JPH09291324A - 集電慴動材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 鉛、炭素等の減摩剤が少なく、軟化、溶融し
難く、またアーク放電が発生し難く、且つ耐摩耗性に優
れた集電慴動材料を提供する。 【解決手段】 銅、錫、鉛及びボロン銅等の硼素を含む
原料を使用し、不活性雰囲気、且つ減圧下、加熱し、各
成分を溶融させ、溶融混合物を成形型に流し込んで、冷
却、固化させ、硼素を含有する鋳造合金からなる集電慴
動材料を得る。硼素の含有量は０．２〜２．５モル％と
する。また、銅、錫と鉛のうちの少なくとも一方、及び
硼酸の粉末を使用し、これらを混合し、常法によって成
形し、焼成して、酸化硼素を含有する焼結合金からなる
集電慴動材料を得る。酸化硼素の含有量は０．２〜３．
５モル％とする。この集電慴動材料は、鉄道車両のパン
タグラフのすり板などとして利用することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、硼素を含有する鋳
造合金又は酸化硼素を含有する焼結合金からなる集電慴
動材料に関する。本発明の集電慴動材料は耐摩耗性に優
れ、また融点が高く、使用時、軟化、溶融し難く、鉄道
車両のパンタグラフ用のすり板、クレーン等電動式移動
体の集電用の材料などとして利用される。

【０００２】

【従来の技術】集電慴動材料は、各種の分野において幅
広く利用されている。そして、特に高速の鉄道車両のパ
ンタグラフのように、非常に過酷な条件の下に使用され
る場合は、より優れた耐摩耗性等が要求される。また、
この高速で長時間の使用に耐え得る優れた耐摩耗性の
他、良好な通電性能、被慴動体である架線の摩耗を最小
限に抑えるための潤滑性、使用中に受ける衝撃に耐え得
る機械的強度等、種々の特性も必要とされる。

【０００３】集電慴動材料は、一般に、銅（Ｃｕ）、錫
（Ｓｎ）を基本成分とする鋳造合金からなるもの、又は
焼結合金からなるものに大別される。そして、鋳造合金
からなるものでは、主な減摩剤として鉛（Ｐｂ）が使用
されている。また、焼結合金からなるものでは、炭素
（Ｃ）を添加したり、油脂成分を含浸させたりして、耐
摩耗性の向上が図られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、近年の鉄道車
両の高速化、パンタグラフの数の減少等により、パンタ
グラフ用のすり板に加わる負荷が非常に大きくなってき
ている。即ち、鉄道車両の高速化によって、パンタグラ
フと架線との離線が増加し、アーク放電が発生し易くな
っている。そのため、このアークに起因するすり板の摩
耗が非常に大きくなっている。また、パンタグラフの数
が従来の１／２或いは１／４にも減少しており、これに
よって、すり板１枚当たりの集電量が増加することも摩
耗を大きくする原因となっている。

【０００５】そのため、より耐摩耗性に優れたすり板が
必要とされており、Ｐｂ又はＣ、油脂成分等の減摩剤の
含有量を増加させた集電慴動材料からなるすり板が提供
されている。しかし、Ｐｂの含有量を増やすと材料の融
点が低下し、架線との接触、摩擦によって、軟化、溶融
し易くなり、集電面の荒れの原因となる。また、Ｃの含
有量を増やすとアーク放電がさらに発生し易くなり、集
電面の荒れがより甚だしいものとなる。

【０００６】本発明は、上記の問題を解決するものであ
り、Ｃｕを主成分とし、これにＳｎ及びＰｂなどを配合
した鋳造合金又は焼結合金に、硼素（Ｂ）或いは酸化硼
素を含有させることにより、耐摩耗性に優れ、集電面が
荒れ難い、集電慴動材料を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】第１発明の集電慴動材料
は、硼素を含有する鋳造合金又は酸化硼素を含有する焼
結合金からなることを特徴とする。また、第２発明の集
電慴動材料は、銅、錫、鉛及び硼素を含有する鋳造合金
からなり、該鋳造合金を構成する成分のモル数の合計を
１００モル％とした場合に、該硼素は０．２〜２．５モ
ル％であることを特徴とする。更に、第３発明の集電慴
動材料は、銅、錫と鉛のうちの少なくとも一方、及び酸
化硼素を含有する焼結合金からなり、該焼結合金を構成
する成分のモル数の合計を１００モル％とした場合に、
上記酸化硼素は０．２〜３．５モル％であることを特徴
とする。

