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技術 耐摩耗性のすぐれたCu−黒鉛系焼結材製摺動集電材

出願人 株式会社ダイヤメットトヨタ自動車株式会社東炭化工株式会社
発明者 清水輝夫楊積彬宮島和浩錦織英孝山田英治鈴木新一
出願日 2000年9月7日 (20年5ヶ月経過) 出願番号 2000-271561
公開日 2002年3月22日 (18年11ヶ月経過) 公開番号 2002-080922
状態 拒絶査定
技術分野 粉末冶金 導電材料 電動機、発電機の集電
主要キーワード 断続部分 付加圧力 回転表面 六方晶窒化ホウ素粉末 串刺し状 被覆割合 ブラシ摩耗量 Ag相
関連する未来課題
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この項目の情報は公開日時点(2002年3月22日)のものです。
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図面 (1)

課題

耐摩耗性のすぐれたCu−黒鉛焼結体摺動集電材を提供する。

解決手段

摺動集電材を、質量%で、黒鉛:10〜30%、六方晶窒化ホウ素:0.5〜4%、Ag:0.2〜1.5%、を含有し、残りがCuと不可避不純物からなる組成、並びに、実質的にCu相が摺動面と交わる方向に伸延した骨格構造を有し、前記骨格構造の同じく摺動面と交わる方向に縦長に伸びた空間を黒鉛相充填し、かつ前記Cu相と黒鉛相の界面部および前記黒鉛相内に相対的に細粒の六方晶窒化ホウ素相とAg相が分散分布した組織、を有するCu−黒鉛系焼結体で構成する。

概要

背景

従来、一般に各種電気機器には構造部材として摺動集電材が用いられており、その代表的なものとして、例えば各種電動機のブラシが知られている。一般に電動機は、回転軸電機子鉄心電機子巻線、さらに整流子が前記回転軸と同心に串刺し状並列固着され、かつ所定間隔で設けた複数の平行横溝が表面に形成された前記整流子の回転表面には、電流を供給するためのブラシの先端面が所定の圧力を付加した状態で当接した構造(この結果前記ブラシは曲げ負荷を受けることになる)をもつものであるから、前記ブラシには所定の導電性曲げ強度具備することが要求される。また、上記のブラシを代表とする摺動集電材としては、材質的に各種のものが提案され、実用に供されているが、これらの中でも質量%(以下、%は質量%を示す)で、10〜30%の割合の黒鉛相と、残りのCu相混合組織を有するCu−黒鉛焼結体で構成された摺動集電材は、電気伝導度で5〜30%IACSの導電性および30〜80MPaの曲げ強度を有することから注目されている。さらに、上記のCu−黒鉛焼結体製摺動集電材が、例えば特公平5−64440号公報に記載されるように、原料粉末として、一般にガスまたは水アトマイズ法により形成された0.1〜0.3m2/gの範囲内の所定の平均比表面積平均粒径で10〜40μm相当)をもった粒状のCu粉末と同じく10〜50μmの範囲内の所定の平均粒径をもった粒状の黒鉛粉末を用い、これら原料粉末を、所定の割合に配合し、通常の条件で、混合し、圧粉体プレス成形し、この圧粉体を、還元性または不活性ガス雰囲気中、500〜700℃の温度に所定時間保持の条件で燒結することにより製造されることも知られている。

概要

耐摩耗性のすぐれたCu−黒鉛系焼結体製摺動集電材を提供する。

摺動集電材を、質量%で、黒鉛:10〜30%、六方晶窒化ホウ素:0.5〜4%、Ag:0.2〜1.5%、を含有し、残りがCuと不可避不純物からなる組成、並びに、実質的にCu相が摺動面と交わる方向に伸延した骨格構造を有し、前記骨格構造の同じく摺動面と交わる方向に縦長に伸びた空間を黒鉛相が充填し、かつ前記Cu相と黒鉛相の界面部および前記黒鉛相内に相対的に細粒の六方晶窒化ホウ素相とAg相が分散分布した組織、を有するCu−黒鉛系焼結体で構成する。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
1件

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請求項1

質量%で、黒鉛:10〜30%、六方晶窒化ホウ素:0.5〜4%、Ag:0.2〜1.5%、を含有し、残りがCuと不可避不純物からなる組成、並びに、実質的にCu相摺動面と交わる方向に伸延した骨格構造を有し、前記骨格構造の同じく摺動面と交わる方向に縦長に伸びた空間を黒鉛相充填し、かつ前記Cu相と黒鉛相の界面部および前記黒鉛相内に相対的に細粒の六方晶窒化ホウ素相とAg相が分散分布した組織、を有するCu−黒鉛系焼結体で構成したこと特徴とする耐摩耗性のすぐれたCu−黒鉛系焼結体製摺動集電材

