JPH04207903A - 摺動集電用炭素材料の製造方法 - 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〕 本発明は、炭素系摺動集電材料の製造方法に関するもの
である。更に詳しくいえば、バンタクラフ摺板、電動機
用集電材料等に適用可能な炭素系摺動集電材料の製造方
法に関するものである。

〔従来の技術〕

現在、摺動集電用材料としては、大きく分類して鋳造合
金、焼結合金等の金属系材料と炭素系材料の二つかある
。

金属系摺動集電材料は、電気抵抗が極めて低く高強度を
有するが、炭素系摺動集電材料と比較してアーク発生量
か多く、高強度故に相手材の摩耗量が増加するという欠
点を有している。

従来、集電用パンククラフ摺板材料としては、主として
銅、銅−鉄合金又は銅−錫一亜鉛系合金等の鋳造合金、
銅系又は鉄系等の焼結合金等の金属系摺動集電材料か用
いられているか、近年、車両の冷房等による集電容量の
増大や車両運行速度の高速化等により、集電用パンタグ
ラフ摺板の使用環境が一段と過酷になってきている。そ
して最近は、車両の高速化に伴って離線率か増加し、機
械的摩耗量やアーク摩耗量が増大しているほか、寒冷地
におけるトロリー線の氷結がもたらす異常摩耗等の問題
や、摺動音が太きいという騒音公害等の問題も発生して
いる。そこで、これらの摩耗に対しては、摺板それ自体
だけでなく、トロリー線、起電レール等の相手材料の損
耗をも少なくする摺動特性の良好な集電材料の開発か要
望されている。また、アーク発生は、アーク摩耗のみな
らず電波障害をも引き起こすため問題視されている。

ところで、これら金属系摺動集電材料の欠点を補うこと
か可能であると期待されているものとして炭素系材料か
ある。この炭素系摺動集電材料は、良好な自己潤滑性と
比較的低い電気抵抗を有し、耐アーク性に優れており、
軽量であって摺動音も小さいという特徴を兼ね備えてお
り、上記金属系摺動集電材料の欠点をカバーすることが
できる。

しかしながら、この炭素系摺動集電材料は、金属系摺動
集電材料と比較すると電気抵抗がかなり高く、強度も極
端に低いということから、大きな力が直接作用する箇所
には使えない。また、現在、これらの炭素系摺動集電材
料はモーターブラシ等の分野で広く利用されているが、
この様な炭素系摺動集電材料を利用している分野でも、
次第にその使用条件が厳しくなってきており、その耐摩
耗性の向上や電気抵抗の低下がより一層求められている
。また、炭素系摺動集電材料は、炭素単独ではその脆性
から折損し易く、折損した場合には集電材料が飛散し危
険であるほか、最悪の場合には集電が不可能になって車
両等が停止する場合もある。

そして、現在、これら炭素系摺動集電材料の欠点を解決
すべく各方面で検討が進められている。

例えば、（１）炭素系摺動集電材料に金属を含浸させる
方法（特公昭５２−８２２号公報）や、（２）炭素材料
の原料粉末に金属粉を添加することにより電気抵抗を下
げると共に強度の向上を図るという方法（特開昭６０−
２３８．４０２号公報）が提案されており、また、（３
）炭素材料原料に金属繊維を配合して成形し焼成　　゛
する方法（特開昭６２−１９７．３５２号公報）や（４
）炭素材料原料に金属繊維を配合して押出成形した後、
焼成し、金属を含浸させる方法（特開昭６１−２４５，
９５７号公報）等も提案されている。

しかしながら、上記した（］）、（２）の方法は、強度
向上にはある程度の効果が期待できるものの、電気抵抗
の低下効率が低く、また脆性破壊の防止に対する効果は
あまり期待できない。また、（３）の方法では、金属繊
維を使用したことで電気抵抗の低下効率は高いものの、
電気抵抗を十分に低下させることが困難である。さらに
、（４）の方法では、押出成形により金属繊維を一方向
に配向させているが、この方法によると繊維の配向方向
に平行な方向にクラックが入り易く、特定の方向にはか
えって弱くなる傾向がある。

