專利名稱：馬達(dá)用電刷材料及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于馬達(dá)的電刷材料及其制造方法。
背景技術(shù)：
具有電刷的馬達(dá)中，電刷與整流子摩擦接觸，進(jìn)行供電。繞在設(shè)置在轉(zhuǎn)子上的鐵芯上的線圈與整流子連接，當(dāng)對(duì)線圈通電時(shí)，由于與在容器內(nèi)部與轉(zhuǎn)子相向設(shè)置的永久磁鐵之間產(chǎn)生的吸引/排斥作用，轉(zhuǎn)子進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。
在具有上述結(jié)構(gòu)的馬達(dá)中，由于馬達(dá)驅(qū)動(dòng)時(shí)電刷和整流子進(jìn)行摩擦接觸，在其摩擦接觸面上會(huì)產(chǎn)生摩損。以前，為了抑制馬達(dá)驅(qū)動(dòng)時(shí)對(duì)電刷的磨損，進(jìn)行了改變電刷材質(zhì)、調(diào)整電刷硬度等各種研究。
其中，在車輛上使用具有電刷的馬達(dá)時(shí)，作為馬達(dá)的電刷材料，廣為人知的是，考慮到電刷的壽命，而利用粘接溶劑將石墨顆粒與銅顆?；旌虾笤贌Y(jié)得到的金屬石墨電刷(例如，參照專利文獻(xiàn)1)。
作為金屬石墨電刷的制造方法的一個(gè)例子，以酚醛樹脂溶解液為粘合劑捏合天然石墨顆粒，以規(guī)定形狀進(jìn)行造粒后，在得到的石墨顆粒中，混合與流過電刷的電流密度相對(duì)應(yīng)的量的銅粉和必要量的固體潤(rùn)滑劑，成形為規(guī)定形狀。將得到的成形體在隔絕氧的非氧化氣氛下進(jìn)行燒結(jié)。此時(shí)，在石墨顆粒的表面形成的作為覆膜的溶解酚醛樹脂通過還原燒結(jié)，被碳化成非晶碳，該非晶碳將石墨顆粒結(jié)合在一起。通過該燒結(jié)，溶解酚醛樹脂溶液的有機(jī)物質(zhì)作為二氧化碳和水蒸氣進(jìn)行升華，因此在燒結(jié)體的表面及內(nèi)部形成許多氣孔。
專利文獻(xiàn)1特開2001-298913號(hào)公報(bào)(第1頁(yè))發(fā)明內(nèi)容但是，過去的馬達(dá)用電刷材料會(huì)產(chǎn)生電火花，這已是眾所周知。
例如，使用金屬石墨電刷材料時(shí)，當(dāng)電刷離開整流子時(shí)，在電刷與整流子的微小間隙之間施加有電場(chǎng)。該電場(chǎng)會(huì)從構(gòu)成金屬石墨電刷材料的石墨粒子中分離出π電子，其結(jié)果會(huì)在金屬石墨電刷材料中感應(yīng)出電荷。該感應(yīng)電荷朝著電導(dǎo)率較高的物質(zhì)、在金屬石墨電刷材料中、朝著銅粉移動(dòng)。此時(shí)，由于銅粉聚集電荷的能力很小，移到銅粉的電荷集團(tuán)向銅粉外面放電，產(chǎn)生電火花。
由于釋放電荷集團(tuán)的電火花現(xiàn)象，在成為放電核的部位附近會(huì)產(chǎn)生溫度急劇上升，銅粉和石墨顆粒發(fā)生急劇體積膨脹，由于二者的體積膨脹率不同，因此銅粉與石墨顆粒的結(jié)合受到破壞。另外，銅粉的升華點(diǎn)比石墨的低，會(huì)先發(fā)生升華，因此銅粉升華造成的體積減少也會(huì)使銅粉與石墨顆粒的結(jié)合受到破壞。這樣，銅粉從石墨顆粒處脫落下來(lái)，電刷容易發(fā)生磨損。還有，與電火花放電時(shí)放出的電荷量相對(duì)應(yīng)，還會(huì)產(chǎn)生噪聲信號(hào)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明考慮到上述問題，目的在于提供難以產(chǎn)生成為用于馬達(dá)的電刷的磨損等的原因的電火花的馬達(dá)用電刷材料及其制造方法。