技術分野

0001

この発明は、高導電性と高曲げ強度を有すると共に、例えば各種電動機のブラシなどとして用いた場合に、すぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮するCu−黒鉛焼結体摺動集電材に関するものである。

背景技術

0002

従来、一般に各種電気機器には構造部材として摺動集電材が用いられており、その代表的なものとして、例えば各種電動機のブラシが知られている。一般に電動機は、回転軸電機子鉄心電機子巻線、さらに整流子が前記回転軸と同心に串刺し状並列固着され、かつ所定間隔で設けた複数の平行横溝が表面に形成された前記整流子の回転表面には、電流を供給するためのブラシの先端面が所定の圧力を付加した状態で当接した構造(この結果前記ブラシは曲げ負荷を受けることになる)をもつものであるから、前記ブラシには所定の導電性と曲げ強度を具備することが要求される。また、上記のブラシを代表とする摺動集電材としては、材質的に各種のものが提案され、実用に供されているが、これらの中でも質量%(以下、%は質量%を示す)で、10〜30%の割合の黒鉛相と、残りのCu相混合組織を有するCu−黒鉛焼結体で構成された摺動集電材は、電気伝導度で5〜30%IACSの導電性および30〜80MPaの曲げ強度を有することから注目されている。さらに、上記のCu−黒鉛焼結体製摺動集電材が、例えば特公平5−64440号公報に記載されるように、原料粉末として、一般にガスまたは水アトマイズ法により形成された0.1〜0.3m2/gの範囲内の所定の平均比表面積平均粒径で10〜40μm相当)をもった粒状のCu粉末と同じく10〜50μmの範囲内の所定の平均粒径をもった粒状の黒鉛粉末を用い、これら原料粉末を、所定の割合に配合し、通常の条件で、混合し、圧粉体プレス成形し、この圧粉体を、還元性または不活性ガス雰囲気中、500〜700℃の温度に所定時間保持の条件で燒結することにより製造されることも知られている。

発明が解決しようとする課題

0003

一方、近年の各種電動機はじめ、各種電気機器の高出力化および大型化はめざましく、さらに耐用年数の長期化に対する要求も強く、これに伴ない、これら各種電気機器に用いられている摺動集電材は、一段と高い電流密度で、かつ一段と高い曲げ負荷の条件での実用を強いられることになり、したがって前記摺動集電材には、これに対応できる導電性および曲げ強度、さらに耐摩耗性が要求されるが、上記の従来Cu−黒鉛焼結体製摺動集電材では、具備する導電性および曲げ強度が十分でなく、かつ高電流高曲げ負荷条件下での使用では摩耗進行も促進されるようになることから、十分満足に対応することができないのが現状である。

課題を解決するための手段

0004

そこで、本発明者らは、上述した観点から、上記の従来Cu−黒鉛焼結体製摺動集電材に注目し、これより導電性および曲げ強度にすぐれ、かつ高電流高曲げ負荷条件下ですぐれた耐摩耗性を発揮する摺動集電材を開発すべく研究を行った結果、
(1)原料粉末であるCu粉末として、電解法を用いて製造された0.4〜0.7m2/gの範囲内の所定の平均比表面積を有する縦長形状のCu粉末を用い、さらに原料粉末として10〜50μmの範囲内の所定の平均粒径を有する粒状の黒鉛粉末のほかに、同10〜30μmの粒状のAg粉末、および同5〜15μmの粒状の六方晶窒化ホウ素(以下、h−BNで示す)粉末を用い、これら原料粉末を、黒鉛:10〜30%、六方晶窒化ホウ素:0.5〜4%、Ag:0.2〜1.5%、Cu:残り、からなる配合組成に配合し、混合した後、200〜400MPaの圧力で圧粉体にプレス成形して、上記細長形状のCu粉末がプレス成形方向と交わる方向に配向し、前記Cu粉末相互間には黒鉛粉末と六方晶窒化ホウ素粉末とAg粉末の混合粉末が存在した圧粉体を形成し、この圧粉体を、還元性又は不活性ガス雰囲気中、前記のCu粉末、六方晶窒化ホウ素粉末、およびAg粉末の融点以下の温度である750〜950℃の温度に所定時間保持の条件で燒結すると、図1光学顕微鏡倍率:200倍)で観察した組織模写図で示される通り、実質的にCu相が摺動面と交わる方向に伸延した骨格構造を有し、前記骨格構造の同じく摺動面と交わる方向に縦長に伸びた空間を黒鉛相が充填し、かつ前記Cu相と黒鉛相の界面部および前記黒鉛相内に相対的に細粒の六方晶窒化ホウ素相とAg相が分散分布した組織、を有するCu−黒鉛系焼結体が形成されること。

