(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
良導電性の金属粉並びに素線径０．０５〜０．３ｍｍ、長さ２〜１０ｍｍの良導電性金属繊維の総和が重量比にて３５〜７０％、残部を炭素粉とする材料で、金属粉と金属繊維の総和に対する金属繊維の割合が重量比で５〜２０％となる材料を混合後、加圧成形し、その成形体を非酸化性雰囲気中において成形体中から金属が溶出しない範囲の高温で焼結し、この焼結により得られた焼結体の見掛密度が２．５〜４．５ｇ／ｃｍ、電気抵抗率が５００μΩｃｍ以下、衝撃値が３．５ｋＪ／ｍ２以上とすることを特徴とする炭素系集電摺動材料の製造方法。
【請求項２】
良導電性の金属粉と素線径が０．０５〜０．３ｍｍ、長さ２〜１０ｍｍの良導電性金属繊維並びに炭素粉から成り、混合、加圧成形、焼結の工程を経て製せられた焼結体において、含有成分の配合割合を重量比にて金属粉と金属繊維の総和が３５〜７０％、残部を炭素粉とし、金属粉と金属繊維の総和に対する金属繊維の割合が重量比で５〜２０％であり、その物理的性質が見掛密度が２．５〜４．５ｇ／ｃｍ、電気抵抗率が５００μΩｃｍ以下、衝撃値３．５ｋＪ／ｍ２以上であることを特徴とする炭素系集電摺動材料。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、主として電気車のパンタグラフ用すり板として使用される炭素系集電摺動材料及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
昨今のパンタグラフ用すり板は、トロリー線の摩耗抑制、騒音低減等を目的として、従来の金属含有率約９５重量％の焼結合金系から金属含有量４０〜７０重量％、残部を潤滑性に優れた炭素とする金属−炭素系（以下炭素系という）へと移行中である。焼結合金系に比べて炭素系は電気抵抗率が高く耐衝撃性等の機械的特性に劣るため、これらの特性を改善するための開発が行われている。
【０００３】
たとえば、本発明者らは特許第２９１６０３８号において、良導電性の金属粉と炭素粉等からなる混合粉末原料を冷間等方圧加圧法や金型による多段階加圧法により成形したものを焼結することにより得られる炭素系集電摺動材料を提案し、実用化され成果を挙げている。また、特公平４−５６７８７号公報においては、金属粉の代わりに金属短繊維を用いる方法を提案し、電気抵抗率や耐衝撃性等の改善を図っている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年の車両の高速度化並びに冷房設備の普及等に伴う集電電流の増大により、すり板に加わる負荷条件はますます苛酷となり、特許第２９１６０３８号のすり板材料では耐衝撃性及び集電容量つまり電気抵抗率において現状並びに今後の使用に十分な対応を期し難い。また、金属粉の代わりに金属短繊維を用いる方法では金属短繊維が炭素の結合を阻害するために強度が低下したり、有効な形で金属繊維を分散させるために混合工程や成形工程で特別な配慮が必要になるといった課題があった。
【０００５】
そこで本発明は、車両の速度が上昇しても対応できる耐衝撃性並びに集電電流が増大しても障害を生じない電気抵抗率を有し、トロリー線の摩耗抑制、騒音低減等に貢献する優れた摺動特性を備えた信頼性の高い炭素系集電摺動材料及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記目的を達成するため、良導電性の金属粉並びに素線径０．０５〜０．３ｍｍ、長さ２〜１０ｍｍの良導電性金属繊維の総和が重量比にて３５〜７０％、残部を炭素粉とする材料で、金属粉と金属繊維の総和に対する金属繊維の割合が重量比で５〜２０％である材料を混合後、加圧成形し、その成形体を非酸化性雰囲気中において成形体中から金属が溶出しない範囲の高温で焼結し、かくして得られた焼結体の見掛密度が２．５〜４．５ｇ／ｃｍ、電気抵抗率が５００μΩｃｍ以下、衝撃値が３．５ｋＪ／ｍ２以上であることを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施形態】
以下、本発明の実施形態を説明するものであるが、まず、本発明の原理について説明する。
