DE69837849T2

DE69837849T2 - Kohlekommutator und verfahren zu dessen herstellung

Info

Publication number: DE69837849T2
Application number: DE69837849T
Authority: DE
Inventors: Junichi Kiryu-shi SAITO; Shunji Kiryu-shi KUMAGAI
Original assignee: Mitsuba Corp
Current assignee: Mitsuba Corp
Priority date: 1997-08-06
Filing date: 1998-07-23
Publication date: 2008-01-17
Anticipated expiration: 2018-07-24
Also published as: BR9811084A; US6222298B1; WO1999008367A1; JP4177958B2; KR100484407B1; EP1003269B1; KR20010022009A; DE69837849D1; CA2299473A1; EP1003269A1; CA2299473C; EP1003269A4

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kommutator in einem Motor und insbesondere einen Kohlekommutator, in dem ein Element zum Gleiten auf einer Motorbürste Kohlenstoff enthält.
Stand der Technik
In Brennstoff-Zufuhrpumpen in Automobilen war bisher ein so genannter Systemstyp innerhalb eines Tanks bekannt, der einen Motor und eine innerhalb des Brennstofftanks integrierte Pumpe aufwies, in dem ein Kommutator des Motors direkt in Kontakt mit dem Brennstoff steht, da der Brennstoff in dem Tank durch ein Motorgehäuse zur Außenvorrichtung befördert wurde. In Automobilen, die Benzin inklusive Alkohol verwenden, besteht das Problem, dass das Kupfer im Gleitelement des Kommutators, das mit der Bürste in Kontakt kommt, durch den Alkohol im Benzin erodiert wird. Um dies zu verhindern, offenbart die japanische Patentanmeldung, erste Anmeldung Nr. Hei 8-308183 einen Kohlekommutator, der Kohlenstoff in dem Element zum Gleiten auf der Bürste enthält.
In dem in dieser Publikation beschriebenen Kohlekommutator ist eine Vielzahl von Segmenten (Kommutatorstücken), die durch Kompaktieren und Sintern eines Kohlenstoffpulvers hergestellt wurden, so angeordnet, dass sie voneinander in umfänglicher Richtung auf einem isolierenden Nabenelement, das aus einem synthetischen Harz gefertigt wurde, isoliert sind. Kupfersteigstücke, die leitfähige Anschlusselemente sind, sind integral zusammen mit den Segmenten gesintert. Diese Publikation offenbart, dass zur Gewährleistung einer elektrischen Verbindung zwischen den leitfähigen Anschlusselementen und den Segmenten das leitfähige Metallpulver um die leitfähigen Anschlusselemente kompaktiert und gesintert werden kann, oder dass eine Mischung des Metallpulvers und des Kohlenstoffpulvers derart geschichtet und gesintert wird, dass das Verhältnis des Kohlenstoffpulvers von den leitfähigen Anschlusselementen auf das Gleitelement für die Bürste erhöht werden kann. Dafür, dass der Koeffizient der thermischen Expansion sich dem der Stufenstücke annähert, wird das gleiche Kupfermaterial wie für die Steigstücke oder ein nickelbeschichtetes Kupferpulver für das Metallpulver ausgewählt.
Die oben erwähnten Kupferpulver und mit Nickel beschichteten Kupferpulver sind jedoch nicht während des Sinterns in einem Bereich von 700 bis 900°C, welches den Sintertemperaturbereich für das Kohlenstoffpulver definiert, mit dem Stufenstück integriert. Die Stufenstücke kommen lediglich in Kontakt mit dem Kupferpulver in den gesinterten Segmenten, welche daher unstabil werden. Es ist bekannt, dass der Grünkörper des Metallpulvers sich während des Sinterns zusammenzieht, so dass auch dann, wenn das gleiche Kupfermaterial wie für die Stufenstücke als Metallpulver ausgewählt wird, um sich dem Koeffizienten der thermischen Expansion anzunähern, das Problem entsteht, dass Spalten zwischen dem gesinterten Körper des Kupferpulvers und den Steigstücken auftreten können.
Wenn das Kohlenstoffpulver und das Kupferpulver geschichtet und gesintert werden, wird der zum Kohlenstoffpulver hinzu gegebene Binder thermisch zersetzt und karbonisiert, so dass das Konzentrationsverhältnis im Kohlenstoffpulverabschnitt größer als das Expansionsverhältnis ist. Das Konzentrationsverhältnis des Kupferpulvers ist niedriger als die Konzentration des Kupferpulverabschnitts, während die thermische Expansion im Kupferpulver während des Sinterns größer als die im Kohlenstoffpulver ist. Daher kann eine Gleitung an der Grenze zwischen dem Kohlenstoffpulver und dem Kupferpulver auftreten, so dass die gesinterten Segmente dazu neigen, sich an den Grenzflächen zu trennen. Es ist im konventionellen Kohlekommutator unmöglich, eine lang anhaltende stabile elektrische und mechanische Verbindung insbesondere bei Brennstoff, der Alkohol enthält, wie dies oben erwähnt wurde, zu erreichen.
Es ist ebenso aus der US-A-5 255 426 bekannt, dass zwei Schichten oder Filme von leitfähigen Materialien auf einem geformten Kohlenstoff aufgelegt werden, und ein elektrisch leitfähiges Material mit einem vergleichsweise niedrigen Schmelzpunkt auf einer zweiten Schicht aufgetragen wird. Die behandelte Oberfläche des Torus wird dann in direkter Nähe zu der ebenen Oberfläche der Substratplatten Abschnitte des Kommutatorsubstrats platziert und die Gegenstände werden erhitzt, um zu bewirken, dass das Material mit niedrigem Schmelzpunkt eine elektrisch leitfähige Verbindung dazwischen ausbildet.
Das Dokument US-A-5 255 426 offenbart einen Kommutator mit einer auf Kohlenstoff basierenden Kontaktfläche, bei dem das Anschlusselement aus einem Material mit niedrigem Schmelzpunkt, beispielsweise einer Zinnlegierung, aus Antimon oder Wismut besteht. Zwischenschichten sind zwischen der Kontaktfläche und dem Anschlusselement angeordnet, die aus Kupfer, Gold, Silber, Nickel oder einer Legierung hergestellt sind.
Das Dokument JP 09 046 978 offenbart einen Kommutator mit einer auf Kohlenstoff basierenden Kontaktfläche, einem Körper mit einem Zusammensetzungsgradienten für Kohlenstoff und Kupfer, sowie einem Kupfer-Anschlusselement.
Das Dokument US-A-3 601 645 offenbart einen Kommutator mit einer metallischen Schicht, die in einen Metall und Kohlenstoff enthaltenen Körper gesintert ist. Das Dokument beinhaltet des Weiteren einen elektrischen Leiter, der an der metallischen Schicht befestigt ist und eine niedrigere Zugfestigkeit als die metallische Schicht aufweist.
Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Kohlekommutator zur Verfügung zu stellen, der Kohlenstoff in den Gleitelementen enthält und der eine lang andauernde stabile elektrische und mechanische Verbindung zwischen den Segmenten und den leitfähigen Anschlusselementen erreicht.
Offenbarung der Erfindung
Um dieses Problem zu lösen, wird ein Kohlekommutator gemäß Anspruch 1 zur Verfügung gestellt.
Zink, Antimon oder Blei können für das Zinn substituiert werden, das das zweite Material in der Metallschicht ist. Der Kohlekommutator wird durch Befüllen eines Raums um die leitfähigen Anschlusselemente herum mit einem Metallpulver hergestellt, um die Metallschicht auszubilden, das Befüllen des Raums an der Seite der Gleitelemente mit Kohlenstoffpulver und ein anschließendes Kompaktieren und Sintern der Pulver. Während des Sinterns schmilzt das Zinnpulver, das einen niedrigen Schmelzpunkt von 232°C aufweist, so auf, dass die Kupferpartikel und die leitfähigen Anschlusselemente mit Zinn benetzt werden, wodurch ein Flüssigphasen-Sintern eintritt.
Während des Flüssigphasen-Sinterns schmilzt das Kupfer in die flüssige Phase des geschmolzenen Zinns hinein und die Menge an flüssiger Phase wird so erhöht, dass das Verhältnis des Kupfergehalts erhört wird, bis es mit der festen Phasenkomponente gesättigt ist, während das Zinn in die feste Kupferphase diffundiert ist. Die Partikel werden nochmals angeordnet, so dass eine kompressive Entspannungsspannung von der thermischen Expansion der leitfähigen Anschlusselemente auftritt. Die kleinen Kupferpartikel schmelzen vorzugsweise in die flüssige Phase und werden an den großen Kupferpartikeln als feste Phase abgelagert. Das Kornwachstum wird während der Auflösung und des Ablagerungsprozesses derart unterstützt, dass die Kupferkomponente in den metallischen Legierungsschichten mit der Zinnkomponente (Erzeugung von Bronze) die leitfähigen Anschlusselemente mit den Kohlenstoffschichten integriert, was die Kompressionsbelastung entspannt. Somit werden die Segmente und die leitfähigen Anschlusselemente elektrisch und mechanisch zuverlässig integriert. Durch das Sintern, bei dem die Zinnkomponente in der metallischen Schicht die flüssige Phase ausbildet, wird auch dann, wenn Spalten oder Rutschungen zwischen den leitfähigen Anschlusselementen und der Kohlenstoffschicht aufgrund des Unterschieds beim Konzentrationsverhältnis und der thermischen Expansion auftritt, der Spalt mit der flüssigen Phase gefüllt und die kompressive Belastung wird entspannt, wodurch eine Trennung zwischen der Metallschicht, dem leitfähigen Anschlusselement und der Kohlenstoffschicht verhindert wird und eine zuverlässige Bindung zwischen diesen gewährleistet wird. Wenn die Metallschicht nur an der Seite der Kohlenstoffschicht in Bezug auf das leitfähige Anschlusselement angeordnet wird, kann die ausreichende elektronische und mechanische Bindung erreicht werden.
Wenn das Verhältnis der Zinnkomponente zur Kupferkomponente in der metallischen Schicht zu hoch ist, kann sich eine unerwünschte spröde Phase einer intermetallischen Verbindung während des Sinterns ausbilden und abhängig von der Sintertemperatur kann die Konzentration der Zinnkomponente die Obergrenze für die Konzentration des Zinns in einer stabilen festen Alpha-Lösung in der Kupfer-Zinn-Legierungsreiche übersteigen. Auf der anderen Seite verbindet sich dann, wenn das Zinn-Komponentenverhältnis zu niedrig ist, das geschmolzene Zinn vorzugsweise mit dem Kupferpulverpartikeln, die kleine Durchmesser aufweisen. Dies reduziert das Verhältnis der Legierung mit dem leitfähigen Anschlusselement und verhindert die Entspannung der kompressiven Belastung gegenüber der Kohlenstoffschicht, so dass eine ausreichende Bindung zwischen der Metallschicht, der leitfähigen Anschlussschicht und der Kohlenstoffschicht nicht erreicht wird. Um dies zu verhindern liegt das Gewichtsverhältnis des Kupfers zum Zinn in der Metallschicht im Bereich von 98,0:2,0 bis 86,5:13,5 und besonders bevorzugt im Bereich von 95,0:5,0 bis 90,0:10,0.
Um die Segmente zu erzeugen, wird das die Kohlenstoffschicht ausbildende Kohlenstoffpulver und das gemischte Pulver aus Kupfer und Zinn wie oben bereits erwähnt gepresst und gesintert. Wenn die Sintertemperatur zu niedrig ist, wird der oben erwähnte Effekt nicht erreicht, was zu einer unstabilen Bindung der Segmente mit den leitfähigen Anschlusselementen führt. Wenn die Sintertemperatur zu hoch ist, kann die Menge an flüssiger Phase ansteigen, so dass die Form des Grünkörpers nicht beibehalten wird, und entlang des leitfähigen Anschlusselements abhängig von den Umständen strömen kann. Um dieses Problem zu lösen, wird die Sintertemperatur im Verfahren zur Herstellung des Kohlekommutators gemäß der vorliegenden Erfindung im Bereich von 800 bis 850°C eingestellt.
In dem Verfahren zur Herstellung des Kohlekommutators wird durch Kompaktieren des die Kohlenstoffschicht ausbildenden Kohlenstoffpulvers und des Kupfer und Zinn umfassenden gemischten Pulvers, dass die Metallschicht ausbildet, und durch Sintern des daraus resultierenden Grünkörpers die aus dem Sintern des gemischten Pulvers, das Kupfer und Zinn umfasst, entstehenden flüssigen Phase in die Korngrenze des Kohlenstoffpulvers eindringen und einen Ankereffekt erzeugen und die Bindung der Kohlenstoffschicht an der Metallschicht absichern. Beim Ausbilden des Grünkörpers wird entweder das die Kohlenstoffschicht ausbildende Kohlenstoffpulver oder das Kupfer und Zinn umfassende gemischte Pulver, das die metallische Schicht ausbildet, in die Grünkörper-Form eingefüllt und komprimiert, und das andere Pulver wird im Anschluss eingefüllt und komprimiert. Dies reguliert die Dicke der Kohlenstoffschicht in dem gesinterten Segment und verhindert die Verkürzung der Lebensdauer des Kohlekommutators aufgrund des Aussetzens gegenüber der metallischen Schicht.
Der Kohlekommutator gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst eine Vielzahl von Segmenten, die Enden aufweisen, die Gleitelemente auf einer Bürste sind, und andere Enden, an denen die leitfähigen Anschlusselemente angebracht sind, wobei die Segmente in einer umfänglichen Richtung auf einem isolierenden Nabenelement angeordnet sind und gegenüber einander isoliert sind, wobei Kohlenstoffschichten auf den Seiten der Gleitelemente der Segmente ausgebildet sind, metallische Schichten zwischen den Kohlenstoffschichten und den leitfähigen Anschlusselementen durch Sintern des Kohlenstoffs ausgebildet sind, ein erstes Material einer Hauptkomponente des leitfähigen Anschlusselements sowie ein zweites Element, das mit dem ersten Material eine Legierung eingehen kann. Metallische Schichten werden durch Sintern des Kohlenstoffs, des ersten Materials eine Hauptkomponente des leitfähigen Anschlusselements und des zweiten Materials, das einen Schmelzpunkt niedriger als der des ersten Materials, beispielsweise Kohlenstoff, Kupfer und Zinn aufweist, ausgebildet. Zink, Antimon und Blei können an Stelle des Zinns in der metallischen Schicht vorliegen. Der Kohlekommutator wird durch Befüllen eines Raums um die leitfähigen Anschlusselemente mit einem Kohlenstoff, Kupfer und Zinn umfassenden gemischten Pulvers herum zur Ausformung der metallischen Schicht, das Befüllen eines Raums an der Seite der Gleitelemente mit einem Kohlenstoffpulver und durch Kompaktieren und Sintern der Pulver hergestellt. Während des Sinterns schmilzt das Zinnpulver, das einen niedrigen Schmelzpunkt von 232°C aufweist, so auf, dass die Kupferpartikel und die leitfähigen Anschlusselemente benetzt werden, wodurch ein Sintern mit flüssiger Phase auftritt.
Während des Sinterns mit flüssiger Phase schmilzt das Kupfer in die flüssige Phase des geschmolzenen Zinns auf und die Menge an flüssiger Phase wird vergrößert, um so das Verhältnis des Kupfergehalts zu erhöhen, bis es mit der Festphasenkomponente gesättigt ist, während das Zinn in die feste Kupferphase diffundiert ist. Die Partikel werden so wieder angeordnet, dass die von der thermischen Expansion der leitfähigen Anschlusselemente herrührende kompressive Belastung entspannt wird. Die kleinen Kupferpartikel schmelzen vorzugsweise in der flüssigen Phase auf und werden auch in großen Kupferpartikeln als feste Phase abgeschieden. Das Kornwachstum wird während der Auflösungs- und Ablagerungsprozesse unterstützt, so dass die Kupferkomponente in der metallischen Schicht einer Legierung mit der Zinnkomponente (Erzeugung von Bronze) eingeht, um die leitfähigen Anschlusselemente mit den Kohlenstoffschichten zu integrieren und so die kompressive Belastung zu entspannen. Somit werden die Segmente und die leitfähigen Anschlusselemente elektrisch und mechanisch zuverlässig integriert. Durch das Sintern, bei dem die Zinnkomponente in der metallischen Schicht die flüssige Phase ausbildet wird auch dann, wenn Spalten oder ein Abrutschen zwischen dem leitfähigen Anschlusselement und der Kohlenstoffschicht aufgrund der Differenz im Verhältnis der Konzentration und der thermischen Expansion auftritt, wird der Spalt mit der flüssigen Phase befüllt, die kompressive Belastung entspannt und die flüssige Phase tritt in die Grenzen ein, was einen Ankereffekt bewirkt, der die Trennung zwischen der metallischen Schicht, dem leitfähigen Anschlusselement und der Kohlenstoffschicht verhindert und eine zuverlässige Bindung zwischen diesen gewährleistet.
Gemäß dem Kohlekommutator der vorliegenden Erfindung enthalten die Metallschichten den Kohlenstoff zusätzlich zu Kupfer und Zinn, was die Flüssigphasen-Sinterung bewirkt. Der Ankereffekt kann erreicht werden, da der Kohlenstoff in den Metallschichten und der Kohlenstoff in den Kohlenstoffschichten während des Sinterns miteinander verbunden werden. Dies verbessert die Festigkeit an den Grenzflächen zwischen den Metallschichten und den Kohlenstoffschichten mit dem Ankereffekt durch die flüssige Phase. Der in den Metallschichten enthaltene Kohlenstoff entspannt die thermische Kompressionsbelastung und verhindert hierdurch die Trennung der Metallschichten voneinander. Die Metallschicht enthält den Kohlenstoff, der verglichen mit einer Metallschicht, die im Wesentlichen aus einer Kupfer-Zinn-Legierung besteht, vergleichsweise weich ist und dies verhindert, dass die Metallschicht zu hart wird und die Bearbeitbarkeit des Segments reduziert wird. Da der Kohlenstoff nicht aufweicht und aufschmilzt, bedingt der Kohlenstoff in der Metallschicht auch dann, wenn eine flüssige Phase aufgrund des Kupfers und des Zinns während des Sinterns auftritt, als Aggregat die Stabilisierung der Form des gesinterten Köpers. Während in dem konventionellen Kohlekommutator das Kupferpulver um das gleitfähige Anschlusselement herum eingesetzt wird, wenn die Metallschicht nur an der Seite der Kohlenstoffschicht in Bezug auf das leitfähige Anschlusselement angeordnet ist, kann eine ausreichende elektrische und mechanische Bindung erzielt werden.
