JPH02160662A - 炭素・金属複合材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は、主に鉄道用パンタグラフ摺板に利用可能な
複合材料に係り、特に耐摩耗性に優れ、かつ高耐衝撃性
と、優れた電気的特性を有する炭素・金属複合材に関す
る。

従来の技術 電気車両等の摺動、集電用炭素材料としては、車両の高
速化と冷房設備等による消費電力の増大に対応するため
、炭素の優れた摺動特性と金属の電気伝導性を生かした
炭素・金属複合）Ｗ板が採用されつつある。

この種の炭素・金属複合材としては、例えば■炭素材の
気孔に特定の金属を加圧含浸させる方法により製造した
複合材、■炭素材用原料に金属繊維を配合し、通常の炭
素材の成型方法で成型後、炭化する方法により製造した
複合材（特開昭６２−７２５６４＞　、■炭素材用原料
に金属繊維を一方向に配向させて配合した後、成型、焼
成する方法により製造した複合材（特開昭６２−１９７
３５２　＞がある。

しかし、上記■■■の炭素・金属系摺板は、現用品であ
る金属焼結系摺板から炭素・金属系摺板への移行期、す
なわち金属焼結系と炭素・金属系摺板の混合使用時を想
定したトロリー線（銅製）の荒れた状態での摺動時の摺
板摩耗が大きいという欠点がある。

かかる欠点を解消するため、本発明者らは、■炭素材骨
材粉とバインダーピッチを主成分とする炭素材原料に、
金属繊維や金属粉を配合し、この原料を加圧加熱成型し
た後焼成することによって、耐摩耗性の優れた炭素・金
属複合材を得る方法を先に提案した（特願昭６３−２６
２１１０＞。

ところで、摺板の使用時、トロリー線に付着した結氷や
何等かの原因により外れたトロリー線吊具（ハンガイヤ
）に１習板が激しく当ることがある。

その時、摺板の衝撃強度が低いと摺板が破損し、その破
片等が周囲に飛散し、非常に危険でおる。

したがって、摺板には耐摩耗性に加え、耐衝撃性も要求
される。

しかるに、前記した炭素・金属複合材は、従来の金属焼
結系摺板と比較し、著しく衝撃強度が劣るという共通の
欠点がある。

この衝撃強度が劣る原因は、基本的に炭素の衝撃強度が
低いことにおる。そこで、これを補うために金属成分の
配合量を増せば衝撃強度を向上できるが、金属成分が多
くなるとトロリー線との間で発生するスパークが多くな
り、トロリー線および摺板の摩耗が大きくなり好ましく
ない。

発明が解決しようとする課題 この°発明は前に述べたような実情よりみて、仮に結氷
や外れたトロリー線吊具に摺板が激しく当るようなこと
があっても、摺板が破損したりすることがない耐衝撃性
を具備し、ざらに安定したスパーク特性と良好な耐摩耗
性をもつ炭素・金属複合材を提供しようとするものであ
る。

課題を解決するための手段 この発明者は、炭素材原料に金属繊維を配合した複合材
において、金属繊維の含有量を増加させずに耐摩耗性と
耐衝撃性の両特性を併せ持つ炭素・金属複合材について
種々検討した結果、成型体の中に金属繊維の多い部分と
少ない部分をつくることにより、同一配合量で耐摩耗性
、耐衝撃性、スパーク特性を併せ持たすことが可能であ
ることを見い出した。

すなわち、摺板を例にとると、トロリー線と摺動する部
分（上部）は摩耗特性やスパーク特性が良好となるよう
に金属繊維の含有量を少なくし、他方トロリー線と摺動
しない部分（下部）は、金属繊維の含有量を多くするこ
とにより、全体として耐摩耗性および耐衝撃性に優れ、
かつスパーク特性の良好な炭素・金属複合材が得られる
ということである。

すなわち、この発明は炭素材原料に金属繊維を配合した
複合材において、金属繊維の含有率を部分的に異ならせ
た炭素・金属複合材を要旨とするものでおる。

作　　　用 この発明における炭素材原料としては、自己焼結性メソ
フェーズ粉や、コークス粉のような炭素質骨材粉とピッ
チからなる２元系原料、フェノール樹脂のような熱硬化
性樹脂等種々のものが使用できる。

