JPH1132403A

JPH1132403A - 集電装置用摺板及びその製造方法

Info

Publication number: JPH1132403A
Application number: JP19933597A
Authority: JP
Inventors: Junji Ninomiya; 淳司二宮
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 1997-07-09
Filing date: 1997-07-09
Publication date: 1999-02-02

Abstract

(57)【要約】【課題】軽量で良好な摺動特性を有し、トロリー側で
ある銅に対しての相手攻撃性が少ない集電装置用摺板及
びその製造方法を提供する。【解決手段】アルミニウムまたはアルミニウム合金の
マトリックス中にセラミック繊維及び潤滑物質を分散さ
せた複合材で、アルミナ・シリカ短繊維（２）及び潤滑
物質（３）で多孔質繊維成形体（１）を成形し、同じ型
状のキャビテイを有する加圧鋳造装置（スクイズキャス
ティングマシン）にセットし加圧鋳造を行い、摺板を製
造する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、集電装置に用いら
れる摺板及びその製造方法に関し、特にセラミック短繊
維と潤滑物質を分散させたアルミニウム系複合材の集電
装置用摺板及びその製造方法に関すものである。

【０００２】

【従来の技術】集電装置用の摺板は、トロリー線と接触
して摺動するものであるため、耐摩耗性、耐アーク性、
通電性に優れることが要求される。従来、このような要
求に応えるものとして、銅系または鉄系の焼結合金より
なる摺板が広く用いられている。しかし、鉄道車両の高
速化につれて摺板の摩耗は増大する傾向にあり、従来の
銅系または鉄系の摺板に代わる新しい摺板の登場が待た
れている。特に高速では、摺板の寿命が著しく短く、こ
のような条件での使用に耐える摺板の開発が急がれてい
る。また在来線のような鉄道車両も営業運転速度を引き
上げる傾向にあり、この面からも摺板の耐摩耗性を向上
させる必要が生じている。

【０００３】また、摺板に対する要求は最近の鉄道車両
の高速化に伴いさらに厳しさを増してきており、新たに
トロリー線に対する追随性も重要視されるようになって
きている。トロリー線に対する追随性が不十分である
と、高速走行時に離線が激しくなり、アークが頻繁に発
生して、摺板及びトロリー線の損耗が激しくなるだけで
なく、電波障害を引き起こすという問題がある。従来の
銅系または鉄系の焼結合金よりなる摺板の主成分が、比
重の大きい銅または鉄であるため、摺板自体の質量が大
きく、トロリー線に対する追随性を高めることが困難で
あった。

【０００４】さらに、摺板に要求される特性としては、
トロリー線との摺動でトロリー線に摩耗や破損をできる
だけ生じさせないことや、車両走行時に衝撃荷重により
摺板が破損し、集電トラブルをおこしたり、トロリー線
を損傷させたり、破損片が飛散して事故を起こしたりす
ることのないように十分な靭性を有することが重要であ
る。これを改善するものとして、軽量で高導電性を有す
るアルミニウムまたはアルミニウム合金を主成分とし、
これに耐摩耗性を付与する目的でセラミックス繊維、セ
ラミックス粒子及びセラミックスウィスカーのうち１種
または２種以上を分散させた複合材で構成した摺板が提
案されている（例えば特開平６−２３４０６１号公報、
特開平６−２７１９５６号公報、特開平６−２７６６０
４号公報、特開平８−３０８０１２号公報、特開平８−
３１７５０４号公報）。