Wenn der Prozentgehalt des Kohlenstoffs in der Metallschicht zu niedrig ist, wird die Metallschicht zu hart, so dass eine Beschädigung während der Bearbeitung des Segments nicht verhindert werden kann. Darüber hinaus kann der Ankereffekt und die Entspannung der thermischen kompressiven Belastung gegenüber der Kohlenstoffschicht in Übereinstimmung mit dem Kohlenstoff in der Metallschicht sowie die Stabilisierung der Form des gesinterten Körpers nicht erreicht werden. Da der Kohlenstoff nicht mit dem Kupfer im Steigstück reagiert, wenn der Prozentgehalt des Kohlenstoffs in der Metallschicht zu hoch ist, wird die Bindung des Steigstücks an der Metallschicht unzureichend und diese werden aufgrund dessen leicht voneinander getrennt. Der Prozentgehalt in Gewichtsprozent des Kohlenstoffs in der Metallschicht liegt im Bereich von 2 bis 25 Gew-%, noch bevorzugter 10 bis 20 Gew-%.
Wenn das Verhältnis der Zinnkomponente zur Kupferkomponente in der Metallschicht zu hoch ist, kann sich eine unerwünschte spröde Phase der intermetallischen Verbindung während des Sinterns bilden und abhängig von der Sintertemperatur kann die Konzentration der Zinnkomponente die Obergrenze der Konzentration des Zinns in einer stabilen festen Alphalösung in den Kupfer-Zinn-Legierungsreihen übersteigen. Auf der anderen Seite bildet dann, wenn das Zinnkomponentenverhältnis zu niedrig ist, das geschmolzene Zinn vorzugsweise mit den Kupferpulverpartikeln die kleine Durchmesser aufweisen, eine Legierung aus. Dies reduziert das Verhältnis der Legierung mit dem gleitfähigen Anschlusselement und unterbindet die Entspannung der kompressiven Belastung gegenüber der Kohlenstoffschicht, so dass eine ausreichende Bindung zwischen der Metallschicht, dem gleitfähigen Anschlusselement und der Kohlenstoffschicht nicht erreicht wird. Um dies zu verhindern liegt das Gewichtsverhältnis des Kupfers zum Zinn in der metallischen Schicht im Bereich von 98,0:2,0 bis 86,5:13,5 und noch bevorzugter im Bereich von 95,0:5,0 bis 90,0:10,0.
Um die Segmente herzustellen, werden das die Kohlenstoffschicht ausbildende Kohlenstoffpulver und das gemischte Pulver aus Kohlenstoff, Kupfer und Zinn verpresst und gesintert. Wenn die Sintertemperatur zu niedrig ist, wird der oben erwähnte Effekt nicht erreicht, was die Bindung der Segmente mit den leitfähigen Anschlusselementen unstabil werden lässt. Wenn die Sintertemperatur zu hoch ist, kann die Menge an flüssiger Phase ansteigen, so dass die Form des Grünkörpers unabhängig von dem in der Metallschicht enthaltenen Kohlenstoff nicht beibehalten werden kann und abhängig von den Umständen entlang des leitfähigen Anschlusselementes ausströmen kann. Um dieses Problem zu lösen, wird die Sintertemperatur vorzugsweise in einem Bereich von 800 bis 850°C im Verfahren zur Herstellung des Kohlekommutators gemäß der vorliegenden Erfindung eingestellt. Beim Formen des Grünkörpers wird entweder das die Kohlenstoffschicht ausbildende Kohlenstoffpulver oder das Kohlenstoff, Kupfer und Zinn umfassende gemischte Pulver, das die metallische Schicht ausbildet, in die Grünkörper-Form eingefüllt und komprimiert, und das andere Pulver wird im Anschluss eingefüllt und komprimiert. Dies reguliert die Dicke der Kohlenstoffschicht in dem gesinterten Segment und verhindert die Verkürzung der Lebensdauer des Kohlekommutators aufgrund des Exponierens gegenüber der metallischen Schicht. Der Kohlekommutator gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst eine Vielzahl von Segmenten, die Enden aufweisen, welche Gleitelemente auf einer Bürste sind, und andere Enden, an denen die leitfähigen Anschlusselemente angebracht sind, wobei die Segmente in umfänglicher Richtung auf einem isolierenden Nabenelement angeordnet sind und voneinander isoliert sind, wobei Kohlenstoffschichten auf den Seiten der Gleitelemente der Segmente ausgebildet sind, metallische Schichten zwischen dem Kohlenstoffschichten und den leitfähigen Anschlusselementen durch Sintern eines ersten Materials einer Hauptkomponente des leitfähigen Anschlusselements mit einem zweiten Material ausgebildet wird, das mit dem ersten Material eine Legierung eingehen kann, wobei Zwischenschichten zwischen den Metallschichten und den Kohlenstoffschichten ausgebildet sind, wobei die Zwischenschichten Kohlenstoff und das erste Material der Hauptkomponente des leitfähigen Anschlusselements umfassen. Die Metallschichten werden durch Sintern von Kohlenstoff, dem ersten Material einer Hauptkomponente des leitfähigen Anschlusselements und dem zweiten Material, das einen Schmelzpunkt aufweist, der niedriger als der des ersten Elements, beispielsweise Kohlenstoff, Kupfer und Zinn ist, ausgebildet. Zink, Antimon oder Blei können an Stelle des Zinns in der Metallschicht eingesetzt werden. Der Kohlekommutator wird durch Befüllen eines Raums um die leitfähigen Anschlusselemente herum mit einem Metallpulver zur Bildung der metallischen Schicht, das Befüllen eines Raums an der Seite der Gleitelemente und das Befüllen eines Raums zwischen diesen mit einem Kohlenstoff und Kupfer umfassenden gemischten Pulvers und anschließendes Kompaktieren und Sintern hergestellt. Während des Sinterns schmilzt das Zinnpulver, das einen niedrigen Schmelzpunkt von 232°C aufweist, derart auf, dass die Kupferpartikel und die leitfähigen Anschlusselemente benetzt werden, wodurch eine Flüssigphasen-Sinterung eintritt.
Während der Flüssigphasen-Sinterung schmilzt das Kupfer in die flüssige Phase des geschmolzenen Zinns auf und die Menge an flüssiger Phase wird vergrößert, so dass das Verhältnis des Kupfergehalts erhöht wird bis es mit der Festphasen-Komponente gesättigt ist, wobei der Zinn in die feste Kupferphase hineindiffundierte. Die Partikel werden so wieder angeordnet, dass die aus der thermischen Expansion der leitfähigen Anschlusselemente herrührende kompressive Belastung entspannt wird. Die kleinen Kupferpartikel schmelzen vorzugsweise in die flüssige Phase auf und werden auf den großen Kupferpartikeln als feste Phase abgelagert.
Das Kornwachstum wird während der Auflösungs- und Ablagerungsprozedur unterstützt, so dass die Kupferkomponente in der Metallschicht eine Legierung mit der Zinnkomponente (Herstellung von Bronze) eingeht, um die leitfähigen Anschlusselemente mit den Kohlenstoffschichten zu integrieren und die kompressive Belastung zu entspannen. Somit werden die Segmente und die leitfähigen Anschlusselemente zuverlässige elektrisch und mechanisch integriert. Durch das Sintern, bei dem die Zinnkomponente in der metallischen Schicht die flüssige Phase ausbildet wird auch dann, wenn Spalten oder Verschiebungen zwischen dem leitfähigen Anschlusselement und der Kohlenstoffschicht aufgrund der Differenz des Verhältnisses der Kontraktion und der thermischen Expansion auftreten, der Spalt mit der flüssigen Phase befüllt und die kompressive Belastung entspannt, wodurch eine Trennung zwischen der Metallschicht, dem leitfähigen Anschlusselement und der Kohlenstoffschicht verhindert wird und zwischen diesen eine zuverlässige Bindung gewährleistet wird. Wenn die metallische Schicht nur an der Seite der Kohlenstoffschicht in Bezug auf das leitfähige Anschlusselement angeordnet wird, kann eine ausreichende elektrische und mechanische Verbindung erreicht werden.
Die Kohlenstoff und Kupfer umfassende Zwischenschicht wird zwischen der metallischen Schicht und der Kohlenstoffschicht ausgebildet. Während des Sinterns wird die in der metallischen Schicht auftretende flüssige Phase in die Zwischenschicht hineindiffundieren, mit dem Kupfer in der Zwischenschicht eine Legierung eingehen, so dass die metallische Schicht und die Zwischenschicht miteinender verbunden werden, während der Kohlenstoff in der Zwischenschicht mit dem Kohlenstoff in der Kohlenstoffschicht eine Bindung eingeht und somit die Kohlenstoffschicht mit der Zwischenschicht integriert. Das Ergebnis hiervon werden die Kohlenstoffschicht und die metallische Schicht durch die Zwischenschicht miteinander integriert und das Segment und das leitfähige Anschlusselement werden elektrisch und mechanisch miteinander verbunden. Verglichen mit einem Fall, bei dem eine Kohlenstoffschicht direkt auf der metallischen Schicht, die Kupfer und Zinn umfasst beschichtet wird, kann eine kompressive Belastung entspannt werden und auch dann, wenn die Sintertemperatur vergleichsweise hoch ist, kann eine Trennung zwischen den Schichten unterbunden werden.
In Bezug auf das Verhältnis des Kohlenstoffs zum Kupfer in der Zwischenschicht trennen sich dann, wenn der Prozentgehalt des Kohlenstoffs in der Zwischenschicht zu niedrig ist, die Kohlenstoffschicht und die Zwischenschicht leicht voneinander. Wenn der Prozentgehalt des Kohlenstoffs in der Zwischenschicht zu groß ist und der Prozentgehalt des Kupfers zu niedrig ist, kann ein Unterschied zwischen der Zwischenschicht und der Kohlenstoffschicht auftreten und dies ermöglicht eine leichte Trennung der metallischen Schicht und der Zwischenschicht. Daher kann der Prozentgewichtsgehalt des Kohlenstoffs in der Zwischenschicht vorzugsweise in einem Bereich von 10 bis 40 Gew-% liegen. Der Prozentgehalt des Kohlenstoffs in der Zwischenschicht kann schrittweise oder kontinuierlich von der Metallschicht aus auf die Kohlenstoffschicht hin erhöht werden, was eine schrittweise Verteilung in der Zwischenschicht zur Verfügung stellt, und dies verbessert die Bindung zwischen der Kohlenstoffschicht, der metallischen Schicht und der Zwischenschicht.
Wenn das Verhältnis des Zinnkomponente zur Kupferkomponente in der metallischen Schicht zu hoch ist, kann sich eine unerwünschte brüchige Phase der intermetallischen Verbindung während des Sinterns ausbilden und abhängig von der Sintertemperatur kann die Konzentration der Zinnkomponente die Obergrenze der Konzentration des Zinns in einer stabilen festen α-Lösung in der Konzentration des Zinns in einer stabilen festen Alphalösung in der Kupfer-Zinn-Legierungsreihe übersteigen. Auf der anderen Seite geht dann, wenn das Zinnkomponentenverhältnis zu niedrig ist, das geschmolzene Zinn vorzugsweise mit den Kupferpulverpartikeln, die kleine Durchmesser aufweisen, eine Legierung ein. Dies reduziert das Verhältnis der Legierung mit dem leitfähigen Anschlusselement und unterbindet die Entspannung der kompressiven Belastung gegenüber der Kohlenstoffschicht, so dass eine ausreichende Bindung zwischen der Metallschicht, dem leitfähigen Anschlusselement und der Kohlenstoffschicht nicht erreicht wird. Um dies zu verhindern, liegt das Gewichtsverhältnis des Kupfers zum Zinn in der Metallschicht in einem Bereich von 98,0:2,0 bis 86,5:13,5 und noch bevorzugter in einem Bereich von 95,0:5,0 bis 90,0:10,0.
Um die Segmente herzustellen, werden das die Kohlenstoffschicht ausbildende Kohlenstoffpulver, das die Zwischenschicht ausbildende, Kohlenstoff und Kupfer umfassende gemischte Pulver und das die metallische Schicht und Kupfer und Zinn umfassende gemischte Pulver miteinander verpresst, um einen Grünkörper herzustellen, und anschließend wird der Grünkörper gesintert. Wenn die Sintertemperatur zu niedrig ist, wird der oben erwähnte Effekt nicht erreicht, was zu einer unstabilen Bindung der Segmente mit den leitfähigen Anschlusselementen führt. Wenn die Sintertemperatur zu hoch ist, kann die Menge an flüssiger Phase ansteigen, so dass die Form des Grünkörpers nicht beibehalten werden kann. Um dieses Problem zu lösen, wird die Sintertemperatur vorzugsweise in einem Bereich von 800 bis 850°C im Verfahren zur Herstellung des Kohlekommutators gemäß der vorliegenden Erfindung eingestellt. Hierbei kann, da die Zwischenschicht die thermische kompressive Belastung dann entspannt, wenn die Sintertemperatur hoch ist, die stabile Bindung auch dann erreicht werden, wenn die Sintertemperatur unter der Bedingung, dass die Form des gesinterten Körpers beibehalten werden kann, auf 900°C erhöht wird.
Beim Formen des Grünkörpers wird entweder das die Kohlenstoffschicht bildende Kohlenstoffpulver oder das Kupfer und Zinn umfassende gemischte Pulver, das die metallische Schicht ausbildet, in die Grünkörper-Form eingefüllt und komprimiert, wobei das Kohlenstoff und Kupfer umfassende gemischte Pulver zur Ausbildung der Zwischenschicht eingefüllt wird und das andere Pulver im Anschluss eingefüllt und komprimiert wird. Dies reguliert die Dicke der Kohlenstoffschicht im gesinterten Segment und verhindert die Verkürzung der Lebensdauer des Kohlekommutators aufgrund des Aussetzens gegenüber der metallischen Schicht.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Ansicht von oben, die eine Seite der oberen Oberflächen 3a der Segmente 3 des Kohlekommutators 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist eine Querschnittsansicht von der Linie Z-Z aus 1.
3(a) ist eine Ansicht von oben, die eine Steigstück-Elementplatte 21 zeigt, die durch ein Verfahren zur Herstellung des Kohlekommutators 1 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erhalten wird, und 3(b) ist eine Querschnittsansicht von der Linie b-b aus 3(a).
Die 4(a) bis 4(c) sind Querschnittsansichten einer Grünkörper-Form 25, die in dem Verfahren zur Herstellung des Kohlekommutators 1 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
4(a) zeigt eine Situation, bei der die Grünkörper-Form 25 getrennt ist, 4(b) zeigt eine Situation, bei der eine Kohlepulverschicht 26 und eine Metallpulverschicht 27 ausgebildet sind, und Figur (c) zeigt eine Situation, in der die Pulver durch Druckhärteblenden 28A und 28B komprimiert werden.
5 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Grünkörpers 29 im Verfahren zur Herstellung des Kohlekommutators 1 gemäß der Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung.
6 ist eine schematische Querschnittsansicht eines gesinterten Körpers 29 im Verfahren zur Herstellung des Kohlekommutators 1 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
7(a) ist eine Ansicht von oben, die den gesinterten Körper 30 zeigt, mit dem die Steigstück-Elementplatte 21 verbunden ist, und 7(b) ist eine Querschnittsansicht von der Linie b-b aus 7(a).
8 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen einem Gewichtsverhältnis der Zinnkomponente in einer metallischen Schicht 11 und einer Peelingfestigkeit der metallischen Schicht 11, einer Kohlenstoffschicht 10 und einem Steigstück 4 (Kupferplatte 31) zeigt.
9 ist eine Querschnittsansicht eines Teststücks, das bei der Messung der 8 gezeigten Beziehung verwendet wird.
10 ist eine Ansicht von oben, die eine Seite der oberen Oberfläche 103a der Segmente 103 des Kohlekommutators 101 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
11 ist eine Querschnittsansicht von der Linie Z-Z aus 10.
12(a) ist eine Ansicht von oben, die eine Steigstückelementplatte 121 zeigt, die mittels eines Verfahrens zur Herstellung des Kohlekommutators 101 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erhalten wurde, und 12(b) ist eine Querschnittsansicht von der Linie bb aus 12(a).
Die 13(a) bis 13(c) sind Querschnittsansichten einer Grünkörper-Form 125, die im Verfahren zur Herstellung des Kohlekommutators 101 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
13(a) zeigt eine Situation, bei der die Grünkörper-Form 125 getrennt ist, 13(b) zeigt eine Situation, in der eine Kohlepulverschicht 126 und eine Schicht aus gemischten Pulver 127 ausgebildet sind, und 13(c) zeigt ein Situation, in der die Pulver durch Druckhärteblenden 128A und 128B miteinander komprimiert werden.
14 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Grünkörpers 129 beim Verfahren zur Herstellung des Kohlekommutators 101 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
15 ist eine schematische Querschnittsansicht eines gesinterten Körpers 129 beim Verfahren zur Herstellung des Kohlekommutators 101 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
16(a) ist eine Ansicht von oben, die den gesinterten Körper 1330 zeigt, mit dem die Steigstück-Elementplatte 121 verbunden ist, und 16(b) ist eine Querschnittsansicht von der Linie b-b aus 7(a).
17 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen einem Prozentgehalt des Kohlenstoffs in einer metallischen Schicht 111, eine transversale Festigkeit der metallischen Schicht 111 sowie eine Peel-Festigkeit zwischen der metallischen Schicht 111, einer Kohlenstoffschicht 110 sowie einem Steigstück 104 (Kupferplatte 133) zeigt.
18 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Testsstück 131 zeigt, das bei der Messung der transversalen Festigkeit, wie es in 17 gezeigt ist, verwendet wird.
19 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Teststück 132 zeigt, das bei der Messung der Peel-Festigkeit, wie sie in 17 gezeigt ist, verwendet wird.
20 ist eine Ansicht von oben, die eine Seite der oberen Oberflächen 203a die Segmente 203 des Kohlekommutators 201 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
21 ist eine Querschnittsansicht von der Linie Z-Z aus 20.
22(a) ist eine Ansicht von oben, die eine Steigstück-Elementplatte 221 zeigt, die mittels eines Verfahrens zur Herstellung des Kohlekommutators 201 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erhalten wurde, und 22(b) ist eine Querschnittsansicht von der Linie bb aus 22(a).
Die 23(a) bis 23(c) sind Querschnittsansichten einer Grünkörper-Form 225, die im Verfahren zur Herstellung des Kohlekommutators 201 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
23(a) zeigt eine Situation, in der die Grünkörper-Form 225 getrennt ist, 23(b) zeigt eine Situation, in der eine Kohlepulverschicht 226 und Schichten 227 und 228 aus gemischten Pulver ausgebildet sind, und 23(c) zeigt eine Situation, in der die Pulver durch Druckhärteblenden 229A und 229B komprimiert werden.
24 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Grünkörpers 230 beim Verfahren zur Herstellung des Kohlekommutators 201 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
25 ist eine schematische Querschnittsansicht eines gesinterten Körpers 231 beim Verfahren zur Herstellung des Kohlekommutators 201 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
26(a) ist eine Ansicht von oben, die den gesinterten Körper 231 zeigt, mit dem die Steigstück-Elementplatte 221 verbunden ist mit dem die Steigstück-Elementplatte 221 verbunden ist, und 26(b) ist eine Querschnittsansicht von der Linie b-b aus 26(a).
