JP2016067105A - Collector member, composite material, and current collector - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、複数のアルミニウム合金層による複合化された複合材料によって形成されており、被接触部と摺動することによって集電する集電部材、複数のアルミニウム合金層による複合化された複合材料、及び電車線路と摺動してこの電車線路から集電する集電装置に関する。 The present invention is a current collecting member that is formed of a composite material composed of a plurality of aluminum alloy layers and collects current by sliding with a contacted portion, and a composite material composed of a plurality of aluminum alloy layers The present invention also relates to a current collector that slides on the train track and collects current from the train track.
パンタグラフのすり板に使用される材料は、主に金属系と炭素系とに大別される。金属系のすり板は、銅や鉄を主成分とする焼結合金が多く、一部アルミニウム合金が補助すり板に使用されている。従来の焼結合金製集電子は、潤滑剤成分として黒鉛又は金属硫化物、潤滑強化成分としてビスマス、焼結素地成分として燐及びスズ、残余に銅からなる粉末原料を混合して圧縮成形し加熱して焼結体にしている（例えば、特許文献１参照）。このような従来の焼結合金製集電子は、架線と集電子との間の潤滑機能が低下したときにビスマスによって潤滑性を補足して摩耗を抑制するとともに、焼結素地形成時に燐の脱酸作用によって金属成分を浄化して母体合金の機械的強度を高めている。 The materials used for pantograph slip plates are roughly divided into metal and carbon. Many metal-based sliding plates are sintered alloys mainly composed of copper and iron, and some aluminum alloys are used as auxiliary sliding plates. Conventional sintered alloy collectors are composed of graphite or metal sulfide as a lubricant component, bismuth as a lubricant strengthening component, phosphorus and tin as sintering base components, and a powder raw material consisting of copper, and the rest is compressed and heated. Thus, a sintered body is formed (see, for example, Patent Document 1). Such a conventional sintered alloy current collector supplements lubricity with bismuth to suppress wear when the lubrication function between the overhead wire and the current collector is reduced, and removes phosphorus when forming a sintered body. Metal components are purified by acid action to increase the mechanical strength of the base alloy.
パンタグラフのすり板は、摩耗に強く長期間の使用に耐えるとともに、導電性が高く、トロリ線との接触抵抗が小さいことが必要である。しかし、従来の金属系すり板は、炭素系すり板に比べて強度に優れているが重く、炭素系すり板に比べて潤滑性が劣るという問題点がある。 The pantograph sliding plate needs to be resistant to wear and withstand long-term use, has high conductivity, and has low contact resistance with a trolley wire. However, the conventional metal-based sliding plate is superior in strength to the carbon-based sliding plate, but is heavy, and has a problem that the lubricity is inferior to that of the carbon-based sliding plate.
この発明の課題は、軽量で潤滑性が高く耐摩耗性に優れ容易に製造することができる集電部材、複合材料及び集電装置を提供することである。 An object of the present invention is to provide a current collecting member, a composite material, and a current collecting device that are lightweight, have high lubricity, have excellent wear resistance, and can be easily manufactured.
この発明は、以下に記載するような解決手段により、前記課題を解決する。
なお、この発明の実施形態に対応する符号を付して説明するが、この実施形態に限定するものではない。
請求項１の発明は、図３、図４、図６及び図７に示すように、複数のアルミニウム合金層による複合化された複合材料によって形成されており、被接触部（１ａ；１ｂ）と摺動することによって集電する集電部材であって、前記複合材料は、前記被接触部と摺動する順に、前記被接触部との間の導電を担う第１のアルミニウム合金層（１０ａ；１３ａ）と、前記被接触部との間の摩擦抵抗を緩和する第２のアルミニウム合金層（１０ｂ；１３ｂ）と、前記被接触部からの荷重を負荷する第３のアルミニウム合金層（１０ｃ；１３ｃ）とを備えることを特徴とする集電部材（９Ａ，９Ｂ；１２）である。
The present invention solves the above-mentioned problems by the solving means described below.
In addition, although the code | symbol corresponding to embodiment of this invention is attached | subjected and demonstrated, it is not limited to this embodiment.
As shown in FIGS. 3, 4, 6 and 7, the invention of claim 1 is formed of a composite material composed of a plurality of aluminum alloy layers, and has a contacted portion (1a; 1b) and A current collecting member that collects current by sliding, wherein the composite material is a first aluminum alloy layer (10a;) that conducts electrical conduction with the contacted part in the order of sliding with the contacted part. 13a) and a second aluminum alloy layer (10b; 13b) for relaxing the frictional resistance between the contacted portion and a third aluminum alloy layer (10c; 13c) for applying a load from the contacted portion. A current collecting member (9A, 9B; 12).
請求項２の発明は、請求項１に記載の集電部材において、前記第１のアルミニウム合金層は、Al-Si系アルミニウム合金によって形成されていることを特徴としている集電部材である。 A second aspect of the present invention is the current collecting member according to the first aspect, wherein the first aluminum alloy layer is made of an Al—Si based aluminum alloy.
請求項３の発明は、前記第２のアルミニウム合金層は、炭素繊維を含有するAl-Si系アルミニウム合金によって形成されていることを特徴とする集電部材である。 A third aspect of the present invention is the current collecting member, wherein the second aluminum alloy layer is formed of an Al—Si based aluminum alloy containing carbon fibers.
請求項４の発明は、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の集電部材において、前記第３のアルミニウム合金層は、アルミナ繊維を含有するAl-Si系アルミニウム合金によって形成されていることを特徴とする集電部材である。 According to a fourth aspect of the present invention, in the current collecting member according to any one of the first to third aspects, the third aluminum alloy layer is formed of an Al—Si based aluminum alloy containing alumina fibers. It is the current collection member characterized by being made.
請求項５の発明は、図３、図４、図６及び図７に示すように、複数のアルミニウム合金層による複合化された複合材料であって、被接触部（１ａ；１ｂ）との間の導電を担う第１のアルミニウム合金層（１０ａ；１３ａ）と、前記被接触部との間の摩擦抵抗を緩和する第２のアルミニウム合金層（１０ｂ；１３ｂ）と、前記被接触部からの荷重を負荷する第３のアルミニウム合金層（１０ｃ；１３ｃ）とを備える複合材料（９Ａ，９Ｂ；１２）である。 The invention according to claim 5 is a composite material composed of a plurality of aluminum alloy layers as shown in FIGS. 3, 4, 6 and 7, and between the contacted portions (1a; 1b). The first aluminum alloy layer (10a; 13a) that bears the conductivity of the second aluminum alloy layer (10b; 13b) that relieves the frictional resistance between the contacted portion and the load from the contacted portion And a third aluminum alloy layer (10c; 13c) loaded with a composite material (9A, 9B; 12).
請求項６の発明は、請求項５に記載の複合材料において、前記第１のアルミニウム合金層は、Al-Si系アルミニウム合金によって形成されていることを特徴としている複合材料である。 The invention of claim 6 is the composite material according to claim 5, wherein the first aluminum alloy layer is formed of an Al—Si based aluminum alloy.
請求項７の発明は、請求項５又は請求項６に記載の複合材料において、前記第２のアルミニウム合金層は、炭素繊維を含有するAl-Si系アルミニウム合金によって形成されていることを特徴とする複合材料である。 The invention according to claim 7 is the composite material according to claim 5 or 6, wherein the second aluminum alloy layer is formed of an Al-Si based aluminum alloy containing carbon fibers. It is a composite material.
請求項８の発明は、請求項５から請求項７までのいずれか１項に記載の複合材料において、前記第３のアルミニウム合金層は、アルミナ繊維を含有するAl-Si系アルミニウム合金によって形成されていることを特徴とする複合材料である。 The invention of claim 8 is the composite material according to any one of claims 5 to 7, wherein the third aluminum alloy layer is formed of an Al—Si based aluminum alloy containing alumina fibers. It is a composite material characterized by the above.
請求項９の発明は、図３に示すように、電車線路と摺動してこの電車線路から集電する集電装置であって、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の集電部材を備え、前記集電部材は、トロリ線（１ａ）と摺動するすり板の主要部分を構成する主すり板（９Ａ）であることを特徴とする集電装置（３）である。 The invention of claim 9 is a current collector that slides on a train track and collects current from the train track, as shown in FIG. 3, and is any one of claims 1 to 4. In the current collector (3), the current collector is a main sliding plate (9A) constituting a main portion of the sliding plate that slides with the trolley wire (1a). is there.
請求項１０の発明は、図３に示すように、電車線路と摺動してこの電車線路から集電する集電装置であって、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の集電部材を備え、前記集電部材は、トロリ線（１ａ）と摺動するすり板の補助的部分を構成する補助すり板（９Ｂ）であることを特徴とする集電装置（３）である。 As shown in FIG. 3, the invention of claim 10 is a current collector that slides on a train track and collects current from the train track, and is any one of claims 1 to 4. Current collecting member, and the current collecting member is an auxiliary sliding plate (9B) constituting an auxiliary portion of the sliding plate sliding with the trolley wire (1a). It is.
請求項１１の発明は、図６に示すように、電車線路と摺動してこの電車線路から集電する集電装置であって、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の集電部材を備え、前記集電部材は、導電レール（１ｂ）と摺動する集電靴（１２）であることを特徴とする集電装置（１１）である。 The invention of claim 11 is a current collecting device that slides on a train track and collects current from the train track, as shown in FIG. 6, and according to any one of claims 1 to 4. The current collector (11) is a current collector shoe (12) that slides on the conductive rail (1b).
この発明によると、軽量で潤滑性が高く耐摩耗性に優れ容易に製造することができる。 According to the present invention, it can be easily manufactured with light weight, high lubricity and excellent wear resistance.
（第１実施形態）
以下、図面を参照して、この発明の第１実施形態について詳しく説明する。
図１〜図３に示す架線１は、線路上空に架設される架空式電車線路である。架線１は、所定の間隔をあけて支持点で支持されており、トロリ線１ａなどを備えている。トロリ線１ａは、集電装置３が接触移動する電車線路（電線）であり、集電装置３が摺動することによって、図２に示す車両２に負荷電流を供給する。トロリ線１ａには、図１〜図３に示す集電装置３のすり板９Ａが左右方向に平均的に摩耗して、このすり板９Ａの同一箇所をトロリ線１ａが摺動しないように、トロリ線１ａの数径間周期でジグザグ偏位（左右偏位）がトロリ線偏位として付与されている。図２に示す車両２は、電車又は電気機関車などの電気車であり、例えば新幹線（登録商標）又は在来線の鉄道車両である。車体２ａは、乗客又は貨物を積載し輸送するための構造物である。
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
The overhead wire 1 shown in FIGS. 1 to 3 is an aerial train line installed over the track. The overhead wire 1 is supported at a support point at a predetermined interval, and includes a trolley wire 1a and the like. The trolley wire 1a is a train line (electric wire) with which the current collector 3 moves in contact, and supplies a load current to the vehicle 2 shown in FIG. 2 when the current collector 3 slides. In the trolley wire 1a, the sliding plate 9A of the current collector 3 shown in FIGS. 1 to 3 is worn on the average in the left-right direction so that the trolley wire 1a does not slide on the same portion of the sliding plate 9A. A zigzag deviation (left-right deviation) is given as a trolley line deviation in a period of several spans of the trolley wire 1a. A vehicle 2 shown in FIG. 2 is an electric vehicle such as a train or an electric locomotive, and is, for example, a Shinkansen (registered trademark) or a conventional railway vehicle. The vehicle body 2a is a structure for loading and transporting passengers or cargo.
