JP2021009788A

JP2021009788A - 金属黒鉛質ブラシ

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Publication number: JP2021009788A
Application number: JP2019122666A
Authority: JP
Inventors: 古賀　脩平; Shuhei Koga; 脩平古賀; 晃司山岡; Koji Yamaoka; 良太國枝; Ryota Kunieda; 怜天野; Rei Amano; 長谷川　浩司; Koji Hasegawa; 浩司長谷川; 功島添; Isao Shimazoe
Original assignee: Nippon Steel Corp; Fine Sinter Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp; Fine Sinter Co Ltd
Priority date: 2019-07-01
Filing date: 2019-07-01
Publication date: 2021-01-28
Anticipated expiration: 2039-07-01
Also published as: JP7200057B2

Abstract

【課題】大電流が流れて高速回転する条件下での回転体との摺動面において、Ｃｕが強く酸化されるような高温条件下でも優れた耐摩耗性をもち、かつ、摺動相手である回転体への攻撃性を低減する。【解決手段】メジアン径Ｄ５０が５０μm以下かつＤ９５が７５μm未満の、Ｃｕ粉末および／またはＣｕ合金粉末を６５〜８０質量％、メジアン径Ｄ５０が１０〜８０μmかつＤ９５が１７５μm未満の黒鉛粉末を１５〜２０質量％、を含む原料粉末を、成形した後焼結して得られる焼結体から成り、Ｔｉを１．０〜６．０質量％、Ｓを０．１〜２．２質量％含み、前記焼結体の内部に、Ｔｉの硫化物を含む塊状物が存在、および／または、Ｃｕおよび／またはＣｕ含有合金の粒界に、Ｔｉの硫化物が存在する構造を有する金属黒鉛質ブラシ。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、車体やモーターからの帰線電流を車軸・車輪を通じてレールへ戻す、鉄道車両の接地装置を構成する接地ブラシとして使用される、金属黒鉛質ブラシに関するものである。

前記接地ブラシは、ばね装置によって車軸に嵌められた集電環に押付けられ、鉄道車両の走行によって集電環との接触面が摩耗して擦り減った場合でも、接地ブラシを一定圧で集電環に押付ける構成となっている。

前記接地ブラシに適用される金属黒鉛質ブラシでは、潤滑性を高めて耐摩耗性を得るために、金属硫化物の潤滑剤を添加する技術が数多く報告されている。例えば、特許文献１では、硬質成分のＷＣと、金属硫化物の潤滑材のＭｏＳ₂とＷＳ₂を含有させることで、耐摩耗性と潤滑性を保持する金属黒鉛質ブラシが開示されている。

また、例えば、直流モーターのブラシとして、潤滑性を維持しつつ、摩擦熱と電流の抵抗熱による電気抵抗の上昇を抑制する方法として、特許文献２では、金属粉と混合する炭素質粒子の粒径を所定の範囲にした、金属炭素質ブラシが開示されている。

しかしながら、１００Ａを超えるような大電流が流れ、高速回転する回転体と摺動する場合、金属黒鉛質ブラシの摺動面では、金属黒鉛質ブラシに含まれるＣｕが強く酸化したとみられる変色箇所がある。

このことから、摺動する際、金属黒鉛質ブラシの摺動面では少なくとも３００〜５００℃を超える温度になると考えられる。

しかしながら、一般的な金属硫化物潤滑剤であるＭｏＳ₂やＷＳ₂は、大気中４００℃前後で酸化分解が促進されるため、潤滑効果が十分に得られず、耐摩耗性が低下するおそれがあり、かつ、潤滑性が低下する。従って、金属黒鉛質ブラシの摺動面と接する回転体の摺動面を強く摩耗させたり疵つけたりする攻撃性が高くなるおそれがあった。

また、前記鉄道車両の接地装置のように、大電流が流れ高速回転体と接触する、金属黒鉛質ブラシの摺動面では、金属黒鉛質ブラシの構成粒子の脱粒跡と推定される、最大径１００μm超のピットが頻繁にみられた。さらに、粗大な摩耗粉や、高速回転体に付着した凝着物が引っ掻いたと推定される、幅数十μm〜数mmのスジも多数みられた。

