JPH05306433A

JPH05306433A - 耐摩耗部材

Info

Publication number: JPH05306433A
Application number: JP24507492A
Authority: JP
Inventors: Michihiko Inaba; 道彦稲葉; Masaaki Morita; 正明森田; Hideki Matsunaga; 秀樹松永; Hirofumi Omori; 廣文大森; Tsutomu Yamashita; 務山下; Tatsuya Hatanaka; 達也畠中
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1992-03-05
Filing date: 1992-09-14
Publication date: 1993-11-19

Abstract

(57)【要約】【目的】表面部で耐摩耗性が優れ、内部で導電率が高い
耐摩耗部材を提供する。【構成】重量％でＦｅを１０〜９０％含有し、残部がＣ
ｕおよび不可避不純物からなる。内部のＦｅ濃度ｎ１と
表面部のＦｅ濃度ｎ２との比は、ｎ２／ｎ１＞１とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は例えばモータのブラシ、
架線、接点、パンタグラフ、トロリ線、切削工具等に適
用される耐摩耗部材に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来この種の耐摩耗部材には、炭素系材
料、貴金属材料のほか、Ｃｕ系の材料およびＦｅ系の材
料等が利用されている。

【０００３】Ｃｕ系材料は、トロリ線等によく利用され
ている。合金トロリ線の場合は、耐熱性を上げるために
ＡｇまたはＳｎを添加したものがある。

【０００４】また、複合構造をもつものとしては、中心
部に鋼心を有し、周囲をＣｕにしたものがある。但し、
このものは、先に示した硬銅材料よりも長寿命である
が、表面がＣｕで被覆されているため、耐摩耗性には限
界がある。さらに小形モータ整流子やスイッチボリュー
ム等にはＣｕ−Ｚｎ系合金材料、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｐ
系合金材料等も利用されているが、いずれの材料におい
ても強度不足という欠点がある。

【０００５】Ｆｅ系材料については、パンタグラフのす
り板が有名で、Ｐｂを１７〜２７％、Ｃｕを０．１〜３
％、Ｍｏを０．１〜５％含んだ焼結合金でつくられてい
る。しかし焼結合金は価格が高く、Ｆｅを主成分として
いるため導電性が悪いという欠点がある。これを改良す
るため鋳造により、すり板を製造する試みがあるが、機
械的強さと電気的強さに優れているものの、潤滑性に難
点がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、Ｆｅ系
材料のもつ摺動性とＣｕ系材料のもつ導電性とを合せ持
つ安価な材料は知られていないのが現状である。

【０００７】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
もので、表面部で耐摩耗性が優れ、内部で導電率が高い
耐摩耗部材を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段および作用】本発明に係る
耐摩耗部材は、重量％でＦｅを１０〜９０％含有し、残
部がＣｕおよび不可避不純物からなり、内部のＦｅ濃度
ｎ１と表面部のＦｅ濃度ｎ２との比がｎ２／ｎ１＞１で
あることを特徴とする。すなわち、ＦｅのＣｕに対する
相対的な濃度比も内部より表面側で高い。

【０００９】上記構成の耐摩耗部材を製造する場合に
は、一般的な溶解法または溶湯急冷法により、まずＦｅ
を１０〜９０％含有し、残部がＣｕおよび不可避不純物
からなる板状の部材を作製する。これにより、部材内部
の組成は、Ｆｅを主成分とする相と、Ｃｕを主成分とす
る相とに分離する。なお、ロール表面の形状によって種
々の形状の部材が製作できる。例えばロール表面を溝付
きとすれば、線材が製作できる。

【００１０】この後、化学エッチングまたは電解研磨に
よりＣｕを選択的に溶解させて部材表面のＦｅを濃縮さ
せ、相対的にＦｅ相の多い表面層を形成する。化学エッ
チングとしては、硝酸、アンモニア水、有機アンモニア
水またはアミンを含んだ有機溶剤（有機アミン系溶液）
のうち少くとも１種を用い、選択的に部材表面のＣｕを
溶解する。また、電解研磨としては、リン酸を水で薄め
る等、リン酸を含む溶液等を用いる。なお、部材表面の
凹凸が過大な場合には、表面のスキンパス（小圧延）を
施し、表面の平坦化を行う。

