(57)【要約】【課題】耐摩耗性に優れる摺動材料及びそれを用いる摺動部材の提供。【解決手段】炭素を含み、レーザーラマン分光法で得られたラマンスペクトルの、ＧバンドとＤバンドとの強度比であるＲ値（Ｄバンド／Ｇバンド）が、１．０〜１．３の範囲にある摺動材料及びそれを用いる摺動部材。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素を含み、レーザーラマン分光法で得られたラマンスペクトルの、ＧバンドとＤバンドとの強度比であるＲ値（Ｄバンド／Ｇバンド）が、１．０〜１．３の範囲にある摺動材料。
【請求項２】
銅及び銅合金から選ばれる少なくとも一種を含む請求項１に記載の摺動材料。
【請求項３】
請求項１又は請求項２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カーボン系摺動材料が使用されている。特にカーボンに金属を含浸したタイプの摺動材料は、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。
このカーボンに金属を含浸したタイプの摺動材料は、例えば、以下のようにして製造される。始めに、コークスを主成分とする人造黒鉛等の骨材と、タールピッチ等の結合剤とを適宜配合し、これらを混練機に投入し、２００℃〜３００℃の温度で混練する。次に、この混練物を室温まで冷却した後、平均粒径が１０μｍ〜５０μｍとなるように粉砕し、次いで５０ＭＰａ〜１５０ＭＰａの圧力で成形し、１０００℃〜１８００℃の非酸化雰囲気で焼成して焼成品を得る。更に、この焼成品に銅等の金属を含浸し製造されている。
摺動材料に対しては、更なる摺動特性の向上の要求は絶えない。摺動特性の改善のために、コークスの量、比率、種類等の変更が試みられている（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、今後予想される電車の高速化、集電容量の増大等によって、摺動材料の使用条件は一層厳しいものとなり、より耐摩耗性及び集電性の優れた摺動材料が要求されているのに対し、未だ上記特性を十分に満足する材料が得られていない。
本発明は上記従来の問題点に鑑みてなされたものであり、耐摩耗性に優れ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通りである。
＜１＞  炭素を含み、レーザーラマン分光法で得られたラマンスペクトルの、ＧバンドとＤバンドとの強度比であるＲ値（Ｄバンド／Ｇバンド）が、１．０〜１．３の範囲にある摺動材料。
＜２＞  銅及び銅合金から選ばれる少なくとも一種を含む＜１＞に記載の摺動材料。
＜３＞  ＜１＞又は＜２＞に記載の摺動材料を用いる摺動部材。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、耐摩耗性に優れ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】
【０００７】
以下、本発明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、本発明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、本発明を制限するものではない。
【０００８】
本明細書において「〜」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、本明細書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、本明細書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。
【０００９】
＜摺動材料＞
本実施形態の摺動材料は、炭素を含み、レーザーラマン分光法で得られたラマンスペクトルの、ＧバンドとＤバンドとの強度比であるＲ値（Ｄバンド／Ｇバンド）が、１．０〜１．３の範囲にあるものである。