【０００５】

【発明が解決しよとする課題】上記のようなアルミニウ
ム系複合材よりなる摺板は、極めて軽量で、良好な摺動
特性を有することが確認されているが、まだ次のような
問題点を有している。即ち、摺板側であるアルミニウム
系複合材は、摺動に対して摩耗量が少ないが、トロリー
側である銅に対しての相手攻撃性が高い点が上げられ
る。さらにマトリックスであるアルミニウム合金が摺動
時に優先損耗し、摺動面での見かけ繊維量の増加による
表層の脆化やマトリックスの損耗による孔の発生など
で、走行時にトロリーの衝撃でクラック破壊を起こす危
険性があった。本発明は、上記のような問題点に対応し
て、軽量で良好な摺動特性を有し、トロリー側である銅
に対しての相手攻撃性が少ない集電装置用摺板及びその
製造方法を提供するものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するためのもので、集電装置用摺板の摺動面を含む一
部が、アルミニウムまたはアルミニウム合金のマトリッ
クス中にセラミック繊維を体積充填率５〜３０％及び潤
滑物質を体積充填率３〜３０％分散させた複合材である
ことを特徴とする集電装置用摺板である。また、潤滑物
質が、大きさが６００μｍ以下の粒子であることを特徴
とするものである。

【０００７】また、潤滑物質は、カーボン、２硫化モリ
ブデン、マイカ、２硫化タングステン、窒化ボロンの１
種又は２種以上であることを特徴とするものであり、セ
ラミック繊維は、アルミナ・シリカ短繊維であることを
特徴とするものである。さらに、セラミック短繊維と潤
滑物子で多孔質繊維成形体を形成し、マトリックスとな
るアルミニウムまたはアルミニウム合金溶湯を加圧注入
し加圧下で凝固させることを特徴とする集電装置用摺板
の製造方法である。

【０００８】

【作用】本発明の集電装置用摺板の摺動面について、上
記課題を解決するため多くの試験研究を重ねた結果、見
いだしもので、アルミニウムまたはアルミニウム合金の
マトリックス中にセラミック繊維、例えばアルミナ及び
／又はシリカ短繊維を体積充填率５〜３０％と、さらに
添加成分として体積充填率３〜３０％の潤滑物質を分散
させたことにより、摺動に対して摩耗量が少なく、トロ
リー側である銅に対しての相手攻撃性を低減することが
でき、かつマトリックス部の優先摩耗を抑えることによ
る表層の脆化を防止することができるものである。摺動
集電時の摺板は、トロリー線との間で機械摩耗による表
面荒れが生じることでアークを発生し電気的摩耗が生じ
る。このような摩耗に対して本発明のセラミック繊維例
えばアルミナ・シリカ短繊維に潤滑物質を含有、分散さ
せた複合摺板は、電気摩耗を発生させる機械摩耗を低減
することに有効なもので、最終的にアークによる激しい
摩耗を抑えることができるものである。

【０００９】

【発明の実施の態様】本発明の複合材は、セラミック繊
維と潤滑物質がアルミニウムまたはアルミニウム合金の
マトリックス中に分散させたもので、潤滑物質がのマト
リックス中に均等に分散するものである。従来、複合材
に潤滑材を添加させたものは知られているが、マトリッ
クスとなるアルミ溶湯を鋳造する場合は、添加する潤滑
物質が均等に分散せることが困難であったが、潤滑物質
がセラミック繊維に構造的に分散していることにより、
均等に分散せることができるものである。

【００１０】マトリックス中に分散させるセラミック繊
維の体積充填率は５〜３０％で、好ましくは６〜３０％
である。これは体積充填率が５％未満では、摩耗に対す
る支持効果を得ることができず、トロリー側へのマトリ
ックスの凝着摩耗が顕著となる。また３０％を越える場
合は、繊維成形体への溶湯の含浸が困難となり、潤滑物
質の体積充填率との関係からも５〜３０％、好ましくは
６〜３０％である。

【００１１】マトリックス中に分散させる潤滑物質の体
積充填率は３〜３０％、好ましくは４〜３０％、であ
る。これは、体積充填率が３未満では、十分な摺板側の
耐摩耗特性及びトロリー側の凝着摩耗の低減を図ること
はできない。３０％を越えると摺板としての機械的特
性、通電特性を得ることができないので３〜３０％、好
ましくは４〜３０％である。

