JP4133105B2 - 耐クラック性を有する炭素系焼結すり板材料 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気車のパンタグラフに取り付けられる耐クラック性を有する集電用炭素系焼結すり板材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気車のパンタグラフに用いられるすり板は金属系材料が使用されていたが、架線の摩耗が著しいことなどにより、より摺動性に優れた炭素系材料に移行しつつある。
【０００３】
これらの炭素系材料は、主に銅などの金属を含浸して複合化させることにより、架線の摩耗を低減することの他、すり板自身の摩耗量の少ない含浸タイプのすり板材料がある。しかしながら、このものは、離線によるアークが発生した際、すり板にクラックが発生することがある。
【０００４】
一方、含浸タイプのすり板のほかに、炭素粉末と良導性の金属粉末とを加圧成形、焼結して形成される焼結タイプと呼ばれるすり板も広く使用されている。この焼結タイプのすり板としては、例えば、特開昭６０−２３８４０２号公報に開示されたものがある。このものは、天然黒鉛、人造黒鉛を除く炭素粉末と良導性の金属粉末とを加圧成形、焼結し、嵩密度２．１〜４．０ｇ／ｃｍ³、電気比抵抗１００〜３０００μΩ・ｃｍを有するものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
銅を溶融、黒鉛内に含浸させるいわゆる含浸タイプのすり板は、離線によって生じるアークによるクラックが発生しやすく、離線アークの多い山間部などでの使用が困難であった。
【０００６】
また、含浸タイプのすり板に比べて耐アーク性を高めた焼結タイプのすり板、例えば、特開昭６０−２３８４０２号公報に開示されているものは、耐アーク性に優れてはいるものの、電気比抵抗が高く、近年の大集電を要するすり板として使用した場合、従来の想定を超える集電電流となり、発熱によるトロリ線の温度上昇やすり板自身の異常摩耗の原因となる可能性がある。
【０００７】
本発明は、耐アーク性に優れるとともに、大集電用すり板として使用した場合であっても、放熱性に優れ、熱によるクラックの発生を抑制できる電気車のパンタグラフに取り付けられる耐クラック性を有する炭素系焼結すり板材料を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明者らは鋭意研究の結果、炭素と銅との比率で炭素比が低下することにより、摩耗量が上昇することの他、原料粉末に添加される銅粉末の粒径を調整することによって、耐アーク性に優れるとともに、放熱性にすぐれ、クラックの発生しにくい耐クラック性を有する炭素系焼結すり板材料とできることを見出し、本発明を完成した。
【０００９】
すなわち、本発明の耐クラック性を有する炭素系焼結すり板材料は、炭素粉末と銅粉末を混合、成形、焼成して得られる炭素−銅複合材料によって形成される炭素系焼結すり板材料であって、前記炭素−銅複合材料が、炭素粉末２０〜３５重量部と、平均粒径が１〜１０μｍである銅粉末８０〜６５重量部を混合、成形、焼成して得られるものであり、熱伝導率が２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上で、熱膨張係数が８×１０^−６／Ｋ以上で、嵩密度が３．０〜４．５ｇ／ｃｍ^３で、電気比抵抗が１．０μΩ・ｍ未満であるものである。また、前記銅粉末が、電解銅粉末であるものである。
【００１０】
嵩密度が３．０〜４．５ｇ／ｃｍ³の範囲で熱伝導率が２０Ｗ／ｍ・Ｋ未満、熱膨張係数が８×１０^-6／Ｋ未満である場合は、アーク発生時にクラックが発生する。また、銅粉末の粒径はできるだけ細かいものが良い。その理由は、アーク発生時の熱による銅粉末の個々の膨張量は粒径が小さいほど少なく、したがって、膨張によって発生する応力は、隣接する炭素骨格内で吸収可能であり、クラック発生の原因とならないからである。さらに、熱伝導率が２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることから、アーク発生時の熱を拡散する特性にも優れており、クラックの発生をより一層効果的に抑制することができるものである。なお、銅粉末の平均粒径が１μｍ未満では取扱いが困難で、酸化しやすいこと等から好ましくない。また、１０μｍよりも大きい粒径の場合は、個々の銅粉末の膨張量が大きくなり、隣接するカーボン骨格にクラックが入りやすい傾向がある。