本發(fā)明的馬達(dá)用電刷材料的第1特征在于在含有以石墨為主要成分的燒結(jié)體的內(nèi)部氣孔內(nèi)載置有銅粒子。
即，根據(jù)該結(jié)構(gòu)，由于能夠顯著增加電火花放電的核的數(shù)量，同時(shí)能夠分散電火花放電的能量，因此能夠縮小1個(gè)電火花的能量。還有，由于能夠顯著減小電火花的核的體積，能夠縮減在1個(gè)電火花中注入的電荷量，從而能夠縮減放出的電火花放電的能量。
因此，可以減小馬達(dá)用電刷材料的電火花放電產(chǎn)生的影響，降低使用馬達(dá)用電刷材料的電刷磨損量，同時(shí)由于減少了放電的電荷量，從而也能夠抑制電火花引起的噪聲信號(hào)電平。
本發(fā)明的馬達(dá)用電刷材料的第2特征在于上述銅粒子通過非晶碳載置在上述氣孔內(nèi)。
即，根據(jù)該結(jié)構(gòu)，非晶碳具有與石墨顆粒相近的電阻，與石墨顆粒一樣容易被機(jī)械應(yīng)力所破壞，因此不會(huì)阻礙電刷的摩擦接觸性。
本發(fā)明的馬達(dá)用電刷材料的制造方法的第1特征在于具有在具有石墨顆粒的燒結(jié)體的內(nèi)部氣孔內(nèi)低壓浸泡銅絡(luò)合物溶液的工序、和在上述氣孔內(nèi)熱分解上述銅絡(luò)合物而生成銅粒子的工序。
即，根據(jù)該方法，通過低壓浸泡，可以在燒結(jié)體內(nèi)的內(nèi)部形成的氣孔內(nèi)浸泡、保持銅絡(luò)合物溶液，通過在上述氣孔內(nèi)熱分解銅絡(luò)合物，可以在氣孔內(nèi)載置銅微粒子。
本發(fā)明的馬達(dá)用電刷材料的制造方法的第2特征在于熱分解上述銅絡(luò)合物生成銅粒子的工序具有在氧化氣氛中對(duì)上述銅絡(luò)合物進(jìn)行熱處理使之熱分解、析出銅原子后生成氧化銅的工序、和在還原氣氛中對(duì)氧化銅進(jìn)行還原處理、還原成銅粒子的工序。
即，根據(jù)該方法，通過在氧化氣氛中對(duì)銅絡(luò)合物進(jìn)行熱處理，可以從絡(luò)合物分離銅原子，進(jìn)行氧化，形成氧化銅分子，并長(zhǎng)大為氧化銅粒子。另外通過還原處理，可以將氧化銅還原成銅粒子。這樣，可以同時(shí)進(jìn)行從銅絡(luò)合物溶液形成銅粒子和在內(nèi)部氣孔內(nèi)載置銅粒子。
本發(fā)明的馬達(dá)用電刷材料的制造方法的第3特征在于上述銅絡(luò)合物溶液具有粘合劑。
即，根據(jù)該方法，由于可以將銅絡(luò)合物溶液與粘合劑一起浸泡、處理馬達(dá)用電刷材料的內(nèi)部氣孔，因此能夠?qū)⑸傻你~粒子載置到氣孔內(nèi)。
本發(fā)明的馬達(dá)用電刷材料的制造方法的第4特征在于上述粘合劑的熱分解溫度高于上述銅絡(luò)合物的熱分解溫度，在還原為上述銅粒子的工序中被還原為非晶碳。
即，根據(jù)該方法，由于不會(huì)被銅絡(luò)合物的熱分解和氧化反應(yīng)所分解、而可以在還原銅粒子的工序中被還原為非晶碳，因此可以將粘合劑與銅絡(luò)合物一起浸泡到氣孔內(nèi)，能夠利用非晶碳載置氣孔內(nèi)生成的銅粒子。
本發(fā)明的馬達(dá)用電刷材料的制造方法的第5特征在于上述銅絡(luò)合物為羧酸銅絡(luò)合物。
即，根據(jù)該方法，由于羧酸銅絡(luò)合物能夠在較低的溫度下形成金屬粒子，因此能夠遲緩粒子的長(zhǎng)大速度，形成更微細(xì)的粒子。
本發(fā)明的馬達(dá)用電刷材料的制造方法的第6特征在于上述粘合劑為酚醛樹脂。
即，根據(jù)該方法，能夠提高轉(zhuǎn)換為非晶碳的效率，獲得所需的熱分解特性。


圖1為表示馬達(dá)用電刷材料的制造工序的工序圖。
圖2為說明熱分解特性的圖。
圖3為表示馬達(dá)用電刷材料的磨損量的圖。
具體實(shí)施例方式
