  • the carbon composite base material 11 Then, the commutator 6 is formed by injection molding a resin material 13 that also has an insulating material strength when the rotor shaft 4 passes through.
  • the commutator piece 12 is provided in the direction around the axis so that a plurality of the commutator pieces 12 are electrically disconnected by forming a radial cut groove 12a on one side surface.
  • Each commutator piece 12 is formed with a riser 12b for projecting a coil 5a mounted on the rotor core 5.
  • the carbon composite base material 11 for forming the commutator 6 of the present invention has a temperature in a state where iron powder that has been heat-treated or immersed in water is placed on the surface of the carbon base material 14 that has been sintered beforehand.
  • a temperature above the solid solution temperature (diffusion temperature) of carbon even if the carbon base material 14 has a low solid solution temperature, a solid solution equivalent to the carburization reaction is formed on the carbon base material 14. It has been found that an iron layer 15 having high peel strength is formed efficiently.
  • the surface of the iron powder is in an oxidation reaction progress state and a large amount of active oxygen is adsorbed on the iron powder surface. It is presumed that the solid solution corresponding to the carburization reaction was promoted on the material 14, and as a result, the peel strength between the carbon substrate and iron became stronger.
  • the water used for the water immersion treatment of iron powder is required to be water in which oxygen is dissolved in order to promote oxidation of the iron powder surface.
  • the carbon base material 14 is obtained by sintering, for example, a carbon powder compacted into an arbitrary shape (ring shape or the like) at 800 to 2000 degrees (° C) for 2 hours, What is formed by cooling to room temperature (room temperature) is used, and the sintering temperature, sintering time, etc. of the carbon substrate 14 are set appropriately according to the use of the carbon substrate 14. It is formed on the basis. Then, the iron powder subjected to the water immersion treatment or the heat treatment is attached to the upper surface (surface) of the carbon base material 14 formed in advance in this manner. For this, an appropriate amount of iron powder is applied to the upper surface of the carbon base material 14. There are various methods such as leveling the directly placed material with a spatula etc., but it does not remain after burning at the temperature rising stage during sintering! Use a binder (for example, organic adhesive) Forcibly adhering can also be performed.
  • a binder for example, organic adhesive
  • the particle size of the iron powder is about 5 to 15 micrometers (m), preferably 10 micrometers on average.
  • the sintering temperature is higher than the diffusion temperature of carbon and higher than the melting point of iron (lower than the melting point), 1000 to 1300 ° C, preferably about 1100 to 1150 ° C.
  • the sintering time is 1 to 2 hours, preferably about 1.5 hours.
  • the sintering atmosphere is preferably performed in a vacuum atmosphere, but is not limited thereto. In this way, the carbon composite base material 11 having the iron layer 15 formed on the surface is formed, and the carbon composite base material 11 thus formed is applied to the iron layer 15 by soldering 16.
  • it can be used for various applications as a so-called gradient functional material capable of fixing the copper plate 17.
  • the carbon composite base material 11 produced in the present invention is obtained by forming a sintered iron alloy layer capable of joining a metal material such as copper or brass on the surface of the carbon base material 14 with solder.
  • the metal other than iron constituting the iron alloy layer is a metal having good affinity (compatibility) with carbon. Examples of the metal include groups 4 and 5 in the long-period periodic table of elements.
  • Group, Group 6, Group 7, Group 9 and Group 10 metals are exemplified, and one or more metals selected from these metals, more specifically, titanium (Ti), vanadium (V ), Chromium (Cr), manganese (Mn), cobalt (Co), nickel (Ni), niobium (Nb), molybdenum (Mo), tungsten (W).
  • Ti titanium
  • V vanadium
  • Cr Chromium
  • Mn manganese
  • Co cobalt
  • Ni nickel
  • Nb niobium
  • Mo molybdenum
  • tungsten tungsten
  • the iron alloy may be a mixture of single metal powders, but from the viewpoint of uniformity of the sintered iron alloy layer, the iron alloy containing the selected metal is used as a powder. Is preferred.
  • Such alloys include stainless steel, chromium steel, chromium 'molybdenum steel, nickel-chromium steel, nickel' chromium molybdenum alloy, etc., and these may be used alone or in combination of two or more selected. Either may be sufficient.
  • the content of metals other than iron is about 1 to 40%.
