JP2011212918A - 金属摺動子 - Google Patents

Abstract

【課題】導電性の良好な摺動子であって、摺動子および摺動相手材双方の損耗抑制効果の高い摺動子を提供する。
【解決手段】銅系層４と鋼層５が交互に積層して各層が金属接合している積層構造体１からなる摺動子１であって、前記積層構造体１は、銅系層４と鋼層５が交互に露出する表面を摺動面に持ち、当該摺動面内において、摺動相手材の摺動方向１０：各層を交互に横切る方向、鋼層５の数：３層以上、銅系層４の摺動方向平均厚さ：０.０１〜０.２０ｍｍ、銅系層４／鋼層５比率Ｒ：０.０４〜０.７５、である金属摺動子１。
【選択図】図１

Description

本発明は、トロリ線をはじめとする摺動相手材と摺動する部品であって、銅系層と鋼層が交互に積層して接合した複合金属材料を用いた「摺動子」に関するものである。

移動物体に電力を供給する場合などには、金属材料同士を摺接させる手法が広く採用されている。電車の集電装置が最も一般的に知られているが、その他、工場やヤードの走行式クレーン、工場内の各種移動体、電動機のブラシ、遊園地の乗り物などにも金属材料同士の摺接を利用しているものがある。

金属材料同士の摺接においては双方の材料の耐損耗特性が極めて重要となる。また、通電用途の場合、導電性も重要である。鉄道車両のように高速の移動体の場合、摺動子（パンタグラフに取り付けられているすり板）として、耐摩耗性銅合金、焼結系材料、カーボン系材料などを採用することによって摺動子（すり板）と摺動相手材（トロリ線）の双方の損耗を抑制している。そのような材料の導電性は一般的な通電材料と比べると劣るが、トロリ線の電圧を高くすることにより（直流６００〜１５００Ｖ、交流２００００〜２５０００Ｖ）、十分な通電電流が確保されている。

しかしながら、工場や遊園地の設備などでは安全上、摺動相手材の電圧を高くできない場合が多い。また、摺動子に通常の通電部品用の金属材料を使用すると、移動速度が比較的低速ではあっても摺動子または摺動相手材の損耗が大きくなる場合があり、設備稼働のランニングコスト増大の要因となる。

特開２００９−０９６０２３号公報

本発明は、導電性の良好な摺動子であって、摺動子および摺動相手材双方の損耗抑制効果の高い摺動子を提供することを目的とする。

上記目的は、銅系層と鋼層が交互に積層して各層が金属接合している積層構造体からなる摺動子であって、前記積層構造体は、銅系層と鋼層が交互に露出する表面を摺動面に持ち、当該摺動面内において、
摺動相手材の摺動方向：各層を交互に横切る方向、
鋼層の数：３層以上、
銅系層の摺動方向平均厚さ：０.０１〜０.２０ｍｍ、
銅系層／鋼層比率Ｒ：０.０４〜０.７５、
である金属摺動子によって達成される。摺動相手材は例えば銅系材料である。この摺動子は、例えば摺動相手材との電気的接触により通電を行う通電部材である。

ここで、「銅系」とは銅または銅合金からなるものをいう。その銅合金としては銅含有量が７０質量％以上のものが好適な対象となる。「金属接合」とは有機系または無機系の非金属成分を主体とする接着剤を介さずに金属同士が接合していることを意味し、具体的には電気めっき、拡散接合、ろう付けなどが挙げられる。

