專利名稱：金屬被覆碳刷的制作方法
專利說明金屬被覆碳刷 本發明涉及用于電力機械的金屬被覆(覆蓋)碳刷。使用電力機械用碳刷(以下稱刷)的電動機。近年著重發展小型化、大容量化，這些電動機使用的刷，不僅要求小型，還要求導電阻力損失(以下、稱電阻損失)小、且摩耗少的刷。
匯電環或低電壓的電動機使用的刷。迄今經常使用石墨粉與金屬粉混合燒結的金屬質刷。而為了降低刷的電阻損失，增加金屬含有量時存在潤滑性、耐電弧性差、摩耗量增大的問題。
而，使用交流整流子電動機時，為了減少電阻損失，若使用電阻小的材質，則存在整流變差、摩耗增加的問題。
反之，使用電阻大的材質時，若流過大的電流，則刷的溫度因電阻放熱而上升。刷通常使用銅粉等埋入導線壓縮接合，供給電流，但刷的溫度高時，密接接部分的銅粉或導線氧化后通電差，因此有可能發生電動機停止的問題。
另外，使用交流整流子電動機中，類似電清掃機用等這種高轉數的電機，從要求壽命極長的特性考慮，即高速旋轉時整流性好，且清掃機主體在使用期間可以不更換刷，有時使用利用粘合劑粘結石墨粉而固化的樹脂粘結系的材質。然而，樹脂粘結系的材質場合，在電流密度大的條件下使用時，由于刷主體的電阻大故溫度上升，也存在粘結劑所使用的樹脂熱老化的問題。
眾所周知，為了解決這些問題，在刷基材的表面被覆良導電性金屬層的碳刷，使之至少含碳一種成分，減少碳刷整體的電阻。(例如，參照特許文獻1)[特許文獻]特開平5-182733號公報然而，由于很難在碳質材料表面被覆均勻厚的金屬，因此有時因被覆膜厚的不均勻而在所被覆的金屬表面產生色斑，可能使使用刷的使用者有不愉快感。另外成為氧化的原因，不能維持良好的電阻。本發明的目的在于提供表面所被覆的金屬膜厚均勻化、抑制表面色斑的金屬被覆碳刷。
為了解決前述課題，本發明的金屬被覆碳刷，在平均氣孔半徑0.1～2.0μm。累積氣孔容積50～600mm3/g的碳質材料構成的基材表面被覆金屬。另外，前述金屬是選自銅、銀或在銅的表面形成的銀的金屬材料。又，前述金屬的膜厚是1～10μm。而且前述金屬是采用非電解鍍法形成的金屬。
本發明使用的碳質材料制的刷基材，有三種，①石墨粉與熱固性樹脂等的粘結劑混煉，固化的基材(樹脂粘結系)。②石墨粉與熱固性樹脂或瀝青等的粘結劑混煉，在低溫下進行燒成，將粘結劑成分炭化的基材(CG系)。③再在高溫下燒成，將至少一部分碳成分石墨化處理的基材(EG系)。本發明中①的樹脂粘結系基材為主要對象。樹脂粘結系基材，由于用作粘結劑的樹脂在固化的原有狀態下使用，樹脂還沒有碳化或石墨化，故電絕緣性比較高。因此，具有電阻大、整流性良好的優點。相反電阻大所引起的電阻損失大，結果產生放熱大的缺點，由于在高溫條件下長期使用同時產生樹脂老化且特性變化的缺點。
這種相反的特性要求通過在刷基材周圍的外表面被覆選自銅、銀、或銅表面所形成銀的金屬，即使是內部的基材電阻大，也可以在外表面被覆的金屬作用下降低外表面的電阻。抑制溫度上升，防止刷使用導致的性能變化等，可以彌補樹脂粘結系基材的缺點，與優點相結合可以制造極高性能的刷。
此外，作為被覆金屬的刷基材，進行調整使平均氣孔半徑為0.1～2.0μm。優選為0.5～1.5μm，累積氣孔容積為50～600mm3/g。優選為100～500mm2/g。而且，通過被覆金屬化表面的金屬膜厚為1～10μm，優選為2～5μm，在表面被覆金屬的場合，可以抑制金屬表面的色斑。
在刷基材表面被覆金屬的方法優選非電鍍法。非電解鍍方法廣泛采用文獻等公知的方法。例如「非電解鍍」「槙書店、神戶德藏著(1986)」所詳述，對本發明的刷基材，可以在該基材表面形成牢固的被膜。又如該文獻所述，非電解鍍的原理，例如列舉銅為例說明時，對銅鹽水溶液添加作為絡合劑的酒石酸鉀鹽、EDTA等，在弱堿性下使之以絡合化狀態進行穩定，使用作為還原劑的甲醛或肼鹽，可以在基材上析出形成銅被膜。
采用這種非電解鍍法時，向前處理液中添加作為敏化劑的氯化亞錫(SnCl2)，作為活化劑的氯化鈀(PdCl2)。并且通過使電解溫度在室溫下，處理時間在30分鐘以內，優選15分鐘以內進行處理，可以在基材表面被覆膜厚1～10μm的均勻膜厚的金屬。這里，市售的非電解鍍液有80℃±5℃為最佳電解溫度的產品。但刷基材等的碳質材料，因反應速度慢、金屬結晶結構致密，因此電解溫度為室溫。
圖1是實施例1與比較例1的碳刷外觀比較的照片。以下，通過實施例具體地說明本發明的金屬被覆碳刷。