ここで、Ｇバンドとは、ラマンスペクトルにおける１５８０ｃｍ−１付近のピークを示し、Ｄバンドとは、ラマンスペクトルにおける１３６０ｃｍ−１付近のピークを示す。
本実施形態において、Ｒ値が１．０未満であると、耐摩耗性が損なわれる傾向にある。一方、Ｒ値が１．３を超えると、同様に耐摩耗性が損なわれる傾向にある。Ｒ値としては、１．０５〜１．２５が好ましく、１．１０〜１．２０がより好ましい。
【００１０】
Ｒ値は、例えば、顕微レーザーラマン分光装置（ＤＸＲ  Ｒａｍａｎ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ、Ｔｈｅｒｍｏ  Ｆｉｓｈｅｒ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ社）等で測定することができる。測定条件としては、レーザー波長を５３２ｎｍ、レーザー出力を２ｍＷ、露光時間を２秒、露光回数を４回とすることができる。Ｒ値はラマン測定によって得られたスペクトルから、１５７０ｃｍ−１〜１６２０ｃｍ−１の範囲に検出されたピークＩｇと、１３３０ｃｍ−１〜１３６０ｃｍ−１の範囲に検出されたピークＩｄの強度比から算出される（Ｒ値＝Ｉｄ／Ｉｇ）。本明細書に記載のＲ値は、多点測定によって２５点測定して得られた各々のＲ値の平均値である。
【００１１】
本実施形態の摺動材料のＲ値は、摺動材料を構成する骨材及び結着剤の種類及び量の選択、焼成条件の調整等によって制御することができる。
【００１２】
摺動材料を製造するための原料としては、コークス、黒鉛、カーボンブラック、油煙等を骨材として使用し、結合剤としてタールピッチ、コールタール等が使用されてもよい。骨材の平均粒径は、１０μｍ〜３０μｍが好ましく、１５μｍ〜２５μｍがより好ましい。
なお、本実施形態において、平均粒径は、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。
【００１３】
摺動材料は、前記各原料を用い、加熱混練、粉砕、成形及び焼成することで製造することが可能である。
また、本実施形態の摺動材料は、必要に応じて銅及び銅合金から選ばれる少なくとも一種を含んでいてもよい。
【００１４】
加熱混練は、双腕型ニーダー等を用いて、各原料を、好ましくは１５０℃〜３００℃、より好ましくは１８０℃〜２７０℃、更に好ましくは２００℃〜２５０℃の温度で混練する。混練温度が１５０℃以上であれば混練時間が長くなりすぎることがなく、製造上好ましい。一方、混練温度が３００℃以下であれば、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。尚、混練時間については、混練物の量、骨材及び結合剤の配合割合等により変化するので、その都度適宜選定することが好ましい。
【００１５】
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。
【００１６】
粉砕は、加熱混練で得られたものを、各種粉砕機を用いて、平均粒径が好ましくは１０μｍ〜１００μｍ、より好ましくは１０μｍ〜７０μｍ、更に好ましくは１０μｍ〜５０μｍになるように粉砕することにより行われる。
但し、平均粒径は、続く成形方法及び焼成後に得られる焼成品の特性を考慮し、適宜選択することが可能である。
【００１７】
成形は、粉砕して得られた粉体を、ブロック状に金型プレス等の方法で成形することにより行われる。成形圧力は、５０ＭＰａ〜２００ＭＰａが好ましく、６０ＭＰａ〜１５０ＭＰａがより好ましく８０ＭＰａ〜１３０ＭＰａが更に好ましい。成形圧力が５０ＭＰａ以上であれば、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以下であれば、後述の焼成中に揮発分の散逸の抑制が防止され、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
【００１８】
