(57)【要約】【課題】アーク放電によるカケが抑制できる摺動材料及びそれを用いる摺動部材を提供すること。【解決手段】炭素材と、断面観察における平均アスペクト比が３以上の金属銅と、を含有し、開気孔を有する摺動材料である。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素材と、断面観察における平均アスペクト比が３以上の金属銅と、を含有し、開気孔を有する摺動材料。
【請求項２】
前記金属銅が、銅及び銅合金からなる群より選ばれる少なくとも１種を含む、請求項１に記載の摺動材料。
【請求項３】
前記断面観察における前記金属銅の長手方向の平均長さが、１５μｍ〜１３０μｍである、請求項１又は請求項２に記載の摺動材料。
【請求項４】
前記断面観察における前記金属銅の短手方向の平均長さが、５μｍ〜４０μｍである、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の摺動材料。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の摺動材料を用いる摺動部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摺動材料及び摺動部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
摺動部材の一つである電車のパンタグラフ用すり板には、金属系摺動材料又は炭素系摺動材料が使用されている。特に、炭素系材料に金属を含浸した摺動材料は、架線摩耗、すり板摩耗、欠損等が少なく、摺動特性に優れるため、幅広く使用されている。この炭素系材料に金属を含浸した摺動材料は、例えば、コークスを含有する炭素骨材と、結合材料とを混練した混練物を押出し成形及び焼成し、次いで金属含浸することで、製造される（例えば、特許文献１及び２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭６２−０１７０８９号公報
【特許文献２】特開昭６２−０２４５８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、電車の高速化、集電容量の増大等によって、摺動材料の使用条件はより厳しいものとなることが予想される。例えば、高電圧高電流の下、摺動状態によって摺動部材と相手材とが離れ、アーク放電が発生すると、局部的に高熱となった摺動部材内部の銅が熱膨張し、この熱膨張によりカケが発生し易い。
本開示は、上記にかかる状況に鑑みてなされたものであり、アーク放電によるカケを抑制する摺動材料及びそれを用いる摺動部材を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記課題を達成するための具体的手段は以下の実施形態を含む。
【０００６】
＜１＞  炭素材と、断面観察における平均アスペクト比が３以上の金属銅と、を含有し、開気孔を有する摺動材料。
【０００７】
＜２＞  前記金属銅が、銅及び銅合金からなる群より選ばれる少なくとも１種を含む、前記＜１＞に記載の摺動材料。
【０００８】
＜３＞  前記断面観察における前記金属銅の長手方向の平均長さが、１５μｍ〜１３０μｍである、前記＜１＞又は＜２＞に記載の摺動材料。
【０００９】
＜４＞  前記断面観察における前記金属銅の短手方向の平均長さが、５μｍ〜４０μｍである、前記＜１＞〜＜３＞のいずれか１項に記載の摺動材料。
【００１０】
＜５＞  前記＜１＞〜＜４＞のいずれか１項に記載の摺動材料を用いる摺動部材。
【発明の効果】
【００１１】
本開示によれば、アーク放電によるカケが抑制できる摺動材料及びそれを用いる摺動部材が提供される。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本開示の摺動材料及び摺動部材の実施形態について詳細に説明する。但し、本開示は、以下の実施形態に限定されるものではない。以下の実施形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合、原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必須ではない。数値及びその範囲についても同様であり、本開示を制限するものではない。本開示の「工程」との語は、独立した工程だけではなく、他の工程と明確に区別できない場合であってもその工程の目的が達成されれば、本用語に含まれる。