集電装置３は、トロリ線１ａから電力を車両２に導くための装置である。集電装置３は、図２に示す台枠４と、碍子（がいし）５と、図１及び図２に示す枠組６と、図１〜図３に示す集電舟（舟体）７と、ホーン８と、すり板９Ａ，９Ｂなどを備えている。図２に示す台枠４は、枠組６を支持して車体２ａの屋根上に設置される部材であり碍子５上に設置されている。碍子５は、車体２ａと台枠４との間を電気的に絶縁する部材である。図１及び図２に示す枠組６は、集電舟７を支持する部材であり、集電舟７を支持した状態で上下方向に動作可能なリンク機構である。枠組６は、台枠４に取り付けられて上昇力を付与する主ばね（押上げ用ばね）によって上方に押上げられている。枠組６は、舟支え部６ａと、上枠６ｂと、下枠６ｃと、屈曲部（関節部）６ｄなどを備えている。舟支え部６ａは、集電舟７を支持する部分である。舟支え部６ａは、集電舟７を架線１に対して水平に押上げる機構部である。上枠６ｂは、舟支え部６ａに回転自在に連結される部材であり、下枠６ｃは図示しない主軸に固定される部材であり、屈曲部６ｄは上枠６ｂと下枠６ｃとが回転自在に連結される中間ヒンジとして機能する部分である。集電装置３は、車両２の進行方向（図中Ａ方向）に対して非対称であり、一方向又は両方向に使用可能なシングルアーム型パンタグラフである。 The current collector 3 is a device for guiding power from the trolley wire 1 a to the vehicle 2. The current collector 3 includes a base frame 4 shown in FIG. 2, a insulator 5, a frame 6 shown in FIGS. 1 and 2, a current collector boat (boat body) 7 shown in FIGS. 1 to 3, and A horn 8 and sliding plates 9A and 9B are provided. The underframe 4 shown in FIG. 2 is a member that supports the frame 6 and is installed on the roof of the vehicle body 2 a and is installed on the insulator 5. The insulator 5 is a member that electrically insulates between the vehicle body 2 a and the underframe 4. The frame 6 shown in FIGS. 1 and 2 is a member that supports the current collecting boat 7, and is a link mechanism that can operate in the vertical direction while supporting the current collecting boat 7. The frame 6 is pushed upward by a main spring (push-up spring) that is attached to the base frame 4 and applies a rising force. The frame 6 includes a boat support portion 6a, an upper frame 6b, a lower frame 6c, a bent portion (joint portion) 6d, and the like. The boat support portion 6 a is a portion that supports the current collector boat 7. The boat support 6 a is a mechanism that pushes the current collecting boat 7 horizontally with respect to the overhead wire 1. The upper frame 6b is a member that is rotatably connected to the boat support portion 6a, the lower frame 6c is a member that is fixed to a main shaft (not shown), and the bent portion 6d is rotatable between the upper frame 6b and the lower frame 6c. This is a part that functions as an intermediate hinge connected to the. The current collector 3 is a single arm pantograph that is asymmetric with respect to the traveling direction of the vehicle 2 (A direction in the figure) and can be used in one direction or both directions.
図１〜図３に示す集電舟７は、すり板９Ａ，９Ｂが取り付けられ支持される部材である。集電舟７は、一般にトロリ線１ａと直交する方向（まくらぎ方向）に伸びた細長い金属製の柱状部材である。集電舟７は、図１〜図３に示すホーン８と、図１〜図３に示すすり板９Ａ，９Ｂなどを備えている。集電舟７は、図２に示すように、この集電舟７の中心軸に対して前後対称であり、前後がいずれも同一形状に形成されており、この集電舟７の下面が舟支え部６ａに支持されている。図１〜図３に示す集電舟７は、例えば、すり板９Ａが複数に分割された多分割すり板体であり、すり板９Ａを多数のすり板片に分割することによって、トロリ線１ａと接触して加振されるすり板９Ａの質量を低減し、トロリ線１ａに対する追従性能を向上させた新幹線用（高速用）パンタグラフの集電舟である。 The current collector boat 7 shown in FIGS. 1 to 3 is a member to which the sliding plates 9A and 9B are attached and supported. The current collector boat 7 is an elongated metal columnar member generally extending in a direction (sleeper direction) orthogonal to the trolley wire 1a. The current collecting boat 7 includes a horn 8 shown in FIGS. 1 to 3 and sliding plates 9A and 9B shown in FIGS. As shown in FIG. 2, the current collecting boat 7 is symmetrical with respect to the central axis of the current collecting boat 7, and the front and rear are both formed in the same shape. It is supported by the support portion 6a. The current collecting boat 7 shown in FIGS. 1 to 3 is, for example, a multi-divided sliding plate body in which a sliding plate 9A is divided into a plurality of pieces, and by dividing the sliding plate 9A into a number of sliding plate pieces, This is a Shinkansen (high speed) pantograph current collector boat that reduces the mass of the sliding plate 9A that is vibrated in contact with the trolley wire 1a and improves the follow-up performance with respect to the trolley wire 1a.
図１〜図３に示すホーン８は、車両２が分岐器を通過するときに、この分岐器の上方で交差する２本のトロリ線１ａのうち車両２の進行方向とは異なる方向のトロリ線１ａへの割込みを防止するための部材である。ホーン８は、集電舟７の長さ方向の両端部から突出しており、先端部が湾曲して形成された金属製の部材である。 The horn 8 shown in FIGS. 1 to 3 is a trolley wire in a direction different from the traveling direction of the vehicle 2 out of the two trolley wires 1a intersecting above the branch device when the vehicle 2 passes through the branch device. It is a member for preventing interruption to 1a. The horn 8 is a metal member that protrudes from both ends in the length direction of the current collecting boat 7 and has a curved tip.
図１〜図３に示すすり板９Ａ，９Ｂは、トロリ線１ａと摺動する部材である。すり板９Ａ，９Ｂは、車両２の進行方向と直交する方向に伸びた板状部材である。すり板９Ａ，９Ｂは、集電舟７とは別個に製造される別部品であり、集電舟７と一体に取り付けられている。図１及び図３に示すすり板９Ａは、車両２が本線走行時に主にトロリ線１ａと摺動しており、トロリ線１ａと摺動するすり板９Ａ，９Ｂの主要部分を構成する主すり板であり、複数並べた状態で配置されている。すり板９Ａは、例えば、外観形状が略平行四辺形の薄板状部材であり、集電舟７の中央部に取り付けられている。すり板９Ｂは、主すり板に比べて摺動頻度が低く、トロリ線１ａと摺動するすり板９Ａ，９Ｂの補助的部分を構成する補助すり板である。すり板９Ｂは、例えば、すり板９Ａと隣接する側の端面が集電舟７の長さ方向に対して斜めに形成され、すり板９Ａと隣接する側とは反対側の端面が集電舟７の長さ方向に対して略直交して形成されている薄板状部材であり、集電舟７の両端部に取り付けられている。すり板９Ａ，９Ｂは、図３に示すように、集電舟７の進行する方向（すり板９Ａ，９Ｂの長さ方向と直交する方向）に対して所定の傾斜角度で両端部が斜めに直線状に切断されている。すり板９Ａ，９Ｂには、トロリ線１ａと接触移動（摺動）して大電流が流れるため、一定の機械的強度、導電性及び耐摩耗性などが要求される。 The sliding plates 9A and 9B shown in FIGS. 1 to 3 are members that slide with the trolley wire 1a. The sliding plates 9 </ b> A and 9 </ b> B are plate-like members extending in a direction orthogonal to the traveling direction of the vehicle 2. The sliding plates 9 </ b> A and 9 </ b> B are separate parts manufactured separately from the current collector boat 7, and are attached to the current collector boat 7 integrally. The sliding plate 9A shown in FIG. 1 and FIG. 3 is a main sliding that constitutes the main part of the sliding plates 9A and 9B that slide with the trolley wire 1a when the vehicle 2 travels mainly on the main line. It is a board and is arranged in the state where two or more were arranged. The sliding plate 9 </ b> A is, for example, a thin plate-like member having a substantially parallelogram appearance and is attached to the central portion of the current collector boat 7. The sliding plate 9B is an auxiliary sliding plate that has a lower sliding frequency than the main sliding plate and constitutes an auxiliary portion of the sliding plates 9A and 9B that slide with the trolley wire 1a. For example, the end surface of the sliding plate 9B adjacent to the sliding plate 9A is formed obliquely with respect to the length direction of the current collector boat 7 and the end surface opposite to the side adjacent to the sliding plate 9A is the current collector boat. 7 is a thin plate-like member formed substantially orthogonal to the length direction of 7 and is attached to both ends of the current collector boat 7. As shown in FIG. 3, the sliding plates 9A and 9B are inclined at both ends at a predetermined inclination angle with respect to the traveling direction of the current collector boat 7 (the direction perpendicular to the length direction of the sliding plates 9A and 9B). It is cut in a straight line. The sliding plates 9A and 9B are required to have a certain mechanical strength, conductivity, wear resistance, and the like because a large current flows through contact movement (sliding) with the trolley wire 1a.
図１〜図４に示すすり板９Ａ，９Ｂは、複数のアルミニウム合金層１０ａ〜１０ｃによる複合化された複合材料によって形成されており、トロリ線１ａと摺動することによって集電する集電部材である。すり板９Ａ，９Ｂは、強度、熱伝導性、潤滑性及び軽量性を兼ね備えた集電摺動用の金属基複合材料であり、炭素繊維（カーボンファイバー）及び／又は気相法炭素繊維（Vapor Grown Carbon Fiber)を軽量なアルミニウム合金材に複合させて３層の多層構造に形成されている。すり板９Ａ，９Ｂは、図４に示すように、トロリ線１ａと摺動する順に、アルミニウム合金層１０ａと、アルミニウム合金層１０ｂと、アルミニウム合金層１０ｃとを備えている。すり板９Ａ，９Ｂは、このすり板９Ａ，９Ｂの進行方向前側から進行方向後側に向かってアルミニウム合金層１０ａ、アルミニウム合金層１０ｂ及びアルミニウム合金層１０ｃの順に積層されている。 1-4 is formed of a composite material composed of a plurality of aluminum alloy layers 10a to 10c, and collects current by sliding with the trolley wire 1a. It is. The sliding plates 9A and 9B are current-sliding metal matrix composite materials that have strength, thermal conductivity, lubricity and light weight, and are carbon fiber (carbon fiber) and / or vapor grown carbon fiber (Vapor Grown). Carbon Fiber) is combined with a lightweight aluminum alloy material to form a three-layered multilayer structure. As shown in FIG. 4, the sliding plates 9A and 9B include an aluminum alloy layer 10a, an aluminum alloy layer 10b, and an aluminum alloy layer 10c in the order of sliding with the trolley wire 1a. The sliding plates 9A and 9B are laminated in the order of the aluminum alloy layer 10a, the aluminum alloy layer 10b, and the aluminum alloy layer 10c from the front side in the traveling direction of the sliding plates 9A and 9B toward the rear side in the traveling direction.
図４に示すアルミニウム合金層１０ａは、トロリ線１ａとの間の導電を担う導電用アルミニウム合金層である。アルミニウム合金層１０ａは、Al-Si系アルミニウム合金によって形成されている。アルミニウム合金層１０ａは、例えば、Cuが0.8〜1.3%、Siが11.0〜13.0%、Mgが0.7〜1.3%、Znが0.15%以下、Feが0.8%以下、Mgが0.15%以下、Niが0.8〜1.5%、Tiが0.20%以下、Pbが0.05%以下、Snが0.05%以下、Crが0.10%以下、残部がAlであり、熱膨張係数が小さく耐熱性及び耐摩耗性に優れたJIS AC8AのようなAl-Si-Cu-Ni-Mg系のアルミニウム合金鋳物によって形成することが好ましい。アルミニウム合金層１０ａは、トロリ線１ａと接触する側の表面が略平行四辺形状の平面に形成されており、一定の厚さ及び高さで形成されている。 An aluminum alloy layer 10a shown in FIG. 4 is a conductive aluminum alloy layer that is responsible for electrical conduction with the trolley wire 1a. The aluminum alloy layer 10a is formed of an Al—Si based aluminum alloy. The aluminum alloy layer 10a has, for example, Cu of 0.8 to 1.3%, Si of 11.0 to 13.0%, Mg of 0.7 to 1.3%, Zn of 0.15% or less, Fe of 0.8% or less, Mg of 0.15% or less, and Ni of 0.8 JIS AC8A with ~ 1.5%, Ti 0.20% or less, Pb 0.05% or less, Sn 0.05% or less, Cr 0.10% or less, balance Al, low thermal expansion coefficient and excellent heat resistance and wear resistance The Al—Si—Cu—Ni—Mg based aluminum alloy casting is preferably used. The surface of the aluminum alloy layer 10a that is in contact with the trolley wire 1a is formed in a substantially parallelogram-shaped plane, and is formed with a constant thickness and height.
