JPH06172029A - 炭素・金属複合材およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】曲げ強度、耐摩耗性に優れたパンタグラフ用摺
板に好適な炭素・金属複合材を提供する。 【構成】炭素骨材、バインダーピッチ等からなる炭素材
原料に、樹枝形状の電解銅粉を１０〜４０体積％の配合
率で混合する。この混合物を５００〜６００℃の温度で
加圧加熱成型し、焼成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、摺動集電材料、特に
鉄道用パンタグラフ摺板に好適な、曲げ強度と耐摩耗性
に優れた炭素・金属複合材とその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】最近の鉄道用パンタグラフ摺板として
は、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・金属複合材が採用されつつある。そして、この
ような炭素・金属複合材は、カーボン摺板として（１）
サヤとボルト、（２）ロウ接、（３）有機系の接着剤に
よりパンタグラフ舟に取付けられる。

【０００３】パンタグラフ用カーボン摺板として使用さ
れる炭素・金属複合材としては、炭素材の気孔に特定の
金属を加圧含浸させたもの（特公昭５６−１４７３２号
公報等参照）、コークス粉等の炭素骨材と、ピッチおよ
び金属繊維を混合し、５００℃程度の温度で加圧加熱成
型し、焼成して得られた炭素・金属複合材（特開昭６１
−２４５９５７号公報等参照）等が知られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記した従来
のパンタグラフ用摺板として使用される炭素・金属複合
材およびその製造方法には、以下に記載する問題点があ
った。金属含浸法により製造される炭素・金属複合材の
場合は、多孔質な炭素に金属を含浸させるのに高温高圧
を使用するため、設備や処理コストが高くつくこと、ま
た一般的に大きなポアを有しているため使用時にアーク
により受ける高熱で金属が流出すると、材料自体の強度
が著しく低下するといった問題がある。

【０００５】これに対し、コークス粉等の炭素骨材と、
ピッチおよび金属繊維を混合し、加圧加熱成型した後、
焼成する方法を本発明者らは先に提案した（特開昭６１
−２４５９５７号）。この方法では、ポアが小さいため
アークによる強度低下は小さい。しかしながら、金属繊
維径が通常５０μｍ以上と粗大であるため、摺板摩耗が
多い上、繊維と炭素界面にクラックが発生しやすく、曲
げ強度もまだ十分高いとは言えなかった。

【０００６】この発明は、パンタグラフ用カーボン摺板
として使用される炭素・金属複合材の前記問題点に鑑
み、曲げ強度等の強度特性と耐摩耗性に優れた炭素・金
属複合材とその製造方法を提案しようとするものであ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明は前記の、コー
クス粉等の炭素骨材と、ピッチおよび金属繊維を混合
し、５００℃程度の温度で加圧加熱成型する方法をベー
スに、従来の金属繊維に替えて、添加金属に樹枝形状の
電解銅粉を用いることによって曲げ強度と耐摩耗性が著
しく改善されることを見い出したもので、その要旨は、
炭素質マトリックス中に金属粉を含む炭素・金属複合材
であって、該金属粉が樹枝形状の電解銅粉であることを
特徴とし、またその製造方法として、炭素骨材、バイン
ダーピッチからなる炭素材原料に、樹枝形状の電解銅粉
を１０〜４０体積％の配合率で混合し、５００〜６００
℃で加圧加熱成型した後、焼成することを特徴とするも
のである。

【０００８】

【作用】この発明における炭素骨材としては、石油コー
クスやピッチコークスを炭化して得られるコークス粉
や、樹脂を炭素化して得られる樹脂炭等の硬質炭素が、
耐摩耗性の面から好ましい。コークス粒径は特に限定さ
れるものではないが、粗大なものが多すぎると曲げ強度
が低下するため、通常平均粒径１０〜２０μｍのものが
使用される。