金属黒鉛質ブラシの摺動面に、多数の大きなピットやスジが形成された場合、高速回転体とブラシの接触面積が小さくなり、接触箇所への電流集中が起こり、抵抗熱がより発生し易くなる。そのため、金属黒鉛質ブラシの摺動面付近の材料組織が高温によって破壊され易い状態になり摩耗が促進するとともに、粗くなった金属黒鉛質ブラシの摺動面、および粗大な摩耗粉との接触で、摺動相手である高速回転体の摺動面が攻撃を受け易くなる問題があった。

特開平６−１６５４４２号公報国際公開第２０１３／１９０８２２号パンフレット

上記のような事情に鑑み、本発明の金属黒鉛質ブラシは、大電流が流れる高速回転体との摺動面において、大気中で高温になっても、金属黒鉛質ブラシに十分な潤滑性をもたせて耐摩耗性を維持し、かつ、金属黒鉛質ブラシと接触する高速回転体への攻撃性を低くすることを目的としている。

本発明の金属黒鉛質ブラシは、
（１）メジアン径Ｄ５０が５０μm以下かつＤ９５が７５μm未満の、Ｃｕ粉末および／またはＣｕ合金粉末を６５〜８０質量％、メジアン径Ｄ５０が１０〜８０μmかつＤ９５が１７５μm未満の黒鉛粉末を１５〜２０質量％、を含む原料粉末を、成形した後焼結して得られる焼結体から成り、Ｔｉを１．０〜６．０質量％、Ｓを０．１〜２．２質量％含み、前記焼結体の内部に、Ｔｉの硫化物を含む塊状物が存在、および／または、Ｃｕおよび／またはＣｕ含有合金の粒界に、Ｔｉの硫化物が存在する構造を有すること、
（２）さらに、前記焼結体に、Ｍｏを０．３〜３．５質量％含むこと、
（３）前記Ｍｏの含有は、メジアン径Ｄ５０が１〜２０μmかつＤ９５が５０μm以下のＭｏＳ₂を０．５〜５．５質量％添加した原料粉末を、成形した後焼結することによって行うこと、
（４）さらに、前記焼結体に、０．５質量％以上、５．０質量％以下のＳｎを含むこと、
を主要な特徴としている。

本発明によれば、大電流が流れて高速回転する条件下での回転体との摺動面において、Ｃｕが強く酸化されるような高温が生じる条件下でも、優れた耐摩耗性をもち、かつ、前記回転体への攻撃性が低い、金属黒鉛質ブラシを得ることができる。

実施例１〜６及び比較例１〜６の摩耗試験における通電電流値に対するブラシの摩耗量の変化を示した図である。（ａ）は実施例１、（ｂ）は実施例４、（ｃ）は実施例６の、ブラシ摺動面の表面を５０倍の倍率で観察したときの写真である。（ａ）は比較例１、（ｂ）は比較例５、（ｃ）は比較例６の、ブラシ摺動面の表面を５０倍の倍率で観察したときの写真である。（ａ）は実施例１、（ｂ）は実施例４、（ｃ）は実施例６の、ブラシ摺動面の試験前後の形状測定プロファイルを示した図である。（ａ）は比較例１、（ｂ）は比較例５、（ｃ）は比較例６の、ブラシ摺動面の試験前後の形状測定プロファイルを示した図である。（ａ）は実施例１、（ｂ）は実施例６の、ブラシ焼結体部位の断面を２００倍の倍率で観察したときの写真である。実施例６の断面ＳＥＭ観察写真及び元素マッピングで、（ａ）は断面ＳＥＭ観察写真、（ｂ）はＴｉの元素マッピング、（ｃ）はＣｕの元素マッピング、（ｄ）はＭｏの元素マッピング、（ｅ）はＳの元素マッピングである。

以下、本発明の金属黒鉛質ブラシについて詳細に説明する。

本発明の金属黒鉛質ブラシは、
メジアン径Ｄ５０が５０μm以下かつＤ９５が７５μm未満の、Ｃｕ粉末および／またはＣｕ合金粉末を６５〜８０質量％、メジアン径Ｄ５０が１０〜８０μmかつＤ９５が１７５μm未満の黒鉛粉末を１５〜２０質量％、を含む原料粉末を、成形した後焼結して得られる焼結体から成り、Ｔｉを１．０〜６．０質量％、Ｓを０．１〜２．２質量％含み、焼結体の内部に、Ｔｉの硫化物を含む塊状物が存在、および／または、Ｃｕおよび／またはＣｕ含有合金の粒界に、Ｔｉの硫化物が存在する構造を有することを最も主要な特徴としている。

