JPH04207902A - 摺動集電用炭素材料の製造方法 - 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の製造方法に関するもの
である。更に詳しくは、パンタグラフ摺板、電動機用集
電材料等に適用可能な炭素系摺動集電材料の製造方法に
関するものである。

〔従来の技術〕

現在、摺動集電用材料としては、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、電気抵抗か極めて低く高強度を
有するが、炭素系摺動集電材料と比較してアーク発生量
が多く、高強度故に相手材の摩耗量が増加するという欠
点を有している。

従来、集電用パンタグラフ摺板材料としては、主として
銅、銅−鉄合金又は銅−錫一亜鉛系合金等の鋳造合金、
銅系又は鉄系等の焼結合金等の金属系摺動集電材料が用
いられているが、近年、車両の冷房等による集電容量の
増大や車両運行速度の高速化等により、集電用パンタグ
ラフ摺板の使用環境が一段と過酷になってきている。そ
して最近は、車両の高速化に伴って離線率が増加し、機
械的摩耗量やアーク摩耗量か増大しているほか、寒冷地
におけるトロリー線の氷結かもたらす異常摩耗等の問題
や、摺動音が大きいという騒音公害等の問題も発生して
いる。そこで、これらの摩耗に対しては、摺板それ自体
たけてなく、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良好な集電材料の開発が要
望されている。また、アーク発生は、アーク摩耗のみな
らず電波障害をも引き起こすため問題視されている。

ところで、これら金属系摺動集電材料の欠点を補うこと
が可能であると期待されているものとして炭素系材料が
ある。この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、耐アーク性に優れており、
軽量であって摺動音も小さいという特徴を兼ね備えてお
り、上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、この炭−系摺動集電材料は、金属系摺動
集電材料と比較すると電気抵抗がかなり高く、強度も極
端に低いということから、大きな力が直接作用する箇所
には使えない。また、現在、これらの炭素系摺動集電材
料はモーターブラシ等の分野で広く利用されているが、
この様な炭素系摺動集電材料を利用している分野でも、
次第にその使用条件が厳しくなってきており、その耐摩
耗性の向上や電気抵抗の低下がより一層求められている
。また、炭素系摺動集電材料は、炭素単独ではその脆性
から折損し易く、折損した場合には集電材料が飛散し危
険であるほかミ最悪の場合には集電が不可能になって車
両等が停止する場合もある。

そして、現在、これら炭素系摺動集電材料の欠点を解決
すべく各方面で検討が進められている。

例えば？（１）炭素、系摺動集電材料に金属を含浸させ
る方法（特公昭５２−８２２号公報）や、（２）炭素材
料の顔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図るという方法（特開昭６０
−２３８．４０２号公報）が提案されており、また、（
３）炭素材料原料に金属繊維を配合して成形し焼成する
方法（特開昭６２−１９７．３５２号公報）や（４）炭
素材料原料に金属繊維を配合して押出成形した後、焼成
し、金属を含浸させる方法（特開昭６１−２４５．９５
７号公報）等も提案されている。

しかしながら、上記した（１）、（２）の方法は、強度
向上にはある程度の効果が期待できるものの、電気抵抗
の低下効率が低く、また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、（３）の方法では、金属繊
維を使用したことで電気抵抗の低下効率は高いものの、
電気抵抗を十分に低下させることが困難である。さらに
、（４）の方法では、押出成形により金属繊維を一方向
に配向させているが、この方法によると繊維の配向方向
に平行な方向にクラックが入り易く、特定の方向にはか
えって弱くなる傾向がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明の目的は、従来の炭素系摺動集電材料と比較して
低い電気抵抗を有し、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を製造する方法を提供
することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明者らは、炭素材料中に金属繊維を分散することに
より、電気抵抗が著しく低下し、しかも炭素材料の欠点
である脆さや欠は易さが改善されることに着目し、その
後に金属を含浸させることにより、更に電気抵抗を下げ
、金属繊維としては添加不可能な低融点の合金をカーボ
ンマトリクラス中に導入する方法を見出し、本発明を完
成した。

すなわち、本発明は、炭素質粉末原料に５ｖｏｌλ以上
６０ｖｏ１％未満の金属繊維を添加し混合した後、型込
めあるいは冷間静水圧プレスにより成形して焼成し、次
いで、添加した金属繊維よりも融点の低い金属を含浸す
る摺動集電用炭素材料の製造方法である。