【０００９】バインダーピッチとしては、コールタール
を減圧化で熱処理して得られる高軟化点ピッチや、ナフ
タレン等の芳香族化合物を酸触媒の存在下重合して得ら
れる高軟化点ピッチ等の、流動性に優れ、かつ揮発分の
低いものが、接着性と炭化集率の面から好ましい。この
バインダーピッチの配合率は、１０〜４０体積％が適当
で、１０体積％未満では強度が低くなり、他方４０体積
％を超えると成型時原料の漏れ出し等が発生しやすくな
り好ましくない。

【００１０】次に、上記炭素材原料と混合する添加金属
として、樹枝形状の電解銅粉を用いたのは、以下に示す
理由による。炭素・金属複合材の添加金属としては、各
種金属繊維、金属粉が考えられるが、耐摩耗性の点では
金属繊維よりも微細な金属粉の方が優れている。金属粉
の材質としては、電気伝導性や耐アーク性が良好な純銅
が最も好ましい。ここで、銅粉としては、アトマイズ法
で得られる球状の粉末、粉砕法で得られる偏平な粉末、
電解法で得られる樹枝形状の粉末があるが、この中では
樹枝形状の電解銅粉が複合材の耐摩耗性、曲げ強度の面
で最も好ましい。その理由は、電解銅粉の場合は、表面
が起伏に富むことからアンカー効果により炭素質マトリ
ックスと銅粉とが強固に結合するためである。かかる理
由により、この発明では炭素材原料と混合する添加金属
として樹枝形状の電解銅粉を用いたのである。

【００１１】図１は樹枝形状の電解銅粉の顕微鏡写真、
図２は粉砕銅粉の顕微鏡写真である。すなわち、樹枝形
状の電解銅粉の場合は、太さ約１０μｍ、長さ数十μｍ
の樹脂形状（ツリー形、ブドウの房形あるいはこれらが
連なった構造）となっており、その性能は前記したとお
り、曲げ強度、耐摩耗性の優れた複合材が得られる。一
方、図２に示す粉砕銅粉の場合は、銅繊維に比べると良
好であるが、曲げ強度、耐摩耗性は樹枝形状の電解銅粉
より劣る。

【００１２】上記電解銅粉の配合率は、耐摩耗性の面か
らは少ない方が良好であるが、曲げ強度と電気抵抗との
面では多い方が良好である。そこで、曲げ強度、耐摩耗
性を満足し得る配合率として、この発明では１０〜４０
体積％と限定した。すなわち、炭素材原料に対する電解
銅粉の配合率が１０体積％未満では十分な曲げ強度が得
られず、他方４０体積％を超えると耐摩耗性が悪化し、
また重量が増しパンタグラフの運動性能が悪化するため
である。

【００１３】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５００℃以上の温度域
で加圧下に加熱することが、強度および耐摩耗性の発現
のために好ましい。他方、バインダーピッチの固化が完
了する６００℃を超える温度域でのプレス成型は、焼結
の面では無意味で、かえって急熱に伴う熱応力等で成型
体に割れが発生しやすくなるので、加圧加熱温度の上限
は６００℃とする。

【００１４】また、成型圧は少なくとも常温〜加圧加熱
最高温度の一部において、好ましくは５０ｋｇ／ｃｍ^２
以上とする。成型圧が５０ｋｇ／ｃｍ^２より低いと、バ
インダーと電解銅粉の結合力が低下し、耐摩耗性が劣化
する傾向がある。

【００１５】成型体の焼成は、常圧下においてゆるやか
な昇温速度で昇温して行うのが好ましい。焼成温度とし
ては、炭素の強度を十分に発現させるという点から９０
０℃以上が好ましく、他方、上限温度は銅の融点が１０
８３℃であるためこれを超えない温度とするのが好まし
く、通常は１０００〜１０５０℃程度で焼成する。

【００１６】このようにして得られたこの発明の炭素・
金属（銅）複合材は、従来の金属繊維や金属粉を配合し
た場合と比べ、曲げ強度、耐摩耗性が格段に優れるだけ
でなく、高いロウ接強度を有し、パンタグラフ用摺板と
して優れた性能を発揮する。

【００１７】この発明の炭素・金属（銅）複合材とロウ
接する金属板としては、通常パンタグラフの材料として
使用されるアルミニウムや鉄、銅等、種々の材質が使用
できる。

