(57)【要約】【課題】すり板に高い耐摩耗性を付与するとともに、すり板によるトロリ線の摩耗を低減させうるような集電摺動材料を提供すること。【解決手段】Ｃｕ系焼結体からなる集電摺動材料であって、前記Ｃｕ系焼結体中に、Ｓｎが５．０質量％以下、純Ｆｅが１０．０質量％未満、窒化ＦｅＴｉが１５．０質量％以下、ＦｅＭｏが１５．０質量％以下、ＭｏＳ２が１５．０質量％以下含まれ、残部がＣｕ及び不可避不純物であることを特徴とする、集電摺動材料。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｕ系焼結体からなる集電摺動材料であって、
前記Ｃｕ系焼結体中に、Ｓｎが５．０質量％以下、純Ｆｅが１０．０質量％未満、窒化ＦｅＴｉが１５．０質量％以下、ＦｅＭｏが１５．０質量％以下、ＭｏＳ２が１５．０質量％以下含まれ、残部がＣｕ及び不可避不純物であることを特徴とする、
集電摺動材料。
【請求項２】
円換算粒径が２５０μｍ以下の前記純Ｆｅが前記Ｃｕ系焼結体内部の内部に分散されている、請求項１に記載の集電摺動材料。
【請求項３】
前記純Ｆｅは、前記Ｃｕ系焼結体中に１．５質量％以上含まれる、請求項１又は２に記載の集電摺動材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集電摺動材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
高速化する在来線の電気鉄道車両のパンタグラフに用いられるすり板には、車両の高速走行時においても摩耗の少ない、いわゆる“耐摩耗性”と、トロリ線を摩耗させない、いわゆる“潤滑性”とを、高いレベルで両立させることが求められる。
【０００３】
かかるパンタグラフに用いられるすり板を構成する集電摺動材料として、潤滑性を高めるための成分としてＰｂ、耐摩耗性を高めるための成分としてＣｒ等の硬質金属や硬質化合物、そしてさらなる潤滑性を高めるための成分として黒鉛やＭｏＳ２など金属硫化物のうち１種又は複数種を含有し、耐摩耗性と潤滑性を高めたＣｕ系焼結体が提案されている（特許文献１）。
【０００４】
しかし、Ｐｂは人体や環境への悪影響が指摘されていることから、集電摺動材料のＰｂフリー化が望まれており、Ｐｂの代替としてＢｉを使用したＣｕ系焼結体も提案されている（特許文献２）。
【０００５】
ＢｉはＰｂと同様、Ｃｕ系焼結体に優れた潤滑性を付与することに寄与するが、Ｂｉはレアメタルに分類されるため、価格や安定した供給などといった、原料調達でのリスク面での課題が存在する。
【０００６】
また在来線の高速化とともに、近年は運行本数も増加しており、すり板に高い耐摩耗性を付与するとともに、すり板によるトロリ線の摩耗を最小限にとどめられるような集電摺動材料が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平０６−３３１６３号公報
【特許文献２】特開２００１−２３４２６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記のような事情に鑑み、本発明の目的とするところは、すり板に高い耐摩耗性を付与するとともに、すり板によるトロリ線の摩耗（以下、トロリ線攻撃性という。）を低減させうるような集電摺動材料を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、特定組成のＣｕ系焼結体からなる集電摺動材料とすることで、高い耐摩耗性と低いトロリ線攻撃性を有するすり板の集電摺動材料を提供することができることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１０】
即ち、本発明は、