上記により得られた成形品を焼成する場合、焼成は、窒素、アルゴン等の不活性ガスを用いた非酸化雰囲気下で焼成する方法が取られる。焼成時の最高到達温度は９００℃〜１８００℃が好ましく、１０００℃〜１５００℃がより好ましく、１０００℃〜１３００℃が更に好ましい。焼成温度が９００℃以上であれば、炭素化が十分に進行して摺動特性が向上する傾向にある。一方、焼成温度が１８００℃以下であれば、焼成炉の劣化が進みにくい傾向にある。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決められるものであり、本実施形態においては特に制限されるものではない。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。具体的には５時間〜４００時間が好ましく、１０時間〜３５０時間がより好ましく、２０時間〜１００時間が更に好ましい。
【００１９】
本実施形態の摺動材料が銅及び銅合金から選ばれる少なくとも一種を含む場合、摺動材料へ銅及び銅合金から選ばれる少なくとも一種を含有させる方法には特に限定はない。例えば、焼成して得られた本実施形態の摺動材料を金属含浸容器に配置し、０．５ｋＰａ以下に減圧脱気後、銅及び銅合金から選ばれる少なくとも一種の溶湯中に浸漬して窒素ガスにより雰囲気を５０ＭＰａ〜９０ＭＰａの範囲まで加圧することにより、摺動材料へ銅及び銅合金から選ばれる少なくとも一種を含有させることができる。
【００２０】
本実施形態の摺動材料が銅及び銅合金から選ばれる少なくとも一種を含む場合、摺動材料に含まれる銅及び銅合金から選ばれる少なくとも一種の割合は、３０質量％〜５５質量％が好ましく、３５質量％〜５０質量％がより好ましく、４０質量％〜４５質量％が更に好ましい。
【００２１】
本実施形態の摺動材料が銅を含む場合、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％以下が好ましく、０．０５質量％以下がより好ましい。
【００２２】
本実施形態の摺動材料が銅合金を含む場合、銅合金の組成としては、例えば、チタン銅及び青銅が挙げられる。
本実施形態の摺動材料が銅及び銅合金から選ばれる少なくとも一種を含む場合、本実施形態の摺動材料は銅を含むことが好ましい。
【００２３】
本実施形態の摺動材料の開気孔率は、１３％〜２５％が好ましく、１８％〜２３％がより好ましい。
本実施形態の摺動材料が銅及び銅合金から選ばれる少なくとも一種を含む場合、開気孔率は１０％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。
【００２４】
＜摺動部材＞
本実施形態の摺動部材は、本実施形態の摺動材料を用いるものである。本実施形態の摺動部材としては、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。
本実施形態の摺動部材は、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、本実施形態の摺動部材は、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】
【００２５】
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。
【００２６】
［実施例１］
骨材として平均粒径が２０μｍのピッチコークス６５質量％及び結合剤としてタールピッチ（川崎製鉄（株）製、商品名ＰＫＬ）３５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。
この後、上記の混練物を、平均粒径２５μｍに粉砕した。この粉砕粉を寸法が１５０ｍｍ×２５０ｍｍ×５０ｍｍの金型に入れ、成形圧力１００ＭＰａで成形した。得られた成形品を、窒素雰囲気で１２００℃まで１００時間かけて昇温速度が１２℃／分で昇温した後、１２００℃で１時間保持し、その後冷却した。この焼成品を金属含浸容器に配置し、０．５ｋＰａ以下に減圧脱気後、銅の溶湯中に浸漬して窒素ガスにより雰囲気を５０ＭＰａまで加圧した。得られた銅含浸摺動材料の物理特性の結果を表１に示す。またＲ値、開気孔率及び摩耗試験の結果を表２に示す。
【００２７】
［実施例２］