積層構造体を構築するための素材としては銅めっき鋼板を適用することが極めて効率的である。銅系材料と鋼材を直接接合して健全な（すなわち接合欠陥の少ない）接合部を得ることは必ずしも容易ではない。例えば、拡散接合の場合は高い面圧を付与して高温で加熱しなければ銅系材料と鋼材とを直接拡散接合することができないため、低コストでの工業的実施は難しい。また、鋼シートと銅系シートを交互に重ね合わせて、銅系シート自体をろう材としてろう付け接合する場合には、鋼と銅系溶融金属（ろう材）の濡れ性が不十分となってボイドが生じやすい。これに対し、銅めっき鋼板の銅めっき層同士を重ね合わせて銅めっき層同士の接触部を拡散接合する場合、比較的低面圧かつ比較的低温で拡散接合が実現できる。銅めっき層をろう材としてろう付け接合する場合でも、双方の銅めっき層同士は反応しやすいのでろう付けも比較的容易である。必要な銅系層の厚さが銅めっき層によって賄われる銅の量だけでは不足する場合は、銅めっき層の間に銅系金属シートを挟んで、銅系材料同士の接触部で拡散接合を行えばよい。

上記の積層構造体からなる摺動子は、摺動面に対し垂直方向に可動なように、ばね機構を介して構造物に取り付けられているものが好適に採用できる。

本発明によれば、摺動子および摺動相手材双方の損耗を顕著に抑制でき、また摺動子は銅系金属を含む金属材料であるから導電性も高い。また、工業的に既に量産されている汎用材料を素材として製造できるため、焼結合金をはじめとする特殊な集電材料と比べ、低コストである。本発明の摺動子は、高速移動体だけでなく、低電圧、低速の移動体における集電部材としても利用価値が高い。

本発明の金属摺動子およびそれに摺接する摺動相手材の断面を模式的に例示した図。 本発明の金属摺動子およびそれに摺接する摺動相手材の断面を模式的に例示した図。 銅めっき鋼板同士を拡散接合して得られた積層構造体の断面光学顕微鏡写真。 図３の一部領域を拡大した断面光学顕微鏡写真。

図１に、本発明の金属摺動子およびそれに摺接する摺動相手材の断面を模式的に例示する。摺動子１は、銅系層４と鋼層５が交互に積層して金属接合により一体化した積層構造体からなる。摺動子１は摺動面３において摺動相手材２と摺接する。矢印１０は摺動方向を示している。摺動子１を基準に見ると、摺動相手材２が摺動子１に対して相対的に摺動方向１０（矢印のどちらの方向であっても構わない）に動く。その際、摺動相手材２は、摺動面３内の各銅系層４と鋼層５を交互に横切るように摺動する。図１は層界面７が摺動面３に垂直である場合を例示したものである。

発明者らの研究によれば、摺動相手材２が摺動面３内の銅系層４と鋼層５を交互に擦ることにより、金属摺動子１および摺動相手材２双方の損耗を顕著に抑制することが可能となる。そのメカニズムについては現時点で十分に解明されていない。

摺動面３内に存在する銅系層４および鋼層５の積層数が少なすぎると損耗抑制効果が十分に発揮されないことがある。種々検討の結果、本発明では摺動面３内に鋼層５が３層以上存在するものを対象とする。すなわち、摺動相手材２は摺動面３内において少なくとも３層の鋼層５および少なくとも２層の銅系層４と摺接する。図１の例では摺動子１の摺動方向両端部に面取り６が形成してあり、鋼層５のうち図中にａまたはｂの記号で示した層は摺動面３内に厚さ方向の一部分が存在している。このように、層の厚さ方向の一部分のみが摺動面３内に存在する鋼層５も、摺動面３内に存在する鋼層５として数える。図１の例では、摺動面３内に存在する鋼層５の数は１１層となる。

摺動面３内の銅系層４の厚さが厚すぎると、銅系層４の銅系金属が剥脱され、摺動相手材２に付着しやすい。発明者ら詳細な検討の結果、摺動面３内における銅系層４の摺動方向平均厚さをある程度以下に薄くすることが、摺動子１および摺動相手材２双方の損耗を顕著に抑制するうえで極めて重要であることを見出した。具体的には、銅系層４の摺動方向平均厚さが０.２０ｍｍとなるようにすることが効果的である。０.１５ｍｍ以下、あるいはさらに０.１０ｍｍ以下に管理しても構わない。ただし、銅系層４の厚さがあまり薄いとその存在効果が低減し、摺動相手材２の損耗が大きくなる。また、通電用途においては導電性の低下が問題となる場合も生じ得る。種々検討の結果、銅系層４の摺動方向平均厚さは０.０１ｍｍ以上確保することが望まれる。