上記特徴により、大電流が流れて高速回転する条件下での回転体との摺動面において、Ｃｕが強く酸化されるような高温条件下でも、従来の金属黒鉛質ブラシよりも、優れた耐摩耗性をもち、かつ、摺動相手である回転体への攻撃性を低減することができる。

本発明では、メジアン径Ｄ５０が５０μm以下かつＤ９５が７５μm未満の、Ｃｕ粉末および／またはＣｕ合金粉末を６５〜８０質量％、メジアン径Ｄ５０が１０〜８０μmかつＤ９５が１７５μm未満の黒鉛粉末を１５〜２０質量％で含む原料粉末を使用している。これにより、大電流が流れて高速回転する条件で、回転体と摺動する金属黒鉛質ブラシの摺動面において、粗大摩耗粉の発生を抑制し、形成されるピットを小さくして、摺動相手である回転体への攻撃性を低減することができる。

金属黒鉛質ブラシでは、Ｃｕ粉末および／またはＣｕ合金粉末と黒鉛粉末は、焼結体が正常に得られるような焼結温度では、反応して結合することはない。焼結体の機械的強度と耐摩耗性には、Ｃｕ粉末および／またはＣｕ合金粉末どうしの結合の寄与が大きいが、Ｃｕ粉末および／またはＣｕ合金粉末のみでは、潤滑性が悪く、摺動相手である回転体への攻撃性が大きくなるため、黒鉛により潤滑性を付与している。

そこで、本発明では、金属黒鉛質ブラシの、機械的強度と耐摩耗性、摺動相手である回転体への攻撃性のバランスをとるように、原料粉末における、Ｃｕ粉末および／またはＣｕ合金粉末と黒鉛粉末の粒径（メジアン径Ｄ５０およびＤ９５）と含有量を、前記した範囲に決定している。

本発明において、Ｃｕ粉末および／またはＣｕ合金粉末は、メジアン径Ｄ５０が５０μm以下かつＤ９５が７５μm未満としている。メジアン径Ｄ５０およびＤ９５がこれらより大きいと、摩耗粉が大きいことによる摺動相手である回転体への攻撃性を無視できなくなる。一方、メジアン径Ｄ５０およびＤ９５が小さいほど、摩耗粉が微細になり、前記回転体への攻撃性がより低減されると推測できるが、あまり微細に過ぎると、成形性が著しく悪化したり、大気中で酸化し易くなって不活性雰囲気中での取り扱いが必要になるなど、一般的な粉末冶金工程で製造することができなくなる。また、一般に、Ｃｕ粉末および／またはＣｕ合金粉末は、微細な粒径ほど高価なため、材料コストを抑える観点からも、過度に微細な粉末を使用するのは好ましくない。所望のブラシ性能を得ることだけでなく、生産性とコストを考慮すると、Ｃｕ粉末および／またはＣｕ合金粉末のメジアン径Ｄ５０は２０〜５０μm、Ｄ９５は７５μm未満が適当である。なお、Ｄ９５の下限値は、メジアン径Ｄ５０およびＤ９５の定義から自動的にメジアン径Ｄ５０の数値以上となる。

本発明では、Ｃｕ粉末および／またはＣｕ合金粉末を、原料粉中に６５〜８０質量％含有させる。これより少ないと、ブラシの電気抵抗率と機械的強度が不十分になるおそれがある。また、これより多いと、黒鉛粉末を十分に含有することができず、ブラシの潤滑性が不足し、摺動相手である回転体への攻撃性が大きくなるおそれがある。

本発明に使用するＣｕ粉末は、電解金属純Ｃｕ粉末であり、純度は９９．９％以上のものが望ましい。Ｃｕ含有合金粉とは、ＣｕとＳｎ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｐ、Ｂｅ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃｒとの１種または複数から成る合金粉を指す。なお、Ｃｕ含有合金は、機械的性質及び電気特性、生産性とコストから、ＣｕとＳｎの青銅系、ＣｕとＳｎとＰのリン青銅系、ＣｕとＺｎの黄銅系が望ましい。

