JPH0865806A

JPH0865806A - 粒子分散強化合金型集電摺動材及びその製造方法

Info

Publication number: JPH0865806A
Application number: JP20172194A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Arato; 利昭荒戸; Masayuki Doi; 昌之土井; Katsuhiro Komuro; 勝博小室; Yasuhisa Aono; 泰久青野
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-08-26
Filing date: 1994-08-26
Publication date: 1996-03-08

Abstract

(57)【要約】【目的】従来のパンタグラフ用すり板材と同等の潤滑性
を有し、通電状態の摺動条件での耐摩耗性及び、通電異
常条件での耐摩耗性をも改善した粒子分散強化合金型集
電摺動材を提供する。【構成】本発明の粒子分散強化合金型集電摺動材は、機
械的合金化処理により製造したセラミックス超微粒子と
固体潤滑材粒子又は固体潤滑材短繊維が分散した銅系合
金或いは鉄系合金からなり、前記セラミックス超微粒子
の平均粒径が２００ｎｍ以下でありかつ前記固体潤滑材
粒子の平均粒径または前記固体潤滑材短繊維の平均直径
が０.２５〜１０μｍである焼結体よりなる。【効果】本発明によれば、高速走行車両用パンタグラフ
のすり板材として好適な強度，耐摩耗性に優れた集電摺
動材が得らる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、セラッミクス粒子およ
び固体潤滑材粒子又は固体潤滑材短繊維を分散して成る
導電性，潤滑性並びに耐摩耗性に優れる強化銅合金及び
同強化鉄合金、特に電気車のパンタグラフとして好適な
集電摺動材に係り、アーク発生等の異常摺動条件下でも
耐摩耗性に優れる銅系複合材または鉄系複合材からなる
粒子分散強化合金型集電摺動材に関する。また本発明
は、前記集電摺動材をパンタグラフを使用した電気車及
び前記電気車を使用した交通システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年新幹線その他の電気車が高速化し集
電状況も過酷化しつつある。例えば、３００km／ｈ以上
での営業運転を目指す次世代新幹線では車体上部の凹凸
を減少させるため、パンタグラフ総数が減少する傾向に
あり、その結果一個のパンタグラフの集電の負担が大き
くなりつつある。電車走行中に、パンタグラフ用集電摺
動材（以下「すり板」と略す。）とトロリ線とが接触す
ることによって発生する摩耗は、(ｉ）純機械的摩耗（i
i）アークによる溶損減量、及び（iii）アークによって
生じた組織の劣化に由来する摩耗量の３要因からなるこ
とが公知である（寺岡利雄，潤滑学会誌，１９７７年，
第２２巻，第１頁，有本弘，電気鉄道，１９７４年，第
２８巻，６頁に記載）。従って、すり板に要求される特
性は、摩耗特性が良いだけでなく、集電子としての構造
強度と電気的特性（良導電性）を持つことが必要と考え
られる。このため、従来からパンタ用すり板材料として
種々の耐摩耗性合金、特に焼結合金が研究開発されてい
るが、何れの合金であっても通常の乾式摺動摩耗条件下
における耐摩耗性の要求はある程度充足出来ても、アー
ク発生条件下における耐摩耗性の要求をすべて満足する
ものは見出し得ていない。