骨材として平均粒径が２０μｍのピッチコークス６５質量％及び結合剤としてタールピッチ（川崎製鉄（株）製、商品名ＰＫＬ）３５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。
この後、上記の混練物を、平均粒径２５μｍに粉砕した。この粉砕粉を寸法が１５０ｍｍ×２５０ｍｍ×５０ｍｍの金型に入れ、成形圧力１００ＭＰａで成形した。得られた成形品を、窒素雰囲気で１５００℃まで１００時間かけて昇温速度が１５℃／分で昇温した後、１５００℃で１時間保持し、その後冷却した。この焼成品を金属含浸容器に配置し、０．５ｋＰａ以下に減圧脱気後、銅の溶湯中に浸漬して窒素ガスにより雰囲気を５０ＭＰａまで加圧した。得られた銅含浸摺動材料の物理特性の結果を表１に示す。またＲ値、開気孔率及び摩耗試験の結果を表２に示す。
【００２８】
［実施例３］
骨材として平均粒径が２０μｍの人造黒鉛３０質量％、平均粒径が７８ｎｍのカーボンブラック１５質量％及び結合剤としてタールピッチ（川崎製鉄（株）製、商品名ＰＫＬ）５５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。この後上記の混練物を、平均粒径２５μｍに粉砕した。この粉砕粉を寸法が１５０ｍｍ×２５０ｍｍ×５０ｍｍの金型に入れ、成形圧力１００ＭＰａで成形した。得られた成形品を、窒素雰囲気で１２００℃まで１００時間かけて昇温速度が１２℃／分で昇温した後、１２００℃で１時間保持し、その後冷却した。この焼成品を金属含浸容器に配置し、０．５ｋＰａ以下に減圧脱気後、銅の溶湯中に浸漬して窒素ガスにより雰囲気を５０ＭＰａまで加圧した。得られた銅含浸摺動材料の物理特性の結果を表１に示す。またＲ値、開気孔率及び摩耗試験の結果を表２に示す。
【００２９】
［実施例４］
骨材として平均粒径が２０μｍの人造黒鉛１０質量％、平均粒径が７８ｎｍのカーボンブラック３５質量％及び結合剤としてタールピッチ（川崎製鉄（株）製、商品名ＰＫＬ）５５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。この後上記の混練物を、平均粒径２５μｍに粉砕した。この粉砕粉を寸法が１５０ｍｍ×２５０ｍｍ×５０ｍｍの金型に入れ、成形圧力１００ＭＰａで成形した。得られた成形品を、窒素雰囲気で１３００℃まで１００時間かけて昇温速度が１３℃／分で昇温した後、１３００℃で１時間保持し、その後冷却した。この焼成品を金属含浸容器に配置し、０．５ｋＰａ以下に減圧脱気後、銅の溶湯中に浸漬して窒素ガスにより雰囲気を５０ＭＰａまで加圧した。得られた銅含浸摺動材料の物理特性の結果を表１に示す。またＲ値、開気孔率及び摩耗試験の結果を表２に示す。
【００３０】
［実施例５］
骨材として平均粒径が２０μｍのピッチコークス５０質量％、平均粒径が７８ｎｍのカーボンブラック１０質量％及び結合剤としてタールピッチ（川崎製鉄（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。この後上記の混練物を、平均粒径２５μｍに粉砕した。この粉砕粉を寸法が１５０ｍｍ×２５０ｍｍ×５０ｍｍの金型に入れ、成形圧力１００ＭＰａで成形した。得られた成形品を、窒素雰囲気で１３００℃まで１００時間かけて昇温速度が１３℃／分で昇温した後、１３００℃で１時間保持し、その後冷却した。この焼成品を金属含浸容器に配置し、０．５ｋＰａ以下に減圧脱気後、銅の溶湯中に浸漬して窒素ガスにより雰囲気を５０ＭＰａまで加圧した。得られた銅含浸摺動材料の物理特性の結果を表１に示す。またＲ値、開気孔率及び摩耗試験の結果を表２に示す。
【００３１】
［比較例１］