【００１３】
本開示において「〜」を用いて示された数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値をそれぞれ最小値及び最大値として含む範囲を示す。また、本開示において各成分の含有量は、組成物中に各成分に該当する物質が複数種存在する場合、特に断らない限り、組成物中に存在する当該複数種の物質の合計量を意味する。また、本開示において組成物中の各成分の粒子径は、組成物中に各成分に該当する粒子が複数種存在する場合、特に断らない限り、組成物中に存在する当該複数種の粒子の混合物についての値を意味する。
【００１４】
［摺動材料］
本開示の摺動材料は、炭素材と、断面観察における平均アスペクト比が３以上の金属銅と、を含有し、開気孔を有する。なお、本開示の摺動材料は、その他の材料を含んでいてもよい。
【００１５】
本開示の摺動材料は、上記構成を有することで、アーク放電によるカケが抑制される。上記効果を奏する詳細な理由は必ずしも明らかではないが、以下のように考えることができる。
【００１６】
従来、摺動材料は、開気孔を有する炭素材に、金属銅を含浸させて製造されることが多い。摺動部材を高電圧及び高電流の条件において摺動すると、摺動材料と相手材とが離れたときに、摺動材料と相手材との間でアーク放電が起きる。アーク放電は、摺動材料中に含まれる金属銅を局部的に溶かす温度にまで上昇する。また、金属銅は、昇温により熱膨張する。このとき、開気孔の空間が非連続的であると、金属銅の熱膨張力及び溶融した金属銅が流動する逃げ場がなく、摺動材料内で金属銅による内部圧力が高まることが推測される。
【００１７】
本開示の摺動材料は、金属銅の平均アスペクト比が３以上である。つまり、金属銅を内包する炭素材の開気孔は、連続的に延びた形状を有していることになる。そのため、昇温により金属銅が熱膨張したり溶融したりした場合に、開気孔が金属銅の逃げ場となって、摺動材料内での金属銅による内部圧力の上昇が抑えられることが推測される。その結果、本開示の摺動材料は、アーク放電によるカケが抑制できると考えられる。
【００１８】
本開示における摺動材料は、断面観察における、金属銅の長手方向の長さと短手方向の長さの比で表される平均アスペクト比（長手方向の長さ／短手方向の長さ）が、３以上であり、４以上であることが好ましい。平均アスペクト比の上限値は、特に制限されず、７以下であることが好ましく、５以下であることがより好ましい。
【００１９】
金属銅の平均アスペクト比は、金属顕微鏡を用いた断面観察により、金属銅の各部位について求める。例えば、摺動材料の試験片を熱硬化樹脂に埋め込み、表面の鏡面研磨を行う。表面の鏡面研磨は、#２５０、#４００、#６００、#１０００のバフの順で行う。その後、金属顕微鏡により５０倍〜５００倍に拡大した材料断面を観察することにより求められる。また、金属銅の平均アスペクト比は、断面観察において、炭素材と開気孔によって離隔された任意の２０点の金属銅の部位について、長手方向の長さ及び短手方向の長さを測定し、各アスペクト比を求める。その後、得られた各アスペクト比の算術平均値を、平均アスペクト比とする。
【００２０】
断面観察における金属銅の平均アスペクト比が３以上であると、アーク放電によるカケが抑制される。
【００２１】
金属銅の長手方向の長さとは、断面で観測される任意の金属銅の、長手方向の一端部から他端部を結んだときに最長となる直線距離を表す。また、金属銅の短手方向の長さとは、断面で観測される任意の金属銅の、短手方向の一端部から他端部を結んだときに最長となる直線距離を表す。
【００２２】
断面観察における金属銅の長手方向の平均長さは、アーク放電による摺動部材のカケを抑制する観点から、１５μｍ〜１３０μｍであることが好ましく、１５μｍ〜１２０μｍであることがより好ましく、１５μｍ〜１００μｍであることがさらに好ましい。
【００２３】
断面観察における金属銅の短手方向の平均長さは、アーク放電による摺動部材のカケを抑制する観点から、５μｍ〜４０μｍであることが好ましく、５μｍ〜３０μｍであることがより好ましく、５μｍ〜２０μｍであることがさらに好ましい。
【００２４】
金属銅の長手方向の平均長さは、上述の平均アスペクト比を求めたときに得られた２０点の長手方向の長さの算術平均値とする。金属銅の短手方向の平均長さは、上述の平均アスペクト比を求めたときに得られた２０点の短手方向の長さの算術平均値とする。