【０００３】銅を例にとると、高導電性及び高熱伝導性
を損なわずに銅の弱点である強度不足を補強した銅合金
が公知である。特開昭57−9850号公報には銅の強化方法
として、Ｚｒ，Ｃｒ，Ｃｄ，Ｂｅ等の固溶量の少ない元
素を単独あるいは複数添加して時効硬化処理による析出
硬化を行う方法が記載されている。特開平2−213433号
公報，特開平1−96338号公報，特開昭60−208402号公報
には銅母相に母相と難反応性のセラミックス粒子を分散
して強化する方法が記載されている。強化はいずれも微
細に分散する析出粒子あるいはセラミックス粒子が塑性
変形を担う転位運動を妨げることにより生じる。セラミ
ックス分散強化型銅合金における分散方法としては、粉
末混合法，内部酸化法を利用する酸化物分散強化方法以
外に、特開平3−2338 号公報，特開平2−213433号公
報，特開昭63−83240号公報に銅粉末とセラッミクス微
粉末の混合粉末の機械的合金化法が記載されている。セ
ラミックス分散粒子は、程度の差こそあるが、母層と接
合しており、セラミックス分散粒子中の不純物は機械的
合金化及び焼結時における界面反応を通して母相中に浸
入し、母相を汚染する。従って、高純度セラミックス粒
子の使用が望まれる。強度増大のために分散粒子として
例えば酸化物セラミックスの添加量を増加させると銅母
相中の酸化銅の数密度を増し、電気，熱伝導度の低下を
招く。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上述
した従来の強化銅合金及び酸化物分散強化型銅合金の課
題を克服し、特に従来のパンタグラフ用すり板材と同等
以上の潤滑性を有し、しかも通電状態の摺動条件下にお
ける耐摩耗性及びアーク発生等の通電異常条件下での耐
摩耗性をも改善した粒子分散強化合金型集電摺動材を提
供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の粒子分散強化合
金型集電摺動材は、セラミックス超微粒子と固体潤滑材
粒子又は固体潤滑材短繊維が分散した銅系合金或いは鉄
系合金からなり、前記セラミックス超微粒子の平均粒径
が前記固体潤滑材粒子の平均粒径又は前記固体潤滑材短
繊維の平均直径より小さい焼結体よりなる。

【０００６】また、本発明の粒子分散強化合金型集電摺
動材は、前記セラミックス超微粒子の平均粒径が２００
ｎｍ以下でありかつ前記固体潤滑材粒子の平均粒径また
は前記固体潤滑材短繊維の平均直径が０.２５〜１０μ
ｍである焼結体からなる。

【０００７】また、本発明の粒子分散強化合金型集電摺
動材は、前記セラミックス超微粒子はその平均粒径が２
００ｎｍ以下でかつ該セラミックス超微粒子が１平方マ
イクロメーター当り５００個以上分散した領域が前記集
電摺動材の実質的に全領域で形成されている。

【０００８】また、本発明の粒子分散強化合金型集電摺
動材は、前記セラミックス超微粒子はその含有量が１重
量％以下でありかつ該セラミックス超微粒子の粒径が２
００ｎｍ以下であり、該セラミックス超微粒子１重量％
当り１平方マイクロメーターに５００個以上分散した領
域が前記集電摺動材の実質的に全領域で形成されてい
る。

【０００９】また、本発明の粒子分散強化合金型集電摺
動材は、前記セラミックス超微粒子はその含有量が１重
量％以下でありかつ該セラミックス超微粒子の粒径が２
００ｎｍ以下であり、１平方マイクロメーターに５００
個以上分散した領域が集電摺動材の実質的に全領域で形
成されている。

【００１０】また、本発明の粒子分散強化合金型集電摺
動材は、前記セラミックス超微粒子は含有量（重量％）
と該セラミックス超微粒子の平均粒子間隔（ｎｍ）との
関係を両対数目盛グラフで表示したときに、Ａ点（０.
０１重量％，２０ｎｍ），Ｂ点（０.０１重量％，５０
０ｎｍ），Ｃ点（１.０重量％，５０ｎｍ）及びＤ点
（１.０重量％，２ｎｍ）の４点を直線で結んだ四辺形
ＡＢＣＤの範囲内にセラミックス超微粒子は含有量と平
均粒子間隔が含まれる。

【００１１】また、本発明の粒子分散強化合金型集電摺
動材は、銅又は鉄のいずれかにセラミックス超微粒子及
びグラファイトウイスカーが分散された焼結体よりな
る。

【００１２】本発明は、特に前述した構成に加え、以下
の組合せにおいて有効である。

【００１３】本発明の粒子分散強化合金型集電摺動材
は、黒鉛を含有した銅，グラファイトウイスカーを含有
した銅，銅系合金，鉄系合金のうちの１種よりなる母材
と該母材中に分散されて該母材の強度を改善強化せしめ
る、セラミックス粒子のうち１種又は２種含む高純度又
は耐熱性窒化物分散強化合金である。分散粒子の粒径分
布は、０.００１μｍ〜０.２μｍであるものが好ましい
が、銅合金母材にＢＮ粒子を１重量％以下分散させる組
合せがよい。