  • SUS304L is 0.2% manganese, 10.0% Eckenole, 19% chromium. It is an iron alloy containing 2% (total proportion of these metals is 29.4%).
  • SUS316L also contains iron containing 0.4% manganese, 13.0% nickel, 17.0% chromium, 3.0% molybdenum, 0.4% niobium (the total proportion of these metals is 31.1%). It is an alloy. Furthermore, SUS444L is an iron alloy containing metals of mangan 0.2%, nickel 0.2%, chromium 18.0%, molybdenum 2.0% (the total proportion of these metals is 20.4%). In addition, when the iron alloy is chromium 'molybdenum steel, the Japanese Industrial Standard name SCM415 is 0.6% manganese, 1.0% chromium, 0.3% molybdenum (the total proportion of these metals is 1.9%) In the present invention, such an iron alloy can be employed.
  • a copper-based metal material is contained.
  • the copper-based metallic material contained is a copper alloy that contains other metals in addition to copper alone, such as brass (brass), which is an alloy of copper and zinc (Zn), and an alloy of copper and tin (Sn).
  • One kind of various copper alloys such as certain white copper or a plurality of selected kinds can be adopted.
  • the particle size of the metal powder is approximately 5 to 30 micrometers (m), and the average particle diameter is approximately 10 m.
  • the sintering temperature is higher than the diffusion temperature of carbon (above the diffusion temperature) and lower than the melting point of iron (below the melting point), and is 1000 to 1300 degrees, preferably about 1050 to 1150 degrees.
  • the sintering time is about 0.5 to 2 hours, preferably about 1.5 hours.
  • the sintering atmosphere is preferably performed in a vacuum atmosphere.
  • the carbon base material 14 A carbon composite substrate 11 having a copper-containing iron alloy layer 15 containing copper on the surface is formed, and can be used for various applications as a so-called functionally gradient material.
  • a commutator can be manufactured by joining a copper rectifier piece 12 to the surface of the copper-containing iron alloy layer 15 using a joining means by soldering 16.
  • An iron powder having an average particle size of 10 micrometers was immersed in distilled water subjected to air aeration treatment for 20 hours, filtered, and dried at room temperature to obtain water-treated iron powder.
  • the iron powder was heat-treated in air at 200 ° C and 500 ° C for 1 hour, and then naturally cooled to room temperature to obtain heat-treated iron powders 1 and 2. .
  • a carbon composite substrate 11 was produced on the surface of the carbon substrate 14 previously sintered at a temperature of 1400 ° C. for 2 hours by using the obtained treated iron powder.
  • water-treated iron powder and heat-treated iron powder 1 are placed in a state of being about 0.1 mm thick and placed in a vacuum atmosphere at a temperature of about 1100 degrees Celsius. 1.
  • a carbon composite substrate 11 was obtained by the same method using a mixed iron powder containing 75% untreated iron powder and 25% heat-treated iron powder 2.
  • a carbon composite substrate 11 was obtained by the same method using untreated iron powder.
  • the carbon composite substrate 11 thus obtained was measured for peel strength (N) and checked for the state of the peeled surface. The results are shown in the table in Fig. 5. From these results, it was found that the carbon composite base material 11 manufactured using the iron powder subjected to the water immersion treatment or the heat treatment has an increased peel strength compared to the one using the untreated iron powder. At the same time, it was observed that the proportion of the carbon substrate remaining on the copper terminal member side also increased.
  • a copper plate 17 was joined to the copper-containing iron alloy layer 15 with a solder 16, and the joint strength (peel strength N) was measured. The result is shown in the graph of Fig. 7. From this result, it was confirmed that the bonding strength of the iron alloy mixed with the copper-based metal material was improved as compared with the iron alloy not mixed with the copper-based metal material.
  • the present invention is useful for a carbon commutator for an electric motor and a method for manufacturing the same.
  • the reaction at the contact interface between the carbon substrate and the iron powder is promoted by adhering the iron powder that has been subjected to increasing treatment and sintering it at a temperature above the diffusion temperature of the carbon and below the melting point of the iron. It can be a commutator with high peel strength.

