(57)【要約】【課題】耐摩耗性に優れた電気車のパンタグラフに取り付けられる耐摩耗性を有する炭素系焼結すり板材料を提供する。【解決手段】炭素粉末と銅粉末を混合、成形、焼成して得られる炭素−銅複合材料によって形成される耐摩耗性を有する炭素系焼結すり板材料であって、Ｘ線回折法による炭素のｄ（００２）面間隔が０．３５〜０．３４５ｎｍとする。【選択図】　　　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素粉末と銅粉末を混合、成形、焼成して得られる炭素−銅複合材料によって形成される耐摩耗性を有する炭素系焼結すり板材料であって、Ｘ線回折法による炭素のｄ（００２）面間隔が０．３５〜０．３４５ｎｍである耐摩耗性を有する炭素系焼結すり板材料。
【請求項２】
嵩密度が２．７〜３．５ｇ／ｃｍ３で、曲げ強さが１００ＭＰａ以上で、電気比抵抗が１．５μΩ・ｍ以下である請求項１に記載の耐摩耗性を有する炭素系焼結すり板材料。
【請求項３】
前記銅粉末が平均粒径１〜２５μｍである請求項１に記載の耐摩耗性を有する炭素系焼結すり板材料。
【請求項４】
前記銅粉末が、電解銅粉末である請求項１乃至３のいずれかに記載の耐摩耗性を有する炭素系焼結すり板材料。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気車のパンタグラフに取り付けられる耐摩耗性を有する集電用炭素系焼結すり板材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気車のパンタグラフに用いられるすり板は金属系材料が使用されていたが、架線の摩耗が著しいことなどにより、より摺動性に優れた炭素系材料に移行しつつある。
【０００３】
これらの炭素系材料は、主に銅などの金属と複合化させることにより、架線の摩耗を低減することの他、すり板自身も摩耗量の少ないものが望まれている。
【０００４】
焼結タイプのすり板は、銅を溶融、黒鉛内に含浸させるいわゆる含浸タイプのすり板に比べ、摩耗量が多くなるといわれており、焼結タイプでのすり板の使用は一部の電車路線に限定されるものであった。
【０００５】
これらを改善するために、例えば、特開平５−２８７３１８号公報には、金属粉末、窒化ホウ素粉末、炭素粉末らを混合、成形、焼成してなる炭素系集電摺動材で、窒化ホウ素を０．２〜８％混合することにより耐摩耗性が向上するものが開示されている。しかしながら、窒化ホウ素は絶縁材料であり、添加率増加とともに、電気比抵抗値が増加する傾向が見られ、集電性能の低下につながるという問題がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、低摩耗で低抵抗の耐摩耗性を有する炭素系焼結すり板材料を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明者らは鋭意研究の結果、炭素比が増加すると、摩耗量が低下すること、この炭素粉末の黒鉛化度が摩耗量に影響を及ぼすことを見出し、本発明を完成した。
【０００８】
すなわち、本発明の耐摩耗性を有する炭素系焼結すり板材料は、炭素粉末と銅粉末を混合、成形、焼成して得られる炭素−銅複合材料によって形成される耐摩耗性を有する炭素系焼結すり板材料であって、Ｘ線回折法による炭素のｄ（００２）面間隔が０．３５〜０．３４５ｎｍであるものである。また、嵩密度が２．７〜３．５ｇ／ｃｍ３で、曲げ強さが１００ＭＰａ以上で、電気比抵抗が１．５μΩ・ｍ以下であるものである。また、前記銅粉末が平均粒径１〜２５μｍであるものである。また、前記銅粉末が、電解銅粉末であるものである。
【０００９】
炭素粉末の黒鉛化度を調整し、Ｘ線回折法による炭素のｄ（００２）面間隔が０．３５〜０．３４５ｎｍの炭素骨格とすることによって、従来の炭素系焼結すり板材料の摩耗量に比べ、同等以下とできる。また、平均粒径が１〜２５μｍの銅粉末を使用することにより、曲げ強さ１００ＭＰａ以上、電気比抵抗を１．５μΩ・ｍ以下とできる。すなわち、炭素粉末の黒鉛化度の最適化と銅粉末の粒径を細かくすることで、低摩耗、低抵抗の炭素系焼結すり板材料とすることができる。
【００１０】
本発明に使用される炭素原料としては、コークス、ピッチ、メソカーボンマイクロビーズ等が用いられ、特にコークスが好ましい。
【００１１】