【００１４】また、本発明の粒子分散強化合金型集電摺
動材は、粒径分布が０.００１μｍ〜０.２μｍの粒子
状態で分散しているＡｌＮ粒子及びＢＮ粒子のうち１種
又は２種を０.２〜１.０重量％，好ましくは０.０５〜
０.２重量％を含み、残部がＣｕの他に、Ｓｎ，Ｂｉ，
Ｃｒ，Ｍｎ，Ｎｂ，ＭｏＳ₂のうち少なくとも１種以上
を含む銅系合金である。

【００１５】また、本発明の粒子分散強化合金型集電摺
動材は、グラファイトウイスカーを１.０〜１０.０重量
％含み、粒径分布０.００１μｍ〜０.２μｍの粒子状態
で母材中に分散しているＡｌＮ粒子及びＢＮ粒子のうち
１種又は２種を０.２〜１.０重量％，好ましくは０.０
５〜０.２％を含み、残部がＣｕの他にＳｎ，Ｂｉ，Ｃ
ｒ，Ｍｎ，Ｎｂ，ＭｏＳ₂の各成分のうち少なくとも１
種以上を含む銅系合金である。

【００１６】また、本発明の粒子分散強化合金型集電摺
動材は、粒径分布０.００１μｍ〜０.２μｍの粒子状
態で母材中に分散しているＢＮ粒子を０.０１〜１.０重
量％を含み、残部がＣｕの他にＳｎ，Ｂｉ，Ｃｒ，Ｍ
ｎ，Ｎｂ，ＭｏＳ₂の各成分のうち少なくとも１種以上
を含む銅系合金である。

【００１７】また、本発明の粒子分散強化合金型集電摺
動材は、金属粉末と、セラミックス粉末と、固体潤滑材
粉末又は固体潤滑材短繊維とを、セラミックス製または
金属製容器内にセラミックス製又は金属製ボールととも
に収納し、該セラミックス製または金属製容器を回転さ
せることによって前記セラミックス製又は金属製ボール
により前記金属粉末を組成変形させるのに十分な押圧力
を与えるとともに、前記金属粉末を所望の粒径に成長さ
せることによって前記金属粉末の内部に前記セラミック
ス粉末と固体潤滑材粉末粒子又は固体潤滑材短繊維とを
均一に分散させるに十分な回転速度と回転時間を与える
ことによって製造する。

【００１８】本発明における具体的な製法は以下の通り
である。銅粉末とＳｎ，Ｂｉ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｎｂ，Ｍｏ
Ｓ₂のうち少なくとも１種以上の原料粉末を高エネルギ
ーボールミルにより機械的に合金化し、合金化された母
相中に、さらに粒径分布が０.００１μｍ〜０.２μｍの
ＡｌＮ粒子及びＢＮ粒子の１種または２種を分散させ
る。ボールミルによる機械的合金化は、混合粉末及びス
テンレス製ボールを納めたステンレス製ボールミル容器
を１００℃〜２００℃の温度域に保持し、同時に前記容
器内を１０^-2〜１０^-3Torrに排気し、脱ガス処理する。
次いで、圧力一気圧，純度９９.９重量％以上の高純度
Ａｒガス又は同等の純度のＮ₂ガス等の不活性ガスによ
る前記ボールミル容器内のガス置換を行う。次に、前記
ボールミル容器を室温付近で１００〜３００rpm で回転
し、２０時間以内の合金化処理を行う。最終的に該合金
化粉末を９９.９９重量％以上の高純度水素気流中にて
焼鈍純化するのがよい。また、機械的合金化前の銅粉末
の純度が９９.０〜９９.９重量％であり、該粉末の平均
粒径が２００μｍ以下であるのがよい。また、機械的合
金化前のＡｌＮ粒子及びＢＮ粒子の平均粒径が０.１μ
ｍ以下であることが好ましく、ＡｌＮ粒子及びＢＮ粒
子ともに純度９９.２重量％以上，粉末粒子の焼結体の
熱伝導率がＡｌＮ粒子では１５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上，ＢＮ
粒子では５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましい。