・〔発明が解決しようとする課題〕 本発明の目的は、従来の炭素系摺動集電材料と比較して
低い電気抵抗を有し、かつ、脆性破壊に対して抵抗を有
する高強度の炭素系摺動集電材料を製造する方法を提供
することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明者らは、炭素材料中に金属繊維を分散させること
で、電気比抵抗が著しく低下し、しかも炭素材料の欠点
である脆さや欠は易さが改善されることに着目し、更に
これを改善し、その後に熱処理を施すことにより物性の
改善が図れることを見出し、本発明を完成した。

本発明は、炭素質粉末原料に５ｖｏｌＸ以上６０ｖＯＩ
Ｘ未満の金属繊維を添加して混合した後、成形して焼成
し、更に熱処理する摺動集電用炭素材料の製造方法であ
る。

以下、本発明を更に詳述する。

本発明で使用する炭素質粉末原料は、ピッチコークス、
黒鉛、石炭等の炭素を主体とする粉末であり、好ましく
はピッチコークスあるいはこのピッチコークスを主体と
するものである。ピッチコークスには、石油系、石炭系
等のピッチを非酸化性雰囲気で４００〜５５０℃で熱処
理して得られる生□コークスと、その生コークスを更に
１，０００〜１，４００℃でか焼して得られるか焼コー
クスとがあるが、生コークスはそれ自体がバインダー成
分を含有するため成形性に優れているだけでなく、金属
繊維を多量に含有し得る点でも優れている。生コークス
を使用する場合、焼成時の割れや膨れが発生する確率を
減らし、歩留を上げるため、揮発分量を５〜１７ｗｔ％
、好ましくは８〜１４ｗｔ％としたものがよい。バイン
ダー成分を含有しないか焼コークス等の炭素質粉末原料
を使用する場合には、バインダーピッチ、フェノール樹
脂等のバインダーを必要とする。

そして、摺動特性を更に向上させたいときには、炭素質
粉末原料の一部として黒鉛粉を使用することか有効であ
る。黒鉛粉の添加は、生コークスを使用するときは、熱
処理する前の原料ピッチ段階で行っても、熱処理後に行
ってもよく、また、か焼コークスとバインダーピッチを
使用するときには、この三者を混練する際に行っても、
この三者を混練し粉砕した後に行ってもよい。この目的
で使用する黒鉛粉は、天然黒鉛粉、人造黒鉛粉のいずれ
でもよく、その粒径は０．５〜３０　ｏ４、好ましくは
ｌＯ〜１５０趨である。添加量は、黒鉛粉の添加効果を
出現させ、炭素質マトリックスの焼結を阻害させないた
めに、炭素質粉末原料中に０．３〜３０ｗｔ％、好まし
くは０．５〜１０ｗｔ％である。黒鉛粉を多量に添加し
たい場合には、揮発分量が多めの生コークスを使用した
り、バインダーピッチ等のバインダー成分の補充を行う
のがよい。

炭素質粉末原料中にバインダー成分が含まれていなかっ
たりあるいは不足するときには、その成形性を高め、焼
結させるために、バインダーを添加する。このバインダ
ーとしては、バインダーピッチ、フェノール樹脂等の樹
脂かある。バインターの添加量はその種類によって異な
るが、バインダーピッチを使用する場合であって、炭素
質粉末としてか焼コークス又はか焼コークスと黒鉛粉末
のようにバインダー成分を含まないものを使用するとき
は、その添加量は炭素質粉末１．００重量部に対し、５
０〜１２０重量部、好ましくは７０〜１００重量部であ
り、また、生コークスと黒鉛粉末のようにバインダー成
分を含むか不足するものを使用するときは、その添加量
は炭素質粉末１゜０重量部に対し１０〜５０重量部、好
ましくは２５〜３５重量部程度がよい。

金属繊維としては、熱処理効果のある鉄、鉄系合金、ニ
ッケル合金、ベリリウム銅、りん青銅、洋白、又はこれ
らの混合物、あるいは銅、銅系合金等との混合物かあり
、特に限定するものではないか、強度が高（、電気比抵
抗が低い金属か望ましい。しかし、熱処理を施した際に
、その金属の特性か変化しないものや、強度や耐衝撃性
か極端に低下したり、電気比抵抗か極端に上昇する等の
摺動集電材料として好ましくない変化をするものは適さ
ない。また、摺動する相手材よりも極端に硬いものは相
手材の摩耗量を増大させるし、低融点の金属では焼成時
に金属が溶は出すために焼成温度を高く設定することが
できず、いずれも好ましくない。

