JPH02160665A - 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摺板に利用可能な
複合材料に係り、耐摩耗性、耐衝撃性、曲げ強度および
電気的特性に優れた炭素・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
、炭素の優れた摺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、■炭素利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（狛ｕ１１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６２−１
９７３５２　＞がある。

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

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！ＡＩｉ紺や金属粉を配合し、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（特願昭６３
−２６２１１０　＞。

ところで、摺板の使用時、トロリー線に付着した結氷や
何等かの原因により外れたトロリー線吊具（ハンガイヤ
）に摺板が激しく当ることがある。

その時、摺板の衝撃強度が低いと摺板が破損し、その破
片等が周囲に飛散し、非常に危険でおる。

したがって、摺板には耐摩耗性に加え、耐衝撃性も要求
される。

しかるに、前記した炭素・金属複合材は、従来の金属焼
結系摺板と比較し、署しく衝撃強度が劣るという共通の
欠点がおる。

この衝撃強度が劣る原因は、基本的に炭素の衝撃強度が
低いことにある。そこで、これを補うために金属成分の
配合量を増せば衝撃強度を向上できるが、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、１〜ロリー線および摺板の摩耗が大きくなり好まし
くない。

発明が解決しようとする課題 この発明は前に述べたような実情よりみて、仮に結氷や
外れたトロリー線吊具に摺板が激しく当るようなことが
おっても、摺板が破損することがない耐衝撃性を具備し
、ざらに安定したスパーク特性と良好な耐摩耗性をもつ
炭素・金属複合材を提供しようとするものである。

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、金属繊維の含有量を増加さけずに耐摩耗性と
耐衝撃性の両特性を（Ｊｆせ持つ炭素・金属複合材につ
いて種々検討した結果、長さと太さの異なる金属繊維を
分けて配することにより、同一配合量で耐摩耗性、耐衝
撃性および曲げ強度を向上させることが可能であること
を見い出した。

すなわち、炭素・金属複合材の場合、同一配合量で比較
すると金属繊維が長いはど′ｆＪ撃強度が向上し、さら
に金属繊維の長さが相当直径（繊維の断面を同じ断面積
をもつ円と考えることにより求められる繊維直径）の１
０倍以上、すなわち金属繊維のアスペクト比が１０以上
の場合には、繊維の相当直径が大きいほど衝撃強度が向
上することを児い出した。

しかしながら、長さあるいは相当直径の大きい１Ｉｉｒ
ａを配合すると耐摩耗性が低下することも判明した。

かかる知見より、この発明は金属繊維の長さと太さのい
ずれか一方または両方を部分的に異ならせて配すること
によって、耐１ｆ粍性、耐衝撃性の優れた炭素・金属複
合材を得たものである。

例えば１習板を例にとると、トロリー線と１習動する部
分（上部）には、良好な摩耗特性を発現させるのに有効
な短かくて相当直径の小ざい金属繊維を配し、トロリー
線と１習動しない部分（下部）には、高い衝撃強度を発
現させるのに有効な長くて相当直径の大ぎい金属繊維を
配するのである。

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
性樹脂等柱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、耐
摩耗性の面からピッチや石炭等を１０００℃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．ｑｍ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。

金属ｍ維としては、スチールファイバー、スチールウー
ル、銅ファイバー等種々の金属繊維を使用できる。材質
的に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。

摩耗特性を発現させるのに有効な金属繊維の大きさとし
ては、相当直径が０．３＃以下、好ましくはｏ、　ｉ、
以下で、長さが１０．以下のものが適する。

また、耐衝撃性の向上に有効な金属繊維の大きざとして
は、前記摩耗特性の良好な金属繊維に対して相当直径で
２倍以上、長さで２倍以上のものが好適でおる。

なお、配合される金属繊維のアスペクト比が１０以上の
場合には、繊維の相当直径が大ぎいほど衝撃強度は向上
するが、相当直径がｉ＝を超えると金属繊維と炭素の結
合が悪くなり、曲げ強度が低下するため、配合する金属
繊維の相当直径は１ｎｌＩ７１以下が好ましい。