〔１〕Ｃｕ系焼結体からなる集電摺動材料であって、前記Ｃｕ系焼結体中に、Ｓｎが５．０質量％以下、純Ｆｅが１０．０質量％未満、窒化ＦｅＴｉが１５．０質量％以下、ＦｅＭｏが１５．質量％以下、ＭｏＳ２が１５．０質量％以下含まれ、残部がＣｕ及び不可避不純物であることを特徴とする、集電摺動材料、
〔２〕円換算粒径が２５０μｍ以下の前記純Ｆｅが前記Ｃｕ系焼結体内部の内部に分散されている、前記〔１〕に記載の集電摺動材料、
〔３〕前記純Ｆｅは、前記Ｃｕ系焼結体中に１．５質量％以上含まれる、前記〔１〕又は〔２〕に記載の集電摺動材料、
に関する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る集電摺動材料によれば、高い耐摩耗性と低いトロリ線攻撃性を有するすり板の集電摺動材料を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】摩耗性評価試験における疑似トロリ線の上面図。
【図２】疑似トロリ線の断面図による、摩耗性評価試験の説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の集電摺動材料について詳細に説明する。
【００１４】
本発明の集電摺動材料は、Ｃｕ系焼結体からなる集電摺動材料であって、前記Ｃｕ系焼結体中に、Ｓｎが５．０質量％以下、純Ｆｅが１０．０質量％未満、窒化ＦｅＴｉが１５．０質量％以下、ＦｅＭｏが１５．０質量％以下、ＭｏＳ２が１５．０質量％以下含まれ、残部がＣｕ及び不可避不純物であることを特徴とする。
【００１５】
上記特徴を有する本発明の集電摺動材料は、上記組成を有することにより、従来の集電摺動材料と比べて、良好な耐摩耗性と低いトロリ線攻撃性を有する。そのため、近年の高速化する在来線のパンタグラフのすり板に使用しても、すり板とトロリ線の双方において十分な耐久性を得ることができる。
【００１６】
本発明の集電摺動材料は、Ｓｎ粒子を５．０質量％以下、純Ｆｅ粒子を１０．０質量％未満、窒化ＦｅＴｉ粒子を１５．０質量％以下、ＦｅＭｏ粒子を１５．０質量％以下、ＭｏＳ２粒子を１５．０質量％以下、そして残部をＣｕ粒子及び不可避不純物として分散させ、焼結することにより得られるＣｕ系焼結体からなる。
【００１７】
尚、本発明において、各金属成分の含有量は、焼結前と焼結後において化学反応による顕著な変化は生じない。
【００１８】
また本明細書においてＣｕ系焼結体は、該焼結体中にＣｕを４０質量％以上含有する焼結体を意味する。
【００１９】
Ｓｎ粒子としては、純度９９質量％以上のものが好ましく、ＪＩＳ  Ｚ２５１０で規定されるふるい分析で測定した粒径が４５μｍ未満であることが好ましい。以下、本明細書における粒径の測定方法は、純Ｆｅにおける円換算粒径測定を除き、全て同じである。
【００２０】
Ｓｎ粒子は、集電摺動材料の製造段階において焼結されることにより、Ｃｕと反応し、青銅を作る役割を果たす。Ｃｕが青銅となることにより、集電摺動材料の機械的特性が向上する。尚、本明細書において集電摺動材料の機械的特性とは、引っ張られた際の強度や、衝撃に対する強度を意味する。
【００２１】
ＳｎはＣｕ系焼結体中に５．０質量％以下、好ましくは４．０量％以下含まれる。Ｓｎが集電摺動材料中に５．０質量％を超えて含まれることになると、集電摺動材料の電気伝導率が低くなり過ぎてしまうおそれがある。一方、Ｓｎが集電摺動材料中に含まれる下限値としては、集電摺動材料中１．０質量％が好ましい。Ｓｎが集電摺動材料中１質量％以上含まれることにより、電気伝導率を過剰に損なうことなく、集電摺動材料の機械的特性を向上させることができる。
【００２２】
使用する純Ｆｅ粒子としては、純度９９質量％以上のものが好ましい。純ＦｅはＣｕ系焼結体内に分散された状態で存在していることが好ましい。純Ｆｅが分散されることなく凝集して存在していると、Ｃｕ系焼結体内部で機械的特性が不均一な領域が大きくなり、Ｃｕ系焼結体全体の機械的特性を低下させてしまうおそれがある。
