JPH07215766A - 炭素、金属複合材の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】高い曲げ強度を有し、かつ耐摩耗性の優れた炭
素、金属複合材を製造する手段の提供。 【構成】金属繊維を配合した炭素材原料の一部にカーボ
ンブラックを用い、金属繊維と配合し、該配合原料を加
圧加熱成型した後、焼成する。 【効果】パンタグラフ用カーボン摺板として優れた特性
を発揮する炭素、金属複合材が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、パンタグラフ用カー
ボン摺板として好適な、高い曲げ強度を有する耐摩耗性
に優れた炭素、金属複合材の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】パンタグラフ用カーボン摺板に適用され
る炭素、金属複合材の製造方法としては、例えば、
（１）炭素材原料に金属ファイバーを２ｖｏｌ以上３０
ｖｏｌ未満配合した後、型込め成型、焼成する方法（特
開昭６２−７２５６４号公報参照）、（２）金属繊維お
よび／または炭素繊維を含有する炭素骨材と結合材とを
混練した混練物を押出し成型および焼成し、ついで金属
含浸を行う方法（特開昭６１−２４５９５７号公報参
照）等が提案されている。

【０００３】しかしながら、これらの方法で製造した炭
素、金属複合材の摺板は、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。
これに対し本発明者等は、加圧加熱成型法で製造した炭
素、金属複合材の摺板は、このような状態での摩耗にも
強い事を見いだし、「炭素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、金属繊維と金属粉のいずれ
か一方または両方を配合し、この配合原料を加圧加熱成
型した後、焼成する方法」を提案した（特開平２−１０
７５６４号）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このような加圧加熱成
型法（熱間）を採用した場合、従来の冷間での型込め成
型や押出し成型で製造した炭素、金属複合材よりも耐摩
耗性が向上するのに加え、曲げ強度も高くなるという特
徴があった。しかしながら、このような方法で製造した
炭素、金属複合材でも十分な耐摩耗性が得られるとは必
ずしも言えなかった。

【０００５】この発明は、高い衝撃強度を有しながら、
より高い耐摩耗性を有する炭素、金属複合材を製造し得
る方法を提案しようとするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者は、炭素材の
耐摩耗性向上にカーボンブラックが有効であること、
特開昭６１−２４５９５７号のような押出し成型におい
て炭素材原料の一部にカーボンブラックを用いた場合に
は、得られる炭素、金属複合材は若干の耐摩耗性向上効
果はあるものの曲げ強度が低下してしまうこと、それ
に対し加熱加圧成型において、炭素材原料の一部にカー
ボンブラックを用いた場合には、炭素、金属複合材は高
い曲げ強度を維持しつつ耐摩耗性の向上効果が大きく望
めることを見いだし、本発明に至った。

【０００７】すなわち、この発明に係る炭素、金属複合
材の製造方法は、炭素材原料に金属繊維を配合し、該配
合原料を加圧加熱成型した後、焼成する炭素、金属複合
材の製造方法において、前記炭素材原料の一部にカーボ
ンブラックを用いることを特徴とするものである。

【０００８】

【作用】この発明における金属繊維としては、鋼や銅等
を使用できるが、曲げ強度の観点からは、低炭素鋼製ス
ティールファイバー（軟鋼ファイバー）が好適である。
また、低炭素鋼製スティールファイバーを銅めっきして
用いると、炭化時炭素マトリックスによる浸炭反応が抑
制され、炭素、金属複合材の曲げ強度が向上するため好
ましい。

【０００９】この発明のカーボンブラック以外の炭素材
原料としては、石油コークスやピッチコークス等の炭素
質骨材と、軟化点が２００〜３００℃（高化式フローテ
スターで測定）の高軟化点ピッチからなるものが、ステ
ィールファイバーやカーボンブラックに対する結合力が
大きく好ましい。

