JP5099945B2 - 電流移送用磨耗性改良低抵抗材料とその形成方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【この発明の技術分野】
この発明は、電流伝達用の低抵抗で、耐磨耗性能が改善された材料、およびその作成法に関する。
【０００２】
この発明はさらに詳しくは、限定的ではないひとつの態様として、粉末冶金学的経路（Ｐ／Ｍ）で作成され、従来の銅・黒鉛複合材料よりも、改善された伝導性を示し、しかも、他の同様に作成された材料よりも、高密度を維持する、銅・黒鉛複合材料に関する。この発明はまた、そのような複合物を含む、装置およびシステムに関する。
【０００３】
【この発明の技術背景】
炭素含有複合材料を、照明灯レールシステムのブラシや接点材料などの用途に使うことは公知である。これらの材料をＰ／Ｍ技法で作成することができる。しかし、一般に入手できる材料では、当該要素として、低い伝導性を示すか、あるいは過剰な磨耗を引起こしがちな傾向があった。
【０００４】
この発明は、これらの難点を顕著に改善することをめざす、材料およびその作成法を提供しようとするものである。
【０００５】
【この発明の説明】
この発明のひとつの態様として、銅・黒鉛複合材料であって、約９９．９％の純度の銅粉末と黒鉛粉末から成る混合物を攪拌し、圧縮し、燒結して形成した、少なくとも約４０％のＩＡＣＳ値を有するものであり、内部に多数の細孔を備え、少なくともその細孔の一部に黒鉛を含有し、銅の網状マトリックス内に黒鉛アイランドがある微細構造をつくる、銅の網状マトリックスを含む、銅・黒鉛複合材料を提案する。
【０００６】
その銅・黒鉛複合材料は、さらに望ましくは、少なくとも４５％のＩＡＣＳ値を有し、少なくとも約６．０ｇ／ｃｍ³の密度を有する。
【０００７】
望ましくは、この複合材料が約６．３ないし７．６／ｃｍ³の密度を有する。
【０００８】
この発明が改善された性能をもたらす方法についての以下の説明は、有望なメカニズムとして提示するものである。この発明は、この説明に依存するものではなく、またこの説明によって限定されるものでもない。
【０００９】
この発明による複合材料は、当該要素の表面に黒鉛移転層を形成する結果、好都合にも自己潤滑機能を発揮する。この銅・黒鉛複合材料の自己潤滑機能は、効果的に当該物を保護し、このようにして当該物の寿命を延ばす。
【００１０】
このことは、例えば鉄道の電力伝達システムを保護し、寿命延長するのに好都合にも有効である。さらに詳しくは、そのような応用においては、従来用いられてきた材料に比べ、寿命が３倍も延びると見積もられる。
【００１１】
このように、この発明のひとつの態様として、電車のパンタグラフに装着することができ、以下に述べるように、頭上の架線から電力を受電するための電気接点としての、銅・黒鉛複合物を含む、ポールシューのような材料を提案する。この発明はまた、そのような複合物を用いた電力伝達システムを含む。
【００１２】
望ましいひとつの実施例として、その複合物材料のＩＡＣＳ値が少なくとも６０％である。当業者には公知のことであるが、ＩＡＣＳパーセンテージとは、材料の伝導特性を国際焼鈍銅標準（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ａｎｎｅａｌｅｄ Ｃｏｐｐｅｒ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ）（ＩＡＣＳ）に基づいて、判断するために用いられる標準伝導率（抵抗率）のことである。
【００１３】
この発明によれば、その材料は銅および黒鉛の粉末をある条件下で、攪拌し圧縮することによって作成でき、次にその圧縮された材料を燒結する。このプロセスの各ステップは、還元雰囲気下のような非酸化的条件下で遂行されるのが適切であろう。
【００１４】
この発明のさらなる態様として、次のステップから成る、銅・黒鉛複合材料の作成法を提案する：銅粉末を還元雰囲気条件下で焼鈍し、清浄化することによって、銅粉末を高純度化する；その高純度化した銅粉末を黒鉛粉末と混合する；該混合粉末を圧縮して圧粉体を作り、次にその圧粉体を加熱しながら、充分な時間燒結して、銅・黒鉛複合材料を形成する。該銅粉末は、約１０μｍ未満のさまざまな粒子サイズを有し、また、該黒鉛粉末が約５μｍ未満の粒子サイズを有することが適切であろう。
【００１５】
その条件には、充分攪拌された粉末を約５００ないし約１６００Ｍｐａの範囲の圧力をかけて圧縮することを含めても良い。その条件にはまた、その圧縮された粉末を、Ｈ₂およびＮ₂雰囲気下で、温度範囲９６０℃ないし１１００℃において、あらかじめ決められた時間、圧粉体の形に燒結することを含めても良い。
【００１６】
あるいはそのプロセスには、例えば、高温平衡状態プレス（ヒッピング）、絶縁高温プレス（ＩＨＰ）、あるいは真空燒結のような他のいかなる加熱および加圧プロセスを含めても良い。
【００１７】
