JPH04280865A - 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】

【０００１】

【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、および電気的特性に優れた炭素・金属複合材に関
する。

【０００２】

【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。

【０００３】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（特開平２−１０７５６４）
。

【０００４】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摺板が破損し、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
。

【０００５】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。これを補うためには、金
属成分の配合量を増したり、配合する金属繊維の長さあ
るいは太さを大きくする方法が考えられるが、金属成分
を多くしたり、金属繊維のサイズを大きくすると、トロ
リー線との摩擦係数が大きくなること、およびトロリー
線との間で発生するスパークが多くなることにより、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。

【０００６】このような問題を解消するため、この発明
者らは、摺板の摺動部に摩擦特性に優れた細くて短かい
金属繊維を配合し、非摺動部に耐衝撃性に優れた長くて
太い金属繊維を配合した炭素・金属複合材を先に提案し
た（特開平２−１６０６６５）。しかしながら、この複
合材においても耐衝撃性は十分とは言えず、より一層の
衝撃強度の向上が望まれている。

【０００７】

【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
することがない耐衝撃性を具備し、さらに良好な耐摩耗
性を有する炭素・金属複合材を提供しようとするもので
ある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明者は、炭素材原
料に金属繊維または金属粉の一方または両方を配合した
炭素・金属複合材において、金属線あるいは金網を配合
することにより、耐衝撃性を飛躍的に向上できることを
見い出した。しかしながら、金属線や金網が摺動面に現
れると、摩擦抵抗やスパークの増大により安定した摩擦
特性が得られず、耐摩耗性が劣化する。

【０００９】この発明はかかる知見より、炭素・金属複
合材において、金属線や金網を非摺動部に限定して配す
るもので、その要旨は、炭素材原料に金属繊維および／
または金属粉を配合した複合材の厚み方向の一部に、金
属線および／または金網を配すること、またこの金属線
および／または金網を該複合材の取付面側に配すること
を要旨とするものである。

【００１０】

【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、耐摩耗性の面
からピッチや石炭等を１０００℃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、２０μｍ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。

【００１１】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や、各
種金属粉等種々のものを使用できる。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
繊維の大きさとしては、摩耗特性を考慮して、太さ０．
５ｍｍ以下、好ましくは０．１ｍｍ以下で、長さは１０
ｍｍ以下のものが適する。金属粉は、摩耗特性が安定し
かつ高強度の成型体を得るという観点から、粒径１００
μｍ以下のものが好ましい。

【００１２】金属線は、摺板の長手方向と平行に、かつ
摺板の全長にわたって連続して配向させることにより耐
衝撃性を大きく向上させることができる。金属線の太さ
は複合材の強度を考慮して、３ｍｍφ以下にすることが
好ましい。これは、直径の大きい金属線を用いると、金
属繊維や金属粉を含んだ炭素質マトリックスと、金属線
との接着性が弱くなり、強度が低下するためである。金
網も３ｍｍφの金属線でつくられたものが好ましい。

【００１３】複合材中の金属線や金網の間隔は特に限定
されないが、金属線や金網の直径の３倍以上であること
が好ましい。間隔が狭いと複合材の成形性が悪くなった
り、炭素材と金属線や金網との界面で剪断破壊が起り易
くなるためである。

【００１４】金属線および金網の材質としては、スチー
ル、ステンレスや、銅、青胴、真鋳等の銅合金、ニッケ
ル、ニッケル合金等の他、浸炭による衝撃強度を防ぐた
め銅、ニッケル等の炭化物生成傾向がスチールより低い
金属をメッキしたスチール等が好ましい。

【００１５】上記金属線や金網は、炭素・金属複合摺動
材の非摺動部に配合される。その場合、これらを多層に
配合することも可能である。なお、金属線や金網を摺動
部に配合することは、摺動面に現れる金属の量がばらつ
く原因となり、摩擦係数が安定せず、通電摺動時のスパ
ークが発生し易くなり、摩擦特性が不安定になるため好
ましくない。

【００１６】金属線および金網をマトリックス中に配合
する方法については、特に限定するものではないが、金
型中にある一定量の金属繊維、金属粉、炭素質原料の混
合物を装入した後、金属線または金網を置き、その上に
同じ混合物を装入して成形するという方法で容易に配合
することができる。

【００１７】成型方法としては、冷間型込め成型、加圧
加熱成型等種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／ｃｍ２以上、
好ましくは８０Ｋｇ／ｃｍ２以上とする。これは、成型
圧力が４０Ｋｇ／ｃｍ２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。