(實施例1)將平均粒子徑50μm的石墨粒子75質量％與作為粘結劑的環氧樹脂25質量％混合進行混煉。把該混煉物粉碎成設定的大小后，施加15MPa的壓力，加工成設定形狀，在180℃進行熱處理，使粘結劑固化，制作平均氣孔半徑1.1μm。累積氣孔容積339m2/g的刷基材。接著，對該基材水洗后，浸漬在添加有作為敏化劑的SnCl21.0質量％的水·醇所形成的預處理液中。再次水洗后，浸漬在添加有作為活化劑的PdCl21.0質量％的水所形成的預處理液中。在預處理液中分別浸漬3分鐘進行化學反應后，水洗、浸漬在調節到20～25℃的硫酸銅水溶液中，然后在該溶液中加入氫氧化鈉保持10分鐘。在基材表面被覆2μm略均勻的銅膜。再者，基材的平均氣孔半徑及累積氣孔容積采用水銀壓入法(FISONS公司制、孔率計2000型)測定，用下式算出。
2πrδcosθ＝πr2·Pr=-2δcosθP]]>式中，r表示氣孔半徑，δ表示水銀的表面張力(通常采用4.8×10-3N)，P表示施加的壓力，θ表示接觸角(采用141.3°)。另外，測定范圍，氣孔半徑為75μm～0.0068μm(9.81×103Pa～10.8×107Pa)。平均氣孔半徑表示與半徑0.01μm的累積氣孔容積的1/2值相對應的值。再者，這些刷基材的平均氣孔半徑及累積氣孔容積不因鍍的前后而發生變化。
(實施例2)把平均粒子徑50μm的石墨粒子75質量％與作為粘結劑的環氧樹脂25質量％混合、進行混煉。把該混煉物粉碎成設定的大小，施加20MPa的壓力加工成設定形狀。在180℃進行熱處理，使粘結劑固化，制作平均氣孔半徑0.12μm。累積氣孔容積56mm2/g的刷基材。以后，與實施例1同樣地在表面被覆銅。
(實施例3)把平均粒子徑50μm的石墨粒子75質量％與作為粘結劑的環氧樹脂25質量％混合、進行混煉。把該混煉物粉碎成設定的大小后，施加10MPa的壓力加工成設定形狀，在180℃進行熱處理，使粘結劑固化，制作平均氣孔半徑1.9μm，累積氣孔容積571mm2/g的刷基材。以后，與實施例1同樣地在表面被覆銅。
(比較例1)除了在預處理中添加作為敏化劑的SnCl2，作為活化劑的PdCl2以外，其他與實施例1同樣地形成在刷基材表面被覆銅的金屬被覆碳刷。
(比較例2)把平均粒子徑50μm的石墨粒子75質量％與作為粘結劑的環氧樹脂25質量％混合、進行混煉。把該混煉物粉碎成設定的大小后，施加23MPa的壓力加工成設定形狀，在180℃進行熱處理，使粘結劑固化后，制作平均氣孔半徑0.08μm。累積氣孔容積44mm2/g的刷基材。以后與實施例1同樣地在表面被覆銅。
(比較例3)把平均粒子徑50μm的石墨粒子75質量％與作為粘結劑的環氧樹脂25質量％混合、進行混煉。把該混煉物粉碎成設定的大小后，施加9MPa的壓力加工成設定形狀，在180℃進行熱處理，使粘結劑固化，制作平均氣孔半徑2.2μm。累積氣孔容積658mm2/g的刷。以后，與實施例1同樣地在表面被覆銅。
圖1表示實施例1與比較例1的金屬被覆碳刷表面的照片。比較例1的照片，可以觀察到表面金屬上有色斑。
另外，比較例2、3的照片，也觀察到鍍膜產生剝離，同時鍍膜表面有色斑。
如上所述，基材使用平均氣孔半徑0.1～2.0μm。累積氣孔容積50～600mm3/g的碳質材料，在非電解鍍時，通過預先浸漬在添加有作為敏化劑的SnCl2、作為活化劑的PdCl2的預處理液中，可以在表面被覆沒有色斑，且堅固的金屬，可以滿足使用者美的感覺。同時也可防止氧化。
權利要求
1.金屬被覆碳刷，其特征是在由平均氣孔半徑0.1～2.0μm，累積氣孔容積50～600mm3/g的碳質材料制成的基材表面被覆金屬。
2.權利要求1所述的金屬被覆碳刷，其特征是前述金屬選自銅、銀、或銅的表面上形成的銀。
3.權利要求1或2所述的金屬被覆碳刷，其特征在于前述金屬的膜厚是1～10μm。
4.權利要求1～3的任何一項所述的金屬被覆碳刷，其特征在于前述金屬采用非電解鍍法形成。
全文摘要
本發明提供表面所被覆的金屬膜厚均勻化、抑制表面色斑的金屬被覆碳刷。其方法是在由平均氣孔半徑0.1～2.0μm，累積氣孔容積50～600mm
文檔編號C23C18/38GK1540810SQ20041003344
公開日2004年10月27日 申請日期2004年4月9日 優先權日2003年4月9日
發明者新井美代治, 宏, 高橋和宏, 幸, 詫間政幸, 佐古田隆仁, 隆仁 申請人:東炭化工株式會社