攪拌ステップの後、銅および黒鉛粉末を圧縮するには、２方向圧縮または動的圧縮のいずれかによることが望ましい。２方向圧縮を採用するとき、望ましくは約５〜１０分間、圧縮圧として約５００ないし約１６００Ｍｐａの加圧を行なうと良い。
【００１８】
これの代案は、動的圧縮である。動的圧縮を採用するときは、約１５０ないし２５０Ｈｚの範囲の衝撃周波数が望ましい。そのような衝撃周波数を用いれば、上述の２方向圧縮法によるのと同様の結果が達成できるであろう。
【００１９】
使用する銅粉末は、市販グレードの純度あるいはベターなもの、望ましくは約９９．９％純度のものがよい。銅粉末のばらつきのある粒子サイズは、銅および黒鉛粉末の混合に際し、「粒子サイズ効果」を最適化する役割をする。例えば、銅粉末はサイズが１０マイクロメーター（約６００メッシュ）、および４０、１５０、２００と４００メッシュのものが使用できる。望ましくは、銅粉末の粒子サイズが約５マイクロメーターと約１５０メッシュの間のものが良い。
【００２０】
この銅粉末は好都合なことに、粒子の表面に酸化物や酸化フィルムの薄膜が存在しない。このように、好ましい実施例として、銅粉末は黒鉛粉末との混合前に、水素と窒素の混合物などによる還元性の、コントロールされた雰囲気下で、清浄化し焼鈍される。
【００２１】
その他の適切な還元性の雰囲気として、一酸化炭素、水素、水分を除去した天然ガス、還元性の吸熱性あるいは発熱性天然ガス混合物、および／または窒素などのように反応性が低いガスとの混合物などが含まれる。これらが温度約６００℃ないし約８５０℃において行なわれることが望ましい。当業者にはすぐわかることであるが、清浄化し焼鈍すべき温度は、主として銅粉末の粒子サイズに依存してきまる。
【００２２】
銅粉末はまた、不要な不純物をあらかじめ除去処理しておくとよい。この目的のために、磁気選別ステップを用いることができる。代わりに、あるいは加えて、非磁性の軽い諸材料は、静電気または遠心分離のようなプロセスで除去できる。
【００２３】
黒鉛粉末は、約５μｍ未満の粒子サイズを有することが望ましい。そして、約１μｍないし約２μｍの範囲の粒子サイズを有することが望ましい。望ましいひとつの実施例として、その黒鉛粉末は、電子用グレードの品質であることが望ましい。
【００２４】
Ｐ／Ｍプロセスでよくあるケースのように、他の冶金学的粉末が混合剤として含まれても良い。これらには、例えば、Ｚｎ、ＭｏＳ₂、およびＳｉが含まれる。（注：Ｓｉ添加剤はシリケートの形でも良い。）
【００２５】
上述のように、銅粉末を酸化防止できる条件下で、銅粉末および黒鉛粉末の攪拌が行なわれる。その粉末の攪拌は、従来型のミルで約１５０ｒｐｍのような比較的低速で行なわれることが望ましい。
【００２６】
先に論じたように、混合粉末を圧縮するには、２方向圧縮または動的圧縮のいずれかによれば好都合に行なえる。この発明で用いる、上述の圧縮圧としての約１６００Ｍｐａは、従来のＰ／Ｍ技法で用いられる圧縮圧よりも概して高めである。従来技法では、一般に約６９０Ｍｐａである。ここで云う圧力とは、（荷重／圧粉ダイの断面積）として定義されることを特記しておく価値がある。
【００２７】
焼結ステップの焼結温度は、約９６０℃から約１１００℃の範囲が良い。炉内の滞在時間は、当業者にはすぐわかるように、炉の機能に依存してきまる。焼結ステップで用いる還元雰囲気は、１０％のＨ₂と９０％のＮ₂から成ることが望ましく、そうすれば、炉内は発熱的雰囲気となる。
【００２８】
上記のプロセスは、この発明による複合材料を形成するための望ましい方法として、例示の目的だけのために提示したものであることは理解頂けるであろう。ここで述べたように好都合な特性を有する複合材料を作成できる限り、他の方法もまた採用できる。
【００２９】
この発明のさらに詳しい実施例を、次の数例を参照しながらここで説明する。これらの例は、例示の目的に限定して提示するのであって、どのような方法においても、この発明の範囲を限定するものと解釈されてはならない。
【望ましい実施例の詳しい説明】
【００３０】
【実施例】
以下の諸表はこの発明により形成された複合材料の性質、すなわち化学的組成、物理的性質、熱容量、電気的性質および摩擦的性質などを詳しく示すものである。
【００３１】
表１のサンプルはこの発明の方法により形成されたもので、銅粉の粒度は１０μ、４０、１５０、２２０および４００メッシュの範囲にあり、電気的および磁気的分離により清浄化されたものである。ついで１０％水素および９０％窒素の還元雰囲気中で焼鈍された。
【００３２】
焼鈍後の銅粉は他の粉成分と混合された。該成分としては粒度が１μｍ〜２μｍの黒鉛粉が用いられた。二方向圧縮または動的圧縮により混合物を圧縮し、圧粉体の形の圧縮された混合物を１０％水素と９０％窒素の還元雰囲気中で約２時間焼結した。焼結温度は９６０℃〜１１００℃であった。
【００３３】
１）名目的な化学的組成を表１に示す。
【００３４】
【表１】