27 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen einer Prozentgehalt des Kohlenstoffs in der Zwischenschicht 212 sowie eine Peel-Festigkeit zwischen der Zwischenschicht 212, einer Kohlenstoffschicht 210 sowie einer metallischen Schicht 211 zeigt.
28 ist eine Querschnittsansicht eines Teststücks 231, das bei der Messung der in 27 gezeigten Beziehung verwendet wird.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
(erste Ausführungsform)
Die 1 und 2 zeigen eine Ausführungsform eines Kohlekommutators gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Kohlekommutator 1 gemäß der Erfindung, der beispielsweise an einem Motor in einer im Tank angeordneten Brennstoffzufuhrpumpe angewendet wird, ist abgeflacht und umfasst eie nahezu scheibenförmiges Nabenelemente 2, das aus einem isolierenden Harz gefertigt ist, sowie eine Vielzahl von Segmenten 3 (8 Segmente in dieser Ausführungsform), die in gleichmäßigen Intervallen in umfänglicher Richtung platziert sind und eine ringförmige Form auf einer kreisförmigen oberen Oberfläche 2a des Nabenelements 2 ausbilden. Die oberen Oberflächen 3a der Segmente 3 sind Gleitelemente in Kontakt mit einer Bürste eines Motors. Darüber hinaus weist jedes Segmente 3 ein Steigstück 4 auf, das ein leitfähiges Anschlußelement ist, und ein Ende 4a des Steigstücks 4 steht vom Nabenelement 2 nach außen hervor.
Auf der oberen Oberfläche 2a des Nabenelements 2 ist eine zylindrische Innenwand 5 am Zentrum ausgebildet und eine zylindrische Außenwand 6 ist am Umfang ausgebildet, während die oberen Oberflächen 3a der Segmente 3 in Sektorblöcke geformt sind, wie dies in 1 gezeigt ist. Die Segmente 3 sind radial zwischen der Innenwand 5 und der Außenwand 6 platziert und in umfänglicher Richtung an dem Nabenelement 2 angeordnet, wie dies oben beschrieben wurde. Zwischen den benachbarten Segmenten 3 erstrecken sich Schlitze 7 in radialer Richtung auf dem Nabenelement 2, um Nuten 2b auszubilden, die um eine Stufe von der oberen Oberfläche 2a durch die Innenwand 5 und die Außenwand 6 eingekerbt sind und die benachbarten Segmente 3 voneinander isoliert. Ein Achsloch 8 in der Innenwand 5 reicht zur äußeren Oberfläche des Nabenelements 2 und wird dazu verwendet, den Kohlekommutator 1 an der Drehachse des Motors zu befestigen.
Wie in 2 gezeigt, steht eine umfängliche Außenoberfläche 5a der Innenwand 5 des Nabenelements 2 mit den konkaven Obenoberflächen 3b an den Innenseiten der Segmente 3 in Kontakt, während die innere Oberfläche 6a der Außenwand 6 in Kontakt mit dem konvexen Obenoberflächen 3c an den Außenseiten der Segmente 3 stehen. Eine obere Oberfläche 5b der Innenwand 5 liegt niedriger als die oberen Oberflächen 3a der Segmente 3, während die obere Oberfläche 6b der Außenwand 6 mit den oberen Oberflächen 3a übereinstimmt. Eine Stufe 9 ist an den Ecken zwischen der oberen Oberfläche 2a des Nabenelements 2 und der inneren Oberfläche 6a der Außenwand 6 ausgeformt. Die Steigstücke 4, die in dieser Ausführungsform leitfähige Anschlusselemente sind, sind in Plattenformen aus Kupfer oder einer Kupferlegierung ausgebildet und oberhalb der rückwärtigen Oberflächen 3d der Segmente 3, die leicht auf die oberen Oberflächen 3a hin angehoben sind, wie dies in 2 gezeigt ist, eingebettet. Die Steigstücke 4 erstrecken sich in radialer Richtung des Nabenelements 2 von nahezu der Mitte der Segmente 3 durch die Außenwand 6 nach außen und sind am rückwärtigen Abschnitt gebogen, um L-Formen auszubilden, und erstrecken sich über Breitenabschnitte 4b entlang des äußeren Umfangs der Außenwand 6 zu den Enden 4a. Die Enden 4a sind in V-Form durch die Biegung von Vorsprüngen ausgebildet, die sich nach außen auf die Vorderseite hin erstrecken. Die anderen Enden 4c der Steigstücke 4 stehen von den rückwärtigen Oberflächen 3d der Segmente 3 hervor und sind vertikal in der oberen Oberfläche 2a des Nabenelements 2 eingebettet.
In der Ausführungsform des Kohlekommutators 1 sind die die oberen Oberflächen 3a beinhaltenden Abschnitte, die Gleitelemente der Segmente 3 sind, Kohlenstoffschichten 10, in denen Kohlenstoff und ein geeignetes Bindemittel miteinander vermischt sind. Abschnitte inklusive der rückwärtigen Oberflächen 3d um die Steigstücke 4 herum sind metallische Schichten 11 aus Kupfer und einem Material, das mit den Steigstücken 4 der leitfähigen Anschlusselemente eine Legierung eingehen kann und einen Schmelzpunkt aufweist, der niedriger als der der Steigstücke 4 ist, beispielsweise Zinn. In den metallischen Schichten 11 wird eine Legierung aus Kupfer und Zinn, die Bronze ist, aufgrund des Flüssigphasen-Sinterns von Kupfer und Zinn abgelagert und diese Legierung beeinflusst die Steigstücke 4 aus Kupfer und Kupferlegierung, wodurch die Steigstücke 4 mit den Kohlenstoffschichten 10 und den metallischen Schichten 11, d.h. den Segmenten 3, integriert werden. Das Gewichtsverhältnis von Kupfer zu Zinn in den Metallschichten 11 liegt im Bereich von 98,0:2, bis 86,5:13,5 und bevorzugt im Bereich von 95,0:5,0 bis 90,0: 10,0, und in dieser Ausführungsform wird es bei 90,0:10,0 eingestellt. Die Metallschichten 11 weisen eine Dicke von etwa der Hälfte der Dicke der Segmente 3 auf. Zusätzlich kann zumindest ein Material, das aus der Gruppe von Zink, Antimon und Blei ausgewählt ist, das gesamte Zinn oder einen Teil hiervon in der Metallschicht 11 versetzten.
Unter Bezugnahme auf den 3 bis 7 wird ein Verfahren zur Herstellung des Kohlekommutators 1, der oben beschrieben wurde, gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert. Vor der Herstellung des Kohlekommutators 1 wird eine Steigstückelementplatte 21, die ein Prototyp der mit den Segmenten 3, die in 3 gezeigt sind, zu integrierenden Steigstücken 4 ist, vorbereitet. Die Steigstück-Elementplatte 21 mit kreisförmigem Grundriss ist eine Kupferplatte oder eine Kupferlegierungsplatte und wird in dieser Ausführungsform durch Pressen einer sauerstofffreien Kupferplatte auf eine Dicke von 0,6 mm hergestellt. Die Steigstück-Elementplatte 21 weist ein kreisrundes ringförmiges Element 23 mit einem Innendurchmesser auf, der größer ist als der Außendurchmesser des hergestellten Kohlekommutators 1 ist, wobei die Steigstück-Elemente 23 der gleichen Nummer der Steigstücke 4 integral am inneren Rand des ringförmigen Elements 22 ausgebildet sind. Die Steigstück-Elementplatte 21 weist die Form von umgebogenen Steigstücken 4 auf, außer dass die inneren Enden 23a als die oben beschriebenen anderen Enden 4c der Steigstücke 4, die vorab gebogen sind, und erstrecken sich in radialen Richtungen in einer Weise ähnlich der Steigstücke 4 in den Segmenten 3, die in umfänglicher Richtung in dem abschließend bearbeiteten Kohlekommutator 1 platziert sind. Äußere Enden 23b, die mit den Enden 4a der Steigstücke 4 korrespondieren, sind integral mit dem ringförmigen Element 22 verbunden.
Wie in 4(a) gezeigt, wird die Steigstück-Elementplatte 21 auf einer Grünkörper-Form 25 mit einer kreisförmigen Aussparung 24, deren Dimensionen im Hinblick auf die Konzentration der Größe beim Sintern in Bezug auf die Dimensionen der Segmente 3 eingestellt sind, platziert. Die Steigstück-Elementplatte 21 wird derart platziert, dass die Achsen der Steigstück-Elementplatte 21 und der Aussparung 24 zueinander ausgerichtet sind. Wie in 4(b) gezeigt, wird ein Kohlenstoffpulver und das Bindemittel umfassendes gemischtes Pulver in die Aussparung 24 eingefüllt, um eine Kohlenstoffschicht 26 auf einer Seite auszubilden, die mit den oberen Oberflächen 3a der Segmente 3 (dem Boden der Aussparung 24) übereinstimmt. Im Anschluss wird ein Kupfer und Zinn umfassendes gemischtes Pulver eingefüllt, um eine Schicht 27 aus metallischem Pulver in einer Seite auszubilden, die mit den rückwärtigen Oberflächen 3d um die Steigstück-Elemente 23 der Steigstück-Elementplatte 21 übereinstimmen. Vorzugsweise wird dann, wenn die Befüllung der Aussparung 24 mit der Kohlepulverschicht 26 und der Metallpulverschicht 27 abgeschlossen ist, die Kohlepulver 26 durch Befüllen der Bodenseite der Aussparung 24 mit dem Kohlepulver und das Bindemittel umfassenden gemischten Pulver ausgebildet, wobei im Anschluss die Kohlepulverschicht 26 durch leichtes Pressen der Kohlepulverschicht 26 unter zeitweise Verwendung einer Druckblende gleichmäßig eingestellt wird, und anschließend die Metallpulverschicht 27 durch Zuführen des gemischten Pulvers aus Kupfer und Zinn auf die Kohlepulverschicht 26 ausgebildet wird.
In dieser Ausführungsform wird das gemischte Pulver aus Kohlenpulverschicht 26 durch Vermischen des gemischten Kohlepulvers, das natürliches und künstliches Graphit umfasst, mit einem Phenolbindemittel, anschließendes Knicken, Trocknen, Schleifen und Einstufen des Pulvers in der Größe und Regulieren der Korngröße auf weniger als 500 μm hergestellt. Das vermischte Pulver aus metallischer Pulverschicht 27 wird durch Vermischen eines elektrolytischen Kupferpulvers mit einem pulverisierten Zinnpulver bei einem vorbestimmten Gewichtsverhältnis und Vermischen der Pulver unter Verwendung eines V-Mischers hergestellt.
Die Kohlepulverschicht 26 und die Metallpulverschicht 27 werden in der Aussparung 24 komprimiert und mit der Steigstück-Elementplatte 21 durch Druckhärteblenden 28A und 28B bei einem vergleichsweise hohen Kompaktierungsdruck von etwas 3t/cm² unter Verwendung einer hydraulischen Ölpresse, wie sie in 4(c) gezeigt ist, ausgeformt, so dass ein ringförmiger Grünkörper (komprimierter Pulverkörper) 29 inklusive zwei Schichten hergestellt wird, welche die Kohlepulverschicht 26 und die Metallpulverschicht 27 sind, wie in 5 ausgebildet. Beim Pulverkompaktieren stehen die gebogenen inneren Enden 23a der Steigstückelemente 23 von der Metallpulverschicht 27 so hervor, dass sie in Aufnahmen 28a auf der Druckhärteblende 28A aufgenommen werden können. Dann wird der geformte Grünkörper 29 zusammen mit den Steigstückelementen 21 von der Grünkörper-Form 25 entfernt.
Danach wir der Grünkörper 29 in einen Sinterofen eingeladen und dort gebacken, so dass ein ringförmiger gesinterter Körper 30 eines Prototyps der Segmente 3 erhalten wird, wie dies in den 6 und 7 gezeigt wird. Bei diesem Prozess werden die Kohlenpulverschicht 26 und die Metallpulverschicht 27 des Grünkörpers 29 miteinander gesintert, um den gesinterten Körper 30 herzustellen. Das Kohlenstoffpulver in der Kohlepulverschicht 26 wird mit dem Bindemittel gebunden, so dass die Kohlenstoffschicht 10 ausgebildet wird, während ein Flüssigphasen-Sintern in der Metallpulverschicht 27 auftritt, so dass die Oberflächen der Steigstückelemente 23 mit dem Kupferpulver und dem Zinnpulver eine Legierung eingehen, wodurch die Metallschicht der 11 integral mit den Steigstückelementen 23 kombiniert wird. Die Kohlenstoffschicht 10 um die obere Oberfläche 3a herum, die das Gleitelement der Segmente 3 ist, und die Metallschicht 11 um die rückwärtigen Oberflächen 3d herum sind elektrisch und mechanisch mit dem Steigstückelement 23, das das Steigstück 4 ist, verbunden. Vorzugsweise wird die Temperatur, bei der der Grünkörper 29 gesintert wird, um den gesinterten Körper 30 zu erzeugen, in einem Bereich von 800 bis 850°C eingestellt und in dieser Ausführungsform wird die Temperatur auf etwa 825°C eingestellt.
Im Anschluss wird das Nabenelement 2 durch Pressen (Formen) unter Verwendung eines isolierenden Harzes integral ausgebildet. In dem in 7 gezeigten gesinterten Körper 30 stehen die Enden der Steigstückelemente 23 (die Enden 4a und die Breitenabschnitte 4b der Steigstücke 4) vom Umfang des ringförmigen gesinterten Körpers 30 hervor. Das ringförmige Element 22 ist immer noch integral um den Umfang herum verbunden. Die inneren Enden 23a der Steigstückelemente 23 stehen von den Oberflächen der Metallschicht 11, die mit der rückwärtigen Oberfläche 3e des Segments 3 übereinstimmt, hervor. Der gesinterte Körper 30 ist in einer Form aufgenommen, die eine kreisförmige Aussparung mit einem Durchmesser, der um die Dicke der Außenwand 6 des Nabenelements 2 größer als der Durchmesser des gesinterten Körpers 30 ist, und in dem eine Säule ausgebildet ist, die mit der Position des Achslochs 8 übereinstimmt. Die Oberfläche der Metallschicht 11 liegt der Aussparung gegenüber und die Achsen des gesinterten Körpers 30 und der Aussparung sind miteinander ausgerichtet. Im Anschluss wird geschmolzener Harz in die Aussparung eingefüllt und das Pressen und Abkühlen wird ausgeführt. Somit wird das Nabenelement 2, das eine Innenwand 4, eine Außenwand 6 und das Achsloch 8 aufweist, und in dem die inneren Enden 23 der Steigstückelemente 23 in die obere Oberfläche 2a eingebettet sind, integral mit dem gesinterten Körper 30 ausgebildet.
Nachdem das Nabenelement 2 integral mit dem gesinterten Körper 30 ausgebildet ist, ist die Steigstück-Elementplatte 21 immer noch um den Umfang des Nabenelements 2 angebracht. Die Verbindungen zwischen den äußeren Enden 23b der Steigstückelemente 23 der Steigstück-Elementplatte 21 und das ringförmige Element 22 werden abgeschnitten, um von den Steigstückelementen 23 getrennt zu werden. Die Breitenabschnitte 4b werden auf die Rückseite hingebogen und entlang des Umfangs der Außenwand 6 gekrümmt, und die äußeren Enden 23b werden so gebogen, dass sie eine V-Form aufweisen, wobei die Steigstücke 4 in die oben beschriebenen Formen ausgebildet werden. Zwischen benachbarten Steigstücken 4 weisen die Schlitze 7 eine Tiefe auf, die durch vollständiges Hindurchschneiden durch den gesinterten Körper 30 und leichtes Einschneiden in die obere Oberfläche 2a des Nabenelements 2 ausgebildet ist, um sich so in radialen Richtungen des ringförmigen gesinterten Körpers 30 vom Umfang der Außenwand 6 zum Achsloch 8 zu erstrecken. Der gesinterte Körper 30 wird somit in Sektorblöcke der Segmente 3 unterteilt, die voneinander Isoliert sind, wobei zu diesem Zeitpunkt der Kohlekommutator 1 vervollständigt ist.
Im hergestellten Kohlekommutator 1 kann, da die oberen Oberflächen 3a, die mit den Gleitelementen übereinstimmen, an der Bürste Kohlenstoffschichten 10 enthalten, die Erosion der Segmente 3 und die schädliche Beeinflussung des Brennstoffs auch dann verhindert werden, wenn der Motor eine im Tank angeordnete Brennstoffzufuhrpumpe für Brennstoff ist, der eine große Menge Alkohol enthält. Auf der anderen Seite werden durch das Sintern von Kupfer mit Zinn zur Herstellung der Metallschicht 11 um die Steigstücke 4 herum und durch das Auflegieren der Metallschicht 11 mit den Steigstücken 4 durch das Flüssigphasen-Sintern die Segmente 3 und die Steigstücke 4 zuverlässig elektrisch und mechanisch integriert. Darüber hinaus schmelzen durch das Flüssigphasen-Sintern der Metallschicht 11 die kleinen Kupferpulverpartikel vor den anderen auf und werden auf großen Partikeln abgelagert, wodurch die Partikel nochmals angeordnet werden, so dass eine kompressive Belastung aufgrund der thermischen Expansion in den Steigstücken 4 (Steigstückelemente 23) entspannt werden kann. Darüber hinaus können, da die Spalten um die Steigstückelemente 23 mit der flüssigen Phase unabhängig von der thermischen Expansion und der Konzentration in den Steigstückelementen 23 befüllt werden, die gesinterten Segmente 3 noch zuverlässiger und fester mit den Steigstücken 4 integriert werden. Da die flüssige Phase in der Metallschicht 11 auftritt und existiert, wird eine kompressive Belastung zwischen der Kohlenstoffschicht 10 und der Metallschicht 11 entspannt. Auch dann, wenn Spalten zwischen der Kohlenstoffschicht 10 und der Metallschicht 11 aufgrund der Unterschiede in der Konzentration und der Expansion während des Sintern des Grünkörpers 29 auftreten, werden die Spalten mit der flüssigen Phase aus Kupfer-Zinn-Legierung gefüllt und dies sichert die Bindung der Kohlenstoffschicht 10 an der Metallschicht 11 ab. Die geschmolzene Kupfer-Zinn-Legierung beim Flüssigphasen-Sintern neigt dazu, zwischen die Partikel der Kohlenstoffschicht 10 hineinzugelangen, so dass ein Ankereffekt zwischen der Kohlenstoffschicht 10 und der Metallschicht 11 erreicht werden kann, wodurch die Trennung erschwert wird. Gemäß dem Kohlekommutator 1 mit dem oben beschriebnen Aufbau können eine Ungleichmäßigkeit in den elektrischen Widerstandswerten zwischen den Segmenten 3 und ein Kontaktfehlen zwischen den Segmenten 3 und den Steigstücken 4 auf einer unvollständigen Bindung verhindert werden. Auch bei einem Brennstoff mit Alkohol kann, wie oben bereits erwähnt wurde, eine erhöhte Stabilität und ein verbessertes Verhalten auf lange Sicht erreicht werden.