Ｃｕ含有合金粉は、原料粉末として加えても良いし、Ｃｕ粉末と合金成分の金属粉末を原料粉末に混合して、焼結により合金化しても良い。

本発明では、黒鉛粉末は、メジアン径Ｄ５０が１０〜８０μmかつＤ９５が１７５μm未満のものを使用する。メジアン径Ｄ５０が１０μm未満であると、混合するＣｕ粉末および／またはＣｕ合金粉末の粒子間を分断するように入り込み、一般的な金属黒鉛質ブラシを得る焼結温度ではＣｕと黒鉛は結合できないため、焼結時にＣｕ成分の結合が不十分になり、ブラシの電気特性と機械的強度が低くなるおそれがある。一方、メジアン径Ｄ５０が８０μmを超えると、粗大な黒鉛粉が含まれる量が多くなり、ブラシとして使用したとき、摺動面で黒鉛粒子が脱落して大きなピットが形成され、ブラシの摩耗促進および摺動相手である回転体への攻撃性増大につながるおそれがある。また、Ｄ９５が１７５μmを超える場合も、同様の理由から望ましくない。

本発明では、黒鉛粉末を、原料粉中に１５〜２０質量％含有させる。これより少ないと、ブラシの潤滑性が不十分になり、摺動相手である回転体への攻撃性が増大してしまう。また、これより多いと、Ｃｕ成分を十分に含有することができず、電気抵抗率の増加と、機械的強度の低下が無視できなくなる。

本発明では、焼結体中に、ＴｉおよびＳを含有させる。Ｔｉは、Ｓとの硫化物として存在するものでも良い。

Ｔｉの硫化物としては、ＴｉＳ、ＴｉＳ₂、Ｔｉ₂Ｓ₃、Ｔｉ₃Ｓ₄など整数比の硫化物、その他に、Ｔｉ_1.08Ｓ₂のような不定比硫化物を含む。

Ｔｉの硫化物のほとんどは、ＭｏＳ₂と同じく、六方晶系で、層状の結晶構造をもち、結合の弱い層間がずれることで、高い潤滑作用を示す。

Ｔｉの硫化物、例えば、ＴｉＳ₂では、大気中での酸化分解が開始される温度は、約３８０℃とＭｏＳ₂と同等であるが、最表面に酸化被膜を形成して、内部の酸化が進みにくくなる特徴をもつため、高温条件下の大気中でも高い潤滑性をもつ。

Ｔｉの硫化物を含む塊状物は、球状、板状、棒状、ひも状、多角形状、或いは不定形の、単一の塊、或いは、これらの形状をもつ塊の集合物を指す。

Ｃｕおよび／またはＣｕ含有合金の粒界とは、Ｃｕおよび／またはＣｕ含有合金の粒子の境界を指す。

本発明は、上記構成に加えて、前記焼結体に、Ｍｏを含有させてもよい。Ｍｏは、ＭｏＳ₂の粉末が由来となる。

すなわち、Ｍｏは、硫化物として、原料混合粉から添加される。添加する硫化物としては、ＭｏＳ₂が望ましい。

ＭｏＳ₂の、大気中での酸化分解が開始される温度は、約３８０℃であるが、大電流が流れる高速回転体との摺動面では、Ｃｕが酸化変色される部分があることから、少なくとも３００〜５００℃の温度に到達していると考えられ、ＭｏＳ₂は酸化分解が進み、潤滑性が不十分になるおそれがある。

本発明では、ＭｏＳ₂をＳの供給源を主目的として添加する。もちろん、酸化分解されていないＭｏＳ₂は、分解に至るまで、潤滑剤として作用することが期待できる。

金属黒鉛質ブラシの焼結体は、通常は、成形体を還元性あるいは不活性雰囲気中で加熱し焼結するが、成形体中に残存する水や酸素によって、ＭｏＳ₂が酸化分解されて、Ｓが遊離し、還元性ガスや水の水素と結びついてＨ₂Ｓが発生する。このとき、焼結体の中に、Ｍｏよりも硫化物を形成しやすい成分がなければ、Ｈ₂Ｓは焼結体から放出される。

Ｔｉは、硫化物の標準生成エネルギー変化量が、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｃ、Ｓｎなど、金属黒鉛質ブラシに含まれる他の成分よりも大きく、硫化物をより形成しやすい。そのため、焼結において、Ｔｉを共存させることで、ＭｏＳ₂の分解で生じたＨ₂Ｓの多くが、Ｔｉと反応し、Ｔｉの硫化物を形成する。

