(57)【要約】【課題】カーボン基材の表面に、鉄層を形成して傾斜機能材料を形成するにあたり、鉄層とカーボン層との接合強度を大きくする。【解決手段】予め所定形状に焼結形成されたカーボン基材の表面に、ステンレス鋼のような鉄を主成分としてクロム等の他の金属を含有する鉄合金粉末を載置した状態で、約１１００℃で１．５時間ほど焼結することにより、鉄合金層とカーボン層との接合強度がカーボン基材の破壊強度よりも大きい傾斜機能材料を得ることができる。【選択図】        なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に金属材を接合可能な金属層が形成されたカーボン基材であって、該カーボン基材は、予め焼結形成されたカーボン基材の表面に付着せしめた鉄を主成分として他金属を含有する金属粉が、炭素の拡散温度以上、鉄の融点以下の温度で焼結されて鉄合金層となったものであることを特徴とするカーボン基材。
【請求項２】
表面に金属材を接合可能な金属層が形成されたカーボン基材を製造するにあたり、予め焼結形成されたカーボン基材の表面に鉄を主成分として他金属を含有する金属粉を付着させ、しかる後、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鉄合金層を形成するようにしたことを特徴とするカーボン基材の製造方法。
【請求項３】
請求項１または２において、他金属は、元素の長周期型周期表の４族、５族、６族、７族、９族、１０族の金属から選択される少なくとも一つの金属であることを特徴とするカーボン基材またはその製造方法。
【請求項４】
請求項１、２または３において、他金属は、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）から選択される少なくとも一つの金属であることを特徴とすることを特徴とするカーボン基材またはその製造方法。
【請求項５】
請求項１、２、３または４において、金属粉は鉄合金粉であることを特徴とするカーボン基材またはその製造方法。
【請求項６】
請求項１、２、３、４または５に記載されるカーボン基材の鉄合金層には整流子片が接合されるものであることを特徴とするコンミテータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動モータのコンミテータを構成する整流子片等の材料として用いることができるカーボン基材およびその製造方法、コンミテータの技術分野に属するものである。
【０００２】
【従来の技術】
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）するため、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等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等が含有された混合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という問題が生じることが知られている。
そこで、例えば特許文献１のように、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いる。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ッキを施し、該メッキされた面に、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、メッキにより形成された金属層は剥離しやすく、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、メッキされた金属層が導電性端子部材とともにカーボン基材表面から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い惧れがあるうえ、耐久性にも乏しいという問題がある。
これに対し、特許文献２等の公報により示されるように、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いる。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ってしまううえ、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い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。しかもこのものでは、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。
そこで特許文献３に示すように、カーボン基材の表面に鉄粉を付着させ、これを焼結することでカーボン基材の表面に鉄層を一体化形成し、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、これによっ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。
【０００３】
【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】
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで前記特許文献３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化できるという点で好ましいものであったが、鉄層とカーボン層との接合強度が弱く（低く）、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り、ここに本発明が解決しようとする課題があった。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
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、表面に金属材を接合可能な金属層が形成されたカーボン基材であって、該カーボン基材は、予め焼結形成されたカーボン基材の表面に付着せしめた鉄を主成分として他金属を含有する金属粉が、炭素の拡散温度以上、鉄の融点以下の温度で焼結されて鉄合金層となったものであることを特徴とするカーボン基材である。