【００２５】
金属銅は、銅を含有する金属であれば、特に限定されない。
【００２６】
銅を含む金属としては、例えば、銅及び銅合金からなる群より選ばれる少なくとも１種であることが好ましい。
【００２７】
摺動材料に含まれる金属銅が銅である場合、銅中には不可避的に混入する他の原子が含まれていてもよい。銅中に含まれる不可避的に混入する他の原子の割合は、０．１質量％以下であることが好ましく、０．０５質量％以下であることがより好ましい。
【００２８】
銅合金としては、例えば、チタン銅及び青銅が挙げられる。
【００２９】
摺動材料に含まれる金属銅が銅及び銅合金からなる群より選ばれる少なくとも１種である場合、摺動材料は銅を含むことが好ましい。
【００３０】
摺動材料に含まれる金属銅の割合は、３０質量％〜５５質量％であることが好ましく、３５質量％〜５０質量％であることがより好ましく、４０質量％〜４５質量％であることが更に好ましい。
【００３１】
摺動材料の炭素材は、特に制限されないが、開気孔を有する炭素材であることが好ましい。
開気孔を有する炭素材としては、黒鉛、カーボンブラック、非晶質炭素、炭素繊維が挙げられる。黒鉛としては、鱗片状黒鉛等の天然黒鉛、人造黒鉛などが挙げられる。カーボンブラックとしては、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラック等が挙げられる。
【００３２】
［摺動材料の製造］
本開示の摺動材料の製造方法は、炭素材と、断面観察における平均アスペクト比が３以上の金属銅とを含有し、開気孔を有する摺動材料を製造できれば、特に限定されない。例えば、開気孔を有する炭素材に、金属銅を含浸させる方法を用いてもよい。
【００３３】
なお、炭素材として、開気孔を有する炭素材を用いる場合、炭素材の開気孔に金属銅を含浸させた後の、炭素材における残存した開気孔が、摺動材料における開気孔となる。
【００３４】
開気孔を有する炭素材は、開気孔を有する炭素材に金属銅を含浸することができれば、市販品であってもよく、また製造したものであってもよい。
【００３５】
開気孔を有する炭素材は、開気孔を有する炭素材の原料を混練する工程（以下「混練工程」と称す場合がある）と、混練物を非酸化雰囲気下で焼成する工程（以下「焼成工程」と称す場合がある）と、を含んで製造することができる。本開示の摺動材料は、その他の工程を更に含んでいてもよい。例えば、混練工程と、焼成工程との間に、混練物を粉砕する工程（以下「粉砕工程」と称す場合がある）と、粉砕物を成形する工程（以下「成形工程」と称す場合がある）と、を順に含んで製造されてもよい。
【００３６】
（混練工程）
混練工程では、炭素材を得るための原料を混練する。
炭素材を得るための原料としては、特に限定されず、例えば、骨材と結合材を用いてもよい。
【００３７】
骨材としては、コークス、ピッチコークス、黒鉛、カーボンブラック、油煙等を使用してもよい。上記の中でも、骨材は、コークスを含むことが好ましい。
骨材は、粒子状であってもよい。骨材が粒子状である場合、骨材の平均粒子径は、１０μｍ〜３０μｍであることが好ましく、１５μｍ〜２５μｍであることがより好ましい。なお、本開示において、骨材の平均粒子径は、レーザー回折法によって測定した粒度の体積累積分布（％）において、粒子径の小さい方から積算して５０％となるときの粒子径Ｄ５０（μｍ）をいう。
【００３８】
結合材としては、タールピッチ、コールタール等を使用してもよい。上記の中でも、結合材は、タールピッチであることが好ましい。
【００３９】
摺動材料を製造する際の骨材と結合材との配合割合としては、例えば、骨材と結合材とが質量基準（骨材：結合材）で７０：３０〜４０：６０であることが好ましく、６５：３５〜４５：５５であることがより好ましい。
【００４０】
断面観察における金属銅のアスペクト比は、例えば、結合材の含有量により制御することが可能である。
【００４１】
結合材の割合が６０質量％以下の場合、焼成のときの収縮が小さくなるため、形成する開気孔の状態から形成する開気孔の空間が連続的になりやすく、金属銅を含浸した際に、開気孔の空間に合わせて金属銅も連続的に存在しやすい。その結果、銅の金属銅のアスペクト比が３以上になる傾向がある。
【００４２】
混練工程は、炭素材を得るための原料を混練することができれば、特に限定されず、例えば、ニーダー等（例えば双腕型ニーダー）の装置を用いて混練してもよい。
【００４３】