また、銅粉末には、電解銅粉末、アトマイズド銅粉末のいずれをも使用することができるが、電解銅粉末はすり板の強度を向上させることができるので好ましい。アトマイズド銅粉末が球状であるのに対し、電解銅粉は樹枝状であるため、同一配合比の場合、炭素粉末とのからみが良く、かつ銅粉末同士の平均距離も近いので、機械的強さの向上、電気比抵抗の低減に効果的であるからである。
【００１２】
また、炭素粉末と銅粉末の比率は、焼成後の嵩密度が２．７〜３．５ｇ／ｃｍ３の範囲になるように混合される。また、銅粉末以外にも、チタン、鉄、ニッケル、スズ、モリブデン、コバルト、クロム、タングステン、銀等２％未満の金属元素の他、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＳｎＯ等の化合物、カーボンナノチューブ、天然黒鉛、人造黒鉛等を添加することもできる。
【００１３】
また、炭素のＸ線回折法による炭素のｄ（００２）面間隔が０．３５ｎｍより大きい場合は、自己潤滑性に乏しく、摩耗量が増加する。また、Ｘ線回折法による炭素のｄ（００２）面間隔が０．３４５ｎｍよりも小さい場合は、黒鉛化構造が発達し始めて柔らかくなり、摩耗量が増加する。
【００１４】
ここで、炭素のＸ線回折法による炭素のｄ（００２）面間隔を０．３５〜０．３４５ｎｍに調整するためには、炭素粉末を６００〜１４００℃で焼成することにより達成できる。
【００１５】
また、曲げ強さが１００ＭＰａ未満の場合は摩耗量が増加する。これは、耐摩耗性に寄与する炭素部分の脱落が起こりやすいためであると考えられる。
【００１６】
【実施例】
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
【００１７】
（実施例１）
Ｘ線回折法による炭素のｄ（００２）面間隔が０．３４８ｎｍの炭素粉末とバインダの計５０重量部と平均粒径３μｍの電解銅粉末５０重量部をハイスピードミキサーで混合し、金型にて３５００ｋｇ／ｃｍ２の圧力で１４０×２００×３０ｍｍに成形後、非酸化性雰囲気下、１０００℃にて焼成した。得られた試料のかさ密度は２．８ｇ／ｃｍ３、電気比抵抗１．５μΩ・ｍ、曲げ強さ１１５ＭＰａであった。なお、電気比抵抗はＪＩＳ　Ｒ　７２０２により測定した。また、曲げ強さは３点曲げ試験により測定した。この試料を室温にて２０Ａ直流条件下、４００〜８００ｒｐｍの回転速度で回転するφ３１０ｍｍの銅円板に接触させて３０分間摺動試験を行い、重量変化から摩耗量を測定した。この際、回転体と試料との間で電流の流れない非接触時間を離線率とし、離線率５％及び１０％の時の摩耗量を測定した。各摩耗量は、それぞれ２．９ｃｍ３／ｋｇｆ／万ｋｍ、９．５ｃｍ３／ｋｇｆ／万ｋｍであった。
【００１８】
（実施例２）
Ｘ線回折法による炭素のｄ（００２）面間隔が０．３４８ｎｍの炭素粉末とバインダの計４０重量部と平均粒径３μｍの電解銅粉末６０重量部をハイスピードミキサーで混合し、金型にて３５００ｋｇ／ｃｍ２の圧力で１４０×２００×３０ｍｍに成形後、非酸化性雰囲気下、１０００℃にて焼成した。得られた試料のかさ密度は３．３ｇ／ｃｍ３、電気比抵抗０．８μΩ・ｍ、曲げ強さ１１１ＭＰａであった。この試料を実施例１と同様に、室温にて２０Ａ直流条件下、４００〜８００ｒｐｍの回転速度で回転するφ３１０ｍｍの銅円板に接触させて３０分間摺動試験を行い、重量変化から摩耗量を測定した。この際、回転体と試料との間で電流の流れない非接触時間を離線率とし、離線率５％及び１０％の時の摩耗量を測定した。各摩耗量は、それぞれ５．１ｃｍ３／ｋｇｆ／万ｋｍ、１２．０ｃｍ３／ｋｇｆ／万ｋｍであった。
【００１９】
（実施例３）
Ｘ線回折法による炭素のｄ（００２）面間隔が０．３４７ｎｍの炭素粉末とバインダの計４２重量部と平均粒径１５μｍの電解銅粉末５８重量部をハイスピードミキサーで混合し、金型にて３５００ｋｇ／ｃｍ２の圧力で１４０×２００×３０ｍｍに成形後、非酸化性雰囲気下、１０００℃にて焼成した。得られた試料のかさ密度は３．０ｇ／ｃｍ３、電気比抵抗１．３μΩ・ｍ、曲げ強さ１０５ＭＰａであった。この試料を実施例１と同様に、室温にて２０Ａ直流条件下、４００〜８００ｒｐｍの回転速度で回転するφ３１０ｍｍの銅円板に接触させて３０分間摺動試験を行い、重量変化から摩耗量を測定した。この際、回転体と試料との間で電流の流れない非接触時間を離線率とし、離線率５％及び１０％の時の摩耗量を測定した。各摩耗量は、それぞれ５．０ｃｍ３／ｋｇｆ／万ｋｍ、９．１ｃｍ３／ｋｇｆ／万ｋｍであった。