【００１９】本発明は、銅あるいは鉄の粉末とＳｎ，Ｂ
ｉ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｎｂ，ＭｏＳ₂のうち少なくとも１種
以上の原料粉末とグラファイトウイスカー、及びＡｌＮ
粒子及びＢＮ粒子のうちの１種及び２種との混合粉末を
高エネルギーボールミルにより機械的に合金化し、銅あ
るいは鉄合金母相中に粒径分布０.００１μｍ〜５μｍ
のＡｌＮ粒子及びＢＮ粒子の１種または２種を分散させ
る耐熱性窒化物分散強化銅粉末の製造方法である。機械
的合金化前のグラファイトウイスカーは熱伝導率が１０
００Ｗ／ｍ・Ｋ以上，直径０.３μｍ〜２μｍ，長さ１
〜１００μｍであるものが好ましい。

【００２０】また、本発明は複数の金属原料粉末を機械
的合金化させる第１段工程と、第１段工程によって得た
機械的合金粉末と固体潤滑材粉末又は固体潤滑材短繊維
とを機械的合金化させる第２段工程と、第２段工程によ
って得た機械的合金粉末とセラミックス粉末とを機械的
合金化させる第３段工程とを包含することを特徴とする
セラミックス分散金属粉末の製造法にある。

【００２１】本発明は、前述したセラミックス粒子分散
金属粉末を用いて高温加圧下で焼結するセラミックス粒
子分散金属部材からなるパンタグラフ用すり板材にあ
る。

【００２２】尚、本発明に係る機械的合金化前の金属粉
末は次のような方法によって製造できる。高純度金属又
は高純度合金を微粉末製造素材とし、連続供給する前記
高純度金属又は高純度合金ワイヤをイメージ炉又はレー
ザ光を使用して溶融し、該溶融部に純度９９.９９重量
％以上の高純度水素及び９９.９重量％以上の高純度Ａ
ｒを流量比３０〜５０：７０〜５０に混合し、加圧又は
真空引きにより前記混合ガスをアトマイズガスとして噴
射し、前記高純度金属又は高純度合金を噴霧し還元性雰
囲気下で高純度金属粉末を製造することが好ましい。

【００２３】

【作用】本発明におけるセラミックス超微粒子は微細に
分散して母相となるマトリックス金属を強化し、併せて
固体潤滑材粒子又は固体潤滑材短繊維を強固に保持す
る。その結果、摺動における固体潤滑材の脱落を防止で
きるので長期に渡り優れた摺動特性が得られる。従っ
て、強化のため分散するセラミックス粒子の粒径は少な
くとも固体潤滑材の粒径より細かいものでなければ効果
が得られない。

【００２４】セラミックス粒子としては粒径２００ｎｍ
以下でなければ十分な強化効果が得られない。より細か
い粒径の超微粒子の分散ほど好ましいが、機械的合金化
に長時間を要するので、１〜１００ｎｍが好ましい。よ
り細かい粒径の超微粒子を分散させることにより少ない
含有量で効果が得られるが、０.０１〜１.０重量％が好
ましい。より好ましくは０.０３〜０.３重量％である。

【００２５】ここで使用されるセラミックス粉末は、酸
化物，窒化物，炭化物及び硼化物の１種または２種以上
で、特に銅に対する反応性が低いＡｌ₂Ｏ₃,ＺｒＯ₂，Ｍ
ｇＯ，ＣｒＮ，ＺｒＮ，ＳｉＯ₂，ＴｉＯ₂，ＡｌＮ，
ＴｉＢ₂，ＺｒＢ₂，ＢＮ，Ｂ₄Ｃ，β−ＳｉＣ，Ｔｉ
Ｃ，ＴｉＮ，ＮｂＣのうち１種又は２種以上が好まし
く、分散強化合金中の前記セラミックス粉末の粒径分布
が０.００１〜０.０２μｍとなる様に機械的合金化する
ことが好ましい。機械的合金化前の前記セラミックス粉
末の平均粒子径が０.１μｍ以下のものを使用すること
が好ましい。これはボールミル中でセラミックス粒子が
粉砕，微粒化するものの微粒化粒径分布は微粒化出発粒
径に依存するからである。目的の粒径分布が０.００１
〜０.０２μｍの範囲である必要性は、機械的合金化に
よる微細化下限粒径が０.００１ μｍのオーダであるこ
と、及び転位に対する抵抗として有効に作用する大きさ
は最大０．０２μｍ程度と考えられることから決められ
る。特に、０.００１〜０.０１μｍ以下が好ましい。
またセラミックス粒子と銅あるいは鉄母材との難反応
性、銅あるいは鉄母材の純度維持のためにも純度の高い
セラミックスが好ましく、特に工業生産性の面から考え
て、９９.０重量％以上の純度が好適である。特に、Ａ
ｌＮ，ＢＮは銅あるいは鉄と反応し難く、好ましい成分
である。基本組成となる母材金属は銅あるいは鉄を用い
ることが好ましい。