ここで、２元系原料における炭素質の骨材としては、ピ
ッチや石炭等を１ｏｏｏ℃程度で炭化処理したコークス
粉や、フェノール樹脂を炭化して得られる等方性炭素等
の硬度の高いものが好ましい。

炭素質骨材の粒度は、強度や耐摩耗性の面から粒径の小
さいものが良好であり、２０Ａｔｍ以下に粉砕して使用
するのが好ましい。

バインダーピッチとしては、コールタール中ピッチや、
これをさらに熱処理して得られる高軟化点ピッチ等を使
用できる。

なお、ピッチとしては、加熱時流動性を示すもので、か
つ可及的に低揮発分の方が複合材の強度、摩耗性が向上
し好ましい。

金属繊維は、金属粒子や含浸した金属と比べ、アスペク
ト比が大きく補強効果が大きいため、同一配合量で比較
した場合、複合材の静的強度、衝撃強度の向上効果は大
きい。

金属繊維としては、スチールファイバー、スチールウー
ル、銅ファイバー等の種々の金属繊維が使用できる。こ
の中では低炭素鋼製スチールファイバーが最も良好な性
能を示す。

金属繊維の形状、サイズ等は特に限定されるものではな
いが、高強度の成型体を得るという観点から規定すると
、太さ０．５ｍｍ以下、長さ１ｍｍ以上のものが好まし
い。

金属繊維の配合量は、摺板を例にとると摩耗代に相当す
る部分は含有率を高くし、摩耗代以外の部分は含有率を
低くする。その場合の量的割合としては、例えば摩耗代
に相当する部分は１０〜４０体積％、摩耗代以外の部分
は４０〜６５体積％が好ましい。また金属繊維以外に、
金属粉を若干添加することも可能である。

このような炭素・金属繊維複合材は、金属繊維含有率の
異なる複数の混合原料を成形用金型に順次装入し、その
後成形、焼成することにより得られる。

成型方法としては、冷間型込め成型、押出し成型、加圧
加熱成型等柱々の方法が採用できる。このうち、バイン
ダーとしてピッチを使用し、加圧加熱成型する方法が最
も強度、耐摩耗性の良好な炭素・金属複合材が得られる
。

加圧加熱成型条件としては、バインダーピッチが固化す
る温度域、すなわち４８０℃以上、好ましくは５００℃
以上の温度域を加圧加熱することが必要であるため、加
圧加熱最高温度は４８０℃以上、好ましくは５００℃以
上とする。

加圧加熱成型の圧力は少なくとも常温〜加圧加熱最高温
度の一部の領域で４０ｋｇ−Ｊ以上、好ましくは８０ｋ
ｑＪ以上とする。これは、成型圧力が４０１４未満では
バインダー−金属間の結合力が低下し、良好な摩耗特性
を有する炭素・金属複合材が１ｑられないためである。

加圧加熱成型法で得られた成型体は、通常の炭素材と同
様の方法で焼成する。

実　　施　　例 第１図は加圧加熱成型用金型の一例を示す概略図で、（
１）は上プレスヘッド、（２）は下プレスヘッド（固定
）　、（３）は上金型、（４）は下金型、（５）は金枠
、（６）は成型原料、（７）はシーズヒーター（７−１
）入り熱板、（８）は断熱材でおる。

すなわち、上金型（３）と下金型（４）との間に成型原
料（６）を充填した後、シーズヒーター（７−１）に通
電して熱板（７）を加熱し、プレスヘッド（１）により
加圧する。上記金型は予熱しておいてもよい。

このような加圧加熱成型法で得られた成型体は、非酸化
性雰囲気中において金属ファイバーの融点以下の温度で
焼成することができる。

次に、第１図に示す金型を用いた加圧加熱成形法と通常
の焼成法により製造した炭素・金属複合材について説明
する。

成型用骨材としては、レギュラーグレード石油コークス
を１ｏｏｏ°ｃで炭化後、直径１０ｍのステンレス球を
詰めた振動ミルで４時間粉砕して得た平均粒径１２通の
コークス粉を用いた。