【００１０】カーボンブラックとしては、表面積が大き
いものが炭素、金属複合材の耐摩耗性の向上に有効であ
り、ＢＥＴ法（炭素材料学会編；炭素材料実験技術１、
化学技術社、１９７８）で測定した場合、カーボンブラ
ックの窒素吸着比表面積は２０ｍ^２以上が好ましい。カ
ーボンブラックの製法、原料は種々あるが、特に影響は
受けない。このカーボンブラックの配合率としては、全
原料の１〜３０体積％が好ましい。ここで、原料の体積
％は、原料の配合重量を原料の真比重で除して算出した
配合体積の比率より求める値である。カーボンブラック
の配合率が１体積％より少ないと、その添加効果は小さ
く、他方、３０体積％を超えると、炭化時の炭素部の収
縮が大きくなり、亀裂が発生し、強度や耐摩耗性も悪化
しやすくなる。よって、カーボンブラックの配合率は全
原料の１〜３０体積％が好ましい。

【００１１】なお、カーボンブラックのマクロ的形態と
しては、数ｍｍに造粒されたペレット状のものと、造粒
されていない粉末状のものがあり、性能（強度、耐摩耗
性）的にはいずれもほとんど差異はないが、粉末品の場
合は、混合時、金型充填時に他の原料と分離しやすく、
成型体内で原料の偏析が起こりやすいため、造粒品の方
が好ましい。

【００１２】炭素材原料にカーボンブラックを添加した
場合に耐摩耗性が向上する理由は、カーボンブラックが
高い硬度を有するため、炭素、金属複合材の硬度も上昇
するためと考えられる。

【００１３】この発明では、炭素材原料の一部に上記カ
ーボンブラックを配合した原料を加圧加熱成型するが、
その成型条件としては、約５００〜６００℃の温度に加
熱した状態で、８０ｋｇｆｃｍ／ｃｍ^２以上の圧力で加
圧するのが望ましい。この加圧加熱成型により、押出し
成型の場合と比べ高い曲げ強度を維持しながら耐摩耗性
向上効果が得られる。その後、不活性雰囲気中約１００
０℃で炭化し、炭素、金属複合材とする。さらに、この
複合材を、鋼の水焼入れの手法、例えば材料を７００℃
以上まで加熱し水冷却する等の処理を行うと、複合材の
強度をより向上させることができる。

【００１４】

【実施例】図１はこの発明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、１は上プレスヘッド、２
は下プレスヘッド（固定）、３は上ダイス、４は下ダイ
ス、５は金枠、６は配合原料、７はシーズヒーター７−
１入り熱板、８は断熱材である。

【００１５】すなわち、上ダイス３と下ダイス４との間
に配合原料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、上プレスヘッド１により加圧す
る。このようにして得られた成型体は、不活性雰囲気中
約１０００℃（金属ファイバーの融点前後の温度）で焼
成する。

【００１６】実施例１ 表１に示す配合割合の原料を図１に示す加圧加熱成型装
置の内径１００ｍｍの金型に、成型終了後の高さが１５
ｍｍになる分量だけ仕込み、加圧力１６ｔｏｎ（プレス
圧約２００ｋｇｆｃｍ／ｃｍ^２）でプレスしつつ１０℃
／分で昇温し、５５０℃で１時間保持後、プレスして成
型した。その後、成型体を金型から取出し、粉コークス
中に充填して窒素雰囲気中１０℃／分で１０２０℃まで
昇温し、６時間保持して焼成して得られた炭素、金属複
合材の物性値を表１に示す。

【００１７】本実施例における金属繊維としては、軟鋼
製スティールファイバー（１００μｍ角×長さ３ｍｍ）
を、硫酸銅と硫酸を溶かしためっき液に浸漬して銅めっ
きしたスティールファイバーを用いた。炭素質骨材とし
ては、硫黄分が１％の炭化処理された市販石油コークス
を、振動ボールミルで平均粒径１１μｍに粉砕したコー
クスを用いた。カーボンブラックとしては、ＢＥＴ法に
よる窒素吸着比表面積測定値が１１５ｍ^２のもの（粒径
約１ｍｍに造粒された粒状品）を用いた。バインダーピ
ッチとしては、フローテスターでの測定による軟化点２
６０℃のコールタールピッチＣ_１を用いた。これらの原
料を、表１の割合で配合し、混練機により混合した。こ
こで、表１中の体積配合率は、各原料の重量をその真比
重、すなわちスティールファイバー７．８６ｇ／ｃ
ｍ^３、コークス２．０ｇ／ｃｍ^３、カーボンブラック
１．７２ｇ／ｃｍ^３、バインダーピッチ１．４ｇ／ｃｍ
^３で除して算出した体積より求めた値である。