Während in der Ausführungsform des Gewichtsverhältnisses von Kupfer zu Zinn in der Metallschicht 11 bei 90:10 eingestellt wurde kann sich dann, wenn die Zinnkomponente im Gewichtsverhältnis zu hoch ist, eine brüchige Phase aus einer intermetallischen Verbindung aus Kupfer und 10 in der Metallschicht 11 während des Sintern des Grünkörpers 29 ausbilden, und dies könnte eine sichere Bindung der Segmente 3 und der Steigstücke 4 unterbinden. Darüber hinaus ist abhängig von der Sintertemperatur nicht erwünscht, dass die Konzentration der Zinnkomponente in der Metallschicht 11 die Obergrenze für die Konzentration des Zinns in einer stabilen festen Alphalösung in den Kupfer-Zinn-Legierungsreihen übersteigt. Auf der anderen Seite bildet dann, wenn das Zinnkomponentenverhältnis zu niedrig ist, das geschmolzene Zinn vorzugsweise eine Legierung mit den Kupferpulverpartikeln aus, welche einen kleinen Durchmesser aufweisen und dazu neigen, eine Legierung einzugehen, wodurch das Verhältnis der Legierung mit den Steigstücken 23 reduziert wird. Dies ist aufgrund der Tatsache unerwünscht, dass eine sichere Bindung der Segmente 3 und der Steigstücke 4 verhindert werden könnte.
Beispielsweise zeigt 8 die Zugbelastung (Peel-Festigkeit), bei der eine Punkttrennung zwischen einer Kupferplatte 32, die mit dem Steigstück übereinstimmt, und der Metallschicht 11, die durch Sintern von Kupfer und Zinn hergestellt wurde, oder zwischen der Metallschicht 11 und der Kohlenstoffschicht 10 in einem Teststück 31, wie es in 9 gezeigt wird, welches in der Richtung gezogen wird, die durch den Pfeil in der Figur angedeutet wird, auftritt, wenn das Gewichtsverhältnis der Zinnkomponente in der Metallschicht 11 variiert. Wie in 8 gezeigt, wird dann, wenn das Gewichtsverhältnis der Zinnkomponente niedrig ist, die Peel-Festigkeit, d.h. die Bindefestigkeit erhöht, wenn das Gewichtsverhältnis der Zinnkomponente erhöht wird. Wenn das Gewichtsverhältnis der Zinnkomponenten in einem Bereich von 5,0 bis 10,0 Gew-% liegt, wird es bei einer hohen Festigkeit von etwa kgf stabil. Wenn das Gewichtsverhältnis der Zinnkomponente weiter erhöht wird, sinkt die Bindefestigkeit ab. Darüber hinaus werden dann, wenn das Gewichtsverhältnis der Zinnkomponente niedrig ist, die Kupferplatte 32 und die Metallschicht 11 voneinander getrennt, wohingegen dann, wenn das Gewichtsverhältnis hoch ist, die Kohlenstoffschicht 10 und die Metallschicht 11 im Teststück 31 getrennt wurden. Wie generell bekannt ist, ist die Bindefestigkeit in den Segmenten bei etwa 1,5 kgf in dem Kommutator ausreichend. Dementsprechend kann aus den in 8 gezeigten Ergebnissen das Gewichtsverhältnis der Zinnkomponente von mehr als 2,0 Gew-% in der Metallschicht 11 ausreichend sein. Auf der anderen Seite ist in der Kupfer-Zinn-Legierung die Obergrenze der Zinnkomponentenkonzentration in der stabilen festen Alphalösung bei etwa 800°C, wo die Flüssigphasen-Sinterung auftritt, 13,5 Gew-%. Dementsprechend wird das Gewichtsverhältnis von Kupfer zu Zinn vorzugsweise in einem Bereich von 98,0:2,0 bis 86,5:13,5 eingestellt. Um eine Bindung mit einer Festigkeit zwischen der Metallschicht 11, den Steigstücken 4 und der Kohlenstoffschicht 10 zu gewährleisten, die ausreichend genug ist, um die Trennung auch dann zu verhindern, wenn die Sintertemperatur variiert wird, wird das Gewichtsverhältnis des Kupfers zum Zinn in der Metallschicht 11 vorzugsweise in einem Bereich von 95,0:5,0 bis 90,0:10,0 eingestellt.
In dem Verfahren zur Herstellung des Kohlekommutators 1 werden das Kohlenstoffpulver und das gemischte Pulver aus Kupfer und Zinn, die aufeinander gelegt sind, miteinander verpresst, um den Grünkörper 29 mit der Steigstück-Elementplatte 21 auszubilden, wobei der Grünkörper 29 bei 825°C gesintert wird, um den gesinterten Körper 30 herzustellen, und die Segmente 3 werden in Anschluss ausgebildet. Wenn die Sintertemperatur zu niedrig ist, wird die Flüssigphasen-Sinterung nicht ausreichend unterstützt, wodurch verhindert wird, dass die Bindung der Segmente 3 mit den Steigstücken 4 gewährleistet wird. Wenn die Sintertemperatur zu hoch ist, wird die in die Phase aus geschmolzenem Zinn hineinschmelzende Kupferkomponente vergrößert und kann entlang der Steigstückelemente 23 im Sinterprozess ausströmen, und die Form des gesinterten Körpers 30 kann möglicherweise nicht beibehalten werden. Um dies zu verhindern, wird die Sintertemperatur vorzugsweise in einem Bereich von 800 bis 850°C eingestellt, wenn wie oben beschrieben der Grünkörper 29 inklusive der Kohlenpulverschicht 26 und der Metallpulverschicht 27 gesintert wird, um die Segmente 3 bereitzustellen.
Vorzugsweise wird beim Formen des Grünkörpers 29 entweder die Kohlepulverschicht 26 oder die Metallpulverschicht 27 (die Kohlenpulverschicht 26 in dieser Ausführungsform) in der Form 25 ausgeformt, zeitweise gepresst, um deren Dicke zu regulieren, und die andere Schicht (die Metallpulverschicht 27 und diese Ausführungsform) wird ausgebildet und gepresst. Diese Prozesse stellen die Dicke der Kohlenstoffschicht 10 und der Metallschicht 11 im gesinterten Segment 3 ein. Beispielsweise auch dann, wenn eine Reibung auf den oberen Oberflächen 3a der Segmente 3 auftritt, die Gleitelemente auf der Bürste sind, kann verhindert werden, dass die Metallschicht teilweise aufgrund einer ungleichmäßigen Dicke der Kohlenstoffschichten 10 exponiert werden, und dies verhindert eine Verkürzung der Lebensdauer des Kohlekommutators 1 aufgrund des Freilegens der metallischen Schicht 11. Während in der Ausführungsform die Kohlenstoffpulverschicht 26 ausgebildet und zeitweise gepresst wird und die Metallpulverschicht 27 danach ausgebildet wird, kann die Steigstück-Elementplatte 21 nahe dem Boden der Kompaktierungsform 25 positioniert werden, Kupfer und Zinnpulver können eingefüllt werden, um die Metallpulverschicht 27 auszubilden, und können zeitweise gepresst werden, um deren Dicke einzustellen, und im Anschluss kann ein Kohlenstoffpulver eingefüllt werden, um die Kohlenstoffpulverschicht 26 auszubilden. Während in der Ausführungsform die Metallpulverschicht 27 um die Steigstückelemente 23 herum ausgebildet ist, können die Metallschichten 11 derart geformt sein, dass die Metallpulverschicht 27 an der Oberfläche der Steigstückelemente 23 nur an der Seite der Kohlenstoffpulverschicht 26 ausgebildet ist, wodurch die Segmente 3 in vorteilhafter Weise dünner gemacht werden.
Im Verfahren der Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung wird der ringförmige Grünkörper 29 komprimiert und zusammen mit der Steigstück-Elementplatte 21, mit der die Steigstückelement 23 verbunden sind, komprimiert und gesintert, das Nabenelement 2 aus isolierendem Harz wird durch Pressen auf den ringförmigen gesinterten Körper 30 ausgebildet, und die Segmente 3 werden durch Schneiden der Stütze 7 ausgebildet so dass die Segmente 3 voneinander isoliert sind. Alternativ hierzu können Sektorblöcke der Grünkörper 29 zusammen mit separierten Steigstückelementen 23 geformt und gesintert werden, wobei das Nabenelement 2 durch Pressen eines isolierenden Harzes auf die gesinterten Segmente 3, die in umfänglicher Richtung in Intervallen angeordnet sind, ausgebildet werden können, und diese Segmente 3 integriert werden können, wodurch die Herstellung des Kohlekommutators 1 abgeschlossen wird. Anstelle des Prozesses des Sinterns des ringförmigen Grünkörpers 29 zur Erreichung des ringförmigen gesinterten Körpers 30 kann ein Grünkörper mit fester Scheibenform gesintert werden, um einen gesinterten Körper mit einer festen Scheibenform zu erhalten, ein Durchgangsloch an in dessen Zentrum eingebracht werden und der gesinterte Körper kann in Sektorsegmente 3 unterteilt werden.
Im Kohlekommutator 1 gemäß der Ausführungsform stehen die Enden 4c der Steigstücke 4 vertikal von den rückwärtigen Oberflächen 3d der Segmente 3 hervor und sind in die oberen Oberflächen 2a des Nabenelements 2 eingebettet, wodurch eine ausreichend hohe Festigkeit der Bindung des Nabenelements 2 an den Segmenten 3 gewährleistet wird. Die Enden 4c können unter einem Winkel auf den äußeren Umfang hin gebogen sein, bevor das Nabenelement 2 gepresst wird, und dies kann die Bindefestigkeit erhöhen. Ohne die vorstehenden Enden 4c der Steigstücke 4 oder zusätzlich zu dem oben beschriebenen Aufbau können Nuten an den gekrümmten Oberflächen der inneren und äußeren Umfänge der Segmente 3 ausgebildet sein, oder Abschrägungen können an den Ecken zwischen diesen ungleichmäßig gekrümmten Oberflächen und den oberen Oberflachen 3a der Segmente 3 erzeugt sein und das Nabenelement 2 kann anschließen durch Pressen von Harz ausgebildet werden, so dass der Harz die Nuten und die Abschrägungen abdeckt, um die Segmente 3 mit dem Nabenelement 2 in Eingriff zu bringen und hierdurch die Bindefestigkeit zu erhöhen.
Während in dem Kohlekommutator 1 der vorliegenden Ausführungsform sowohl die Kohlenstoffschicht 10 als auch die Metallschicht 11 im Segment 3 in etwa die Hälfte der Dicke des Segments 3 entspricht, kann die Metallschicht 11 nur um das Steigstück 4 herum ausgebildet sein und eine Zwischenschicht kann zwischen der Kohlenstoffschicht 10 und der Metallschicht 11 ausgebildet sein und das Verhältnis von Kupfer-Zinn-Komponenten zur Kohlenstoffkomponente kann von der Kohlenstoffschicht 10 auf die Metallschicht 11 hin erhöht werden. Obwohl in der Ausführungsform der Kohlekommutator gemäß der vorliegenden Erfindung als innerhalb des Tanks angeordnete Brennstoffzufuhrpumpe verwendet wird, wie dies bereits erläutert wurde, ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsform beschränkt und kann auf andere Art von Motoren angewendet werden. Die vorliegende Erfindung, in der der Kohlekommutator 1 in der Ausführungsform abgeflacht ist, kann auf andere, generell säulenförmige Kommutatoren angewendet werden.
(2 Ausführungsform)
Die 10 und 11 zeigen eine Ausführungsform eines Kohlekommutators gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Kohlekommutator 101 gemäß der Erfindung, der beispielsweise eine an einem Motor in einer im Tank angeordneten Brennzufuhrpumpe angebracht ist, ist abgeflacht und umfasst ein nahezu scheibenförmiges Nabenelement 102, das aus einem isolierenden Harz gefertigt ist, sowie eine Vielzahl von Segmenten (8 Segmente in dieser Ausführungsform), die in regelmäßigen Intervallen in umfänglicher Richtung platziert sind und eine Kreisform auf einer runden oberen Oberfläche 102a des Nabenelements 102 ausbilden. Die oberen Oberflächen 103a der Segmente 103 sind Gleitelement in Kontakt mit einer Bürste eines Motors. Darüber hinaus weist jedes Segment 103 ein Steigstück 104 auf, das ein leitfähiges Anschlusselement darstellt, und ein Ende 104a des Steigstücks 104 stellt vom Nabenelement 102 nach außen hervor.
Auf der oberen Oberfläche 102a des Nabenelements 102 ist eine zylindrische Innenwand 105 am Zentrum ausgebildet und eine zylindrische Außenwand 106 ist am Umfang ausgebildet, während die oberen Oberflächen 103a der Segmente 103 in Sektorblöcken geformt sind, wie dies in 10 gezeigt ist. Die Segmente 103 sind so platziert, dass die inneren und äußeren umfänglichen Oberflächen in Kontakt mit der Innenwand und der Außenwand 105 und 106 stehen und eine radiale Form mit dem Zentrum an der Innenwand 105 ausbilden und in umfänglicher Richtung am Nabenelement 102 angeordnet sind, wie dies oben bereits beschrieben wurde. Zwischen dem benachbarten Segmenten 103 erstrecken sich Schlitze 107 in radialen Richtungen auf dem Nabenelement 102, um Nuten 2b auszubilden, die um eine Stufe von der oberen Oberfläche 102a durch die Innenwand 105 und die Außenwand 106, die die benachbarten Segmente 103 voneinander isolieren, gekerbt sind. Ein Achsloch 108 in der Innenwand 105 erreicht die äußere Oberfläche des Nabenelements 102 und wird dazu verwendet, dem Kohlekommutator 101 an der Drehachse des Motors zu befestigen. Eine obere Oberfläche 105a der Innenwand 105 liegt niedriger als die obere Oberfläche 103a der Segmente 103, während die obere Oberfläche 106a der Außenwand 106 mit den oberen Oberflächen 103a übereinstimmt. Eine Stufe 109 ist an den Ecken zwischen der oberen Oberfläche 102a des Nabenelements 102 und an einer Innenoberfläche der Außenwand 106 ausgeformt.
Die Steigstücke 104, die leitfähige Anschlusselemente in dieser Ausführungsform sind, sind in Plattenform aus Kupfer oder einer Kupferlegierung ausgebildet und oberhalb den rückwärtigen Oberflächen 103d der Segmente 103, die leicht auf die oberen Oberflächen 103a hin erhaben sind, wie dies in 11 gezeigt ist, ausgebildet. Die Steigstücke 104 erstrecken sich in radialer Richtung des Nabenelements 102 von nahezu der Mitte des Elements 103 durch die Außenwand 106 hindurch nach außen, sind am rückwärtigen Abschnitt gebogen, um L-Formen anzunehmen und erstrecken sich über Breitenabschnitte 104b entlang dem äußeren Umfang der Außenwand 106 zu den Enden 104a. Die Enden 104a sind durch Biegen der Vorsprünge in V-Form ausgebildet, welche sich auf die Vorderseite hin nach außen erstrecken. Die anderen Enden 104c der Steigstücke 104 stehen von der rückwärtigen Oberflächen 103b der Segmente 103 hervor und sind vertikal in der oberen Oberfläche 102a des Nabenelements 102 eingebettet.
In der Ausführungsform des Kohlekommutators 101 sind Abschnitte inklusive der oberen Oberfläche 103a, die Gleitelemente der Segmente 103 ausbilden, Kohlenstoffschichten 110, in denen Kohlenstoff und ein geeignetes Bindemittel miteinander vermischt sind. Abschnitte inklusive der rückwärtigen Oberflächen 103b um die Steigstücke 104 herum sind Metallschichten 111 aus Kohlenstoff, Kupfer und einem Material, das mit den Steigstücken 104 des leitfähigen Anschlusselements eine Legierung eingehen kann und das einen Schmelzpunkt, der niedriger als der der Steigstücke 104 ist, beispielsweise Zinn. In den Metallschichten 111 wird eine Legierung aus Kupfer und Zinn, d.h. Bronze, aufgrund des Flüssigphasen-Sinterns von Kupfer und Zinn abgelagert und diese Legierung beeinflusst die Steigstücke 104 aus Kupfer oder Kupferlegierung, wodurch die Steigstücke 104 mit den Kohlenstoffschichten 110 und den Metallschichten 111, d.h. den Segmenten 103, integriert werden. Der Prozentkohlenstoffgehalt des Kohlenstoffs in der Metallschicht 111 liegt im Bereich von 2 bis 25 Gew-%, besonders bevorzugt in einem Bereich von 10 bis 20 Gew-% und ist in dieser Ausführungsform 15 Gew-%. Das Gewichtsverhältnis von Kupfer zu Zinn exklusive des Kohlenstoffs in den Metallschichten 111 liegt im Bereich von 98,0:2,0 bis 86,5:13,5 und vorzugsweise in einem Bereich von 95,0:5.0 bis 90,0:10,0 und ist in dieser Ausführungsform auf 90,0:10,0 eingestellt. Die Metallschichten 111 weisen eine Dicke von etwa der Hälfte der Segmente 103 auf. Zusätzlich kann zumindest ein Material, das aus der Gruppe von Zink, Antimon und Blei ausgewählt wurde, das gesamte Zinn oder ein Teil hiervon in der Metallschicht 111 ersetzen.
Unter Bezugnahme auf die 12 bis 16 wird ein Verfahren zur Herstellung des oben beschriebenen Kohlekommutators 101 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert. Vor der Herstellung des Kohlekommutators 101 wird eine Steigstück-Elementplatte 121, die ein Prototyp des mit denen in 12 gezeigten Segments 113 integrierenden Steigstücken 104 ist, vorbereitet. Die Steigstück-Elementplatte 121 weist einen kreisförmigen Grundriss auf und ist eine Kupferplatte oder eine Kupferlegierungsplatte und ist in dieser Ausführungsform durch Pressen einer sauerstofffreien Kupferplatte in einer Dicke von 0,6 mm hergestellt. Die Steigstück-Elementplatte 121 weist ein ringförmiges Element 122 mit einem Innendurchmesser auf, der größer als der Außendurchmesser des hergestellten Kohlekommutators 101 ist, und die Steigstückelemente 123 der gleichen Anzahl der Steigstücke 104 werden integral am inneren Rand des ringförmigen Elements 122 ausgebildet. Die Steigstück-Elementplatte 121 weist die Form ungebogener Steigstücke 104 auf, außer dass die inneren Enden 123a wie die oben beschriebenen anderen Enden 104c der Steigstücke 104 vorab gebogen wurden und sich in radialen Richtungen in einer Weise ähnlich der Steigstücke 104 in den in umfänglicher Richtung im abschließend bearbeiteten Kohlekommutator 101 platzierten Segmenten 103 erstrecken. Die äußeren Enden 123b, die mit den Enden 104a der Steigstücke 104 übereinstimmen, sind integral mit dem ringförmigen Element 122 verbunden.