【００１８】

【実施例】図１は加圧加熱成型装置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、９は
金属線である。図２は同上の加圧加熱成型装置により成
型した金属線入り成型体を例示したもので、（Ａ）は平
面図、（Ｂ）は正面図であり、１０は摺動面、１１は非
摺動面である。

【００１９】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、さらに該原料中に金属線９を非摺動
面側に位置するように装入した後、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。得られた成型体は、図２に示すごとく、非
摺動面１１側に金属線９が成型体の長手方向と平行にか
つ成型体の全長にわたって配されている。

【００２０】

【実施例１】次に、図１に示す金型を用いた加圧加熱成
型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１０ｍｍ
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１５μｍ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１００ｍｍＨｇの減圧下４４０
℃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２４０℃のコールタールピッチを、６
０メッシュ以下に粉砕したものを用いた。金属添加物と
しては、０．０５ｍｍφ×長さ３ｍｍの低炭素鋼ファイ
バーを用い、添加量は３０体積％とした。

【００２１】これらの原料を混合して得た配合原料を、
内寸が幅１００ｍｍ×長さ２００ｍｍの金型内に、まず
成型後の厚みが２．５ｍｍになる量を装入した。続いて
この上に、線径１．０ｍｍ×長さ２００ｍｍの鋼線を、
線の長さ方向を金型の長手方向と一致させ、かつ線の間
隔を５．０ｍｍとして配置した。その後、金型内に成型
後の厚みが７．５ｍｍになる量の配合原料を装入した。 このようにして金型に装入した原料を、加圧能力５００
トンの油圧プレスを用いて加圧加熱成形（成形圧力２０
０Ｋｇ／ｃｍ２の加圧下、昇温速度５℃／分で５５０℃
まで昇温し、１時間保持後冷却）し、幅１００ｍｍ×長
さ２００ｍｍ×厚さ１０ｍｍ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１０℃／Ｈｒの昇温速度で１０００℃ま
で昇温し、４時間保持後冷却して焼成した。

【００２２】また、上記と同様の方法で、鋼線に替えて
、線径１．０ｍｍ、縦線と横線の間隔がそれぞれ５ｍｍ
の鋼製金網を配合した、幅１００ｍｍ×長さ２００ｍｍ
×厚さ１０ｍｍの成型体を得、これを上記と同じ条件で
焼成した。

【００２３】上記の方法で得られた鋼線入り炭素・金属
複合材と、金網入り炭素・金属複合材から、それぞれ幅
１０ｍｍ×長さ６０ｍｍ（厚みは焼上り後の厚みと同じ
）のテストピースを切出し、シャルピー衝撃値を測定し
た。テストピースの切出し方向は、長さ６０ｍｍの方向
が成型体の長さ２００ｍｍの方向と一致するようにした
。シャルピー衝撃値の測定は、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行った。その結果を表１
に示す。

【００２４】なお、表１には比較例として鋼線および金
網を配合せずに、コークス粉、バインダーピッチ、低炭
素鋼ファイバーのみを原料として、前記と同じ方法によ
り加圧加熱成型および焼成処理を行って得られた炭素・
金属複合材のシャルピー衝撃値を併せて示す。

【００２５】表１より明らかなごとく、一方向に配向さ
せた金属線または金網を配合した本発明品は、これらを
配合しない複合材と比べ、衝撃強度が飛躍的に向上して
いる。

【００２６】

【表１】

【００２７】

【発明の効果】以上説明したごとく、この発明に係る炭
素・金属複合材は、非摺動面側に一方向に配向した金属
線または金網を配合して衝撃特性を向上させたものであ
り、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ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明方法を実施するための加圧加熱成型装
置の一例を示す概略図である。

【図２】同上の加圧加熱成型装置により成型した金属線
入り成型体の一例を示す図で、（Ａ）は平面図、（Ｂ）
は正面図である。

【符号の説明】

１　　　　上プレスヘッド 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

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　炭素材原料に、金属繊維および／また
   は金属粉を配合した複合材であって、さらに金属線およ
   び／または金網を該複合材の厚み方向の一部に配したこ
   とを特徴とする炭素・金属複合材。
2. 【請求項２】　　金属線および／または金網を複合材の
   取付面側に配したことを特徴とする請求項１記載の炭素
   ・金属複合材。