骨材として平均粒径が２０μｍのピッチコークス６５質量％及び結合剤としてタールピッチ（川崎製鉄（株）製、商品名ＰＫＬ）３５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。この後上記の混練物を、平均粒径２５μｍに粉砕した。この粉砕粉を寸法が１５０ｍｍ×２５０ｍｍ×５０ｍｍの金型に入れ、成形圧力１００ＭＰａで成形した。得られた成形品を、窒素雰囲気で１１００℃まで１００時間かけて昇温速度が１１℃／分で昇温した後、１１００℃で１時間保持し、その後冷却した。この焼成品を金属含浸容器に配置し、０．５ｋＰａ以下に減圧脱気後、銅の溶湯中に浸漬して窒素ガスにより雰囲気を５０ＭＰａまで加圧した。得られた銅含浸摺動材料の物理特性の結果を表１に示す。またＲ値、開気孔率及び摩耗試験の結果を表２に示す。
【００３２】
［比較例２］
骨材として平均粒径が７８ｎｍのカーボンブラック６０質量％及び結合剤としてタールピッチ（川崎製鉄（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。この後上記の混練物を、平均粒径２５μｍに粉砕した。この粉砕粉を寸法が１５０ｍｍ×２５０ｍｍ×５０ｍｍの金型に入れ、成形圧力１００ＭＰａで成形した。得られた成形品を、窒素雰囲気で１１００℃まで１００時間かけて昇温速度が１１℃／分で昇温した後、１１００℃で１時間保持し、その後冷却した。この焼成品を金属含浸容器に配置し、０．５ｋＰａ以下に減圧脱気後、銅の溶湯中に浸漬して窒素ガスにより雰囲気を５０ＭＰａまで加圧した。得られた銅含浸摺動材料の物理特性の結果を表１に示す。またＲ値、開気孔率及び摩耗試験の結果を表２に示す。
【００３３】
［比較例３］
骨材として平均粒径が２０μｍの人造黒鉛５５質量％及び結合剤としてタールピッチ（川崎製鉄（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。この後上記の混練物を、平均粒径２５μｍに粉砕した。この粉砕粉を寸法が１５０ｍｍ×２５０ｍｍ×５０ｍｍの金型に入れ、成形圧力１００ＭＰａで成形した。得られた成形品を、窒素雰囲気で１１００℃まで１００時間かけて昇温速度が１１℃／分で昇温した後、１１００℃で１時間保持し、その後冷却した。この焼成品を金属含浸容器に配置し、０．５ｋＰａ以下に減圧脱気後、銅の溶湯中に浸漬して窒素ガスにより雰囲気を５０ＭＰａまで加圧した。得られた銅含浸摺動材料の物理特性の結果を表１に示す。またＲ値、開気孔率及び摩耗試験の結果を表２に示す。
【００３４】
開気孔率は、下記方法により測定した。
開気孔率は、銅含浸摺動材料から６ｍｍ×６ｍｍ×１８ｍｍに切り出し加工した試験片を使用して、ＱＵＡＮＴＡ ＣＨＲＭＥ社製のＡＵＴＯ ＡＣＡＮ−３３型水銀ポロシメータによる測定を実施し、その値から得られる細孔分布曲線に基づいて算出した。
摩耗試験は、５ｍｍ×５ｍｍ×２５ｍｍの試験片（摺動面５ｍｍ×５ｍｍ）を外径寸法φ３００ｍｍの銅リング上で摺動させて行なった。周速は３０ｍ／ｓ、面圧は０．３ＭＰａ、電流は２０Ａとして５時間試験を行ない、摩耗量を測定した。
比抵抗は、下記方法により測定した。
銅含浸摺動材料から、１０ｍｍ×１０ｍｍ×５０ｍｍの試験片を切り出し、試験片の両端を電流端子で挟み、１Ａの電流を通電する。試験片の中央部に１ｃｍの間隔の電圧降下測定端子を押し付け、電圧降下を読み、比抵抗を測定した。
曲げ強さは、下記方法により測定した。
銅含浸摺動材料から、１０ｍｍ×１０ｍｍ×５０ｍｍの試験片を切り出して、ＪＩＳ規格「ＪＩＳ Ｒ ７２１２」に準じて実施した。
硬度は、下記方法により測定した。
銅含浸摺動材料から、１０ｍｍ×１０ｍｍ×５０ｍｍの試験片を切り出して、Ｄ型ショア硬度計を用いて、ＪＩＳ規格「ＪＩＳ Ｚ １１４６」に準じて、３点以上の成形加圧面について実施し、その平均値を算出した。
シャルピー衝撃値は、下記方法により測定した。
銅含浸摺動材料から、１０ｍｍ×１０ｍｍ×５５ｍｍの試験片を切り出し、支点間距離が４０ｍｍとなるように試験片をシャルピー衝撃試験機に設置して測定した。
【００３５】
【表１】
2017052662.tif 000002
【００３６】
【表２】
2017052662.tif 000003
【００３７】
表２に示されるように、実施例１〜実施例５は、比較例１〜比較例３に比べて摩耗量が少なく、耐摩耗性が確認された。
本発明の摺動材料は、いずれも物理特性を満足した上で耐摩耗性に優れていることがわかる。