混練工程における温度は、特に限定されず、必要に応じて混練しながら加熱することが好ましい。混練しながら加熱する場合、混練温度は、１５０℃〜３００℃であることが好ましく、１８０℃〜２７０℃であることがより好ましく、２００℃〜２５０℃であることが更に好ましい。
混練温度が１５０℃以上であると、混練時間が短縮化される傾向にある。一方、混練温度が３００℃以下であると、本開示の摺動材料を用いる摺動部材の機械的強度が向上する傾向にある。
【００４４】
混練の時間は、炭素材を得るための原料を混練することができれば、特に限定されない。混練の時間は、混練物の量、骨材の配合割合、結合材の配合割合等により、適宜選定することが好ましい。
【００４５】
（粉砕工程）
粉砕工程では、混練工程により得られた混練物を粉砕する。
粉砕工程では、混練物を粉砕することができれば、装置は特に限定されず、各種粉砕機を用いてもよい。
粉砕された粒子の平均粒子径は、特に限定されず、例えば、１０μｍ〜１００μｍであることが好ましく、１０μｍ〜７０μｍであることがより好ましく、１０μｍ〜５０μｍであることが更に好ましい。但し、平均粒子径は、続く成形工程及び焼成工程後に得られる焼成品の特性を考慮して、適宜選定することができる。
【００４６】
（成形工程）
成形工程では、粉砕工程により得られた粉砕物を成形する。成形工程では、粉砕物を成形することができれば、粉砕方法及び粉砕される形状は特に限定されず、例えば、金型プレス等を用いてブロック状に成形してもよい。
成形工程では、必要に応じて圧力をかけて成形してもよい。
成形圧力は、粉砕物を成形することができれば、特に限定されず、例えば、５０ＭＰａ〜２００ＭＰａであることが好ましく、６０ＭＰａ〜１５０ＭＰａであることがより好ましく、７０ＭＰａ〜１３０ＭＰａであることが更に好ましい。
【００４７】
成形圧力が５０ＭＰａ以上であると、本開示の摺動材料を用いる摺動部材の機械的強度が向上する傾向にある。一方、成形圧力が２００ＭＰａ以下であると、続く焼成工程における揮発分の散逸の抑制が防止され易くなる。その結果、成形品に内部圧力が生じにくくなり、成形品が割れにくくなる傾向がある。
【００４８】
（焼成工程）
焼成工程では、混練物又は成型品を、窒素、アルゴン等の不活性ガスを用いた非酸化雰囲気下で焼成する。焼成工程は、混練物又は成型品を焼成することができれば、焼成方法は特に限定されない。
焼成温度は、混練物又は成型品を焼成することができれば、特に限定されず、例えば、最高到達温度が９００℃〜１８００℃であることが好ましく、１０００℃〜１５００℃であることがより好ましく、１０００℃〜１４００℃であることが更に好ましい。
【００４９】
焼成温度が９００℃以上であると、炭化が十分に進行し、摺動材料の摺動特性が向上する傾向にある。一方、焼成温度が１８００℃以下であると、焼成炉の劣化が抑制される傾向にある。
【００５０】
焼成時間は、混練物又は成型品を焼成することができれば、特に限定されない。焼成時間は、原料の配合割合、成形品の形状、焼成炉の能力等により、適宜選定することができる。なお、生産性及び生産コストの点から、焼成はできるだけ短時間で終了することがよい。具体的に最高到達温度での焼成時間は、１時間〜４００時間であることが好ましく、１０時間〜３５０時間であることがより好ましく、２０時間〜１００時間であることが更に好ましい。
【００５１】
なお、最高到達温度で加熱する前に、最高到達温度よりも低い温度で加熱する工程を経てもよい。加熱温度は、特に制限されず、例えば、６００℃〜１０００℃であることがよい。なお、この加熱工程の後は、温度を一度下げても、そのまま最高到達温度まで加熱してもよい。加熱時間は、特に制限されず、結合材等の配合割合、成形品の形状、焼成炉の能力等により、適宜選定することができる。
【００５２】
（含浸工程）
含浸工程では、炭素材の開気孔内に、金属銅を含浸させる。
含浸工程では、炭素材の開気孔内に金属銅を存在させることができれば、含浸方法は特に制限されず、例えば、金属含浸用の容器を用いてもよい。
含浸工程は、窒素、アルゴン等の不活性ガスを用いた非酸化雰囲気下とした非酸化雰囲気下で行ってもよい。非酸化雰囲気下とする場合、０．５ｋＰａ以下に減圧脱気した後に、非酸化雰囲気下とすることが好ましい。
含浸工程において加圧する場合、圧力は１０ＭＰａ〜３００ＭＰａとしてもよい。
具体的な含浸工程としては、例えば、開気孔を有する炭素材を、金属銅含浸用の容器内に配置し、必要に応じて減圧脱気をしてもよい。その後、金属銅の溶湯を流し込み、非酸化雰囲気下において加圧することにより、炭素材の開気孔内に金属銅を含有させることができる。