Ｔｉの硫化物は、本発明の焼結体の内部に塊状物として存在、および／または、Ｃｕおよび／またはＣｕ含有合金の粒界に存在する。Ｔｉの硫化物は、塊状物だけで存在する方が、ブラシの耐摩耗性をより高めることが期待できる。Ｔｉの硫化物が、Ｃｕおよび／またはＣｕ含有合金の粒界にも存在した状態では、Ｃｕおよび／またはＣｕ含有合金の粒子間結合が細くなっていると考えられ、粒子間結合が弱い状態である。通電電流がより大きいと抵抗熱もより高くなるので、Ｃｕおよび／またはＣｕ含有合金の結合が破壊され易くなると考えられる。そのため、Ｔｉの硫化物が、Ｃｕおよび／またはＣｕ含有合金の粒界にも存在することで、分散性が向上して潤滑性が高くなるが、その効果から期待されるほどブラシの耐摩耗性は高くならない。

Ｔｉの硫化物は、粉末で原料混合粉に添加することで、焼結体中に含有させることができる。しかしながら、Ｔｉの硫化物はとても高価であるため、材料コストの観点から、Ｔｉを単体金属粉末として原料混合粉に添加し、焼結により硫化物とすることが好ましい。

また、Ｔｉの硫化物は、焼結後の再圧縮で機械的に押し延ばされ易く、押し延ばされたり、断裂したＣｕおよび／またはＣｕ含有合金の粒界に入り込むことで、その粒界に分布するようになる。これに対し、焼結と同様に、還元性あるいは不活性雰囲気中で、焼結温度と同温以上、より好ましくは焼結温度よりも２０〜１００℃程度高温で再熱処理を行うと、Ｃｕおよび／またはＣｕ含有合金の粒子間結合が再形成され、Ｔｉの硫化物が粒界から押し出され、Ｃｕおよび／またはＣｕ含有合金の粒界に分布し難くなる。このような材料構造にすることで、ブラシの耐摩耗性を期待通りに高めることができる。

本発明では、焼結体中に含ませる、Ｔｉは１．０〜６．０質量％、Ｓは０．１〜２．２質量％とする。Ｔｉは、Ｓとの硫化物として存在するものを含む。ＴｉとＳの含有量が前記範囲より少ないと、高温条件下での潤滑性が、十分に得られないおそれがある。また、前記範囲より多いと、ブラシの電気抵抗率の増加と、機械的強度の低下が無視できなくなる。また、Ｔｉは、単体金属だと、相手材である回転体の摺動面に対し、凝着物を削り除去するクリーニング効果を示すが、Ｔｉが前記範囲よりも多く、Ｓが前記範囲よりも少ないと、前記回転体への摩耗作用が強くなり過ぎ、攻撃性が増大するおそれがある。また、Ｔｉが前記範囲よりも少なく、Ｓが前記範囲よりも多いと、Ｔｉによるクリーニング効果が無くなり、前記回転体への凝着が起こりやすく、ブラシの摩耗が促進されるおそれがある。

本発明において、焼結体に含有させるＭｏは、０．３〜３．５質量％とする。この範囲に規定するのは、先に説明したように、所望の潤滑性を得るためである。すなわち、０．３質量％よりも少ない場合は所望の潤滑性を得ることができない一方、３．５質量％より多い場合は、ＭｏＳ₂の添加量が過剰になり、焼結性を悪化させて材料物性が不十分になるおそれがあるからである。

その際、前記Ｍｏの含有は、メジアン径Ｄ５０が１〜２０μmかつＤ９５が５０μm以下のＭｏＳ₂を０．５〜５．５質量％添加した原料粉末を、成形し、焼結することによって行うことができる。メジアン径Ｄ５０が１μm未満であると、原料混合粉中での分散性がより向上できることが期待されるが、凝集しやすくなるなど、ハンドリングが難しいため、製造工程にその対策が必要になり、さらに、原料粉として過度に高価になり、生産性とコストに悪影響を及ぼしかねない。一方、２０μmより大きいと、原料混合粉中での分散性の低下が無視できなくなる。さらに、Ｄ９５が５０μmよりも大きいと、焼結での分解跡にできる空孔による機械的強度の低下と電気抵抗率の上昇が無視できなくなる。また、ＭｏＳ₂の添加量が０．５質量％未満であると、本発明における潤滑効果が十分に得られない一方、５．５質量％よりも多いと、焼結性を悪化させ、材料物性が不十分になるおそれがある。