Wie in 13(a) gezeigt, ist die Steigstück-Elementplatte 121 auf einer Grünkörper-Form 125 mit einer ringförmigen Aussparung 124 platziert, deren Dimensionen im Hinblick auf die Kontraktion der Größe beim Sintern in Bezug auf die Dimensionen der Segmente 103 eingestellt wurden. Die Steigstück-Elementplatte 121 wird derart platziert, dass die Achsen der Steigstück-Elementplatte 121 und der Aussparung 124 miteinander ausgerichtet sind. Wie in 13(b) gezeigt, wird ein Kohlenstoffpulver und Bindemittel umfassendes gemischtes Pulver in die Aussparung 124 eingefüllt, um eine Kohlenstoffpulverschicht 126 auf einer Seite auszubilden, die mit den oberen Oberflächen 103a der Segmente 103 (dem Boden der Aussparung 124) übereinstimmt. Im Anschluss wird ein gemischtes Pulver, welches Kohlenstoff, Kupfer und Zinn umfasst, eingefüllt, um eine Schicht 127 aus gemischtem Pulver in einer Seite auszubilden, die mit den rückwärtigen Oberflächen 103d und die Steigstückelemente 123 der Steigstück-Elementplatte 121 herum korrespondiert. In der Ausführungsform wird das gemischte Pulver der Kohlenstoffpulverschicht 126 durch Vermischen des gemischten Kohlenstoffpulvers, das natürliches und künstliches Graphit umfasst, mit einem Phenolbindemittel, anschließendes Kneten, Trocknen, Schleifen und Einordnen des Pulvers in der Größe sowie Regulieren der Korngröße auf weniger als 500 μm hergestellt. Das gemischte Pulver der Schicht 127 aus gemischtem Pulver wird durch Vermischen des gemischten Kohlenstoffpulvers, das natürliches und künstliches Graphit umfasst, mit einem elektrolytischen Kupferpulver und einem pulverisierten Zinnpulver bei einem vorbestimmten Gewichtsverhältnis und Vermischung der Pulversorten unter Verwendung eines V-Mischers hergestellt.
Vorzugsweise wird beim Befüllen der Aussparung 124 mit der Kohlenstoffpulverschicht 126 und der Schicht 127 aus gemischtem Pulver die Kohlenstoffpulverschicht 126 durch Befüllen der Bodenseite der Aussparung 124 mit dem gemischtem Pulver, das Kohlenstoffpulver und das Bindemittel umfasst, und anschließende vergleichsmäßigen der Kohlenstoffpulverschicht 126 in der Dicke durch leichtes Pressen der Kohlenstoffpulverschicht 126 oder zeitweise Verwendung einer Pressblende, ausgeformt, und anschließend wird die Schicht 127 aus vermischtem Pulver durch Zuführen des gemischten Pulvers aus Kupfer und Zinn auf die Kohlenstoffpulverschicht 126 ausgebildet. Die Kohlenstoffpulverschicht 126 und die Schicht 127 aus gemischtem Pulver in der Aussparung 124 werden zusammen mit der Steigstück-Elementplatte 121 durch Druckhärteblenden 128A und 128B bei einem vergleichsweise hohen Kompaktierungsdruck von etwa 3t/cm³ unter Verwendung einer hydraulischen Ölpresse komprimiert und geformt, wie dies in 13(c) gezeigt ist, so dass ein ringförmiger Grünkörper (komprimierter Pulverkörper) 129 inklusive zwei Schichten, die die Kohlenstoffpulverschicht 126 und die Schicht 127 aus gemischtem Pulver sind, wie in 14 gezeigt ausgebildet wird. Beim Pulverkompaktieren stehen die gebogenen inneren Enden 123a der Steigstückelemente 123 von der Schicht 127 aus gemischtem Pulver derart vor, dass sie in Aufnahmen 128a auf den Druckhärteblenden 128A aufgenommen werden können.
Dann wird der geformte Grünkörper 129 zusammen mit den Steigstückelementen 21 aus der Grünkörper-Form 125 entfernt. Im Anschluss wird der Grünkörper 129 in einen Sinterofen beladen und gebacken, so dass ein ringförmiger gesinterter Körper 130 eines Prototyps der Segmente 103 erhalten wird, wie dies in den 15 und 16 gezeigt ist. In diesem Prozess werden die Kohlenstoffpulverschicht 126 und die Schicht 127 aus gemischtem Pulver des Grünkörpers 129 zusammen gesintert, um den gesinterten Körper 130 auszubilden. Das Kohlenstoffpulver in der Kohlenstoffpulverschicht 126 wird durch das Bindemittel derart gebunden, dass die Kohlenstoffschicht 110 ausgebildet ist, während ein Flüssigphasen-Sintern in der Schicht 127 aus gemischtem Pulver eintritt, so dass die Oberflächen der Steigstückelemente 123 mit dem Kupferpulver und dem Zinnpulver auflegiert werden, wodurch eine Metallschicht 111 ausgebildet wird, die integral mit den Steigstückelementen 123 kombiniert ist. Die Kohlenstoffschicht 110 um die obere Oberfläche 103a herum, die das Gleitelement des Segments 103 ausbildet, und die Metallschicht 111 um die rückwärtigen Oberflächen 103d sind elektrisch und mechanisch mit dem Steigstückelement 123, dass das Steigstück 104 darstellt, verbunden. Vorzugsweise wird die Temperatur, bei der der Grünkörper 129 gesintert wird, um den gesinterten Körper 130 herzustellen, in einem Bereich von 800 bis 850°c eingestellt, und in dieser Ausführungsform der Temperatur auf etwa 825°C eingestellt.
Im Anschluss wird das Nabenelement 102 durch Pressen (Verformen) unter Verwendung eines isolierenden Harzes integral ausgebildet. Die in 16 gezeigten gesinterten Körper 130 die Enden der Steigstückelement 123 (die Enden 104a und die Breitenabschnitte 104b der Steigstücke 104) vom Umfang des ringförmig gesinterten Körpers 130 hervor. Das ringförmige Element 122 ist immer noch integral um den Umfang herum verbunden. Die inneren Enden 123a der Steigstückelemente 123 stehen von den Oberflächen der Metallschicht 111, die mit der rückwärtigen Oberfläche 103d des Segments 103 übereinstimmt, vor. Der gesinterte Körper 130 ist in einer Form aufgenommen, die eine kreisförmige Aussparung mit einem Durchmesser aufweist, der oben die Dicke der Außenwand 106 des Nabenelements 102 größer als der Durchmesser des gesinterten Körpers 130 ausgebildet ist, und in der eine Säule aufgestellt ist, die mit der Position des Achslochs 108 übereinstimmt. Die Oberfläche der Metallschicht 111 steht der Aussparung gegenüber und die Achsen des gesinterten Körpers 130 und der Aussparung sind zueinander ausgerichtet. Im Anschluss wird geschmolzenes Harz in die Aussparung hineingefüllt und ein Pressen und Abkühlen wird ausgeführt. Somit werden das Nabenelement 102, das eine Innenwand 105, die Außenwand 106 und das Achsloch 108 aufweist, und in der die inneren Enden 123 der Steigstückelemente 123 in der oberen Oberfläche 102a eingebettet sind, integral mit dem gesinterten Körper 130 ausgebildet.
Nachdem das Nabenelement 102 integral mit dem gesinterten Körper 130 ausgeformt wurde, ist die Steigstück-Elementplatte 121 immer noch um den Umfang des Nabenelements 102 herum angebracht. Verbindungen zwischen den äußeren Enden 123b der Steigstückelemente 123 der Steigstück-Elementplatte 121 und dem ringförmigen Element 122 werden abgeschnitten, um die Steigstückelemente 123 zu trennen. Die Breitenabschnitte 104b werden auf die Rückseite hingebogen und entlang des Umfangs der Außenwand 106 gekrümmt und die äußeren Enden 123b werden so gebogen, dass sie eine V-Form aufweisen, wodurch die Steigstücke 104 in die oben beschriebene Form ausgeformt werden. Zwischen benachbarten Steigstücken 104 weisen die Schlitze 107 eine Tiefe auf, die durch ein vollständiges Schneiden durch den gesinterten Körper 130 hindurch und leicht in die obere Oberfläche 102a des Nabenelements 102 hinein ausgebildet wurde, um sich so in radialen Richtungen des ringförmigen gesinterten Körpers 130 vom Umfang der Außenwand 106 auf das Achsloch 108 hinzu erstrecken. Der gesinterte Körper 130 wird so in Sektorblöcke der Segmente 103 unterteilt, welche voneinander isoliert sind, wobei zu diesem Zeitpunkt der Kohlekommutator 101 vervollständigt ist.
In dem hergestellten Kohlekommutator 101 kann, da die oberen Oberflächen 103a, die mit den Gleitelementen auf der Bürste übereinstimmen und die Kohlenstoffschichten 110 enthalten, die Erosion der Segmente 103 und die schädliche Beeinflussung des Brennstoffs auch dann verhindert werden, wenn der Motor eine innerhalb des Tanks angeordnete Brennstoffzufuhrpumpe für Brennstoff ist, der eine große Menge Alkohol enthält. Auf der anderen Seite werden durch das Sintern von Kohlenstoff, Kupfer und Zinn zur Erzeugung der metallischen Schicht 111 zwischen dem Steigstück 104, das das leitfähige Anschlusselement ist, und der Kohlenstoffschicht 110, und durch Auflegieren der metallischen Schicht 111 mit den Steigstücken 104 durch das Flüssigphasen-Sintern, die Segmente 103 und die Steigstücke 104 zuverlässig elektrisch und mechanisch integriert und die geschmolzene Kupfer-Zinn-Legierung gelangt beim Flüssigphasen-Sintern zwischen die Partikel der Kohlenstoffschicht 111, so dass ein Ankereffekt gegenüber der Kohlenstoffschicht 110 erhalten werden kann. Darüber hinaus wird das in der Metallschicht 111 enthaltene Kohlenstoff mit der Kohlenstoffschicht 110 verbunden, was zwischen diesen einen Ankereffekt bereitstellt, und die gesinterten Segmente 103 können noch zuverlässiger und fester mit den Steigstücken 104 integriert werden.
Durch das Flüssigphasen-Sintern der Metallschicht 111 schmelzen die kleinen Kupferpulverpartikel vor den anderen auf und werden auf den großen Partikeln abgelagert, wodurch eine Wiederanordnung der Partikel erfolgt, so dass eine kompressive Belastung aufgrund der thermischen Expansion in den Steigstücken 104 (Steigstückelemente 123) entspannt werden kann und Spalten um die Steigstückelemente 123 herum mit der flüssigen Phase unabhängig von der thermischen Expansion und der Konzentration im Steigstückelement 123 befüllt werden. Die existierende flüssige Phase entspannt die kompressive Belastung zwischen der Kohlenstoffschicht 110 und der Metallschicht 111. Auch dann, wenn Spalten zwischen der Kohlenstoffschicht 110 und der Metallschicht 111 aufgrund des Unterschieds bei der Konzentration und Expansion zwischen diesen während des Sinterns des Grünkörpers 129 auftritt, werden die Spalten mit der flüssigen Phase aus Kupfer-Zinn-Legierung befüllt. Die Metallschicht 111 enthält Kohlenstoff, so dass eine thermische Belastung zwischen der Kohlenstoffschicht 110 und der Metallschicht 111 entspannt wird. Daher wird es schwierig sein, die Bindung zwischen der Kohlenstoffschicht 110 und der Metallschicht 111 sowie die Bindung zwischen der Metallschicht 111 und dem Steigstück 104 zu zerbrechen. Gemäß dem Kohlekommutator 101 mit dem oben beschriebenen Aufbau können eine Ungleichmäßigkeit der elektrischen Widerstandswerte zwischen den Segmenten 103 und einen Kontaktfehlen zwischen den Segmenten 103 und den Steigstücken 104 aufgrund einer unvollständigen Bindung verhindert werden. Auch im Falle eines Brennstoffs, der wie oben bereits erwähnt Alkohol enthält, kann eine erhöhte Stabilität und ein verbessertes Verhalten auf lange Sicht erreicht werden.
Die Kupfer-Zinn-Legierung in der Metallschicht 111, welche durch das Flüssigphasen-Sintern erzeugt wurde, ist härter als eine konventionelle Schicht, die durch Sintern nur des Kupferpulvers hergestellt wurde. Wenn die Metallschicht 111 nur die Kupfer-Zinn-Legierung umfasst, wird die Bearbeitbarkeit des gesinterten Körpers 130 im Formprozess der Schlitze 107, die die Segmente 103 voneinander isolieren, schlecht, und die verlängert die Bearbeitungszeit und führt zu einer Verkürzung der Lebensdauer des Schneidwerkzeugs zur Herstellung der Schlitze. Im Kohlekommutator 101 enthält die Metallschicht 111 den Kohlenstoff, der vergleichsweise weich ist, und dies verhindert, dass die Metallschicht 111 zu hart wird. Es ist daher möglich, die Bearbeitungszeit zu verkürzen und die Lebensdauer des Schneidwerkzeugs zu verlängern. Wenn die Metallschicht 111 nur Kupfer und Zinn umfasst und die Sintertemperatur zu hoch ist, kann die flüssige Phase während des Sinterprozesses ausströmen und die Form des gesinterten Körpers 130 kann möglicherweise nicht beibehalten werden. Im Kohlekommutator 101 weicht der Kohlenstoff in der Metallschicht 111 nicht auf und schmilzt nicht auf und dient als Aggregat zur Stabilisation der Form der Metallschicht 111, so dass der gesinterte Körper 130 mit gewünschter Form und gewünschten Dimensionen hergestellt werden kann.
Während in der Ausführungsform der Gewichtsprozentgehalts des Kohlenstoffs, der in der Metallschicht 111 enthalten ist, 15 Gew-% beträgt, kann dann, wenn der Prozentgehalt des Kohlenstoffs zu niedrig ist aufgrund der Tatsache, dass die Metallschicht 111 aufgrund der verbleibenden Kupfer-Zinn-Legierung, die das Metall zu hart macht und eine Beschädigung während der Bearbeitung der Segmente 103 bewirkt, nicht verhindert werden. Darüber hinaus kann der Ankereffekt und die Entspannung der thermischen kompressiven Belastung gegenüber der Kohlenstoffschicht 110 gemäß dem Kohlenstoff in der Metallschicht 111 sowie die Stabilisierung der Form des gesinterten Körpers 130 nicht erreicht werden. Wenn der Prozentgehalt des Kohlenstoffs in der Metallschicht 111 zu hoch ist, reagiert der Kohlenstoff nicht mit dem Kupfer in dem Steigstück 104 und eine unzureichende Bindung des Steigstücks 104 mit der Metallschicht 111 tritt auf, welche sich somit leicht trennen lassen.
Beispielsweise zeigt 17, wie die Bearbeitbarkeit der Metallschicht 111 und der Peel-Festigkeit vom Prozentgehalt des Kohlenstoffs in der Metallschicht 111 in einem Teststück 131 der Metallschicht 111 in einem Teststück 131 der Metallschicht 111, das in 18 gezeigt ist, und in einem Teststück 132 des Segments 103, das in 19 gezeigt ist, abhängt. Um die Bearbeitbarkeit der Metallschicht 111 zu bestimmen, weist das Teststück 131 eine Breite „W" in cm und eine Dicke „t" in cm auf und wird unter den gleichen Bedingungen in Bezug auf Kohlestoff, Kupfer und Zinn in der Ausführungsform gesintert, außer dass der Prozentgehalt des Kohlenstoffs variiert. Wie in 18 gezeigt, wird das Teststück 131 an zwei Punkten in einem Abstand voneinander von L cm abgestützt und einen Belastung wird auf das Teststück 131 am Mittelpunkt der zwei Punkte in einer Richtung auf die Dicke hin aufgebracht, eine transversale Festigkeit (kgf/cm²) wird aus einer maximalen Last P kgf gemäß 1,5 × P × L/(W × t²) berechnet, wenn das Teststück 131 zerbrochen ist. Um die Peel-Festigkeit zu bestimmen, wird das Teststück 132 in einer Weise gesintert, die ähnlich der oben genannten ist, inklusiver der Kohlenstoffschicht 110. Eine Zugbelastung (Peel-Festigkeit) wird gemessen, wenn die Trennung zwischen einer Kupferplatte 132, die mit dem Steigstück übereinstimmt, und der Metallschicht 111, oder zwischen der Metallschicht 111 und der Kohlenstoffschicht 110 in einem Teststück 131 auftritt, welches in einer Richtung gezogen wird, die durch den Pfeil in 19 angedeutet ist.
Wie aus 17 ersichtlich, sinken die transversale Festigkeit des Teststücks 131 und die Peel-Festigkeit des Teststücks 132 mit steigendem Prozentgehalt des Kohlenstoffs in der Metallschicht 111 ab. Das bedeutet, dass die Bearbeitbarkeit erhöht und die Trennung erleichtert wird, wenn der Prozentgehalt des Kohlenstoffs erhöht wird. Im Schlitzprozess für den gesinterten Körper 130, der Kohlenstoff, Kupfer und Zinn umfasst, kann die Verlängerung der Bearbeitungszeit und die Verkürzung der Lebensdauer des Schneidwerkzeugs dann verhindert werden, wenn die transversale Festigkeit niedriger als 2000 kgf/cm² beträgt. Vorzugsweise kann aus den Ergebnissen der transversalen Festigkeit aus 17 der Prozentgehalte des Kohlenstoffs in der Metallschicht 111 mehr als zwei Gew-% betragen.
Generell ist eine Peel-Festigkeit des Segments 103 von 1,5 kgf im Kommutator ausreichend. Vorzugsweise kann aus den in 17 gezeigten Resultaten der Prozentgehalt des Kohlenstoffs in der Metallschicht 111 niedriger als 25 Gew-% betragen. Um eine ausreichende Bearbeitbarkeits-Konsistenz mit einer ausreichenden Peel-Festigkeit unabhängig von der Fluktuation der Sintertemperatur während der Bildung des gesinterten Körpers 130 zu erhalten, kann der Prozentgehalt des Kohlenstoffs in der Metallschicht 111 vorzugsweise im Bereich von bis 20 Gew-% liegen.