バインダーピッチとしては、コールタールを１００ｍｆ
−Ｉｔの減圧下４２０’Ｃで６時間熱処理して得られた
高化式フローテスターで測定した軟化点が２５０°Ｃの
コールタールピッチを、６０メツシユ以下に粉砕したも
のを用いた。

金属繊維としては、０．０５　ｓＸ　Ｏ，０５＃Ｘ長ざ
３ｍの低炭素鋼ファイバーを用いた。

本実施例ではこれら３種の原料を第１表に示す配合比で
混合して得たＡ−Ｄの４種の配合原料を組合せ、内寸が
幅１００ｍＸ長さ２ｏｏｓの金型内に下部、上部の順に
、各々成型後の厚みが５＃ＩＩＩになる量を分割して装
入し上下のファイバー含有量を変化させた状態で、加圧
能力５００ｔＯｎの油圧プレスを用いて加圧加熱成形（
成型圧力２００に、４の加圧下５℃／分で５５０℃まで
昇温し、１時間保持後冷却）し、幅１００ｆｉＸ長ざ２
００ＩｎＭ×厚さ１０＃の成形体を得た。

得られた成型体は、粉コークスを詰めたステンレス製容
器に入れ、窒素雰囲気下１２°Ｃ／Ｈｒの昇温速度で１
０００℃まで昇温し、４時間保持後冷却して焼成した。

得られた炭素・金属複合材から、幅１０＃×長ざ６０ｍ
（、厚みは焼上り後の厚みと同じ）のテストピースを切
出し、シャルピー衝撃値、曲げ強度を測定した。

テストピースの切出し方向は、長さ６０＃の方向が成型
体の長さ２００ｍの方向と一致するようにした。

シャルピー衝撃値は、打撃方向が成型時のプレス方向と
垂直になるようにして測定した。

曲げ強度は、曲げスパン４０ｍで成型時の上部に当る部
分より圧下して測定した。

次に、同じ炭素・金属複合材から、幅８＃ＩＸ長さ８１
１１１＋１Ｘ高さ約１０．のテストピースを、高さ方向
が成型時のプレス方向と一致するように切出し、このテ
ストピースを成型時の上面に当る面を摺動面とし、下記
条件で摩耗試験を実施し、摩耗試験後、テストピースの
厚み変化を測定し、１習動距離１００−当りの摩耗体積
を算出した。

高い比較例６，７は摩耗量が大ぎく、摩耗量と衝撃強度
を両立させることが困難であるのに対し、上下異なる原
料で構成した試験ＦＪｂ、１〜３の本発明の炭素・金属
複合材の場合は、摩耗特性およびシャルピー衝撃強度共
に優れている。

第１表 上記シャルピー衝撃値、曲げ強度、摩耗量を第２表に示
す。

なお第２表には比較のため、ファイバー含有率を上下で
同一とした原料で本発明と同一の方法により加圧加熱成
型、焼成処理を行なって１ｑられた炭素・金属複合材の
物性を併せて示す。

第１表より明らかなごとく、上下同一の原料で構成した
比較例の場合、摩耗量の小さい試験陽４゜５はシャルピ
ー衝撃強度が低く、また衝撃強度の以下余白 発明の詳細 な説明したごとく、この発明に係る炭素・金属複合材は
、耐摩耗性に優れるだけでなく、耐衝撃性も優れるため
、特にパンタグラフ用摺板として優れた特性を発揮し、
そのもたらす効果は甚大でおる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明方法を実施するための加圧加熱成型用
金型の一例を示す概略図でおる。 １・・・上ブレスヘッド　　　２・・・下プレスヘッド
３・・・上金型　　　　　　　４・・・下金型５・・・
金枠　　　　　　　　６・・・成型原料７・・・熱板　
　　　　　　　８・・・断熱材代理人　　弁理士　押田
良久１ｉＪ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 炭素材原料に金属繊維を配合した複合材であつて、当該
   金属繊維の含有率が部分的に異なることを特徴とする炭
   素・金属複合材。