本発明において、前記焼結体に、０．５質量％以上、５．０質量％以下のＳｎを含ませてもよい。より好ましくは、０．５質量％以上、２．０質量％以下である。Ｓｎの含有量が０．５質量％未満であると、ＣｕをＳｎ合金化することによる機械的強度の向上効果が不十分である一方、５．０質量％より多いと、ＣｕをＳｎ合金化したことによる硬さ向上が過剰となり、摺動相手となる回転体への攻撃性の増大が無視できなくなる。また、電気抵抗率の増大も無視できなくなる。

以下、本発明の金属黒鉛質ブラシの製造方法について説明する。

本発明の金属黒鉛質ブラシは、各原料成分を含む原料混合粉を成形した後焼結することで得られる焼結体から成る。

原料成分として、例えば、Ｔｉの金属粉末、ＭｏＳ₂の粉末、黒鉛、銅粉と、必要に応じ、ＳｎやＺｎの金属粉、ＰとしてＣｕ₃Ｐなどのリン銅粉末を添加して混合し、原料混合粉とする。混合に際し、ステアリン酸亜鉛、オレイン酸アミドなどの、分散剤を適量で添加することが好ましい。

前記原料混合粉を成形する。成形に際して、必要に応じて公知の有機バインダー、焼結助剤等を適宜添加してもよい。成形方法は、粉末冶金分野で従来から知られている方法を採用でき、例えば、プレス法、ＣＩＰ法、ＨＩＰ法、ＭＩＭ法等により成形することができる。成形圧は、通常３〜８ton／cm²程度とすれば良いが、最終的に得られる焼結体のかさ密度が、通常４．７〜６．５g／cm³程度、好ましくは５．１〜５．６g／cm³となるように設定できれば上記成形圧の範囲外であってもよい。

得られた成形体を、還元性雰囲気（アンモニア分解ガス、炭化水素の変成ガス、水素ガス等）、または不活性ガス雰囲気で、焼結温度７００〜１１００℃にて、３０〜１８０分間の焼結を行う。この焼結で、成形体中に残存する水と酸素により、ＭｏＳ₂が分解し、Ｔｉが硫化物を形成する。焼結での加熱の方法は、所望の密度および材料特性が得られるなら、特に制限はない。

本発明の焼結体において、Ｔｉが硫化物を形成させるために、ＭｏＳ₂の粉末を添加せず、Ｔｉの金属粉末を添加した、原料混合粉末を成形して得られた成形体を、還元性ガス、または不活性ガスに、ＣＳ₂やＨ₂Ｓなどの硫化物ガスを含めた雰囲気にて、焼結温度７００〜１１００℃にて、３０〜１８０分間の焼結を行ってもよい。これにより、Ｔｉの金属粉末が、硫化物ガスと反応し、Ｔｉの硫化物を形成させることができる。しかしながら、成形体中の他の成分まで硫化させないよう、条件制御に注意が必要なことや、可燃性かつ腐食性の硫化物ガス雰囲気を管理できる設備が必要であり、ＭｏＳ₂の粉末を添加する方が、還元性雰囲気または不活性雰囲気で焼結できる焼結炉であれば、種類を特に選ばないことから、生産性とコストがより優れている。

得られる焼結体は、焼結時に、主に黒鉛が成形加圧の歪みを開放するため、成形体よりも膨張することが多い。そのため、所望の密度および材料特性が得られないときは、適宜、再圧縮、さらに必要に応じて再熱処理を行い、所望の密度および材料特性が得られるようにする。

また、焼結中における焼結体の膨張を防ぐ方法として、適当な荷重をかけながら焼結を行う加圧焼結を適用できる。これによれば、焼結での膨張を抑え、高密度な焼結体が得られるので、その後の再圧縮や、再熱処理の工程を省略できる。しかしながら、加圧焼結炉は、バッチ式で、炉内空間を加圧用治具が占める割合が大きいので、ワークの処理量を多くするのが難しく、プッシャー炉などに比べて、焼結工程での処理効率が低下することを考慮しなければならない。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこうした例に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

以下、実施例に基づき、本発明の実施形態をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではないことは言うまでもない。