Während in der Ausführungsform das Gewichtsverhältnis des Kupfers zum Zinn exklusive des Kohlenstoffs in der Metallschicht 111 auf 90:10 eingestellt wird, wenn die Zinnkomponente im Gewichtsverhältnis zu hoch ist, kann sich eine brüchige Phase einer intermetallischen Mischung aus Kupfer und Zinn in der Metallschicht 111 während des Sinterns ausbilden und dies kann eine sichere Bindung der Segmente 103 und der Steigstücke 104 unterbinden. Darüber hinaus ist es nicht wünschenswert, das abhängig von der Sintertemperatur die Konzentration der Zinnkomponente in der Metallschicht 111 die Obergrenze für die Konzentration des Zinns in einer Stabilen festen Alphalösung in der Kupfer-Zinn-Legierungsreihe übersteigt. Auf der anderen Seite geht dann, wenn das Zinnkomponentenverhältnis zu niedrig ist, das geschmolzene Zinn vorzugsweise mit den Kupferpulverpartikeln, welche kleine Durchmesser aufweisen und für eine Legierung geeignet sind, einen Legierung ein, wodurch das Verhältnis der Legierung mit dem Steigstücken 123 reduziert wird. Dies ist nicht wünschenswert, da eine sichere Bindung der Segmente 103 und der Steigstücke 104 verhindert werden kann. Vom Gesichtspunkt einer ausreichenden Peel-Festigkeit, die den Segmenten 103 im Kohlekommutator gegeben werden soll, und vom Gesichtspunkt einer 13,5 Gew-% Obergrenze für die Zinnkomponentenkonzentration in der stabilen festen Alphalösung um 800°C herum, wo das Flüssigphasen-Sintern auftritt, wird das Gewichtsverhältnis des Kupfers zum Zinn vorzugsweise in einem Bereich von 98,0:2,0 bis 86,5:13,5 und ganz besonders bevorzugt in einem Bereich von 95,0: 5,0:90,0:10,0 eingestellt.
Beim Verfahren zur Herstellung des Kohlekommutators 101 werden das Kohlenstoffpulver und das gemischte Pulver aus Kohlenstoff, Kupfer und Zinn, welche aufeinander gelegt sind, gepresst, um den Grünkörper 129 mit der Steigstück-Elementplatte 121 auszubilden, wobei der Grünkörper 129 bei 825°C gesintert wird, um den gesinterten Körper 130 zu erzeugen, und die Segmente 103 werden im Anschluss ausgebildet. Wenn die Sintertemperatur zu niedrig ist, wird das Flüssigphasen-Sintern nicht ausreichen unterstützt, wodurch eine sichere Bindung der Segmente 103 mit den Steigstücken 104 unterbunden wird. Wenn die Sintertemperatur zu hoch ist, wird die Menge an Kupferkomponente, die in die Phase aus geschmolzenen Zinn hinein schmelzt erhöht und kann entlang der Steigstückelemente 123 während des Sinterprozesses ausströmen, und die Form des gesinterten Körpers 130 kann unabhängig vom durch den Kohlenstoff als Aggregat bereitgestellten Effekt nicht beibehalten werden. Um dies zu verhindern, wird die Sintertemperatur vorzugsweise in einem Bereich von 800°C bis 850°C wie oben beschrieben eingestellt, wenn der Grünkörper 129 inklusive der Kohlenstoffpulverschicht 126 und der Schicht aus gemischtem Pulver 127 gesintert wird, um die Segmente 103 bereitzustellen.
Vorzugsweise wird dann, wenn der Grünkörper 129 ausgebildet wird, entweder die Kohlenstoffpulverschicht 126 oder die Schicht 127 aus gemischtem Pulver (in dieser Ausführungsform die Kohlenstoffpulverschicht 126) in der Form 125 ausgebildet, wird zeitweise gepresst, um deren Dicke einzustellen, und die andere Schicht (in dieser Ausführungsform die Schicht 127 aus gemischtem Pulver) wird ausgebildet und gepresst. Die Prozesse regulieren die Dicken der Kohlenstoffschicht 110 und der Metallschicht 111 im gesinterten Segment 103. Beispielsweise können auch dann, wenn eine Reibung an den oberen Oberflächen 103a der Segmente 103, die Gleitelemente an der Bürste sind, auftritt, die Metallschichten aufgrund der ungleichmäßigen Dicke der Kohlenstoffschichten 110 davon abgehalten werden, teilweise exponiert zu werden, und dies verhindert eine Verkürzung der Lebensdauer des Kohlekommutators 103 aufgrund des Freilegens der Metallschicht 111.
Während in der Ausführungsform der Kohlenstoffpulverschicht 126 geformt und zeitweise gepresst wird und die Schicht 127 aus gemischtem Pulver im Anschluss ausgebildet wird, kann die Steigstück-Elementplatte 121 nahe dem Boden der Grünkörper-Form 125 positioniert werden, Kohlenstoff, Kupfer und Zinnpulver können in die Form der Schicht 127 für das gemischte Pulver eingefüllt werden und zeitweise gepresst werden, um deren Dicken einzustellen, und anschließend kann ein Kohlenstoffpulver in die Form der Kohlenstoffpulverschicht 126 eingefüllt werden. Während in der Ausführungsform die Schicht 127 aus gemischtem Pulver um die Steigstückelemente 123 herum ausgebildet wird, können die Metallschichten 111 derart ausgebildet werden, dass die Schicht 127 aus gemischtem Pulver an der Oberfläche der Steigstückelemente 123 nur an der Seite der Kohlenstoffpulverschicht 126 ausgebildet wird, wodurch die Segmente 103 in vorteilhafter Weise dünner hergestellt werden.
Bei dem Verfahren der Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung wird der ringförmige Grünkörper 129 komprimiert und zusammen mit der Steigstückelementplatte 121, mit der die Steigstückelemente 123 verbunden sind, komprimiert und gesintert, das Nabenelement 102 aus isolierendem Harz wird durch Pressen auf den ringförmigen gesinterten Körper 130 ausgebildet und die Segmente 103 werden durch Schneiden von Schlitzen 107 ausgebildet, so dass die Segmente 103 voneinander isoliert sind. Alternativ hierzu können Sektorblöcke der Grünkörper 129 zusammen mit getrennten Steigstückelementen 123 geformt und gesintert werden, das Nabenelement 102 kann durch Pressen eines isolierenden Harzes auf die in einer umfänglichen Richtung in Intervallen angeordneten gesinterten Segmente 103 ausgebildet werden, und die Segmente 103 können integriert werden, wodurch die Herstellung des Kohlekommutators 101 abgeschlossen wird. Anstelle des Prozesses des Sinterns des ringförmigen Grünkörpers 129 zur Erreichung eines ringförmigen gesinterten Körpers 130 kann ein Grünkörper mit einer festen Scheibenform gesintert werden, um einen gesinterten Körper mit fester Scheibenform zu erhalten, ein Durchgangsloch kann indessen Zentrum eingebracht werden und der gesinterte Körper kann in Sektorsegmente 103 unterteilt werden.
Bei dem Kohlekommutator 101 der Ausführungsform stehen die Enden 104c der Steigstücke 104 vertikal von den rückwärtigen Oberflächen 103d der Segmente 103 hervor und sind in die oberen Oberflächen 102a des Nabenelements 102 eingebettet, wodurch eine ausreichende Festigkeit der Bindung des Nabenelements 102 an den Segmenten 103 gewährleistet wird. Die Enden 4c können unter einem Winkel auf den äußeren Umfang gebogen sein, bevor das Nabenelement 102 gepresst wird, und dies kann die Bindefestigkeit erhöhen. Ohne die vorstehenden Enden 104c der Steigstücke 104 oder zusätzlich zum oben beschriebenen Aufbau können Nuten an den gekrümmten Oberflächen der inneren und äußeren Umfänge der Segmente 103 ausgebildet sein, oder Abschrägungen können an Ecken zwischen diesen ungleichmäßig gekrümmten Oberflächen und den oberen Oberflächen 103a der Segmente 103 hergestellt sein, und das Nabenelement 02 kann im Anschluss durch das Aufpressen von Harz ausgebildet sein, so dass der Harz die Nuten und die Abschrägungen abdeckt, um die Segmente 103 mit dem Nabenelement 102 in Eingriff zu bringen, wodurch die Bindefestigkeit erhöht wird.
Während in dem Kohlekommutator 101 diese Ausführungsform sowohl die Kohlestoffschicht 110 als auch die Metallschicht 111 im Segmente 103 in etwa die Hälfte der Dicke des Segments 103 aufweist, kann die Metallschicht 111 nur um das Steigstück 104 herum ausgebildet sein und eine Zwischenschicht kann zwischen der Kohlenstoffschicht 110 und der Metallschicht 111 ausgebildet sein und das Verhältnis von Kupfer- und Zinnkomponenten zur Kohlenstoffkomponente kann von der Kohlenstoffschicht 110 aus auf die Metallschicht 111 hin erhöht werden. Obwohl in der Ausführungsform der Kohlekommutator gemäß der vorliegenden Erfindung als ein solcher beschrieben wurde, der als innerhalb des Brennstofftanks angeordnete Brennstoffzufuhrpumpe verwendet wird, ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsform beschränkt und kann auf andere Arten von Motoren angewendet werden. Die vorliegende Erfindung, in der der Kohlekommutator 101 in dieser Ausführungsform abgeflacht ist, kann auf andere, generell säulenförmige Kommutatoren angewendet werden.
(Dritte Ausführungsform)
Die 20 und 21 zeigen eine Ausführungsform eines Kohlekommutators gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Kohlekommutator 201 der Erfindung, der beispielsweise an einem Motor in einer in einem Brennstofftank angeordneten Brennstoffzufuhrpumpe angewendet wurde, ist abgeflacht und umfasst ein nahezu scheibenförmiges Nabenelement 202, das aus einem isolierenden Harz gefertigt ist, sowie eine Vielzahl von Segmenten 203 (in dieser Ausführungsform 8 Segmente), die in regelmäßigen Intervallen in Umfangsrichtung ausgerichtet sind und eine ringförmige Form auf einer kreisförmigen oberen Oberfläche 202a des Nabenelements 202 ausbilden. Die oberen Oberflächen 203a der Segmente 203 sind Gleitelemente in Kontakt mit der Bürste eines Motors. Darüber hinaus weist jedes Segment 203 ein Steigstück 204 auf, das ein leitfähiges Anschlusselement ist, und ein Ende 204a des Steigstücks 204 steht von dem Nabenelement 202 nach außen hervor.
Auf der oberen Oberfläche 202a des Nabenelements 202 ist eine zylindrische Innenwand 205 am Zentrum ausgebildet und eine zylindrische Außenwand 206 ist am Umfang ausgebildet, während die oberen Oberflächen 203a der Segmente 203 in Sektorblöcke geformt sind, wie dies in 20 gezeigt ist. Die Segmente 203 sind derart platziert, dass die inneren und äußeren umfänglichen Oberflächen in Kontakt mit den inneren und äußeren Wänden 205 und 206 stehen, wobei eine radiale Form mit dem Zentrum an der Innenwand 205 ausgebildet wird, und in umfänglicher Richtung am Nabenelement 202 angeordnet sind, wie dies oben beschrieben wurde. Zwischen den benachbarten Segmenten 203 erstrecken sich Schlitze 207 in radialen Richtungen auf dem Nabenelement 202, um Nuten 202b auszubilden, die um eine Stufe von der oberen Oberfläche 202a durch die Innenwand 205 und die Außenwand 206, die die benachbarten Segmente 203 voneinander isolieren, eingekerbt sind. Ein Achsloch 208 in der Innenwand 205 erreicht die äußere Oberfläche des Nabenelements 202 und wird dazu verwendet, den Kohlekommutator 201 an der Drehachse des Motors zu befestigen. Eine obere Oberfläche 205a der Innenwand 205 liegt niedriger als die oberen Oberflächen 203a der Segmente 203, während die obere Oberfläche 206a der Außenwand 206 mit den oberen Oberflächen 203 übereinstimmt. Eine Stufe 209 ist an den Ecken zwischen der oberen Oberfläche 202a des Nabenelements 202 und der inneren Oberfläche der Außenwand 206 eingeformt.
Die Steigstücke 204, die in dieser Ausführungsform leitfähige Anschlusselement sind, sind in Plattenformen aus Kupfer oder einer Kupferlegierung ausgebildet und oberhalb der rückwärtigen Oberflächen 203a der Segmente 203 eingebettet, die leicht auf die oberen Oberflächen 203a hin angehoben sind, wie dies in 21 gezeigt ist. Die Steigstücke 204 erstrecken sich in radialer Richtung des Nabenelements 202 von nahezu der Mitte des Segments 203 durch die Außenwand 206 hindurch nach außen, sind im rückwärtigen Abschnitt gebogen, um L-Formen auszubilden, und erstrecken sich über Breitenabschnitte 204b entlang dem äußeren Umfang der Außenwand 206 auf die Enden 204a hin. Die Enden 204a sind in V-Form durch die Biegung von Vorsprüngen ausgebildet, die sich auf die Vorderseite hin nach außen erstrecken. Die anderen Enden 204c der Steigstücke 204 stehen von den rückwärtigen Oberflächen 203b der Segmente 203 hervor und sind vertikal in der oberen Oberfläche 202a des Nabenelement 202 eingebettet.
In der Ausführungsform des Kohlekommutators 201 sind Abschnitte inklusive der oberen Oberflächen 203a, die Gleitelement der Segmente 203 sind, Kohlenstoffschichten 210, in denen Kohlenstoff und ein geeignetes Bindemittel miteinander vermischt sind. Abschnitte inklusive der rückwärtigen Oberflächen 203b um die Steigstücke 204 herum sind Metallschichten 211 aus Kupfer und einem Material, das mit den Steigstücken 204 des leitfähigen Anschlusselements eine Legierung eingehen kann und einen Schmelzpunkt aufweist, der niedriger als der der Steigstücke 204 ist, beispielsweise Zinn. Zwischenschichten 212, die Kohlenstoff und Kupfer umfassen, sind zwischen den Kohlenstoffschichten 210 und den Metallschichten 211 platziert. Den Metallschichten 211 ist eine Legierung aus Kupfer und Zinn, d.h. Bronze, aufgrund der Flüssigphasen-Sinterung von Kupfer und Zinn abgelagert und diese Legierung beeinflusst die Steigstücke 204 aus Kupfer und Kupferlegierung, wodurch die Steigstücke 204 mit den Kohlenstoffschichten 210 und den Metallschichten 211 integriert wird, d.h. mit den Segmenten 203. Das Gewichtsverhältnis von Kupfer zu Zinn in den Metallschichten 211 liegt im Bereich von 98,0:2,0 bis 86,5:13,5 und vorzugsweise im Bereich von 95,0:5,0 bis 90,0:10,0, und in dieser Ausführungsform wird es auf 90,0:10,0, und in dieser Ausführungsform wird es auf 90,0:10,0 eingestellt. Der Gewichtsprozentgehalt des Kohlenstoffs in der Zwischenschicht 212 liegt im Bereich von 10 bis 50 Gew-% und in dieser Ausführungsform ist er auf 20 Gew-% eingestellt, um ein Volumenverhältnis des Kohlenstoffs zum Kupfer von etwa 1 :1 einzustellen. Zusätzlich kann zumindest ein Material, das aus der Kupfer aus Zink, Antimon und Blei ausgewählte, das gesamte Zinn oder ein Teil des Zinns in der Metallschicht 211 ersetzen.
Unter Bezugnahme auf die 22 bis 26 wird ein Verfahren zur Herstellung des Kohlekommutators 201, wie es oben gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben wurde, erläutert. Vor der Herstellung des Kohlekommutators 201 wird eine Steigstück-Elementplatte 221, die ein Prototyp des zu integrierenden Steigstücks 204 darstellt, mit den Segmenten 203, wie sie in 22 gezeigt sind, vorbereitet. Die Steigstück-Elementplatte 221 mit einem kreisförmigen Grundriss ist eine Kupferplatte oder eine Kupferlegierungsplatte und wird in dieser Ausführungsform durch Pressen einer sauerstofffreien Kupferplatte in eine Dicke von 0,6 mm hergestellt. Die Steigstück-Elementplatte 221 weist ein kreisförmiges Ringelement 221 mit einem Innendurchmesser auf, der größer als der Außendurchmesser des hergestellten Kohlekommutators 201 ist, und Steigstückelemente 223 mit gleicher Anzahl wie die Steigstücke 204 sind integral am inneren Rand des ringförmigen Elements 222 ausgebildet. Die Steigstück-Elementplatte 221 weist die Form von ungebogenen Stigstücken 204 auf, außer dass die inneren Enden 223a wie die oben beschriebenen anderen Enden 204c der Steigstücke 204, die vorab gebogen wurden und sich in radialen Richtungen in einer Weise erstrecken, die ähnlich der der Steigstücke 204 in den in umfänglicher Richtung im abschließend bearbeiteten Kohlekommutator 201 platzierten Segmenten 203 erstrecken. Äußere Enden 223b, die den Enden 204a der Steigstücke 204 übereinstimmen, sind integral mit dem ringförmigen Element 222 verbunden.
Wie in 23(a) gezeigt, ist die Steigstück-Elementplatte 221 auf einer Grünkörper-Form 225 mit einer ringförmigen Aushöhlung 224, deren Dimensionen im Hinblick auf die Größenkontraktion beim Sintern in Bezug auf die Dimensionen der Segmente 203 eingestellt sind, platziert. Die Steigstück-Elementplatte 221 ist derart platziert, dass die Achsen der Steigstück-Elementplatte 221 und der Aushöhlung 224 miteinander ausgerichtet sind. Wie in 23(b) gezeigt, wird ein gemischtes Pulver, das Kohlenstoffpulver und das Bindemittel umfasst, in die Aushöhlung 224 eingefüllt, um eine Kohlenstoffpulverschicht 226 auf einer Seite auszubilden, die mit den oberen Oberflächen 203a der Segmente 203 (auf dem Boden der Aushöhlung 224) übereinstimmt. Danach wird ein gemischtes Pulver, das Kohlenstoff und Kupfer umfasst, auf die Kohlenstoffpulverschicht 226 aufgebracht, um eine erste Schicht 227 aus gemischtem Pulver auszubilden. Im Anschluss wir ein gemischtes Pulver, das Kupfer und Zinn umfasst, aufgegeben, um eine zweite Schicht 228 aus gemischtem Pulver in einer Seite auszubilden, die mit den rückwärtigen Oberflächen 203d um die Steigstückelement 223 der Steigstück-Elementplatte 221 herum auszubilden.
In der Ausführungsform wird das gemischte Pulver aus Kohlenstoffpulverschicht 226 durch Vermischen des gemischten Kohlenstoffpulvers, das natürliches und künstliches Graphit umfasst, mit einem Phenolbindemittel, anschließendes Knicken, Trocknen, Schleifen und Sortieren in der Größe, und Regulieren der Korngröße auf weniger als 500 μm hergestellt. Das gemischte Pulver der zweiten Schicht 228 aus gemischtem Pulver wird durch Vermischen eines elektrolytischen Kupferpulvers und eines pulverisierten Zinnpulvers bei einem vorbestimmten Gewichtsverhältnis und Vermischen der Pulver unter Verwendung eines V-Mischers hergestellt. Das gemischte Pulver der ersten Schicht 227 aus gemischtem Pulver wird durch Vermischen des gemischten Kohlenstoffpulvers, das Kohlenstoffpulver und das Bindemittel enthält und die Kohlenstoffpulverschicht 226 ausbildet, und des elektrolytischen Kupferpulvers, das die zweite Schicht 228 aus gemischtem Pulver ausbildet derart hergestellt, dass der Prozentsatzgehalt des Kohlenstoffs der oben erwähnte vorbestimmte Wert wird.