金属繊維の形状は、特に限定するものではないが、炭素
質マトリックスの焼結を阻害しないこと、配合を均一か
つ容易にすること等の理由から、繊維径が１　＋ｒ＋ｎ
＋以下で、繊維長が１０＝以下のものが好ましい。また
、断面形状が角ばった多角形となるビビリ切削法により
調製された金属繊維を用いると、圧縮成形時に良好な成
形体か得られ易い等の効果が生じる。

金属繊維の添加量は、炭素質粉末原料と金属繊維の合計
に対し、５ｖｏ１％以上６０ｖｏｌＸ未満、好ましくは
１０〜４５ｖｏｌＸの範囲である。金属繊維の添加量か
５ｖｏｌＸ未満では電気抵抗が充分に下がらず、また、
６０ｖｏｌに以上では炭素質原料の焼結か充分に進まず
強度の低下を招く。

炭素質粉末原料と金属繊維との混合は、ロッキンクミキ
サー、振とう式等のほぼ均一かつランタムに分散配合で
きる方法であれは、−船釣な方法でよく、特に限定され
るものではないが、混合中に大きなシュア−が作用し、
金属繊維か折れ曲かったり、切断されるような混合方法
は好ましくない。

以上のようにして得られた混合原料を、型込め成型又は
冷間静水圧プレス（ＣＩＰ）成型等の方法で成形した後
、アルゴン、窒素等の不活性ガス雰囲気下に金属繊維の
融点以下の温度、例えは、８００〜１，５００°Ｃで焼
成して炭化する。

本発明の材料を得るためには、更に、金属繊維を焼き入
れ等するための熱処理を施す。この熱処理はマトリック
スが炭素であるため、カーボンか酸化消耗する恐れがあ
る温度領域で熱処理する場合には、アルゴン、窒素等の
不活性ガス雰囲気下で行う必要があるが、それ以外は、
それぞれの金属、合金に合わせた通常の熱処理条件でよ
い。例えば鉄製の繊維を含有する場合には、オーステナ
イト化温度から急冷することにより焼き入れ処理を行っ
たり、更に焼きもどし処理を行ったりすればよく、また
、りん青銅製の繊維を含有する場合には、２２５〜２７
５℃で低温焼どんする。鉄製の繊維を含有する材料を焼
き入れ温度に保持する際には不活性ガス雰囲気下で行い
、急冷する際には数ミリ以下に粉砕したか焼コークス粒
等を材料の周囲に充填し、材料が直接大気に触れること
がないようにし、か焼コークスごと急冷して炭素マトリ
ックスが酸化消耗じないようにするのがよい。

また、直接冷媒中に投入して急冷し、その後酸化消耗し
た成形体の表面を切削してもよい。

本発明の摺動集電材料は、含有された金属繊維が特定方
向に配向しているわけではなく、特に冷間静水圧プレス
成型により製造した場合はほぼ等方向であり、いかなる
方向に使用しても高強度、低電気比抵抗等の特性を発現
するという特徴を有している。また、金属繊維で補強さ
れているために脆性破壊に対して強く、折損しても金属
繊維部分でつながるために飛散することが少なく、安全
て高強度、高耐衝撃性の集電摺動材料となる。更に、本
発明による摺動集電材料は、熱処理を施しであるので、
例えば鉄繊維を添加し、焼入れ処理を施した場合、従来
の材料と比較すると強度が高いという特徴を有している
。　、 本発明による摺動集電用炭素材料は、パンタグラフ摺板
の用途以外にも、集電材料として電動機用集電ブラシ等
の用途にも適用でき、広く応用か可能である、。

〔実施例〕

以下、実施例及び比較例に基づいて、本発明を具体的に
説明する。

実施例１ 平均粒径８趨に粉砕した揮発分１２ｗｔ％の生コークス
に、ビビリ切削法により得られた繊維径６０ＩＪＩｎ、
繊維長３Ｍの鉄繊維を２７ｖｏｌＸ添加し、２　、　０
００　ｋｇ／ｃｎｒの成形圧で幅４０ｍｍＸ長さ１２０
　ｍｍ　Ｘ厚さ２０ｍｍの大きさに成形した後、窒素雰
囲気下に３°Ｃ／ｈｒで１，０００℃まで昇温し焼成し
た。次いで、アルゴン雰囲気で９００℃にてｌｈｒ加熱
した後、氷水に投入し、焼き入れ処理を施し、摺動集電
材料を作製した。