なお、摺動方向１０は摺動面３内において必ずしも層界面に直角である必要はない。摺動方向１０が層界面に直角である場合は、摺動面３内に現れている銅系層４の平均厚さと、銅系層４の摺動方向平均厚さが一致する。

摺動面３内に存在する銅系層４の存在比率が過剰になると、銅系層４の摺動方向平均厚さが上記規定範囲であっても、銅系金属が摺動相手材２に付着する現象が生じやすくなる。また、銅系層４の存在比率が大きくなると、鋼層５の存在比率が小さくなるので、用途によっては強度不足となる場合もある。検討の結果、摺動面３内において、銅系層／鋼層比率Ｒが０.０４〜０.７５であることが望ましい。０.０５〜０.５０であることがより好ましい。ここで、銅系層／鋼層比率Ｒは、「摺動面３内に存在する銅系層４の摺動方向トータル厚さ」を「摺動面３内に存在する鋼層５の摺動方向トータル厚さ」で除したものである。

図２は、図１と同様、本発明の金属摺動子およびそれに摺接する摺動相手材の断面を模式的に例示したものである。ただし、この場合、層界面７は摺動面３に対して垂直ではない。摺動面３に現れる銅系層４あるいは鋼層５の厚さを調整したい場合などに、このような態様を採用することができる。

鋼層５としては、種々の鋼種が採用できる。焼入れ処理やオーステンパー処理などの調質熱処理によって鋼層５の断面硬さを３００ＨＶ以上、あるいはさらに４００ＨＶ以上に硬質化させることができる鋼種を用いると、摺動子１および摺動相手材２双方の損耗を抑制する効果が向上する。そのような鋼種として例えばＪＩＳ規格鋼種を例示すれば、Ｓ３５Ｃ、Ｓ５５Ｃ、ＳＣＭ４１５、ＳＣＭ４３５、ＳＮＣＭ４２０、ＳＫ８５、ＳＵＪ２、などが挙げられる。なお、銅系層４は調質熱処理によって硬化しないので、積層構造体をそのまま通常の調質熱処理に供することによって鋼層５が硬化した摺動子を得ることができる。

銅系層４は、銅または銅合金である。銅合金としては種々のものが適用対象として考えられるが、代表的にはＺｎ含有量が３０質量％以下のＣｕ−Ｚｎ系合金が挙げられる。素材として電気銅めっき鋼板を使用する場合、銅系層４を銅合金とするためには所定組成および厚さの銅系金属シートを間に挟んで金属接合させればよい。

銅めっき鋼板は、一般的な電気銅めっき法によって得られる電気銅めっき鋼板を適用することができる。めっき原板である鋼板の板厚は、前記銅系層の摺動方向平均厚さ、および銅系層／鋼層比率Ｒの規定を満たす範囲で選択されるが、通常、一般的には０.０５〜２.０ｍｍ程度のめっき原板を使用すればよい。

摺動相手材２は銅系材料であることが望ましい。代表的にはトロリ線が挙げられる。

積層構造体の製造方法としては、前述のように複数の銅めっき鋼板を重ね合わせたのち、銅めっき層自体をろう材としてろう付け接合する方法や、銅めっき層同士を拡散接合する方法、あるいは銅めっき鋼板の間に銅系金属シートを挟んで拡散接合する方法などが適用できる。

拡散接合の場合は、例えば以下のような方法が例示できる。
複数の銅めっき鋼板を重ね合わせた積層体を真空炉に装入し、真空引きを行って１０Ｐａ以下の減圧雰囲気とする。１Ｐａ以下とすることがより好ましく、０.５Ｐａ以下とすることが一層好ましい。積層体に１.５〜６.０ＭＰａの積層方向圧力を付与した状態で、７８０〜９５０℃の温度範囲に保持する。積層方向圧力は、各銅めっき層間に付与される面圧の平均（平均面圧）である。発明者らの検討によれば、銅めっき層同士の拡散接合は、比較的低面圧・低温で健全な拡散接合部が得られるという特長がある。この特長を活かすためには例えば４.０ＭＰａ以下、あるいは３.０ＭＰａ以下という比較的低い積層方向圧力で実施することが好ましい。