Vorzugsweise wird beim Bilden der Kohlenstoffschicht 226 die erste Schicht 227 aus gemischtem Pulver und die zweite Schicht 228 aus gemischtem Pulver, die Kohlenstoffpulverschicht 226 durch Füllen der Bodenseite der Aushöhlung 224 mit dem gemischten Pulver, das das Kohlenstoffpulver und das Bindemittel umfasst, ausgebildet, im Anschluss wir die Kohlenstoffpulverschicht 226 durch leichtes Drücken der Kohlenstoffpulverschicht 226 unter zeitweiser Verwendung einer Druckblende in der Dicke gleichmäßig eingestellt. Im Anschluss wird die erste Schicht 227 aus gemischtem Pulver danach durch Befüllen des gemischten Pulvers, das Kohlenstoff und das Kupfer umfasst, auf der Kohlenstoffpulverschicht 226 ausgebildet, und die erste Schicht 227 aus gemischtem Pulver wird durch leichtes Drücken der ersten Schicht 227 aus gemischtem Pulver unter zeitweiser Verwendung einer Druckblende in der Dicke gleichmäßig gemacht. Im Anschluss wird die zweite Schicht 228 aus gemischtem Pulver durch Befüllen des gemischten Pulvers aus Kupfer und Zinn auf der ersten Schicht 227 aus gemischtem Pulver ausgebildet.
Die Kohlenstoffpulverschicht 226, die erste Schicht 227 aus gemischtem Pulver und die zweite Schicht 228 aus gemischtem Pulver in der Aushöhlung 224 werden komprimiert und zusammen mit der Steigstück-Elementplatte 221 durch Druckhärteblenden 228A und 228B bei einer vergleichsweise hohen Kompaktierung s von etwa 3t/cm² unter Verwendung einer hydraulischen Ölpresse geformt, wie dies in 23(c) gezeigt ist, so dass ein ringförmiger Grünkörper (komprimierter Pulverkörper) 230 inklusive drei Schichten, die die Kohlenstoffpulverschicht 226, die erste Schicht 227 aus gemischtem Pulver und die zweite Schicht 228 aus gemischtem Pulver beinhaltet, wie in 24 gezeigt, gebildet. Beim Pulverkompaktieren stehen die gebogenen inneren Enden 223a der Steigstückelemente 223 von der zweiten Schicht 228 aus gemischtem Pulver derart hervor, dass sie in Aufnahmen 229a an der Druckhärteplatte 229A aufgenommen werden können. Dann wird der geformte Grünkörper 230 zusammen mit den Steigstückelementen 221 von der Grünkörper-Form 225 entfernt.
Im Anschluss wird der Grünkörper 230 in einen Sinterofen eingelegt und gebacken, so dass ein ringförmiger gesinterter Körper 231 des Prototyps der Segmente 203 erhalten wird, wie dies in den 25 und 26 gezeigt ist. Das Kohlenstoffpulver in der Kohlenstoffpulverschicht 226 wird mit dem Bindemittel derart gebunden, dass die Kohlenstoffschicht 210 ausgebildet wird, während in der ersten Schicht 227 aus gemischtem Pulver das mit dem Kohlenstoffpulver vermischte Kupfer gebunden wird, um die Zwischenschicht 212 auszubilden, wenn das Kohlenstoffpulver mit dem Bindemittel gebunden wird. Das Flüssigphasen-Sintern tritt in der zweiten Schicht 228 aus gemischtem Pulver so auf, dass die Oberflächen der Steigstückelemente 223 mit dem Kupferpulver und dem Zinnpulver auflegiert werden, wodurch eine Metallschicht 211 ausgebildet wird, die integral mit den Steigstückelementen 223 kombiniert.
Beim Sintern des Grünkörpers 230 werden das Kohlenstoffpulver in der Kohlenstoffpulverschicht 226 und das Kohlenstoffpulver in der ersten Schicht 227 mit gemischtem Pulver durch das Bindemittel miteinander verbunden, so dass die Kohlenstoffschicht 210 und die Zwischenschicht 212 integral gesintert werden. Das Flüssigphasen-Sintern des Zinnpulvers und des Kupferpulvers in der zweiten Schicht 228 aus gemischtem Pulver beeinflusst das Kupferpulver in der ersten Schicht 227 aus gemischtem Pulver, so dass die Metallschicht 211 und die Zwischenschicht 212 integral gesintert werden. Die Kohlenstoffschicht 210 um die obere Oberfläche 203a herum, die das Gleitelement des Segmentes 203 bildet, die Zwischenschicht 212 sowie die Metallschicht 211 um die rückwärtigen Oberflächen 203d werden elektrisch und mechanisch mit dem Steigstückelement 223, das das Steigstück 204 ist, verbunden. Vorzugsweise wird die Temperatur, bei der der Grünkörper 230 gesintert wird, um den gesinterte Körper 231 zu erzeugen, in einem Bereich von 800 bos 850°c eingestellt und in dieser Ausführungsform wird die Temperatur auf etwa 825°C eingestellt.
Im Anschluss wird das Nabenelement 202 durch Pressen (Formen) unter Verwendung eines isolierenden Harzes integral ausgebildet. Im in 26 gezeigten gesinterten Körper 231 stehen die Enden der Steigstückelemente 223 (die Enden 204a und die Breitenabschnitte 204b der Steigstücke 204) von dem Umfang des ringförmig gesinterten Körpers 231 hervor. Das ringförmige Element 222 ist immer noch integral um den Umfang herum verbunden. Die inneren Enden 223a der Steigstückelemente 223 stehen von den Oberflächen der Metallschicht 211, die mit der rückwärtigen Fläche 203d des Segmente 203 übereinstimmt, hervor. Der gesinterte Körper 231 ist in einer Form aufgenommen, die eine kreisförmige Aushöhlung mit einem Durchmesser aufweist, der um die Dicke der Außenwand 206 des Nabenelements 202 größer als der Durchmesser des gesinterten Körper 231 ist und in dem eine Säule aufgebaut ist, die mit der Position des Achslochs 208 übereinstimmt. Die Oberfläche der Metallschicht 211 liegt der Aushöhlung gegenüber und die Achsen des gesinterten Körpers 231 und der Aushöhlung sind miteinander ausgerichtet. Danach wird ein geschmolzener Harz in die Aushöhlung gefüllt und das Pressen und Abkühlen wird ausgeführt. Somit wird das Nabenelement 202, das eine Innenwand 205, eine Außenwand 206 und das Achsloch 208 aufweist und in dem die inneren Enden 223 der Steigstückelemente 223 in der oberen Oberfläche 202a eingebettet sind, integral mit dem gesinterten Körper 231 ausgebildet. Nachdem das Nabenelement 202 integral mit dem gesinterten Körper 231 ausgebildet ist, ist die Steigstück-Elementplatte 221 immer noch um den Umfang des Nabenelements 202 angebracht. Die Verbindung zwischen den äußeren Enden 223b der Steigstückelementen 223 der Steigstück-Elementplatte 221 und das ringförmige Element 222 werden abgeschnitten, um die Steigstückelemente 223 zu trennen. Die Breitenabschnitte 204b sind auf die Rückseite hingebogen und entlang des Umfangs der Außenwand 206 gekrümmt und die äußeren Enden 223b sind so gebogen, dass sie eine V-Form aufweisen und die Steigstücke 204 werden in die oben beschriebenen Formen hineingeformt. Zwischen benachbarten Steigstücken 204 weisen die Schlitze 207 eine Tiefe auf, die durch ein vollständiges Schneiden durch den gesinterten Körper 231 hindurch und leicht in die obere Oberfläche 202a des Nabenelements 202 hinein ausgebildet wird, um sich so in radialen Richtungen des ringförmigen gesinterten Körper 231 vom Umfang der Außenwand 206 zum Achsloch 208 hinzu erstrecken. Der gesinterte Körper 231 ist somit in Sektorblöcke der Segmente 203 unterteilt, welche voneinander isoliert sind, wobei zu diesem Zeitpunkt der Kohlekommutator 101 vervollständigt ist.
In dem so hergestellten Kohlekommutator 201 kann, da die oberen Oberflächen 203a, die mit dem Gleitelementen auf der Bürste korrespondieren, die Kohlestoffschichten 210 enthalten, eine Erosion der Segmente 203 und eine schädliche Beeinflussung des Brennstoffs auch dann verhindert werden, wenn er in einem Motor eingebaut ist, der in einer Brennstoffzufuhrpumpe innerhalb eines Tanks für Brennstoff verwendet wird, der einen großen Anteil an Alkohol enthält. Auf der anderen Seite wird die Metallschicht 211 um das Steigstück 204 herum, das das leitfähige Anschlusselement ist, durch Sintern von Kupfer und Zinn hergestellt und geht mit den Steigstücken 204 durch das Flüssigphasen-Sintern eine Legierung ein. Die Zwischenschicht 212, die Kohlenstoff und Kupfer umfasst, wird zwischen der Metallschicht 211 und der Kohlenstoffschicht 210 ausgebildet. Der Kohlenstoff in der Zwischenschicht 212 wird mit der Kohlenstoffschicht 210 verbunden und das Flüssigphasen-Sintern in der Metallschicht 211 beeinflusst das Kupfer in der Zwischenschicht 212, wodurch die Kohlenstoffschicht 210 und die Metallschicht 211 durch die Zwischenschicht 212 miteinander integriert werden und die gesinterten Segmente 203 noch zuverlässiger und fester mit den Steigstücken 204 integriert werden können.
Durch das Flüssigphasen-Sintern der Metallschicht 211 werden die Partikel im Auflösungs- und Wiederablagerungsprozess neu angeordnet, so dass die kompressive Belastung aufgrund dieser thermischen Expansion in den Steigstücken 204 (Steigstückelemente 223) entspannt werden kann und Spalten um die Steigstückelemente 223 herum mit der flüssigen Phase unabhängig von der thermischen Expansion und der Kontraktion der Steigstückelement 223 befüllt wird. Auch dann, wenn eine thermische Belastung zwischen der Kohlenstoffschicht 210 und der Metallschicht 211 aufgrund des Unterschieds der Expansion und Kontraktion zwischen diesen Schichten während des Sinterns des Grünkörpers 230 auftritt, entspannt die Zwischenschicht 212 die thermische Belastung und verhindert hierdurch die Trennung der Bindung der Kohlenstoffschicht 210 von der Zwischenschicht 212 und der Bindung der Zwischenschicht 212 mit der Metallschicht 211. Insbesondere ist dies dann effektiv, wenn die Sintertemperatur 850 bis 900°C beträgt. Gemäß dem Kohlekommutator 201 mit dem oben beschriebenen Aufbau können auch dann, wenn die Sintertemperatur hoch ist, Ungleichmäßigkeiten elektrischer Widerstandswerte zwischen den Segmenten 202 und ein Kontaktfehler zwischen den Segmenten 203 und den Steigstücken 204 aufgrund einer unvollständigen Bindung verhindert werden. Auch bei einem Brennstoff, der wie oben erwähnt Alkohol beinhaltet, kann eine erhöhte Stabilität und ein verbessertes Verhalten auf Langzeitbasis erreicht werden.
Während in der Ausführungsform der Gewichtsprozentgehalt des in der Zwischenschicht 212 enthaltenen Kohlenstoffs im Bereich von 10 bis 40 Gew-% liegt, wenn der Prozenthalt des Kohlenstoffs in der Zwischenschicht 212 zu niedrig ist, der Kohlenstoff in der Zwischenschicht 212, die mit der Kohlenstoffschicht 210 während des Sinterns verbunden ist, abnimmt und dies führt zu einer leichten Trennung der Kohlenstoffschicht 210 und der Zwischenschicht 212. Wenn der Prozentgehalt des Kohlenstoffs in der Zwischenschicht 212 zu hoch ist und der Prozentgehalt des Kupfers zu niedrig ist, wobei Kupfer, das mit der Metallschicht 211 lüssigphasengesintert wird, abnimmt, trennt dies die Metallschicht 211 und die Zwischenschicht 212 leicht. 27 zeigt die Zugbelastung (Peel-Festigkeit), an der eine Punkttrennung zwischen der Kohlenstoffschicht 210 und der Zwischenschicht 212 oder zwischen der Metallschicht 211 und der Zwischenschicht 212 in einem in 28 gezeigten Teststück 241 auftritt, welches in der Richtung gezogen wird, die durch den Pfeil in 28 angedeutete ist, wenn das Gewichtsverhältnis der Kohlenstoffkomponente in der Metallschicht 211 variiert. Hierbei kennzeichnet das Bezugszeichen 242 und Teststück 241 eine Kupferplatte, die mit dem Steigstück übereinstimmt.
Wie in 27 gezeigt erhöht sich dann, wenn der Prozentgehalt der Kohlenstoffkomponente in der Zwischenschicht 212 in einem Bereich von 10 bis 40 Gew-% liegt, die Peel-Festigkeit. Wenn der Prozentgehalt des Kohlenstoffs niedriger als 10 Gew-% beträgt, steigt die Peel-Festigkeit an, wenn der Prozentgehalt des Kohlenstoffs ansteigt, wohingegen dann, wenn der Prozentgehalt des Kohlenstoffs mehr als 10 Gew-% beträgt, die Peel-Festigkeit schrittweise dann abnimmt, wenn der Prozentgehalt des Kohlenstoffs ansteigt. Wenn der Prozentgehalt des Kohlenstoffs niedrig ist, wird das Teststück 241 zwischen der Kohlenstoffschicht 210 und der Zwischenschicht 212 getrennt, wohingegen dann, wenn der Prozentgehalt des Kohlenstoffs erhöht wird, das Teststück 241 zwischen der Metallschicht 211 und der Zwischenschicht 212 getrennt wird. Wie aus den Ergebnissen aus 27 ersichtlich ist, liegt der Prozentgehalt des Kohlenstoffs in der Zwischenschicht 212 vorzugsweise im Bereich von 10 bis 40 Gew-%, wie dies in dieser Ausführungsform gezeigt ist.
Während in der Ausführungsform das Gewichtsverhältnis von Kupfer zu Zinn in der Metallschicht 211 auf 90:10 eingestellt ist, kann sich dann, wenn die Zinnkomponente in Gewichtsverhältnis zu hoch ist, eine brüchige Phase einer intermetallischen Verbindung aus Kupfer und Zinn der Metallschicht 211 während des Sinterns ausbilden und dies kann eine sichere Bindung der Segmente 203 und der Steigstücke 204 miteinander verhindern. Darüber hinaus ist es unerwünscht dass unabhängig von der Sintertemperatur die Konzentration der Zinnkomponente in der Metallschicht 211 die Obergrenze für die Konzentration an Zinn der stabilen festen Alphalösung in den Kupfer-Zinn-Legierungsreihen übersteigt. Auf der anderen Seite geht dann, wenn das Zinnkomponentenverhältnis zu niedrig ist, das geschmolzene Zinn vorzugsweise mit den Kupferpulverpartikeln, die kleine Durchmesser aufweisen und dazu neigen, eine Legierung einzugehen, Legierungen ein, wodurch das Verhältnis des Materials, das mit den Steigstücken 223 Legierungen eingeht, reduziert wird. Dies ist unerwünscht, da eine sichere Bindung der Segmente 203 und der Steigstücke 4 unterbunden werden kann. Wenn die ausreichende Peel-Festigkeit zwischen dem Segment 203 und dem Steigstück 204 im Kohlekommutator 201 gegeben ist und wenn die Obergrenze für die Zinnkomponentenkonzentration in der stabilen festen α-Lösung um 800°C herum, wo das Flüssigphasen-Sintern eintritt, 13,5 Gew-% beträgt, wird das Gewichtsverhältnis von Kupfer zu Zinn in der Metallschicht 211 vorzugsweise in einem Bereich von 98,0:2,0 bis 86,5:13.5 und noch bevorzugter in eine Bereich von 95,0:5,0 bis 90,0:10,0 eingestellt. Bei dem Verfahren zur Herstellung des Kohlekommutators 201 werden die Kohlenstoffpulverschichten 226 aus Kohlenstoffpulver, die erste Schicht 227 der aus gemischtem Pulver mit gemischtem Pulver, das Kohlenstoff und Kupfer umfasst, und die zweite Schicht 228 aus gemischtem Pulver mit gemischtem Pulver, das Kupfer und Zinn umfasst, welche aufeinander gelegt sind, miteinander verpresst, um den Grünkörper 230 mit der Steigstück-Elementplatte 221 auszubilden, der Grünkörper 230 wird bei 825 gesintert, um den gesinterten Körper 231 herzustellen, und die Segmente 203 werden im Anschluss ausgebildet. Wenn die Sintertemperatur zu niedrig ist, wird das Flüssigphasen-Sintern nicht ausreichend unterstützt und hierdurch wird eine sichere Bindung der Segmente 203 mit den Steigstücken 204 unterbunden. Wenn die Sintertemperatur zu hoch ist, wird die in die Phase aus geschmolzenen Zinn hineinschmelzende Kupferkomponente vergrößert und kann entlang der Steigstückelement 223 im Sinterprozess entlang ausströmen und die Form des gesinterten Körpers 231 kann möglicherweise nicht beibehalten werden. Um dies zu verhindern, wird die Sintertemperatur vorzugsweise in einem Bereich von 800°C bis 850°C eingestellt, wie dies oben beschrieben wurde, wenn der Grünkörper 230 inklusive der Kohlenstoffpulverschicht 226, der ersten Schicht 227 aus gemischtem Pulver und der zweiten Schicht 228 aus gemischtem Pulver gesintert wird, um die Segmente 203 bereitzustellen.
Da der Kohlekommutator 201 in der Ausführungsform durch die Zwischenschicht 212 die thermische kompressive Belastung zwischen der Kohlenstoffschicht 210 und der Metallschicht 211 während des Sinterns entspannt, kann der gesinterte Körper 231 durch das Sintern des Grünkörpers 230 bei einer hohen Temperatur von 850 bis 900°C durch Einstellen des Mischverhältnisses des Kohlenstoffs zum Kupfer (der Prozentgehalt des Kohlenstoffs) in der zweiten Schicht 228 aus gemischtem Pulver erreicht werden, so dass die Form des gesinterten Körpers 231 zuverlässig beibehalten werden kann. In den gesinterten Körper 231, der bei hoher Temperatur hergestellt wurde, wird das Flüssigphasen-Sintern in der Metallschicht 211 unterstützt, so dass die Bindung gegenüber dem Steigstück 204 (Steigstückelement 223) verbessert werden kann. Zusätzlich zu dem oben beschriebenen Effekt kann aufgrund der Tatsache, dass die Verbesserung der Bindung der metallischen Schicht 212, der Kohlenstoffschicht 210 und der Metallschicht 211 sowie die Entspannung der komressiven thermischen Belastung durch die Zwischenschicht 212, wie oben beschrieben, eintritt, die Peel-Festigkeit weiter erhöht werden. Da der Grünkörper 230 in der Ausführungsform mit einem Grünkörper verglichen wird, bei dem eine Kohlenstoffschicht 226 und eine zweite Schicht 228 aus gemischtem Pulver, die die gleichen Zusammensetzungen wie die Ausführungsform aufweisen, direkt aufeinander gelegt sind, ohne eine erste Schicht 227 aus gemischtem Pulver auszuweisen, welche bei 850°C unter den oben beschriebenen Bedingungen gesintert wurde, beträgt die Peel-Festigkeit des letztgenannten Grünkörpers 6,6 kgf, während die Peel-Festigkeit des Grünkörpers 230 15,7 kgf beträgt, was eine deutliche Verbesserung darstellt.
