JPH02160663A - 炭素・金属複合材 - 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 この発明は、主に鉄道用パンタグラフ１習板に利用可能
な複合材料に係り、特に耐摩耗性と電気比抵抗の優れた
炭素・金属複合材に関する。

従来の技術 電気車両等の摺動、集電用炭素材料としては、車両の高
速化と冷房設備等による消費電力の増大に対応するため
、炭素の優れた開動特性と金属の電気伝導性を生かした
炭素・金属複合摺板が採用されつつある。

この種の炭素・金属複合材としては、例えば■炭素材の
気孔に特定の金属を加圧含浸させる方法により製造した
複合材、■炭素材用原料に金属繊維を配合し、通常の炭
素材の成型方法で成型後、炭化する方法により製造した
複合材（特開昭６２−７２５６４）　、■炭素材用原料
に金属繊維を一方向に配向させて配合した後、成型、焼
成する方法により製造した複合材（特開昭６２−１９７
３５２　）がある。

しかし、上記■■■の炭素・金属系摺板は、現用品であ
る金属焼結系摺板から炭素・金属系（舌板への移行期、
すなわち金属焼結系と炭素・金属系摺板の混合使用時を
想定したトロリー線（銅製）の荒れた状態での摺動時の
摺板摩耗が大きいという欠点がある。

かかる欠点を解消するため、本発明者らは、■炭素材骨
材粉とバインダーピッチを主成分とする炭素材原料に、
金属＄１１ｆｆや金属粉を配合し、この原料を加圧加熱
成型した後焼成することによって、耐摩耗性の優れた炭
素・金属複合材を得る方法を先に提案したく特願昭６３
−２６２１１０　）。

しかるに、炭素・金属複合材の場合、従来の金属焼結系
摺板と比較し、前記耐摩耗性が劣るという欠点の外に、
電気比抵抗が高いという問題点がある。

例えば、電車が停車した状態で冷房装置や車内照明器具
等を使用する条件下では、電気比抵抗が高いとジュール
熱によりトロリー線温度の上昇を招き、高テンションが
付与されたトロリー線が断線にいたる可能性があり、非
常に危険でおる。このため、摺板の電気比抵抗は非常に
重要な特性の一つであり、電気比抵抗の高い炭素・金属
複合材にとっては重要課題とされてきた。

ところで、炭素・金属複合材の電気比抵抗が高い原因は
、基本的に炭素の電気比抵抗が高いことにある。そこで
、例えば銅のような電気比抵抗の低い金属成分の配合量
を増せば電気比抵抗の低下は可能であるが、金属成分が
多くなるとトロリー線との間で発生するスパークが多く
なり、トロリー線および摺板の摩耗が著しくなる。

このため、耐摩耗性と電気比抵抗の両立は容易でなく、
優れた耐摩耗性と電気比抵抗を併せ持つ炭素・金属複合
材は未だ存在していないのが実情である。

発明が解決しようとする課題 この発明は前にｊホべたような実情よりみて、炭素・金
属複合材の重要課題の一つである電気比抵抗の問題を解
決し、優れた耐摩耗性と良好な電気比抵抗を有し、かつ
安定したスパーク特性が得られる炭素・金属複合材を提
供しようとするものでおる。

課題を解決するための手段 この発明者は、炭素材原料に金属繊維を配合した複合材
において、電気比抵抗の低い金属繊維の含有量を増加さ
せずに耐摩耗性と電気比抵抗を両立し得る炭素・金属複
合材について種々検討した結果、成型体の中に電気比抵
抗の低い金属繊維部分と高い金属ｍ雄部分をつくること
により、同一配合量で耐摩耗性と電気比抵抗の優れたも
のが得られることを見い出した。

摺板を例にとると、トロリー線と摺動する部分（上部）
は摩耗特性やスパーク特性が良好となるように摩耗性の
改善に寄与する鉄系の金属繊維を配合し、他方トロリー
線と摺動しない部分（下部）は、電気比抵抗の極めて低
い金属繊維を配合することにより、全体として耐摩耗性
および電気比抵抗が優れ、かつスパーク特性の良好な炭
素・金属複合材が得られるということである。