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Abstract

　カーボン基材１４の表面に、金属材を接合可能な鉄層１５が形成されたカーボン複合基材１１を製造するにあたり、カーボン基材１４と鉄層１５との剥離強度を大きくする。 　カーボン複合基材１１を、予め焼結形成されたカーボン基材１４の表面に鉄粉を付着させ、炭素の拡散温度以上、鉄の融点以下の温度で焼結して形成するにあたり、鉄粉は、予め水浸漬処理または熱処理を施すことにより表面吸着酸素を多くする処理が施されたものを使用して剥離強度を大きくする。

Description

カーボンコンミテータおよびその製造方法
技術分野
[0001] 本発明は、電動モータのカーボンコンミテータおよびその製造方法の技術分野に 属するものである。
背景技術
[0002] 一般に、車両に搭載されるインタンク式の燃料ポンプでは、燃料ポンプ自体が燃料 に没入 (浸漬)されるため、燃料ポンプを構成するハウジング内部がガソリン等の燃料 の流路となっており、このようなものでは、燃料ポンプに組込まれる各部材を、燃料に 浸食される等して機能が損なわれないような耐燃料特性が優れた材料で形成する必 要がある。一方、近年、環境保護の観点から、燃料としてアルコール (メタノールゃェ タノール等）を、あるいはアルコールを含有する混合燃料を用いることが試みられて いる。ところが、従来のガソリン用の燃料ポンプに組込まれる電動モータはコンミテー タの整流子片を銅製としているため、このようなガソリン燃料用の燃料ポンプをそのま まアルコールが含有された燃料のものに採用した場合、銅がアルコール成分により 浸食されてしまうことが知られて 、る。
そこで、コンミテータの整流子片を、ブラシが摺接する部位はカーボン製 (カーボン 基材）としてアルコールによる浸食がないようなものとし、該ブラシ摺接部位の反対側 面 (カーボン基材の一方の表面）に金属層を形成し、該金属層に、例えば銅製の導 電性端子部材 (ライザ片)を一体化 (電気的接合)するようにしたものが提唱されて!ヽ る（例えば特許文献 1参照)。因みに、カーボン基材は、表面の濡れ性が悪く殆どの 金属との接合が難しい材料であることが知られており、カーボン基材表面に導電性端 子部材を接合するにはこれらのあいだに金属層を形成する必要がある。このため、前 記公報では、カーボン基材の表面に、ニッケル等を用いてメツキを施し、該メツキされ た面に、導電性端子部材を半田付け等の接合手段により接合しているが、この場合 に、メツキにより形成された金属層は剥離しやすぐ仮に金属層と導電性端子部材と の一体的な接合はできたとしても、メツキされた金属層が導電性端子部材とともに力 一ボン基材表面力 剥離されてしまう惧れがあり、コンミテータとしての強度を充分に 確保できな 、惧れがあるうえ、耐久性にも乏 、と 、う問題がある。
これに対し、カーボン粉末と、該カーボン粉末に対して層状に配される金属粉末と、 該金属粉末側に配される導電性端子部材とを一体に焼結し、カーボン基材に予め 導電性端子部材が接合されたものを形成するようにしたものが知られて ヽる (例えば 特許文献 2参照)。
しかるにこのものでは、カーボン粉末と、金属粉末と、導電性端子部材とが一体的 に焼結される構成であるため、焼結工程が煩雑になって難しくなつてしまううえ、焼結 温度としては、銅製の導電性端子部材が変形しない程度の温度であって、かつ、金 属粉末の融点よりも低 、温度に設定しなければならず、カーボン基材の焼結温度に 制限が生じてしまうという問題がある。そのうえこのものでは、金属粉末とカーボン粉 末とのあいだに焼結収縮率の差がある場合に、これらのあいだに隙間が生じ易く剥 離してしまう惧れがあり、これを防止するには、カーボン材質として金属粉末の焼結 収縮率と近似したものを選択しなければならず、カーボン材質の選択の幅が制限さ れ、カーボン特性において制限が生じてしまうという問題がある。
そこで、カーボン基材の表面に鉄粉を付着させ、これを炭素の拡散温度以上、鉄の 溶融温度以下の温度で焼結してカーボン基材の表面に鉄層が一体化形成された傾 斜機能材料とし、この鉄層を半田付け等で整流子片 (銅製板材)に接合するようにし 、これによつて整流子片とカーボン基材とが電気的に接続した一体物を製造するよう にしたものを提唱した (特許文献 3参照)。