まず、本発明者らは、目的とする炭素系集電摺動材料を得るため炭素素地に分散する金属に着目して研究を行った。その結果、金属粉単独の配合では金属粉各々が炭素素地のなかで分離し、非連続なために耐衝撃性や電気抵抗率が狙い通り改善されないことと、金属繊維単独の配合では繊維の曲がりや折れ、繊維同士のからみつき等が多発し、有効な形で炭素素地に金属繊維を分散させることが粉粒状の金属粉に比べて難しいうえに、繊維の連続性が助長して炭素の結合を阻害するために強度低下を招き、健全な材料が得られないことを発見した。
【０００８】
そこで、さらに種々の実験を行った結果、目的に適合する金属として良導電性の金属粉と金属繊維をブレンドして使用したものが有効に作用することを見出した。すなわち、金属粉単独では得られなかった連続性が適切にブレンドした金属繊維によって実現し、耐衝撃性や電気抵抗率が向上することと、金属繊維単独の場合に比べて配合が容易であり、適度な連続性を持つために炭素の結合を阻害することがないので強度低下を招くことなく、信頼性の高い炭素系集電摺動材料を得ることができることを発見した。
【０００９】
以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。
まず、本発明で使用する金属は、良導電性の金属粉と金属繊維であり、その組成は得られる焼結体の見掛密度が２．５〜４．５ｇ／ｃｍ、電気抵抗率が５００μΩｃｍ以下、衝撃値が３．５ｋＪ／ｍ２以上となるように選定されなければならず、高強度で融点が高いものが望ましい。この面において銅や銅合金が適している。また、金属粉と金属繊維はそれぞれ同種の金属あるいは焼結過程において相互に拡散し易く、良好な金属結合が得られる金属の組合せであることが望ましい。
【００１０】
尚、金属の配合率は、重量比で３５％〜７０％であることが必要である。金属の配合率が重量比で３５％未満の場合は電気抵抗率の低下並びに耐衝撃性の向上が望めない。また、金属の配合率が重量比で７０％を越えると炭素の摺動特性が十分発揮されずにトロリー線の摩耗抑制、騒音低減等の効果が得られない。
【００１１】
更に金属のなかで金属繊維の割合は、５％〜２０％であることが必要である。この理由は、▲１▼金属繊維の割合が５％未満の場合は金属同士の十分なネットワークが得られず、電気抵抗率の低下並びに耐衝撃性の向上が望めず、▲２▼また金属繊維の割合が２０％を超えると繊維の曲がりや折れ、繊維同士のからみつき等が多発し、有効な形で炭素素地に金属を分散させることが難しいうえに、繊維の連続性が助長して炭素の結合を阻害するために強度低下を招き健全な材料が得られないためである。
【００１２】
金属繊維の形状は素線径０．０５〜０．３ｍｍ、長さ２〜１０ｍｍであることが必要である。この理由は、▲１▼金属繊維の素線径が０．０５ｍｍ未満の場合は金属同士のネットワークが弱く、十分な電気抵抗率の低下並びに耐衝撃性の向上が望めず、▲２▼金属繊維の素線径が０．３ｍｍを越えると炭素の結合を阻害するために強度低下を招き、健全な材料が得らず、▲３▼同様に金属繊維の長さが２ｍｍ未満の場合は金属同士の十分なネットワークが得られず、電気抵抗率の低下並びに耐衝撃性の向上が望めず、▲４▼更に金属繊維の長さが１０ｍｍを越えると繊維の連続性を助長して炭素の結合を阻害するために強度低下を招くためである。
【００１３】
金属粉の粒径は、これが大きすぎると衝撃値などの強度が低下し、粒径が小さすぎると、すり板の摩擦が大きくなるばかりか、場合によっては電気抵抗率が大きくなってしまう場合がある。このため、本発明に使用する金属粉の粒径は４０メッシュ以下、金属繊維の線径とのバランスを考慮すると、平均粒径が５０μｍ〜２００μｍとすることが望ましい。
【００１４】
これら金属と同時に配合する炭素粉としては特に限定するものではないが、コールタールピッチを熱処理することによって生成した球晶を抽出し、濾過、乾燥、仮焼、分級処理をして得られた微小炭素粉を使用することが望ましい。
更に金属と炭素粉を混合する方法は特に限定するものではないが、金属繊維を小分けにして混合機に投入することが、有効な金属の分散状態を得るうえで好ましい。
【００１５】
以上のようにして得られた混合原料を加圧成形し、その成形体を非酸化性雰囲気中において成形体中から金属が溶出しない範囲の高温で焼結した焼結体は、見掛密度が２．５〜４．５ｇ／ｃｍであることが必要である。この理由は、▲１▼見掛密度が２．５ｇ／ｃｍ未満の場合は電気抵抗率が高く、耐衝撃性等の機械的特性がパンタグラフ用すり板として不適当なものになり、▲２▼見掛密度が４．５ｇ／ｃｍを越えると重さが過大となってトロリー線に対するパンタグラフの追随性が悪くなり、離線によるアークの発生が多くなり、すり板やトロリー線の摩耗が増大するためである。従って、前記のような見掛密度となるように加圧成形条件を設定することが必要になる。尚、加圧成形方法は冷間等方圧加圧法や金型による多段階加圧等があるが、均質な成形体が得られることから冷間等方圧加圧法を用いるのが望ましい。