金属繊維の形状は特に限定されるものではなく、針状、
くさび状、波状、網状、あるいはそれらの混合物のいず
れも使用可能である。

全金属繊維の配合量は特に限定されず、５０〜６０体積
％の高い配合率においても高強度で優れた耐摩耗性、耐
衝撃性が得られるが、スパーク特性を考慮すると５０体
積％以下が好ましい。

このような長さと太さのいずれか一方または両方が異な
る金属繊維が分けて配された炭素・金属繊維複合材は、
大きざの異なる金属繊維を装入順序を変えて成形用金型
へ充填した後、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１情耗性の良好な炭素・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’Ｃ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あるため、
加圧加熱最高温度は４８０′Ｃ以上、好ましくは５００
°Ｃ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４０　ｋｇ　４以上、好ましくはａｏ
ｈａ以上とする。これは、成型圧力が４０ｋＭｉｉｆ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）は断熱材でおる。

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１０００℃で炭化後、直径１０．のステンレス球を詰
めた振動ミルで粉砕して得た平均粒径１５Ａｍのコーク
ス粉を用いた。

バインダーピッチとしては、］−ルタールを１００馴１
−１ｇの減圧下４４０℃で２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２４０’Ｃ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
ｒｒｖｎＸ長さ３Ｍ（相当直径０．０５８＃ｘ長さ３＃
〉、（ｂ）　Ｏ，ｔｆｉｘ　ｏ、　ｔａｘ長さ６Ｍ（相
当直径０．１１３Ｍ×長さ６ｍ）、（Ｃ）　ｏ、りａｘ
　０．５ｍＸ長さ３０゜（相当直径０．５６４＃ｘ長ざ
３０．　）の３種の低炭素鋼ファイバーを用いた。

本実施例ではこれらの原料を第１表に示す配合比で混合
して得たＡ−Ｆの６種の配合原料を組合せ、内寸が幅１
００ｆｉＸ長ざ２００＃の金型内の下部半分に長くて断
面積の大ぎい金属繊維を、上部半分に短かくて断面積の
小さい金属繊維を、各々成型後の厚みが５ｍｍになる瓜
を分割して装入した後、加圧能ノＪ５００　ｔｏｎの油
圧プレスを用いて加圧加熱成形（成形圧力２００ＫＦｌ
／ｃｉの加圧下、昇温速度５℃／分で５５０’Ｃまで昇
温し、Ｉ　Ｉｆ；’１間保持後冷却）し、幅１００ｍｍ
×長さ２００＃Ｘ厚ざ１０ｍの成形体を１ｑた。

ｊワられた成型体は、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１０°ｃ、”＋＋ｒの昇温速
度で１０００’Ｃまで昇温し、４時間保持後冷却して焼
成した。

１９られた炭素・金属複合材から、幅１０Ｍ×長さ８０
ｍｍ　（厚みは焼上り後の厚みと同じ）のテストピース
を切出し、シャルピー衝撃値、曲げ強度および電気比抵
抗値を測定した。

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

シャルピー衝撃値の測定は、打撃方向が成型時のプレス
方向と垂直になるようにして行なった。

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

次に、同じ炭素・金属複合材から、幅８Ｍ×長さ８ｍ×
高さ１０＃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店動面とし、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馳当りの摩耗体積を締出した。

く摩耗試験条件〉 上記シャルピー衝撃値、曲げ強度、摩耗量および電気比
抵抗値を第２表に示す。

なお第２表には比較のため、同一寸法の金属繊維を用い
、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（Ｊｆぜて
示づ。

第２表より明らかなごとく、上下同一寸法の金属繊維で
構成した比較例は、いずれも摩耗量と衝撃値が両立でき
ていないのに対し、上下異なる寸法の金属繊維で構成し
た本発明はいずれも摩耗特性および９７９特性共に優れ
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
、大きざにより異なる特性を発坦する金属繊維を分けて
配して、摩耗特性と衝撃特性を向上さけたものであるか
ら、特にパンタグラフ用店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おる。

【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おる。 １・・・上プレスヘッド　　　？・・・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、長さ
   と太さのいずれか一方、または両方が異なる金属繊維を
   分けて配して構成したことを特徴とする炭素・金属複合
   材。