與本發(fā)明有關(guān)的馬達(dá)用電刷材料在含有以石墨為主要成分的燒結(jié)體的內(nèi)部氣孔中，載置銅粒子。這樣，由于能夠顯著增加電火花放電的核的數(shù)量，同時(shí)能夠分散電火花放電的能量，因此能夠縮小1個(gè)電火花的能量。還有，由于能夠顯著減小電火花的核的體積，能夠縮減在1個(gè)電火花中注入的電荷量，從而能夠縮減放出的電火花放電的能量。因此，可以減小馬達(dá)用電刷材料的電火花放電產(chǎn)生的影響，降低電刷的磨損，同時(shí)由于減少了放電的電荷量，從而也能夠抑制電火花引起的噪聲信號(hào)電平。
過去的馬達(dá)用電刷材料中，以金屬石墨電刷材料為例，由于銅粉在金屬石墨電刷材料的內(nèi)部呈孤立分散的分布狀態(tài)，金屬石墨電刷材料中感應(yīng)的電荷會(huì)朝著最靠近該電荷的銅粉移動(dòng)。此時(shí)，由于石墨顆粒的電導(dǎo)率低于銅粉、且配合比例相對(duì)較多，可以想象由于電荷從石墨顆粒移向銅粉，引起石墨顆粒發(fā)熱。
這樣，如果銅粉不是孤立分散的分布狀態(tài)，而是形成為能夠傳導(dǎo)電荷的連續(xù)通路，則可以抑制由于電荷移動(dòng)引起的溫度上升。在金屬石墨電刷材料中，由于受到電流密度的制約，希望傳導(dǎo)電荷的連續(xù)通路以銅粒子群為導(dǎo)電通路，在石墨顆粒的表面形成。即，如果能夠在每個(gè)石墨顆粒的表面形成銅的傳導(dǎo)電荷的連續(xù)導(dǎo)電通路的粒子結(jié)構(gòu)，則能夠抑制該導(dǎo)電通路內(nèi)的電荷移動(dòng)引起的發(fā)熱。此外，傳導(dǎo)該電荷的粒子結(jié)構(gòu)作為放出電荷的部位后，由于該部位作為銅粒子群，因此銅粒子徑越小，則能夠形成無(wú)數(shù)的放出電荷的核，從每個(gè)放電的核放出的電荷量會(huì)顯著減少，從而能夠抑制電火花放電引起的溫度上升。還有，由于放電的電荷量減少，從而也可以抑制電火花引起的噪聲信號(hào)電平。
換句話說，通過在石墨顆粒的表面形成銅粒子的群結(jié)構(gòu)，可以在石墨顆粒的表面可靠地捕獲從該石墨顆粒分離的π電子。因此，從石墨顆粒分離、感應(yīng)的電荷的移動(dòng)行程變短，從而抑制伴隨電荷移動(dòng)產(chǎn)生的發(fā)熱。另外，作為連通石墨顆粒表面的粒子群結(jié)構(gòu)所形成的、從石墨顆粒分離、感應(yīng)的π電子能夠在銅粒子的群結(jié)構(gòu)中移動(dòng)，因而與在比電阻相對(duì)高的石墨顆粒中移動(dòng)相比，能夠抑制伴隨電荷移動(dòng)產(chǎn)生的發(fā)熱。
通過將銅粒子實(shí)現(xiàn)微粒子化，能夠顯著增加電火花放電的核的數(shù)量，同時(shí)能夠分散電火花放電的能量，因此能夠縮小1個(gè)電火花的能量。還有，由于能夠顯著減小電火花的核的體積，能夠縮減在1個(gè)電火花核中注入的電荷量，從而能夠縮減放出的電火花放電的能量。還有，由于放電的電荷量減少，從而也可以抑制電火花引起的噪聲信號(hào)電平。
本發(fā)明者針對(duì)在上述石墨顆粒表面形成銅粒子的群結(jié)構(gòu)、以及銅粒子的微粒子化的2個(gè)方法對(duì)于抑制電刷磨損的貢獻(xiàn)度，進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)銅粒子的微粒子化對(duì)于抑制電刷磨損的貢獻(xiàn)度要大得多。