【００２０】
（実施例４）
Ｘ線回折法による炭素のｄ（００２）面間隔が０．３４８ｎｍの炭素粉末とバインダの計３５重量部と平均粒径１５μｍの電解銅粉末６５重量部をハイスピードミキサーで混合し、金型にて３５００ｋｇ／ｃｍ２の圧力で１４０×２００×３０ｍｍに成形後、非酸化性雰囲気下、１０００℃にて焼成した。得られた試料のかさ密度は３．５ｇ／ｃｍ３、電気比抵抗０．６μΩ・ｍ、曲げ強さ１００ＭＰａで、であった。この試料を実施例１と同様に、室温にて２０Ａ直流条件下、４００〜８００ｒｐｍの回転速度で回転するφ３１０ｍｍの銅円板に接触させて３０分間摺動試験を行い、重量変化から摩耗量を測定した。この際、回転体と試料との間で電流の流れない非接触時間を離線率とし、離線率５％及び１０％の時の摩耗量を測定した。各摩耗量は、それぞれ６．１ｃｍ３／ｋｇｆ／万ｋｍ、１２．０ｃｍ３／ｋｇｆ／万ｋｍであった。
【００２１】
（比較例１）
Ｘ線回折法による炭素のｄ（００２）面間隔が０．３３９ｎｍの炭素粉末とバインダの計５０重量部と平均粒径３０μｍの電解銅粉末５０重量部をハイスピードミキサーで混合し、金型にて３５００ｋｇ／ｃｍ２の圧力で１４０×２００×３０ｍｍに成形後、非酸化性雰囲気下、１０００℃にて焼成した。得られた試料のかさ密度は２．７ｇ／ｃｍ３、電気比抵抗３．７μΩ・ｍ、曲げ強さ８３ＭＰａであった。この試料を実施例１と同様に、室温にて２０Ａ直流条件下、４００〜８００ｒｐｍの回転速度で回転するφ３１０ｍｍの銅円板に接触させて３０分間摺動試験を行い、重量変化から摩耗量を測定した。この際、回転体と試料との間で電流の流れない非接触時間を離線率とし、離線率５％及び１０％の時の摩耗量を測定した。各摩耗量は、それぞれ１２．０ｃｍ３／ｋｇｆ／万ｋｍ、２０．１ｃｍ３／ｋｇｆ／万ｋｍであった。
【００２２】
（比較例２）
Ｘ線回折法による炭素のｄ（００２）面間隔が０．３４７ｎｍの炭素粉末とバインダの計２８重量部と平均粒径３μｍの電解銅粉末７２重量部をハイスピードミキサーで混合し、金型にて３５００ｋｇ／ｃｍ２の圧力で１４０×２００×３０ｍｍに成形後、非酸化性雰囲気下、１０００℃にて焼成した。得られた試料のかさ密度は３．８ｇ／ｃｍ３、電気比抵抗０．４μΩ・ｍ、曲げ強さ９５ＭＰａで、であった。この試料を実施例１と同様に、室温にて２０Ａ直流条件下、４００〜８００ｒｐｍの回転速度で回転するφ３１０ｍｍの銅円板に接触させて３０分間摺動試験を行い、重量変化から摩耗量を測定した。この際、回転体と試料との間で電流の流れない非接触時間を離線率とし、離線率５％及び１０％の時の摩耗量を測定した。各摩耗量は、それぞれ１０．４ｃｍ３／ｋｇｆ／万ｋｍ、２２．０ｃｍ３／ｋｇｆ／万ｋｍであった。
【００２３】
（比較例３）
Ｘ線回折法による炭素のｄ（００２）面間隔が０．３５３ｎｍの炭素粉末とバインダの計４０重量部と平均粒径３μｍの電解銅粉末６０重量部をハイスピードミキサーで混合し、金型にて３５００ｋｇ／ｃｍ２の圧力で１４０×２００×３０ｍｍに成形後、非酸化性雰囲気下、１０００℃にて焼成した。得られた試料のかさ密度は３．４ｇ／ｃｍ３、電気比抵抗０．８μΩ・ｍ、曲げ強さ９０ＭＰａであった。この試料を実施例１と同様に、室温にて２０Ａ直流条件下、４００〜８００ｒｐｍの回転速度で回転するφ３１０ｍｍの銅円板に接触させて３０分間摺動試験を行い、重量変化から摩耗量を測定した。この際、回転体と試料との間で電流の流れない非接触時間を離線率とし、離線率５％及び１０％の時の摩耗量を測定した。各摩耗量は、それぞれ１０．７ｃｍ３／ｋｇｆ／万ｋｍ、２５．０ｃｍ３／ｋｇｆ／万ｋｍであった。
【００２４】
以上の結果を表１にまとめて示す。
【００２５】
【表１】
2004076098.tif 000002
【００２６】
表１よりわかるように、Ｘ線回折法による炭素のｄ（００２）面間隔が０．３５〜０．３４５ｎｍの範囲にある実施例１〜４の試料は、比較例１〜３の試料よりも離線率が５％及び１０％のいずれの場合も摩耗量が低減していることがわかる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明の耐摩耗性を有する炭素系焼結すり板材料は、以上のように構成されており、Ｘ線回折法による炭素のｄ（００２）面間隔が０．３５〜０．３４５ｎｍの範囲となるように調整することによって、集電容量を低下させることなく、低摩耗、高強度、低抵抗の耐摩耗性を有する炭素系焼結すり板とすることができる。