【００１１】
本発明に使用される炭素原料としては、コークス、ピッチ、メソカーボンマイクロビーズ等が用いられ、特にコークスが好ましい。
【００１２】
また、銅粉末には、電解銅粉末、アトマイズド銅粉末のいずれをも使用することができるが、電解銅粉末がより好ましい。アトマイズド銅粉末が球状であるのに対し、電解銅粉は樹枝状であるため、同一配合比の場合、炭素粉末とのからみが良く、かつ銅粉末同士の平均距離も近いので、機械的強さの向上、電気比抵抗の低減に効果的であるからである。
【００１３】
また、炭素粉末と銅粉末の比率は、焼成後の嵩密度３．０〜４．５ｇ／ｃｍ³、好ましくは３．５〜４．５ｇ／ｃｍ³の範囲になるように混合され、特に制限はない。また、銅粉末以外にも、チタン、スズ、鉄、ニッケル、モリブデン、コバルト、クロム、タングステン、銀等２％未満の金属元素の他、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＳｎＯ等の化合物、カーボンナノチューブ、天然黒鉛、人造黒鉛等を添加することもできる。
【００１４】
このように、銅粉末粒径の最適化と熱伝導率、熱膨張係数を限定することにより、耐アーク性に優れるとともに、放熱性にも優れたものとでき、クラックの発生を抑制した耐クラック性を有する炭素系焼結すり板材料とすることができる。
【００１５】
【実施例】
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
【００１６】
（実施例１）
炭素粉末３５重量部と平均粒径３μｍの電解銅粉末６５重量部をハイスピードミキサーで混合し、金型にて３５００ｋｇ／ｃｍ²の圧力で１４０×２００×３０ｍｍに成形後、非酸化性雰囲気下、１０００℃にて焼成した。得られた試料の嵩密度は３．５ｇ／ｃｍ³、熱伝導率２０．５Ｗ／ｍ・Ｋ、熱膨張係数９．４×１０^-6／Ｋ、電気比抵抗０．７μΩ・ｍであった。この試料を溶接機にてφ６ｍｍ銅棒を使用して、試料の表面に約３秒間１８０Ａのアークを飛ばした。外観からクラックの有無を確認した結果、クラックは認められなかった。なお、試料の熱伝導率は、ＪＩＳ Ｒ１６１１−１９９１に基いて求めた。また、熱膨脹係数は、理学電機株式会社製の熱機械分析装置（ＴＭＡ８３１０）で求めた。
【００１７】
（実施例２）
炭素粉末３０重量部と平均粒径３μｍの電解銅粉末７０重量部をハイスピードミキサーで混合し、金型にて３５００ｋｇ／ｃｍ²の圧力で１４０×２００×３０ｍｍに成形後、非酸化性雰囲気下、１０００℃にて焼成した。得られた試料の嵩密度は３．８ｇ／ｃｍ³、熱伝導率２５．０Ｗ／ｍ・Ｋ、熱膨張係数９．９×１０^-6／Ｋ、電気比抵抗０．４μΩ・ｍであった。この試料を溶接機にてφ６ｍｍ銅棒を使用して、実施例１と同様にして、試料の表面に約３秒間１８０Ａのアークを飛ばした。外観からクラックの有無を確認した結果、クラックは認められなかった。
【００１８】
（実施例３）
炭素粉末２５重量部と平均粒径３μｍの電解銅粉末７５重量部をハイスピードミキサーで混合し、金型にて３５００ｋｇ／ｃｍ²の圧力で１４０×２００×３０ｍｍに成形後、非酸化性雰囲気下、１０００℃にて焼成した。得られた試料の嵩密度は４．０ｇ／ｃｍ³、熱伝導率３２．０Ｗ／ｍ・Ｋ、熱膨張係数１１．０×１０^-6／Ｋ、電気比抵抗０．３μΩ・ｍであった。この試料を溶接機にてφ６ｍｍ銅棒を使用して、実施例１と同様にして、試料の表面に約３秒間１８０Ａのアークを飛ばした。外観からクラックの有無を確認した結果、クラックは認められなかった。
【００１９】
（実施例４）
炭素粉末２０重量部と平均粒径３μｍの電解銅粉末８０重量部をハイスピードミキサーで混合し、金型にて３５００ｋｇ／ｃｍ²の圧力で１４０×２００×３０ｍｍに成形後、非酸化性雰囲気下、１０００℃にて焼成した。得られた試料の嵩密度は４．５ｇ／ｃｍ³、熱伝導率４０．０Ｗ／ｍ・Ｋ、熱膨張係数１４．２×１０^-6／Ｋ、電気比抵抗０．２μΩ・ｍであった。この試料を溶接機にてφ６ｍｍ銅棒を使用して、実施例１と同様にして、試料の表面に約３秒間１８０Ａのアークを飛ばした。外観からクラックの有無を確認した結果、クラックは認められなかった。
【００２０】
（実施例５）