【００２３】
使用する純Ｆｅ粒子の大きさについては、粒径が２５０μｍ以下であることが好ましい。純Ｆｅ粒子の粒径が２５０μｍより大きくなると、Ｃｕ系焼結体内部で機械的特性が不均一な領域が大きくなり、Ｃｕ系焼結体全体の機械的特性を低下させてしまうおそれがある。但し、焼結後のＣｕ系焼結体においては、個々の純Ｆｅを物理的にばらして粒径解析することは、実質的に不可能である。焼結体中の純Ｆｅについては、円換算粒径により、上記の粒径を評価することが可能であり、焼結後のＣｕ系焼結体中の純Ｆｅの円換算粒径が２５０μｍ以下となることが好ましい。ここで円換算粒径とは、対象粒子の断面積を円面積に換算して求めた直径を意味する。円換算粒径は、例えば、焼結体の研磨断面を光学顕微鏡などで撮影した画像から、例えばImage Jのような画像解析ツールで得られた対象の粒子断面積を数値化して、それを円面積として直径を算出することにより、測定することができる。
【００２４】
純ＦｅはＣｕ系焼結体中に、１０質量％未満含まれる。純Ｆｅが１０質量％以上になると、集電摺動材料を使用したすり板の機械的特性が低下するおそれがある。Ｃｕ系焼結体中に含まれる純Ｆｅの下限値としては、１．５質量％が好ましい。Ｃｕ系焼結体中の純Ｆｅの含有量が上記下限値１．５質量％を下回ると、集電摺動材料を用いて製造したすり板の充分な機械的特性が得られなくなるおそれがある。
【００２５】
本発明の集電摺動材料におけるＣｕ系焼結体は、窒化ＦｅＴｉ及びＦｅＭｏを含有する。これらの粒子は、酸化開始温度が比較的低いため、集電摺動材料をパンタグラフ用すり板として用いた場合には、酸化皮膜が低速（低温）域でのすり板・トロリ線間での金属接触を防止するため、凝着摩耗によるすり板摩耗を効果的に低減することができる。
【００２６】
使用する窒化ＦｅＴｉ粒子としては、ＦｅＴｉ粒子の表面を窒素被覆した構造であって、Ｔｉ含有量が３７．５〜４０．５質量％、Ｎ含有量が８〜１０質量％及び残部がＦｅである成分組成であることが好ましい。物性としては、粒径が６３〜２５０μｍ程度であることが好ましい。なお、窒化層の厚さは数μｍ〜数十μｍ程度であることが好ましい。
【００２７】
窒化ＦｅＴｉはＣｕ系焼結体中に、１５．０質量％以下含まれる。窒化ＦｅＴｉをＣｕ系焼結体に含有させることにより、集電摺動材料のトロリ線攻撃性を低減させることができる。一方、Ｃｕ系焼結体中の窒化ＦｅＴｉの含有量が１５．０質量％より多くなると、集電摺動材料の耐摩耗性が不充分となるおそれがある。Ｃｕ系焼結体中に含まれる窒化ＦｅＴｉの下限値としては、３．０質量％が好ましい。Ｃｕ系焼結体中の窒化ＦｅＴｉの含有量が上記下限値３．０量％を下回ると、集電摺動材料の耐摩耗性が不充分となるおそれがある。
【００２８】
使用するＦｅＭｏ粒子としては、Ｍｏ含有量が６０〜７５質量％の合金組成であることが好ましく、粒径が１５０〜４２５μｍ程度であることが好ましい。
【００２９】
ＦｅＭｏはＣｕ系焼結体中に、１５．０質量％以下含まれる。ＦｅＭｏは窒化ＦｅＴｉと比較し、トロリ線攻撃性が高いという欠点がある。その一方で、ＦｅＭｏは窒化ＦｅＴｉと比較して硬度が高いという性質を有しているため、ＦｅＭｏをＣｕ系焼結体中に含有させることで、集電摺動材料の耐摩耗性の向上が図られる。Ｃｕ系焼結体中のＦｅＭｏの含有量が１５．０質量％よりも多くなると、集電摺動材料を使用して製造したすり板のトロリ線攻撃性が過度なものとなり、トロリ線が摩耗しやすくなってしまうおそれがある。Ｃｕ系焼結体中に含まれるＦｅＭｏの下限値としては、３．０質量％が好ましい。Ｃｕ系焼結体中のＦｅＭｏの含有量が上記下限値３．０質量％を下回ると、すり板の耐摩耗性が不充分となるおそれがある。
【００３０】