【００１８】なお、比較のため、上記と同じ原料をスク
リューフィーダ付きの押出し成型機により、断面寸法２
０×２０ｍｍ、長さ２００ｍｍに押出し成型し、この成
型体を上記と同じ条件で焼成して得られた炭素、金属複
合材の物性値と、カーボンブラック未添加の原料を用い
て加圧加熱成型、焼成して得られた炭素、金属複合材の
物性値を表１に併せて示す。なお、比較例で用いたバイ
ンダーには、環球法での測定による軟化点８０℃のコー
ルタールピッチＣ_２を用いた。

【００１９】本実施例では、得られた複合材から１０×
１０×６０ｍｍの試験片４個を切出し、見掛密度を測定
後、各２個ずつ曲げ強度（曲げスパン４０ｍｍ）を測定
した。続いて、この曲げ試験片から１０×１０×１０ｍ
ｍの試験片を作成し、プレス方向と垂直な面が摺動面と
なるようにして摩耗試験を行った。比較例では押出方向
と平行な面を摺動面とした。この摩耗試験は、２０Ａの
交流電流を流しながら、１５０ｋｍ／ｈで高速回転する
銅板面にテストピースを押付けて１０分間摺動させて行
った。ここで、銅板の摺動部は、事前に摺動させて荒ら
し、摩耗試験時アーク放電が発生するようにした。

【００２０】表１の結果より、本発明法によるものＮ
ｏ．１〜３は、従来例の供試Ｎｏ．１１（カーボンブラ
ック未添加の原料を用いた押出成型体）および供試Ｎ
ｏ．１２（同じカーボンブラック未添加の原料を用いた
加圧加熱成型体）、比較例の供試Ｎｏ．４〜６（同じカ
ーボンブラック添加の原料を用いた押出成型体）（供試
Ｎｏ．７〜１０は成型不能）に比べ、曲げ強度および耐
摩耗性共に優れていることがわかる。

【００２１】

【表１】

【００２２】実施例２ カーボンブラックの種類を種々変更し、表２に示す配合
割合で、前記実施例１と同様の方法で成型、焼成、性状
試験を行った結果を表３に示す。また、これらの複合材
の比摩耗率とＢＥＴ法による窒素吸着比表面積測定値と
の関係を図１に示す。

【００２３】表２、表３の結果より、カーボンブラック
の種類を種々変更しても、曲げ強度および耐摩耗性は良
好な値を示すことがわかる。また、図１より耐摩耗性は
カーボンブラックの表面積の増大に伴い良くなることが
わかる。

【００２４】

【表２】

【００２５】

【表３】 Ｓａ：窒素吸着比表面積、比摩耗率：×１０^−７ｍｍ^３
／ｋｇｆｍｍ

【００２６】実施例３ 銅めっき処理を施していないスティールファイバーを用
い、表４に示す配合割合で、前記実施例１と同様の方法
で成型、炭化、性状試験を行った結果を表５に併せて示
す。本実施例では、炭化後の８００℃再加熱後水に投入
する熱処理は行わなかった。

【００２７】表５に示す結果より明らかなごとく、金属
繊維として銅めっき処理を施していないスティールファ
イバーを用いても、曲げ強度、シャルピー衝撃値および
耐摩耗性共に優れた炭素、金属複合材が得られた。

【００２８】

【表４】

【００２９】

【表５】 比摩耗率：×１０^−７ｍｍ^３／ｋｇｆｍｍ

【００３０】

【発明の効果】以上説明したごとく、この発明方法によ
れば、カーボンブラック含有の原料を用い、炭素、金属
複合材の特徴である高強度、高衝撃強度を低下させるこ
となく耐摩耗性を向上させることができるので、パンタ
グラフ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】この発明の実施例２における炭素、金属複合材
の比摩耗率と窒素吸着比表面積との関係を示す図であ
る。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 炭素材原料に金属繊維を配合し、該配合
   原料を加圧加熱成型した後、焼成する炭素、金属複合材
   の製造方法において、前記炭素材原料の一部にカーボン
   ブラックを用いることを特徴とする炭素、金属複合材の
   製造方法。