実施例２ 鉄の繊維の添加量を５ｖｏ１％とした以外は、実施例１
と同様の方法で摺動集電材料を作製した。

実施例３ 鉄の繊維の添加量を１０ｖｏｌＸとした以外は、実施例
１と同様の方法で摺動集電材料を作製した。

実施例４ 鉄の繊維の添加量を２０ｖｏｌＮとした以外は、実施例
１と同様の方法で摺動集電材料を作製した。

実施例５ 鉄の繊維の添加量を４０ｖｏ１％とした以外は、実施例
１と同様の方法で摺動集電材料を作製した。

実施例６ 実施例１で用いた原料生コークス中に、平均粒子径１０
０趨の天然黒鉛をこの生コークスに対して１　ｗｔＸ添
加した炭素質粉末原料を調製し、この炭素質粉末原料を
使用した以外は、実施例１と同様の方法で摺動集電材料
を作製した。

比較例１ 平均粒径８趨に粉砕した揮発分１２ｗｔＸの生コークス
に、ビビリ切削法により得られた繊維径６０ＩＪＩＲ１
繊維長３論の鉄繊維を２７ｖｏｌＮ添加し、２゜０００
　ｋｇ／ｃ（の成形圧で幅４０ｍｍＸ長さ１２０ｍ×厚
さ２０ｍｍの大きさに成形した後、窒素雰囲気下に３℃
／ｈｒで１，０００℃まで昇温し焼成し、摺動集電材料
を作製した。

比較例２ 鉄の繊維の添加量を５　ｖｏｌＸとした以外は、比較例
１と同様の方法で摺動集電材料を作製した。

比較例３ 鉄の繊維の添加量をｌ　ＯｖｏｌＸとした以外は、比較
例１と同様の方法で摺動集電材料を作製した。

比較例４ 鉄の繊維の添加量を２０ｖｏ１％とした以外は、比較例
１と同様の方法で摺動集電材料を作製した。

比較例５ 鉄の繊維の添加量を４０ｖｏ１％とじた以外は、比較例
１と同様の方法で摺動集電材料を作製した。

比較例６ 平均粒径８趨に粉砕した生コークスを２，０００　ｋｇ
　／　ｃｎｆの成形圧で幅４０Ｍ×長さ１２０ｍｍＸ厚
さ２０ｍｍに成形した後、窒素雰囲気下に３°Ｃ／ｈｒ
で１，０００℃まで昇温し焼成し摺動集電材料を作製し
た。

以上の各実施例及び各比較例で準備した摺動集電用炭素
材料について、その嵩密度、電気比抵抗、曲げ強度、シ
ャルピー衝撃値を測定した。結果を第１表に示す。

この第１表の結果から明らかなように、本発明の方法に
よって得られた摺動集電用炭素材料は、従来の炭素材料
に比べて高強度であり、かつ、低い電気抵抗を有し、し
かも、耐衝撃性も高いことが判る。

第　　１　　表 （注）＊１：ｇ／ｃ耐　　＊２：μΩ・Ｃｍ＊３：　ｋ
ｇｆ／ｃｒＩ＊４：　ｋｇｆ−ｃｍ／ｃｒｄ〔発明の効
果〕 以上のように、本発明によれは、軽量で潤滑性、耐アー
ク性、低騒音性等において優れた性能を有する炭素系摺
動集電材料の特徴をそのまま継承しつつ、同時に、優れ
た低電気抵抗を有し、しかも、耐衝撃性においても良好
な極めて有用な摺動集電用炭素材料を製造することがで
きる。

特許出願人　　新日鐵化学株式会社 同　上　　　新日本製鐵株式會社

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）炭素質粉末原料に５ｖｏｌ％以上６０ｖｏｌ％未
   満の金属繊維を添加して混合した後、成形して焼成し、
   更に熱処理することを特徴とする摺動集電用炭素材料の
   製造方法。