JPH04207904A - 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。更に詳しく言えば、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、電気抵抗が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
か多く、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、銅、銅−
鉄合金又は銅−銅Ｐ亜鉛系合金等の鋳造合金や、銅系又
は鉄系等の焼結合金等の金属系摺動集電材料か主に用い
られているが、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、近年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。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
やアーク摩耗量が増大してきているほか、寒冷地におけ
るトロリー線の氷結が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、摺板自体だけでなく
、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。

これら金属系摺動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に炭素系材料がある。

この炭素系、摺勲集、型材料は、良好な自己潤滑性と比
較的低い電気抵抗とを有し、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応
（できる。

しかしながら、この炭素系材料は、金属系材料と比較す
ると電気抵抗がかなり高く、強度も極端に低いことから
、大きな力が直接作用する箇所には使えない。現在、こ
れらの炭素系材料はモータープ、ラシ等に広く利用され
ている。ところで、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、現状では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
電材料が飛散して危険であるほか、最悪の場合には集電
が不可能となり車両が停止する虞もある。

そして、現在ミこれら炭素系摺動集電材料の欠点を解決
すべ（各方面で検討か進められている。

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
の原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６１−２４５．９５７
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夕の、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。更に、
（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、脆性破壊に対しで抵抗を有
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させること
によって、電気瓦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
てその改善を図り、更に成形の際に、冷間静水圧プレス
を用いることにより、電気比抵抗の低下、強度、耐衝撃
性の向上が図れ・ることを見出し、本発明を完成した。

本発明は、炭素質粉末原料に５　ｖｏｌＸ以上６０ｖＯ
ＩＸ未満の金属繊維を添加して混合した後、冷間静水圧
プレスにて成型して焼成する摺動集電用炭素材料の製造
方法である。

以下、本発明の内容を詳述する。

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が発生する確率を減
らし、歩留を上げるため、揮発分量を５〜１７ｗｔ％、
好ましくは８〜１４ｗｔ％とじたものがよい。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か有効であ
る。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岸である。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１させないた
めに、炭素質粉末原料中に０．３〜３０訊・ｔＸ　、好
ましくは０．５〜ｊＯｗｔ九である。黒鉛粉を多量に添
加したい場合には、揮発分量が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
行うのがよい。

炭素質粉末原料中にバインダー成分か含まれないときあ
るいは不足するときは、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。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かある。バイ
ンターの添加量はその種類によって異なるか、バインタ
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か不足す
るものを使用するときには、その添加量は炭素質粉末１
００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。

金属繊維としては銅、鉄、又は銅若しくは鉄系合金の繊
維又はこれら繊維の混合物等があり、特に限定するもの
ではないが、強度か高く、電気比抵抗が低い金属か望ま
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
時に金属が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。

金属繊維の形状は、特に限定するものではないが、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１０市以下が好ましい。また断面形状が角ばった
多角形となるビ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
効果が生じる。

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、５　ｖｏｌＸ以上６０ｖｏｌＸ未満、好ましく
は１０〜４５ｖｏｌＮの範囲である。金属繊維の添加量
をこの範囲に限定した９は、添加量が５ｖ。

ＩＸ未満では電気抵抗が充分下がらず、また、６０ｖｏ
ｌ％以上を添加すると炭素質粉末原料の焼結が充分進ま
ず強度の低下を招くためである。

次に、炭素質原料粉末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ば一般的な方法でよく、特に限定
されるものではないが、混合中に大きなシェアーが作用
し、金属繊維が折れ曲かったり、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、冷間静水圧プレ
スにより成型する。冷間静水圧プレスによる成形を行う
際には、所望の形状の厚手のゴム型に混合原料を直接装
填してもよいか、５０〜３００　ｋｇ　ｆ　／　ｃｎｆ
、好ましくは１００〜２００ｋｇｆ／ｃｒｌの圧力で型
込め予備成形（−軸プレス）した後に、冷間静水圧プレ
スにより５００〜４，０００ｋｇｆ／ｃｎｆ、好ましく
は１，５００〜２，５００ｋｇｆ／ｃｎｆで本成形する
方が成形が容易である。通常の型込め成形（−軸プレス
）で本成形まで行うと、加圧方向に垂直な方向からの圧
力か不足するため、成形後の金属繊維の噛み合いが不十
分である。しかし、冷間静水圧プレスで本成形すると、
成形体に全周方向から均等に圧力かかかり、成形体中に
存在する金属繊維が十分に噛み合うために、特に金属繊
維を多量に添加した場合にその効果が高く、焼成後十分
な強度が得られる。

