(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固着剤と微粉性もしくは繊維性の炭素材料とを混合し、その混合物を圧縮、押し込みもしくは押しだしすることによって成形体に形成したものを、熱処理することによって焼結、硬化、炭化および／または黒鉛化して形成した、炭素材料からなる多孔性のワーク片を、含浸するとき溶融状態で存在する金属もしくは合金である含浸剤を用いて含浸する多孔性ワーク片含浸方法において、
前記ワーク片を密閉可能な金型の金型キャビティー内に配置し、前記金型は射出成形もしくはダイカストダイで使用し得るように形成されると共に、予め形成された前記ワーク片の形状に一致する少なくとも１つの金型キャビティーを有し、
前記金型を密閉し、
射出成形装置もしくはダイカスト装置により金型キャビティー内に溶融金属もしくは合金を加圧注入することを特徴とする多孔性ワーク片含浸方法。
【請求項２】
金型キャビティーの内壁全てにおいて実質的に隙間が無いように、ワーク片の外形状は金型キャビティーに一致することを特徴とする請求項１に記載の多孔性ワーク片含浸方法。
【請求項３】
加圧鋳造もしくは射出圧縮成形のために形成されたダイカスティングもしくは射出成形ダイを使用し、
前記金型を構成する２つの半型は、射出操作開始時にはお互いに対して完全に押圧しないで、前記金型キャビティーがその中に配置された前記ワーク片に対して大きい寸法になるようにし、また射出操作時もしくはその後において、前記半型をお互いに完全に押圧して、それにより前記金型キャビティーと前記ワーク片との間のギャップに配置された前記含浸剤が機械的に前記ワーク片の孔の中に含浸されるようにすることを特徴とする請求項１または２に記載の多孔性ワーク片含浸方法。
【請求項４】
前記ワーク片は、摺動ベアリングもしくは特にカーボンブラシもしくはコレクタである電気摺動接触部材であることを特徴とする請求項１に記載の多孔性ワーク片含浸方法。
【請求項５】
前記ワーク片を、金型内に導入する前にもしくは金型内に導入されている間、含浸操作が行なわれる前および／または含浸操作が行なわれている間加熱することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の多孔性ワーク片含浸方法。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１つに記載の方法によって含浸された炭素材料からなることを特徴とする含浸されたワーク片。
【請求項７】
前記含浸されたワーク片は、摺動ベアリング、カーボンブラシまたはコレクタ用の摺動接触片であることを特徴とする請求項６に記載の含浸されたワーク片。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、例えば、含浸するときに少なくとも液体状である媒体でワーク片の孔を満たす多孔性ワーク片含浸方法に関するものである。本発明の好ましく、またこれに限定されない実施形態は、セラミックもしくは炭素材料からなる、例えば、グラファイトなどの焼結ワーク片含浸である。これらのワーク片は、摺動ベアリングまたはカーボンブラシもしくはコレクタなどのような電気的摺動接触部材として使用される。ワーク片は、さまざまな目的のため多くの種類の含浸剤を用いて含浸されてもよい。例えば、摺動性を改善するために油もしくはグリースを含浸するか、機械的強度を向上するために合成樹脂を含浸するか、もしくは導電性を向上するために金属もしくは合金を含浸する。
【０００２】
従来の多孔性ワーク片に含浸する方法は、液体状の含浸剤の中にワーク片を浸液することからなり、これにより含浸剤がワーク片の孔の中に吸い込まれていた。含浸剤が自然のままでは液体状でない場合、溶液にしてもしくは溶融して用いられる。真空含浸方法（Vacuum-pressure impregnating）は、浸液含浸方法（immersion impregnating）を改善したものである。ワーク片は、含浸剤の中に侵液する前に、真空にさらして孔の空気を無くす。ワーク片を浸液した後、含浸剤に圧力をかけて含浸剤をワーク片の孔の中に浸透させる。この従来の含浸方法は、以下の欠点を有する。
含浸方法は、例えば、含浸容器内にワーク片を何層にも配置する準備工程を必要とするので多大な時間を要し、一般的におよそ２時間から８時間続く。