すなわち、この発明は炭素材原料に金属繊維を配合した
複合材において、材質の異なる金属！１ｉ１がその材質
毎に位置を変えて配合された炭素・金属複合材を要旨と
するものである。

作　　　用 この発明における炭素材原料としては、自己焼結性メソ
フェーズ粉や、コークス粉のような炭素質骨材粉とピッ
チからなる２元系原料、フェノール樹脂のような熱硬化
性樹脂等様々のものが使用できる。

ここで、２元系原料における炭素質の骨材としては、ピ
ッチや石炭等を１ｏｏｏ℃程度で炭化処理したコークス
粉や、フェノール樹脂を炭化して得られる等方性炭素等
の硬度の高いものが好ましい。

炭素質骨材の粒度は、強度や耐摩耗性の面から粒径の小
さいものが良好であり、２０項以下に粉砕して使用する
のが好ましい。

バインダーピッチとしては、コールタール中ピッチや、
これをざらに熱処理して得られる高軟化点ピッチ等を使
用できる。

なお、ピッチとしては、加熱時流動性を示すもので、か
つ可及的に低揮発分の方が複合材の強度、摩耗性が向上
し好ましい。

次に、使用する金属繊維としては、強度や硬度に優れ摩
耗性の改善に寄与するスチールファイバ、スチールウー
ル等鉄系の金属繊維と、銅ファイバーのように電気比抵
抗の低いものを用いる。

鉄系金属４１ｉ雑の中では低炭素鋼製スチールファイバ
ーが最も良好な性能を示す。

この発明では、摺板上部側すなわちトロリー線と摺動す
る側にスチールファイバ等の鉄系金属繊維を配し、摺板
下部側すなわちトロリー線と１習動しない側に銅ファイ
バー等の電気比抵抗の低い繊維を配するのである。

金属繊維の形状、サイズ等は特に限定されるものではな
いが、高強度の成型体を１ｑるという観点から規定する
と、太さ０．５ｍｍ以下、長さ１１Ｔ１ｍ以上のものが
好ましい。

金属繊維の配合量は、特に限定されるものではないが、
耐摩耗性、機械的強度および電気比抵抗の面から少なく
とも１０体積％以上必要である。しかし、金属繊維の配
合比率が５０体積％を超えるとスパークが多くなり、摩
耗量も増大するため好ましくない。

このような材質の異なる金属繊維がその材質毎に位置を
変えて配される炭素・金属繊維複合材は、材質の異なる
金属繊維毎に成形用金型に順次装入し、その後成形、焼
成することにより得られる。

成型方法としては、冷間型込め成型、押出し成型、加圧
加熱最高温度々の方法が採用できる。このうち、バイン
ダーとしてピッチを使用し、加圧加熱成型する方法が最
も強度、耐摩耗性の良好な炭素・金属複合材が得られる
。

加圧加熱成型条件としては、バインダーピッチが固化す
る温度域、すなわち４８０℃以上、好ましくは５００℃
以上の温度域を加圧加熱することが必要でおるため、加
圧加熱最高温度は４８０℃以上、好ましくは５００℃以
上とする。

加圧加熱成型の圧力は少なくとも常温〜加圧加熱最高温
度の一部の領域で４ｏｋｇ４以上、好ましくはａｏｚ、
４以上とする。これは、成型圧力が４０１４未満ではバ
インダー−金属間の結合力が低下し、良好な摩耗特性を
有する炭素・金属複合材が得られないためである。

加圧加熱成型法で１ｑられた成型体は、通常の炭素材と
同様の方法で焼成する。

実　　施　　例 第１図は加圧加熱成型用金型の一例を示す概略図で、（
１）は上プレスヘッド、（２）は下プレスヘッド（固定
）　、（３）は上金型、（４）は下金型、（５）は金枠
、（６）は成型原料、（７）はシーズヒーター（７−１
）入り熱板、（８）は断熱材である。

すなわち、上金型（３）と下金型（４）との間に成型原
料（６）を充填した後、シーズヒーター（７−１）に通
電して熱板（力を加熱し、プレスヘッド（１）により加
圧する。上記金型は予熱しておいてもよい。

