JP2017118620A - 摺動部材形成材料及び摺動部材 - Google Patents

Abstract

【課題】高温高湿環境特性に優れる摺動部材を製造可能な摺動部材形成材料及び摺動部材を提供する。【解決手段】金属と、黒鉛と、炭化ケイ素と、を含む摺動部材形成材料。【選択図】なし

Description

本発明は、摺動部材形成材料及び摺動部材に関する。

電動機、発電機等において整流子、スリップリング等に接しながら電気を伝える役割を担う部材として、銅等の金属と黒鉛を主成分とするブラシ（金属黒鉛質ブラシ）が広く用いられている。ブラシは回転している整流子と接触する面が徐々に摩耗するため、一定期間が経過すると交換する必要がある。そのため、風力発電等のメンテナンスが困難な用途では、ブラシの摩耗の抑制に対する要求が大きい。また、使用環境条件が屋外の場合は季節、天候等の影響でブラシの摩耗が安定しない場合がある。特に、高温高湿環境下では、整流子やスリップリングとの摺動によって被摺動部材に生成される酸化物被膜の量が過剰となってブラシの接触抵抗が増大したり、被摺動部材の表面が荒れることによって摩耗が増加したりする場合がある。

ブラシの性能の劣化を抑制し、寿命向上を図る方法としては、銀、亜鉛、マンガン等の酸化物生成の標準自由エネルギーが銅よりも低い金属を添加してブラシに含まれる銅の酸化を抑制する方法（例えば、特許文献１及び２参照）、特定量のビスマス又は酸化ビスマスを添加してブラシに含まれる銅の酸化を抑制する方法（例えば、特許文献３参照）等が提案されている。

特開２００３−２９９３１９号公報 特開２００６−３２００４３号公報 特開２００８−１１８８３１号公報

近年、電動機、発電機等の高速化及び高電流密度化に伴って大電流が通電された際の発熱量が増大する傾向にある。また、用途によっては高温高湿環境下での使用に耐えうる特性の一層の向上が求められている。そこで本発明は、高温高湿環境特性に優れる摺動部材を製造可能な摺動部材形成材料及び摺動部材を提供することを課題とする。

以下、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。但し、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。以下の実施形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合、原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必須ではない。数値及びその範囲についても同様であり、本発明を制限するものではない。

本明細書において「工程」との語は、独立した工程だけではなく、他の工程と明確に区別できない場合であってもその工程の目的が達成されれば、本用語に含まれる。また本明細書において「〜」を用いて示された数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値をそれぞれ最小値及び最大値として含む範囲を示す。また、本明細書において組成物中の各成分の含有量は、組成物中に各成分に該当する物質が複数種存在する場合、特に断らない限り、組成物中に存在する当該複数種の物質の合計量を意味する。また、本明細書において組成物中の各成分の粒子径は、組成物中に各成分に該当する粒子が複数種存在する場合、特に断らない限り、組成物中に存在する当該複数種の粒子の混合物についての値を意味する。また、本明細書において「層」との語は、平面図として観察したときに、全面に形成されている形状の構成に加え、一部に形成されている形状の構成も包含される。

本明細書において金属粒子及び黒鉛粒子の「平均粒子径」は、レーザー散乱型粒度分布測定装置に測定される値であり、体積基準の粒度分布において小径側からの積算が５０％となるときの粒径（Ｄ５０）である。

上記課題を解決するための具体的手段には、以下の実施態様が含まれる。
＜１＞金属と、黒鉛と、炭化ケイ素と、を含む摺動部材形成材料。
＜２＞前記金属が銅を含む、＜１＞に記載の摺動部材形成材料。
＜３＞前記炭化ケイ素の含有率が０．０１質量％〜２質量％である、＜１＞又は＜２＞に記載の摺動部材形成材料。
＜４＞前記金属の含有率が１５質量％〜９５質量％である、＜１＞〜＜３＞のいずれか１項に記載の摺動部材形成材料。
＜５＞前記黒鉛の含有率が５質量％〜８５質量％である、＜１＞〜＜４＞のいずれか１項に記載の摺動部材形成材料。
＜６＞＜１＞〜＜５＞のいずれか１項に記載の摺動部材形成材料の焼成体を含む、摺動部材。
＜７＞表面の少なくとも一部に樹脂被覆層を有する、＜６＞に記載の摺動部材。