アルミニウム合金層１０ｂは、トロリ線１ａとの間の摩擦抵抗を緩和する摩擦緩和用アルミニウム合金層である。アルミニウム合金層１０ｂは、炭素繊維を含有するAl-Si系アルミニウム合金によって形成されており、AC8AのようなAl-Si-Cu-Ni-Mg系のアルミニウム合金鋳物によって形成することが好ましい。炭素繊維の配合量は、5vol%未満であると潤滑性が出ない問題があり、50vol%を超えると強度低下の問題があるため、5vol%以上50vol%以下に調整することが好ましい。アルミニウム合金層１０ｂは、電気、熱及び力学特性に優れたカーボンナノチューブ（Carbon nanotube(CNT))の一種である気相法炭素繊維（Vapor Grown Carbon Fiber(商品名VGCF-H))を炭素繊維に代えて又は炭素繊維とともに含有させて形成することもできる。ここで、気相法炭素繊維は、気相法によって合成されたカーボンナノファイバーであり、熱伝導性、導電性、強度特性、摺動性（潤滑性）及び復元力（反発力）に優れた炭素繊維である。気相法炭素繊維は、CVD法によって合成された高結晶性及び高純度のカーボンナノチューブであり、繊維の平均径が150nmであり電気伝導性、熱伝導性、摺動性フィラー又は樹脂などの強化用炭素繊維（ウィスカー状）として優れた機能を発揮する。気相法炭素繊維の配合量は、2vol%未満であると熱伝導性と潤滑性が出ない問題があり、8vol%を超えると強度低下の問題があるため、2vol%以上8vol%以下に調整することが好ましい。アルミニウム合金層１０ｂは、アルミナ繊維を含有させて形成することもできる。アルミナ繊維の配合量は、5vol%未満であると耐摩耗性が出ない問題があり、20vol%を超えると強度低下の問題があるため、5vol%以上20vol%以下に調整することが好ましい。アルミニウム合金層１０ｂは、アルミニウム合金層１０ａと同様に、トロリ線１ａと接触する側の表面が略平行四辺形状の平面に形成されており、一定の厚さ及び高さで形成されている。 The aluminum alloy layer 10b is a friction-releasing aluminum alloy layer that relaxes the frictional resistance with the trolley wire 1a. The aluminum alloy layer 10b is formed of an Al—Si based aluminum alloy containing carbon fibers, and is preferably formed of an Al—Si—Cu—Ni—Mg based aluminum alloy casting such as AC8A. When the blending amount of the carbon fiber is less than 5 vol%, there is a problem that lubricity does not occur, and when it exceeds 50 vol%, there is a problem of strength reduction. Therefore, it is preferable to adjust to 5 vol% or more and 50 vol% or less. The aluminum alloy layer 10b is made of carbon fiber (Vapor Grown Carbon Fiber (trade name VGCF-H)), which is a kind of carbon nanotube (CNT) having excellent electrical, thermal and mechanical properties. Alternatively, it can be formed together with carbon fibers. Here, the vapor grown carbon fiber is a carbon nanofiber synthesized by a vapor phase method, and is excellent in thermal conductivity, conductivity, strength characteristics, slidability (lubricity) and restoring force (repulsive force). Carbon fiber. Vapor-grown carbon fiber is a highly crystalline and high-purity carbon nanotube synthesized by the CVD method, with an average fiber diameter of 150 nm and strengthening of electrical conductivity, thermal conductivity, slidable filler or resin, etc. Excellent function as carbon fiber (whisker-like). The amount of vapor grown carbon fiber is less than 2 vol%, there is a problem that heat conductivity and lubricity do not come out, and if it exceeds 8 vol%, there is a problem of strength reduction, so adjust it to 2 vol% or more and 8 vol% or less It is preferable to do. The aluminum alloy layer 10b can also be formed by containing alumina fibers. When the blending amount of the alumina fiber is less than 5 vol%, there is a problem that the abrasion resistance does not appear, and when it exceeds 20 vol%, there is a problem of strength reduction. Similar to the aluminum alloy layer 10a, the surface of the aluminum alloy layer 10b in contact with the trolley wire 1a is formed in a plane having a substantially parallelogram shape, and is formed with a constant thickness and height.
アルミニウム合金層１０ｃは、トロリ線１ａからの荷重を負荷する荷重負荷用アルミニウム合金層である。アルミニウム合金層１０ｃは、アルミナ繊維を含有するAl-Si系アルミニウム合金によって形成されており、AC8AのようなAl-Si-Cu-Ni-Mg系のアルミニウム合金鋳物によって形成することが好ましい。アルミナ繊維の配合量は、5vol%未満であると耐摩耗性が出ない問題があり、20vol%を超えると強度低下の問題があるため、5vol%以上20vol%以下に調整することが好ましい。アルミニウム合金層１０ｃは、アルミニウム合金層１０ａ及びアルミニウム合金層１０ｂと同様に、トロリ線１ａと接触する側の表面が略平行四辺形状の平面に形成されており、一定の厚さ及び高さで形成されている。 The aluminum alloy layer 10c is a load-loading aluminum alloy layer that applies a load from the trolley wire 1a. The aluminum alloy layer 10c is formed of an Al—Si based aluminum alloy containing alumina fibers, and is preferably formed of an Al—Si—Cu—Ni—Mg based aluminum alloy casting such as AC8A. When the blending amount of the alumina fiber is less than 5 vol%, there is a problem that the abrasion resistance does not appear, and when it exceeds 20 vol%, there is a problem of strength reduction. Similar to the aluminum alloy layer 10a and the aluminum alloy layer 10b, the surface of the aluminum alloy layer 10c that is in contact with the trolley wire 1a is formed in a substantially parallelogram-shaped plane, and is formed with a constant thickness and height. Has been.
次に、この発明の第１実施形態に係る集電部材の製造方法について説明する。
図５に示す製造方法＃１００は、複数のアルミニウム合金層１０ａ〜１０ｃによる複合化された複合材料を製造することによって、トロリ線１ａと摺動することによって集電する集電部材を製造する方法である。製造方法＃１００では、炭素繊維及び／又は気相法炭素繊維などを含有するプリフォーム（中空予成形体）を形成し、このプリフォームにアルミニウム合金を高圧で流し込み、軽量なアルミニウム合金材に複合させて多層構造のすり板９Ａ，９Ｂが形成される。製造方法＃１００は、プリフォーム形成工程＃１１０と、プリフォーム形成工程＃１２０と、高圧鋳造工程＃１３０とを含む。
Next, the manufacturing method of the current collection member concerning 1st Embodiment of this invention is demonstrated.
The manufacturing method # 100 shown in FIG. 5 is a method of manufacturing a current collecting member that collects current by sliding with the trolley wire 1a by manufacturing a composite material composed of a plurality of aluminum alloy layers 10a to 10c. It is. In production method # 100, a preform (hollow preform) containing carbon fiber and / or vapor-grown carbon fiber is formed, and an aluminum alloy is poured into the preform at a high pressure to form a composite with a lightweight aluminum alloy material. As a result, the multi-layered sliding plates 9A and 9B are formed. Manufacturing method # 100 includes a preform forming step # 110, a preform forming step # 120, and a high pressure casting step # 130.
プリフォーム形成工程＃１１０は、炭素繊維を含有する炭素繊維プリフォームを形成する工程である。プリフォーム形成工程＃１１０では、炭素繊維を含有するアルミニウム合金層１０ｂを形成する場合には、炭素繊維を入れた水系分散媒を成形型に入れて分散媒を含む液を除去し所定形状の媒質体を成形する工程と、この媒質体を乾燥させて非酸化雰囲気下で焼成して所定の形状に加工し焼結体の炭素繊維プリフォームを製造する工程とを含む。プリフォーム形成工程＃１１０は、気相法炭素繊維及び炭素繊維を含有するアルミニウム合金層１０ｂを形成する場合には、気相法炭素繊維、界面活性剤及びバインダーを含むスラリーを乾燥させて造粒体を製造する工程と、この造粒体及び炭素繊維を入れた水系分散媒を成形型に入れて分散媒を含む液を除去し所定形状の媒質体を成形する工程と、この媒質体を乾燥させて非酸化雰囲気下で焼成して所定の形状に加工し焼結体の炭素繊維プリフォームを製造する工程とを含む。プリフォーム形成工程＃１１０は、気相法炭素繊維、炭素繊維及びアルミナ繊維を含有するアルミニウム合金層１０ｂを形成する場合には、気相法炭素繊維、界面活性剤及びバインダーを含むスラリーを乾燥させて気相法炭素繊維の造粒体を製造する工程と、この気相法炭素繊維の造粒体、炭素繊維及びアルミナ繊維を入れた水系分散媒を成形型に入れて分散媒を含む液を除去し所定形状の媒質体を成形する工程と、この媒質体を乾燥させて非酸化雰囲気下で焼成して所定の形状に加工し焼結体の炭素繊維プリフォームを製造する工程とを含む。プリフォーム形成工程＃１１０では、炭素繊維プリフォームの厚さを任意の厚さに形成することによって、アルミニウム合金層１０ｂの厚さが調整される。 The preform forming step # 110 is a step of forming a carbon fiber preform containing carbon fibers. In the preform forming step # 110, when forming the aluminum alloy layer 10b containing carbon fibers, an aqueous dispersion medium containing carbon fibers is placed in a mold and the liquid containing the dispersion medium is removed to remove a medium having a predetermined shape. And a step of drying the medium body and firing it in a non-oxidizing atmosphere to process it into a predetermined shape to produce a sintered carbon fiber preform. In the preform forming step # 110, when forming the vapor grown carbon fiber and the aluminum alloy layer 10b containing the carbon fiber, the slurry containing the vapor grown carbon fiber, the surfactant and the binder is dried and granulated. Manufacturing the body, placing the aqueous dispersion medium containing the granulated body and carbon fibers into a mold, removing the liquid containing the dispersion medium, forming a medium body having a predetermined shape, and drying the medium body And firing it in a non-oxidizing atmosphere to process it into a predetermined shape to produce a sintered carbon fiber preform. In the preform forming step # 110, when forming the aluminum alloy layer 10b containing vapor grown carbon fiber, carbon fiber and alumina fiber, the slurry containing the vapor grown carbon fiber, the surfactant and the binder is dried. A step of producing a gas-phase-grown carbon fiber granule, and a liquid containing the dispersion medium by placing the gas-phase-grown carbon fiber granule, an aqueous dispersion medium containing the carbon fiber and the alumina fiber in a mold. Removing and forming a medium body of a predetermined shape, and drying the medium body and firing it in a non-oxidizing atmosphere to process it into a predetermined shape to produce a sintered carbon fiber preform. In the preform forming step # 110, the thickness of the aluminum alloy layer 10b is adjusted by forming the carbon fiber preform to an arbitrary thickness.
プリフォーム形成工程＃１２０は、アルミナ繊維を含有するアルミナ繊維プリフォームを形成する工程である。プリフォーム形成工程＃１２０は、アルミナ繊維を入れた水系分散媒を成形型に入れて分散媒を含む液を除去し所定形状の媒質体を成形する工程と、この媒質体を乾燥させて非酸化雰囲気下で焼成して所定の形状に加工し焼結体のアルミナ繊維プリフォームを製造する工程とを含む。プリフォーム形成工程＃１２０では、アルミナ繊維プリフォームの厚さを任意の厚さに形成することによって、アルミニウム合金層１０ｃの厚さが調整される。 The preform forming step # 120 is a step of forming an alumina fiber preform containing alumina fibers. The preform forming step # 120 is a step of putting an aqueous dispersion medium containing alumina fibers into a mold and removing a liquid containing the dispersion medium to form a medium body of a predetermined shape, and drying the medium body to make non-oxidation And a step of producing a sintered alumina fiber preform by firing in an atmosphere and processing it into a predetermined shape. In the preform forming step # 120, the thickness of the aluminum alloy layer 10c is adjusted by forming the alumina fiber preform to an arbitrary thickness.
