JPH08198678A - 炭素材の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】非溶融性の粉末とバインダーピッチからなる金
属繊維を含まない原料を加圧最高温度５００〜６００℃
で加圧加熱成型するに際し、成型時に成型用原料を加圧
するパンチ面の少なくとも一方に金属繊維を分散させて
成型し、その後この金属繊維を含む部分を除去し、次い
で炭化あるいは黒鉛化する炭素材の製造方法。加圧加熱
成型時に、上下のパンチ面間に温度差をつけて昇温する
場合は、先に昇温する側のパンチ面に金属繊維を分散さ
せると効果的である。 【効果】縦割れの発生を抑制して、割れのない、カーボ
ンすり板や摺動材料として好適な焼結体を製造すること
ができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、カーボンすり板や摺動
材料として好適な、高強度の炭素材や炭素金属複合材の
製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】鉄道用パンタグラフすり板などに用いる
摺動材料として、炭素の焼結体や炭素・金属複合材（本
明細書では、これらを「炭素材」と総称する）が多く使
用されているが、摺動性、耐摩耗性、耐衝撃性等に優れ
ていることが要求されるため、その材質ならびに製造方
法について従来から多くの研究開発がなされてきた。

【０００３】このような従来技術として、例えば以下の
技術がある。

【０００４】（１）炭素材原料に電解銅粉を添加し、５
００〜６００℃で加圧加熱成型した後焼成する炭素材の
製造方法（特開平６−１７２０２９号公報）。

【０００５】（２）炭素材原料に金属繊維を配合して成
型、焼成する方法（特開昭６２−７２５６４号公報）。

【０００６】（３）成型時に、金型の上方向（摺動部
側）と下方向（非摺動部側）でそれぞれ金属繊維を含ま
ない原料と金属繊維を含む原料に分けて仕込み、摺動部
には金属繊維を含有させず、非摺動部には金属繊維を含
有させた炭素材（特開平５−２７９１２０号公報）。

【０００７】しかしながら、前記（１）の方法で得られ
る炭素材は、成型過程で成型体が不均等に固化収縮する
ことに起因する応力で、成型中に割れが発生しやすいと
いう問題があり、（２）の方法で得られる炭素材は、繊
維の補強効果で割れは抑制されるが、アーク発生条件下
での耐摩耗性等が必要とされるパンタグラフすり板など
に用いた場合摩耗が大きいという問題があった。また、
（３）の方法で得られる炭素材も、パンタグラフすり板
として耐摩耗性および耐衝撃性には優れているが、金属
繊維を含む層と含まない層の熱膨張係数が異なるため、
成型後の冷却過程で層間に応力が発生し、金属繊維を含
まない層に割れが発生しやすいという問題があった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記従来技
術における問題点を解決し、カーボンすり板や摺動材料
として好適な炭素材の製造方法、特に、アーク発生条件
下での耐摩耗性の優れたカーボンすり板を製造するため
に金属繊維を含まない原料を用いて炭素材を製造するに
際し、５００〜６００℃での加圧加熱成型時に発生しや
すい縦割れを抑制し、割れのない焼結体を製造する方法
を提供することを目的としてなされたものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は下記お
よびの炭素材の製造方法にある。

【００１０】 非溶融性の粉末とバインダーピッチか
らなる金属繊維を含まない原料を加圧最高温度５００〜
６００℃で加圧加熱成型し、その後炭化あるいは黒鉛化
する炭素材の製造方法であって、加圧加熱成型時に成型
用原料を加圧するパンチ面の少なくとも一方に金属繊維
を分散させて成型し、その後この金属繊維を含む部分を
除去し、次いで炭化あるいは黒鉛化することを特徴とす
る炭素材の製造方法。

【００１１】 加圧加熱成型時に、上下のパンチ面間
に温度差をつけて昇温し、先に昇温する側のパンチ面に
金属繊維を分散させる前記記載の炭素材の製造方法。

【００１２】前記の成型用原料とは、非溶融性の粉末や
バインダーピッチとして配合する個々の原料を所定の粒
度に粉砕、混合し、加圧加熱成型に供し得る状態に調製
した原料をいう。

【００１３】

【作用】以下、本発明方法について詳細に説明する。

【００１４】本発明方法では、原料として非溶融性の粉
末とバインダーピッチを用いる。非溶融性の粉末として
は、石油コークス粉や、ピッチコークス粉、黒鉛粉等の
炭素粉末、および銅粉、鉄粉等の金属粉末が、また、バ
インダーピッチとしては、コールタールピッチ、石油ピ
ッチ等が挙げられる。これらの原料を適切な粒度に粉砕
して適宜配合し、成型用原料とする。なお、金属繊維を
添加しないのは、前述したように、金属繊維は炭素材の
アーク発生条件下での耐摩耗性を悪化させるからであ
る。