【００１１】以上の方法により、内部のＦｅ濃度ｎ１と
表面部のＦｅ濃度ｎ２との比がｎ２／ｎ１＞１である耐
摩耗部材が製造される。

【００１２】本発明において、内部のＦｅ濃度ｎ１と表
面部のＦｅ濃度ｎ２との比をｎ２／ｎ１＞１としたの
は、耐摩耗性を表面で向上させるとともに、内部では高
導電性を保つためである。なお、この濃度比ｎ２／ｎ１
は望ましくは、ｎ２／ｎ１＞１．２であり、さらに望ま
しくはｎ２／ｎ１＞１．５である。

【００１３】ここで、表面部は部材表面を形成し、内部
よりＦｅ濃度が高い部分で、部材表面から内方に０．１
μｍ〜５mm程度の厚さの範囲である（摩耗の激しい部材
の場合には数mm、少ない部材の場合には１〜１００μｍ
とする）。

【００１４】本発明の耐摩耗部材において、Ｆｅは耐摩
耗性および機械的強度等を高めるための材料であり、下
限を１０％としたのは、これより少ないと強度劣化をも
たらすためである。上限を９０％としたのは、これを越
えると導電率が低下するためである。強度および導電率
等の面から、Ｆｅの望ましい含有範囲は３０〜８０％で
ある。

【００１５】Ｃｕは導電性確保のための材料であり、不
可避不純物との合計値として１０〜９０％含有される。
下限を１０％としたのは、これより少ないと十分な導電
性が確保できないためである。上限を９０％としたの
は、これを越えると強度が低下するためである。

【００１６】不可避不純物としては、Ｐ，Ｓ，Ｍｎ，
Ｏ，Ｎｉ等が挙げられる。これらの成分の含有量は、総
量で２％程度まで問題ない。

【００１７】本発明の耐摩耗部材によると、表面部でＦ
ｅのＣｕに対する濃度比を内部のそれよりも高くしたの
で、部材表面の耐摩耗性が高く、かつ部材内部の導電性
が高いものとなる。したがって、例えばモータのブラ
シ、架線、接点、パンタグラフ、トロリ線、切削工具等
との各種耐摩耗部材として好適なものとなる。

【００１８】なお、本発明の耐摩耗部材には、Ｃ，Ｃ
ｒ，Ｎｉ，Ａｌ，ＺｎまたはＶ，Ｗ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｎ
ｂ，Ｔｉ等を添加することが望ましい。

【００１９】Ｃは、Ｆｅ相の耐摩耗性を向上させるため
の炭化物（Ｆｅ₃Ｃ）を生成させる要素であり、望まし
くは重量％で０．１〜３％含有させる。下限を０．１％
とするのは、これより少ないと耐摩耗性の向上が図れな
いためであり、上限を３％とするのは、これを越えると
Ｆｅ₃Ｃの生成量が過多となって摺動相手材に「かじ
り」を生じたり、摩耗させる可能性が高くなるためであ
る。望ましくは、Ｃ含有量を０．５〜２％とすることで
ある。

【００２０】Ｃｒは耐食性を向上させるうえで有効な材
料であり、望ましくは重量％で１〜２０％含有させる。
下限を１％とするのは、これより少ないと錆の発生抑制
効果が小さいためである。また上限を２０％とするの
は、これを越えると加工性が低下するためである。望ま
しい含有量は２〜１０％である。

【００２１】Ｎｉ，Ａｌ，Ｚｎは耐摩耗部材の使用目的
に応じて選択的に添加される材料であり、１０％までは
炭化物生成に悪影響を与えない。例えばＮｉを添加した
場合には、材料の機械的強度を上げることができ、７％
程度までの添加が許容できる。Ｖ，Ｗ，Ｍｏ，Ｔａ，
Ｎｂ，Ｔｉは、炭化物生成用の補助成分であり、これら
の１種以上の成分が総量で０．０１〜５％添加される。
下限を０．０１％とするのは、これより少ないと炭化物
生成効果がなく、また上限を５％とするのは、これより
多いと炭化物の生成量が過多となるためである。望まし
い含有量は０．０３〜４％である。