【０００８】上記「硼素」は、通常、遊離した単体とし
ては存在しない。本発明では、例えばＢを２重量％程度
含有するＣｕ、所謂、ボロン銅を原料として使用するこ
とができる。この原料の形状、粒径等は特に問題とはな
らず、どのようなものを用いてもよい。上記「鋳造合
金」は、常法によって各成分金属を、不活性雰囲気下、
溶融、混合し、冷却、固化させて得られる。Ｂは２００
０℃以上の高融点であるため、溶融はしないが、金属と
直接に作用して合金中に取り込まれ、上記「集電慴動材
料」が得られる。

【０００９】また、上記「焼結合金」は、素地金属の粉
末と、焼成時、酸化硼素を生成する原料粉末とを混合
し、常法によって、成形、焼成して得られる。素地金属
の粉末の粒径は、通常、１５０μｍ程度以下とすること
が好ましい。酸化硼素を生成する原料粉末としては、通
常、硼酸が使用される。この硼酸の粉末の粒径は特に限
定はされないが、一般に数μｍ程度のものが用いられ
る。硼酸は、焼成時、約３００℃の温度で上記「酸化硼
素」となり、合金中で金属粒子間の粒界を形成するもの
と考えられる。

【００１０】第２発明の鋳造合金からなる集電慴動材料
では、Ｂが０．２モル％未満では、耐摩耗性が十分に向
上しない。また、Ｂを２．５モル％含有させれば、十分
に耐摩耗性に優れた集電慴動材料が得られ、上限値を越
えて多量に含有させる必要はない。ボロン銅等は相当に
高価なものであり、集電慴動材料のコストの面からも所
要量以上のＢを含有させることは好ましくない。このＢ
の含有量は特に０．３〜１．５モル％の範囲が好まし
く、高価なＢを必要最小限とし、且つ耐摩耗性に優れた
集電慴動材料を得ることができる。

【００１１】更に、第２発明の集電慴動材料において
は、第４発明のように、上記「錫」は３．５〜５．５モ
ル％、上記「鉛」は０．５〜２．０モル％の範囲とする
ことが好ましい。このＰｂが０．５モル％未満では、集
電慴動材料の耐摩耗性が十分に向上しない。また、Ｂを
併用する本発明では、Ｐｂを２．０モル％を越えて多量
に含有させなくても、実用的な耐摩耗性を備えた集電慴
動材料を得ることができる。更に、Ｐｂがこの程度の少
量であれば、材料の融点の低下もほとんどなく、架線と
の接触面の軟化、溶融、それによる集電面の荒れ等を生
ずるといった問題もない。

【００１２】また、Ｓｎの含有量の増加によっても耐摩
耗性の向上がみられる。そして、Ｐｂの含有量が多いほ
ど、その効果が大きい。そのため、特にＰｂの含有量が
１．０モル％以上である場合は、Ｓｎの含有量を４．０
モル％以上とすることが好ましい。これによって、耐摩
耗性がさらに向上した集電慴動材料を得ることができ
る。

【００１３】第３発明の焼結合金からなる集電慴動材料
では、酸化硼素が０．２モル％未満では、耐摩耗性が十
分に改良されない。また、３．５モル％含有させれば、
十分な耐摩耗性を有する集電慴動材料が得られる。この
上限値を越えて多量に含有させた場合は、材料の緻密性
が低下し、脆くなり、強度が低下することもある。この
酸化硼素の含有量は特に０．５〜２．５モル％の範囲が
好ましく、焼成も容易で、緻密で強度が大きく、且つ耐
摩耗性に優れた集電慴動材料を得ることができる。

【００１４】尚、上記の第３発明の集電慴動材料におい
ても、Ｓｎ及びＰｂの含有量、その上下限値の意味は第
２発明の場合と同様である。また、第３発明において、
ＳｎとＰｂのうちの一方のみ、特にＳｎのみを使用した
場合は、材料の融点の低下がなく、軟化、溶融はしない
ものの、耐摩耗性が十分に向上しないこともある。その
場合は、酸化硼素の含有量を増やして耐摩耗性をより高
めることもできる。

【００１５】本発明において使用するＣｕ、Ｓｎ及びＰ
ｂは安定な固溶体を容易に形成する。そして、本発明で
は、これら主たる成分及び硼素又は酸化硼素の他に、通
電性の向上、アーク放電の低減等を目的として、所要量
の鉄、クロム、ニッケル等を配合してもよい。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明を実施例及び比較例
によって具体的に説明する。 実験例１〜１３ 表１に示す組成（残部はＣｕであり、各成分のモル数の
合計は１００モル％である。）となるように、Ｃｕ、Ｓ
ｎ、Ｐｂ、Ｎｉ及びボロン銅（２重量％のＢを含有す
る。）を秤量し、全量６００ｇを耐熱坩堝中で、アルゴ
ン雰囲気の減圧下、１２００℃で溶融させた。その後、
溶融混合物を成形型中に流し込み、冷却、固化させて鋳
造合金を得た。