上述の如く、本発明はＦｅＭｏと窒化ＦｅＴｉそれぞれの長所を生かし短所を抑えるように、ＦｅＭｏと窒化ＦｅＴｉのＣｕ系焼結体中の含有量を決定している。かかる構成をとることにより、集電摺動材料を用いて製造したすり板の、高い耐摩耗性と低いトロリ線攻撃性を両立させることができる。
【００３１】
使用するＭｏＳ２粒子としては、純度９８質量％以上（化学量論組成：Ｍｏ：５８．５質量％、Ｓ：３９．３質量％）であることが好ましく、レーザー回折・散乱法で測定した粒径は２〜６μｍ程度であることが好ましい。
【００３２】
Ｃｕ系焼結体は、該Ｃｕ系焼結体中に、ＭｏＳ２を１５．０質量％以下含有する。Ｃｕ系焼結体にＭｏＳ２を含ませることにより、優れた機械的強度と共に、トロリ線との良好な潤滑性を、集電摺動材料に付与することができる。ここで、Ｃｕ系焼結体中のＭｏＳ２の含有量が１５．０質量％よりも多くなると、Ｃｕ系焼結体の機械的強度を低下させるおそれがある。Ｃｕ系焼結体中に含まれるＭｏＳ２の下限値としては、１．０質量％が好ましい。Ｃｕ系焼結体中のＭｏＳ２の含有量が上記下限値１．０量％を下回ると、トロリ線との潤滑性を悪化させるおそれがある。
【００３３】
不可避不純物は、炭素、硫黄等である。
【００３４】
以下、本発明に係る集電摺動材料の製造方法について、説明する。
【００３５】
本発明の集電摺動材料は、上記した通りの原料成分を含む原料粉末を成形し、焼結することにより得られるものである。例えば、Ｓｎ粒子を５．０質量％以下、純Ｆｅ粒子を１０．０質量％未満、窒化ＦｅＴｉ粒子を１５．０質量％以下、ＦｅＭｏ粒子を１５．０質量％以下、ＭｏＳ２粒子を１５．０質量％以下、そして残部をＣｕ粒子及び不可避不純物として分散させ、焼結する製造方法により好適に製造することができる。即ち、上記製造方法によって、
Ｃｕ系焼結体からなる集電摺動材料であって、前記Ｃｕ系焼結体中に、Ｓｎが５．０質量％以下、純Ｆｅが１０．０質量％未満、窒化ＦｅＴｉが１５．０質量％以下、ＦｅＭｏが１５．０質量％以下、ＭｏＳ２が１５．０質量％以下含まれ、残部がＣｕ及び不可避不純物であることを特徴とする、集電摺動材料が得られる。
【００３６】
具体的には、必要成分を混合して原料粉末を用意した後、原料粉末の成形を行う。成形に際して、必要に応じて公知の有機バインダー、焼結助材等を適宜添加することもできる。成形方法も、粉末冶金分野で従来から知られている方法を採用でき、例えば、プレス法、ＣＩＰ法、ＨＩＰ法、ＭＩＭ法等により成形することができる。成形圧は、通常４〜８トン／ｃｍ２程度とすれば良いが、最終的に得られる焼結合金のかさ密度が、通常６．５〜７．５ｇ／ｃｍ３程度、好ましくは６．８〜７．２ｇ／ｃｍ３となるように設定できれば上記成形圧の範囲外であってもよい。特に、本発明では、材料密度比（真比重に対する比）が通常７５％以上、特に８５％とすることが好ましい。
【００３７】
成形体の焼結に際し、その焼結温度は合金組成等によって異なるが、通常７００〜１２００℃、好ましくは８００〜１０００℃とすれば良い。また焼結雰囲気は、通常は還元性雰囲気（アンモニア分解ガス、炭化水素の変成ガス、水素ガス等）又は不活性雰囲気（窒素、アルゴンガス、ヘリウムガス等）とすれば良い。焼結時間は、焼結温度等に応じて定めることができる。例えば、焼結温度が８００〜１０００℃程度であれば通常６０〜１８０分程度とすれば良い。焼結後、適宜、再圧縮（加圧）、再焼結を行うこともできる。
【００３８】
本発明の集電摺動材料は、Ｃｕ系焼結体中に、純Ｆｅを１０．０質量％未満、窒化ＦｅＴｉを１５．０質量％以下、ＦｅＭｏを１５．０質量％以下含有する。純ＦｅはＣｕよりも機械的強度が高く、Ｃｕ系焼結体中で分散してＣｕと結合し、Ｃｕ系結合体の機械的強度を向上させる。
【００３９】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこうした例に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【実施例】