即，天然石墨顆粒的電阻中，呈六角形狀結(jié)合的碳原子排列的軸方向(a軸方向)的比電阻為10-4Ωcm左右，與該軸方向垂直的方向(c軸方向)的比電阻則大到1Ωcm左右。另一方面，銅的比電阻為1.7×10-6Ωcm。上述從石墨顆粒分離、感應(yīng)的π電子為構(gòu)成石墨顆粒的碳原子的2Pz軌道的價(jià)電子，因此在石墨顆粒中移動(dòng)的π電子主要產(chǎn)生與a軸方向的比電阻有關(guān)的發(fā)熱現(xiàn)象。所以，電荷在石墨顆粒中移動(dòng)產(chǎn)生的發(fā)熱現(xiàn)象與電荷在銅粒子中移動(dòng)產(chǎn)生的發(fā)熱現(xiàn)象的比率近似對(duì)應(yīng)于石墨的a軸方向的比電阻與銅的比電阻的比率的發(fā)熱現(xiàn)象。二者的比率僅為102左右。
另一方面，通過微粒子化降低放電能源的效果大致取決于粒子的大小。過去金屬石墨電刷材料中使用的銅粉為樹枝狀電解銅粉，近似于球狀粉時(shí)，直徑為10-50μm。這里，電解銅粉的大小近似為球狀的平均粒徑20μm，微粒子化后的銅粒子的大小為20nm，此時(shí)二者的體積的比率為10-9，顯著大于上述比電阻的比率。
因此，通過將無(wú)數(shù)的微粒子化后的銅粒子封入金屬石墨電刷材料的內(nèi)部，使該銅微粒子成為電火花放電的核，可以預(yù)測(cè)會(huì)顯著降低電刷的電火花放電引起的磨損。根據(jù)這一思路，銅粒子沒有必要形成連通的群結(jié)構(gòu)，而只要形成分散的眾多的微粒子即可。
還有，為了利用在其附近存在的銅粒子可靠地捕獲從石墨顆粒分離的π電子，希望在所有的石墨顆粒的表面附近都分散有銅粒子。由于π電子聚集、放電的電荷的量越少，從銅粒子釋放的放電能量就越小，因此希望在石墨顆粒附近分散存在的銅微粒子的數(shù)量越多越好。
作為實(shí)現(xiàn)上述思路的方法，本發(fā)明者注意到在電刷材料內(nèi)部存在的氣孔。即，一般的馬達(dá)用電刷材料在捏合石墨顆粒時(shí)，采用粘合劑，捏合后的造粒石墨在隔絕氧氣的氣氛下進(jìn)行還原燒制。此時(shí)，粘合劑轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷?，同時(shí)由于熱分解生成低分子量的芳香族化合物、例如苯酚、二甲苯酚等的酚類氣體、亞甲基結(jié)合的甲烷氣體、二氧化碳?xì)怏w，在電刷材料內(nèi)部形成氣孔結(jié)構(gòu)。該內(nèi)部氣孔的體積比約為20％左右。此外，通過在該內(nèi)部氣孔中載置分散的大量的銅粒子，可以利用銅粒子作為放電核。還有，由于形成的內(nèi)部氣孔為連通氣孔結(jié)構(gòu)，石墨顆粒之間確實(shí)存在晶界，因此從石墨顆粒游離的π電子會(huì)在其最近載置有銅粒子的氣孔處被可靠地捕獲。還有，該銅粒子越細(xì)越多，從石墨顆粒集中到1個(gè)銅微粒子的π電子就越少，其結(jié)果，從1個(gè)銅微粒子放電的電荷的量也隨之減少，從而能夠抑制放電產(chǎn)生的電刷損傷。
另外，希望銅粒子通過非晶碳載置在氣孔內(nèi)。非晶碳具有與石墨顆粒相近的電阻，與石墨顆粒一樣容易被機(jī)械應(yīng)力所破壞，因此不會(huì)阻礙電刷的摩擦接觸性。
本發(fā)明的馬達(dá)用電刷材料如上所述，可以維持過去的馬達(dá)用電刷材料的性質(zhì)，且抑制電火花放電的產(chǎn)生。下面表示本發(fā)明的馬達(dá)用電刷材料的制造方法的一個(gè)例子。
本發(fā)明的馬達(dá)用電刷材料的制造方法具有在具有石墨顆粒的燒結(jié)體的內(nèi)部氣孔內(nèi)，低壓浸泡銅絡(luò)合物溶液的工序，和在上述氣孔內(nèi)，熱分解上述銅絡(luò)合物生成銅粒子的工序。這樣，可以在馬達(dá)用電刷材料的燒結(jié)體的內(nèi)部氣孔內(nèi)載置銅粒子。