【００２２】本発明において、望ましくは表面部の最表
面に２０〜１０００Ａの酸化膜を形成させる。これは、
耐摩耗部材の腐食の進行を抑えるのに有効だからであ
る。酸化膜の厚さが２０Ａ未満では腐食の進行を抑える
ことができず、１０００Ａを越えると表面硬さが低下す
る。より望ましくは、５０〜５００Ａの範囲である。

【００２３】また、表面部には、陰イオン、アルカリ金
属、有機酸、アルカリ性有機アミンまたはアンモニアの
うち少くとも１種を含有させ、それらの合計を０．０２
〜１０ｐｐｍとすることが望ましい。陰イオンとして
は、臭素、ヨウ素、硝酸、亜硝酸、酢酸、燐酸、ピロ燐
酸、トリポリ燐酸、硫酸、亜硫酸、フッ素、塩素等が挙
げられる。アルカリ金属としては、ナトリウム、カリウ
ム等が挙げられる。アルカリ性有機アミンとしては、水
酸化テトラメチルアンモニウム、コリン等が挙げられ
る。

【００２４】これらの陰イオン、アルカリ金属、有機
酸、アルカリ性有機アミン、アンモニア等は、耐摩耗部
材の表面近傍に濃縮して耐摩耗性を向上させる。含有量
が０．０２ｐｐｍ未満であると、耐摩耗性が低下する。
１０ｐｐｍを越えると内部腐食が進行し耐食性が低下し
易い。より好ましくは０．０５〜２ｐｐｍの範囲であ
る。

【００２５】その製造方法としては、例えば双方ロール
法、鋳造法により、所望のＣｕ−Fe系合金からなる部材
を形成した後、その表面のＣｕをアンモニア、アルカリ
性有機アミンおよび硝酸のうち少なくとも一種を含む溶
液で選択的にエッチングするか、リン酸を含む溶液で電
解をかけ選択的にエッチングして、Ｆｅを表面濃縮させ
る方法が挙げられる。より好ましくはその後、熱水で洗
浄処理する。

【００２６】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。

【００２７】＜実施例Ａ＞表１に示す実施例１〜１０に
つき、図１に示す双ロール式連続溶解装置を用い、溶湯
急冷法により試料を作製した。すなわち、タンディッシ
ュ１から一対の冷却ドラム（双ロール）２ａ，２ｂに溶
湯３を連続的に抽出し、その後、中間ロール４を通過さ
せて３mm厚の板材５を作製した。冷却速度は、１００℃
／sec 以上とした。

【００２８】この板材５により試料を作製し、化学エッ
チングまたは電解研磨を施してＣｕを選択的に溶解さ
せ、試料表面のＦｅを濃縮して相対的にＦｅの多い表面
部を形成した。化学エッチングとしては、有機アミン系
溶液を用いた（実施例１，２，６，７，８，９）。電解
研磨としては、リン酸を含む溶液を用いた（実施例３，
４，５，１０）。

【００２９】以上の各実施例による試料の構成を微視的
に観察すると、図２に模式的に示すように、試料である
耐摩耗部材１０にＦｅ相１１とＣｕ相１２とが相互に隣
接した構成となっており、部材表面にはＦｅ相１１が多
くなっている。なお、Ｃを添加したもの（実施例２〜１
０）では、微細Ｃの析出により相手材１４との摺動面に
に露出して潤滑材として機能することになる。

【００３０】なお、部材表面の凹凸が過大な場合には、
表面のスキンパス（小圧延）を施し、表面の平坦化を行
った。

【００３１】このような各実施例について、部材表面部
（０．１μｍ〜５mm厚）のＦｅ／Cu濃度比と、試料内部
のＦｅ／Ｃｕ濃度比との比（ｋ値）を調べたところ、表
１に示すように１．３〜６までとなり、試料表面層のＦ
ｅ濃度が最大で内部の数倍以上に上昇することが確認で
きた。

【００３２】導電率評価（純銅を１００とした時の相対
値、単位：ＩＡＣＳ％）を行ったところ、同表に示すよ
うに、Ｆｅ含有率が高い実施例８を除いて、十分に高い
導電率が得られた。