次いて、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、例えば８００〜１．５００℃で
常法により焼成し炭化することにより、本発明の摺動集
電材料を得ることができる。

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
のみで成型し、製造した場合はほぼ等方向であり、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有している。また、金属繊維で補
強されているため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飛散することが少なく、安全
で高強度、高耐衝撃性の摺動集電材料となる。

本発明による摺動集電用炭素材料は、パンタグラフ摺板
の用途以外にも、集電材料として電動機用集電ブラシ等
の広範な分野に応用が可能である。

〔実施例〕

以下に、実施例及び比較例に基づいて、本発明を具体的
に説明する。

実施例１ 平均粒径８ＩＩＩｎに粉砕した揮発分１２ｗｔＸの自己
焼結性生コークスに、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２７Ｘ・ｏＩ
先添加し、１００ｋｇ／ｃＪの成型圧で幅４０ｍｍＸ長
さ１２０ｍｍＸ厚さ２０ｍｍの大きさに金型を用い仮成
型した。得られた仮成形体をゴム袋内に装填し、脱気し
た後に密閉し、２．　０００ｋｇｆ　／ｃｎｆで冷間静
水圧プレスにて本成形を行った。次いで、窒素雰囲気下
に３°Ｃ／ｈｒで１，０００℃まで昇温し焼成し、摺動
集電材料を作製した。

実施例２ 鉄の繊維の添加量を５ｖｏｌＸとした以外は、実施例１
と同様の方法で摺動、集電材料を作製した。

実施例３ 鉄の繊維の添加量を１０ｖｏｌ％と′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。

実施例４ 鉄の繊維の添加量を２０ｖｏｌＸとした以外は、実施例
１と同様の方法で摺動集電材料を作製した。

実施例５ 鉄の繊維の添加量を４０〜・ｏ１％とした以外は、実施
例１と同様の方法で摺動集電材料を作製した。

実施例６ 実施例１で用いた原料生コークス中に、平均粒子径１０
０趨の天然黒鉛をこの生コークスに対して１　ｗｔＸ添
加した炭素質粉未見ｉ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８趨に粉砕した揮発分１２ｗｔＸの自己焼結性
生コークスに、ビビリ切削法により得られた繊維径６０
ＩＪＩＲ１繊維長３ＩＩＩＩ１１の鉄繊維を２７ＶＯ１
％添加し、２　、　０００　ｋｇ／ｃＩＩｒの成型圧で
幅４０ｗＸ長さ１２０ｍｍＸ厚さ２０ｍｍの大きさに金
型を用い型込め成型した。次いで、窒素雰囲気下に３℃
／ｈｒで１，０００℃まで昇温し焼成し、摺動集電材料
を作製した。

比較例２ 鉄の繊維の添加量を５　ｖｏｌ％とした以外は、比較例
１と同様の方法で摺動集電材料を作製した。

比較例３ 鉄の繊維の添加量を１０ｖｏｌ％とじた以外は、比較例
１と同様の方法で摺動集電材料を作製した。

比較例４ 鉄の繊維の添加量を２０ｖｏｌＸとした以外は、比較例
１と同様の方法で摺動集電材料を作製した。

以上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、シ
ャルピー衝撃値を測定した。結果を第１表に余す。

この第１表の結果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
に比べて高強度であり、かつ、低い電気抵抗を有し、耐
衝撃性も高いことが判明した。

第　　１　　表 （注）　＊１：　ｇ／ｃｎｒ　　　＄２：　μΩ’ｃｍ
＄３：　ｋｇｆ／ｃｉ　　＊４°ｋｇｆ＠ｃｍ／ｃｒ！
〔発明の効果〕 以上のように、本発明によれば、軽量で潤滑性、耐アー
ク性、低騒音性等において優れた性能を有する炭素系摺
動集電材料の特徴をそのまま継承しつつ、同時に、優れ
た低電気抵抗を有し、しかも、耐衝撃性においても良好
な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。

特許比願人　　新日鐵化学株式会社 同　上　　　新日本製鐵株式會社

Claims (1)

【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て混合した後、冷間静水圧プレス
   にて成型して焼成することを特徴とする摺動集電用炭素
   材料の製造方法。