本発明によれば、高温高湿環境特性に優れる摺動部材を製造可能な摺動部材形成材料及び摺動部材が提供される。

＜摺動部材形成材料＞
本発明の実施態様に係る摺動部材形成材料は、銅を含む金属と、黒鉛と、炭化ケイ素と、を含む。このような構成とすることにより、高温高湿環境特性に優れる理由は明らかではないが、以下のように推測される。すなわち、摺動部材形成材料を焼成して得られる摺動部材に含まれる炭化ケイ素によって、被摺動部材の表面に生成した酸化物被膜が研磨されて除去されることにより、摺動部材の接触抵抗（以下、単に抵抗ともいう）の増大が抑制されると考えられる。さらに、被摺動部材の表面が滑らかになることによって、高温高湿環境下でも摺動部材の摩耗量が抑制されると考えられる。

（金属）
摺動部材形成材料に含まれる金属は、摺動部材形成材料に使用可能なものであれば特に制限されない。このような金属としては、銅、銀、亜鉛、マンガン、錫等が挙げられる。価格、出力及び機械的強度の観点からは、金属は銅を含むことが好ましく、電解銅を含むことがより好ましい。これらの金属は、１種を単独で用いても、２種以上を併用してもよい。

摺動部材形成材料に含まれる金属は、粒子状であることが好ましい。金属が粒子状である場合の平均粒子径は特に制限されない。被摺動部材の損傷を抑制する観点からは、金属の平均粒子径は１０μｍ〜１００μｍであることが好ましく、１０μｍ〜７０μｍであることがより好ましく、１０μｍ〜５０μｍであることが更に好ましい。金属粒子は、樹脂被覆層を有していてもよい。この場合の樹脂は、例えば、後述するブラシの樹脂被覆層に用いられる樹脂から選択することができる。

摺動部材の強度の観点からは、摺動部材形成材料に含まれる金属の含有率は１５質量％以上であることが好ましく、３０質量％以上であることがより好ましく、５０質量％以上であることが更に好ましい。潤滑性の観点からは、摺動部材形成材料に含まれる金属の含有率は９５質量％以下であることが好ましく、８０質量％以下であることがより好ましく、７０質量％以下であることが更に好ましい。
摺動部材形成材料は、「金属」として上述したもの以外に、リン銅合金、銅マンガン合金等の銅化合物を含んでもよい。摺動部材形成材料が銅化合物を含む場合、その含有率は、０．０５質量％〜２質量％であることが好ましく、０．１質量％〜１．５質量％であることがより好ましく、０．５質量％〜１．０質量％であることが更に好ましい。これらの銅化合物を含有することで、銅が主成分となる被摺動部材（整流子等）の凝着摩耗を防ぎ、摩耗速度の減少を抑制し、界面接触抵抗の増大を抑制することができる。

（黒鉛）
摺動部材形成材料に含まれる黒鉛は、摺動部材形成材料に使用可能なものであれば特に制限されず、天然黒鉛及び人造黒鉛のいずれでもよい。潤滑性の観点からは、天然黒鉛が好ましい。

摺動部材形成材料に含まれる黒鉛は、粒子状であることが好ましい。黒鉛が粒子状である場合の平均粒子径は特に制限されない。潤滑性の観点からは、黒鉛の平均粒子径は１０μｍ〜１００μｍであることが好ましく、１０μｍ〜７０μｍであることがより好ましく、１０μｍ〜５０μｍであることが更に好ましい。

摺動部材の強度の観点からは、摺動部材形成材料に含まれる黒鉛は、造粒黒鉛を含むことが好ましい。造粒黒鉛とは、黒鉛とバインダ樹脂との混合物に必要に応じて固体潤滑剤、硬化剤、可塑剤等を添加したものを粒子状にしたものであり、各粒子は複数の黒鉛粒子がバインダ樹脂によって集合及び付着した構造を有している。バインダ樹脂は特に制限されず、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、フラン樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂等の熱硬化性樹脂が挙げられる。摺動部材の強度及び耐熱性の観点からは、エポキシ樹脂又はフェノール樹脂を用いることが好ましい。

黒鉛として造粒黒鉛を用いる場合は、摺動部材の摺動特性の観点からは、造粒黒鉛の平均粒子径は５００μｍ以下であることが好ましく、４００μｍ以下であることがより好ましく、３００μｍ以下であることが更に好ましい。また、上記と同様の観点からは、造粒黒鉛の平均粒子径は、金属の平均粒子径の３倍〜１０倍であることが好ましい。

摺動部材の潤滑性の観点からは、摺動部材形成材料に含まれる黒鉛の含有率は５質量％以上であることが好ましく、２０質量％以上であることがより好ましく、３０質量％以上であることが更に好ましい。摺動部材の強度の観点からは、摺動部材形成材料に含まれる黒鉛の含有率は８５質量％以下であることが好ましく、７５質量％以下であることがより好ましく、６５質量％以下であることが更に好ましい。