［実施例１〜６及び比較例１〜６］
下記表１に示す配合で、各成分を、Ｖミキサーを用いて３０分間攪拌混合した後、４ton／cm²の加圧力で、１００×５０×１１mmのサイズの板状に成形した。得られた成形体を、アンモニア変成ガス雰囲気中にて、実施例１〜６、比較例１〜４及び６は８５０℃、比較例５は８８０℃にて、各々１２０分間の焼結を行った。その後、２．０ton／cm²の加圧力で再圧縮を実施し、実施例６はここで工程を終了とした。その後、実施例６を除いた各水準に対し、アンモニア変成ガス雰囲気中にて９１０℃にて各々１２０分間の再熱処理を行い、実施例１〜５、及び比較例１〜６の焼結体を得た。得られた焼結体の組成を下記表２に示す。下記表２において表示する組成は、各化合物の組成ではなく、焼結体中に含まれる各金属元素の質量比で表示する。また、実施例および比較例で使用したＣｕ粉末と黒鉛粉末の粒度分布を下記表３に示す。

すなわち、実施例１〜６は本発明の要件をすべて満たしているのに対し、比較例１はＳを含まない点で本発明の要件を満たしていない。また、比較例２はＴｉ及びＳの配合量が本発明の要件を満たしていない。また、比較例３，４はＴｉの配合量が本発明の要件を満たしていない。また、比較例５は原料粉末中のＣｕ粉末のメジアン径Ｄ５０とＤ９５が本発明の要件を満たしていない。また、比較例６は原料粉末中の黒鉛粉末のメジアン径Ｄ５０とＤ９５が本発明の要件を満たしていない。

（材料特性評価試験）
得られた各実施例及び比較例の焼結体について、電気抵抗率（μΩ・cm）、曲げ強さ（kgf／cm²）、ロックウェル硬さＨＲＬを測定した。各測定方法は、以下の通りである。

≪電気抵抗率≫
すり板を５５×１０×１０mmの試験片とし、精密給電位差計を用い、電極間距離を１５mmとして、前記試験片の異なる２面内においてそれぞれ測定し、その平均電位差より電気抵抗率を算出した。

≪曲げ強さ≫
焼結体を５５×１０×１０mmの試験片とし、支点間距離が４０mm、支点の曲率半径が１．５mmの支持台に、前記試験片を、成形加圧面を上面として水平に置き、アムスラ型材料試験機（標準容量２００kgf-cm）に取付けた、先端の曲率半径３．０mmの加圧くさびで、試験片の中央に毎秒約２kgf／cm²で加圧し、試験片が破壊したときの最大荷重を測定し、下記式にて曲げ強さを算出した。なお、下記式中の、σは曲げ強さ（kgf／cm²）、Ｐは試験片の破壊最大荷重（kgf）、Ｌは支点間距離（mm）、Ｂは試験片の幅（mm）、Ｈは試験片の厚さ（mm）である。
σ＝（３００・Ｐ・Ｌ）／（２・Ｂ・Ｈ²）

≪ロックウェル硬さＨＲＬ≫
金属黒鉛質ブラシの焼結体は、一般的な金属焼結体に比べてかなり柔らかいため、金属材料に関するロックウェル硬さの測定方法を示すＪＩＳＺ２２４５の評価は適切ではないので、プラスチックに関するＪＩＳＫ７２０２の示す方法により評価した。

材料特性の評価結果を、下記表４に示す。

表４より、実施例１〜６、比較例１〜６とも、密度、硬さ、電気抵抗率、曲げ強さは目標値の範囲内であることを確認した。

（摩耗特性評価試験）
得られた実施例と比較例の焼結体から、試験用ブラシを作成した。作成した試験用ブラシについて、通電回転摩耗試験機にて摩耗試験を実施した。摩耗試験は、材質ＳＴＫ５００のφ２３４mmの鉄鋼環を、周速２１．１m／sで回転させ、そこへ試験用ブラシを４９Ｎの荷重で押付けながら摺動させて実施した。鉄鋼環は、先に実施した試験の影響を避けるため、試験毎に表面を研磨して摺動痕を無くしてから使用した。摩耗試験を実施するにあたり、新品ブラシの摺動部分は、加工誤差のため、初期は、しばしば鉄鋼環と接触しない面積の方が多く、そのまま通電した場合、ブラシと鉄鋼環の隙間でアーク放電が発生して、ブラシ性能に関係ない要因で摩耗が進行するため、摩耗試験前に、試験用ブラシを取付けた後、ブラシと鉄鋼環の摺動面の接触面積が約８０％以上になるまで、無通電にてならし運転を行った。ならし運転終了後、摩耗試験として、摺動時間は１００時間で、通電電流は、無通電、１４０Ａ、２４０Ａにて行った。摩耗量は、試験ブラシのならし運転後と摩耗試験後の全長の差を測定し、評価した。