【００１６】
このようにして得られた炭素系集電摺動材料は衝撃値が３．５ｋＪ／ｍ２以上となる。また、電気抵抗率は５００μΩｃｍ以下となり、優れた摺動特性を有した炭素系集電摺動材料として電気車両の高速度化、大集電容量化に十分対応できる。
【００１７】
【実施例】
以下、本発明の具体的実施例を説明する。
実施例１（実施例１−１〜１−３、比較例１−１〜１−２）
４０メッシュ以下のＣｕ粉と素線径が０．１２ｍｍ、長さが４ｍｍのＣｕ−１０重量％Ｓｎ合金繊維の総和に対してＣｕ−１０重量％Ｓｎ合金繊維の割合が重量比で７％である金属が表１に示すような割合で配合されており、残部をコールタールピッチを熱処理することによって生成した球晶を抽出し、濾過、乾燥、仮焼、分級処理をして得られた平均粒径１０〜２０μｍの炭素粉とする材料を混合した後、この混合原料を金型に充填して１００ＭＰａの加圧力で２５×４３×３４０ｍｍの大きさに仮成形した後、その仮成形体をナイロンシートで真空包装して圧力容器内に入れ、冷間等方圧加圧法を用いて４００ＭＰａの等方圧力を加え、２４×４０×３２８ｍｍの成形体とした。さらにその成形体を非酸化性の雰囲気中にて９７０℃で焼結し、炭素及び良導電性の金属からなる焼結体を得た。
【００１８】
【表１】
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【００１９】
実施例２（実施例２−１〜２−３、比較例２−１〜２−３）
４０メッシュ以下のＣｕ粉と素線径が０．１ｍｍ、長さが３ｍｍのＣｕ繊維の総和に対するＣｕ繊維の割合が表２に示すような重量比である金属が６５重量％配合されており、残部をコールタールピッチを熱処理することによって生成した球晶を抽出し、濾過、乾燥、仮焼、分級処理をして得られた平均粒径１０〜２０μｍの炭素粉とする材料を混合した後、この混合原料を金型に充填して１００ＭＰａの加圧力で２５×４３×３４０ｍｍの大きさに仮成形した後、その仮成形体をナイロンシートで真空包装して圧力容器内に入れ、冷間等方圧加圧法を用いて４００ＭＰａの等方圧力を加え、２４×４０×３２８ｍｍの成形体とした。さらにその成形体を非酸化性の雰囲気中にて９７０℃で焼結し、炭素及び良導電性の金属からなる焼結体を得た。
【００２０】
【表２】
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【００２１】
実施例３（実施例３−１〜３−３、比較例３−１〜３−３）
４０メッシュ以下のＣｕ粉と表３に示すような素線径で長さが５ｍｍのＣｕ繊維の総和に対するＣｕ繊維の割合が１０重量％である金属が６０重量％配合されており、残部をコールタールピッチを熱処理することによって生成した球晶を抽出し、濾過、乾燥、仮焼、分級処理をして得られた平均粒径１０〜２０μｍの炭素粉とする材料を混合した後、この混合原料を金型に充填して１００ＭＰａの加圧力で２５×４３×３４０ｍｍの大きさに仮成形した後、その仮成形体をナイロンシートで真空包装して圧力容器内に入れ、冷間等方圧加圧法を用いて４００ＭＰａの等方圧力を加え、２４×４０×３２８ｍｍの成形体とした。さらにその成形体を非酸化性の雰囲気中にて９７０℃で焼結し、炭素及び良導電性の金属からなる焼結体を得た。
【００２２】
【表３】
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【００２３】
実施例４（実施例４−１〜４−３、比較例４−１〜４−３）
４０メッシュ以下のＣｕ粉と素線径が０．０８ｍｍ、長さが表４に示すようなＣｕ繊維の総和に対するＣｕ繊維の割合が１２重量％である金属が５５重量％配合されており、残部をコールタールピッチを熱処理することによって生成した球晶を抽出し、濾過、乾燥、仮焼、分級処理をして得られた平均粒径１０〜２０μｍの炭素粉とする材料を混合した後、この混合原料を金型に充填して１００ＭＰａの加圧力で２５×４３×３４０ｍｍの大きさに仮成形した後、その仮成形体をナイロンシートで真空包装して圧力容器内に入れ、冷間等方圧加圧法を用いて４００ＭＰａの等方圧力を加え、２４×４０×３２８ｍｍの成形体とした。さらにその成形体を非酸化性の雰囲気中にて９７０℃で焼結し、炭素及び良導電性の金属からなる焼結体を得た。
【００２４】
【表４】