（炭化ケイ素）
摺動部材形成材料に含まれる炭化ケイ素は、粒子状であることが好ましい。炭化ケイ素が粒子状である場合の平均粒子径は特に制限されない。摺動部材形成材料の焼成物である摺動部材の表面に生成する酸化物被膜の量を調整する観点からは、炭化ケイ素の平均粒子径は１０μｍ以上であることが好ましく、２０μｍ以上であることがより好ましく、３０μｍ以上であることが更に好ましい。炭化ケイ素の研磨による被摺動部材（整流子等）の損傷を抑制する観点からは、炭化ケイ素の平均粒子径は１００μｍ以下であることが好ましく、８０μｍ以下であることがより好ましく、７０μｍ以下であることが更に好ましい。

被摺動部材の表面に生成する酸化物被膜の量を調整する観点からは、摺動部材形成材料に含まれる炭化ケイ素の含有率は０．０１質量％以上であることが好ましく、０．１質量％以上であることがより好ましく、０．１５質量％以上であることが更に好ましい。炭化ケイ素の研磨による被摺動部材（整流子等）の損傷を抑制する観点からは、摺動部材形成材料に含まれる炭化ケイ素の含有率は２質量％以下であることが好ましく、１．５質量％以下であることがより好ましく、１質量％以下であることが更に好ましい。

（潤滑剤）
摺動部材形成材料は、潤滑剤を含んでもよい。潤滑剤は特に制限されず、摺動部材形成材料に一般に用いられるものから選択できる。例えば、二硫化モリブデン、二硫化タングステン等の金属硫化物、窒化硼素等の固体潤滑剤が挙げられ、中でも二硫化モリブデンが好ましい。摺動部材形成材料が潤滑剤を含む場合の含有率は特に制限されない。例えば、二硫化モリブデンを含有する場合は、その含有率は０．０１質量％〜１０質量％であることが好ましく、０．１質量％〜５質量％であることがより好ましい。

＜摺動部材＞
本発明の実施態様に係る摺動部材は、上述した摺動部材形成材料の焼成体を含む。摺動部材を得る方法は特に制限されず、通常の摺動部材の製造方法を適用できる。例えば、摺動部材形成材料を所望の形状に成形し、還元性雰囲気中で４００℃〜８００℃で４５０分〜６００分の焼成を行って製造することができる。摺動部材は、上述した摺動部材形成材料の焼成体のみからなってもよく、その他の部材を有していてもよい。

摺動部材は、表面の少なくとも一部に樹脂被覆層を有していることが好ましい。樹脂被覆層を有することで、摺動部材の酸化をより有効に抑制できる。摺動部材が樹脂被覆層を有する場合、樹脂被覆層に用いられる樹脂は特に制限されず、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、フラン樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂等の熱硬化性樹脂が挙げられる。摺動部材の強度の観点からは、エポキシ樹脂又はフェノール樹脂を用いることが好ましい。

摺動部材を樹脂で被覆する方法は特に制限されず、例えば、樹脂被覆層に用いる樹脂を塗布、吹き付け、浸漬、含浸等の方法で摺動部材の表面に付与して行うことができる。より安定した樹脂被覆層を形成する観点からは、摺動部材を樹脂に含浸させる方法が好ましく、真空含浸がより好ましい。含浸により摺動部材を樹脂で被覆することで、樹脂が摺動部材の表面のみならず、内部にも存在する摺動部材を得ることができる。その結果、摺動部材が摩耗しても、摩耗により現れた面に常に樹脂被覆層が存在して酸化が抑制される摺動部材を得ることができる。

摺動部材が樹脂被覆層を有する場合の被覆量は特に制限されない。樹脂被覆層による酸化抑制効果を充分に得る観点からは、摺動部材の質量に対して０．０５質量％以上であることが好ましく、０．１質量％以上であることがより好ましい。摺動部材の抵抗の増大を抑制する観点からは、摺動部材の質量に対して５質量％以下であることが好ましく、３質量％以下であることがより好ましい。

摺動部材の大きさ、形状等は特に制限されず、用途に応じて選択できる。摺動部材の用途としては、各種の電動機、発電機等に用いられるブラシ、電車のパンタグラフに設置されるすり板、アースブラシ等が挙げられる。中でも、高温高湿環境下で長期にわたって使用される風力発電機用のブラシ、自動車用ブラシ、電車用ブラシ等として好適に用いられる。

