JP2003129150A - 集電摺動用銅系耐摩焼結合金およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 耐摩耗，耐アーク成分としてのＣｒと、潤滑
成分としての黒鉛および／または金属硫化物と、焼結素
地成分としてのＰ，Ｓｎを含有する銅系焼結合金であっ
て、潤滑強化成分として２〜６％のＢｉを含むものを改
良して、製造コスト低減や耐熱性向上を図る。 【解決手段】 ２〜６重量％であったＢｉ含有量を改良
して、「０．５重量％以上２重量％未満」とする。Ｂｉ
含有量を０．５〜２重量％に減らすと、高価な材料であ
るＢｉを節約することができ、かつ優れた耐摩耗性が損
なわれないばかりか、耐アーク性は更に向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、潤滑油を用いない
で集電摺動部分に使用される耐摩耗性と潤滑性に優れた
銅系焼結合金、特にＪＲ在来線、各私鉄において速度６
０〜１６０ｋｍ／ｈで走行する電気車のパンタグラフ用
すり板として好適な集電摺動用銅系耐摩焼結合金、およ
び、その製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ＪＲにおける現在の電気車パンタグラフ
用銅系焼結合金すり板は、在来線につきＪＲＳ１５１２
１−１Ｇ−１５ＡＲ９Ｅ（特公昭３８−１８０５８
号）、昭和５４年４月２８日改正と、ＪＲＳ１５１２１
−７Ａ−１５ＡＥ２Ｅ（特公昭５５−４４１４３号）、
昭和５７年８月３１日制定が使用されている。これら銅
系焼結合金の各銘柄の潤滑剤としては黒鉛２〜４重量
％、ＭｏＳ_２３〜５重量％の範囲で含有されている。い
ずれも各すり板についていずれか１種類の含有となって
いる。これらは各私鉄でも使用されている。

【０００３】ＪＲ在来線や各私鉄においては、現在、電
気車の速度が低速から高速まで運行が多様化しており、
これに追随出来るパンタグラフ用焼結合金すり板が求め
られている。低、中速域では従来型のすり板で対応出来
ても、速度が１６０ｋｍ／ｈに近い高速度域では、１パ
ンタグラフ当りの集電電流が著しく増加することから、
すり板に新しい機能を付与することが必要となってい
る。すなわち、当該すり板の耐摩耗性を向上させ、か
つ、相手側部材である架線の摩耗をも減少せしめ得る集
電摺動用材料の開発が切望されていた。

【０００４】こうした要請に応えて、特開２００１−１
０７１６１号公報に係る集電摺動用銅系耐摩焼結合金が
提案されている。説明の便宜上、これを最新公知発明と
いう。この最新公知発明は、単体Ｃｒ３〜２０重量％、
黒鉛または金属硫化物２〜８重量％、Ｂｉ２〜６重量
％、Ｐ１重量％以下、Ｓｎ４〜１３重量％を含有し、残
部がＣｕである粉末原料を混合・圧縮成形・焼結したも
のであって、この構成の中で特徴的な点は、Ｂｉの２〜
６重量％を添加して潤滑性を強化したことであった。

【０００５】前記の最新公知発明は、本出願人が創作し
て別途出願中の発明である。本発明者は上記最新公知発
明を出願した後、その実用化試験を行なった結果、実用
条件下において所期の効果を達成したことを確認した
が、更に改良の余地が無いかについても鋭意研究した。
本発明は前記最新公知発明の改良発明として為されたも
のであって ａ．耐アーク性（集電容量）の更なる向上、 ｂ．材料コストの低減、 を図ったものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】最新公知発明においてＢ
ｉを添加したのは潤滑性の強化を図ったものである。す
なわち、Ｂｉの融点は２７１℃であって比較的低く、融
点以上の温度では微視的に液化して潤滑性を助長する
が、５５０℃以上でも蒸発しない。このため、黒鉛や金
属硫化物が酸化消耗する５５０℃以上においても潤滑性
を保持する。この最新公知発明を完成した時点（その出
願時）においては、Ｂｉ含有量が２重量％未満では潤滑
性強化効力が不充分であると考えていたので、これらを
総合して「Ｂｉの含有量が２〜６重量％であること」を
必須の要件としていた。しかしながら、その後の研究に
より、圧縮成形や加熱焼結の工程管理を厳しくし、か
つ、他の含有成分の組成を適正ならしめることによっ
て、０．５重量％以上２重量％未満であっても実用上の
利用可能性が有ることを確認した。