另外，希望熱分解上述銅絡(luò)合物生成銅粒子的工序具有在氧化氣氛中對(duì)上述銅絡(luò)合物進(jìn)行熱處理，使之熱分解析出銅原子后，生成氧化銅的工序，和在還原氣氛中對(duì)氧化銅進(jìn)行還原處理，還原成銅粒子的工序。即，通過在氧化氣氛中對(duì)上述銅絡(luò)合物進(jìn)行熱處理，從絡(luò)合物分離銅原子，進(jìn)行氧化，形成氧化銅分子，并長(zhǎng)大為氧化銅微粒子。并且通過還原處理，將氧化銅的粒子還原成銅粒子。這樣，能夠同時(shí)從銅絡(luò)合物溶液形成銅粒子和將銅粒子載置到內(nèi)部氣孔。
還有，希望浸泡氣孔內(nèi)的銅絡(luò)合物溶液具有粘合劑。通過將銅絡(luò)合物溶液與粘合劑一起在電刷材料的內(nèi)部氣孔進(jìn)行浸泡、處理，能夠?qū)⑸傻你~粒子載置到氣孔內(nèi)。
希望粘合劑的熱分解溫度高于上述銅絡(luò)合物的熱分解溫度，在還原為上述銅粒子的工序中被還原為非晶碳。這樣，由于不會(huì)被銅絡(luò)合物的熱分解和氧化反應(yīng)所分解、而可以在還原銅粒子的工序中被還原為非晶碳，因此可以將粘合劑與銅絡(luò)合物一起浸泡到氣孔內(nèi)，能夠利用非晶碳載置氣孔內(nèi)生成的銅粒子。
從上述觀點(diǎn)出發(fā)，希望粘合劑為下面化學(xué)式所代表的酚醛樹脂。酚醛樹脂為還原為非晶碳的比例最高的一種合成樹脂，根據(jù)其分子結(jié)構(gòu)和分子量，可以任意選擇具有各種熱分解特性的酚醛樹脂。
還有，希望銅絡(luò)合物為羧酸銅絡(luò)合物。作為銅絡(luò)合物，除了羧酸銅絡(luò)合物，利用胺、氨基酸、含氧酸等的銅絡(luò)合物，也能夠通過熱分解分離抽出銅原子，沒有特別的限制，但與羧酸銅絡(luò)合物相比，熱分解溫度高，因此更希望使用能夠在相對(duì)較低溫度形成金屬粒子的羧酸的金屬絡(luò)合物。即從金屬絡(luò)合物熱分解的金屬原子成為金屬分子，并進(jìn)一步長(zhǎng)大為金屬粒子。還有，金屬粒子長(zhǎng)大過程的溫度越低，金屬粒子的長(zhǎng)大速度越慢，則越容易形成微細(xì)粒子。因此，希望金屬絡(luò)合物的熱分解溫度越低越好。
另外，羧酸銅在醇類中的溶解度高，酚醛樹脂在醇類和酮類中以任意比例溶解。因此，羧酸銅的醇溶液和酚醛樹脂的醇溶液具有相溶性，是所希望的組合。
參照?qǐng)D1，說明與本發(fā)明有關(guān)的馬達(dá)用電刷材料的制造方法的所希望的具體例。
首先，調(diào)制捏合石墨顆粒時(shí)的粘合劑。為了不僅捏合石墨顆粒，而且形成在石墨顆粒之間進(jìn)行結(jié)合的非晶碳，因而希望該粘合劑為上述酚醛樹脂。當(dāng)然，對(duì)于酚醛樹脂以外的合成樹脂，只要具有同樣的功能，沒有特別限制。另外，希望粘合劑的還原為非晶碳的溫度比較低，是因?yàn)橹苽滟M(fèi)用比較便宜。
接著，利用噴射涂覆等方法將粘合劑固定到石墨粒子的表面。此后，捏合石墨顆粒，在規(guī)定的壓力下形成規(guī)定形狀、例如長(zhǎng)方體形狀。然后，在還原氣氛下進(jìn)行燒制，將粘合劑還原為非晶碳，同時(shí)利用粘合劑的熱分解生成低分子量的芳香族化合物，例如苯酚、二甲苯酚等的酚類氣體、亞甲基結(jié)合的甲烷、二氧化碳?xì)怏w，在長(zhǎng)方體的燒成品內(nèi)部形成氣孔。
另外，在使石墨顆粒成形為規(guī)定形狀時(shí)，也可以與過去方法一樣混合銅粉?；旌系你~粉量可以根據(jù)所需電流密度任意確定。
在利用該方法得到的內(nèi)部具有氣孔結(jié)構(gòu)的石墨粒子的燒成品中低壓浸泡在銅絡(luò)合物溶液和粘合劑的溶液，例如羧酸銅的溶解度高的乙醇溶液、和與羧酸銅的乙醇溶液具有相溶性的酚醛樹脂的溶解液組成的混合溶液。
然后，通過氧化處理，使充填在內(nèi)部氣孔的銅絡(luò)合物溶液進(jìn)行熱分解，如上所述，可以大致同時(shí)進(jìn)行銅原子的分離、銅分子的生成、氧化銅的生成等。這樣生成的氧化銅為分子水平的粒子，其活性度高，與相鄰的氧化銅分子結(jié)合，長(zhǎng)大為氧化銅的集合體。另外，升溫后，氧化銅粒子的長(zhǎng)大速度增大，形成氧化銅粒子。
