JPH03112864A - 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】 発明の技術分野 この発明は、主に鉄道用パンタグラフ摺板に利用可能な
、強度および耐摩耗性に優れた炭素・金属複合材に関す
る。

発明の技術的背景とその問題点 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、電気車両等の摺動・集電用炭素材料として、
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・金属複合摺板の開発が望まれている。

従来、このような炭素・金属複合材料としては例えば、
炭素材の気孔に特定の金属を加圧含浸させたものが知ら
れている。

また、この炭素・金属複合材料より優れた性能の炭素・
金属複合材料として、金属繊維を　２〜３０体積％配合
して型込め成型あるいは押出成型等の通常の炭素材の成
型方法で成形後炭化する方法（特開昭６２−７２５６４
）　により製造したもの、あるいは、金属繊維を一方向
に配向させた後成型する方法（特開昭６２−１９７３５
２）により製造したもの等がある。

しかしながら、これら従来の炭素・金属複合材は、金属
４！＆維を一方向に配向させ、強化を行なったものであ
っても、その曲げ強度が従来の金属系摺板に比べ低いも
のであった。

すなわち、これらの炭素・金属複合材摺板が、架線に付
着した結氷や、異常事態により外れたトロリー線吊具（
ハンガイヤ）に衝突した場合、摺仮に欠損あるいは破損
が起こりやすく、従来の金属系摺板に比して信頼性・安
全性に劣るという問題があった。

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、従来の炭素
・金属複合摺板に比し曲げ強度が格段に優れ、かつ摩耗
特性の優れた炭素・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 炭素・金属繊維複合材の強度を向上させる方法として、
配合する金属ファイバーを一方向に配向させることが有
効であることが知られている。しかし、この場合におい
ても、金属ファイバー本来の強度が十分に複合材の強度
に反映されているとは言い難い。

この発明者等は、従来の炭素・金属繊維複合摺板、特に
炭素・スチールファイバー複合摺板の強度が低い原因に
ついて検討した結果、以下のことを見い出した。

炭素・金属繊維複合摺板の強度が低い原因は、複合材炭
化中に金属繊維がマトリックスの炭素粉やピッチによっ
て浸炭され、金属炭化物が生成し、金属繊維が劣化する
ことにある。例えば、スチールファイバーではセメンタ
イト　（ＦｅｓＣ）を多く含む組成に変化することが原
因であることが判明した。

金属繊維の浸炭反応は、例えばスチールファイバーの場
合９００℃以下では顕著ではないが、炭素の強度が十分
発現する１０００℃では浸炭反応が著しく進行する。そ
こで、この発明者は金属繊維の強度向上方法について種
々検討した結果、■成型前にスチールファイバーの表面
を銅やニッケル等の高温での炭化物生成傾向、すなわち
炭素との浸炭反応性の低い、鉄以外の異種材質で被覆し
たものを用いること、 ■成型原料中に銅、ニッケル、コバルト等の高温での炭
化物生成傾向が鉄と同等以下の金属元素を主成分とする
粉末を添加すること、 以上２つの処置を行なうことにより、成型体炭化時の浸
炭反応が抑制され、複合材の曲げ強度が著しく改善され
ることを知見した。

特に、ニッケル等の鉄との合金化よりスチールファイバ
ーの強度の向上が期待される金属元素をファイバーに被
覆し、炭化物生成傾向が鉄と同等以下の銅・コバルト等
の金属粉末を添加した場合、逆に炭素との浸炭反応性が
低い銅等をファイバーに被覆し、ニッケル等の金属粉末
を添加した場合には、浸炭反応抑制結果と同時に、スチ
ールファイバーが合金化し強化されることから、特に著
しく曲げ強度が改善される。

この発明は、かかる知見に基づいてなされたものであり
、炭素材原料に、一方向に配向させた金属繊維と、炭化
物生成傾向が当該金属繊維以下の金属粉を配合するとと
もに、前記金属繊維の一部または全部が表面を異種材質
の材料で被覆されていることを特徴とする炭素・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、（１）自己焼結
性メソフェーズ粉 （２）バインダーピッチと炭素質や黒鉛質の骨材からな
る２元系原料 （３）　フェノール樹脂のような熱硬化性樹脂等種々の
ものが使用できる。

次に金属繊維としては、薄板切削法、ビビリ振動切削法
、ワイヤー切削法、延伸法等種々の方法で製造された繊
維状あるいはウール状のものが使用できる。金属繊維の
材料組成は特に限定されるものではなく、普通鋼、高張
力鋼、ステンレス鋼等種々のものが使用できる。

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、高い強度の成型体を得るという観点からは、太さ
　０．５１１１１０以下、長さ１１１１［０以上のもの
が好ましい。

