JPH0333063A - 炭素・スチールファイバー複合材 - 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】 この発明は、主に鉄道用パンタグラフ図板に利用可能な
、強度および耐摩耗性に優れた炭素・金属複合材に関す
る。

従来の技術 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、電気車両等の運動・集電用炭素材料として、
炭素の優れた活動特性と金属の電気伝導性を生かした炭
素・金属複合材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８２−７２５６４）
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６２−１９７３５２）
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
繊維を一方向に配向させ、強化を行なったものであって
も、その強度が従来の金属系１と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１ｆｆｌ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、図板に欠損あるい
は破損が起こりやすく、従来の金属系図板に比して信頼
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、ざらに衝
撃強度および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、金属ファイバー本米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・金属繊維複合開板、特に
炭素・スチールファイバー複合１習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・金属繊維複合図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（Ｆｌｌ１３　
Ｃ）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’Ｃ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浸炭反応抑制方法に
ついて種々検討した結果、成型原料中に炭化物生成１頃
向すなわち炭素との浸炭反応が鉄と同等以下の金属元素
を主成分とする粉末を配合することにより、金属繊維の
浸炭反応を抑制し複合材強度の向上に効果があることを
知見した。

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、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、前記金属繊維が一
方向に配向している炭素・金属繊維を要旨とするもので
ある。

作　　　用 炭素材原料に炭化物生成傾向が金属繊維以下の金属粉を
配合させることが、金属、ｉｕｔの浸炭反応抑制に有効
である理由は、炭化物生成傾向が、金属繊維以下の金属
粉を配合すると、浸炭反応が著しく進行する以前に、金
属粉元素が、金属繊維表面に拡散し、金属繊維の浸炭反
応を抑制するためである。

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 ■　バインダーピッチと炭素質や黒鉛質の骨材からなる
２元素原料 ■　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
材料組成はとく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。また
、金属繊維の表面を他の材料で被覆したものも使用可能
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、高い強度の成型体を得るという観点からは、太さ
０．５ｍｍ以下、長さ１ｍｍ以上のものが好ましい。

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、コバルト等の鉄
より炭化物生成傾向が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。

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、
とくに限定されるものではな（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とくに限定さる
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＄ｌ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ＩＩｉ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、致方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、ｌ！維長５ｍｍ程度の短
＄ｉｉｌ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、バインダーにピッチを
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Ｉ
ｌｉ維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、炭化物生成傾向の小さい金属粉の作用により、炭
化時の浸炭反応が大きく抑制される結果、曲げ強度が優
れ、かつ衝撃強度および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１５．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１００ｍｍ
Ｈｇ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°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、０．０５ｍｍ　ｘ長さ３ｍｍの低炭
素ファイバー（材質：５ＰＣＣ−ＩＢ　）を用いた。

金属粉としては、銅、ニッケル、コバルトの試薬ＪＩ３
１級グレードの金属粉末を使用した。

これらの原料をコークス粉１９重量部、バインダーピッ
チ９重量部、ファイバー６２重量部、金属粉１０重量部
の比率で混合し、成型用原料として用いた。

ここでファイバーの比率は、体積換算で約３０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ｓｏｍｍｘ　８０ｍｍのステンレ
ス（ＳＵＳ　３１６）製金型に成型後の寸法が１０ｍｍ
になる璽を装入し、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３０　ｔａｎの油圧プレスを用いて、加圧加熱成
型（成型圧力２００に＋１４の加圧下、昇温速度５℃／
分で５５０’Ｃ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５０ｍｍＸ艮ざ
８０ｍｍｘ厚ざ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℃／Ｈ１’の昇温速度で１
ｏｏｏ’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１０ｍｍｘ長さ６０
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、曲げ強度、シャルピー衝撃値を測定した。

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。

シャルピー衝撃（直の測定は、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１０ＩＩＩＩｌＩ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１８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、１習動距離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。

く摩耗試験条件〉 試験機の型式：ピンオンディスクタイプディスク：　３
０ｍｍφ銅板（活動部半径１３２ｍｍ　。

摺動面粗さ９ｏｌｓＩ） ディスク回転数：　２０００　ｒｐｍ　（摺動速度１１
００ｋ／Ｈｒ）テストビー１１Ｍ動面サイズ：　ａｍｍ
　ｘａｍｍ押付は荷重：　１．５ｋｇ、７ 摺　動　時　間：　２時間（活動距離２００ｋｍ　）上
記曲げ強度測定値、シャルピー衝撃値および摩耗量を第
１表に示す。

なお、第１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１表の結果より、スチールファイバーが一方向に配向
しており、かつ、スチールファイバーよりも炭化物生成
傾向が高い金属粉末を配合した本発明品は、金属粉末を
配合しないものに比べ、曲げ強度、衝撃強度が著しく改
善されており、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 以上に説明したごとく、この発明に係る炭素・金属複合
材、特に炭素・スチールファイバー複合材は、金属繊維
の一方向配向効果と、炭化物生成傾向が金属繊維以下の
金属粉の配合効果により、炭化時の金属繊維の浸炭反応
が抑制されるため、従来のカーボンｌ習板と比べ、特に
曲げ強度が格段に優れており、そのもたらす効果は甚大
である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　炭素材原料に、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、かつ前記金属繊維が一方向
   に配向していることを特徴とする炭素・金属複合材。