然后，利用還原處理將氧化銅還原為銅。希望還原處理在混入有氫氣的氮?dú)鈿夥障逻M(jìn)行。為了不改變已經(jīng)形成的氧化銅粒子的結(jié)構(gòu)，希望處理溫度接近氧化處理的溫度。
還有，銅絡(luò)合物的溶解濃度越高，生成的銅粒子的密度也越高。因此，作為銅絡(luò)合物的原料的銅化合物和酸的溶解濃度越高越好。還有，所獲得的銅絡(luò)合物的熱分解溫度越低，控制通過熱分解銅絡(luò)合物生成的氧化銅的粒子的長(zhǎng)大速度的溫度范圍越寬，則氧化銅的粒子結(jié)構(gòu)的控制范圍就越大。
這里，對(duì)于銅絡(luò)合物和粘合劑的熱處理行為，參照?qǐng)D2，以將羧酸銅和酚醛樹脂的甲醇溶液浸泡氣孔內(nèi)的情況為例，進(jìn)行詳細(xì)敘述。另外，酚醛樹脂采用導(dǎo)入了羥甲基的改性酚醛樹脂。
羧酸銅和酚醛樹脂的甲醇溶液浸泡氣孔內(nèi)后，在大氣氣氛下進(jìn)行加熱直至100℃，以使作為溶劑的甲醇揮發(fā)。然后，觀察羧酸銅的變化。當(dāng)溫度超過120℃后開始熱分解，銅的原子進(jìn)行分離。此時(shí)，隨著羧酸銅的熱分解，產(chǎn)生二氧化碳與水蒸氣。繼續(xù)加熱至超過200℃后，銅原子與大氣中的氧發(fā)生反應(yīng)，生成氧化銅，同時(shí)長(zhǎng)大成粒子。
另一方面，酚醛樹脂在溶劑揮發(fā)后至350℃，未硬化物和低分子量物質(zhì)進(jìn)行揮發(fā)，通過羥甲基的反應(yīng)，進(jìn)行熱分解，成為粉體。上述氧化銅固定在該粉體上，并載置到氣孔內(nèi)。
然后，在還原氣氛下繼續(xù)加熱，達(dá)到450℃后，酚醛樹脂的熱分解粉體由于碳化反應(yīng)，變成非晶碳。并且氧化銅固定在酚醛樹脂的粉體上，在此狀態(tài)下隨著粉體變?yōu)榉蔷迹诖笾峦瑫r(shí)被還原，因此在吸附在非晶碳的狀態(tài)下形成、長(zhǎng)大成銅的粒子。
這樣，所生成的銅粒子能夠吸附在非晶碳上，并載置到氣孔內(nèi)。實(shí)際上，可以認(rèn)為銅粒子的高活性的表面上發(fā)生氧化，形成了鈍化態(tài)，但由于電阻基本上不發(fā)生變化，因此不會(huì)出現(xiàn)問題。
另外，由于酚醛樹脂隨著溫度的升高，更加容易發(fā)生碳化，向非晶碳的變化率更加增大，因此希望高溫。而由于銅粒子隨著溫度的升高，粒子長(zhǎng)大，因此希望在盡可能的低溫下抑制粒子的長(zhǎng)大，以更容易得到微細(xì)粒子。即，需要權(quán)衡二者的關(guān)系，根據(jù)所需特性來(lái)控制溫度。為了盡量抑制銅粒子的長(zhǎng)大，并使酚醛樹脂向非晶碳的變化率在50％以上，在上述例中，希望溫度控制在450℃左右。
下面利用裝備有使用本發(fā)明的電刷材料的電刷的馬達(dá)，進(jìn)行連續(xù)動(dòng)作試驗(yàn)，對(duì)各實(shí)施例的效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。動(dòng)作試驗(yàn)中，在電刷對(duì)整流子的壓力為78.5kPa、整流子的旋轉(zhuǎn)速度為3.9m/s、在室溫下連續(xù)運(yùn)行100小時(shí)和300小時(shí)后，分析電刷的磨損量。各試樣的電刷的摩擦接觸均相同，為8mm×5mm。
羧酸根據(jù)分子結(jié)構(gòu)和分子量可以大致確定熱分解溫度。就熱分解溫度來(lái)說，二羧酸高于單羧酸，鏈狀飽和型高于直鏈飽和型，鏈狀不飽和型高于鏈狀飽和型，芳香族型高于鏈狀不飽和型。另外，芳香族二羧酸的熱分解溫度從大致200℃開始，直鏈飽和型單羧酸的熱分解溫度從大致120℃開始。這樣，羧酸的熱分解溫度雖然隨著分子結(jié)構(gòu)和分子量的不同而不同，但熱分解溫度的差別不大。因此，選擇羧酸時(shí)，優(yōu)先考慮的是羧酸的溶解度，而不是熱分解溫度。表1表示甲醇中溶解度高的羧酸。