このような加圧加熱成型法で得られた成型体は、非酸化
性雰囲気中において金属ファイバーの融点以下の温度で
焼成することができる。

次に、第１図に示す金型を用いた加圧加熱成形法と通常
の焼成法により製造した炭素・金属複合材について説明
する。

成型用骨材としては、レギュラーグレード石油コークス
を１ｏｏｏ℃で炭化後、直径１０．のステンレス球を詰
めた振動ミルで４時間粉砕して得た平均粒径１２Ａｔｍ
のコークス粉を用いた。

バインダーピッチとしては、コールタールを１００ｍＨ
Ｕの減圧下４２０℃で６時間熱処理して得られた高化式
フローテスターで測定した軟化点が２５０℃のコールタ
ールピッチを、６０メツシユ以下に粉砕したものを用い
た。

金属繊維としては、（ａ）　０．０５　＃Ｘ　Ｏ，０５
履Ｘ長さ３ｍの低炭素鋼ファイバーと、（ｂ）０．０５
ｍＸ０．０５＃Ｘ長さ３Ｍの銅ファイバーの２種を用い
た。

本実施例では上記の各原料を第１表に示す配合比で混合
して得たＡ〜Ｄの４種の配合原料を組合せ、内寸が幅１
００＃Ｘ長ざ２００ｍの金型内に下部、上部の順に、各
々成型後の厚みが５ｍｍになる量を分割して装入し上下
に材質の異なる金属繊維を配した状態で、加圧能力５０
０ｔｏｎの油圧プレスを用いて加圧加熱成形（成型圧力
２００に３／　ｃｉの加圧下、５℃／分で５５０℃まで
昇温し、１時間保持後冷却）し、幅１　ｏｏ、、Ｘ長ざ
２００ｇｘ厚ざ１０履の成形体を得た。

得られた成型体は、粉コークスを詰めたステンレス製容
器に入れ、窒素雰囲気下１２℃／１１ｒの昇温速度で１
０００’Ｃまで昇温し、４時間保持後冷却して焼成した
。

得られた炭素・金属複合材から、幅１０＃Ｘ長さ６０ｍ
（厚みは焼上り後の厚みと同じ）のテストピースを切出
し、電気比抵抗と曲げ強度を測定した。

テストピースの切出し方向は、長さ６０ｍ１１１の方向
が成型体の長さ２００＃の方向と一致するようにした。

曲げ強度の測定は、曲げスパン４０ｍで成型時の上部に
当る部分より圧下して行なった。

電気比抵抗は電流の流れる方向が長さ６０ｍの方向とな
るようにして４端子法で測定した。

次に、同じ炭素・金属複合材から、幅８＃ｘ艮ざ８ｍ×
高さ約１０ｍのテストピースを、高さ方向が成型時のプ
レス方向と一致するように切出し、このテストピースを
成型時の上面に当る面を回動面とし、下記条件で摩耗試
験を実施し、摩耗試験後、テストピースの厚み変化を測
定し、摺動距離１００階当りの摩耗体積を算出した。

上記電気比抵抗、曲げ強度、摩耗量を第２表に示す。

なお第２表には比較のため、上部、下部共に同一の原料
とし、本発明と同一の方法により加圧加熱成型、焼成処
理を行なって得られた炭素・金属複合材の物性を併せて
示す。

第１表より明らかなごとく、上下同一の原料で構成した
比較例の場合、摩耗量は小さくても電気比抵抗が低く、
摩耗特性と電気比抵抗を両立させることが困難であるの
に対し、本発明の炭素・金属複合材は、摩耗特性および
電気比抵抗共に優れている。

以下余白 発明の詳細 な説明したごとく、この発明に係る炭素・金属複合材は
、耐摩耗性と電気比抵抗が優れるため、特にパンタグラ
フ用摺板として優れた特性を発揮し、そのもたらす効果
は甚大である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明方法を実施するための加圧加熱成型用
金型の一例を示す概略図である。 １・・・上プレスヘッド　　　２・・・下プレスヘッド
３・・・上金型　　　　　　　４・・・下金型５・・・
金枠　　　　　　　　６・・・成型原料７・・・熱板　
　　　　　　　８・・・断熱材出願人　　住友金属工業
株式会社

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 炭素材原料に金属繊維を配合した複合材であって、当該
   金属繊維の材質が部分的に異なることを特徴とする炭素
   ・金属複合材。