【００３５】
２）物理的性質の一部を表２に示す。
【００３６】
【表２】

【００３７】
提案された温度を越えると性質が急速に劣化するものと推定される。
【００３８】
３）熱運動学的データから計算されたＣＧＣＭの熱容量^*を表３に示す。
【００３９】
【表３】

【００４０】
４）圧縮応力および機械的性質を表４に示す。
【００４１】
【表４】

【００４２】
注：下線データは推定値であって、複合材料諸性質の計算に基づいたもの−ＡＳＭ、金属ハンドブック、−複合材料。
【００４３】
５）材料の電気的性質を測定して表５に示してある。
【００４４】
【表５】

【００４５】
注１：ＩＡＣＳのパーセンテージは材料の伝導性を判定するのに用いられる標準伝導率（抵抗率）であって、１９１３年にＩＥＣにより採用された国際焼鈍銅標準（ＩＡＣＳ）に準拠したものである。１／５８Ωｍｍ²／ｍおよび２０℃（６８゜Ｆ）における０．０１７２４１Ωｇｍ ｍｍ²／ｍおよび０．１５３２８Ωｇｍ／ｍ²の値はそれぞれ１００％に等しい焼鈍銅の体積と重量抵抗率の国際的な均等値である。
【００４６】
注２：下線データは推定値である。電流容量は材料の１ｍｍ²領域を最大動作温度で該領域に損傷を与えることなしに通過できる電流から計算される。
【００４７】
６．電気的性質
【００４８】
【表６】

【００４９】
^*注１：摩擦的な性質は、正常負荷１３．５Ｎで滑動速度０．２５ｍ／ｓｅｃ、の条件下で測定された。相手金属は純銅コンタクトであった（１０⁸摩耗サイクル後）。
【００５０】
注２：二重下線データは摩耗テスト前に不定金属（銅）面上で得られたものである。
【００５１】
注３（^**）：速度移転のデータは特に設計されたテスト装置を用いて測定された。
【００５２】
つぎの表は公知のＰ／Ｍ技法により形成された銅および黒鉛を含む他の材料の間連性質を纏めたものである。表中の最高伝導率は４０％ＩＡＣＳを越えており、それらの値の多くはこの発明の材料で形成された複合材料のＩＡＣＳ値より顕著に低いものである。その意味で４３％ＩＡＣＳは最低の値である。
【００５３】
【表７】