表1

還有，銅化合物中，作為對(duì)醇類的溶解度高的化合物，有氯化銅。氯化銅在醇類中的溶解度如表2所示。采用其中溶解度最高的氯化銅的甲醇溶液。然后，將羧酸銅的甲醇溶液和氯化銅的甲醇溶液的混合，調(diào)制羧酸銅的甲醇溶液。
表2

作為粘合劑的酚醛樹脂的溶解液從與羧酸銅的溶解液的相容性考慮，選用甲醇溶液。還有，作為酚醛樹脂，采用上面化學(xué)式的酚醛樹脂，作為浸泡內(nèi)部氣孔的液體，采用酚醛樹脂的溶解液和羧酸銅的溶解液的混合液。
(實(shí)施例1)在30℃，調(diào)制氯化銅的甲醇飽和溶液、及丁酸的甲醇飽和溶液。然后，將二者按1比2的摩爾比進(jìn)行混合，調(diào)制丁酸銅的甲醇溶解液。另外，按照50wt％在甲醇中溶解酚醛樹脂粉體，調(diào)制酚醛樹脂的甲醇溶解液。接著，將丁酸銅的甲醇溶液和酚醛樹脂的甲醇溶液按5比1的體積比進(jìn)行混合，將該混合溶液低壓浸泡到已經(jīng)制好的石墨顆粒的燒成品的內(nèi)部氣孔內(nèi)。低壓浸泡又稱為真空浸泡法。該方法中，將試樣浸泡在溶液中，然后利用真空泵抽真空，將試樣的內(nèi)部氣孔中的大氣置換為溶液，在試樣的內(nèi)部氣孔內(nèi)浸泡溶液。
接著，將試樣在大氣氣氛中、在150℃放置1小時(shí)后，在300℃放置2小時(shí)。然后，將試樣在氫氣占10vol.％的富氮?dú)鈿夥障?，?50℃放置2小時(shí)。通過該處理，酚醛樹脂蒸發(fā)二氧化碳?xì)怏w和水蒸氣，變化為非晶碳，得到本發(fā)明的馬達(dá)用電刷材料。利用該電刷材料進(jìn)行馬達(dá)的連續(xù)動(dòng)作試驗(yàn)。
(實(shí)施例2)作為羧酸，用辛酸替代丁酸，進(jìn)行與實(shí)施例1同樣的處理后，利用得到的電刷材料進(jìn)行馬達(dá)的連續(xù)動(dòng)作試驗(yàn)。
(實(shí)施例3)作為羧酸，用癸酸替代丁酸，進(jìn)行與實(shí)施例1同樣的處理后，利用得到的電刷材料進(jìn)行馬達(dá)的連續(xù)動(dòng)作試驗(yàn)。
(實(shí)施例4)作為羧酸，用十二酸替代丁酸，進(jìn)行與實(shí)施例1同樣的處理后，利用得到的電刷材料進(jìn)行馬達(dá)的連續(xù)動(dòng)作試驗(yàn)。
(實(shí)施例5)作為羧酸，用丙烯酸替代丁酸，進(jìn)行與實(shí)施例1同樣的處理后，利用得到的電刷材料進(jìn)行馬達(dá)的連續(xù)動(dòng)作試驗(yàn)。
(比較例)利用過去的金屬石墨電刷材料進(jìn)行馬達(dá)的連續(xù)動(dòng)作試驗(yàn)。
上述結(jié)果如圖2所示，與過去的金屬石墨電刷材料相比，各個(gè)實(shí)施例的磨損量均出現(xiàn)減少。特別是實(shí)施例1～3中，100小時(shí)的連續(xù)動(dòng)作試驗(yàn)的磨損量與過去品相比，達(dá)到減少一半以上的效果。300小時(shí)的連續(xù)動(dòng)作試驗(yàn)的效果更大。可以認(rèn)為這是由于羧酸銅的甲醇溶解濃度高、在氣孔內(nèi)形成了高密度的銅微粒子的緣故。
還有，在實(shí)施例5中，雖然丙烯酸銅的甲醇溶解濃度高，但效果小于實(shí)施例2和3?？梢哉J(rèn)為這是由于只有丙烯酸為鏈狀不飽和單羧酸，與直鏈飽和單羧酸相比，熱分解生成的氧化銅的長(zhǎng)大速度不同。
使用本發(fā)明的馬達(dá)用電刷材料的電刷適用于驅(qū)動(dòng)冷卻車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的水泵的馬達(dá)、轉(zhuǎn)動(dòng)冷卻風(fēng)扇的馬達(dá)、驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)油泵的馬達(dá)的電刷。