焼結体の試験ブラシの摩耗特性評価の結果を、下記表５および図１に示す。

表５および図１より、本発明で規定する要件をすべて満たす実施例１〜６は、本発明で規定する要件の何れかを満たさない比較例１〜６に比べ、摺動摩耗量が抑えられていることが分かる。

摩耗特性評価試験に使用した鉄鋼環は金属黒鉛質ブラシよりも硬く、はるかに耐摩耗性が高いため、ブラシの鉄鋼環への攻撃性を直接に評価するには、年単位の試験時間が必要となる。そこで、評価までの時間短縮のため、ブラシ摺動面の表面状態を評価し、間接的に鉄鋼環への攻撃性の評価を行った。ブラシの摺動面に、より多くより大きいスジがみられる場合、鉄鋼環への摩耗粉の凝着が多いことを示すと考えた。また、より多くより大きなピットがみられる場合、より大きな摩耗粉が発生して鉄鋼環を疵付け易いと考えた。ブラシ摺動面の評価は、金属顕微鏡による表面観察および形状測定による凹凸測定によって行った。評価結果を図２〜図５に示す。

本発明で規定する要件をすべて満たす実施例１，４，６は、図４より明らかなように、ブラシ摺動面の表面状態が円滑で、図２にみられるように、ブラシの摺動面に大きいスジが見られなかった。一方、本発明で規定する要件の何れかを満たさない比較例１，５，６は、図５より明らかなように、ブラシ摺動面の表面状態が滑らかではなく、図３にみられるように、ブラシの摺動面に大きいスジが見られた。

（材料構造評価）
得られた実施例１および実施例６の焼結体の破断面を鏡面研磨し、金属顕微鏡により組織観察を行った。その結果を図６に示す。実施例１では、Ｃｕ合金粒子間に粒界はほとんど見られないが、実施例６では、それが多数見ることができる。また、粒界には、薄い灰色の黒鉛とは明らかにコントラストの異なる形成物が存在しており、実施例１とは、配合組成が同じであるが、材料組織は明らかに異なっていることが確認できる。

実施例６について、ＳＥＭ−ＥＤＳによる元素マッピング解析を行った。その結果を図７に示す。図７より明らかなように、実施例６では、Ｃｕ合金粒子の粒界において、Ｍｏが無く（（ｄ）図）、ＴｉとＳの分布が明確に重なる箇所が広く連続して確認された（（ｂ）図および（ｅ）図）。また、Ｔｉ含有の塊状物においても、同様に、Ｓが強く検出された（（ｅ）図）。このことから、添加したＭｏＳ₂が分解し、遊離したＳが、新たにＴｉと硫化物を形成したことが予想できる。

以上、説明したように、本発明によれば、焼結体中に、塊状物、およびＣｕ合金の粒界にＴｉの硫化物を存在させることができるので、摺動面が高温になる使用条件においても、優れた耐摩耗性を実現する。

Claims

メジアン径Ｄ５０が５０μm以下かつＤ９５が７５μm未満の、Ｃｕ粉末および／またはＣｕ合金粉末を６５〜８０質量％、メジアン径Ｄ５０が１０〜８０μmかつＤ９５が１７５μm未満の黒鉛粉末を１５〜２０質量％、を含む原料粉末を、成形した後焼結して得られる焼結体から成り、Ｔｉを１．０〜６．０質量％、Ｓを０．１〜２．２質量％含み、前記焼結体の内部に、Ｔｉの硫化物を含む塊状物が存在、および／または、Ｃｕおよび／またはＣｕ含有合金の粒界に、Ｔｉの硫化物が存在する構造を有することを特徴とする金属黒鉛質ブラシ。
前記焼結体に、Ｍｏを０．３〜３．５質量％含むことを特徴とする請求項１に記載の金属黒鉛質ブラシ。
前記Ｍｏの含有は、メジアン径Ｄ５０が１〜２０μmかつＤ９５が５０μm以下のＭｏＳ₂を０．５〜５．５質量％添加した原料粉末を、成形した後焼結することによって行うことを特徴とする請求項２に記載の金属黒鉛質ブラシ。
前記焼結体に、０．５質量％以上、５．０質量％以下のＳｎを含むことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の金属黒鉛質ブラシ。