以下、本発明を更に詳述する。

本発明で使用する炭素質粉末原料は、ピッチコークス、
黒鉛、石炭等の炭素を主体とする粉末であり、好ましく
はピッ、チコークスあるいはこのピッチコークスを主体
とするものである。ピッチコークスには、石油系、石炭
系等のピッチを非酸化性雰囲気で４００〜５５０℃で熱
処理して得られる生コークスと、その生コークスを更に
１，０００〜１．４００℃でか焼して得られるか焼コー
クスとがあるが、生コークスはそれ自体がバインダー成
分を含有するため成形性に優れているだけでなく、金属
繊維を多量に含有し得る点でも優れている。生コークス
を使用する場合、焼成時の割れや膨れか発生する確率を
減らし、歩留を上けるため、揮発分量を５〜１７に已、
好ましくは８〜１４ｗｔ％としたものがよい。バインダ
ー成分を含有しないか焼コークス等の炭素質粉末原料を
使用する場合には、バインダーピッチ、フェノール樹脂
等のバインダーを必要とする。

そして、摺動特性を更に向上させたいときには、炭素質
粉末原料の一部として黒鉛粉を使用することが有効であ
るヶ黒鉛粉の添加は、生コークスを使用するときは、熱
処理する前の原料ピッチ段階で行っても、熱処理後に行
ってもよく、また、か焼コークスとバインダーピッチを
使用するときには、この三者を混練する際に行っても、
この三者を混練し粉砕した後に行ってもよい。この目的
で使用する黒鉛粉は、天然黒鉛粉、人造黒鉛粉のいずれ
でもよく、その粒径は０．５〜３００趨、好ましくは１
０〜１５０趨である。添加量は、黒鉛粉の添加効果を出
現させ、炭素質マトリックスの焼結を阻害させないため
に、炭素質粉末原料中に０、　３〜３０ｗｔＸ　、好ま
しくは０．５〜］ＯｗｔＡである。黒鉛粉を多量に添加
したい場合には、揮発分量か多めの生コークスを使用し
たり、バインダーピッチ等のバインダー成分の補充を行
うのかよい。

炭素質粉末原料中にバインダー成分か含まれていなかっ
たりあるいは不足するときには、その成形性を高め、焼
結させるために、バインダーを添加する。このバインダ
ーとしては、バインダーピッチ、フェノール樹脂等の樹
脂がある。バインターの添加量はその種類によって異な
るか、バインダーピッチを使用する場合であって、炭素
質粉末としてか焼コークス又はか焼コークスと黒鉛粉末
のようにバインダー成分を含まないものを使用するとき
は、その添加量は炭素質粉末１００重量部に対し、５０
〜１２０重量部、好ましくは７０〜１００重量部であり
、また、生コークスと黒鉛粉末のようにバインダー成分
を含むが不足するものを使用するときは、その添加量は
炭素質粉末１００重量部に対し１０〜５０重量部、好ま
しくは２５〜３５重量部程度かよい。

更に、含浸による金属の導入量を増大させたいときには
、ワックス、ポリ塩化ビニル、ナイロン、ポリエステル
等の揮散性の粒子あるいは繊維を気孔形成材として添加
したり、炭化歩留のあまり高くない樹脂、ピッチ等を気
孔形成材として添加し、焼成後の気孔率を増大させるの
がよい。気孔形成材としては、上記の材料を個別に用い
ても、数種類組み合わせて用いてもよく、添加する時期
も任意である。

金属繊維としては、特に限定するものではないが、強度
が高く、電気比抵抗が低、い金属が望ましい。しかし、
摺動する相手材よりも極端に硬いものは相手材の摩耗量
を増大させるし、低融点の金属では焼成時に金属か溶は
出すために焼成温度を高く設定できないため好ましくな
い。好ましくは、銅、鉄又は銅若しくは鉄系の合金の繊
維又はこれらの繊維の混合物である。