0005

(2)この結果得られたCu−黒鉛系焼結体においては、
(a)実質的にCu相が摺動面と交わる方向に伸延した骨格構造、すなわち連続相を形成するために、すぐれた導電性を示し、実用に際しては摺動面に対する電流供給が十分に行われること。
(b)同じく摺動面と交わる方向に伸延した骨格構造のCu相によって強固な曲げ強度をもつようになること。
(c)上記Cu相と黒鉛相の界面部および上記黒鉛相内に分散分布したAg相はきわめて展延性富むものであるから、実用時に摺動面に沿って薄膜状に展延し、摺動面に露出する前記Cu相と黒鉛相を局部的に覆って、特に摺動面に発生する摩擦熱による前記Cu相の酸化を抑制して、前記Cu相によってもたらされるすぐれた導電性の低下を防止し、一方前記展延Ag薄膜に被覆されず、局部的に露出したままの前記Cu相は酸化されて硬質酸化銅となるが、この酸化銅は摺動摩擦微細酸化銅粉として分離し、同時に摺動面に共存する黒鉛相と六方晶窒化ホウ素相からもいずれもすぐれた潤滑性を発揮する黒鉛粉および六方晶窒化ホウ素粉が分離し、これらの分離した硬質の酸化銅粉、さらに潤滑性のすぐれた黒鉛粉および六方晶窒化ホウ素粉の一部はいずれも前記展延Ag薄膜に抱き込まれて保持されることから、摺動面の耐摩耗性および潤滑性は一段と向上するようになり、かつ相手部材に対する攻撃性も著しく緩和されるようになること。以上(1)および(2)に示される研究結果を得たのである。

0006

この発明は、上記の研究結果に基づいてなされたものであって、黒鉛:10〜30%、六方晶窒化ホウ素:0.5〜4%、Ag:0.2〜1.5%、を含有し、残りがCuと不可避不純物からなる組成、並びに、実質的にCu相が摺動面と交わる方向に伸延した骨格構造を有し、前記骨格構造の同じく摺動面と交わる方向に縦長に伸びた空間を黒鉛相が充填し、かつ前記Cu相と黒鉛相の界面部および前記黒鉛相内に相対的に細粒の六方晶窒化ホウ素相とAg相が分散分布した組織、を有するCu−黒鉛系焼結体で構成してなる、耐摩耗性のすぐれたCu−黒鉛系焼結体製摺動集電材に特徴を有するものである。

0007

つぎに、この発明の摺動集電材において、これを構成するCu−黒鉛系焼結体の成分組成を上記の通りに限定した理由を説明する。
(a)黒鉛
黒鉛は、摺動面と交わる方向に伸延した骨格構造(連続相)を有するCu相内の同じく摺動面と交わる方向に縦長に伸びた空間を充填して、潤滑性を向上させ、もって耐摩耗性の向上および相手攻撃性の低下に寄与するほか、相対的に微粒の六方晶窒化ホウ素相とAg相を分散保持して、これら相のもつ作用を十分に発揮させる作用をもつが、その含有割合が10%未満では前記作用のうち特に潤滑性に所望の向上効果が得られず、一方その割合が30%を越えると、相対的にCu相の含有割合が少なくなり過ぎ、骨格構造に断続部分が多く発生するようになて曲げ強度および導電性の低下が避けられなくなることから、その含有割合を10〜30%、望ましくは15〜25%と定めた。

0008

(b)六方晶窒化ホウ素
六方晶窒化ホウ素は、Cu相と黒鉛相の界面部および前記黒鉛相内に分散分布し、黒鉛相との共存において一段と潤滑性を向上させる作用をもつが、その含有割合が0.5%未満では、所望のすぐれた潤滑性向上効果が得られず、一方その含有割合が4%を越えると、摺動面の摩耗進行が急激に促進するようになることから、その含有割合を0.5〜4%、望ましくは1〜3%と定めた。

0009

(c)Ag
Agは、黒鉛相と同じくCu相と黒鉛相の界面部および前記黒鉛相内に分散分布するが、使用時には摺動面に沿って薄膜状に展延し、摺動面に露出する前記Cu相と黒鉛相を局部的に覆い、特に摺動面に発生する摩擦熱による前記Cu相の酸化を抑制して、前記Cu相によってもたらされるすぐれた導電性の低下を防止すると共に、前記展延Ag薄膜は、局部的に露出したCu相部分に形成された硬質の酸化銅が摺動摩擦で微細な酸化銅粉として分離したものを一部捕らえ、同時に摺動面に共存する黒鉛相と六方晶窒化ホウ素相から黒鉛粉および六方晶窒化ホウ素粉として分離したものも一部捕らえて、前記の硬質の酸化銅粉およびいずれもすぐれた潤滑性を発揮する黒鉛粉および六方晶窒化ホウ素粉が分散分布した展延Ag薄膜を摺動面に形成し、もって耐磨耗性の向上に寄与する作用をもつが、その含有割合が0.2%未満では、前記作用に所望の向上効果が得られず、一方その含有割合が1.5%を越えると、実用時の展延Ag薄膜による摺動面の被覆割合が多くなり過ぎてCu層の割合が不充分となり、所望のすぐれた耐磨耗性を確保することができなくなることから、その含有割合を0.2〜1.5%、望ましくは0.5〜1.2%と定めた。