【００１２】このように、セラミック繊維を体積充填率
で５〜３０％及び潤滑物質を体積充填率で３〜３０％の
両者をマトリックス中に分散させるもので、これら両者
の体積充填率は摺板として所望の機械的特性、通電特性
の点から８〜６０％、好ましくは１０〜６０％である。

【００１３】また、潤滑物質の大きさが６００μｍ以下
であることが好ましい。これはマトリックス中に分散し
ている潤滑物質が６００μｍを越えると、マトリックス
から脱落しやすくなる。また摺動時に潤滑物質が均等に
分散することができないため、摩耗特性が低下して十分
な摺動特性が得られないことになる。潤滑物質は、その
粒子の形状には板状、不規則球状、球状、針状等があ
り、このような形状を含むものである。例えば、潤滑物
質の粒子形状が板状のものでは、その粒子の大きさ６０
０μｍ以下で、厚みは５０μｍ以下のものを用いる。潤
滑物質の大きさは、試料を顕微鏡または走査電子顕微鏡
の写真に撮り、写真よりその粒子の大きさを測るもの
で、その測定にあたっては、約１００個の粒子の平均の
値を示したものである。そして潤滑物質の粒子形状は板
状、不規則球状、球状、針状等の形状のものがありみる
角度により粒子の大きさに差があるので、粒子の２箇所
でその長さを測定し平均値をそれぞれの粒子の大きさと
した。具体的には、潤滑物質の粒子の形状が板状または
針状のときは、粒子の長さと幅の２箇所で測定し、その
平均をそれぞれの粒子の大きさとし、また形状が球状ま
たは不規則球状のときは、その直径の最大長さと最小長
さの２箇所で測定し、平均値をそれぞれの粒子の大きさ
とした。

【００１４】本発明の潤滑物質としては、カーボン、２
硫化モリブデン、マイカ、２硫化タングステン、窒化ボ
ロンの１種又は２種以上であることが好ましい。これら
の潤滑物質は層状組織を有し、また劈開面を有している
もので、このような鱗片状の層構造を有した潤滑物質は
層剥離を起こし易いものである。

【００１５】従来の潤滑材をマトリックス中に分散させ
たものは、上述のように潤滑材が均等に分散せることが
困難であった。さらに潤滑材がマトリックスからプルア
ウトしたり、また界面脆化による脱落等が生じ、マトリ
ックス部の優先摩耗が生じることになるものであった。
これに対して、本発明の潤滑物質がセラミック繊維に構
造的に分散し、アルミニウムまたはアルミニウム合金の
マトリックス中に分散しているものである。このように
潤滑物質がマトリックスに分散し接合されている。

【００１６】さらに前記の潤滑物質は、鱗片状の層構造
を有しているので、摺動時に潤滑物質は層剥離を起こし
て良好な潤滑性、即ち摺動耐摩耗性を発揮する。これは
層状組織を有する潤滑物質の各層間の界面の接合力が、
潤滑物質のマトリックスとの接合力より弱いため、摺動
時に潤滑物質は層剥離を起こす。また層剥離した潤滑物
質は、マトリックスであるアルミニウムまたはアルミニ
ウム合金に均等に分散する。このため良好な摺動耐摩耗
性を発揮するものである。このようにカーボン、２硫化
モリブデン、マイカ、２硫化タングステン、窒化ボロン
等の層構造を有する潤滑物質は、その層界面の接着力
が、マトリックス界面との接合力より弱いため、摺動時
にマイカの劈開面で層剥離を起こしてマトリックスに均
等に分散するので、優れた摺動耐摩耗性を発揮するもの
である。

【００１７】本発明において、セラミック繊維は、アル
ミナ及び／又はシリカ短繊維で、特にアルミナ・シリカ
短繊維が好ましい。例えば、このような短繊維は、直径
１〜１０μｍ、好ましくは３〜５μｍ、長さは１００〜
３０００μｍ好ましくは３００〜８００μｍである。