ところがこのものは、コンミテータとなる銅製の整流子片を鉄層と半田付け等で接合 することでカーボン層と銅層とを一体ィ匕できるという点で好ましいものであった力 前 記傾斜機能材料を製造するにあたり、カーボン素材の中には焼結温度が低 、設定 のものがあり、このようなカーボン素材を用いてカーボン複合基材を製造した場合、 焼結温度が低いが故に、カーボン素材中のバインダー炭化成分と鉄粉とのあいだで の拡散反応が生じづらぐ浸炭反応に相当する固溶の促進が阻害されることが原因 になると推定される力 カーボンと鉄粉との接合が安定ィ匕せず、鉄層とカーボン層と の接合強度が弱い (低い)ものになって、手で剥離できる程度の強度しかないもので あって、さらなる改善が必要であるという問題がある。
そこで鉄層を、カーボン層との親和性が高 、クロム（Cr)やモリブデン（Mo)のような 金属を含んだ鉄合金層とし、これによつてカーボン層とのし和性を向上させ、剥離強 度を向上させるようにしたものを提唱した (特許文献 4参照)。
特許文献 1 :米国特許第 5175463号公報
特許文献 2：特開平 8 - 308183号公報
特許文献 3：特開 2002— 398378号
特許文献 4：特開 2004— 208398号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0003] ところが前記特許文献 4のものは、鉄合金層とカーボン層との親和性の点は改善さ れたものの、鉄合金層に銅板や真鍮板を半田付けにて接合しょうとした場合、半田の 濡れ性が鉄合金層よりも銅板や真鍮板の方が良ぐこのため鉄合金層とのあいだで 隙間ができやすく接合強度が安定ィ匕しな 、と 、う問題がある。そこで濡れ性の改善 のため強酸性のフラックスを使用することも考えられるが、環境上の問題が発生する だけでなぐ強酸性であるが故に耐腐食性が損なわれるという問題があり、ここに本 発明が解決せんとする課題がある。
課題を解決するための手段
[0004] 本発明は、上記の如き実情に鑑みこれらの課題を解決することを目的として創作さ れたものであって、請求項 1の発明は、カーボン基材の表面に金属材を接合可能な 鉄層が形成されたカーボン複合基材を用いたコンミテータであって、該カーボン複合 基材を、予め焼結形成されたカーボン基材の表面に鉄粉を付着させ、炭素の拡散温 度以上、鉄の融点以下の温度で焼結して形成するにあたり、鉄粉は、表面吸着酸素 を多くする処理が施されたものであることを特徴とするカーボンコンミテータである。 請求項 2の発明は、鉄粉の表面吸着酸素が多くなる処理は、水浸漬処理または熱 処理であることを特徴とする請求項 1記載のカーボンコンミテータである。
請求項 3の発明は、カーボン基材の表面に金属材を接合可能な鉄層が形成された カーボン複合基材を用いたコンミテータを製造するにあたり、該カーボン複合基材は 、予め焼結形成されたカーボン基材の表面に、表面吸着酸素が多くなる処理が施さ れた鉄粉を付着させ、しかる後、炭素の拡散温度以上、鉄の融点以下の温度で焼結 して形成されるものであるカーボンコンミテータの製造方法である。
請求項 4の発明は、鉄粉の表面吸着酸素が多くなる処理は、水浸漬処理または熱 処理であることを特徴とする請求項 3記載のカーボンコンミテータの製造方法である。 請求項 5の発明は、カーボン基材の表面に金属材を半田にて接合可能な鉄層が 形成されたカーボン複合基材を用いてカーボンコンミテータを形成するにあたり、前 記カーボン複合基材は、予め焼結形成されたカーボン基材の表面に、カーボンとの 親和性を向上するための金属粉を含有する鉄合金粉を付着させ、炭素の拡散温度 以上、鉄の融点以下の温度で焼結して形成するものとし、鉄合金粉には、銅系金属 材料粉がさらに含有されていることを特徴とするカーボンコンミテータである。
請求項 6の発明は、銅系金属材料粉は、銅粉または銅と他金属との合金粉のなか 力も選択される少なくとも 1種類であることを特徴とする請求項 5記載のカーボンコンミ テータである。