炭素粉末３５重量部と平均粒径９μｍの電解銅粉末６５重量部をハイスピードミキサーで混合し、金型にて３５００ｋｇ／ｃｍ²の圧力で１４０×２００×３０ｍｍに成形後、非酸化性雰囲気下、１０００℃にて焼成した。得られた試料の嵩密度は３．８ｇ／ｃｍ³、熱伝導率２２．５Ｗ／ｍ・Ｋ、熱膨張係数８．２×１０^-6／Ｋ、電気比抵抗０．９μΩ・ｍであった。この試料を溶接機にてφ６ｍｍ銅棒を使用して、実施例１と同様にして、試料の表面に約３秒間１８０Ａのアークを飛ばした。外観からクラックの有無を確認した結果、クラックは認められなかった。
【００２１】
（比較例１）
炭素粉末４０重量部と平均粒径２０μｍの電解銅粉末６０重量部をハイスピードミキサーで混合し、金型にて３５００ｋｇ／ｃｍ²の圧力で１４０×２００×３０ｍｍに成形後、非酸化性雰囲気下、１０００℃にて焼成した。得られた試料の嵩密度は３．２ｇ／ｃｍ³、熱伝導率１０．０Ｗ／ｍ・Ｋ、熱膨張係数７．０×１０^-6／Ｋ、電気比抵抗２．２μΩ・ｍであった。この試料を溶接機にてφ６ｍｍ銅棒を使用して、実施例１と同様にして、試料の表面に約３秒間１８０Ａのアークを飛ばした。外観からクラックの有無を確認した結果、クラックが認められた。
【００２２】
（比較例２）
炭素粉末４５重量部と平均粒径２０μｍの電解銅粉末５５重量部をハイスピードミキサーで混合し、金型にて３５００ｋｇ／ｃｍ²の圧力で１４０×２００×３０ｍｍに成形後、非酸化性雰囲気下、１０００℃にて焼成した。得られた試料の嵩密度は３．０ｇ／ｃｍ³、熱伝導率９．５Ｗ／ｍ・Ｋ、熱膨張係数７．０×１０^-6／Ｋ、電気比抵抗３．１μΩ・ｍであった。この試料を溶接機にてφ６ｍｍ銅棒を使用して、実施例１と同様にして、試料の表面に約３秒間１８０Ａのアークを飛ばした。外観からクラックの有無を確認した結果、クラックが認められた。
【００２３】
（比較例３）
炭素粉末４０重量部と平均粒径３μｍの電解銅粉末６０重量部をハイスピードミキサーで混合し、金型にて３５００ｋｇ／ｃｍ²の圧力で１４０×２００×３０ｍｍに成形後、非酸化性雰囲気下、１０００℃にて焼成した。得られた試料の嵩密度は３．１ｇ／ｃｍ³、熱伝導率１６．０Ｗ／ｍ・Ｋ、熱膨張係数８．６×１０^-6／Ｋ、電気比抵抗１．５μΩ・ｍであった。この試料を溶接機にてφ６ｍｍ銅棒を使用して、実施例１と同様にして、試料の表面に約３秒間１８０Ａのアークを飛ばした。外観からクラックの有無を確認した結果、クラックが認められた。
【００２４】
以上の結果を表１にまとめて示す。
【００２５】
【表１】

【００２６】
表１よりわかるように、熱伝導率が２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上で、熱膨張係数が８×１０^-6／Ｋ以上で、嵩密度が３．０〜４．５ｇ／ｃｍ³の範囲にある実施例１〜５の試料は、比較例１〜３の試料と異なり、アーク発生時のクラックの発生が抑制されることがわかる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明の耐クラック性を有する炭素系焼結すり板材料は、以上のように構成されており、熱伝導率が２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上で、熱膨張係数が８×１０^-6／Ｋ以上で、嵩密度が３．０〜４．５ｇ／ｃｍ³の範囲となるように調整することによって、高集電容量で使用した場合において、アークが発生した場合でも、クラックの発生を抑制できる耐クラック性を有する炭素系焼結すり板とすることができる。

Claims (2)

1. 炭素粉末と銅粉末を混合、成形、焼成して得られる炭素−銅複合材料によって形成される炭素系焼結すり板材料であって、
   前記炭素−銅複合材料が、炭素粉末２０〜３５重量部と、平均粒径が１〜１０μｍである銅粉末８０〜６５重量部を混合、成形、焼成して得られるものであり、
   熱伝導率が２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上で、熱膨張係数が８×１０^−６／Ｋ以上で、嵩密度が３．０〜４．５ｇ／ｃｍ ^３ で、電気比抵抗が１．０μΩ・ｍ未満である耐クラック性を有する炭素系焼結すり板材料。
2. 前記銅粉末が、電解銅粉末である請求項１に記載の耐クラック性を有する炭素系焼結すり板材料。