【００１８】また、本発明の複合材は、加圧鋳造法によ
りアルミ溶湯を高圧含浸させ製造するものであり、セラ
ミック繊維は、アルミ溶湯との濡れ性、加圧鋳造過程で
のアルミ溶湯との反応の点からアルミナ・シリカ短繊維
が好ましい。特に、アルミナとシリカ成分については、
シリカ成分があまり多いアルミナ・シリカ短繊維を用い
るとアルミ溶湯との濡れ性が良くなり、加圧鋳造法時の
アルミ溶湯の含浸性は良くなるが、シリカ成分とアルミ
溶湯が反応してアルミナ・シリカ短繊維の表面に好まし
くない化合物が生成することになるので、シリカ成分が
あまり多くないアルミナ・シリカ短繊維が好ましい。例
えばシリカ成分が２０重量％以下のアルミナ・シリカ短
繊維が好ましい。

【００１９】またマトリックス（母材）は、アルミニウ
ムあるいはアルミニウム合金であるので、従来の銅系ま
たは鉄系の焼結合金より軽量化が図られ、通電特性によ
り優れた集電装置用摺板となる。マトリックス（母材）
としてのアルミニウム合金は、特定のアルミニウム合金
に限定されるものではないが、具体的に例示するとその
成分は、Ｓｉ：１１．０〜１３．５ｗｔ％，Ｃｕ：０．
５０〜１．３ｗｔ％，Ｍｇ：０．８〜１．３ｗｔ％，Ｎ
ｉ：０．５０〜１．３ｗｔ％，及びＦｅ：１．０ｗｔ％
以下，Ｍｎ：０．０２ｗｔ％以下，Ｃｒ：０．１０ｗｔ
％以下，Ｚｎ：０．２５ｗｔ％以下の１種または２種以
上を含み残部Ａｌと不可避不純物よりなりアルミニウム
合金である。

【００２０】本発明に係る集電装置用摺板は、アルミニ
ウムまたはアルミニウム合金のマトリックスにセラミッ
ク短繊維と潤滑物質を分散させた複合材の部分と、その
バックの金属材の部分とで構成されることが好ましい。
またバック金属部は、複合材のマトリックスと同じアル
ミニウムまたはアルミニウム合金が好ましい。

【００２１】本発明に係る摺板の製造方法は、セラミッ
ク短繊維と潤滑物質で多孔質繊維成形体を形成し、キャ
ビティ内にセットし、マトリックスとなるアルミニウム
またはアルミニウム合金溶湯を加圧注入し加圧下で凝固
させるものである。このように潤滑物質をセラミック繊
維に混合して多孔質繊維成形体を形成しているので、潤
滑材の粒子がセラミック繊維に構造的（メカニカル）に
分散したした状態で、アルミニウムまたはアルミニウム
合金溶湯を加圧注入した後でも潤滑物質の粒子がマトリ
ックス中に偏ることなく分散されることになる。セラミ
ック短繊維と潤滑物質を混合させ、多孔質繊維成形体
（プリフォーム）を形成するに際し、バインダーを用い
ることが好ましい。例えばシリカ系無機バインダーを用
いる。

【００２２】次いでプリフォームを予め加熱してキャビ
ティ内にセットし、マトリックスとなるアルミニウムま
たはアルミニウム合金溶湯を加圧注入し、プリフォーム
に含浸させ、そして加圧下で凝固させる。得られた複合
材を機械加工にて所望形状の摺板形状に仕上げるもので
ある。また、セラミック短繊維と潤滑物質を分散させた
複合材の部分とバックの金属材の部分とで構成される摺
板の製造においては、プリフォームを金型のキャビティ
内にセットし、含浸させる加圧鋳造時にバックの金属材
を一体に加圧鋳造することが好ましい。