高圧鋳造工程＃１３０は、プリフォーム形成工程＃１１０において形成された炭素繊維プリフォームと、プリフォーム形成工程＃１２０において形成されたアルミナ繊維プリフォームとにアルミニウム合金を高圧で流し込む工程である。高圧鋳造工程＃１３０では、アルミナ繊維プリフォーム上に炭素繊維プリフォームを重ねた状態で金型内に配置し、高圧鋳造法によってAC8A材のアルミニウム合金の溶湯を金型内に上から高圧で流し込む。その結果、高圧鋳造工程＃１３０では、下層部にアルミニウム合金層１０ｃが形成され、中層部にアルミニウム合金層１０ｂが形成され、上層部にアルミニウム合金層１０ａが形成され、アルミニウム合金層１０ａ〜１０ｃからなる複合化された３層構造のすり板９Ａ，９Ｂが形成される。 The high pressure casting step # 130 is a step of pouring an aluminum alloy at a high pressure into the carbon fiber preform formed in the preform forming step # 110 and the alumina fiber preform formed in the preform forming step # 120. In the high pressure casting process # 130, the carbon fiber preform is placed on the alumina fiber preform in the mold, and the molten aluminum alloy of AC8A material is poured into the mold at a high pressure from above. . As a result, in the high pressure casting step # 130, the aluminum alloy layer 10c is formed in the lower layer portion, the aluminum alloy layer 10b is formed in the middle layer portion, the aluminum alloy layer 10a is formed in the upper layer portion, and the aluminum alloy layers 10a to 10c are formed. A composite three-layered sliding plate 9A, 9B is formed.
この発明の第１実施形態に係る集電部材、複合材料及び集電装置には、以下に記載するような効果がある。
(1) この第１実施形態では、トロリ線１ａと摺動する順に、トロリ線１ａとの間の導電を担うアルミニウム合金層１０ａと、トロリ線１ａとの間の摩擦抵抗を緩和するアルミニウム合金層１０ｂと、トロリ線１ａからの荷重を負荷するアルミニウム合金層１０ｃとをすり板９Ａ，９Ｂが備えている。このため、例えば、カーボンファイバーやカーボンナノチューブを軽いアルミニウム合金材に複合させるとともにすり板９Ａ，９Ｂを３層構造にすることによって、強度に優れ、熱伝導性、耐摩耗性、潤滑性及び軽量性を兼ね備えたすり板９Ａ，９Ｂを形成することができる。また、簡単な加圧鋳造法によってすり板９Ａ，９Ｂを作成することができるため、すり板９Ａ，９Ｂの量産化を図り安価に製造することができる。
The current collector, the composite material, and the current collector according to the first embodiment of the present invention have the following effects.
(1) In the first embodiment, in the order of sliding with the trolley wire 1a, an aluminum alloy layer 10a that conducts electricity between the trolley wire 1a and an aluminum alloy layer that relaxes the frictional resistance between the trolley wire 1a. The sliding plates 9A and 9B are provided with 10b and an aluminum alloy layer 10c for applying a load from the trolley wire 1a. For this reason, for example, by combining carbon fibers and carbon nanotubes with a light aluminum alloy material and making the sliding plates 9A and 9B have a three-layer structure, it has excellent strength, thermal conductivity, wear resistance, lubricity and lightness. Can be formed. Further, since the sliding plates 9A and 9B can be produced by a simple pressure casting method, the sliding plates 9A and 9B can be mass-produced and manufactured at low cost.
(2) この第１実施形態では、アルミニウム合金層１０ａがAl-Si系アルミニウム合金によって形成されている。このため、例えば、AC8AのようなAl-Si系アルミニウム合金によってアルミニウム合金層１０ａを形成し、３層構造のすり板９Ａ，９Ｂのうち最も導電率が高いアルミニウム合金層１０ａにトロリ線１ａとの導電を担わせることができる。その結果、すり板９Ａ，９Ｂの軽量化及び熱伝導性を図ることができる。 (2) In the first embodiment, the aluminum alloy layer 10a is formed of an Al—Si based aluminum alloy. For this reason, for example, the aluminum alloy layer 10a is formed of an Al—Si based aluminum alloy such as AC8A, and the trolley wire 1a is connected to the aluminum alloy layer 10a having the highest conductivity among the three-layered sliding plates 9A and 9B. Conductivity can be carried. As a result, weight reduction and thermal conductivity of the sliding plates 9A and 9B can be achieved.
(3) この第１実施形態では、アルミニウム合金層１０ｂが炭素繊維を含有するAl-Si系アルミニウム合金によって形成されている。このため、アルミニウム合金層１０ｂを固形潤滑剤として機能させて、すり板９Ａ，９Ｂに自己潤滑性を付与することができ、トロリ線１ａとすり板９Ａ，９Ｂとの間の摩擦抵抗を緩和し摩擦係数を小さくすることができる。その結果、トロリ線１ａ及びすり板９Ａ，９Ｂの摩耗を低減することによって、トロリ線１ａの張り替えやすり板９Ａ，９Ｂの交換などに必要な費用を低減することができる。また、従来の焼結合金すり板と併用される固形潤滑材が不要になるため、集電装置の構造が簡単になり低コスト化を図ることができる。 (3) In the first embodiment, the aluminum alloy layer 10b is formed of an Al—Si based aluminum alloy containing carbon fibers. For this reason, the aluminum alloy layer 10b can be made to function as a solid lubricant to give the sliding plates 9A and 9B self-lubricating properties, thereby reducing the frictional resistance between the trolley wire 1a and the sliding plates 9A and 9B. The friction coefficient can be reduced. As a result, by reducing the wear of the trolley wire 1a and the sliding plates 9A and 9B, it is possible to reduce the cost required for replacing the trolley wire 1a and the replacement plates 9A and 9B. Further, since a solid lubricant used in combination with a conventional sintered alloy slip plate is not required, the structure of the current collector is simplified and the cost can be reduced.
(4) この第１実施形態では、アルミニウム合金層１０ｃがアルミナ繊維を含有するAl-Si系アルミニウム合金によって形成されている。このため、アルミナ繊維を包含するAl-Si系アルミニウム合金によってアルミニウム合金層１０ｃを形成し、３層構造のすり板９Ａ，９Ｂのうち最も硬度の高いアルミニウム合金層１０ｃによってトロリ線１ａからの荷重を負荷することができる。 (4) In the first embodiment, the aluminum alloy layer 10c is formed of an Al—Si based aluminum alloy containing alumina fibers. For this reason, the aluminum alloy layer 10c is formed of an Al—Si-based aluminum alloy including alumina fibers, and the load from the trolley wire 1a is applied by the aluminum alloy layer 10c having the highest hardness among the three-layered sliding plates 9A and 9B. Can be loaded.
(5) この第１実施形態では、トロリ線１ａと摺動するすり板９Ａ，９Ｂの主要部分を構成する主すり板がアルミニウム合金層１０ａ〜１０ｃによって複合化された複合材料である。このため、強度に優れ、熱伝導性、耐摩耗性、潤滑性及び軽量性を兼ね備えたすり板９Ａを形成することができる。また、簡単な加圧鋳造法によってすり板９Ａを製造することができるため、すり板９Ａの量産化を図り安価に製造することができる。 (5) In the first embodiment, the main sliding plate constituting the main part of the sliding plates 9A and 9B that slide with the trolley wire 1a is a composite material in which the aluminum alloy layers 10a to 10c are combined. For this reason, it is possible to form the sliding plate 9A having excellent strength and having heat conductivity, wear resistance, lubricity and light weight. Further, since the sliding plate 9A can be manufactured by a simple pressure casting method, the sliding plate 9A can be mass-produced and manufactured at low cost.
(6) この第１実施形態では、トロリ線１ａと摺動するすり板９Ａ，９Ｂの補助的部分を構成する補助すり板がアルミニウム合金層１０ａ〜１０ｃによって複合化された複合材料である。このため、補助すり板及びトロリ線１ａの摩耗が低減し、補助すり板を長期間交換せずに使用することができるとともにトロリ線１ａの部分補修の必要が低減し、低コスト化を図ることができる。 (6) In this 1st Embodiment, the auxiliary | assistant sliding board which comprises the auxiliary | assistant part of sliding board 9A, 9B sliding with the trolley wire 1a is the composite material compounded by the aluminum alloy layers 10a-10c. For this reason, the wear of the auxiliary sliding plate and the trolley wire 1a is reduced, the auxiliary sliding plate can be used without being replaced for a long period of time, and the need for partial repair of the trolley wire 1a is reduced, thereby reducing the cost. Can do.
（第２実施形態）
図６及び図７に示す導電レール１ｂは、集電装置１１の集電靴１２が摺動する電車線路（第三軌条式電車線路（第三レール))であり、支持碍子によって支持された状態で軌道の側方に沿って軌道と平行に敷設されている。導電レール１ｂは、鉄道車両の車輪を支持する通常の走行用レールとは異なり、車両に電力を供給するための集電用レールであり、車両に負荷電流を供給することを目的として使用される。
(Second Embodiment)
The conductive rail 1b shown in FIGS. 6 and 7 is a train track (third rail train track (third rail)) on which the current collecting shoes 12 of the current collector 11 slide, and is supported by a support insulator. It is laid parallel to the track along the side of the track. The conductive rail 1b is a current collecting rail for supplying electric power to the vehicle, unlike a normal traveling rail that supports the wheels of a railway vehicle, and is used for the purpose of supplying a load current to the vehicle. .
図６に示す集電装置１１は、導電レール１ｂと摺動する集電靴１２によってこの導電レール１ｂから集電する装置である。集電装置１１は、導電レール１ｂから電力を導く集電機能を有する。集電装置１１は、導電レール１ｂの長さ方向（Ｂ方向）に移動しながら、導電レール１ｂの頭頂面に集電靴１２の下面を摺動させて集電する第三軌条式集電装置である。 The current collector 11 shown in FIG. 6 is a device that collects current from the conductive rail 1b by means of current collecting shoes 12 that slide with the conductive rail 1b. The current collector 11 has a current collecting function for guiding power from the conductive rail 1b. The current collector 11 is a third rail-type current collector that collects current by sliding the lower surface of the current collector shoe 12 on the top surface of the conductive rail 1b while moving in the length direction (B direction) of the conductive rail 1b. It is.
図６及び図７に示す集電靴１２は、導電レール１ｂと摺動する部材である。集電靴１２は、図１〜図４に示すすり板９Ａ，９Ｂと同一構造であり、複数のアルミニウム合金層１３ａ〜１３ｃによる複合化された複合材料によって形成されており、導電レール１ｂと摺動することによって集電する集電部材である。集電靴１２は、軌道上を走行する台車に集電装置１１によって絶縁材を介して取り付けられており、図示しないばねによって導電レール１ｂに押し付けられている。集電靴１２は、すり板９Ａ，９Ｂと同様に、強度、熱伝導性、潤滑性及び軽量性を兼ね備えた集電摺動用の金属基複合材料であり、炭素繊維及び／又は気相法炭素繊維を軽量なアルミニウム合金材に複合させて３層の多層構造に形成されている。集電靴１２は、図６及び図７に示すように、導電レール１ｂと摺動する順に、図４に示すアルミニウム合金層１０ａと同様のアルミニウム合金層１３ａと、アルミニウム合金層１０ｂと同様のアルミニウム合金層１３ｂと、アルミニウム合金層１０ｃと同様のアルミニウム合金層１３ｃとを備えている。集電靴１２は、この集電靴１２の進行方向前側から進行方向後側に向かってアルミニウム合金層１３ａ、アルミニウム合金層１３ｂ及びアルミニウム合金層１３ｃの順に積層されている。この第４実施形態には、第１実施形態と同様の効果がある。 The current collector shoe 12 shown in FIGS. 6 and 7 is a member that slides with the conductive rail 1b. The current collecting shoe 12 has the same structure as the sliding plates 9A and 9B shown in FIGS. 1 to 4, is formed of a composite material composed of a plurality of aluminum alloy layers 13a to 13c, and slides on the conductive rail 1b. It is a current collection member which collects electricity by moving. The current collecting shoe 12 is attached to a cart traveling on a track via an insulating material by a current collecting device 11, and is pressed against the conductive rail 1b by a spring (not shown). The current collector shoe 12 is a current-sliding metal matrix composite material having strength, thermal conductivity, lubricity and light weight, similar to the sliding plates 9A and 9B, and is made of carbon fiber and / or vapor grown carbon. The fiber is combined with a lightweight aluminum alloy material to form a three-layer multilayer structure. As shown in FIGS. 6 and 7, the current collecting shoe 12 includes an aluminum alloy layer 13 a similar to the aluminum alloy layer 10 a shown in FIG. 4 and an aluminum similar to the aluminum alloy layer 10 b in the order of sliding with the conductive rail 1 b. An alloy layer 13b and an aluminum alloy layer 13c similar to the aluminum alloy layer 10c are provided. The current collecting shoes 12 are laminated in the order of the aluminum alloy layer 13a, the aluminum alloy layer 13b, and the aluminum alloy layer 13c from the front side in the traveling direction of the current collecting shoe 12 to the rear side in the traveling direction. The fourth embodiment has the same effect as the first embodiment.