請求項 7の発明は、カーボン基材の表面に金属材を接合可能な鉄層が形成された カーボン複合基材を用いてカーボンコンミテータを製造するにあたり、前記カーボン 複合基材は、予め焼結形成されたカーボン基材の表面に、カーボンとの親和性を向 上するための金属粉と銅系金属材料粉がさらに含有されている鉄粉を付着させ、し かる後、炭素の拡散温度以上、鉄の融点以下の温度で焼結して形成されることを特 徴とするカーボンコンミテータの製造方法である。
請求項 8の発明は、銅系金属材料粉は、銅粉または銅と他金属との合金粉のなか 力も選択される少なくとも 1種類であることを特徴とする請求項 7記載のカーボンコンミ テータの製造方法である。
発明の効果
請求項 1または 3の発明とすることにより、表面吸着酸素が多くなる処理が施された 鉄粉を使用することにより、カーボン基材と鉄粉との接触界面での反応が促進し剥離 強度の大きいカーボンコンミテータにできる。
請求項 2または 4の発明とすることにより、表面吸着酸素が多くなる処理が簡単にで さることになる。
請求項 5または 7の発明とすることにより、鉄合金層中に銅系金属材料が含まれるこ とで半田の濡れ性が向上し、これによつて鉄合金層に銅系金属を半田付けしたとき の剥離強度が改善されたカーボン複合基材を提供できることになる。
請求項 6または 8の発明とすることにより、鉄合金層に含有せしめる銅系金属材料を 簡単に入手できることになる。
図面の簡単な説明
[0006] [図 1]燃料ポンプの縦断面図である。
[図 2]コンミテータの正面図である。
[図 3]コンミテータの縦断面図である。
[図 4]カーボン複合基材と銅板を半田付けしたものを模式ィ匕した状態の縦断面図で ある。
[図 5]カーボン複合基材の剥離強度の測定結果を示す表図である。
[図 6]他例のカーボン複合基材と銅板を半田付けしたものを模式ィ匕した状態の縦断 面図である。
[図 7]他例のカーボン複合基材の剥離強度の測定結果を示すグラフ図である。
符号の説明
[0007] 11 カーボン複合基材
14 カーボン基材
15 鉄層
発明を実施するための最良の形態
[0008] 次に、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明をする。図面において 、 1はガソリンにメチルアルコールを混合した混合燃料を内燃機関に供給するための 燃料ポンプであって、該燃料ポンプ 1は、ポンプ部 2とモータ部 3とを備えて構成され る力 ポンプ部 2は本実施の形態では後述するロータ軸 4に設けられる汎用のインべ ラ式ポンプ手段が採用されており、その詳細については省略する。またモータ部 3は 、前記ロータ軸 4にロータコア 5、後述するコンミテータ (カーボンコンミテータ）6がー 体的に設けられると共に、ヨーク 7の内周面に永久磁石 8が止着され、さらに前記コン ミテータ 6に摺接するブラシ 9が弾機 10によって付勢されている。前記コンミテータ 6 は、ロータ軸 4の軸芯方向一側面がブラシ 9の摺接面になっている。
[0009] 前記コンミテータ 6は、本発明が実施されたカーボン複合基材 11を用いてコンミテ ータ片 (整流子片） 12が形成される構造になっているが、ここではカーボン複合基材 11を、ロータ軸 4が貫通する状態で絶縁性素材力もなる榭脂材 13を射出成形するこ とでコンミテータ 6がー体形成される。コンミテータ片 12は、図 3に示すように一側面 に径方向の切り溝 12aが形成されることで該コンミテータ片 12の複数が電気的に非 接続状態となるようにして軸周り方向に設けられており、そして各コンミテータ片 12に はロータコア 5に卷装したコイル 5aを巻き掛けるためのライザ 12bが突出形成されて いる。
[0010] 本発明のコンミテータ 6を形成するためのカーボン複合基材 11は、予め焼結された カーボン基材 14の表面に、熱処理または水浸漬処理された鉄粉を載せた状態で温 度を上昇させ、炭素の固溶温度 (拡散温度)を上回る温度で加熱することにより、固 溶温度が低いカーボン基材 14であっても、カーボン基材 14上に滲炭反応に相当す る固溶が効率よく生じて剥離強度の大きい鉄層 15が形成されることを見出したもので ある。