【００３３】そして、部材表面の硬さ試験（ビッカース
硬度、単位：Ｈｖ）を行ったところ、同表に示すよう
に、全て２２０（Ｈｖ）以上と、極めて高い値を示すこ
とが認められ、内部に比べて向上していることが認めら
れた。

【００３４】さらに、摺動性を示す指標として、表面を
金属工具で引掻いた時の力を測定するスクラッチ試験を
行ったところ、全て５Ｎ以上の高い値が得られた。

【００３５】さらにまた、各実施例による板材を円盤状
に加工し、ＳＵＳ３１６のピンを用いてピンオンディス
ク試験を行い、３００時間の回転試験を行った。表１
に、ピンおよびディスクの摩耗の少かったものを○印、
大きかったものを×印で示している。本実施例では全て
○印で示すように、ピンおよびディスクの摩耗が少いこ
とが確認された。

【００３６】以上の実施例に対し、表１に比較例として
示すように、従来のＣｕ合金（比較例１〜３）について
も同様の試験を行ったところ、比較例では、導電率につ
いては高い値が示されたが、表面硬度、スクラッチ試験
結果およびピンオンディスク試験結果のいずれについて
も、実施例以下であることが認められた。

【００３７】以上の比較から、本発明の耐摩耗部材は表
面部で耐摩耗性または摺動性が優れ、内部で導電率が高
く、従来のものに比して優れた特性を有することが確認
できた。

【００３８】なお、不可避不純物Ｐ，Ｓ，Ｍｎ，Ｏ，Ｎ
ｉ等の含有量は、総量で２％以下であった。また、前記
実施例以外にＮｉ，Ａｌ，Ｚｎ等を添加した場合につい
ても同様な結果が得られた。

【００３９】＜実施例Ｂ＞表２に示す実施例１１〜２０
につき、前記同様に双ロール式連続溶解装置を用い、溶
湯急冷法により前記同様の試料を作製した。

【００４０】これらの試料の表面に、アンモニア、アル
カリ性有機アミンやリン酸電解研磨によりＦｅを前記同
様にして濃縮させた。

【００４１】以上の実施例１１〜２０の試料について
も、観察の結果、Ｆｅ相１１とＣｕ相１２とが相互に隣
接した構成となっており、部材表面にはＦｅ相が多くな
っている。

【００４２】表２には、作製した試料の材料の導電率
（ＩＡＣＳ）、耐摩耗性の目安となる表面硬度（Ｈ
Ｖ）、酸化膜厚（Ａ）、内部のＦｅ濃度ｎ１と表層部の
Ｆｅ濃度ｎ２との比（ｎ２／ｎ１）をそれぞれ示した。
なお、本実施例では陰イオン、アルカリ金属、有機酸、
アルカリ性有機アミンまたはアンモニア等の濃度の定量
も行い、溶出量（ｐｐｍ）として示した。アルカリ金属
はフレームレス原子吸光法で、陰イオンや有機酸等はイ
オンクロマトグラフ法で定量した。

【００４３】導電率は同表に示すように、Ｆｅ含有率が
高い実施例１８を除いて、十分に高い導電率が得られ
た。表面硬度は、全て２００（Ｈｖ）以上と高い値を示
し、内部に比べて向上していることが認められた。酸化
膜厚は２０Ａ以上であった。ｎ２／ｎ１は１．１〜５．
２であった。

【００４４】以上の実施例に対し、表２に比較例１Ａ〜
３Ａとして示すように、従来のＣｕ合金についても同様
の試験を行ったところ、導電率については高い値が示さ
れたが、表面硬度、酸化膜厚、ｎ２／ｎ１、溶出量はい
ずれも実施例以下であることが認められた。

【００４５】以上の比較から、本実施例の耐摩耗部材は
表面部で耐摩耗性または摺動性が優れ、内部で導電率が
高く、従来のものに比して優れた特性を有することが確
認できた。