次に、この発明の実施例について説明する。
（物理特性試験）
アルミニウム、アルミナ繊維及び炭素繊維の複合材料にカーボンナノチューブの一種で気相法炭素繊維を添加したアルミニウム複合材のパンタグラフすり板への適用可能性を評価するために物理特性試験を実施した。
Next, examples of the present invention will be described.
(Physical property test)
A physical property test was conducted to evaluate the applicability of an aluminum composite material obtained by adding a vapor-grown carbon fiber as a kind of carbon nanotube to a composite material of aluminum, alumina fiber, and carbon fiber to a pantograph sliding plate.
（物理特性試験片）
図８は、実施例１〜３に係る物理特性試験片の外観図であり、図８に示す寸法の単位はmmである。図９は、実施例１に係る物理特性試験片の断面組織を走査型電子顕微鏡（(株)日立ハイテクノロジーズ製S-3400N）により観察した写真である。表１は、この発明の実施例１〜３に係る物理特性試験片の緒元である。表１に示す実施例１〜３は、物理特性試験に使用する供試材であり高圧鋳造法によって作製した物理特性試験片である。物理特性試験は、図４に示すアルミニウム合金層１０ｂに相当する実施例１〜３に対して実施した。実施例１〜３は、表１に示すように、VGCF及びAFの添加の効果を調べるために３種を製造した。
(Physical property test piece)
FIG. 8 is an external view of physical property test pieces according to Examples 1 to 3, and the unit of the dimensions shown in FIG. 8 is mm. FIG. 9 is a photograph of the cross-sectional structure of the physical property test piece according to Example 1 observed with a scanning electron microscope (S-3400N, manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation). Table 1 shows the specifications of physical property test pieces according to Examples 1 to 3 of the present invention. Examples 1 to 3 shown in Table 1 are specimens used for physical property tests, and are physical property test pieces produced by a high-pressure casting method. The physical property test was performed on Examples 1 to 3 corresponding to the aluminum alloy layer 10b shown in FIG. As shown in Table 1, Examples 1 to 3 were manufactured in order to examine the effect of adding VGCF and AF.
表１に示す気相法炭素繊維(以下、VGCFという)は、代表特性が繊維径150nm、密度2.1g/cm3、比表面積13m2/g、熱伝導率1200W/mK、導電率1×10-4Ωcmの昭和電工(株)製VGCF-Hを使用した。VGCF用の界面活性剤は、アルキルベンゼンスルホン酸ナトリウムを18%含む水溶液を使用した。VGCF用のバインダーは、ポリビニルメチルエーテル(PVME)を使用した。 Vapor grown carbon fiber (hereinafter referred to as VGCF) shown in Table 1 has typical characteristics of fiber diameter 150 nm, density 2.1 g / cm 3 , specific surface area 13 m 2 / g, thermal conductivity 1200 W / mK, conductivity 1 × 10 -4 Ωcm VGCF-H manufactured by Showa Denko KK was used. As the surfactant for VGCF, an aqueous solution containing 18% sodium alkylbenzenesulfonate was used. Polyvinyl methyl ether (PVME) was used as the binder for VGCF.
炭素繊維(以下、CFという)は、平均長さ50μm、密度2.22g/cm3、熱伝導率900W/mK、導電率1.5×10-6Ωcm、サイジング剤なしの日本グラファイトファイバー(株)製GRANOCミルドファイバーXN-100-05Mを使用した。 Carbon fiber (hereinafter referred to as CF) has an average length of 50 μm, density of 2.22 g / cm 3 , thermal conductivity of 900 W / mK, conductivity of 1.5 × 10 −6 Ωcm, and no sizing agent made by Nippon Graphite Fiber Co., Ltd. Milled fiber XN-100-05M was used.
アルミナ繊維(以下、AFという)は、化学組成がAl2O396.5%、SiO23.3%、平均繊維径3〜5μm、ショット量0.5〜1.5%、真比重3.2〜3.6、融点2000℃以上、比熱1.13〜1.20×103の電気化学工業(株)製デンカアルセンB97を使用した。 Alumina fiber (hereinafter referred to as AF) has a chemical composition of Al 2 O 3 96.5%, SiO 2 3.3%, average fiber diameter 3-5 μm, shot amount 0.5-1.5%, true specific gravity 3.2-3.6, melting point 2000 ° C. or higher, Denka Alsene B97 manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd. having a specific heat of 1.13 to 1.20 × 10 3 was used.
実施例１は、VGCF及びCFを合せて33.0vol%、残部がAC8Aであるアルミニウム合金である。実施例２は、CFが37.2vol%、残部がAC8Aであるアルミニウム合金である。実施例３は、VGCF、CF及びAFが合わせて39.3vol%、残部がAC8Aであり、アルミニウム合金である。なお、実施例１，３については、VGCFの体積比率を計測できないため、VGCFの添加量5vol%を目標値とした。また、実施例３については、VGCFを除く残りのCF及びAFの添加量を1:1に配合した。 Example 1 is an aluminum alloy in which VGCF and CF are combined at 33.0 vol% and the balance is AC8A. Example 2 is an aluminum alloy in which CF is 37.2 vol% and the balance is AC8A. In Example 3, VGCF, CF, and AF are 39.3 vol% in total, the balance is AC8A, and an aluminum alloy. In Examples 1 and 3, since the volume ratio of VGCF could not be measured, the amount of VGCF added was 5 vol%. For Example 3, the remaining CF and AF addition amounts excluding VGCF were mixed 1: 1.
（実施例１）
表１に示すVGCF 120g、VGCF用の界面活性剤を4.5g及びVGCF用のバインダー4.5gを水15L中に入れて混合し、この混合液を30分超音波処理(200W、20kHz)してスラリーを作製した。このスラリーを供給量が2.7Lとなるようにアトマイザー方式のスプレードライヤ装置に供給し、アトマイザーの回転数20000rpm、乾燥用空気噴出口の温度250℃、排出口の温度112℃で乾燥し、VGCFの造粒体を作製した。次に、表１に示す体積比率のVGCFの造粒体及びCFを水中に添加し、バインダーとしてシリカゾル及びアリミナゾルを加え、凝集剤としてポリアクリルアミドを加えて分散液を作製した。この分散液及び成形型を容器に入れて分散媒吸引装置で分散媒を除去し、媒質体を作製した。この媒質体を120℃で8時間乾燥し、残った媒質媒を除去し、乾燥した媒質体を窒素ガス炉によって400℃2時間焼成してプリフォームを製造した。次に、このプリフォームをNCフライスなどによって加工して形状を整えて成形型内に配置し、800〜850℃に溶融したAC8Aの溶湯を高圧鋳造法によって196MPaの圧力をかけて含浸させて、成形型内をアルミニウム合金で満たした。含浸後に冷却して固化することでVGCF、CF及びアルミニウム合金を複合化させた金属複合材を得た。
Example 1
VGCF 120g shown in Table 1, 4.5g surfactant for VGCF and 4.5g binder for VGCF are mixed in 15L of water and mixed, and this mixture is sonicated (200W, 20kHz) for 30 minutes to make a slurry. Was made. This slurry is supplied to an atomizer spray dryer so that the supply amount is 2.7 L, dried at an atomizer speed of 20000 rpm, a drying air jet temperature of 250 ° C., and a discharge port temperature of 112 ° C. A granulated body was produced. Next, the volume ratio VGCF granule and CF shown in Table 1 were added to water, silica sol and arimina sol were added as binders, and polyacrylamide was added as a flocculant to prepare a dispersion. The dispersion and the mold were placed in a container, and the dispersion medium was removed with a dispersion medium suction device to produce a medium body. This medium was dried at 120 ° C. for 8 hours, the remaining medium was removed, and the dried medium was fired in a nitrogen gas furnace at 400 ° C. for 2 hours to produce a preform. Next, this preform is processed by NC milling etc., and the shape is arranged and placed in a mold, and the molten AC8A melted at 800 to 850 ° C. is impregnated by applying a pressure of 196 MPa by a high pressure casting method. The inside of the mold was filled with an aluminum alloy. By cooling after impregnation and solidifying, a metal composite material in which VGCF, CF and an aluminum alloy were combined was obtained.
（実施例２）
表１に示す体積比率のCFを水中に添加し、バインダーとしてシリカゾル及びアリミナゾルを加え、凝集剤としてポリアクリルアミドを加えて混合し分散液を作製した。この分散液及び成形型を容器に入れて分散媒吸引装置で分散媒を除去し、媒質体を作製した。この媒質体を120℃で8時間乾燥し、残った媒質媒を除去し、乾燥した媒質体を窒素ガス炉によって400℃2時間焼成してプリフォームを製造した。次に、このプリフォームをNCフライスなどによって加工して形状を整えて成形型内に配置し、800〜850℃に溶融したAC8Aの溶湯を高圧鋳造法によって196MPaの圧力をかけて含浸させて、成形型内をアルミニウム合金で満たした。含浸後に冷却して固化することでCF及びアルミニウム合金を複合化させた金属複合材を得た。
(Example 2)
A volume ratio of CF shown in Table 1 was added to water, silica sol and arimina sol were added as binders, polyacrylamide was added as a flocculant, and mixed to prepare a dispersion. The dispersion and the mold were placed in a container, and the dispersion medium was removed with a dispersion medium suction device to produce a medium body. This medium was dried at 120 ° C. for 8 hours, the remaining medium was removed, and the dried medium was fired in a nitrogen gas furnace at 400 ° C. for 2 hours to produce a preform. Next, this preform is processed by NC milling etc., and the shape is arranged and placed in a mold, and the molten AC8A melted at 800 to 850 ° C. is impregnated by applying a pressure of 196 MPa by a high pressure casting method. The inside of the mold was filled with an aluminum alloy. A metal composite material in which CF and an aluminum alloy were combined was obtained by cooling and solidifying after impregnation.