[0011] 鉄粉を水浸漬処理あるいは熱処理をすることにより、鉄粉の表面が酸化反応進行 状態となって多くの活性酸素が鉄粉表面に吸着している状態となり、この活性酸素が カーボン基材 14上において浸炭反応に相当する固溶を促進し、この結果、カーボン 基材と鉄とのあいだの剥離強度が強くなつたものと推定される。鉄粉の水浸漬処理に 用いる水としては、鉄粉表面の酸化を促すため酸素が溶存して 、る水であることが要 求される。
[0012] ところで炭素含有量の少な 、鉄を炭素雰囲気下にお 、て、炭素の固溶温度を上回 る温度である約 800度以上の温度で加熱すると、鉄材の表面に炭素が拡散して固溶 する所謂滲炭反応が生じることが知られているが、このような滲炭反応を生じさせる場 合、前述したような鉄粉に変えて鉄を主成分として他金属を含有する金属粉をカーボ ン基材 14の表面に焼結させたものは、接合強度が高強度となって、実際に剥離強度 を測定しょうとしたところ、接合面が剥離する前にカーボン基材 14が破壊 (カーボン 基材の破壊強度は約 200kgfZcm2)することになつて、実用上問題な 、接合強度と なって 、ることが確認されて 、る。
[0013] さらに詳しくは、カーボン基材 14は、例えばカーボン粉末を任意の形状 (リング状等 )に圧粉成形したものを、 800〜2000度 (°C)において 2時間のあいだ焼結し、常温（ 室温）に冷却することで形成されたものが用いられており、該カーボン基材 14の焼結 温度、焼結時間等は、カーボン基材 14の用途に応じて適宜設定された条件に基づ いて形成される。そして、このように予め形成されたカーボン基材 14の上面（表面）に 、前記水浸漬処理または熱処理した鉄粉を付着させるが、これには、鉄粉の適量を カーボン基材 14の上面に直接載せたものをヘラ等で均平ィ匕するなどの種々の手法 があるが、焼結時の昇温段階で燃焼する等して残留しな!、バインダー (例えば有機 系接着材)を用いて強制的に付着しての実施もできる。
一方、鉄粉の粒径は、およそ 5〜15マイクロメートル（ m)、好ましくは平均 10マイ クロメートルのものが用いられている。この場合の焼結温度は、炭素の拡散温度より は高 拡散温度以上）、鉄の融点よりは低い温度 (融点以下)であって、 1000〜13 00°C、好ましくはおよそ 1100〜1150°Cであり、焼結時間は 1〜2時間、好ましくは およそ 1. 5時間である。焼結雰囲気としては、真空雰囲気下で行うことが好ましいが 、これにとらわれるものではない。そして、このようにすることで、表面に鉄層 15が形 成されたカーボン複合基材 11が形成され、このようにして形成されたカーボン複合基 材 11は、鉄層 15を半田 16付け処理によって例えば銅板 17を固着できる所謂傾斜 機能材料として種々の用途に用いることができる。
[0014] さらに本発明で製造されるカーボン複合基材 11は、カーボン基材 14の表面に銅や 真鍮等の金属材を半田にて接合可能な焼結鉄合金層が形成されたものであって、 鉄合金層を構成する鉄以外の他の金属としては、カーボンとの親和性 (相溶性）がよ い金属であり、該金属としては、元素の長周期型周期表の 4族、 5族、 6族、 7族、 9族 、 10族の金属が例示され、これらの金属から選択される一つまたは複数の金属であ り、さらに具体的には、チタン (Ti)、バナジウム (V)、クロム（Cr)、マンガン（Mn)、コ バルト（Co)、ニッケル (Ni)、ニオブ（Nb)、モリブデン（Mo)、タングステン (W)が例 示される。そしてこれら金属の一つ、もしくは複数が選択される。 [0015] 鉄合金としては、金属単品の粉末同士の混合物であっても良いが、焼結される鉄 合金層の均一性の観点から前記選択された金属を含有する鉄合金を粉末としたもの の方が好ましい。このような合金としては、ステンレス鋼、クロム鋼、クロム'モリブデン 鋼、ニッケル ·クロム鋼、ニッケル'クロム.モリブデン鋼等の合金が例示され、これらの 単独、または選択される二種以上の併用の何れであっても良い。