金属繊維の形状は、特に限定するものではないか、炭素
質マトリックスの焼結を阻害しないこと、配合を均一か
つ容易にすること等の理由から、繊維径１　ｍｍ以下、
繊維長１０ｍｍ以下か好ましい。また、断面形状か角ば
った多角形になるヒビリ切削法により調製された金属繊
維を用いると、圧縮成形時に良好な成形体が得られ易い
等の効果か生じる。

金属繊維の添加量は、炭素質粉末原料と金属繊維の合計
に対し、５ｖｏｌＸ以上６０ｖｏｌＸ未満、好ましくは
１０〜４５ｖｏ１％の範囲である。金属繊維の添加量が
５ｖｏｌＸ未満では電気抵抗が充分に下がらず、また、
６０　ｖｏｌＸ以上になると炭素質原料の焼結が充分に
進まず、強度の低下を招く。

炭素質粉末原料と金属繊維との混合は、ロッキングミキ
サー、振とう式等のほぼ均一かつランダムに分散配合で
きる方法であれは一般的な方法でよく、特に限定される
ものではないか、混合中に大きなシェアーか作用し、金
属繊維が折れ曲がったり、切断される様な混合方法は好
ましくない。

以上のようにして得られた混合原料を、型込め成型又は
冷間静水圧プレス（ＣＩＰ）成型等の方法で成形した後
、アルゴン、窒素等の不活性ガス雰囲気下に金属繊維の
融点以下の温度、例えは、８００〜１，５００℃で焼成
して炭化する。

本発明の材料を得るためには、焼成後、金属含浸処理を
施す。含浸させる金属の融点がその原料段階で添加した
金属繊維の融点を上回ると、含浸処理中に金属繊維が溶
融し、繊維形状が保持されないため、電気抵抗が極端に
上昇し好ましくない。

従って、含浸させる金属は、原料段階で添加した金属繊
維の融点より低いものであることが必要である。特に限
定されるものではないが、銅、銅系合金、鉛、鉛系合金
、アルミ１ニウム、アルミニウム系合金、錫、錫系合金
、亜鉛、亜鉛系合金等が適している。金属を含浸させる
方法は、通常の方法でよく、例えば０　、　１　Ｔｏｒ
ｒ程度の圧力で焼成体の気孔内のガスを十分に脱気した
後、溶融した金属中に浸漬し、窒素ガス等で加圧すれば
よい。

本発明の摺動集電材料は、含有された金属繊維が特定方
向に配向しているわけではなく、特に冷間静水圧プレス
成型により製造した場合はほぼ等方的であり、いかなる
方向に使用しても高強度、低電気比抵抗等の特性を発現
するという特徴を宵している。また、金属繊維で補強さ
れているために脆性破壊に対して強く、折損しても金属
繊維部分でつながるために飛散することか少なく、安全
で高強度、高耐衝撃性の集電摺動材料となる。更に、本
発明による摺動集電材料は、含浸処理を施しであるので
、従来の材料と比較すると強度か高く、電気抵抗が低い
という特徴を有している。また、本発明は、高強度で高
融点の金属を金属繊維として原料段階で添加し、摺動特
性か良く、電気抵抗が低い等の特徴を有する低融点の金
属を最終的に含浸させる等、金属を最も有効な形で炭素
材料中に導入できる方法であるため、目的に合わせた摺
動集電材料の最適な設計か可能である。

本発明による摺動集電用炭素材料は、パンタフラフ摺板
の用途以外にも、集電材料として電動機用集電ブラシ等
の用途にも適用でき、広く応用か可能である。

〔実施例〕

以下、実施例及び比較例に基ついて、本発明を具体的に
説明する。

実施例１ 平均粒径８／、＃ｎに粉砕した揮発分１２ｗｔＸの生コ
ークスに、ビビリ切削法により得られた繊維径６０Ａ＃
ｎ、繊維長３　ｍｍの鉄繊維を２７ｖｏ１％添加し、２
゜０００ｋｇ／Ｃｒｌの成形圧で幅４０ｍｍＸ長さ１２
０ｍｍ×厚さ２０ｍｍの大きさに成形した後、窒素雰囲
気下に３℃／ｈｒで１，０００℃まで昇温し焼成した。

次いで、０　、　　Ｉ　Ｔｏｒｒ下、５００℃で溶融さ
せた鉛に前述の焼成体を浸漬して窒素ガスで３０ｋｇ／
ｃｎｆまで加圧する金属含浸をｌｈｒ行い摺動集電材料
を作製した。