【００２６】基本組成の成分を表１に示す。

【００２７】

【表１】

【００２８】基本的な特性値を表２に示す。

【００２９】

【表２】

【００３０】

【実施例】以下本発明を実施例により詳しく説明する。

【００３１】（実施例１）表１にそれぞれ示される合金
組成を有する合金を作製した。合金作製方法について以
下に述べる。まずＣｕ粉末(−３２５メッシュ)とほかの
合金成分（いずれも−１００メッシュ）とを所定量ずつ
混合し、ＳＵＳ製ボールミル（外径１３０mm，内径１１
０mm，深さ１００mm）中に直径１０mmのＳＵＳ製ボール
１５０個とともに装填する。密閉したボールミル内を高
純度Ａｒで置換後、１５０rpm でボールミルを５乃至１
０時間回転し、原料粉末同士を機械的に合金化して母合
金を作製した。この母合金はＢＮ及びＣを含有しないも
のであり、ＢＮ及びＣはボールミル内部で母合金と再度
機械的混合を行うことによって合金化した。母合金との
機械的混合条件は、Ａｒ雰囲気中で、回転数１５０rpm
，混合時間１乃至５時間で行った。なお、Ｃ成分と母
合金との合金化を促進するためにはＣ成分として、メタ
ライズドカーボンが有効であった。

【００３２】（実施例２）パンタグラフは図２に示すよ
うにすり板１，舟体２，ホーン３，下枠４，上枠５，斜
め管６，足７，風防８等から構成されており、本発明材
はすり板１として取付けられる。また図３は本発明のす
り板材を流線型パンタグラフ２０に取付けた図である。
流線型パンタグラフ２０は３００km／ｈ以上の高速走行
を想定したパンタグラフであり、走行時の空気抵抗を低
減し、騒音の主要因になると考えられる風切り音を低減
する。流線型パンタグラフ２０はすり板２１，舟体２
２，ホーン２３，復元バネ２４，シリンダ２５，支持碍
子２６等から構成され、すり板２１を固定する舟体２２
内部にはトロリ線との接触衝撃を緩和するためのばね２
７が内蔵されている。シリンダ２５は復路走行時には舟
体２の向きを１８０°変えることが可能なように主軸２
８に回転機能を有する。

【００３３】（実施例３）本発明材を使用したパンタグ
ラフによる摺動速度と摩耗量との関係について説明す
る。図４には室内摩耗試験における摺動速度と摩耗量と
の関係を、従来のパンタグラフ用すり板材と本発明材と
の結果について無通電と通電の場合とを比較して示す。

【００３４】図４において３１は本発明銅系すり板材の
通電状態での摩耗試験結果、３２は同じく本発明の銅系
すり板材の無通電摩耗試験結果、３３は本発明の鉄系す
り板材の通電摩耗試験結果、３４は本発明の鉄系すり板
材の無通電摩耗試験結果、３５は従来材銅系焼結合金の
通電摩耗試験結果、３６は従来材鉄系焼結合金の通電摩
耗試験結果である。これらの結果から、従来材の摩耗量
に比較して本発明のすり板材の摩耗量は少なく、優れた
摩耗特性を示す。また、全般的な傾向として、摺動速度
の増加に対する比摩耗量の関係は鉄系合金と銅系合金と
では全く逆の傾向を示すことがわかった。すなわち、高
速走行では銅系合金の方が鉄系合金に比べて比摩耗量が
少なく有利なことを示している。