【００１５】図１は炭素材の製造に用いる加圧加熱成型
装置の要部を模式的に示す断面図である。１および２は
プレス、３および４はそれぞれ上パンチおよび下パンチ
で、これらのパンチ３、４を加熱するためのヒーター７
-1を内蔵する熱板７がそれぞれ上下に取り付けられてい
る。金枠５内に仕込まれた粉末状の原料（成型用原料）
６はプレス１、２で加圧されるとともに熱板７により加
熱される。

【００１６】本発明方法（前記の方法）においては、
粉末状の原料を成型するに際し、図１に示す成型装置の
少なくとも一方のパンチと原料とが接する面に、金属繊
維を分散させておく。通常、加圧加熱成型の際に生じる
縦割れはこのパンチと接する面から発生することが多い
が、パンチと接する面に金属繊維を分散させることによ
ってこの面が補強され、この部分を起点とする割れの発
生を抑制することができる。なお、金属繊維の分散は、
上下両パンチと原料とが接する両面で行うのが最も効果
的であるが、いずれか一方のパンチ側で行っても効果が
認められる。

【００１７】この縦割れは、成型体の固化収縮に伴って
発生するものであるから、昇温時に成型体の最も高温の
部分を起点として発生する。従って、上下のパンチ面の
間に温度差をつけて昇温する場合は、先に昇温する側の
パンチ面にのみ金属繊維を分散させてやれば顕著な割れ
抑制効果が認められる（前記の方法）。

【００１８】特に、本発明者等の一人が先に出願した、
成型体内に大きな温度差をつけて成型し、先に昇温した
部分から硬化を進め、成型体内に内包されたガスを除去
して横割れを抑制する方法（特開昭６３−１５４３１０
号公報）においては、上下の不均等な固化収縮によって
逆に縦割れが発生しやすくなるので、加圧加熱成型時に
パンチ面に金属繊維を分散させる本発明方法の適用が有
効である。この場合、先に昇温する側のパンチ面に金属
繊維を分散させると効果的である。

【００１９】パンチ面に分散させる金属繊維としては、
加圧加熱成型時の温度である５００〜６００℃で十分な
強度を有するものであることが必要で、スチールファイ
バーや銅ファイバー等が使用できる。

【００２０】金属繊維の形態は特に限定されるものでは
なく、短繊維や織物、金網等が使用可能である。短繊維
を少量使うだけでも十分効果があるので、安価な短繊維
が好ましい。

【００２１】金属繊維の添加量は少量でも顕著な縦割れ
抑制効果が認められ、繊維が混入した層の厚みが高々１
ｍｍ程度でも亀裂の発生が十分抑制される。

【００２２】次いで、上記のように加熱加圧成型した成
型体に対して炭化処理を施すが、この金属繊維を分散さ
せた層が存在する状態で炭化すると、繊維の入った部分
とそれ以外の部分の加熱時における収縮量が異なり、こ
の界面を起点として割れが発生しやすくなる。従って、
炭化前に機械加工等でこの金属繊維を分散させた層を除
去することが必要である。これによって、炭化時の割れ
の発生を抑制することができるので、縦割れのない炭素
材を製造することが可能となる。

【００２３】

【実施例１】粒径が２０μｍの銅粉７３重量％、粒径１
２μｍのピッチコークス１７重量％、粒径２０μｍの人
造黒鉛粉５重量％および軟化点が２６０℃のメソフェー
ズピッチ５重量％からなる原料を、内径２５ｃｍ、長さ
３０ｃｍの磁製の円筒容器型ポットミル内にその容積の
１／３だけ仕込み、２秒間に１回の速度で２時間回転さ
せて混合した。なお、ポットミル内にはその容積の１／
３の容積の磁製ボール（直径３０ｍｍ）が予め容れられ
ている。この処理を繰り返し行い、計１５ｋｇの成型用
原料を調製した。

【００２４】次いで、前記の図１に示した構造を有し、
内寸が４０ｃｍ×４０ｃｍの普通鋼製の金型を有する加
圧加熱成型装置を使用して加圧加熱成型を行なった。

【００２５】金型への成型用原料の投入に先立ち、太さ
０．１ｍｍ角×長さ３ｍｍのスチールファイバー５００
ｇを下パンチ上の全面に均一に分散させ、その上に、上
記の成型用原料１５ｋｇを、スチールファイバーをみだ
さないように慎重に装入した。

【００２６】加圧加熱成型は、図２に示すヒートパター
ンで、下パンチの温度を先に昇温させる方法で行い、上
下パンチの温度が３００℃に達した時点から２００ｋｇ
／ｃｍ² で加圧し、加圧したまま室温まで冷却し、成型
体を取りだした。