鉄以外の金属の含 有率は 1〜40%程度であり、例えばこれがステンレス鋼である場合、 日本工業規格お IS)名で SUS304Lは、マンガン 0. 2%、エッケノレ 10. 0%、クロム 19. 2% (これら金 属の合計割合は 29. 4%)の金属を含む鉄合金である。また SUS316Lは、マンガン 0. 4%、ニッケル 13. 0%、クロム 17. 0%、モリブデン 3. 0%、ニオブ 0. 4% (これら 金属の合計割合は 31. 1%)の金属を含む鉄合金である。さらに SUS444Lは、マン ガン 0. 2%、ニッケル 0. 2%、クロム 18. 0%、モリブデン 2. 0% (これら金属の合計 割合は 20. 4%)の金属を含む鉄合金である。また、鉄合金がクロム'モリブデン鋼で ある場合、 日本工業規格名で SCM415は、マンガン 0. 6%、クロム 1. 0%、モリブデ ン 0. 3% (これら金属の合計割合は 1. 9%)であり、本発明においてはこのような鉄 合金を採用することができる。
[0016] そしてこのような鉄合金に、銅層 17と接合するための半田 16の濡れ性を改善する ため、銅系金属材料を含有するものである。含有する銅系金属材料としては、銅単 体だけでなぐ銅に他金属を含有する銅合金、たとえば銅と亜鉛 (Zn)の合金である 真鍮 (黄銅）、銅と錫（Sn)の合金である青銅、銅とアルミニウム (A1)の合金であるァ ルミ-ゥム青銅、銅とベリリウム（Be)の合金であるベリリウム青銅、銅とニッケルの合金 である白銅、銅とニッケルと亜鉛の合金である洋白銅等の各種の銅合金の 1種類ある いは選択される複数種類を採用することができる。
[0017] 前記金属粉の粒径は、およそ 5〜30マイクロメートル（ m)、平均粒径で 10マイク 口メートル程度のものが用いられる。また焼結温度は、炭素の拡散温度よりは高く（拡 散温度以上）、鉄の融点よりは低い温度 (融点以下)であって、 1000度〜 1300度、 好ましくはおよそ 1050〜1150度であり、焼結時間はおよそ 0. 5〜2時間、好ましく はおよそ 1. 5時間である。焼結雰囲気としては、真空雰囲気下で行うことが好ましい 力 これにとらわれるものではない。そしてこのようにすることで、カーボン基材 14の 表面に銅を含有する銅含有鉄合金層 15が形成されたカーボン複合基材 11が形成 され、所謂傾斜機能材料として種々の用途に用いることができる。例えば、銅製の整 流子片 12を半田 16付けによる接合手段を用 Vヽて銅含有鉄合金層 15の表面に接合 することで整流子 (コンミテータ）を製造することができる。
[0018] 以下に、実験例を示す。
<処理鉄粉の製造 >
平均粒径 10マイクロメートルの鉄粉を、空気の通気処理を施した蒸留水に 20時間 浸漬した後、ろ過し、常温で乾燥して水処理鉄粉を得た。
また、前記鉄粉を、空気中において 200°Cと 500°Cの温度でそれぞれ 1時間のあい だ加熱処理を施した後、常温になるまで自然冷却して熱処理鉄粉 1と 2を得た。
[0019] <カーボン複合基材の製造 1 >
予め 1400度の温度で 2時間のあいだ焼結したカーボン基材 14の表面に、前記得 られた処理鉄粉を用いてカーボン複合基材 11を製造した。カーボン複合基材 11を 製造するにあたり、水処理鉄粉と熱処理鉄粉 1についてはおよそ 0. 1ミリメートルの 厚さになるよう均した状態で載置し、真空雰囲気下、約 1100度の温度で、 1. 5時間 焼結してカーボン複合基材 11をそれぞれ得た。また、熱処理鉄粉— 2については、 無処理鉄粉が 75%、熱処理鉄粉 2が 25%の混合鉄粉としたものを用い、同様の 方法でカーボン複合基材 11を得た。さらに比較のため、無処理鉄粉を用いて同様の 方法でカーボン複合基材 11を得た。これら得たカーボン複合基材 11につ 、て剥離 強度 (N)を測定すると共に、剥離面の状況について確認した。その結果を図 5の表 図に示す。この結果から、水浸漬処理あるいは熱処理を施した鉄粉を用いてカーボ ン複合基材 11を製造したものは、無処理鉄粉を用いたものに比して何れも剥離強度 が増大していると共に、銅製の端子部材側へのカーボン基材残存割合も多くなつて いることが観測された。