【００２３】具体的には、固定型と可動型よりなる分割
金型のキャビティ内に、予め加熱したプリフォーム（多
孔質繊維成形体）をセットし、中子ピン等を利用して固
定型に係止固定し可動型を型締めする。この状態で溶湯
注入口からアルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯
を加圧注入し、多孔質繊維成形体に含浸させ、そして加
圧下で凝固させるものである。その後分割金型をばら
し、溶湯注入口の凝固部を切断除去し、摺動面を軽く切
削仕上し、必要に応じさらにＴ６の熱処理を施すもので
ある。

【００２４】

【実施例】以下本発明の実施例について、図１、図２及
び表１〜表４で詳細に説明する。まず、図１に示すよう
に、アルミナ・シリカ短繊維（２）及び潤滑物質（３）
で多孔質繊維成形体（１）を成形する。多孔質繊維成形
体（１）は、摺板と同じ平面形状に成形し、同型状のキ
ャビテイを有する加圧鋳造装置（スクイズキャスティン
グマシン）にセットし加圧鋳造を行い、図２に示すよう
な複合材の部分（５）と非複合部のバックの金属部分
（６）よりなる摺板（４）を作ったる。このようにして
製造された複合材の摺板（４）から断面１０ｍｍ×２５
ｍｍの通電摩耗試験片を切削加工、穿孔加工を施し採取
した。

【００２５】表１は、試験条件を示すもので、本試験片
を周長約３ｍの回転リングを有する通電摩耗試験機にセ
ットして、通電摩耗特性を評価した。回転リングを構成
する相手材は通常のトロリー線と同じ硬銅である。表２
〜表４は、試験片の成分、及び試験結果を示すものであ
る。表２〜表４に示す本発明例のＮｏ．１〜Ｎｏ．１２
試験片は、セラミック短繊維としてアルミナ・シリカ短
繊維（成分比＝アルミナ８５％：シリカ１５％）を用
い、その繊維の体積充填率が異なるものである。比較材
も同じアルミナ・シリカ短繊維を用いた。またアルミナ
・シリカ短繊維は、その直径は平均で約３．５μｍ、そ
の長さは平均で約４００μｍのものを用いた。

【００２６】マトリックスは、本発明例のＮｏ．１〜Ｎ
ｏ．１２試験片では、アルミ合金Ａ（Ｓｉ：１１．１６
ｗｔ％，Ｆｅ：０．１３ｗｔ％，Ｃｕ：１．０３ｗｔ
％，Ｍｇ：０．８８ｗｔ％，Ｃｒ：０．００８ｗｔ％，
Ｚｎ：０．０２３ｗｔ％，Ｎｉ：０．９２ｗｔ％，残部
Ａｌのアルミニウム合金）である。また、比較材のマト
リックスも、繊維の体積充填率５％と１０％のものは、
本発明例と同じ組成のアルミ合金Ａである。繊維の体積
充填率３０％のものは、アルミ合金Ｂ（ＡＤＣ１２（Ｓ
ｉ：９．６〜１２．０ｗｔ％，Ｆｅ：１．３ｗｔ％，Ｃ
ｕ：１．５〜３．５ｗｔ％，Ｍｎ：０．５ｗｔ％以下，
Ｍｇ：０．３ｗｔ％以下，Ｚｎ：１．０ｗｔ％以下，Ｎ
ｉ：０．５ｗｔ％以下，Ｓｎ：０．３ｗｔ％以下，残部
Ａｌ）のアルミニウム合金）である。