0010

この発明の摺動集電材を実施例により具体的に説明する。原料粉末として、電解法を用いて製造された0.4〜0.7m2/gの範囲内の所定の平均比表面積を有する縦長形状のCu粉末、同10〜50μmの範囲内の所定の平均粒径を有する粒状の黒鉛粉末、同5〜15μmの範囲内の所定の平均粒径を有する粒状の六方晶窒化ホウ素粉末、および同10〜30μmの範囲内の所定の平均粒径を有する粒状のAg粉末を用意し、これら原料粉末を表1に示される配合組成に配合し、V型ミキサーで1時間混合した後、300MPaの圧力で圧粉体にプレス成形し、これら圧粉体を、窒素−20容量%水素雰囲気中、750〜950℃の範囲内の所定の温度に1時間保持の条件で焼結することにより実質的に上記配合組成と同じ組成をもったCu−黒鉛系焼結体からなり、かついずれも16mm(縦)×12.5mm(横)×30mm(長さ)にして、相手部材との摺動面側を16mm(縦)×7.5mm(横)×3mm(長さ)とした寸法の本発明Cu−黒鉛系焼結体製摺動集電材(以下、本発明摺動集電材と云う)1〜13をそれぞれ製造した。また、図1には本発明摺動集電材3の摺動面と直角方向の任意縦断面の光学顕微鏡(倍率:200倍)による組織観察結果を模写図で示した。

0011

また、比較の目的で、原料粉末として、0.1〜0.3m2/gの範囲内の所定の比表面積(平均粒径で10〜40μmに相当)をもった粒状のCu粉末と同じく10〜50μmの範囲内の所定の平均粒径をもった粒状の黒鉛粉末を用い、これら原料粉末を、表1に示される配合組成に配合すると共に、焼結温度を500〜700℃の範囲内の所定の温度とする以外は同一の条件で実質的に配合組成と同じ組成を有するCu−黒鉛焼結体からなる従来Cu−黒鉛焼結体製摺動集電材(以下、従来摺動集電材と云う)1〜5をそれぞれ製造した。

0012

ついで、これらの各種摺動集電材をブラシとして電動機に組込み、
相手部材(整流子):直径120mm(36本溝)の純銅製、
相手部材の周速:10m/秒、
ブラシへの付加圧力:50000Pa、
ブラシの電流密度:60A/cm2、
運転時間:100時間、
の条件で高電流高速回転運転の通電摺動試験を行い、摺動集電材(ブラシ)摺動面におけるブラシ摩耗量を測定し、表1に示した。また、摺動集電材の導電性および曲げ強度を評価する目的で、電気伝導度および曲げ強度を測定し、この結果も表1に示した。

0013

発明の効果

0014

表1に示される結果から、本発明摺動集電材1〜13は、いずれもこれを構成するCu−黒鉛系焼結体のもつ摺動面と交わる方向に伸延した骨格構造(連続相)のCu相によって、Cu相と黒鉛相の混合組織を有するCu−黒鉛焼結体で構成された従来摺動集電材1〜5に比して、一段とすぐれた導電性および曲げ強度を示すばかりでなく、特に実用時に摺動面に形成される展延Ag薄膜、すなわち硬質の酸化銅粉と、共存した状態ですぐれた潤滑性を発揮する黒鉛粉および六方晶窒化ホウ素粉が巻き込まれた状態で分散分布する展延Ag薄膜によって、前記Cu相と黒鉛相の混合組織の従来摺動集電材1〜5に比して、すぐれた耐摩耗性を発揮することが明らかである。上述のように、この発明の摺動集電材は、高導電性と高曲げ強度を有し、かつ通常の条件での実用は勿論のこと、高電流高速回転運転の一段と苛酷使用条件での実用に際しても、すぐれた耐摩耗性を発揮するものであり、したがって各種電気機器の高出力化および大型化に満足に対応することができるばかりでなく、使用寿命延命化にも寄与するものである。

図面の簡単な説明

0015

図1本発明摺動集電材3の摺動面と直角方向の任意縦断面の光学顕微鏡(倍率:200倍)による組織観察結果を示す模写図である。

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