加熱温度については７８０℃を下回ると比較的高い積層方向圧力を付与して長時間保持する必要があるので、７８０℃以上の温度とすることが好ましい。７９０℃以上とすることがより好ましい。一方、９５０℃を超える高温加熱はコスト増の要因となり、銅めっき鋼板を使用するメリットが活かせない。９００℃以下の加熱温度とすることがより好ましく、８４０℃以下に管理することもできる。上記温度に保持する時間は高面圧・高温ほど短縮できる。付与する積層方向圧力と加熱温度に応じて、例えば３０〜３００ｍｉｎの範囲で適正保持時間を設定すればよい。適正保持時間は予備実験のデータに基づいて設定することができる。所定時間の加熱保持が終了した後、材料温度が２００℃以下となるまでは外気を遮断した炉内で冷却することが好ましい。めっき原板として焼入れ性が良好な鋼を採用した場合には、拡散処理の加熱保持後の冷却を利用して焼入れ処理を施すことも可能である。

参考のため、図３に、銅めっき鋼板同士を８００℃で拡散接合して得られた積層構造の断面写真を示す。グレーの部分が鋼層、白いライン状に見える部分が銅層である。図４に、図３の一部を拡大した断面写真を示す。銅めっき層同士の界面の形跡は確認できない。

このようにして各層が金属接合により一体化した積層構造体は、必要に応じて調質熱処理に供されたのち、所定形状の摺動子に加工される。摺動子を構造物（車両など）に取り付ける際には、摺動面３に対し垂直方向（図１、図２の矢印２０）に可動なように、ばね機構を介して構造物に取り付けることができる。ばね機構の代表例としてはパンタグラフが挙げられるが、コイルばねや、空気ばねなどを介して直接構造物に取り付けてもよい。

積層構造体を作製するための素材として、以下のものを用意した。
〔電気銅めっき鋼板〕
・めっき原板；
鋼種：Ｓ５５Ｃ、ＳＣＭ４１５（いずれもＪＩＳ規格相当材）
板厚０.２５ｍｍ、１.０ｍｍ
・銅めっき層；
組成：純銅
厚さ：片面当たり２.５μｍ、１０μｍ、各両面均等厚さ
〔銅シート〕
板厚０.２５ｍｍ、０.０６ｍｍの純銅板

同種の電気銅めっき鋼板を複数枚重ね合わせて銅めっき層自体をろう材としてろう付けする方法、同種の電気銅めっき鋼板を複数枚重ね合わせて拡散接合する方法、または同種の電気銅めっき鋼板と銅シートを交互に重ね合わせて拡散接合する方法により、積層構造体を作製した。拡散接合は１０Ｐａ以下の減圧下にて面圧１.５ＭＰａを付与した状態として９００℃に加熱する手法で行った。ろう付け接合は１気圧のアルゴンガス雰囲気中、１１５０℃加熱によって行った。一部の積層構造体についてはオーステンパー処理を施し鋼層を硬化させた。

各積層構造体から試験片を切り出し、硬さ測定、導電性測定および摺動試験を以下のように行った。
〔硬さ測定〕
積層構造体の銅系層および鋼層についてマイクロビッカース硬度計により断面硬さを測定した。
〔導電性測定〕
厚さ５ｍｍ×幅１０ｍｍ×長さ１２０ｍｍの試験片を用いて、ＪＩＳ Ｈ０５０５に従い導電性を測定した。ただし、各層の層界面に平行な一方向を長さ方向、長さ方向に垂直な平面において層界面に平行な方向を厚さ方向、層界面に直角な方向を幅方向とした。