請求項２の発明は、表面に金属材を接合可能な金属層が形成されたカーボン基材を製造するにあたり、予め焼結形成されたカーボン基材の表面に鉄を主成分として他金属を含有する金属粉を付着させ、しかる後、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鉄合金層を形成するようにしたことを特徴とするカーボン基材の製造方法である。
そしてこのようにすることにより、鉄合金層とカーボン基材とが強固に接合された傾斜材料となる。
請求項３の発明は、請求項１または２において、他金属は、元素の長周期型周期表の４族、５族、６族、７族、９族、１０族の金属から選択される少なくとも一つの金属であることを特徴とすることができる。
請求項４の発明は、請求項１、２または３において、他金属は、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）から選択される少なくとも一つの金属であることを特徴とすることができる。
請求項５の発明は、請求項１、２、３または４において、金属粉は鉄合金粉であることを特徴とすることができる。
請求項６の発明は、請求項１、２、３、４または５に記載されるカーボン基材の鉄合金層には整流子片が接合されるものであることを特徴とするコンミテータである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明で製造されるカーボン基材は、カーボン基材の表面に銅等の金属材を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、そのような金属としては、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。
【０００７】
焼結される金属粉は、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（ＪＩＳ）名でＳＵＳ３０４Ｌは、マンガン０．２％、ニッケル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。
【０００８】
そうして、炭素含有量の少ない鉄を炭素雰囲気下において、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ようとしたところ、接合面が剥離する前にカーボン基材が破壊（カーボン基材の破壊強度は約２００ｋｇｆ／ｃｍ２）することになって、実用上問題ない接合強度となっていることが確認され、ここに本発明を完成するに至った。この結合強度の向上の現象は、炭素と親和性の良い鉄以外の金属が存在することで滲炭反応がより促進され、カーボン基材と鉄合金層とがより強固に結合することになって結合強度が向上したものと推定されるが、その詳細については今後の研究に委ねられる。
【０００９】
本発明を実施するにあたり、カーボン基材は、予め焼結処理されたものを用いることになるが、これは、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（℃）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あるが、該カーボン基材の焼結温度、焼結時間等は、カーボン基材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の上面（表面）に鉄を主成分として他金属を含有する金属の粉を付着させるが、これには、金属粉の適量をカーボン基材の上面に直接載せたものをヘラ等で均平化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いバインダー（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勿論できる。
【００１０】
前記金属粉の粒径は、およそ５〜３０マイクロメートル（μｍ）、平均粒径で１０マイクロ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、表面に鉄合金層が形成されたカーボン基材が形成され、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、銅製の整流子片を半田付け、銀ロウ付け等の適宜接合手段を用いて鉄合金層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。
【００１１】
以下に、実験例を示す。
＜実験例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の表面に、粒径１０マイクロメートルの前記ＳＵＳ４４４Ｌの合金粉をおよそ０．５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℃の温度で、１．５時間焼結することで、鉄合金とカーボン基材とが一体に接合したものを得た。このものの鉄合金層の厚さは、平均でおよそ２００マイクロメートルであった。鉄合金層をカーボン層から剥離させるべく引張り試験をしたところ、カーボン基材が破壊し、これによって両層の接合強度はカーボン基材の破壊強度（約２００ｋｇｆ／ｃｍ２）より大きいことが確認された。
【００１２】
＜実験例２＞
実験例１で用いたカーボン基材の表面に、前述したＳＣＭ４１５の平均粒径１０．５マイクロメートルの合金粉をおよそ１．０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１０５０℃の温度で、２時間焼結することで、鉄合金とカーボン基材とが一体に接合したものを得た。このものの鉄合金層の厚さは、平均でおよそ３５０マイクロメートルであった。鉄合金層をカーボン層から剥離させるべく引張り試験をしたところ、このものについてもカーボン基材が破壊し、これによって両層の接合強度はカーボン基材の破壊強度（約２００ｋｇｆ／ｃｍ２）より大きいことが確認された。
【００１３】
次に、実験例１、２で形成されたものの鉄合金層の表面に、それぞれコンミテータの構成部材である銅製の整流子片（セグメント）を半田付け等の接合手段により接合して整流子を作成した。このものにおいて、鉄合金層における整流子片の接合は強固になされていることが確認され、整流子としての機能を充分に果すものであった。因みに、接合手段としては前述した半田付けの他、ろう付け、嵌合、接着等の手段が考えられる。