JPH01157464A - 摺動集電用炭素材料及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野］ 本発明は、炭素系摺動集電材料およびその製造方法に関
し、更に詳しくは、パンタグラフ摺板、電動機用集電材
料などに適用可能な炭素系摺動集電材料およびその製造
方法に関する。

〔従来の技術〕

現在摺動集電用材料には、大きく分類して鋳造合金、焼
結合金等の金属系材料と炭素系材料の二つがある。

金属系摺動集電材料は、電気抵抗が極めて低く、高い強
度を有するが、アーク発生量が炭素系慴動集電材料と比
較して多く、高強度故に相手材の摩擦量を増加させてし
まうという欠点を有している。

現在これら金属系摺動集電材料は、特に高強度が要求さ
れる電車、電気機関車の簗電用パンタグラフ摺板等に利
用されている。

従来集電用パンタグラフ摺板材料には、主に、１１］、
カーボン、銅−鉄合金または銅−錫一亜鉛系合金などの
鋳造合金や銅系又は鉄系の焼結合金などが用いられてい
る。しかしながら、集電容量の増大、車両運行速度の増
大により集電用パンクグラフ摺板の使用環境は近年−段
と過酷になってきている。最近は、車両の高速化にとも
ない薄線率が増加し、機械的摩擦量及びアーク摩擦量が
増大してきているほか、寒冷地に於けるトロリー線の氷
結がもたらす異常摩擦などの問題や、摺動音が大きく騒
音公害等の問題も発生している。これらの摩擦に対して
は摺板自身だけでなくトロリー線、起電レール等の相手
材料の損耗をも少なくする摺動特性のよい集電材料が望
まれている。またアーク発生はアーク摩擦のみならず電
波障害も引き起こすため問題視されている。

前記した金属系摺動材料の欠点を補うことが可能である
と期待されている材料に炭素系材料がある。炭素系摺動
集電材料は良好な自己潤滑性と比較的低い電気抵抗を有
し、耐アーク性に優れ、軽量であり、また摺動音も小さ
いという特徴を併せ持ち、前記金属系摺動集電材料の欠
点をカバーすることができる。しかしながら、炭素材料
は金属系材料と比較すると電気抵抗がかなり高く、強度
も極端に低いという欠点を有することから、太きな力が
直接かかる箇所には使えない。そのため、現在、これら
はモーターブラシ等に広く利用されている。更に炭素系
摺動集電材料を利用している分野でも使用条件が厳しく
なってきている現在では、その耐摩耗性向上、電気抵抗
低下が更に求められている。

また炭素材料はその脆性から折損し易く、折…した場合
には集電材料が飛散し危険であると同時に最悪の場合に
は集電が不可能となり、車両が停止する恐れもある。

これらの欠点を解決すべく各方面で検討が進められてお
り、現在では、炭素系摺動集電材料に金属を含浸させた
り、炭素材料の原料粉末に金属粉を添加することにより
電気抵抗を下げると共に強度の向上を計るという方法が
採られている（特公昭５２−８２２号公報、特開昭６０
−２３８４０２号公報）。

しかしながら、前述の方法は強度の向上や電気抵抗の低
下にはある程度の効果は期待できるものの脆性破壊の防
止に対する効果はあまり期待できない。また金属を含浸
させる手法では金属含浸工程が必要なためコストがかさ
むことになる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従って、本発明は、前記した従来の炭素材料と比較して
、電気抵抗が低く、かつ脆性破壊に対して抵抗を有する
高強度の炭素系摺動集電材料及びその製造方法を提供せ
んとするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の摺動集電用炭素材料は炭素系マトリックス中に
金網あるいは金網と金属粉末を含有させることを特徴と
する。

本発明の摺動集電用炭素材料は、例えば、炭素質粉末あ
るいは金属粉末を混合した炭素質粉末と金網を交互に積
層し、加圧成型した後、焼成することにより製造するこ
とができる。