炭素材の開気孔内に金属銅を含浸する時間は、成形品の形状、圧力、及び温度等により、適宜選定することができ、例えば、１分間〜３０分間としてもよい。
【００５３】
［摺動部材］
摺動部材は、本開示の摺動材料を用いるものである。摺動部材としては、例えば、パンタグラフ用すり板、電動機器用ブラシ、軸受け等が挙げられる。
摺動部材は、摺動部材の形状に合わせて摺動材料を作製することにより得ることができる。また、摺動部材は、摺動材料を作製後、摺動部材の形状に合わせて摺動材料を加工することで得ることもできる。
【実施例】
【００５４】
以下、本発明を実施例に基づき更に詳細に説明するが、本発明は下記実施例により限定されるものではない。
【００５５】
［実施例１］
（炭素材の作製）
骨材として平均粒子径が２０μｍのピッチコークス６０質量％及び結合材としてタールピッチ（ＪＦＥケミカル（株）製、商品名ＰＫＬ）４０質量％を配合し、双腕型ニーダーを用いて温度２５０℃で４時間加熱混練した。この混練物を、平均粒子径２５μｍとなるように粉砕した。この粉砕粉を、寸法が１７０ｍｍ×３１０ｍｍの間口の金型に入れ、成形圧力８０ＭＰａで成形した。得られた成形品を、非酸化雰囲気で９００℃まで２４時間かけて昇温した後、９００℃で１時間保持し、その後冷却した。
その後、再度、非酸化雰囲気で３００℃３時間保持し乾燥した後、１３００℃まで４時間で昇温し、２時間保持し、その後冷却して炭素材を作製した。
【００５６】
（金属銅の含浸）
上記の焼成品を、金属含浸容器に配置し、０．５ｋＰａ以下に減圧脱気した。この状態で１３００℃に加熱した銅の溶湯中に浸漬し、窒素ガスを用いて雰囲気を２０ＭＰａまで加圧した。これにより炭素材の開気孔を銅で含浸し、炭素材の開気孔内に銅を存在させた。
【００５７】
（平均アスペクト比の評価）
上記工程により得られた摺動材料について、先述の測定方法により、断面観察における金属銅の平均アスペクト比を求めた（表１）。
【００５８】
（カケの有無の評価）
上記工程により得られた摺動材料について、電圧を０Ｖ〜１５００Ｖ、電流を０Ａ〜１００Ａに変動させ、対摺動材料として銅線（タフピッチ銅）を用いて、摺動速度を０〜９０ｋｍ／ｈで変動させながら蛇行させ、摺動面を摺動した。
カケの有無は、得られた摺動材料の摺動面を目視で確認し、材料断面を小型倒立型金属顕微鏡（ニコン（株）製、ＥＣＬＩＰＳＥ  ＭＡ  １００）を用いて２００倍で拡大し、観察することにより評価した（表１）。
【００５９】
［比較例１］
（炭素材の作製）
骨材として平均粒子径が２０μｍのピッチコークス５５質量％及び結合材としてタールピッチ（ＪＦＥケミカル（株）製、商品名ＰＫＬ）４５質量％を配合し、双腕型ニーダーを用いて温度２５０℃で４時間加熱混練した。この混練物を、平均粒子径２５μｍとなるように粉砕した。この粉砕粉を寸法が１７０ｍｍ×３１０ｍｍの間口の金型に入れ、成形圧力８０ＭＰａで成形した。得られた成形品を、非酸化雰囲気で９００℃まで２４時間かけて昇温した後、９００℃で１時間保持し、その後冷却した。その後、再度、非酸化雰囲気で３００℃３時間保持し乾燥した後、１３００℃まで４時間で昇温し、２時間保持し、その後冷却して炭素材を作製した。
【００６０】
（金属銅の含浸）
実施例１と同様の手法を用いて炭素材の開気孔内に銅を存在させた。
【００６１】
（平均アスペクト比の評価）
得られた摺動材料について、実施例１と同様の方法で、断面観察における金属銅の平均アスペクト比を求めた（表１）。
【００６２】
（カケの有無の評価）
得られた摺動材料について、実施例１と同様の方法で、カケの有無を評価した（表１）。
【００６３】
【表１】
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【００６４】
表１に示されるように、炭素材と、断面観察における平均アスペクト比が３以上である金属銅とを含有し、開気孔を有する実施例１の摺動材料では、高電圧高電流下の摺動による摺動材料のカケは抑制されていた。一方、炭素材と断面観察における金属銅の平均アスペクト比が３未満である金属銅を含有し、開気孔を有する比較例１の摺動材料では、高電圧高電流下の摺動により、摺動方向のエッジ部分において、摺動材料のカケが発生していた。従って、本発明の摺動材料は、アーク放電によるカケを抑制することがわかる。