【００４６】＜実施例Ｃ＞表３に示す実施例２１〜３０
につき、前記同様に双ロール式連続溶解装置を用い、溶
湯急冷法により前記同様の試料を作製した。

【００４７】これらの試料の表面に、アンモニア、アル
カリ性有機アミンやリン酸電解研磨によりＦｅを前記同
様にして濃縮させた後、７０℃で１０分間、熱水処理を
施した。

【００４８】表面部の陰イオン等の濃度の定量方法は以
下の通りである。

【００４９】（１）加圧分解容器のテフロン内容器に試
料を約１ｇ秤取り、純水を２０ｍｌ加え、これらをステ
ンレス鋼製の外容器に収納し、蓋をして密封する。

【００５０】（２）加圧分解容器をオーブン中で２００
℃、２時間加熱し、陰イオン等を溶出させる。

【００５１】（３）加圧分解容器を流水で室温まで冷却
し、溶出溶液を試料溶液とする。

【００５２】（４）試料溶液中のアルカリ金属はフレー
ムレス原子吸光法で、陰イオンや有機酸等はイオンクロ
マトグラフ法で定量する。なお、試料の重量（ｇ）に対
する得られた溶出成分の重量（μｇ）を重量濃度（ｐｐ
ｍ）とする。

【００５３】以上の実施例２１〜３０の試料について
も、観察の結果、Ｆｅ相１１とＣｕ相１２とが相互に隣
接した構成となっており、部材表面にはＦｅ相が多くな
っている。

【００５４】表３には、作製した試料の材料の導電率
（ＩＡＣＳ）、耐摩耗性の目安となる表面硬度（Ｈ
Ｖ）、酸化膜厚（Ａ）、内部のＦｅ濃度ｎ１と表層部の
Ｆｅ濃度n2との比（ｎ２／ｎ１）をそれぞれ示した。な
お、本実施例では陰イオン、アルカリ金属、有機酸、ア
ルカリ性有機アミンまたはアンモニア等の濃度の定量も
行い、溶出量（ｐｐｍ）として示した。アルカリ金属は
フレームレス原子吸光法で、陰イオンや有機酸等はイオ
ンクロマトグラフ法で定量した。

【００５５】導電率は同表に示すように、Ｆｅ含有率が
高い実施例１８を除いて、十分に高い導電率が得られ
た。表面硬度は、全て２７０（Ｈｖ）以上と、極めて高
い値を示すことが認められ、内部に比べて向上している
ことが認められた。酸化膜厚は１９０Ａ以上と、表２の
実施例に比較して極めて高い。これは、熱水処理に基づ
くものと認められる。ｎ２／ｎ１は、１．１〜５．２で
あった。

【００５６】以上の実施例に対し、表３に比較例１Ｂ〜
３Ｂとして示すように、従来のＣｕ合金についても同様
の試験を行ったところ、導電率については高い値が示さ
れたが、表面硬度、酸化膜厚、ｎ２／ｎ１、溶出量はい
ずれも実施例以下であることが認められた。

【００５７】以上の比較から、本実施例の耐摩耗部材は
表面層で耐摩耗性または摺動性が優れ、内部で導電率が
高く、従来のものに比して優れた特性を有することが確
認できた。特に、本実施例によれば、熱水処理により酸
化膜厚が１９０Ａ以上で、表面硬度が極めて高い値を示
し、各種耐摩耗部材として良好に適用できるものであ
る。

【００５８】

【表１】

【００５９】

【表２】

【００６０】

【表３】

【００６１】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、表面層で
耐摩耗性が優れ、内部で導電率が高い耐摩耗部材が提供
でき、広範な分野での耐摩耗部材として優れた効果が得
られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に使用される溶湯急冷設備を
示す図。

【図２】同実施例による耐摩耗部材の組織を示す模式
図。

【符号の説明】

１０耐摩耗部材１１Ｆｅ相１２Ｃｕ相

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大森廣文神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝総合研究所内 (72)発明者山下務神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝総合研究所内 (72)発明者畠中達也神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝総合研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％でＦｅを１０〜９０％含有し、残
部がＣｕおよび不可避不純物からなり、内部のＦｅ濃度
ｎ１と表面部のＦｅ濃度ｎ２との比がｎ２／ｎ１＞１で
あることを特徴とする耐摩耗部材。