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【００２５】
上記実施例及び比較例により得た焼結体より試験片１０×１０×６０ｍｍ各１０本を切り出し、その物理特性を測定した。その結果を示すと表５〜表８の各欄に記載のとおりである。
【００２６】
【表５】
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【００２７】
【表６】
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【００２８】
【表７】
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【００２９】
【表８】
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【００３０】
次に、前記実施例及び比較例により得た焼結体より試験片１０×２５×９０ｍｍを切り出し、その各試験片を回転式摺動試験機に取付け、押付力４９Ｎ、通電電流ＤＣ１００Ａ、摺動速度６５ｋｍ／ｈ、５４２ｒｐｍで６０分間無潤滑でトロリー線に摺動させた。摺動させたときの試験片の比摩耗量（試験片をトロリー線に対して荷重９．８Ｎで押付け、距離１ｍｍ摺動したときの摩擦体積ｍｍ）と相手方トロリー線の摩耗厚みを測定し、トロリー線の摩耗率（トロリー線の摩耗厚みｍｍをパンタ通過万単位回数で除したもの）とトロリー線と試験片に起因する摺動騒音（ホーン）を示すと表５〜表８の各欄に示すとおりである。
【００３１】
尚、回転式摺動試験機の構造は、各社が実用している溝付硬銅トロリー線（断面１１０ｍｍ）を円周２００ｃｍの真円に水平に配置し、そのトロリー線に試験片を４９Ｎの力で押付けながら左右振幅７０ｍｍで摺動させるようになっている。したがって、５４２ｒｐｍで６０分間回転させると、試験片は３２，５２０回トロリー線の同一個所を通過することになる。また、トロリー線の摩耗測定は２００ｃｍの真円の所定８個所の厚さ摩耗をマイクロメーターで測定した。
【００３２】
騒音計は回転式摺動試験機に取付けた試験片より１ｍの位置に据えた。なお、トロリー線と試験片に起因する騒音ホーン値は、試験片を回転式試験機に取付けて回転させた時の発生音ホーン値より、試験片を取付けないで試験機を回転させた時の発生音ホーン値を差引いて計算した。
【００３３】
表５〜表８により明らかな如く、本発明により得た焼結体は電気車パンタグラフ用すり板として必要とする物理特性並びに摩耗特性を具備している。
【００３４】
表５より、材料全体に対する金属の割合が本発明の範囲外の場合、金属繊維をブレンドしても電気抵抗率が高く、衝撃値が低いために電気車の高速度化、大集電容量化に対応できなかったり、炭素の摺動特性が十分発揮されないためにトロリー線の摩耗が高く、騒音も大きいために炭素系集電摺動材料としての利点が認められないことが確認された。
【００３５】
また、表６、表７及び表８に示すようにブレンドする金属繊維の量並びに寸法を適切に選択することにより、衝撃値並びに電気抵抗率が格段に改善されることが確認された。また、本発明の範囲外では、衝撃値や電気抵抗率にほとんど効果が認められないために電気車の高速度化、大集電容量化に対応できなかったり、製作過程で焼結体に亀裂が生じてしまい試験に供せないことが明らかとなった。
【００３６】
尚、前記表６、表７、表８において、比較例で亀裂が発生している理由は、材料の焼結が完了し、冷却される過程で金属の収縮が炭素より大きいために、金属繊維が多すぎるとネット状になった金属が炭素素地を引っ張る力が過大になって亀裂が生じやすくなるものと思われる。或いは、焼結中の収縮は炭素素地の方が大きいから前述と逆のパターンで亀裂が生じている可能性もある。
【００３７】
また、炭素と金属は焼結されても互いに機械的に接しているだけで（拡散結合していない）、その界面には隙間が存在しており、繊維が多かったり、繊維のサイズが大きいとと言うことは線状の隙間（微小亀裂）が多数存在することになり、それらが焼結過程で収縮するときに連なって亀裂が生じやすいことも考えられる。
【００３８】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば車両の速度が上昇しても対応できる耐衝撃性並びに集電電流が増大しても問題にならない電気抵抗率を有し、トロリー線の摩耗抑制、騒音低減が実現するので、電気車用集電摺動材料として誠に有益である。