金属繊維は、メツキ、蒸着等種々の方法で、浸炭しにく
い材質の被覆層で表面を被覆して使用される。

表面被覆層の厚みは、０．１μｍ程度でも浸炭反応抑制
に十分な効果がある。また被覆層厚みの上限は特にない
が、メツキ等の表面被覆は比較的処理コストが高いため
、経済性の観点から、層厚は高々　１μｍ以下で十分で
ある。

ここで、金属繊維の表面被覆に用いる材料としては、耐
浸炭性が良好な種々のものが使用できるが、パンダグラ
フ摺板の場合、耐浸炭性にすぐれ、かつ電気比抵抗が低
いことが必要なため鋼、ニッケル、コバルト等の金属が
好ましい。その理由は、パンダグラフ摺板の場合、被覆
層として電気比抵抗の高いものを使用すると、金属繊維
の導電性が有効に発現せず、複合材の電気比抵抗が著し
く高くなり好ましくないからである。

配合する金属繊維としては、被覆されたものを全部用い
るか、あるいは一部使用でも複合材の強度は向上する。

配合する金属粉としては、浸炭反応を抑制するという点
から、金属粉の主成分金属の炭化物生成傾向が金属繊維
以下のものが使用できる。金属繊維にスチールファイバ
ーを使用する場合には、銅、ニッケル、コバルト等の炭
化物生成傾向が鉄と同等以下の金属の粉末あるいはこれ
らを組合せたものが有効である。

金属粉の形状、サイズ等も特に限定されるものではない
が、原料中への粉末の分散性等を考慮すると直径１００
μ以下のものが好ましい。

浸炭しにくい材質で表面を被覆された金属繊維を用い、
かつ炭化物生成傾向が鉄と同等以下の金属粉末を配合す
ることにより炭素・金属複合材の強度が向上した。その
原因としてはＥＰＭＡ分析を行なうと、炭素・金属複合
材中の金属繊維の内部に、表面被覆された金属元素と、
添加された金属粉末の両方が存在することが認められ、
またＸ線回折でセメンタイトがほとんど認められないこ
とから、焼成時被覆された金属元素と、添加された金属
元素が金属繊維中に拡散し、鉄の浸炭反応を抑制しなが
ら金属繊維が合金化することにより、金属繊維の強度が
向上したためであることを見い出した。

以上のことから、被覆される金属および添加される金属
粉末のいずれか一方、または両方にニッケル等のスチー
ルファイバーと合金化して強化する元素を配合すること
が好ましい。

これらの炭素材原料と金属繊維および金属粉は、所定の
配合比でブレンド後、十分混合し、金属繊維を一方向に
配向した後成型に供される。

ここで、金属添加物（金属繊維、金属粉）の配合量は、
特に限定されるものではなく、４０〜５０体積％の高い
配合率においても高強度で耐摩耗性の優れた炭素・金属
複合材が得られる。

また、金属添加物中の金属粉の配合量も特に限定される
ものではなく、２〜１０体積％の低い配合率においても
複合材の高強度化に効果がある。

金属繊維を一方向に配向させる方法としては、以下に示
す方法を用いることができる。

金属繊維が強磁性体の場合は、金属繊維を炭素材料用原
料と混合した後、数万ガウス以上の磁場により一方向に
配向させる方法、金属繊維が強磁性体でない場合（銅フ
ァイバー等）は、一方向性を持たせるため緯糸の比率を
下げた布に加工し、この布と炭素材料用原料を積層して
金型に入れ成型する方法、繊維長５ｍｍ程度の短繊維を
用いる場合は、磁場による配向方法の外に、短繊維金属
と炭素材料用原料の混合物を繊維の長さより短い幅のス
リットを通して成型用型内に装入した後、成型する方法
等を用いることができる。

成型の方法としては、冷間−軸成型法、加圧加熱成型法
、押出し成型法、ＣＩＰ法等種々の方法が可能である。

加圧加熱成型する方法において、バインダーピッチを使
用すると、最も強度特性の良好な炭素・金属複合材が得
られる。

成型で得られた成型体は、常法で炭化して炭素・金属複
合材とすることができる。

得られた炭素・金属複合材は、金属繊維の一方向配向効
果と、炭化物生成傾向が当該金属繊維以下の金属粉の作
用および金属繊維を被覆した効果により、炭化時の浸炭
反応が大きく抑制されるとともに、金属繊維が合金化し
強化される結果、曲げ強度が優れかつ摩耗特性にも優れ
ている。

実施例 レギュラーグレード石油コークスを、１０００℃で炭化
後、直径１０ｍｍのステンレス球をつめた振動ミルに入
れ、平均粒径１５μｍに微粉砕し、これを成形用骨材と
して用いた。

バインダーピッチとしては、コールタールを１０Ｏｎ＋
＋ｎ１１ｇの減圧下４４０℃で２時間処理して得られた
高化式フローテスターで測定した軟化点が２４０℃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、　０．０５　ｍｍＸ長さ３ｍｍの低
炭素ファイバー（材質：　５ＰＣＣ−１８）を用いた。