<カーボン複合基材の製造 2 >
予め 1400度の温度で 2時間のあいだ焼結したカーボン基材 14の表面に、平均粒 径 10マイクロメートルの前記 SUS444Lの鉄合金粉に対し、平均粒径 10マイクロメ一 トルの銅粉末が 3、 7. 5、 15重量％の割合となるようにしてよく混合したものをカーボ ン基材 14上面に載置しておよそ 0. 5ミリメートルの厚さになるよう均した状態とし、真 空雰囲気下、焼結温度を 1100°Cにして 1. 5時間焼結することで、銅含有鉄合金層 15とカーボン基材 14とが一体に接合したものを得た。このものの銅含有鉄合金層 15 の厚さは、平均でおよそ 200マイクロメートルであった。この銅含有鉄合金層 15に半 田 16によって銅板 17を接合し、その接合強度 (剥離強度 N)を測定した。その結果を 図 7のグラフ図に示す。この結果から、鉄合金に銅系金属材料を混合させたものは、 銅系金属材料を混合しないものに比して接合強度が向上していることが確認された。 産業上の利用可能性
本発明は、電動モータのカーボンコンミテータおよびその製造方法に有用であって 、カーボン複合基材を、予め焼結形成されたカーボン基材の表面に、水浸漬処理ま たは熱処理によって表面吸着酸素を多くする処理が施された鉄粉を付着させ、炭素 の拡散温度以上、鉄の融点以下の温度で焼結して形成することで、カーボン基材と 鉄粉との接触界面での反応が促進し剥離強度の大きいコンミテータにすることができ る。

Claims

請求の範囲
[1] カーボン基材の表面に金属材を接合可能な鉄層が形成されたカーボン複合基材を 用いたコンミテータであって、該カーボン複合基材を、予め焼結形成されたカーボン 基材の表面に鉄粉を付着させ、炭素の拡散温度以上、鉄の融点以下の温度で焼結 して形成するにあたり、鉄粉は、表面吸着酸素を多くする処理が施されたものである ことを特徴とするカーボンコンミテータ。
[2] 鉄粉の表面吸着酸素が多くなる処理は、水浸漬処理または熱処理であることを特徴 とする請求項 1記載のカーボンコンミテータ。
[3] カーボン基材の表面に金属材を接合可能な鉄層が形成されたカーボン複合基材を 用いたコンミテータを製造するにあたり、該カーボン複合基材は、予め焼結形成され たカーボン基材の表面に、表面吸着酸素が多くなる処理が施された鉄粉を付着させ 、し力る後、炭素の拡散温度以上、鉄の融点以下の温度で焼結して形成されるもの であるカーボンコンミテータの製造方法。
[4] 鉄粉の表面吸着酸素が多くなる処理は、水浸漬処理または熱処理であることを特徴 とする請求項 3記載のカーボンコンミテータの製造方法。
[5] カーボン基材の表面に金属材を半田にて接合可能な鉄層が形成されたカーボン複 合基材を用いてカーボンコンミテータを形成するにあたり、前記カーボン複合基材は 、予め焼結形成されたカーボン基材の表面に、カーボンとの親和性を向上するため の金属粉を含有する鉄合金粉を付着させ、炭素の拡散温度以上、鉄の融点以下の 温度で焼結して形成するものとし、鉄合金粉には、銅系金属材料粉がさらに含有さ れて 、ることを特徴とするカーボンコンミテータ。
[6] 銅系金属材料粉は、銅粉または銅と他金属との合金粉のなかから選択される少なく とも 1種類であることを特徴とする請求項 5記載のカーボンコンミテータ。
[7] カーボン基材の表面に金属材を接合可能な鉄層が形成されたカーボン複合基材を 用いてカーボンコンミテータを製造するにあたり、前記カーボン複合基材は、予め焼 結形成されたカーボン基材の表面に、カーボンとの親和性を向上するための金属粉 と銅系金属材料粉がさらに含有されている鉄粉を付着させ、しかる後、炭素の拡散温 度以上、鉄の融点以下の温度で焼結して形成されることを特徴とするカーボンコンミ テータの製造方法。
銅系金属材料粉は、銅粉または銅と他金属との合金粉のなかから選択される少なく とも 1種類であることを特徴とする請求項 7記載のカーボンコンミテータの製造方法。
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