【０００７】上述の研究結果に基づく具体的な構成とし
て、請求項１に係る発明方法は、耐摩耗、耐アーク成分
として単体Ｃｒ３〜２０重量％。潤滑成分として黒鉛あ
るいは金属硫化物（ＭｏＳ₂，ＷＳ₂）のいずれか一種な
いし複数種２〜８重量％、潤滑強化成分としてＢｉ０．
５重量％以上２重量％未満、焼結素地成分としてＰ１重
量％以下、Ｓｎ４〜１３重量％、残部Ｃｕ、からなる粉
末原料を混合後、圧縮成形し、これを非酸化性雰囲気中
あるいは還元性雰囲気中で加熱して焼結体を得ることを
特徴とする。

【０００８】請求項２に係る発明の構成は、３重量％以
上２０重量％以下の単体Ｃｒと、２重量％以上８重量％
以下の黒鉛あるいは金属硫化物（ＭｏＳ₂，ＷＳ₂）のい
ずれか１種類ないし複数種類と、０．５重量％以上２重
量％未満のＢｉと、１重量％以下のＰと、４重量％以上
１３重量％以下のＳｎと、を含有し、残部がＣｕである
焼結体から成ることを特徴とする。

【０００９】

【発明の実施の形態】次に、本発明に係る銅系焼結合金
すり板の製造方法の実施形態の８例について説明する。
実施例１ないし実施例８は請求項１の製造方法によって
請求項２の集電摺動用銅系耐摩焼結合金（すり板）を構
成したものである。すなわち、Ｂｉの含有量０．５％以
上であれば、２％未満であっても潤滑性能および耐摩性
能の改善に有効であることを実証するための実験データ
である。なお、これら実施例１〜８と併記して、現在各
ＪＲ，各私鉄で使われている「黒鉛，ＭｏＳ₂，ＷＳ₂の
いずれかを含有しているすり板」を記載した。この実施
形態の記載において％の数値は、特に付記していなくて
も、総べて重量比である。

【００１０】母体となる焼結素地形成のため、原料粉Ｃ
ｕ、Ｓｎ、Ｐと耐摩耗、耐アーク成分としての単体Ｃｒ
８０〜１５０メッシュを基質とし、これに、潤滑成分と
して黒鉛またはＭｏＳ_２，ＷＳ_２の１種あるいは黒鉛、
ＭｏＳ₂またはＷＳ₂の両種にＢｉ−６０メッシュ以下を
それぞれ加えて、次の表１に示すよう、実施例１〜８，
および比較例１〜４の、計１２通りの配合原料を調整し
た。

【表１】

【００１１】前掲の表１に示した原料をＶ型混合機によ
り均一に混合し、その混合粉を６００ＭＰａで圧縮成形
し、還元雰囲気中で８００℃、９０分間焼結して実施例
１〜８と比較例１〜４とを得た。上記の実施例１〜８と
比較例１〜４とから得られた焼結合金の物理的・機械的
性質を示すと表２の通りである。

【表２】

【００１２】上記実施例、比較例から得られた焼結合金
を切出して各試験片１０×２５×９０ｍｍを作成し、こ
れらを回転式集電摺動試験機に取付け、押上力５４Ｎ、
通電電流ＤＣ１００Ａ、摺動速度６５ｋｍ／ｈ、左右振
れ幅４０ｍｍ、６０分間無潤滑で架線に摺動させ、各試
験片の比摩耗量（すり板比摩耗量）と、パンタグラフに
装着された試験片が、相手部材である架線に対して１万
回通過した場合の架線の摩耗寸法（トロリー線摩耗率、
単位ｍｍ／１００００回）とを測定した。その結果を次
の表３に示す。