真空および圧力を用いるにも関わらず、ワーク片の全容積に渡って一定に、例えば均質であるとともに完全に孔を満たすことは困難である。
含浸した後、含浸剤をワーク片の表面から取り除くために、複雑な洗浄作業を必要とする。必要な機械的および／もしくは化学的洗浄工程は、コストが高く、時間を浪費し、またしばしば重大な環境汚染を引き起こす。
【０００３】
本発明が解決する問題は、新規および改善された多孔性ワーク片の含浸方法を提供することである。特に、比較的短い処理時間内で非常に均質かつ完全に孔を満たすことを達成でき、および次に続く複雑なワーク表面処理を省くことができる方法を創造する。
【０００４】
前記問題点は、本発明による驚くべき方法により解決され、その方法では、多孔性ワーク片の含浸を行なうのに、射出成形技術もしくはダイカスト技術が使用される。前記問題点は、請求項１に記載の方法により解決される。
【０００５】
従属の請求項は、本発明の方法の更に開発された利点もしくはその方法により含浸されたワーク片に関する。
【０００６】
従来の射出成形機もしくはダイカスト機は、驚くべきことに、射出成形金型もしくはダイカスト金型内に配設された多孔性ワーク片を液体もしくは流体の含浸剤を用いて含浸することに使用できることが分った。多孔性ワーク片の孔を完全に満たすことを約１〜３分間のオーダーの相対的に短い時間で達成できることが分かった。さらに、ワーク片の形状に適合した金型キャビティーを有する金型を用いて、実質的に隙間がないようにワーク片を密閉すると、ワーク片の表面上に含浸剤が残らず、これによりその後のクリーニングを不必要にし、あるいは簡単となることも分った。
【０００７】
本発明に係る方法において、常温もしくは熱されたワーク片が、射出成形もしくはダイカスト機の密閉可能な分割されたダイツール（締付ユニット）のワーク片に適合した金型キャビティー内に配置される。締付もしくは密閉ユニットが密閉され、液体もしくは融解温度まで昇温された含浸剤が射出もしくはダイカストユニットによって十分な圧力で密閉された金型内に射出される。金型には加圧された液体状の含浸剤が完全にワーク片の孔を満たすまで供給され、これに必要とされる時間は経験に基づいて決定される。使用された含浸剤の性質により、ワーク片は、例えば、溶融金属が固化するまでもしくは樹脂が部分的にもしくは完全に硬化するまで金型内に残される。含浸工程が完了すると、金型は開放されて含浸されたワーク片が排出手段によって排出され、その後に新たなサイクルが始まる。
【０００８】
キャビティー形状を非常に少ない公差で製造されたワーク片の形状に対応して正確に適合するように形成することによって、ワーク片は金型キャビティーによって全ての面において隙間がないように取り囲まれ、ワーク片と金型キャビティーとの間のギャップは、１００μｍ以下であることが好ましく、またワーク片の孔の大きさより小さいことが好ましい。これにより、金型内側に射出された含浸剤がワーク片と金型キャビティーとの間の隙間にではなく孔の中だけに流入し、その結果、湯口点（sprue point）を除くワーク片の表面が含浸しなかった含浸剤で汚されないことが確実となる。これにより、スプルー（sprue）を取り除くまたは研磨するワーク片の加工仕上げを最小限にすることができる。
【０００９】
本発明に係る含浸方法は、いわゆる加圧鋳造（squeeze casting）に合わせて形成されたダイカスト機を使用して、もしくは圧力成形（compression moulding）もしくは射出圧縮成形（injection stamping）を行なうように適応した射出成形機を使用して行なうこともできる。加圧鋳造もしくは射出圧縮成形とは、加圧工程もしくは射出工程の始めにダイカスティング金型もしくは射出金型の２つの半型が、お互いに対して最大の締付力で押圧されない方法を表わす用語である。しかし、この状態では金型はすでにシールされて密閉されているが、半型（mold halves）が互いに完全に密閉されているときの容積と比較して所定量だけ大きい容積を有する。あるいは半型は、射出された溶融物の圧力で僅かにお互いに離れることができる。半型をお互いに完全に押圧することは、注入もしくは射出操作の完了後に行なわれる。本発明に係る含浸方法が前述した工程に適応するように形成されたダイカストもしくは射出成形機において実行された場合、注入もしくは射出操作の開始時に金型キャビティーの内壁面と含浸されるために挿入されたワーク片との間に存在する僅かな隙間が残るという利点が達成される。この隙間において、液体含浸剤はワーク片の表面全体に渡って均一に拡散できる。半型の最終的な締め付けにおいて、この隙間は消失し、液体含浸剤は、機械的にワーク片の孔の中に含浸される。
