JPH02160664A - 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、耐摩耗性、耐衝撃性および曲げ強度と
電気比抵抗の優れた炭素・金属複合材に関する。

従来の技術 電気車両等の１習動、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・金属複合摺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、
金属繊維ヤ金属粉を配合し、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、（置板の使用時、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興（ハンガイ
ヤ）に摺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１凹板が破損し、その
破片等が周囲に飛散し、非常に危険である。

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１習板と比較し、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
低いことにある。そこで、これを補うために金属成分の
配合口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。

さらに、炭素・金属複合材は従来の金属焼結系摺板と比
較し、電気比抵抗が高いとい欠点がある。

電気比抵抗が高いと、ジュール熱によりトロリー線温度
の上昇を招き、高テンションが付与されたトロリー線が
断線にいたる可能性がおり、非常に危険である。

炭素・金属複合材の電気比抵抗が高い原因は、この場合
も基本的に炭素の電気比抵抗が高いことにある。そこで
、例えば銅のような電気比抵抗の低い金属成分の配合量
を増Ｖば電気比抵抗の低下は可能となるが、前記したよ
うに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、炭素・金属
複合材の問題点である、耐摩耗性と耐衝撃性の両立の困
難性、電気比抵抗を容易に低下し得ないという問題を解
決し、優れた耐衝撃性および耐摩耗性を具備し、かつ電
気比抵抗の低い炭素・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、次のことが判明した。

金属繊維はアスペクト比（繊維長／繊維径）が大きいた
め補強効果が大きく、複合材の静的強度、衝撃強度の向
上に寄与するが、同一アスペクト比比いては繊維径の小
さいものほど高い強度が得られる。

しかし、衝撃強度は静的強度とは逆に、繊維径が大きく
かつ繊維長の長い繊維の方が高い衝撃強度を示すという
、静的強度とは相反する結果を示す。

また、アスペクト比については、同一材質の場合アスペ
クト比が大きいほど複合材の静的強度、衝撃強度共に向
上することはよく知られているが、アスペクト比が大き
くなると、他の原料と混合した場合にファイバーボール
すなわち繊維のからみあった凝集物が生じやすくなり、
配合量を少なくせざるを得ない。

この発明者は、以上の知見に基づきさらに検討を重ねた
結果、繊維のハイブリッド化ずなわ５２種類以上の繊維
を配合させることが有効であることを見い出した。

例えば、繊維径の小さい金属繊維と、少量の繊維径が大
きくかつ繊維長が艮い金属繊維を配合させると、静的強
度は若干低下するものの、衝撃強度は著しく向上するこ
とを見い出した。

また、同一径で長さの異なる繊維を配合させることによ
っても、上記と同様の効果が得られることを見い出した
。

ざらに、繊維の大きざのみならず、繊維の材質において
もハイブリッド化を適用できることが判明した。

例えば鉄系の繊維と銅系の繊維と組合せることによって
、耐摩耗性と電気比抵抗を両立させることが可能となる
ことを見い出した。

すなわち、この発明は金属繊維の長さと太さと材質の少
なくとも一つが異なる２種以上の金属繊維を配合させる
ことによって得られる、耐摩耗性、耐衝撃性および電気
比抵抗の優れた炭素・金属複合材を要旨とするものであ
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
性樹脂等柱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、耐
摩耗性の面からピッチや石炭等を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、２０．ｉｚｍ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、
これをざ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。

なあ、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、銅ファイバー等種々の金属繊維を使用することがで
きる。このうち、摩耗特性を発現させるのに有効な金属
繊維としては低炭素鋼スチールファイバーが好適でおり
、また電気比抵抗を下げるのには銅フフ・イバーが適す
る。したがって、これらの金属繊維は要求される特性に
応じて適宜選択使用する。