（実施例３）
VGCF 120g、VGCF用の界面活性剤4.5g及びVGCF用のバインダー4.5gを水15L中に入れて混合し、この混合液を30分超音波処理(200W、20kHz)してスラリーを作製した。このスラリーを供給量が2.7Lとなるようにアトマイザー方式のスプレードライヤ装置に供給し、アトマイザーの回転数20000rpm、乾燥用空気噴出口の温度250℃、排出口の温度112℃で乾燥し、VGCFの造粒体を作製した。次に、表１に示す体積比率のVGCFの造粒体、CF及びAFを水に添加し、バインダーとしてシリカゾル及びアリミナゾルを加え、凝集剤としてポリアクリルアミドを加えて分散液を作製した。この分散液と成形型を容器に入れて分散媒吸引装置で分散媒を除去し、媒質体を作製した。この媒質体を120℃で8時間乾燥し、残った媒質媒を除去し、乾燥した媒質体を窒素ガス炉によって400℃で2時間焼成してプリフォームを製造した。次に、このプリフォームをNCフライスなどによって加工して形状を整えて成形型内に配置し、800〜850℃に溶融したAC8Aの溶湯を高圧鋳造法によって196MPaの圧力をかけて含浸させて、成形型内をアルミニウム合金で満たした。含浸後に冷却して固化することでVGCF、CF、AF及びアルミニウム合金を複合化させた金属複合材を得た。
(Example 3)
120 g of VGCF, 4.5 g of a surfactant for VGCF and 4.5 g of a binder for VGCF were mixed in 15 L of water and mixed, and this mixed solution was subjected to ultrasonic treatment (200 W, 20 kHz) for 30 minutes to prepare a slurry. This slurry is supplied to an atomizer spray dryer so that the supply amount is 2.7 L, dried at an atomizer speed of 20000 rpm, a drying air jet temperature of 250 ° C., and a discharge port temperature of 112 ° C. A granulated body was produced. Next, VGCF granulates of volume ratio shown in Table 1, CF and AF were added to water, silica sol and arimina sol were added as binders, and polyacrylamide was added as a flocculant to prepare a dispersion. The dispersion and the mold were placed in a container, and the dispersion medium was removed with a dispersion medium suction device to produce a medium body. This medium was dried at 120 ° C. for 8 hours, the remaining medium was removed, and the dried medium was fired at 400 ° C. for 2 hours in a nitrogen gas furnace to produce a preform. Next, this preform is processed by NC milling etc., and the shape is arranged and placed in a mold, and the molten AC8A melted at 800 to 850 ° C. is impregnated by applying a pressure of 196 MPa by a high pressure casting method. The inside of the mold was filled with an aluminum alloy. By cooling after impregnation and solidifying, a metal composite material in which VGCF, CF, AF and an aluminum alloy were combined was obtained.
（試験方法）
物理特性試験の測定項目は、密度、抵抗率、ショア硬さ、曲げ強さ及びシャルピー衝撃値である。測定方法は、社団法人日本鉄道車輌工業会規格JRIS E 6301(2005)「鉄道車両−パンタグラフ用すり板」に準じた。実施例１〜３は、従来の材料区分には存在しないアルミニウム複合材料であるため、４種「炭素を主体とした金属を含む材料」の場合の項目について試験を行った。試験数は、密度、抵抗率及びショア硬さに関しては６本、曲げ強さ及びシャルピー衝撃値に関してはそれぞれ３本とした。
(Test method)
Measurement items of the physical property test are density, resistivity, Shore hardness, bending strength, and Charpy impact value. The measuring method was in accordance with Japan Railway Vehicle Industry Association Standard JRIS E 6301 (2005) “Railway vehicle-pantograph slide plate”. Since Examples 1 to 3 are aluminum composite materials that do not exist in the conventional material classification, tests were conducted on items in the case of four types of “materials containing metal mainly composed of carbon”. The number of tests was 6 for density, resistivity, and Shore hardness, and 3 for bending strength and Charpy impact value.
（密度）
密度は、車両用炭素ブラシ（JRS15237-1G-15AR0E)に準じてかさ密度を測定した。かさ密度は、実施例１〜３の質量を体積で除して算出した。質量は、実施例１〜３をデシケータ内で乾燥させたのち電子天秤で測定した。体積は、図８に示す実施例１〜３の長手方向の寸法及び測点１〜３の３点で測定した厚さと幅の平均値から算出した。
(density)
The bulk density was measured according to a carbon brush for vehicles (JRS15237-1G-15AR0E). The bulk density was calculated by dividing the mass of Examples 1 to 3 by the volume. The mass was measured with an electronic balance after Examples 1 to 3 were dried in a desiccator. The volume was calculated from the average values of the thickness and width measured at three points of the longitudinal dimensions of Examples 1 to 3 shown in FIG.
（電気抵抗率）
電気抵抗率は、JRS15237-1G-15AR0E(JRIS E 6301)に準じて４端子法により測定した。電気抵抗率の測定は、図１０に示すように、実施例１〜３の長手方向に通電しながらこれらの物理特性試験片の表面の２点間の電位差を測定し、以下に示す数１によって抵抗率βを算出した。電気抵抗率の測定には、図１０に示す直流電源（菊水電子製PAD55-20L）、電圧計（ヒューレットパッカード製3878Aマルチメータ）及び電流計（横河電機製2011）を使用した。
(Electric resistivity)
The electrical resistivity was measured by the 4-terminal method according to JRS15237-1G-15AR0E (JRIS E 6301). As shown in FIG. 10, the electrical resistivity is measured by measuring the potential difference between two points on the surface of these physical property test pieces while energizing in the longitudinal direction of Examples 1 to 3. The resistivity β was calculated. For measurement of electrical resistivity, a DC power source (PAD55-20L manufactured by Kikusui Electronics), a voltmeter (3878A multimeter manufactured by Hewlett-Packard) and an ammeter (2011 manufactured by Yokogawa Electric) were used.
ここで、数１に示すΔＵは測定電位差であり、Ｉは通電電流であり、ｄは電位差測定点間距離であり、Ｓは実施例１〜３の平均断面積である。物理特性試験では、通電電流Ｉは1.0Ａ（電源電圧30Ｖ）であり、電位差測定点間距離ｄは15mmであり、平均断面積Ｓは密度の算出時に用いた実施例１〜３の平均断面積とした。電気抵抗率の測定は、実施例１〜３の圧面及び側面で行った。 Here, ΔU shown in Equation 1 is a measured potential difference, I is an energization current, d is a distance between potential difference measurement points, and S is an average cross-sectional area of Examples 1 to 3. In the physical characteristic test, the energization current I was 1.0 A (power supply voltage 30 V), the distance d between the potential difference measurement points was 15 mm, and the average cross-sectional area S was the average cross-sectional area of Examples 1 to 3 used when calculating the density. It was. The electrical resistivity was measured on the pressure surface and side surfaces of Examples 1 to 3.
（ショア硬さ）
ショア硬さは、JIS Z 2246に準じて測定した。ショア硬さの測定には、前川試験機製作所製の硬試験機ショア―式を使用した。ショア硬さの測定は、圧面及び側面に対して図８に示す測点１〜３の３点でそれぞれ行った。
(Shore hardness)
Shore hardness was measured according to JIS Z 2246. For the measurement of the shore hardness, a hardness tester shore type manufactured by Maekawa Tester Co., Ltd. was used. The Shore hardness was measured at three points 1 to 3 shown in FIG.
（曲げ強さ）
曲げ強さの測定は、JRIS E 6310に準じて３点曲げ試験を行い、以下の数２によって曲げ強さを算出した。曲げ強さの測定には、島津製作所製AG-I50kNを使用した。
(Bending strength)
The bending strength was measured by performing a three-point bending test according to JRIS E 6310, and calculating the bending strength by the following formula 2. For the measurement of bending strength, AG-I50kN manufactured by Shimadzu Corporation was used.
ここで、数２に示すσBは曲げ強さ（MPa)であり、Ｐは荷重であり、ｌは支点間距離であり、ｂは実施例１〜３の幅であり、ｈは実施例１〜３の厚さである。曲げ強さの測定では、支点間距離ｌは４０mmとし、曲げ強さの測定は実施例１〜３の側面で行った。 Here, σ B shown in Equation 2 is the bending strength (MPa), P is the load, l is the distance between the fulcrums, b is the width of Examples 1 to 3, and h is Example 1. A thickness of ~ 3. In the measurement of the bending strength, the distance 1 between the fulcrums was 40 mm, and the bending strength was measured on the side surfaces of Examples 1 to 3.
（シャルピー衝撃試験）
シャルピー衝撃試験は、JIS Z 2242に準じてシャルピー衝撃値を測定した。シャルピー衝撃値の測定には、前川試験機製作所のシャルピー衝撃試験機3Jを使用した。シャルピー吸収エネルギーＫ（Ｊ）は、以下の数３に示す簡易式によって算出した。
(Charpy impact test)
In the Charpy impact test, the Charpy impact value was measured according to JIS Z 2242. For the measurement of Charpy impact value, Charpy impact tester 3J of Maekawa Tester Mfg. Co. was used. The Charpy absorbed energy K (J) was calculated by the simplified formula shown in the following formula 3.
ここで、数３に示すＭは試験機のハンマーの回転軸周りのモーメント（Nm）であり、αは持ち上げ角度であり、βは振り上がり角である。曲げ強さの測定では、支点間距離ｌは４０mmとし、曲げ強さの測定は実施例１〜３の側面で行った。シャルピー衝撃値の測定では、ハンマーの回転軸周りのモーメントＭ＝1.726Nm、持ち上げ角度α＝137.5°で行った。シャルピー吸収エネルギーを実施例１〜３の平均断面積で除することでシャルピー衝撃値を算出した。シャルピー衝撃値の測定は、実施例１〜３の側面に対して行った。 Here, M shown in Equation 3 is a moment (Nm) around the rotation axis of the hammer of the testing machine, α is a lifting angle, and β is a swing-up angle. In the measurement of the bending strength, the distance 1 between the fulcrums was 40 mm, and the bending strength was measured on the side surfaces of Examples 1 to 3. The Charpy impact value was measured at a moment M = 1.726 Nm around the rotation axis of the hammer and a lifting angle α = 137.5 °. The Charpy impact value was calculated by dividing the Charpy absorbed energy by the average cross-sectional area of Examples 1-3. The Charpy impact value was measured on the side surfaces of Examples 1 to 3.
（物理特性試験の結果）
表２は、実施例１〜３の物理特性試験の結果である。
(Results of physical property test)
Table 2 shows the results of physical property tests of Examples 1 to 3.
表２に示すように実施例１〜３の密度は、2.5〜2.6(g/cm3)であり、従来のカーボン系すり板の密度2.7〜3.8(g/cm3)と比較するとやや小さい値であった。実施例１〜３の電気抵抗率は、圧面と側面とでは相違がなく0.08〜0.14(μΩm)であり、目標値の3.0(μΩm)に比べて十分に小さかった。実施例１〜３のショア硬さは、圧面の方が側面に比べてやや高い傾向にあり、全体的には25〜34(HS)の範囲であり、従来のカーボン系すり板のショア硬さ80〜95と比較すると低い値であった。アルミナ繊維を含有しない実施例１と、アルミナ繊維を含有する実施例３とを比較すると、実施例３のほうが実施例１よりもショア硬さが高い傾向にあり、アルミナ繊維の添加による耐荷重効果が確認された。実施例１〜３の曲げ強さ及びシャルピー衝撃値は、いずれも目標値の100(MPa)、3.5(kJ/m2) を超えていた。以上より、実施例１〜３がすり板としての物理特性基準を満たしていることが確認され、図４に示すアルミニウム合金層１０ｂを備えるすり板９Ａ，９Ｂをパンタグラフすり板材として適用可能であることが確認された。 The density of Examples 1 to 3 As shown in Table 2, 2.5~2.6 (g / cm 3 ) a is slightly smaller when compared with the density of conventional carbon-based contact strip 2.7~3.8 (g / cm 3) Met. The electrical resistivity of Examples 1 to 3 was 0.08 to 0.14 (μΩm) with no difference between the pressure surface and the side surface, which was sufficiently smaller than the target value of 3.0 (μΩm). The Shore hardness of Examples 1 to 3 tends to be slightly higher on the pressed surface than on the side surface, and is generally in the range of 25 to 34 (HS), and the Shore hardness of the conventional carbon-based sliding plate. It was a low value compared with 80-95. Comparing Example 1 containing no alumina fiber with Example 3 containing alumina fiber, Example 3 tends to have a higher Shore hardness than Example 1, and the load bearing effect due to the addition of alumina fiber Was confirmed. The bending strength and Charpy impact value of Examples 1 to 3 both exceeded the target values of 100 (MPa) and 3.5 (kJ / m 2 ). From the above, it is confirmed that Examples 1 to 3 satisfy physical property standards as a sliding plate, and the sliding plates 9A and 9B including the aluminum alloy layer 10b shown in FIG. 4 can be applied as a pantograph sliding plate material. Was confirmed.