【００１０】
本発明に係る方法により、サイクル時間が従来の含浸方法と比較して実質的に低減される。能動的含浸操作および前処理（金型キャビティー内部にワーク片を挿入して金型を密閉する）の操作、またその後の処理（金型を開放し、ワーク片を取り出しもし必要であるならばスプルーを取り除く）の両方の操作は、これらのそれぞれの３つの局面を達成するのにおよそ１時間から４時間必要であった従来の方法と比較して、非常に短い時間、例えば３分間の間に達成することができる。また、本発明に係る方法は容易に自動化することができる。ワーク片の性質により、複数の金型キャビティーを備えた複合ダイを用いることにより、更に工程時間を低減することが可能となる。根本的に、本発明は、プラスティック射出成形技術および金属ダイカスト技術において一般に使用される商業的にありふれた射出成形もしくはダイカスト機を用いて達成できる。
【００１１】
本発明に係る方法のさらなる利点は、従来の方法では溶剤の中で溶液という状態で処理された多くの含浸剤、例えば、樹脂および同様のものなどが、溶剤を使用しないでも処理できるということである。これにより、本発明に係る方法は、従来の含浸方法と比較して環境に配慮した方法において達成することを可能とする。本発明の方法により、例えば２％から９０％までの異なる有孔性を有するワーク片を含浸できる。本発明の方法は、カーボンブラシもしくはコレクタにおける摺動ベアリングもしくは電気摺動接触片として使用される炭素からなるワーク片に対して使用されることが好ましい。このましくは、炭素本体部（carbon body）は、１つもしくは複数の構成要素、天然のグラファイト、エレクトログラファイト、パイログラファイト、カーボンファイバ、コークスおよびカーボンブラックを、例えば石炭もしくは石油タールのような固着剤および樹脂と同様のピッチを用いて混合することにより作られ、そして、圧縮、押し込み（ramming）もしくは押しだし（extruding）により成形され、次に１００℃と３２００℃との間の温度の通常の多段階温度処理を行なうことにより焼結、硬化、炭化もしくは黒鉛化される。ワーク片は、炭素繊維ストランド、マット、ファブリックもしくは織物製品を前形成することによっても形成することができ、可能であれば、寸法を安定させるために、石炭もしくは石油タールもしくはピッチもしくはプラスティック樹脂を用いて結合し、次に１００℃と３２００℃との間の温度処理を行なう。
【００１２】
使用可能な含浸剤は、以下の物を含む。
天然油もしくは合成の油、脂、グリースもしくはワックス。
天然樹脂もしくはエステル化もしくは加水分解化することによって一部変性された天然の樹脂から作られる合成樹脂を含む合成の樹脂。
重合、複合添加（polyaddition）もしくは重縮合によって生成され、含浸するのに必要な流体状にすることが可能なプラスティック。
金属もしくは合金。
前処理されたもしくは未処理のピッチ。
【００１３】
含浸剤は、ワーク片を収容する密閉された金型に１つの供給点もしくは複数の供給点で提供することが可能である。例えば微粉炭素材量を圧縮もしくは押出しして焼結することにより作られた成形物（moulding）は、しばしば多孔構造の好ましい方向性を備える。好ましい方向性とは、押圧方向に対して垂直もしくは押出し方向に対して平行な方向である。そのようなワーク片により、本発明に係る方法は、含浸剤の供給点を、金型キャビティー内の含浸剤の拡散方向もしくはワーク片の孔を通過する方向が前述した方向と平行な方向に伸長するように、ワーク片を収容する金型上に配置することが可能となる。しかしながら、このことは必ずしも必要ではないこと、製品により非等方性あるいは好ましい方向の多孔性を有するワーク片であったとしても、含浸剤はワーク片のあらゆる場所で供給されるとともにワーク片内の含浸剤の動きは好ましい方向に対してあらゆる方向に動くことが可能であること、および含浸は、好ましい方向を有しない等方的に圧縮された成形物を用いるのと同じ様に均一および均質であることは明らかである。
【００１４】