〔発明の構成及びその作用の説明〕

原料に用いる炭素質粉末としては自己焼結性を有する生
コークスや、焼コークスとバインダーピッチとの混合物
等が用いられる。その平均粒子径は３〜５０μｍ程度が
良いが、製品の高密度化による炭素質マトリックスの強
化、焼成時の割れ防止を考えると、５〜１５μｍ程度の
ものが好ましい。

また炭素質粉末には銅、銅合金、ニッケル、ニッケル合
金等の金属粉末を５〜５０重量％、好ましくは２０〜４
０重量％混合添加してもよい。本発明に従えば、更に炭
素質原料に金属粉末を添加することにより電気抵抗の低
下、金属線と炭素質基材との接合改善等が期待できる。

本発明の摺動集電用炭素材料は、炭素質マトリックス中
に金網が含有されている。本発明において使用する金網
は平板状の連続した金網が製作の容易さ、あるいは強度
の均一性を与えるため好ましいが、細断したチップ状の
もの、円筒状、角柱状など立体的なものであっても差し
支えない。平板状の金網を用いる場合は、これを複数用
いると共に、平行に配列することが均一性を保つため有
利である。この場合、金網の間隔は０．５〜５０ｍｍ程
度とし、且つ平行に配列した金網間をところどころ導線
で接続するようにすれば、抵抗がより低下する。また摺
動集電用炭素材料の端面であって、摺動面及び集電面に
は金網が露出することが望ましい。本発明で用いる金網
の金属は、銅、銅合金、ステンレス鋼、ブロンズ、燐青
銅、真鋳、ニッケルメッキを施した鉄等とすることがで
きるが、高強度が要求される場合にはステンレス鋼が、
低電気抵抗が要求される場合には銅、銅合金が好ましい
。

金網を炭素質マトリックス中に含有させる方法としては
特に制限はないが、その好ましい一例について以下に説
明する。第１図に示す如く、炭素質粉末１の一定量を金
型３に装入後、金網２を敷き、更にその上に炭素質粉末
を装入するという方法を繰り返す。金網の装入量は多い
ほど電気抵抗を下げ、強度をあげることができるが、極
端に装入量を多くすると製品の強度が低下してしまう。

このため金網の装入量は炭素質粉末１００　ｇにつき金
網を好ましくは０．５〜１５ｇ、更に好ましくは２〜１
０ｇ程度がよい。

その後加圧成型し、アルゴン、窒素等の不活性ガス雰囲
気下に８００〜１６００°Ｃ程度で焼成することにより
第２図に示すような炭素質材料１と金Ｍ４２を交互に積
層した摺動集電用炭素材料を得ることができる。このよ
うな手法により作製された摺動集電材料は、従来の炭素
材料と比較して電気抵抗が極めて低く、自己潤滑性に冨
み摺動させる際相手材の摩耗量を低減し、摺動音が小さ
く、高強度の金属強化炭素系材料となる。連続した金網
を用いることにより摺動集電材料の端面に露出している
金属線は他の端面に露出している金属線と同一の金網で
ある限り必ず導通しており、電気抵抗の低下が確実に期
待できる。

本発明の摺動集電炭素材料において、金網をはさむ炭素
質マトリックスの層は一体化されていることが必要であ
る。この部分の結合が弱いと摺動集電材料の全体の強度
が極端に低下してしまう。

すなわち金網の目の荒さが細かすぎたり線径が太いと、
焼成時に金網の上下にある炭素質材料層と炭素質材料層
とが、金属と炭素材料との熱収縮率、熱膨張率の差によ
って金網のところで亀裂を生じ、炭素−炭素層の層間剥
＾ｔを起こすという現象が観察された。そのため本発明
に用いる金網としては、金網を構成している線材の直径
は０．０１〜３ｍｍが好ましく、開口間隔は線材の直径
の５倍以上の金網が望ましい。なお、本発明でいう金網
の開口間隔とは、金網を構成する線材の中心線の間隔を
いう。

開口間隔の上限は無いと考えてよいが、開口間隔を余り
大きくとると導入できる金網の量が減少してしまう。こ
のため余り開口間隔を大きくとると金網を導入するメリ
ットがなくなってしまうので、開口間隔を変化させ導入
する金属の量をコントロールし、電気抵抗を所望の値に
調整するようにすればよい。