【００４０】
以下、実施例に基づき、本発明の実施形態をより具体的に説明するが、本発明がこれらに限定されるものではない。
【００４１】
実施例１〜５及び比較例１〜５
表１に示す配合で、各成分をＶミキサー（徳寿製作所／ＶＩ−２０）を用いて３０分間攪拌混合した後、成形圧４ｔｏｎ／ｃｍ２ですり板形状（サイズ２７０×２５×１１ｍｍ）に成形し、還元性雰囲気下、９００℃で１２０分間焼結を行い、実施例１〜５、及び比較例１〜５のＣｕ系焼結体を得た。得られたＣｕ系焼結体の組成を、表２に示す。表２において表示する組成は、各化合物の組成ではなく、Ｃｕ系焼結体中に含まれる各金属元素の質量比で表示する（窒化ＦｅＴｉ、ＦｅＭｏは、焼結による分解を受けない。）。尚、得られた各実施例及び比較例のＣｕ系焼結体切断面を鏡面研磨して撮像し、画像解析ソフトＩｍａｇｅ  Ｊを用いて、分散状態で含まれている純Ｆｅの円換算粒径を測定したところ、２５０μｍ以下であった。
【００４２】
【表１】
2018127666.tif 000002
【００４３】
表１に示された各粒子の粒径は、以下に示すとおりである。
・Ｃｕ粒子            …１５〜７５μｍ
・Ｓｎ粒子            …４５μｍ未満
・純Ｆｅ粒子          …４５〜１８０μｍ
・窒化ＦｅＴｉ粒子    …１０６〜２５０μｍ
・ＦｅＭｏ粒子        …２１２〜３００μｍ
・Ｂｉ粒子            …４５〜１５０μｍ
・ＭｏＳ２粒子         …２〜６μｍ
【００４４】
【表２】
2018127666.tif 000003
【００４５】
（機械的特性等評価試験）
得られた各実施例及び比較例のＣｕ系焼結体について、ブリネル硬さ（ＨＢ）、シャルピー衝撃値（Ｊ／ｃｍ２）及び引張強さ（ＭＰａ）の各機械的特性、並びに電気抵抗率（μΩ・ｃｍ）を測定した。各測定方法は、以下通りである。
≪ブリネル硬さ≫
ＪＩＳ  Ｚ２２４３の方法により測定した。但し、鋼球の直径１０ｍｍ、荷重５００ｋｇ及び保ち時間３０秒とした。
≪シャルピー衝撃値≫
ＪＩＳ  Ｚ２２４２の方法により測定した。試験片は、ノッチ無しのものを用いた。
≪引張強さ≫
ＪＩＳ  Ｚ２２４１の方法により測定した。試験片は、５号試験片を用いた。
≪電気抵抗率≫
すり板を６０×１０×１０ｍｍの試験片とし、精密給電位差計を用い、電極間距離１５ｍｍとして試験片の異なる２面内においてそれぞれ電位差を測定し、その平均電位差より電気抵抗率を算出した。
【００４６】
各機械的特性、及び電気抵抗率の評価結果は、下記表３の通りである。
【００４７】
【表３】
2018127666.tif 000004
【００４８】
（摩耗性評価試験）
得られた各実施例並びに比較例１〜３及び５のＣｕ系焼結体を、すり板試験片として、評価試験を行った。模擬トロリ線としては図１及び図２に示すように、円形の支持ディスクを用意し、該支持ディスクの同心円上に直径３８０ｍｍの円形とした厚み６ｍｍタフピッチ銅をはめ込んだものを準備した。また図２に示すように、各実施例及び比較例の試験片を、１００Ａの電流を通電させた模擬トロリ線に、４９Ｎの押付力で押し付けながら摺動させた。摺動速度は、低速度（２５ｋｍ／ｈ）と高速度（１００ｋｍ／ｈ）の２パターンを、それぞれ別途に実施した。摺動時間は合計５００秒間で、１秒間摺動させて１秒間休止させる１サイクルを５００サイクル実施した。
【００４９】
摩耗性評価試験の結果は、下記表４の通りである。
【００５０】
【表４】
2018127666.tif 000005
【符号の説明】
【００５１】
１  支持ディスク
２  タフピッチ銅
３  すり板試験片
【図１】
2018127666.tif 000006
【図２】
2018127666.tif 000007