權(quán)利要求
1.一種馬達(dá)用電刷材料，其特征在于在以石墨作為主要成分含有的燒結(jié)體的內(nèi)部氣孔中，載置有形成由分散的許多粒子組成的粒子群結(jié)構(gòu)的銅粒子。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的馬達(dá)用電刷材料，其特征在于上述銅粒子通過非晶碳載置在上述氣孔內(nèi)。
3.一種馬達(dá)用電刷材料的制造方法，其特征在于具有在具有石墨顆粒的燒結(jié)體的內(nèi)部氣孔內(nèi)，低壓浸泡銅絡(luò)合物溶液的工序，和在上述氣孔內(nèi)，熱分解上述銅絡(luò)合物生成銅粒子的工序。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的馬達(dá)用電刷材料的制造方法，其特征在于熱分解上述銅絡(luò)合物生成銅粒子的工序具有在氧化氣氛中對(duì)上述銅絡(luò)合物進(jìn)行熱處理而使之熱分解析出銅原子后，生成氧化銅的工序，和在還原氣氛中對(duì)氧化銅進(jìn)行還原處理，還原成銅粒子的工序。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的馬達(dá)用電刷材料的制造方法，其特征在于上述銅絡(luò)合物溶液具有粘合劑。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的馬達(dá)用電刷材料的制造方法，其特征在于上述粘合劑的熱分解溫度高于上述銅絡(luò)合物的熱分解溫度，在還原為上述銅粒子的工序中被還原為非晶碳。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的馬達(dá)用電刷材料的制造方法，其特征在于上述銅絡(luò)合物為羧酸銅絡(luò)合物。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的馬達(dá)用電刷材料的制造方法，其特征在于上述粘合劑為酚醛樹脂。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的馬達(dá)用電刷材料的制造方法，其特征在于制備由上述羧酸銅的醇溶液和酚醛樹脂的醇溶液組成的混合溶液，進(jìn)行低壓浸泡。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的馬達(dá)用電刷材料的制造方法，其特征在于調(diào)制氯化銅的甲醇的飽和溶液、丁酸的甲醇的飽和溶液，將二者按照1比2的摩爾比進(jìn)行混合，調(diào)制丁酸銅的甲醇溶解液，將酚醛樹脂的粉體溶解于甲醇，調(diào)制酚醛樹脂的甲醇樹脂溶液，將丁酸銅的甲醇溶液和酚醛樹脂的甲醇溶液按照5比1的體積比進(jìn)行混合，將混合溶液進(jìn)行低壓浸泡。
全文摘要
一種馬達(dá)用電刷材料及其制造方法，該馬達(dá)用電刷材料在以石墨作為主要成分含有的燒結(jié)體的內(nèi)部氣孔中，載置銅粒子。根據(jù)本發(fā)明，提供能夠難以產(chǎn)生成為用于馬達(dá)的電刷的磨損等的原因的電火花的馬達(dá)用電刷材料及其制造方法。
文檔編號(hào)H02K13/00GK1741323SQ200510092190
公開日2006年3月1日 申請(qǐng)日期2005年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月27日
發(fā)明者小林博 申請(qǐng)人:愛信精機(jī)株式會(huì)社