本発明における摺動集電用炭素材料は金網が挟み込まれ
ているために電気抵抗は黒鉛を下回っており、炭素質マ
トリックスを黒鉛化して電気抵抗を下げる必要はなく、
焼成温度は８００〜１６００°Ｃ程度でも所望の電気抵
抗値とすることが出来る。しかしながら、導入する金属
の融点よりも焼成温度を余り高くし過ぎると、焼成中に
金網が溶融し内部で断線を生ずることがある。この様な
状態が進むと挟み込んだ金属の電気伝導性が極端に低下
するだめに、電気抵抗を低下させるという初期の目的を
達成することができないので好ましくない。

そのため、金網の素材の融点を若干下回る温度又はそれ
以下の温度で焼成するのが好ましい。

本発明による摺動集電炭素材料は、第２図に示すように
、金網層と直角方向のＡ面を摺動面に、反対側のＢ面を
端子に接続することによって、その比抵抗値を極端に下
げることが出来る。また摺動する際の摺動面の方向は摺
動面と集電端子接続面とが金網の平面に垂直な方向とな
るようにすれば問題はないが、摺動面上に出現する線材
の数を絶えず一定に保つ必要がある場合には、金網を構
成している線材が摺動面に対して平行となるような方向
は避けた方がよい。金網の装入量を多くし電気抵抗を下
げ強度を高めるためには金属線材に屈曲を与えておきこ
れで金網を作るか、金網全体を屈曲させて−おくことも
有効である。

本発明による摺動集電用炭素材料は従来の焼結全屈材料
と比較すると、炭素材料の持つ良好な自己潤滑性を有す
るため、特に相手摺動材料における摩耗を改善する特性
に優れ、摺動音も極めて低く、軽量であるという特徴を
有している。また本発明による摺動集電用炭素材料は、
従来の炭素系摺動集電材料と比較すると、電気抵抗の低
い金属線を用いることによりその電気抵抗を極端に低下
させることができ、断面部分では金網の金属が微細かつ
均一にマトリックス中に点在しているため耐アーク性に
優れる等の利点を持つ。本発明の摺動集電用炭素材料は
、更に、挟み込んだ金属により脆性破壊に対して強く、
折損しても金網部分でつながるため飛散することの少な
い安全な摺動集電材料である。

本発明による摺動集電用炭素材料はパンタグラフ摺板以
外にも集電材料として電動機用集電ブラシ等広くその応
用が期待できる。

〔実施例〕

以下に、本発明の実施例を示すが、本発明の技術的範囲
をこれらの実施例に限定するものでないことはいうまで
もない。

尖絡尉上 平均粒径１１μｍに粉砕した自己焼結性生コークスに線
径０．２８ｍｍ、開口間隔５．０ｍｍの銅製の金網を生
コークス１００ｇに付き銅４ｔ４５．５　ｇの割合で挾
み込み、１２００　ｋｇ　／　ｃｒＭで加圧成型した後
、１０００°Ｃで焼成し摺動集電材料を作製した。

災詣±１ 実施例１で用いた原料生コークスの代わりに原料生コー
クスと平均粒径３０μｍの銅粉を７：３（重量比）の割
合で混合したものをマトリックスに用いた以外は実施例
１と同様の方法で摺動集電材料を作製した。

尖ル附主 実施例１で用いた銅製金網の代わりに、ステンレス製金
網を用いた以外は実施例１と同様の方法で摺動集電材料
を作製した。

実見±↓ 実施例１で用いた銅製金網の代わりに、ニッケルメッキ
を施した鉄製金網を用いた以外は実施例１と同様の方法
で摺動集電材料を作製した。

尖隻拠工 実施例１で用いた銅製金網の代わりに、線径０．５３ｎ
ｖｎ、開口間隔１０　、０　ｍｍの銅製金網を用いた以
外は実施例１と同様の方法で摺動集電材料を作製した。