【００５４】
この発明の複合材料は電気モーター、パンタグラフおよび光レール用のポールシュー、発電機その他スイッチなどの電気部品のコンタクトブラシとして使用できるものと予想される。さらに上記したようなこの発明の形成方法は簡単で経済的である。
【００５５】
この明細書を通して特に別途断らない限りでは、「含んで」という用語は記載された整数または整数群またはステップを意味するが他の整数または整数群またはステップを除外するものではない。
【００５６】
また以上記載したこの発明には種々の変更を加えることが可能であり、記載された事項は種々組み合わせることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明により作成された、銅・黒鉛複合材料の典型的な微細構造を示す。この図から分かるように、この銅マトリックスは、黒鉛アイランドを取り囲む多数の大きな孔を分散状態で有する。先に述べたように、この黒鉛を全体に分散した銅の網状組織は、好都合なことに、その複合材料の電気伝導性の大幅な向上をもたらし、また好都合なことに、摺動部品つまり集電装置（接点材料）と接触電線との間に、潤滑作用をする炭素を含んだフィルムを形成する、黒鉛を供給する。

Claims (12)

1. 相対移動する要素について導体である接点材料として使用される銅・黒鉛複合材料であって、前記銅・黒鉛複合材料は、ＩＡＣＳ値が少なくとも４０％であり、密度が少なくとも６．０ｇ／ｃｍ^３であり、銅粉と粒度が５μｍを越えない黒鉛粉との混合物を混合、圧縮および焼結して形成され、複数の貫通孔を有した銅ネットワークマトリックスを含んでおり、少なくとも一部の孔が黒鉛を含んで銅ネットワークマトリックス中の黒鉛アイランドの微細構造を呈しており、黒鉛含有量が少なくとも７重量％であることを特徴とする銅・黒鉛複合材料。
2. 銅粉と黒鉛粉との混合物の混合、圧縮および焼結により形成され、銅粉が混合前に制御された雰囲気内で清浄化、焼鈍されていることを特徴とする請求項１に記載の銅・黒鉛複合材料。
3. 銅粉と黒鉛粉との混合物の混合、圧縮および焼結により形成され、銅粉の粒度が１５０メッシュであることを特徴とする請求項１又は２に記載の銅・黒鉛複合材料。
4. 銅粉を還元雰囲気中で焼鈍しついで清浄化することにより純化し、純化銅粉と黒鉛粉とを混合し、混合粉を圧縮して圧粉体を形成し、該圧粉体を高温で銅・黒鉛複合材料を形成するに充分な時間に亙って焼結することを含んでなり、前記圧縮が二方向であり、圧縮圧力が５００〜１６００ＭＰａである請求項１〜３のいずれか一項に記載の銅・黒鉛複合材料の形成方法。
5. 前記焼結が非酸化雰囲気中で行われ、前記非酸化雰囲気が一酸化炭素、水素、除水天然ガス、還元性吸熱または発熱天然ガス混合物および／またはそれらと低反応性ガスとの混合物のいずれかひとつを含んでいることを特徴とする請求項４に記載の銅・黒鉛複合材料の形成方法。
6. 混合粉が動的に圧縮されることを特徴とする請求項４又は５に記載の銅・黒鉛複合材料の形成方法。
7. 混合粉が動的に圧縮され、動的圧縮の衝撃周波数が１５０Ｈｚ〜２５０Ｈｚであることを特徴とする請求項４から６のいずれか一項に記載の銅・黒鉛複合材料の形成方法。
8. 清浄化に際して磁気、静電気または遠心分離のいずれかひとつが行われることを特徴とする請求項４から７のいずれか一項に記載の銅・黒鉛複合材料の形成方法。
9. 還元雰囲気が一酸化炭素、水素、除水天然ガス、還元性吸熱または発熱天然ガス混合物および／またはそれらの少反応性ガスとの混合物のいずれかひとつを含むことを特徴とする請求項４から８のいずれか一項に記載の銅・黒鉛複合材料の形成方法。
10. 請求項１から３のいずれか一項に記載の銅・黒鉛複合材料を含んだ頭上の動力線から電気的動力を集める電気的コンタクトとしての列車用パンタグラフ。
11. 請求項１０のパンタグラフを動力コレクターとして含んだ電気的動力伝達システム。
12. 少なくとも１個の導体が請求項１から３のいずれか一項に記載の銅・黒鉛複合材料を含んだ相対移動する導体間の電気的動力伝達装置。