実施例２ 平均粒径１１趨に粉砕した自己焼結性生コークスに、気
孔形成材としてピッチを２０ｗｔ％添加し、更に繊維径
６０趨、繊維長３薗の鉄の繊維を１６ｖｏ　ＩＸ添加し
、２　、　　ＯＯＯｋｇ／ｃｎｒの成形圧で幅４０ｍｍ
　ｘ長さ１２０ｗ＋ｍＸ厚さ２０ｍｍに成形した後、窒
素雰囲気下に３°Ｃ／ｈｒで１，０００℃まで昇温し焼
成した。次いで、０　、　　Ｉ　Ｔｏｒｒ下、８００℃
で溶融させたＣｕ−８ｎ合金（５０：５０）に前述の焼
成体を浸漬し窒素カスで３０ｋｇ、／ｃｍまて加圧する
金属含浸を行い摺動集電材料を作製した。

実施例３ 鉄の繊維の添加量を９　ｖｏｌＸとした以外は、実施例
２と同様の方法で摺動集電材料を試作した。

実施例４ 実施例１で用いた原料生コークス中に、平均粒子径１０
０岸の天然黒鉛をこの生コークスに対してｌ　ｗｔＸ添
加した炭素質粉末原料を調製し、この炭素質粉末原料を
使用した以外は、実施例１と同様の方法で摺動集電材料
を作製した。

比較例１ 平均粒径８Ａ＃ｎに粉砕した揮発分１２ｗｔ％の生コー
クスに、ビビリ切削法により得られた繊維径６０趨、繊
維長３　ｍｍの鉄繊維を２７ｖｏ１％添加し、２゜００
０ｋｇ／ｃｎｆの成形圧で幅４．０　ｍｍ　Ｘ長さ１２
０ｍｍ×厚さ２０ｍｍの大きさに成形した後、窒素雰囲
気下に３℃／ｈｒで１，０００℃まで昇温、焼成し、摺
動集電材料を作製した。

比較例？ 気孔形成材として平均粒径３０趨のポリ塩化ビニルを１
５ｗｔ９Ｉ添加した平均粒径８Ａに粉砕した生コークス
を１　、　５００　ｋｇ／′ｃｎｆの成形圧で幅４０ｍ
ｍ　ｘ長さ１２０ｍｍＸ厚さ２０ｍｍに成形した後、窒
素雰囲気下に３°Ｃ／ｈｒで１，０００℃まで昇温、焼
成した。次いで、０　、　　Ｉ　Ｔｏｒｒ下、８００°
Ｃで溶融させたＣｕ−３ｎ合金（５０：５０）に前述の
焼成体を浸漬し、窒素カスで３０　ｋｇ　、／　ｃＩｌ
ｌまで加圧する金属含浸をｌｈｒ行い摺動集電材料を作
製した。

上記の各実施例及び各比較例で準備した摺動集電用炭素
材料についてその嵩密度、電気比抵抗、曲げ強度及びシ
ャルピー衝撃値を測定した。結果を第１表にまとめて示
す。この第１表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撃性も高いことがわかる
。

第　　１　　表 （注）ネ１：ｇ／ｃゴ　　続：μΩ・ｃｆｆ１本３：　
　ｋｇｆ／ｃｎｒ　　　　　＄４：　　ｋｇｆ−ｃｍ／
ｃｎｆＪ発明の効果〕 本発明によれば、軽量、良潤滑性、良好な耐アーク性等
の炭素系摺動集電材料か有する優れた特徴を継承し、し
かも、低電気抵抗を有しかつ優れた耐衝撃性を有する極
めて有用な摺動集電用炭素材料を製造することかできる
。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）炭素質粉末原料に５ｖｏｌ％以上６０ｖｏｌ％未
   満の金属繊維を添加し混合した後、型込めあるいは冷間
   静水圧プレスにより成形して焼成し、次いで、添加した
   金属繊維よりも融点の低い金属を含浸することを特徴と
   する摺動集電用炭素材料の製造方法。
2. （２）金属繊維の他に、気孔形成材を添加し混合する請
   求項１記載の摺動集電用炭素材料の製造方法。