【００１７】尚、各金属及びボロン銅等の形状、寸法は
特に限定はされない。本実験例では、Ｃｕは直径及び長
さともに２ｍｍ程度の円柱状の試薬品を、また、Ｓｎ、
Ｐｂ及びＮｉは直径２〜５ｍｍ程度の球状のものを使用
した。ボロン銅は径が２〜３０ｍｍで、形状も球状、皿
状等、混ざり合ったものを使用した。

【００１８】得られた合金を加工して試片形状とし、銅
を相手材とする摩耗試験を行った。試験条件等は下記の
通りである。結果を表１に示す。 試験機；大越式摩耗試験機 摩擦速度；４．３９ｍ／秒 摩擦距離；６６．６ｍ 最終荷重；２．１７ｋｇｆ

【００１９】試験片の寸法は長さ５０ｍｍ、幅１０ｍ
ｍ、厚さが５ｍｍの平板である。この試験片の片面のほ
ぼ中心部に、直径３０ｍｍ、厚さ３ｍｍの銅製の円板の
円周端面を、押し付け荷重２ｋｇｆで直角に押し当て回
転させた。周速度は上記の摩擦速度であり、上記の摩擦
距離となるまで、接触させて（押し付けて）回転させ
た。尚、押し付け荷重は２ｋｇｆを維持するように調整
しながら試験したが、試験終了時には、所定荷重をやや
上回っていた。表１の比摩耗量は、摩耗により試験片の
中心部に生じた溝の長さを測り、この長さから所定の計
算式に基づいて算出したものである。

【００２０】

【表１】

【００２１】表１の結果によれば、Ｐｂを１．５モル％
含有する実験例１〜３では、Ｓｎの含有量によって比摩
耗量が変化しており、Ｓｎの増量とともに比摩耗量が大
きく低下していることが分かる。一方、Ｂを０．４モル
％含有させた実験例４〜１２では、Ｐｂの含有量が１．
０モル％以上の各実験例では、特にＳｎの含有量が多い
場合は、実施例２〜３と同程度の比摩耗量となってい
る。このように、少量のＢを含有させることにより、Ｐ
ｂを相当に減量しても良好な耐摩耗性を有する集電慴動
材料が得られることが分かる。

【００２２】また、Ｐｂが０．８モル％と少ない場合
も、Ｐｂを１．５モル％含有する実験例１に比べれば比
摩耗量が少なく、この程度のＰｂ量であってもＢを含有
させた効果が明らかである。尚、実験例１３はＰｂを１
０．４モル％と多量に含有する従来品であり、当然のこ
とにその比摩耗量は少なく、優れた耐摩耗性を有する材
料である。しかし、この材料は融点が低く、使用時、軟
化、溶融による集電面の荒れ等の問題を生ずることがあ
る。

【００２３】

【発明の効果】第１〜３発明によれば、集電慴動材料に
特定量のＢ又は酸化硼素を含有させることにより、従来
品に比べてＰｂ又はＣ等の減摩剤を大幅に減らすことが
できる。そのため、材料の融点の低下がほとんどなく、
また、アーク放電の発生も少なくなり、優れた耐摩耗性
を有する集電慴動材料を得ることができる。Ｐｂの含有
量は、特に第４発明のように少量とすることができる。
尚、本発明の集電慴動材料は、耐摩耗性に優れることか
ら、軸受け材料などとして利用することもできる。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 硼素を含有する鋳造合金又は酸化硼素を
   含有する焼結合金からなることを特徴とする集電慴動材
   料。
2. 【請求項２】 銅、錫、鉛及び硼素を含有する鋳造合金
   からなり、該鋳造合金を構成する成分のモル数の合計を
   １００モル％とした場合に、該硼素は０．２〜２．５モ
   ル％であることを特徴とする集電慴動材料。
3. 【請求項３】 銅、錫と鉛のうちの少なくとも一方、及
   び酸化硼素を含有する焼結合金からなり、該焼結合金を
   構成する成分のモル数の合計を１００モル％とした場合
   に、上記酸化硼素は０．２〜３．５モル％であることを
   特徴とする集電慴動材料。
4. 【請求項４】 上記錫は３．５〜５．５モル％であり、
   上記鉛は０．５〜２．０モル％である請求項２又は３記
   載の集電慴動材料。