Vorzugsweise wird beim Formen des Grünkörpers 230 entweder die Kohlenstoffschicht 226 oder die zweite Schicht 228 aus gemischtem Pulver (in dieser Ausführungsform die Kohlenstoffpulverschicht 226) in der Form 225 ausgebildet und zeitweise gepresst, um deren Dicke einzustellen, im Anschluss wird die erste Schicht 227 aus gemischtem Pulver darauf ausgebildet und gepresst, um deren Dicke einzustellen, und daran anschließend wird die andere Schicht aus Kohlenstoffpulverschicht 226 oder zweiter Schicht 228 aus gemischtem Pulver (in diese Ausführungsform die Schicht 228 aus gemischtem Pulver) ausgebildet und verpresst. Die Prozesse stellen die Dicke der Kohlenstoffschicht 210 und der Metallschicht 211 im gesinterten Segment 203 ein. Beispielsweise dann, wenn eine Reibung zwischen den oberen Oberflächen 203a der Segmente 203 auftritt, die Gleitelemente auf der Bürste darstellen, kann verhindert werden, dass die Metallschichten 211 aufgrund einer ungleichmäßigen der Kohlenstoffschichten 210 teilweise freigelegt werden und dies verhindert eine Verkürzung der Lebensdauer des Kohlekommutators 201 aufgrund der Freilegung der Metallschicht 211. Zusätzlich wird, wenn die Kohlenstoffpulverschicht 226 früher ausgebildet wurde und zeitweise gepresst wurde, um die Dicke zu regulieren, die gesinterte Kohlenstoffschicht 210 daher in ihrer Dicke gleichmäßig ausgestaltet, so dass das zeitweise Verpressen der ersten Schicht 227 aus gemischtem Pulver unterlassen werden kann.
Während in der Ausführungsform die Kohlenstoffpulverschicht 226 ausgebildet und zeitweise gepresst wird und die erste Schicht 227 aus gemischtem Pulver und die zweite Schicht 228 aus gemischtem Pulver danach ausgebildet werden, kann die Steigstück-Elementplatte 221 nahe dem Boden der Kompaktierungs-Form 225 positioniert werden, Kupfer- und Zinnpulver können eingefüllt werden, um die zweite Schicht 228 aus gemischtem Pulver auszubilden und zeitweise gepresst werden, um deren Dicke einzustellen, anschließend können Kohlenstoff- und Kupferpulver eingefüllt werden, um die erste Schicht 227 aus gemischtem Pulver auszubilden, und im Anschluss daran kann Kohlenstoffpulver eingefüllt werden, um die Kohlenstoffpulverschicht 226 auszubilden. Während in der Ausführungsform die zweite Schicht 228 aus gemischtem Pulver, die mit der Metallpulverschicht 228 übereinstimmt, um die Steigstückelemente 223 herum ausgebildet wird, können die Metallpulverschichten 211 derart ausgebildet werden, dass die zweite Schicht 228 aus gemischtem Pulver auf der Oberfläche der Steigstückelemente 223 nur an der Seite der Kohlenstoffpulverschicht 226 ausgebildet wird, wodurch die Segmente 203 in vorteilhafter Weise dünner ausgestaltet werden können.
Bei dem Verfahren gemäß der Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung wird der ringförmiger Grünkörper 230 komprimiert und zusammen mit der Steigstück-Elementplatte 221, mit der die Steigstückelemente 223 verbunden sind, gesintert, das Nabenelementen 202 aus isolierendem Harz wird durch Pressen auf den ringförmigen gesinterten Körper 231 ausgebildet und die Segmente 203 werden durch Schneiden der Schlitze 207 ausgebildet, so dass die Segmente 203 voneinander isoliert sind. Alternativ hierzu können Sektorblöcke der Grünkörper 230 ausgeformt und zusammen mit getrennten Steigstückelementen 223 gesintert werden, das Nabenelement 202 kann durch Aufpressen eines isolierenden Harzes auf die gesinterten Segmente 203, die in umfänglicher Richtung in Intervallen angeordnet sind, ausgebildet werden, und diese Segmente 203 können integriert werden, wodurch die Herstellung des Kohlekommutators 201 abgeschlossen wird. Anstelle des Prozesses des Sinterns des ringförmigen Grünkörpers 230 zum Erreichen ringförmigen gesinterten Körper 231 kann ein Grünkörper mit einer festen Scheibenform gesintert werden, um einen gesinterten Körper mit einer festen Scheibenform zu erhalten, ein Durchgangsloch kann in deren Zentrum hergestellt werden und der gesinterte Körper kann in Sektorsegmente 203 unterteilt werden.
In dem Kohlekommutator 201 gemäß dieser Ausführungsform stehen die Enden 204c der Steigstücke 204 vertikal von den rückwärtigen Oberflächen 203 der Segmente 203 hervor und sind in die oberen Oberflächen 202a des Nabenelements 202 eingebettet, wodurch eine ausreichende Festigkeit der Bindung des Nabenelements 202 an den Segmenten 203 gewährleistet wird. Die Enden 204c können unter einem Winkel auf den äußeren Umfang gebogen werden, wovor das Nabenelement 202 gepresst wird, und dies kann die Bindefestigkeit erhöhen. Ohne die vorstehenden Enden 204c der Steigstücke 204 oder zusätzlich zu dem oben beschriebnen Aufbau können Nuten an den gekrümmten Flächen der inneren und äußeren Umfänge der Segmente 203 ausgebildet sein, oder Abschrägungen können an Ecken zwischen diesen ungleichmäßig gekrümmten Oberflächen und den oberen Oberflächen 203a der Segmente 203 gefertigt sein und das Nabenelement 202 kann im Anschluss durch Pressen von Harz gebildet werden, so dass der Harz die Nuten und die Abschrägungen abdeckt, um die Segmente 203 mit dem Nabenelemente 203 in Eingriff zu bringen, wodurch die Bindefestigkeit erhöht wird.
Während bei dem Kohlekommutator 201 gemäß dieser Ausführungsform der Prozentgehalt des Kohlenstoffs durch die Zwischenschicht 212 hindurch gleichmäßig ist, kann der Prozentgehalt des Kohlenstoffs in der Zwischenschicht 212 um Grade von der Metallschicht 211 auf die Kohlenstoffschicht 210 hin erhöht werden, oder die Zwischenschicht 212 kann eine Vielzahl von Schichten enthalten, in denen der Prozentgehalt des Kohlenstoffs schrittweise von der Metallschicht 211 auf die Kohlenstoffschicht 210 hin erhöht wird. Dies verbessert die Bindung zwischen dem Kohlenstoff während des Sinterns in der Zwischenschicht 212 auf der Seite der Kohlenstoffschicht 210, wo der Prozentgehalt des Kohlenstoffs hoch ist, und die Integrierung zwischen der Kohlenstoffschicht 210, der Metallschicht 211 und der Zwischenschicht 212 wird in der Zwischenschicht 212 auf der Seite der Metallschicht 211 gewährleistet, wo der Prozentgehalt des Kupfers hoch ist, da die in der Metallschicht 211 auftretende flüssige Phase weitestgehend in die Zwischenschicht 212 hinein diffundiert. Obwohl in der Ausführungsform der Kohlekommutator gemäß der vorliegenden Erfindung als ein solcher beschrieben wurde, der in einer Brennstoffzufuhrpumpe verwendet wird, die innerhalb eines Tanks angeordnet ist, ist diese Erfindung nicht auf diese Ausführungsform beschränkt und kann auf andere Arten von Motoren angewendet werden. Die vorliegende Erfindung, in der der Kohlekommutator 201 abgeflacht ist, kann auf andere generell säulenförmige Kommutatoren angewendet werden.
Industrielle Anwendbarkeit
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann, da ein Gleitelemente eines Segment durch eine Kohlenstoffschicht ausgebildet ist, eine Erosion in Segment auch in Benzin verhindert werden, das Alkohol enthält. Eine Metallschicht, die Kupfer und ein Material enthält, das mit einem leitfähigen Anschlusselemente eine Legierung eingeht, beispielsweise Zinn, ist zwischen der Kohlenstoffschicht und dem leitfähigen Anschlusselement ausgebildet, so dass die Kohlenstoffschicht und das leitfähige Anschlusselemente zuverlässig elektrisch und mechanisch durch das Sintern der Metallschicht integriert werden, in der Kupfer und Zinn eine flüssige Phase ausbilden. Somit können Ungleichmäßigkeiten der elektrischen Widerstandswerte zwischen den Segmenten und Kontaktfehler zwischen den Segmenten und den leitfähigen Anschlusselementen verhindert werden und eine erhöhte Stabilität und ein verbessertes Verhalten auf Langzeitbasis kann erreicht werden.
Darüber hinaus kann gemäß der vorliegenden Erfindung, da das Gleitelemente ein Segment ist, das durch eine Kohlenstoffschicht ausgebildet ist, eine Erosion im Segment auch in Benzin verhindert werden, das Alkohol enthält. Eine Kohlenstoff, Kupfer und ein Material enthaltende Metallschicht, das mit einem leitfähigen Anschlusselement eine Legierung eingeht, beispielsweise Zinn, ist zwischen der Kohlenstoffschicht und dem leitfähigen Anschlusselement ausgebildet, so dass die Kohlenstoffschicht und das leitfähige Anschlusselement zuverlässig elektrisch und mechanisch durch das Sintern der Metallschicht integriert werden, in der Kupfer und Zinn eine flüssige Phase ausbilden. Somit können Ungleichmäßigkeiten in den elektrischen Widerstandswerten zwischen den Segmenten und einen Kontaktfehler zwischen den Segmenten und den leitfähigen Anschlusselementen verhindert werden und eine erhöhte Stabilität und ein verbessertes Verhalten auf Langzeitbasis kann erreicht werden. Die Metallschicht enthält Kohlenstoff, um einen Ankereffekt gegenüber der Kohlenstoffschicht bereitzustellen und die thermische kompressive Belastung in der Metallschicht, welche beim Sintern auftritt, zu entspannen, wodurch die Bindung zwischen der Kohlenstoffschicht, der Metallschicht und dem leitfähigen Anschlusselement schwer zu trennen ist und elektrische und mechanische Integration verbessert wird. Der in der Metallschicht vorliegende Kohlenstoff verbessert die Bearbeitbarkeit, wenn Schlitze in den Segmenten ausgebildet sind, und Kupfer und Zinn behalten die Form des gesinterten Körpers auch dann stabil bei, wenn eine flüssig Phase auftritt.
Darüber hinaus kann gemäß der vorliegenden Erfindung, da ein Gleitelement des Segments durch eine Kohlenstoffschicht ausgebildet ist, eine Erosion im Segment auch dann in Benzin verhindert werden, wenn es Alkohol enthält. Eine Metallschicht, die Kupfer und ein Material enthält, welches eine Legierung mit einem leitfähigen Anschlusselement eingehen kann, beispielsweise Zinn, ist zwischen der Kohlenstoffschicht und den leitfähigen Anschlusselement ausgebildet, so dass die Kohlenstoffschicht und das leitfähige Anschlusselement zuverlässig elektrisch und mechanisch durch das Sintern der Metallschicht, in der Kupfer und Zinn eine flüssig Phase ausbilden, integriert werden kann. Somit können Ungleichmäßigkeiten der elektrischen Widerstandswerte zwischen den Segmenten und einen Kontaktfehler zwischen den Segmenten und den leitfähigen Anschlusselementen verhindert werden und eine erhöhte Stabilität und ein verbessertes Verhalten auf Langzeitbasis kann erreicht werden. Zwischen der Metallschicht und der Kohlenstoffschicht ist eine Zwischenschicht, die Kupfer und Kohlenstoff umfasst, ausgebildet. Während des Sinterns wird Kohlenstoff in der Zwischenschicht mit der Kohlenstoffschicht verbunden, während die in der Metallschicht auftretende flüssige Phase das Kupfer in der Zwischenschicht beeinflusst, so dass die thermische kompressive Belastung zwischen der Kohlenstoffschicht und der Metallschicht entspannt werden kann, wodurch die Trennung innerhalb der Segmente verhindert werden kann und eine zuverlässige elektrische und mechanische Bindung gewährleistet werden kann.

Claims

Kohlekommutator (1), umfassend ein isolierendes Nabenelement (2) und eine Vielzahl von Segmenten (3), die in Umfangsrichtung an dem isolierenden Nabenelement (2) angeordnet sind, wobei die Segmente (3) voneinander isoliert sind und jedes Segment umfasst: – ein erstes Ende (3a), das dazu geeignet ist, dass eine Bürste auf dem ersten Ende gleitet; – ein zweites Ende (3b) gegenüber dem ersten Ende; – eine Kohlenstoffschicht (10) nahe dem ersten Ende; – ein leitfähiges Anschlusselement (4) nahe dem zweiten Ende, welches ein erstes Material oder eine Legierung des ersten Materials enthält; – eine Metallschicht (11), die integral mit dem leitfähigen Anschlusselement (4) verbunden ist, wobei der Kommutator (1) dadurch gekennzeichnet ist, dass die Metallschicht (11) ein gesinterter Körper ist, der ein erstes Material und ein zweites Material, das mit dem ersten Material auflegiert ist, enthält, wobei das zweite Material einen Schmelzpunkt aufweist, der niedriger als der Schmelzpunkt des ersten Materials ist und das erste Material Kupfer ist, und der Kommutator dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Oberfläche des leitfähigen Anschlusselements (4) mit der Metallschicht (11) auflegiert ist.
Kohlekommutator gemäß Anspruch 1, wobei das zweite Material Zinn ist.
Kohlekommutator gemäß Anspruch 2, wobei das Gewichtsverhältnis von Kupfer zu Zinn in der Metallschicht (11) im Bereich von 98,0:2,2 bis 86,5:13,5 liegt.
Kohlekommutator gemäß Anspruch 3, wobei das Gewichtsverhältnis von Kupfer zu Zinn in der Metallschicht (11) im Bereich von 95,0:5,0 bis 90,0:10,0 liegt.
Kohlekommutator gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Metallschicht (11) ein gesinterter Körper ist, der des Weiteren Kohlenstoff enthält.
Kohlekommutator gemäß Anspruch 5, wobei der Gewichtsprozentgehalt von Kohlenstoff in der Metallschicht (11) im Bereich von 2 % bis 25 % liegt.
Kohlekommutator gemäß Anspruch 6, wobei der Gewichtsprozentgehalt von Kohlenstoff in der Metallschicht (11) im Bereich von 10 % bis 20 % liegt.
Kohlekommutator gemäß den Ansprüchen 6 oder 7, wobei das Gewichtsverhältnis von Kupfer zu Zinn in der Metallschicht (11) in einem Bereich von 98,0:2,0 bis 86,5:13,5 liegt.
Kohlekommutator gemäß Anspruch 8, wobei das Gewichtsverhältnis von Kupfer zu Zinn in der Metallschicht (11) im Bereich von 95,0:5,0 bis 90,0:10,0 liegt.
Kohlekommutator gemäß den Ansprüchen 1 oder 2, des Weiteren umfassend Zwischenschichten, die zwischen der Kohlenstoffschicht (11) und der Metallschicht (11) angeordnet sind, wobei die Zwischenschichten Kohlenstoff und das erste Material enthalten.
Kohlekommutator gemäß Anspruch 10, wobei der Gewichtsprozentgehalt von Kohlenstoff in einer der Zwischenschichten im Bereich von 10 % bis 20 % liegt.
Kohlekommutator gemäß Anspruch 10 oder 11, wobei der Prozentgehalt des Kohlenstoffs in der Zwischenschicht von der Metallschicht (11) zur Kohlenstoffschicht (10) ansteigt.
Verfahren zur Herstellung eines Kohlekommutators (1), wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) Bereitstellen eines leitfähigen Anschlusselements (4), das ein erstes Material oder eine Legierung des ersten Materials enthält; b) Vermischen eines Pulvers des ersten Materials mit einem Pulver eines zweiten Materials, das so ausgewählt ist, dass das zweite Material einen Schmelzpunkt aufweist, der niedriger als der Schmelzpunkt des ersten Materials ist und so, dass das zweite Material mit dem ersten Material eine Legierung bilden kann; c) Befüllen einer Grünkörperform mit entweder der Pulvermischung oder einem Kohlenstoffpulver; d) weiteres Befüllen der Form mit dem entsprechenden anderen Pulver, entweder der Pulvermischung oder dem Kohlenstoffpulver, und anschließendes Kompaktieren, um so einen Grünkörper herzustellen; e) Sintern des Grünkörpers, so dass das Kohlenstoffpulver eine Kohlenstoffschicht (10) ausbildet und die Pulvermischung eine Metallschicht (11) ausbildet; und f) Ausformen eines isolierenden Nabenelements (2) an einer Seite des gesinterten Grünkörpers, wobei das erste Material Kupfer ist und die Befüllung der Grünkörperform so ausgeführt wird, dass die Pulvermischung innerhalb der Form in Kontakt mit dem leitfähigen Anschlusselement (4) angeordnet wird, und wobei das Sintern im Schritt e) so ausgeführt wird, dass eine Oberfläche des leitfähigen Anschlusselements (4) mit der Metallschicht (11) auflegiert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei das zweite Material Zinn ist und das Sintern des Grünkörpers in Schritt e) mit einer Sintertemperatur im Bereich von 800 bis 850°C ausgeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 13 oder 14, wobei die Grünkörperform zuerst im Schritt c) mit entweder der Pulvermischung oder dem Kohlenstoffpulver befüllt wird, anschließend kompaktiert wird, und des Weiteren mit dem jeweils anderen, entweder der Pulvermischung oder dem Kohlenstoffpulver in Schritt d) befüllt wird, und anschließend weiter kompaktiert wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei das Pulver des ersten Materials und das Pulver des zweiten Materials weiter mit Kohlenstoffpulver vermischt werden, bevor die Grünkörperform mit der Pulvermischung befüllt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 bis 15, des Weiteren umfassend einen Schritt der Befüllung der Grünkörperform mit einer Mischung aus Kohlenstoffpulver und dem Pulver des ersten Materials, was zwischen den Schritten c) und d) ausgeführt wird, wobei die Mischung aus Kohlenstoffpulver und Pulver aus erstem Material im Schritt e) eine Zwischenschicht (212) ausbildet, die zwischen der Kohlenstoffschicht (210) und der Metallschicht (211) positioniert ist.
Verfahren gemäß Anspruch 17, des Weiteren umfassend einen Schritt der Kompaktierung der Mischung aus Kohlenstoffpulver und Pulver aus erstem Material innerhalb der Grünkörperform vor dem Schritt d).