上記スチールファイバーは、以下の方法により銅および
ニッケルの無電解メツキを施した。すなわち、銅メツキ
処理では、上記スチールファイバーを、重量比２０倍量
のメツキ液（組成は第１表に示す）中に、２０℃の室温
下１時間浸漬後、十分水洗し、その後窒素中１００℃で
乾燥して銅メツキスチールファイバーを得た。平均メツ
キ層厚みは０．２μｍであった。

また、ニッケルメッキでは、メツキ液（組成は第２表に
示す）をスチールファイバーに対して重量比１００倍量
使用し、２０分間浸漬してメツキ処理した。メツキ処理
中はアンモニア水を添加して円１を９に調整し、また液
温を８５℃に保持した。メツキ液に所定時間浸漬したス
チールファイバーは直ちに水洗、乾燥して、メツキ層厚
１．２μｍのニッケルメッキスチールファイバーを得た
。

上記平均メツキ層厚みは、ファイバーの公称形状、銅、
ニッケルの付着重量、およびスチールファイバーと銅の
真比重から算出した。

金属粉としては、銅、ニッケル、コバルトの試薬ＪＩＳ
　１級グレードの金属粉末を使用した。

これらの原料を第３表に示す比率で配合、調整。

し成型用原料を得た。

ここでファイバーの比率は、体積換算で約２０体積％、
金属粉の比率は約５体積％となるようにしたものである
。

これらの原料を内寸が５０ｍｍ　Ｘ　８０ｍｍのステン
レス（ＳＵＳ　３１６）　ｒｓ金型に成型後の寸法が１
０ｍｍになる量を装入し、振動させながら　５万ガウス
の磁場をかけて、ファイバーを一方向に配向させた。そ
の後、加圧能力３０ｔｏｎの油圧プレスを用いて、加圧
加熱成型（成型圧力２００ｋｇ／ｃｍ”の加圧下、昇温
温度５℃／分で５５０℃まで昇温し、１時間保持後冷却
）し、金属ファイバーが長辺と平行に配向した幅５０ｍ
ｍＸ長さ８０ｎ＋＋ｎ　Ｘ厚さ１０ｍｍの成型体を得た
。

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１０℃／１１ｒの昇温速度で１
０００℃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１０ｍｍ　Ｘ長さ６
０ｍｍ　（厚みは焼上り後の厚みと同じ）のテストピー
スを切出し、曲げ強度を測定した。

なお、テストピースの切出し方向は、長さ６０ｍｍの方
向が成型体の長さ８０ｍｍ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４０ｍｍ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８ｍｍ　Ｘ長さ８
ｍｍ　Ｘ高さ１０ｎ＋ａ＋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摺動面とし、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１１００ｋ当りの摩耗体積
を算出した。

なお、テストピースの取り付けは摺動方向に対し、金属
繊維が垂直になるように行なった。

〈摩耗試験条件〉 試験機の型式：ピンオンディスクタイプデ　ィ　ス　り
：　　３００ｍｍφ銅板（摺動部半径１３２ｍｍ、摺動
面粗さ９０μｍ） ディスク回転数：　２０００ｐｐｍ　　（摺動速度１１
００ｋ／ｆｉｒ）テストピース摺動面サイズ：　　８ｍ
ｍ　Ｘ　８ｍｍ押付は荷重：　１．５ｋｇ 摺　動　時　間：　２時間（摺動距離２００ｋｍ　）上
記曲げ強度測定値、および摩耗量を第３表に示す。

なお、第３表には比較例として、銅、ニッケル、コバル
ト粉末のかわりにコークス粉を配合し、スチールファイ
バーの配向を行なわずに、同一の方法で成型、焼成を行
なったもの（比較例１）と、同一方法でスチールファイ
バーの配向を行なった後、同一方法で成型、焼成を行な
ったもの（比較例２）を併せて示した。

第３表の結果より、本発明の複合材はいずれも、スチー
ルファイバーの一方向配向と、ファイバーの表面被覆、
および金属粉配合によるファイバーの強化によって、比
較例のものに比べ格段に優れた曲げ強度を示し、かつ摩
耗特性にもすぐれていることがわかる。

以下余白 発明の効果 上記の実施例からも明らかなごとく、この発明の炭素・
金属複合材は、曲げ強度および耐摩耗性に優れ、信頼性
と安全性に富むパンタグラフ摺板を得ることができると
いう、犬なる効果を奏するものである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　炭素材原料に、一方向に配向させた金属繊維と炭化物
   生成傾向が当該金属繊維以下の金属粉を配合し、かつ前
   記金属繊維の一部または全部が表面を異種材質の材料で
   被覆されていることを特徴とする炭素・金属複合材。