ル較桝よ 平均粒径１１μｍに粉砕した自己焼結性生コークスを１
２００ｋｇ／ｃｒＡで加圧成型した後、１０００°Ｃで
焼成し摺動集電材料を作製した。

比較±１ 平均粒径１１μｍに粉砕した自己焼結性生コークスと平
均粒径３０μｍの銅粉を７＝３（重量比）の割合で混合
し比較例１と同様の方法で成型、焼成し摺動集電材料を
得た。

前述の実施例、比較例で製造した摺動集電用炭素材料の
シャルピー衝撃値と電気比抵抗値を測定した結果をまと
めて第１表に示した。第１表の結果から明らかなように
、本発明の方法によって得られた摺動集電用炭素材料は
従来の炭素材料に比べて低電気抵抗を有し耐衝〒ｒ性も
高いことがわかる。

（発明の効果〕 以上説明したように、本発明によれば、金属含浸により
炭素材料を強化し、電気抵抗を低下させる従来の方法と
比較して、含浸工程が省略できるためコスト低減に威力
を発揮する。また本発明の方法によって得られた摺動集
電用材料は電気抵抗が低く、耐衝撃性も良好できわめて
有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従った摺動集電用炭素材料の成形時の
工程を示す図面であり、第２図は得られた本発明の摺動
集電用炭素材料を示す図面である。 １・・・炭素質粉末、２・・・金網、３・・・金型。 第１図 Ａ面 ３・・・金型 手続補正書（自発） 昭和６３年５月９ρ日 特許庁長官　小　川　邦　夫　殿 １６　　事件の表示 昭和６２年特許願第３１４０８５号 ２、発明の名称 摺動集電用炭素材料及びその製造方法 ３、補正をする者 事件との関係　　　特許出願人 名称　（６６５）新日本製ｆＰｉ株式会社名称　（６６
４）新日鐵化学株式会社 ４、代理人 住所　〒１０５東京都港区虎ノ門−丁目８番１０号５、
補正の対象 １）明細書の「発明の詳細な説明」の欄２）明細書の「
図面の簡単な説明」の欄３）　図面（第２図） ６、補正の内容 １）（（）明細書第２頁第１１〜１２行並びに第３頁第
３行（２ケ所）、第５行、第７行及び第１０行「摩擦」
をｒ摩耗」と補正する。 （０）同第３頁第１８行「炭素材料」を「炭素系材料」
と補正する。 （八）同第５頁第１７行「類コークスＪをｒか類コーク
ス」と補正する。 （ニ）同第７頁第１２行「・・・を繰り返す。」と「金
網の・・・」との間に「金網の相互の位置は金網の格子
点が重なるようにしても、その位置をずらして格子点が
重ならず、中間にくるようにしてもよい。また」なる記
載を挿入する。 （ネ）同第７頁第２０行「炭素質材料ＩＪをｒ炭素質マ
トリックス４」と補正する。 （へ）同第１２頁第１３行「金網の代わりに、」の後に
ｒ線径、開口間隔が同一の」なる記載を加入する。 ２）明細書第１５頁最下行「３・・・金型、」をｒ３・
・・金型、４・・・炭素質マトリックス、」と補正する
。 ３）図面（第２図）を別紙の通り補正する。 ７、添付書類の目録 図面（第２図）　　　　　　　　　　７１８面 Ａ面 １・・・炭素質粉末 ２・・・°金網 ３・・・金型 ４・・・炭素質マトリックス

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. １．炭素質マトリックス中に金網を含有させたことを特
   徴とする摺動集電用炭素材料。
2. ２．炭素質マトリックスが金属粉末を含有したものであ
   る特許請求の範囲第１項記載の摺動集電用炭素材料。
3. ３．炭素質マトリックス中に複数の網状金属層を設けて
   なる特許請求の範囲第１項または第２項記載の摺動集電
   用炭素材料。
4. ４．炭素質粉末及び金網を交互に積層し加圧成型した後
   、焼成することを特徴とする摺動集電用炭素材料の製造
   方法。
5. ５．金属粉末を混合した炭素質粉末を用いる特許請求の
   範囲第４項記載の製造方法。