図１を参照すると、あらかじめ成形された含浸されるワーク片１は、電気自動車のコレクタ上に載置するための細長い摺動接触片の形状を有する。ワーク片１は、焼結された多孔性炭素材料からなる。それは、例えば、押出し成形もしくは圧縮などの成形操作をして、熱処理（焼結）することによって非常に正確な寸法で成形されている。そして、ワーク片１は、２つの半型３，５からなる射出成形金型に挿入される。この２つの半型３，５の間の空間は、ワーク片１の寸法に対応して正確に形成されている。ダイカスト金型は、金型の長手方向において複数点に配置された射出経路７を有する。これらの射出経路７は、通常のダイカストにおいてワーク片を形成するためにダイカスト材料を射出することには使用されないが、液体含浸剤を射出して金型キャビティ内に配置された多孔性を有するワーク片１の孔を満たすために使用される。
【００１５】
クランプユニットおよび注入ユニットを備えたダイカスト装置は、当業者に公知である。ダイカスト装置は、ルーガー著、技術辞典、第８巻、“ダイカスティング”と“ダイカスティング機”に記載されている。図１および図２に示したダイカスト金型の２つの半型３，５は、ダイカスト機の閉鎖もしくは締付ユニットの締付プレートに固定され、ワーク片１を挿入した後に閉鎖され締付力Ｓが付与される。その後、ダイカスト機の注入ユニットを介して、例えば溶融した状態である液状含浸剤が、金型内部に射出経路７を介して矢印Ｉの方向に適切な射出圧力で加圧される。その結果、ワーク片１の孔は均質に満たされる。ワーク片１は、金型内に挿入される前にもしくは含浸剤が注入される前に適切な温度に予め加熱されることが好ましい。
【００１６】
一例として、炭素材料からなる摺動接触片１の含浸（溶浸）を、溶融アルミニウム珪素化合物AlSi12を用いて以下のパラメータで行なった。ダイカスト機としてビューラー社製の２５０トンの締付圧力を有する標準的機械を使用した。ワーク片は、２分間６５０℃まで予熱されて、２５０℃まで予熱されたダイカスト金型内に挿入された。続いて、ワーク片は２５０トンの締付圧力が付与された。溶融含浸剤（AlSi12）は、６５０℃の温度を有して射出経路７を介して２００バールの圧力で金型内部に射出された。２００バールでの射出圧力は合計３秒間の間、維持された。そして、金型が開けられ含浸されたワーク片１が取り出された。含浸剤によってとても均質に孔が満たされ、ワーク片１の表面には含浸剤が一切なかった。その結果、含浸されたワーク片における次工程は、射出経路７の領域内に残っているスプルーを取り除くもしくは研磨することを制限できる。機械は、およそ３分間サイクルで操作可能である。
【００１７】
ダイカスト機の代わりに、従来の射出成形機を本発明の方法に対して使用することも可能である。射出成形機は、例えば、F.Johannaber,Hanser-Verlag,Munich共著、１９９２年出版の“合成樹脂機案内書”などの技術文献において記載されているようにさまざまな種類のものを含む。使用される含浸剤の性質によると、スクリュー（screw）からなる成形（plastifying）および射出ユニットもまた液体含浸剤を射出するために使用することができる。一方で、通常のスクリューからなる成形および射出ユニットは、液体含浸剤を射出するためのピストンを備えた簡素な射出ユニットに代えることが可能である。
【００１８】
本発明に係る方法において合金、特にアルミニウムもしくはマグネシウム合金が含浸剤として使用された場合、揺変形成（thixomoulding）方法と称される方法によって操作される射出成形機を、含浸するのに使用することが可能である。このことは、これらの金属の特定の合金は固体相と液体相との中間の揺変移行相を有するという事実を利用する。そのような合金から形成された本体の射出成形するために、まず射出成形機のスクリューユニット内において前述した合金を揺変状態に対応する温度まで加熱するとともに、結晶成長を制限するためにスクリューを回転させ、そして射出金型内にこの揺変状態の合金を射出する。本発明に係る含浸方法は、射出金型内に配置された揺変性合金を多孔性ワーク片に含浸するという同様の方法においても実施可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  多孔性ワーク片が挿入されたダイカスト金型の長手方向における断面図。
【図２】  図１のＩＩ−ＩＩ線断面図。
【符号の説明】
１  ワーク片
３  半型
５  半型
７  射出経路
Ｓ  締付力
【図１】
0004402299.tif 000002
【図２】
0004402299.tif 000003