JP6321508B2 - 集電部材、複合材料及び集電装置 - Google Patents
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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。
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。
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。
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。
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、前記第１、前記第２及び前記第３のアルミニウム合金層は、積層構造に形成されており、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おり、前記第２のアルミニウム合金層は、炭素繊維を含有するプリフォームにAl-Si系アルミニウム合金を含浸させて形成されており、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プリフォームにAl-Si系アルミニウム合金を含浸させて形成されていることを特徴とする集電部材（９Ａ，９Ｂ；１２）である。
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、前記第１、前記第２及び前記第３のアルミニウム合金層は、積層構造に形成されており、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おり、前記第２のアルミニウム合金層は、炭素繊維を含有するプリフォームにAl-Si系アルミニウム合金を含浸させて形成されており、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プリフォームにAl-Si系アルミニウム合金を含浸させて形成されていることを特徴とする集電部材（９Ａ，９Ｂ；１２）である。
請求項２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、前記第１、前記第２及び前記第３のアルミニウム合金層は、積層構造に形成されており、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おり、前記第２のアルミニウム合金層は、炭素繊維を含有するプリフォームにAl-Si系アルミニウム合金を含浸させて形成されており、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プリフォームにAl-Si系アルミニウム合金を含浸させて形成されていることを特徴とする複合材料（９Ａ，９Ｂ；１２）である。
請求項３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。
請求項４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。
請求項５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。
請求項６の発明は、図３〜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の製造方法であって、前記集電部材は、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、前記第１、前記第２及び前記第３のアルミニウム合金層が積層構造に形成されるように、炭素繊維を含有するプリフォームとアルミナ繊維を含有するプリフォームとにAl-Si系アルミニウム合金の溶湯を高圧で流し込む高圧鋳造工程（＃１３０）を含むことを特徴とする集電部材（９Ａ，９Ｂ；１２）の製造方法（＃１００）である。
請求項７の発明は、図３〜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の製造方法であって、前記複合材料は、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、前記第１、前記第２及び前記第３のアルミニウム合金層が積層構造に形成されるように、炭素繊維を含有するプリフォームとアルミナ繊維を含有するプリフォームとにAl-Si系アルミニウム合金の溶湯を高圧で流し込む高圧鋳造工程を含むことを特徴とする複合材料（９Ａ，９Ｂ；１２）の製造方法（＃１００）である。
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。
（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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
(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。
(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。
(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。
(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。
(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。
(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。
（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。
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。
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。
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。
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。
（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。
（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。
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。
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。
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。
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。
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。
（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。
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。
（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。
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。
（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。
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。
（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。
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。
（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。
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。
（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。
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。
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。
（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。
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。
（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。
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。
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。
（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。
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。
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。
（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。
表２は、実施例１〜３の物理特性試験の結果である。
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。
（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。
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。
（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。
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。
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。
（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。
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。
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。
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。
（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。
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。
（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。
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。
（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。
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。
（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。
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。
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。
（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。
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。
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。
（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。
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。
(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。
(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。
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）
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）
Claims (7)
- 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であって、
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、
前記第１、前記第２及び前記第３のアルミニウム合金層は、積層構造に形成されており、
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おり、
前記第２のアルミニウム合金層は、炭素繊維を含有するプリフォームにAl-Si系アルミニウム合金を含浸させて形成されており、
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プリフォームにAl-Si系アルミニウム合金を含浸させて形成されていること、
を特徴とする集電部材。 - 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であって、
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、
前記第１、前記第２及び前記第３のアルミニウム合金層は、積層構造に形成されており、
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おり、
前記第２のアルミニウム合金層は、炭素繊維を含有するプリフォームにAl-Si系アルミニウム合金を含浸させて形成されており、
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プリフォームにAl-Si系アルミニウム合金を含浸させて形成されていること、
を特徴とする複合材料。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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の製造方法であって、
前記集電部材は、
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、
前記第１、前記第２及び前記第３のアルミニウム合金層が積層構造に形成されるように、炭素繊維を含有するプリフォームとアルミナ繊維を含有するプリフォームとにAl-Si系アルミニウム合金の溶湯を高圧で流し込む高圧鋳造工程を含むこと、
を特徴とする集電部材の製造方法。 - 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の製造方法であって、
前記複合材料は、
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、
前記第１、前記第２及び前記第３のアルミニウム合金層が積層構造に形成されるように、炭素繊維を含有するプリフォームとアルミナ繊維を含有するプリフォームとにAl-Si系アルミニウム合金の溶湯を高圧で流し込む高圧鋳造工程を含むこと、
を特徴とする複合材料の製造方法。
Priority Applications (1)
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| JP2014194123A JP6321508B2 (ja) | 2014-09-24 | 2014-09-24 | 集電部材、複合材料及び集電装置 |
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| JP2014194123A JP6321508B2 (ja) | 2014-09-24 | 2014-09-24 | 集電部材、複合材料及び集電装置 |
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| JP2016067105A JP2016067105A (ja) | 2016-04-28 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| JP2014194123A Active JP6321508B2 (ja) | 2014-09-24 | 2014-09-24 | 集電部材、複合材料及び集電装置 |
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| DE102010003874A1 (de) * | 2010-04-12 | 2011-10-13 | Hoffmann & Co. Elektrokohle Ag | Schleifleiste für eine Gleitkontakteinrichtung und Verfahren zur Herstellung einer Schleifleiste |
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