【００２７】得られた成型体は割れのない良好なもので
あった。

【００２８】一方、比較例として、下パンチ上へのスチ
ールファイバーの分散を行わず、その他は上記の実施例
１と同じ条件で成型を行なった。この成型体には、亀甲
状の縦割れが発生した。

【００２９】次いで、実施例１で得られた成型体を２分
割し、片方の成型体についてはスチールファイバーが混
入した約２ｍｍの層を機械加工で切削除去し、スチール
ファイバーを含まない成型体を得た。

【００３０】このスチールファイバーを除去した成型体
とスチールファイバーを除去しない成型体を粉コークス
中に埋設し、窒素雰囲気中で１５℃／分の昇温速度で１
０４０℃まで昇温し、６時間保持した後冷却する炭化処
理を行った。

【００３１】その結果、スチールファイバーを除去しな
かった成型体では、スチールファイバーの入っている部
分と入っていない部分の境界部から横割れが入り、スチ
ールファイバーのない部分まで大きく割れが進展してい
たが、スチールファイバーを除去した成型体では炭化後
も割れが認められなかった。

【００３２】

【実施例２】粒径が８μｍの仮焼石油コークス８０重量
％と軟化点が２６０℃のメソフェーズピッチ２０重量％
をＶ型混合機で混合し、成型用原料を調製した。

【００３３】次いで、前記の図１に示した構造を有し、
内寸が４０ｃｍ×４０ｃｍの普通鋼製の金型を有する加
圧加熱成型装置を使用して加圧加熱成型を行なった。

【００３４】金型への成型用原料の投入に先立ち、太さ
０．０５ｍｍ角×長さ２．５ｍｍの銅ファイバー３００
ｇを下パンチ上に均一に分散させ、その上に、上記の成
型用原料７ｋｇを装入した。

【００３５】加圧加熱成型は、図３に示すヒートパター
ンで、下パンチの温度を先に昇温させる方法で行い、上
下パンチの温度が３００℃に達した時点から８０ｋｇ／
ｃｍ² で加圧し、加圧したまま室温まで冷却し、成型体
を取りだした。

【００３６】得られた成型体は割れのない良好なもので
あった。

【００３７】一方、比較例として、下パンチ上への銅フ
ァイバーの分散を行わず、その他は上記の実施例２と同
じ条件で成型を行なった。この成型体には、亀甲状の縦
割れが発生した。

【００３８】次いで、実施例２で得られた成型体を２分
割し、片方の成型体については銅ファイバーが混入した
層を機械加工で切削除去し、銅ファイバーを含まない成
型体を得た。

【００３９】この銅ファイバーを除去した成型体と銅フ
ァイバーを除去しない成型体を粉コークス中に埋設し、
窒素雰囲気中で１５℃／分の昇温速度で１０４０℃まで
昇温し、６時間保持した後冷却した。

【００４０】銅ファイバーを除去しなかった成型体で
は、銅ファイバーの入っている部分と入っていない部分
の境界部から横割れが入り、銅ファイバーのない部分ま
で大きく割れが進展していたが、銅ファイバーを除去し
た成型体では炭化後も割れが認められなかった。

【００４１】

【発明の効果】本発明方法によれば、金属繊維を含まな
い原料を用いて炭素材を製造するに際し、加圧加熱成型
時に発生しやすい縦割れの発生を抑制することができ
る。この炭素材はカーボンすり板や摺動材料として好適
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】炭素材の製造に用いる加圧加熱成形装置の要部
を模式的に示す断面図である。

【図２】実施例１で行った加圧加熱成型時のヒートパタ
ーンである。

【図３】実施例２で行った加圧加熱成型時のヒートパタ
ーンである。

【符号の説明】

１：プレス（上部） ２：プレス（下部） ３：上パンチ ４：下パンチ ５：金枠 ６：原料 ７-1：ヒーター ７：熱板 ８：断熱材

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】非溶融性の粉末とバインダーピッチからな
   る金属繊維を含まない原料を加圧最高温度５００〜６０
   ０℃で加圧加熱成型し、その後炭化あるいは黒鉛化する
   炭素材の製造方法であって、加圧加熱成型時に成型用原
   料を加圧するパンチ面の少なくとも一方に金属繊維を分
   散させて成型し、その後この金属繊維を含む部分を除去
   し、次いで炭化あるいは黒鉛化することを特徴とする炭
   素材の製造方法。
2. 【請求項２】加圧加熱成型時に、上下のパンチ面間に温
   度差をつけて昇温し、先に昇温する側のパンチ面に金属
   繊維を分散させる請求項１記載の炭素材の製造方法。