以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらによって制限されるものではない。

＜実施例１＞
（造粒黒鉛の作製）
平均粒子径が３５μｍの天然黒鉛粒子（日本黒鉛工業（株）製、商品名ＣＢ−１５０）８０質量％と、フェノール樹脂（日立化成（株）製、商品名ＶＰ−１１Ｎ）２０質量％とを混合し、７０℃で１０時間乾燥させた後に顆粒状にして、平均粒子径が３００μｍ以下の造粒黒鉛を得た。

（摺動部材の作製）
次に、上記で作製した造粒黒鉛４２質量部、平均粒子径が３５μｍの電解銅粉（福田金属箔紛（株）製、商品名ＣＥ−２５）５５質量部、平均粒子径が５０μｍの炭化ケイ素０．２質量部、平均粒子径が５μｍの二硫化モリブデン粉３質量部を秤量し、５０分間混合して、摺動部材形成材料としての混合粉を得た。その後、混合粉を面圧４ｔｏｎ／ｃｍ^２の条件で金型を用いて厚さ２５ｍｍ×幅５０ｍｍ×長さ１００ｍｍの大きさに成形し、次いで還元性雰囲気中において６５０℃で５００分間焼成した。次いで、得られた焼成体を１６ｍｍ×幅２５ｍｍ×長さ４２ｍｍの大きさに機械加工して、摺動部材としてのブラシを作製した。

＜実施例２＞
炭化ケイ素の量を０．５質量部にした以外は、実施例１と同様にしてブラシを作製した。

＜実施例３＞
実施例１で得られたブラシに対し、濃度を２５質量％に調整したフェノール樹脂（日立化成（株）製、商品名ＶＰ−１１Ｎ）の溶液中で真空含浸処理を行った。その後、１８０℃で５時間乾燥させて、ブラシの表面をフェノール樹脂で被覆するとともに、ブラシの内部にフェノール樹脂を含浸させた。得られたブラシの樹脂による被覆量は、ブラシの質量に対して０．３重量％であった。

＜実施例４＞
炭化ケイ素の量を０．０２５質量部にし、リン銅合金を１．０質量部、銅マンガン合金を１．０質量部加えた以外は、実施例１と同様にしてブラシを作製した。

＜実施例５＞
炭化ケイ素の量を２質量部にした以外は、実施例１と同様にしてブラシを作製した。

＜比較例１＞
炭化ケイ素を用いないこと以外は、実施例１と同様にしてブラシを作製した。

＜評価＞
実施例１〜５及び比較例１で作製したブラシを、直径１５０ｍｍの銅製スリップリングに装着した。次いで、温度２０℃、相対湿度（ＲＨ）５０％の雰囲気中、及び温度８０℃、相対湿度（ＲＨ）９５％の雰囲気中で、通電電流１５Ａ／ｃｍ^２、回転数３，０００／分（ｒｐｍ）の条件で２００時間の通電試験を行った。その後、ブラシ表面の接触抵抗及びブラシの摩耗量を測定した。

接触抵抗は、試験中の電圧降下の値を用いて算出した。電圧降下の値は、正負ブラシ間の電圧を計測器にて測定することによって測定した。結果を表１に示す。

摩耗量は、試験前後のブラシの長さ（摩耗面に対して垂直な方向の長さ）をマイクロメータで測定し、試験前後の測定値の差（ｍｍ）を摩耗量とした。結果を表１に示す。

表１から明らかなように、炭化ケイ素を含まない比較例１は、８０℃、９５％ＲＨの雰囲気中で通電試験を行った後の接触抵抗及び摩耗量の測定値が実施例１〜５に比べて大きかった。

炭化ケイ素を含む実施例１〜５は、８０℃、９５％ＲＨの雰囲気中で通電試験を行った後においても、２０℃、５０％ＲＨの雰囲気中で通電試験を行った後との間で接触抵抗及び摩耗率にほとんど変化がなかった。このことから、高温高湿環境下でも安定した摩耗特性が得られることが確認された。

Claims (7)

1. 金属と、黒鉛と、炭化ケイ素と、を含む摺動部材形成材料。
2. 前記金属が銅を含む、請求項１に記載の摺動部材形成材料。
3. 前記炭化ケイ素の含有率が０．０１質量％〜２質量％である、請求項１又は請求項２に記載の摺動部材形成材料。
4. 前記金属の含有率が１５質量％〜９５質量％である、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の摺動部材形成材料。
5. 前記黒鉛の含有率が５質量％〜８５質量％である、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の摺動部材形成材料。
6. 請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の摺動部材形成材料の焼成体を含む、摺動部材。
7. 表面の少なくとも一部に樹脂被覆層を有する、請求項６に記載の摺動部材。