（摩耗試験）
次に、アルミニウム、アルミナ繊維及び炭素繊維の複合材料にカーボンナノチューブの一種で気相法炭素繊維を添加したアルミニウム複合材のパンタグラフすり板への適用可能性を評価するために摩耗試験を実施した。摩耗試験は、図１１に示す３層構造のアルミニウム複合材及び補助すり板用アルミニウム鋳造材であるAC4A-T6材について行った。
(Abrasion test)
Next, a wear test was conducted to evaluate the applicability of an aluminum composite material obtained by adding a vapor-grown carbon fiber as a kind of carbon nanotube to a composite material of aluminum, alumina fiber, and carbon fiber to a pantograph sliding plate. The abrasion test was performed on the AC4A-T6 material, which is an aluminum composite material having a three-layer structure shown in FIG.
（摩耗試験片）
図１１は、実施例４に係る物理特性試験片の外観図であり、図１１に示す寸法の単位はmmである。表３は、この発明の実施例及び比較例に係る摩耗試験片の緒元である。
(Abrasion test piece)
FIG. 11 is an external view of a physical property test piece according to Example 4, and the unit of the dimension shown in FIG. 11 is mm. Table 3 shows the specifications of the wear test pieces according to Examples and Comparative Examples of the present invention.
表３に示す実施例４は、摩耗試験に使用する供試材であり、表１に示す実施例１〜３に係る物理特性試験片と同じ高圧鋳造法によって作製した摩耗試験片である。実施例４は、AC8A+AF部と、AC8A+CF+VGCF部と、AC8A部との３層構造である。実施例４は、図４に示すアルミニウム合金層１０ｃに対応する部分の組成１のAFが5vol%、残部がAC8Aであり、図４に示すアルミニウム合金層１０ｂに対応する部分の組成２のVGCFが5vol%、CFが50vol%、残部がAC8Aであり、図４に示すアルミニウム合金層１０ａに対応する部分の組成３がAC8Aである。なお、実施例４については、実施例１，３と同様に、VGCFの体積比率を計測できないためVGCFの添加量5vol%を目標値とした。 Example 4 shown in Table 3 is a specimen used for the wear test, and is a wear test piece produced by the same high-pressure casting method as the physical property test pieces according to Examples 1 to 3 shown in Table 1. Example 4 has a three-layer structure of an AC8A + AF part, an AC8A + CF + VGCF part, and an AC8A part. In Example 4, the AF of the composition 1 corresponding to the aluminum alloy layer 10c shown in FIG. 4 is 5 vol%, the balance is AC8A, and the VGCF of the composition 2 corresponding to the aluminum alloy layer 10b shown in FIG. 5 vol%, CF is 50 vol%, the balance is AC8A, and the composition 3 of the portion corresponding to the aluminum alloy layer 10a shown in FIG. 4 is AC8A. In Example 4, as in Examples 1 and 3, since the volume ratio of VGCF could not be measured, the amount of VGCF added was 5 vol%.
（実施例４）
表３の組成１に示すAFを水中に添加し、バインダーのシリカゾル及びアルミナゾルを加え、凝集剤としてポリアクリルアミドを加えて混合し分散液を作製した。この分散液と成形型を容器に入れて分散媒吸引装置で分散媒を除去し、媒質体を作製した。この媒質体を120℃で8時間乾燥し、残った媒質媒を除去しAFのプリフォームを製造した。
Example 4
AF shown in Composition 1 in Table 3 was added to water, silica sol and alumina sol as binder were added, polyacrylamide was added as a flocculant, and mixed to prepare a dispersion. The dispersion and the mold were placed in a container, and the dispersion medium was removed with a dispersion medium suction device to produce a medium body. This medium was dried at 120 ° C. for 8 hours, and the remaining medium was removed to produce an AF preform.
表３に示すVGCF 120g、VGCF用の界面活性剤4.5g及びVGCF用のバインダー4.5gを水15L中に入れて混合し、この混合液を30分超音波処理(200W、20kHz)してスラリーを作製した。このスラリーを供給量が2.7Lとなるようにアトマイザー方式のスプレードライヤ装置に供給し、アトマイザーの回転数20000rpm、乾燥用空気噴出口の温度250℃、排出口の温度112℃で乾燥し、VGCFの造粒体を作製した。次に、表３の組成２に示す体積比率のVGCFの造粒体及びCFを水中に添加し、バインダーとしてシリカゾル及びアリミナゾルを加え、凝集剤としてポリアクリルアミドを加えて分散液を作製した。この分散液と成形型を容器に入れて分散媒吸引装置で分散媒を除去し、媒質体を作製した。この媒質体を120℃で8時間乾燥し、残った媒質媒を除去し、乾燥した媒質体を窒素ガス炉によって400℃で2時間焼成してVGCFとCFのプリフォームを製造した。 VGCF 120g, VGCF surfactant 4.5g and VGCF binder 4.5g shown in Table 3 were mixed in 15L of water and mixed, and this mixture was sonicated (200W, 20kHz) for 30 minutes. Produced. This slurry is supplied to an atomizer spray dryer so that the supply amount is 2.7 L, dried at an atomizer speed of 20000 rpm, a drying air jet temperature of 250 ° C., and a discharge port temperature of 112 ° C. A granulated body was produced. Next, a granulated VGCF having a volume ratio shown in composition 2 in Table 3 and CF were added to water, silica sol and arimina sol were added as binders, and polyacrylamide was added as a flocculant to prepare a dispersion. The dispersion and the mold were placed in a container, and the dispersion medium was removed with a dispersion medium suction device to produce a medium body. This medium was dried at 120 ° C. for 8 hours, the remaining medium was removed, and the dried medium was calcined in a nitrogen gas furnace at 400 ° C. for 2 hours to produce a VGCF and CF preform.
次に、AFのプリフォームとVGCF+CFのプリフォームをNCフライスなどによって加工して形状を整えて、AFプリフォームが下側にVGCF+CFのプリフォームが上側になるようにこれらを重ねて成形型内に配置し、800〜850℃に溶融したAC8Aの溶湯を高圧鋳造法によってVGCF+CFのプリフォーム側から196MPaの圧力をかけて含浸させて、成形型内をアルミニウム合金で満たした。含浸後に冷却して固化することでVGCF+CF、AF及びアルミニウム合金を複合化させた金属複合材を得た。 Next, process the AF preform and VGCF + CF preform with NC milling etc. to adjust the shape, and stack them so that the AF preform is on the bottom and the VGCF + CF preform is on the top The mold was placed in a mold and impregnated with a molten AC8A melted at 800 to 850 ° C. by applying a pressure of 196 MPa from the preform side of VGCF + CF by a high pressure casting method to fill the mold with an aluminum alloy. By cooling after impregnation and solidifying, a metal composite material in which VGCF + CF, AF and an aluminum alloy were combined was obtained.
（比較例）
比較例は、摩耗試験に使用する供試材であり、補助すり板用アルミニウム鋳造材であるAC4A-T6材からなる摩耗試験片である。ここで、JIS AC4Aは、Cuが0.25%以下、Siが8.0〜10.0%、Mgが0.3〜0.6%、Znが0.25%以下、Feが0.55%以下、Mnが0.3〜0.6%以下、Niが0.1%以下、Tiが0.2%以下、Pbが0.1%以下、Snが0.05%以下、Crが0.15%以下、残部がAlであるAl-Si-Mg系のアルミニウム合金鋳物である。
(Comparative example)
The comparative example is a test material used for the wear test, and is a wear test piece made of AC4A-T6 material, which is an aluminum casting material for auxiliary sliding plates. Here, JIS AC4A, Cu is 0.25% or less, Si is 8.0 to 10.0%, Mg is 0.3 to 0.6%, Zn is 0.25% or less, Fe is 0.55% or less, Mn is 0.3 to 0.6% or less, Ni is 0.1 It is an Al—Si—Mg-based aluminum alloy casting in which Ti is 0.2% or less, Pb is 0.1% or less, Sn is 0.05% or less, Cr is 0.15% or less, and the balance is Al.
（試験条件）
摩耗試験は、実施例４及び比較例に係る摩耗試験片について、以下の表４に示す条件のもと計３回行った。
(Test conditions)
The wear test was performed three times on the wear test pieces according to Example 4 and Comparative Example under the conditions shown in Table 4 below.
（試験装置）
図１２に示す集電試験装置は、実際のすり板９Ａ，９Ｂを模擬した模擬すり板と実際のトロリ線１ａを模擬した模擬トロリ線とを接触させて種々の試験を実施する装置である。摩耗試験装置は、図１２に示す公益財団法人鉄道総合技術研究所所有の高速用集電材摩耗試験機を用いた。摩耗試験装置は、回転円板の側面に実際のトロリ線１ａを模擬した純銅製リング（幅5.25mm）の模擬トロリ線を取り付け、実施例４及び比較例に係るすり板試験片をこの模擬トロリ線に押し付けて摺動及び通電する。図１２に示す摩耗試験装置は、最高しゅう動速度500km/h、最高通電電流500Aでの試験が可能である。
(Test equipment)
The current collection test apparatus shown in FIG. 12 is an apparatus for carrying out various tests by bringing a simulated ground plate simulating actual sliding plates 9A and 9B into contact with a simulated trolley wire simulating an actual trolley wire 1a. As the wear test apparatus, a high-speed current collector wear tester owned by the Railway Technical Research Institute shown in FIG. 12 was used. The wear test apparatus is attached with a simulated trolley wire of a pure copper ring (width 5.25 mm) simulating the actual trolley wire 1a on the side surface of the rotating disk, and the strip test pieces according to Example 4 and the comparative example are attached to the simulated trolley wire. Press against the wire to slide and energize. The wear test apparatus shown in FIG. 12 is capable of testing at a maximum sliding speed of 500 km / h and a maximum energization current of 500A.
（測定項目）
摩耗試験の測定項目は、摩耗試験片（すり板試験片）の摩耗率（比摩耗量）である。摩耗試験前後の実施例４及び比較例の質量を測定し、摩耗質量及び摩耗試験片の密度から以下の数４により比摩耗量SWR（単位押付力、単位しゅう動距離当たりの摩耗体積）を算出した。
(Measurement item)
The measurement item of the wear test is the wear rate (specific wear amount) of the wear test piece (slip plate test piece). Measure the mass of Example 4 and Comparative Example before and after the wear test and calculate the specific wear amount SWR (unit pressing force, wear volume per unit sliding distance) from the wear mass and the density of the wear test piece according to the following formula 4. did.
ここで、数４に示すΔＷは摩耗質量であり、ρは密度であり、Ｌはしゅう動距離であり、Ｎは試験中の平均押付力である。 Here, ΔW shown in Equation 4 is the wear mass, ρ is the density, L is the sliding distance, and N is the average pressing force during the test.
（摩耗試験の結果）
図１３に示す縦軸は、摩耗体積(cm3)であり、横軸は摩耗試験片（すり板試験片）である。表５は、実施例４及び比較例に係る摩耗試験片に対する摩耗試験の結果である。
(Result of wear test)
The vertical axis shown in FIG. 13 is the wear volume (cm 3 ), and the horizontal axis is the wear test piece (slip plate test piece). Table 5 shows the results of the wear test on the wear test pieces according to Example 4 and the comparative example.