【表３】

【００１３】次に、前掲の表３におけると同様の試験片
を用い、通電電流値を２倍（ＤＣ２００アンペア）に上
げて耐摩耗性を評価した。その結果を次の表４に示す。

【表４】

【００１４】以上に説明した実施形態における試験結果
によって明らかにされた事項の意義を総括すると次のと
おりである。当初に述べたように、本発明は最新公知発
明の改良発明である。該最新公知発明は、「潤滑強化成
分としてＢｉを添加する」という新規な技術を創作し
て、すり板の耐摩耗性を格段に向上させるという優れた
実用的効果を奏したのであるが、Ｂｉ添加量についての
判断を誤っていた。すなわち、該最新公知発明の段落番
号００１６に、「Ｂｉは２％未満ではその効果が小さ
く、６％を越えるとすり板の機械的強度が低下する」と
記載されており、この最新公知発明の特許請求の範囲に
おいて、Ｂｉの含有量を２〜６重量％と限定している。
この最新公知発明の出願時においては、上記の知見は必
ずしも誤っていたとは言えず、当時までの試験研究の成
果によっては、Ｂｉ含有量が２％未満であっては所望の
効果（耐摩耗性向上）が得られず、６％以上であっては
すり板の機械的強度が低下して実用に耐えないと判断さ
れたものである。そして、その後の更なる研究工夫の結
果、材料粒度の調整や、圧縮成形条件、並びに加熱焼結
条件の均一化によって、Ｂｉ添加量が２％未満であって
も０．５％以上であれば実用上の効果を奏し得ることが
判明した。Ｂｉは高価な材料（本発明の出願時において
１キログラム当たり約￥３，５００）であるから、その
使用量を減少させると製造コストの低減に有効である。
また、低融点金属であるＢｉを減ずることにより、母材
の耐熱性が増し、耐アーク性（集電容量）が向上する効
果も判明した。例えば、電車の走行速度を上げたり、パ
ンタグラフ通電量を上げたりすることに適応し得る。

【００１５】

【発明の効果】請求項１の発明方法によると、最新公知
発明である特開２００１−１０７１６１号に係る集電摺
動用銅系耐摩焼結合金を更に改良して、高価な材料であ
るＢｉの使用量を節減して、しかも該最新公知発明に匹
敵する耐摩耗性および、これを上回る耐アーク性を有
し、かつ、架線の損耗を軽減させるすり板を製造するこ
とができる。請求項２の発明に係る集電摺動用銅系耐摩
焼結合金は、前記請求項１の発明方法によって低コスト
で製造され、優れた耐摩耗性を有し、かつ摺動相手部材
である架線の損耗を軽減することができるので、高速電
車用のすり板として好適である。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｃ１０Ｍ 125/04 Ｃ１０Ｍ 125/04 Ｃ２２Ｃ 9/02 Ｃ２２Ｃ 9/02 // Ｃ１０Ｎ 10:02 Ｃ１０Ｎ 10:02 10:08 10:08 10:10 10:10 10:12 10:12 40:14 40:14 70:00 70:00 (72)発明者 久保 俊一 東京都国分寺市光町二丁目８番地38 財団 法人 鉄道総合技術研究所内 (72)発明者 土屋 広志 東京都国分寺市光町二丁目８番地38 財団 法人 鉄道総合技術研究所内 (72)発明者 半田 和行 東京都国分寺市光町二丁目８番地38 財団 法人 鉄道総合技術研究所内 (72)発明者 畔津 巌 大分県大分市下郡3100−３ 帝国カーボン 工業株式会社内 (72)発明者 畔津 秀明 大分県大分市下郡3100−３ 帝国カーボン 工業株式会社内 (72)発明者 畔津 健太郎 大分県大分市下郡3100−３ 帝国カーボン 工業株式会社内 Ｆターム(参考） 4H104 AA04C AA08A AA19C AA20C FA01 FA04 FA05 FA06 JA01 PA15 4K018 AA05 DA31 KA02

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 耐摩耗、耐アーク成分として単体Ｃｒ３
   〜２０重量％、 潤滑成分として黒鉛あるいは金属硫化物（ＭｏＳ_２，Ｗ
   Ｓ_２）のいずれか一種ないし複数種２〜８重量％、 潤滑強化成分としてＢｉ０．５重量％以上２重量％未
   満、 焼結素地成分としてＰ１重量％以下、Ｓｎ４〜１３重量
   ％、残部Ｃｕ、 からなる粉末原料を混合後、圧縮成形し、これを非酸化
   性雰囲気中あるいは還元性雰囲気中で加熱して焼結体を
   得ることを特徴とする集電摺動用銅系耐摩焼結合金の製
   造方法。
2. 【請求項２】 ３重量％以上２０重量％以下の単体Ｃｒ
   と、 ２重量％以上８重量％以下の黒鉛あるいは金属硫化物
   （ＭｏＳ_２，ＷＳ_２）の何れか１種類ないし複数種類
   と、 ０．５重量％以上２重量％未満のＢｉと、 １重量％以下のＰと、 ４重量％以上１３重量％以下のＳｎと、を含有し、残部
   がＣｕである焼結体から成ることを特徴とする、集電摺
   動用銅系耐摩焼結合金。