【００１８】また、接合に用いるロウ材としては、銀ロ
ウのような高融点の硬ロウ、アルミハンダのような低融
点の軟ロウのいずれでも使用できるが、接合温度の高い
硬ロウの場合にはロウ付け温度からの冷却時、炭素・金
属複合材と金属板間の熱膨張係数の違いにより発生する
炭素・金属複合材ー金属板間の応力が大きくなり、接合
面の剥離や、炭素・金属複合材、金属板の反り等のトラ
ブルが発生しやすい。このため、低温で接合可能な軟ロ
ウ付けの方が好ましい。

【００１９】炭素・金属複合材とロウ接する金属板にア
ルミニウムを用いる場合、ロウ材としてはすずー亜鉛系
またはアルミニウムー亜鉛系が適当である。これらのロ
ウ材を用い、炭素・金属複合材とアルミニウム板を面接
合する場合は、炭素・金属複合材とアルミニウム板の各
々にロウ材を膜状に溶融メッキし、このロウ材溶着面ど
うしを押付けながらロウ材の融点以上に加熱後冷却する
方法でロウ付けできる。

【００２０】ここで、接合面の酸化被膜除去および接合
性の改善のため、通常フラックスが用いられるが、アル
ミニウムについては前記のロウ材の場合、フラックス不
要の場合が多い。このような軟ロウ付けで接合されたカ
ーボン摺板と金属製舟体は、ロウ付け後の冷却時も反り
や剥離等のトラブルがなく、接合強度も良好である。

【００２１】また、金属板が銅や鉄等の場合は、ごく一
般的な電気配線用に用いられるスズー鉛系のハンダによ
る接合も可能である。

【００２２】

【実施例】

実施例１ 市販の焼成した石油コークスを、振動ボールミルで平均
粒径１５μｍに粉砕し、得られたコークス粉を成型用炭
素骨材として用いた。バインダーピッチとしては、コー
ルタールを６０ｍｍＨｇの減圧下４４０℃で１時間熱処
理して得られる、高化式フローテスターで測定した軟化
点が２５０℃のコールタールピッチを、６０メッシュ以
下に粉砕して用いた。銅粉としては、樹枝形状の電解銅
粉を用い、また比較のため、粉砕銅粉、アトマイズ銅
粉、銅繊維、銅含浸炭素、鋼繊維、黒鉛材を用いた。こ
れらの組成をまとめて表１に示す。

【００２３】次に、表１に示す成型原料を、添加金属：
コークス粉：バインダーピッチを（ａ）１０：６０：３
０、（ｂ）２０：５０：３０、（ｃ）４０：３０：３０
の３種類の配合割合（体積率）で混合し、それぞれ内径
１００ｍｍφのステンレス製金型に仕込み、加圧加熱成
型した。なお、配合の体積率は、原料の配合重量を真比
重で除して算出した配合体積より算出した。加圧加熱成
型は、昇温速度１０℃／Ｈｒで昇温し、室温から５５０
℃まで２００ｋｇ／ｃｍ^２でプレスし、５５０℃で１時
間保持後プレスしたままで室温まで冷却して行った。

【００２４】ついで、得られた複合材を粉コークスにつ
め、窒素雰囲気中、昇温速度１２℃／Ｈｒで１０４０℃
まで昇温し、２時間保持後冷却した。得られた複合材に
ついて、（イ）曲げ強度測定（３点曲げ法、テストピー
スサイズ１０ｍｍ×１０ｍｍ×６０ｍｍ、スパン４０ｍ
ｍ）、（ロ）銅板との摩耗試験（摺動速度２００ｋｍ／
Hr、摺動面１×１ｃｍ、押付け力２ｋｇｆ）を行った。
上記（イ）、（ロ）の測定結果を表２（添加金属配合率
１０％）、表３（添加金属配合率２０％）、表４（添加
金属配合率４０％）に示す。