表１及び図１３に示すように、無通電条件下において、実施例４の摩耗は比較例の摩耗に比べて10分の１以下であった。摩擦係数は、比較例が0.5〜1.0であるのに対して、実施例４では0.2〜0.4と低かった。通電条件下では比較例は摩耗が著しく増加した。一方、実施例４は、通電条件下であっても摩耗が少なく、無通電条件と同等であった。試験後の相手材（模擬トロリ線）の表面を確認したところ、比較例が模擬トロリ線へ凝着し、模擬トロリ線の表面に凹凸が生じていた。一方、実施例４の場合には、模擬トロリ線の表面が平滑であり、比較例のような模擬トロリ線への凝着は見られなかった。このため、実施例４が炭素繊維との複合によって自己潤滑性を有し、一種の自己潤滑材として働くことが確認された。以上より、実施例４が条件によっては従来のカーボン系すり板と同等の摩耗量であることが確認され、図４に示すような３層構造のすり板９Ａ，９Ｂをパンタグラフすり板材として適用可能であることが確認された。特に、補助すり板用アルミニウム鋳造材からなる比較例に比べて、３層構造のアルミニウム合金の複合材である実施例４については、摩擦抵抗を緩和可能なことが確認された。このため、３層構造のアルミニウム合金の複合材を補助すり板として使用する場合には、この補助すり板及びトロリ線１ａの摩耗を低減可能なことが確認された。その結果、補助すり板を長期間交換せずに使用することができるとともにトロリ線１ａの部分補修の必要が低減し、低コスト化を図ることができる。 As shown in Table 1 and FIG. 13, the wear of Example 4 was 1/10 or less of the wear of the comparative example under the non-energized condition. The coefficient of friction was as low as 0.2 to 0.4 in Example 4 compared to 0.5 to 1.0 in the comparative example. Under the energized condition, the comparative example showed a marked increase in wear. On the other hand, Example 4 had little wear even under energized conditions and was equivalent to the non-energized conditions. When the surface of the counterpart material (simulated trolley wire) after the test was confirmed, the comparative example adhered to the simulated trolley wire, and the surface of the simulated trolley wire was uneven. On the other hand, in the case of Example 4, the surface of the simulated trolley wire was smooth, and no adhesion to the simulated trolley wire as in the comparative example was observed. For this reason, it was confirmed that Example 4 has a self-lubricating property by being combined with the carbon fiber and works as a kind of self-lubricating material. From the above, it is confirmed that the wear amount of Example 4 is equivalent to that of a conventional carbon-based sliding plate depending on conditions, and the three-layered sliding plates 9A and 9B as shown in FIG. 4 can be applied as a pantograph sliding plate material. It was confirmed that. In particular, it was confirmed that the frictional resistance of Example 4 which is a composite material of an aluminum alloy having a three-layer structure can be reduced as compared with a comparative example made of an aluminum casting material for auxiliary sliding plates. For this reason, when using the composite material of the aluminum alloy of a three-layer structure as an auxiliary | assistant sliding board, it was confirmed that abrasion of this auxiliary sliding board and the trolley wire 1a can be reduced. As a result, the auxiliary sliding plate can be used without being replaced for a long period of time, and the need for partial repair of the trolley wire 1a is reduced, thereby reducing the cost.
（他の実施形態）
この発明は、以上説明した実施形態に限定するものではなく、以下に記載するように種々の変形又は変更が可能であり、これらもこの発明の範囲内である。
(1) この実施形態では、鉄道車両の集電装置３，１１を例に挙げて説明したが、運搬機械又はエレベータなどのような移動体の集電装置、高速で摺動しながら種々の試験を実施する集電試験機の集電装置などについてもこの発明を適用することができる。また、この実施形態では、シングルアーム式及び第三軌条方式の集電装置３，１１を例に挙げて説明したが、菱型又は翼型などの他の形式の集電装置についてもこの発明を適用することができる。さらに、この実施形態では、電車線路がトロリ線１ａ及び導電レール１ｂである場合を例に挙げて説明したが、アルミ合金又は導電鋼などの剛体を電車線路に使用する剛体ちょう架式電車線路の剛体電車線路などについてもこの発明を適用することができる。
(Other embodiments)
The present invention is not limited to the embodiment described above, and various modifications or changes can be made as described below, and these are also within the scope of the present invention.
(1) In this embodiment, the railway vehicle current collectors 3 and 11 have been described as examples. However, a mobile body current collector such as a transport machine or an elevator, and various tests while sliding at high speed. The present invention can also be applied to a current collector of a current collection tester that implements the above. In this embodiment, the single-arm type and third-rail type current collectors 3 and 11 have been described as examples. However, the present invention is also applicable to other types of current collectors such as a rhombus type or a wing type. Can be applied. Furthermore, in this embodiment, the case where the train track is the trolley wire 1a and the conductive rail 1b has been described as an example. However, a rigid body type train track that uses a rigid body such as an aluminum alloy or conductive steel for the train track is described. The present invention can also be applied to a rigid train line.
(2) この実施形態では、アルミニウム合金層１０ｂ，１３ｂが気相法炭素繊維及び炭素繊維を含有する場合を例に挙げて説明したが、気相法炭素繊維又は炭素繊維のいずれか一方のみをアルミニウム合金層１０ｂ，１３ｂに含有させることができる。また、この実施形態では、すり板９Ａ，９Ｂが３層構造である場合を例に挙げて説明したが、すり板９Ａ，９Ｂの積層構造を３層構造に限定するものではなく、すり板９Ａ，９Ｂを任意の数の積層構造にすることもできる。さらに、この実施形態では、トロリ線１ａ又は導電レール１ｂと摺動する順に、アルミニウム合金層１０ａ，１３ａ、アルミニウム合金層１０ｂ，１３ｂ及びアルミニウム合金層１０ｃ，１３ｃを備えるすり板９Ａ，９Ｂ及び集電靴１２を例に挙げて説明したが、このような積層順に限定するものではなく、任意の順の積層構造にすることもできる。 (2) In this embodiment, the case where the aluminum alloy layers 10b and 13b contain vapor grown carbon fibers and carbon fibers has been described as an example. However, only one of vapor grown carbon fibers or carbon fibers is used. It can be contained in the aluminum alloy layers 10b and 13b. In this embodiment, the case where the sliding plates 9A and 9B have a three-layer structure has been described as an example. However, the laminated structure of the sliding plates 9A and 9B is not limited to the three-layer structure, and the sliding plate 9A. 9B can have any number of laminated structures. Further, in this embodiment, the sliding plates 9A and 9B including the aluminum alloy layers 10a and 13a, the aluminum alloy layers 10b and 13b, and the aluminum alloy layers 10c and 13c and the current collectors are slid with the trolley wire 1a or the conductive rail 1b. Although the shoe 12 has been described as an example, the present invention is not limited to such a stacking order, and a stacked structure in an arbitrary order may be employed.
(3) この第１実施形態では、すり板９Ａが複数に分割された多分割すり板体である新幹線用（高速用）パンタグラフの集電舟７を例に挙げて説明したが、このような多分割すり板体に限定するものではない。例えば、２〜３枚のすり板を長さ方向に並べて配置した従来の在来線用又は新幹線用パンタグラフの集電舟についてもこの発明を適用することができる。 (3) In the first embodiment, the Shinkansen (high-speed) pantograph current collector boat 7 is described as an example, although the sliding plate 9A is a multi-segmented sliding plate divided into a plurality of pieces. The present invention is not limited to the multi-divided ground plate. For example, the present invention can also be applied to a conventional current line or Shinkansen pantograph current collector boat in which two or three sliding plates are arranged in the length direction.
１ 架線
１ａ トロリ線（電車線路）
１ｂ 導電レール（電車線路）
２ 車両
３ 集電装置
９Ａ すり板（主すり板）
９Ｂ すり板（補助すり板）
１０ａ アルミニウム合金層（第１のアルミニウム合金層）
１０ｂ アルミニウム合金層（第２のアルミニウム合金層）
１０ｃ アルミニウム合金層（第３のアルミニウム合金層）
１１ 集電装置
１２ 集電靴
１３ａ アルミニウム合金層（第１のアルミニウム合金層）
１３ｂ アルミニウム合金層（第２のアルミニウム合金層）
１３ｃ アルミニウム合金層（第３のアルミニウム合金層）
1 overhead line 1a trolley line (train line)
1b Conductive rail (train line)
2 Vehicle 3 Current collector 9A Sliding plate (main sliding plate)
9B Sliding board (auxiliary sliding board)
10a Aluminum alloy layer (first aluminum alloy layer)
10b Aluminum alloy layer (second aluminum alloy layer)
10c Aluminum alloy layer (third aluminum alloy layer)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Current collector 12 Current collection shoes 13a Aluminum alloy layer (1st aluminum alloy layer)
13b Aluminum alloy layer (second aluminum alloy layer)
13c Aluminum alloy layer (third aluminum alloy layer)
Claims (11)
前記複合材料は、前記被接触部と摺動する順に、
前記被接触部との間の導電を担う第１のアルミニウム合金層と、
前記被接触部との間の摩擦抵抗を緩和する第２のアルミニウム合金層と、
前記被接触部からの荷重を負荷する第３のアルミニウム合金層とを備えること、
を特徴とする集電部材。 A current collecting member that is formed of a composite material composed of a plurality of aluminum alloy layers and that collects current by sliding with a contacted portion;
The composite material, in the order of sliding with the contacted part,
A first aluminum alloy layer responsible for electrical conduction between the contacted parts;
A second aluminum alloy layer that relieves frictional resistance with the contacted part;
A third aluminum alloy layer that loads a load from the contacted part,
A current collecting member.
前記第１のアルミニウム合金層は、Al-Si系アルミニウム合金によって形成されていること、
を特徴とする集電部材。 The current collecting member according to claim 1,
The first aluminum alloy layer is formed of an Al-Si based aluminum alloy;
A current collecting member.
前記第２のアルミニウム合金層は、炭素繊維を含有するAl-Si系アルミニウム合金によって形成されていること、
を特徴とする集電部材。 In the current collection member according to claim 1 or claim 2,
The second aluminum alloy layer is formed of an Al-Si-based aluminum alloy containing carbon fibers;
A current collecting member.
前記第３のアルミニウム合金層は、アルミナ繊維を含有するAl-Si系アルミニウム合金によって形成されていること、
を特徴とする集電部材。 In the current collection member according to any one of claims 1 to 3,
The third aluminum alloy layer is formed of an Al-Si aluminum alloy containing alumina fibers;
A current collecting member.
被接触部との間の導電を担う第１のアルミニウム合金層と、
前記被接触部との間の摩擦抵抗を緩和する第２のアルミニウム合金層と、
前記被接触部からの荷重を負荷する第３のアルミニウム合金層と、
を備える複合材料。 A composite material composed of a plurality of aluminum alloy layers,
A first aluminum alloy layer that conducts electricity between the contacted parts;
A second aluminum alloy layer that relieves frictional resistance with the contacted part;
A third aluminum alloy layer for applying a load from the contacted part;
A composite material comprising.
前記第１のアルミニウム合金層は、Al-Si系アルミニウム合金によって形成されていること、
を特徴とする複合材料。 The composite material according to claim 5,
The first aluminum alloy layer is formed of an Al-Si based aluminum alloy;
A composite material characterized by
前記第２のアルミニウム合金層は、炭素繊維を含有するAl-Si系アルミニウム合金によって形成されていること、
を特徴とする複合材料。 In the composite material according to claim 5 or 6,
The second aluminum alloy layer is formed of an Al-Si-based aluminum alloy containing carbon fibers;
A composite material characterized by
前記第３のアルミニウム合金層は、アルミナ繊維を含有するAl-Si系アルミニウム合金によって形成されていること、
を特徴とする複合材料。 In the composite material according to any one of claims 5 to 7,
The third aluminum alloy layer is formed of an Al-Si aluminum alloy containing alumina fibers;
A composite material characterized by
請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の集電部材を備え、
前記集電部材は、トロリ線と摺動するすり板の主要部分を構成する主すり板であること、
を特徴とする集電装置。 A current collector that slides on the train track and collects current from the train track,
A current collecting member according to any one of claims 1 to 4, comprising:
The current collecting member is a main sliding plate constituting a main portion of the sliding plate sliding with the trolley wire;
A current collector characterized by.
請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の集電部材を備え、
前記集電部材は、トロリ線と摺動するすり板の補助的部分を構成する補助すり板であること、
を特徴とする集電装置。 A current collector that slides on the train track and collects current from the train track,
A current collecting member according to any one of claims 1 to 4, comprising:
The current collecting member is an auxiliary sliding plate constituting an auxiliary portion of the sliding plate sliding with the trolley wire;
A current collector characterized by.
請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の集電部材を備え、
前記集電部材は、導電レールと摺動する集電靴であること、
を特徴とする集電装置。 A current collector that slides on the train track and collects current from the train track,
A current collecting member according to any one of claims 1 to 4, comprising:
The current collecting member is a current collecting shoe sliding with a conductive rail;
A current collector characterized by.
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