(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に金属材を接合可能な鉄層が形成されたカーボン基材を製造するにあたり、カーボン粉末を圧粉成形したものを８００℃〜２０００℃の温度で予め焼結形成されたカーボン基材の表面に粒径が５〜１５マイクロメートルの鉄粉を厚さが０．５ミリメートルとなるように付着させ、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ある１０００℃〜１３００℃の温度で焼結することにより鉄層が浸炭された傾斜機能材料であるカーボン基材の製造方法。
【請求項２】
請求項１において、電動モータを構成するコンミテータの整流子片であるカーボン基材の製造方法。
【請求項３】
請求項２の整流子片は、カーボン基材表面に導電性端子部材が接合されているカーボン基材の製造方法。
【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なるカーボン基材の製造方法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、例えば米国特許公報第５１７５４６３号公報のもののように、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、特開平８−３０８１８３号公報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。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
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、もって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り、ここに本発明が解決しようとする課題があった。
【０００４】
【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鉄層が形成されたカーボン基材を製造するにあたり、カーボン粉末を圧粉成形したものを８００℃〜２０００℃の温度で予め焼結形成されたカーボン基材の表面に粒径が５〜１５マイクロメートルの鉄粉を厚さが０．５ミリメートルとなるように付着させ、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ある１０００℃〜１３００℃の温度で焼結することにより鉄層が浸炭された傾斜機能材料であるカーボン基材の製造方法である。
そして、これらのようにすることにより、カーボン基材の表面に金属層が確りと一体的に形成された傾斜機能材料とすることができる。
請求項２の発明は、請求項１において、電動モータを構成するコンミテータの整流子片であるカーボン基材の製造方法である。
請求項３の発明は、請求項２の整流子片は、カーボン基材表面に導電性端子部材が接合されているカーボン基材の製造方法である。
【０００５】
【発明の実施の形態】
一般に、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、炭素の含有量を次第に多くすることが知られている。このように炭素が固溶された鉄および鉄基材料は、炭素の含有量の増加に伴い融点を低下することも知られている。一方、前記滲炭反応によって溶融された鉄および鉄基材料は反応性が良好であることも知られている。
【０００６】
これらのことから、予め焼結されたカーボン基材の表面に鉄粉を載せた状態で温度を上昇させ、炭素の固溶温度を上回る温度で加熱することにより、カーボン基材上に滲炭反応に相当する固溶が生じて鉄層が形成されるのではないかと想定され、該想定を基に前記形成方法が発明されたものである。
【０００７】
図１に、本発明のカーボン基材の形成プロセスを説明する概略図を示す。
まず、１は予め用意されたカーボン基材１であって、該カーボン基材１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用いられており、該カーボン基材１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１の上面（表面）に鉄粉２ａを付着させるが、これには、鉄粉２ａの適量をカーボン基材１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できる。
一方、鉄粉２ａの粒径は、およそ５〜１５マイクロメートル（μｍ）、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２が形成されたカーボン基材３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。
【０００８】
つぎに、カーボン基材１の表面に鉄層２を一体的に形成するメカニズムであるが、これは次のようなものと推測される。つまり前述した図１において、前記予め焼結されたカーボン基材１の表面に鉄粉２ａを均一状にして載せ（図１（Ａ））、昇温して炭素の拡散温度（約８００度）を上回り、かつ鉄の融点（１５４０度）を下回る温度にすると、炭素が拡散して鉄原子（Ｆｅ原子）と鉄原子との格子点の隙間に入り込み、これによって、滲炭反応が生じて炭素と鉄との固溶が進行する（図１（Ｂ））。この固溶が進み、炭素の固溶量が増加するに伴い固溶体の融点が低下し、これによってカーボン基材１と鉄粉２ａとの接触部において生じた前記固溶体が溶融する。そして、この溶融した固溶体が、カーボン基材１の表面に形成されている微小なポーラス（凸凹）面に流れ込んで（入り込んで）確りと密着し（図１（Ｃ））、該密着することにより生じるアンカー効果によって、鉄層２がカーボン基材１の表面に強固に一体化された状態の傾斜機能材料になると推測される。
【０００９】
このようにして表面に鉄層２が形成されたカーボン基材３を形成する場合に、基本となるカーボン基材１は予め焼結されているものでよいため、該基本カーボン基材１を焼結するときの諸条件として、カーボン基材１を使用目的にあった特性となるよう考慮した条件下で焼結形成することができ、従来のカーボン粉末と金属粉末と導電性端子部材とを一度に焼結するもののように、焼結条件をカーボン基材１とは別の材料に合わせる必要がなくなって、カーボン基材１としての焼結条件（例えば、温度や圧力等）や材質の自由度を広範囲なものにできるという利点がある。
【００１０】
以下に、実験例を示す。
＜実験例＞
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鉄粉をおよそ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度の温度で、１．５時間焼結してカーボン基材を得た。このものの電子顕微鏡写真図を図３に示す。鉄層の厚さは、平均でおよそ２００マイクロメートルであり、鉄層は、滲炭されたものであることが別途の分析結果から確認された。
【００１１】
このようにして形成されたカーボン基材の表面鉄層の厚さは、メッキしたものよりも厚く、銅等の金属を半田づけするのに充分な厚さであった。そこでアルコール類を含有した燃料タンク内に配される燃料ポンプのコンミテータの構成部材である整流子片（セグメント）を実際に形成した。このものは、図３に示すように、カーボン基材３の鉄層２に、予め複数のライザ（本発明の導電性端子部材）４の内径側部４ａを半田付け等の接合手段により放射状に接合して形成されており、このものにおいて、鉄層２におけるライザ４の接合は強固になされていることが確認され、コンミテータ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。
尚、コンミテータは、外径側にＵ字状のライザ片４ｂが突出形成されたものになっており、該ライザ４をカーボン基材３に接合した状態で、絶縁性の樹脂材をモールディングすることでボス部５が形成されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】カーボン基材の形成過程を説明する断面図である。
【図２】カーボン基材の顕微鏡写真である。
【図３】コンミテータの断面図である。
【符号の説明】
１    カーボン基材
２    鉄層
２ａ    鉄粉
３    カーボン基材
４    ライザ
４ｂ    ライザ片
【図１】
0004718718.tif 000002
【図２】
0004718718.tif 000003
【図３】
0004718718.tif 000004