〔摺動試験〕
積層構造体から、層界面に垂直な摺動面を持つ摺動子を切り出し、回転するリング状の摺動相手材と摺接させた。当該摺動面の寸法は、層界面に対し平行方向約１６ｍｍ×直角方向約１２ｍｍである。摺動相手材は純銅板の冷間圧延材（１００ＨＶ）からリングを切り出したものである。リング寸法は外側半径１１５ｍｍ、内側半径１０５ｍｍ、リング幅５ｍｍ、リング高さ１０ｍｍである。摺動方向は摺動面内の各層を概ね直角に横切る方向とした。

試験は、無潤滑、常温大気中、荷重３０Ｎ、リングの回転数１２００ｒｐｍの条件で、１ｍｉｎの摺動を８回反復させた。摺動試験後の摺動子の比摩耗量および摺動相手材の摩耗量を測定した。

なお、比較材の摺動子として、Ｓ５５Ｃバルク材、および高速鉄道車両のパンタグラフのすり板材として使用されている鉄系焼結材（Ｆｅ−２％Ｎｉ−２％Ｔｉ−１％Ｗ−３％Ｍｏ−１０％Ｐｂ）を用意し、上記と同様の試験を行った。
結果を表１に示す。

表１からわかるように、本発明例のものは摺動子および摺動相手材双方の損耗が小さく、また、導電性も良好であった。
これに対し、比較例Ｎｏ.１は銅系層の摺動方向平均厚さが小さく、また銅系層／鋼層比率Ｒが小さいため、摺動相手材の損耗が大きく、導電性にも劣った。Ｎｏ.５は銅系層の摺動方向平均厚さが大きく、また銅系層／鋼層比率Ｒが大きいため、摺動子の損耗が大きく、摺動相手材に銅系層由来の銅が付着した。Ｎｏ.６は銅系層の摺動方向平均厚さは適正範囲であるが、銅系層／鋼層比率Ｒが小さいため、摺動相手材の損耗が大きく、導電性にも劣った。Ｎｏ.７はバルク状の鋼材であるため、摺動子および摺動相手材とも損耗が大きく、導電性にも劣った。Ｎｏ.８は高速鉄道車両において良好な集電が実現されるものであるが、このような比較的低速の摺動条件では摺動子および摺動相手材とも損耗が大きく、また導電性も低い。

１ 摺動子（積層構造体）
２ 摺動相手材
３ 摺動面
４ 銅系層
５ 鋼層
６ 面取り
７ 層界面
１０ 摺動方向
２０ 摺動面に対する垂直方向

Claims (7)

1. 銅系層と鋼層が交互に積層して各層が金属接合している積層構造体からなる摺動子であって、前記積層構造体は、銅系層と鋼層が交互に露出する表面を摺動面に持ち、当該摺動面内において、
   摺動相手材の摺動方向：各層を交互に横切る方向、
   鋼層の数：３層以上、
   銅系層の摺動方向平均厚さ：０.０１〜０.２０ｍｍ、
   銅系層／鋼層比率Ｒ：０.０４〜０.７５、
   である金属摺動子。
2. 摺動相手材が銅系材料である請求項１に記載の金属摺動子。
3. 積層構造体は、複数の銅めっき鋼板を重ね合わせて、各銅めっき層同士の接触部を拡散接合したものである請求項１または２に記載の金属摺動子。
4. 積層構造体は、複数の銅めっき鋼板を重ね合わせて、各銅めっき層をろう材としてろう付け接合したものである請求項１または２に記載の金属摺動子。
5. 積層構造体は、銅めっき鋼板と銅系金属シートを交互に重ね合わせて、各銅めっき層と銅系金属シートの接触部を拡散接合したものである請求項１または２に記載の金属摺動子。
6. 当該摺動子は、摺動面に対し垂直方向に可動なように、ばね機構を介して構造物に取り付けられている請求項１〜５のいずれかに記載の金属摺動子。
7. 当該摺動子は、摺動相手材との電気的接触により通電を行う通電部材である請求項１〜６のいずれかに記載の金属摺動子。