各種金属繊維の形状、サイズ等は特に限定されないが、
サイズについては太さ０．５ｓ以下、長さ１Ｍ以上のも
のが強度向上効果が大きい。金属繊維の形状は針状、く
さび状、波状、網状、あるいはそれらの混合物のいずれ
も使用可能である。

この発明において、長さ、太さ、材質のいずれか一つが
異なる２種以上の金属繊維を配合することとしたのは、
前記したとおり一種では炭素・金属複合材の特性、すな
わち耐摩耗性、耐衝撃性、電気比抵抗等の改善に限度が
おるためでおる。

なお、長さの異なる金属繊維を配合する場合、その長さ
の比は少なくとも２倍以上おることが好ましい。そして
、その配合比率は摩耗特性と衝撃強度を考慮すると、長
い繊維の比率が短かい繊維の１０〜４０％程度であるこ
とが望ましい。

全金属繊維の配合量は特に限定されず、５０〜６０体積
％の高い配合率においても高強度で優れた耐摩耗性、耐
衝撃性が得られるが、スパーク特性を考慮すると４０〜
５０体積％程度が好ましい。

この発明に係る炭素・金属複合材の成型方法としては、
冷間型込め成型、押出し成型、加圧加熱成型等様々の方
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’Ｃ
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４０に９４以上、好ましくは８０ｋｑ
Ｊ以上とする。これは、成型圧力が４０ｋｉ４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・金属複合材が得られないためでおる。

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（刀を加熱し、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１０００℃で炭化後、直径１０ｍのステンレス球を詰
めた振動ミルで粉砕して得た平均粒径１２項のコークス
粉を用いた。

バインダーピッチとしては、コールタールを６０ｓＨ（
Ｊの減圧下４３０°Ｃで２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２７０℃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。

金属繊維には下記４種を用いた。

（ａ）　０．０５　＃Ｘ　Ｏ，０５ＭＸ長さ３ＩｒＩＭ
の低炭素鋼ファイバー （ｂ）０．１ｍＸ　０．１履Ｘ長ざ６ＩｒＩ！ｒ１の低
炭素鋼ファイバー （Ｃ）　０．５ｍＸ　０．５履Ｘ長さ２５Ｎｒ１の低炭
素鋼ファイバー （ｄ）　０．０５　ａｍＸ　Ｏ，０５＃１ｌｌｌＸ長さ
３＃の銅フフイバー 本実施例ではこれらの原料を第１表に示す配合比で混合
して得た成型原料を、内寸が幅１００＃Ｘ長ざ２００ｍ
の金型に装入した後、加圧能力５００ｔＯｎの油圧プレ
スを用い成型圧力２００に３／　ｃｉｔの加圧下５℃／
分の昇温速度で５００’Ｃまで昇温し、１時間保持後冷
却して、幅１００ｍｘ長さ２００ｇｘ厚さ１０履の成形
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１０ｍＸ長ざ６０ｍ
ｍ　（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、曲げ強度および電気比抵抗
値を測定した。

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履Ｘ長さ８Ｍ×
高さ１０Ｍ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、摺動圧１ｉ１１００−当りの摩耗体積を算出した。

く摩耗試験条件〉 なお第１表には比較のため、１種類の金属繊維を用い、
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、１種類の繊維で構成した比
較例は、いずれも摩耗量と衝撃値が両立できていないの
に対し、本発明はいずれも摩耗特性および衝撃特性共に
優れ、電気比抵抗も低い複合材が得られた。

以下余白 上記シャルピー衝撃値、曲げ強度、摩耗量および電気比
抵抗値を第１表に示す。

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
、大きさ、材質の異なる２種類以上の金属繊維を配合さ
せたことによって摩耗特性、衝撃特性、ざらには電気比
抵抗を向上さ・せたものであるから、パンタグラフ用店
板として優れた特性を発揮し、そのもたらす効果は甚大
である。

【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ある。

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って、長さ
   と太さと材質の少なくとも一つが異なる２種以上の金属
   繊維を配合したことを特徴とする炭素・金属複合材。