【００２７】本発明例のＮｏ．１〜Ｎｏ．１２の試験片
は、潤滑物質を添加したもので、アルミナ・シリカ短繊
維と各種潤滑物質により構成され多孔質繊維成形体を加
圧鋳造し含浸させたものである。比較材は潤滑物質を添
加しないものである。本発明例に添加する潤滑物質は、
その粒子の大きさ３００μｍのもので、粒子の形状は板
状のもので、厚みは２０μｍである。本発明例Ｎｏ．１
〜Ｎｏ．４（表２）の潤滑物質はカーボン、Ｎｏ．５〜
Ｎｏ．８（表３）は２硫化モリブデン、Ｎｏ．９〜Ｎ
ｏ．１２（表４）はマイカである。また、本発明例のＮ
ｏ．１〜Ｎｏ．１２の試験片、及び比較材の試験片は、
複合材の部分とバックの金属部の比率は、複合材の部分
７０％、バックの金属部３０％である。

【表１】

【表２】

【表３】

【表４】

【００２８】表２〜表４から明らかなように、潤滑物質
を分散させた本発明例は、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４のカーボ
ン、Ｎｏ．５〜Ｎｏ．８の２硫化モリブデン、Ｎｏ．９
〜Ｎｏ．１２のマイカのいずれの試験片とも、比較材に
比べ無通電、通電のいずれの摺動状態でも、比摩耗量
（１０^−８ｍｍ^２／Ｎ）か少なく、耐摩耗性に優れる結
果が得られた。

【００２９】具体的には、本発明例のＮｏ．１〜Ｎｏ．
４において、カーボンの体積充填率が３％の本発明例Ｎ
ｏ．１ではアルミナ・シリカ短繊維の体積充填率が５
％、１５％、３０％と高くなるほど、無通電、通電、い
ずれの摺動状態でも比摩耗量が少ない。またカーボンの
体積充填率が３％、１０％、２０％と３０％と多くなる
ほど、無通電、通電、いずれの摺動状態でも比摩耗量か
少ない。また、Ｎｏ．５〜Ｎｏ．８の２硫化モリブデ
ン、Ｎｏ．９〜Ｎｏ．１２のマイカの試験片でも同様の
傾向であった。このように本発明例の集電装置用摺板
は、通電、無通電時のいずれの摺動状態でも良好な耐摩
耗性を発揮し、高い摺動特性を示すものである。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明にかかわる
集電装置用摺板は、軽量で摩耗量が少ないという摺動特
性を有し、トロリー側である銅に対しての相手攻撃性を
低減し、かつマトリックス部の優先摩耗を抑えることが
できるものである。また通電、無通電時のいずれの摺動
状態でも良好な耐摩耗性を発揮しするもので、軽量でト
ロリー側である銅に対しての相手攻撃性が少ない集電装
置用摺板の実用化に大きく貢献できるという顕著な効果
を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を説明する図

【図２】本発明の実施例を説明する図

【符号の説明】

１多孔質繊維成形体２アルミナ・シリカ短繊維３潤滑物質４摺板５複合部６非複合部（バックの金属部）

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【手続補正書】

【提出日】平成９年１０月６日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】発明の名称

【補正方法】変更

【補正内容】

【発明の名称】集電装置用摺板及びその製造方法

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】集電装置用摺板の摺動面を含む一部が、
アルミニウムまたはアルミニウム合金のマトリックス中
にセラミック繊維を体積充填率５〜３０％及び潤滑物質
を体積充填率３〜３０％分散させた複合材であることを
特徴とする集電装置用摺板。
【請求項２】潤滑物質が、大きさが６００μｍ以下の
粒子であることを特徴とする請求項１に記載の集電装置
用摺板。
【請求項３】潤滑物質が、カーボン、２硫化モリブデ
ン、マイカ、２硫化タングステン、窒化ボロンの１種又
は２種以上であることを特徴とする請求項１又は２に記
載の集電装置用摺板。
【請求項４】セラミック繊維が、アルミナ・シリカ短
繊維であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに
記載の集電装置用摺板。
【請求項５】セラミック短繊維と潤滑物子で多孔質繊
維成形体を形成し、マトリックスとなるアルミニウムま
たはアルミニウム合金溶湯を加圧注入し加圧下で凝固さ
せることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の
集電装置用摺板の製造方法。