【００２５】表２、表３、表４の結果より、樹枝形状の
電解銅粉Ａを配合した本発明は、配合比によらず同じ銅
の粉砕銅粉Ｂ、アトマイズ銅粉Ｃ、銅繊維Ｄを配合した
ものと比べても曲げ強度、耐摩耗性共に優れることがわ
かる。

【００２６】

【表１】

【００２７】

【表２】

【００２８】

【表３】

【００２９】

【表４】

【００３０】実施例２ 実施例１の供試Ｎｏ．６の複合材よりロウ接試験片（２
５ｍｍ×２５ｍｍ×２．５ｍｍ厚）を作成し、相手材と
して試験片と同寸法の鉄板と銅板を用い、ロウ接を行っ
た。

【００３１】本実施例では、ロウ材としてアルミ用ハン
ダ（日本アルミット（株）製ＳＰー２７）を、フラック
スとして日本アルミット（株）製のＳＤＧフラックスを
用いた。その際、複合材と、金属板のロウ接しようとす
る面に、ＳＤＧフラックスを塗布し、３５０℃に保持し
た窒素雰囲気の横型電気炉に入れ、５分経過したところ
でフラックスを塗布した表面にＳＰー２７ハンダ（直径
約２ｍｍの棒状）をこすりつけて溶かし、表面全体をＳ
Ｐー２７ハンダで被覆し、炉外へ取出した。次に、複合
材と金属板のハンダを塗布した面どうしを合せ、２００
ｇの重りを載せて、３５０℃に保持した横型電気炉に入
れ、１０分保持後重りを載せたまま炉外へ取出して冷却
した。このロウ接物を、面内で４分割して１０ｍｍ×１
０ｍｍ×５ｍｍ厚の剪断強度測定用試験片を４個作成
し、この試験片を引張試験機にかけて剪断試験を行い、
ロウ接面の接合強度を測定した。

【００３２】また、銅板に対しては軟ロウ材を用いたも
のについてもロウ接を行った。軟ロウとしては、電気配
線用のヤニ入りスズー鉛ハンダ（直径１．５ｍｍ）を長
さ３ｃｍに切断し、リング状に曲げて銅板と試験片の間
にはさみ、１００ｇの重りを載せて３００℃に加熱し、
窒素雰囲気にした横型電気炉に入れ１０分間保持してハ
ンダを溶解した。その後、ロウ接試験片と銅板、重りを
そのままの形で炉外へ取出し、断熱材の上で冷却した。
このロウ接した材料を４個作成し、この試験片を引張試
験機にかけて剪断試験を行い、ロウ接面の接合強度を測
定した。

【００３３】表５より明らかなごとく、電気配線用ハン
ダ、アルミハンダでもロウ接が可能で高い接合強度が得
られることを確認した。

【００３４】

【表５】

【００３５】

【発明の効果】以上説明したごとく、この発明の炭素・
金属複合材は、優れた曲げ強度と耐摩耗性を有するとと
もに、銅板や鉄板との接合手段にロウ接方式を採用する
ことができるので、パンタグラフ用カーボン摺板として
極めて好適である。また、その製造方法としても、炭素
材原料と添加金属の混合物を５００℃程度の温度で加圧
加熱成型する方法をベースとして製造することができる
ので、製造コストが高くつくことはなく、比較的安価に
高品質の炭素・金属複合材を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明における樹枝形状の電解銅粉の顕微鏡
による粒子構造を示す写真である。

【図２】一般に使用されている粉砕銅粉の顕微鏡による
粒子構造を示す写真である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 炭素質マトリックス中に金属粉を含む炭
   素・金属複合材において、該金属粉が樹枝形状の電解銅
   粉であることを特徴とする炭素・金属複合材。
2. 【請求項２】 炭素質マトリックス中に金属粉を含む炭
   素・金属複合材の製造方法において、炭素骨材、バイン
   ダーピッチ等からなる炭素材原料に、樹枝形状の電解銅
   粉を１０〜４０体積％の配合率で混合し、５００〜６０
   ０℃で加圧加熱成型した後、焼成することを特徴とする
   炭素・金属複合材の製造方法。