【００３５】図５は本発明による銅系すり板を装着した
パンタグラフを用いた場合の、トロリ線との接触力に対
する摩耗量の変化を示す結果である。４０は時速１００
km相当で無通電状態での摩耗率、４１は時速１００km相
当で通電状態での摩耗率、４２は従来材の時速１００km
相当での無通電状態での摩耗率、４３は従来材の時速１
００km相当の通電状態での摩耗率である。無通電時の摩
耗は機械的摩耗に等しい。通電時の摩耗量は機械的摩耗
に電気的摩耗を加えた量である。電気的摩耗はアーク発
生による摩耗とアーク発生によって変質した層が機械的
摩耗を受けるものとに分けられると考えられている。本
発明のすり板によると、接触力が大きくなると機械的摩
耗量がほぼ直線的に増加した。通電時の摩耗も接触力の
増大によって大きくなるものの無通電時摩耗に比べて影
響を低減される結果を得た。その理由は接触力が増大す
ると離線（パンタグラフとトロリ線の接触が絶たれる現
象）率が低くなるため、その結果アーク発生による摩耗
を低下させるためと考えられる。また、高速走行になる
ほど摩耗率が低下したが、これはトロリ線との凝着摩耗
が低下するためと考えられる。

【００３６】（実施例４）本発明の銅系すり板材及び従
来材のすり板材について通電電流と摩耗量との関係につ
いて測定した。図１の５０は電源電圧１２０Ｖ負荷状態
での本発明材の摩耗量、５１は電源電圧８０Ｖ負荷状態
での本発明材の摩耗量、５２は電源電圧１０Ｖ負荷状態
での本発明材の摩耗量、５３は電源電圧５Ｖ負荷状態で
の本発明材の摩耗量、５４は従来材銅系焼結合金の電源
電圧１２０Ｖ〜７５Ｖでの摩耗量、５５は従来材銅系焼
結合金の電源電圧１０Ｖ〜４.６Ｖでの摩耗量をそれぞ
れ示す。図１に示す結果では本発明材と従来材とでは、
電源電圧が低い場合には大きな差が認められないもの
の、電源電圧が高い条件下では本発明材の優位性が明ら
かである。全般的傾向として、電源電圧の違いが摩耗率
に影響することを示している。

【００３７】即ち、電源電圧が高いと離線時にアークが
発生しやすい。従って、一般的傾向では通電電流が高く
ても電源電圧が低ければ離線時のアーク発生による摩耗
も少ないが、高電圧走行では摩耗量の著しい増加が見ら
れる。本発明品の場合、従来組成のすり板材に比べて、
特に高電源電圧時摩耗の低減が可能なことが明らかであ
る。通電電流が高いことは実際の電車走行での条件とし
ては１基のパンタグラフが負担する車両数が多いことを
意味する。即ち、一般的に高速走行時の風きり音の発生
を考慮して、パンタグラフの個数を低減する傾向にある
が、その場合パンタグラフ数が減るほどすり板材の摩耗
を増加することを意味する。本発明材の場合には特にパ
ンタの基数が少ない条件下で、従来材に比べて耐摩耗性
に優れていることがわかる。

【００３８】（実施例５）本発明材中のセラミックス超
微粒子含有量と摩耗量との関係について図６によって説
明する。図６は本発明の銅系すり板材及び本発明材の相
手方のトロリ線の摩耗率がすり板材中のＢＮ含有量によ
ってどのように変化するかを示した結果である。６０は
本発明のすり板材の比摩耗量、６１は相手方のトロリ線
（硬銅）の摩耗率、６２はＢＮ含有量最適範囲を意味す
る。

【００３９】（実施例６）本発明にかかる粒子分散強化
型合金粉末の製造方法の実施例を、図７を用いて説明す
る。図７は、機械的合金化の概略図で、遊星ボールミル
を示すものである。外部駆動系８０から回転が台フレー
ム部８１に伝えられ、粉砕容器８３が公転８２する。同
時に、台フレーム部８１上に十文字に配置された４基の
粉砕容器８３には、遠心力８４が生じるとともに粉砕容
器８３自身の回転８５も起こり、台フレーム部８１によ
る公転と自転する粉砕容器８３が逆回転運動を繰り返す
ことによって、強い遠心加速度を発生し、粉砕容器８３
中の粉末とボール８６が高いエネルギーでぶつかりあ
う。

【００４０】粉砕容器は図８に示すように、真空引き弁
９１とＡｒガス又は窒素ガスの置換弁９２及び容器内温
度測定用温度計挿入口９３を具備し、ステンレス鋼製蓋
９４，ヒータ９５を装備した容積５００mlのステンレス
鋼製容器９６，容器９６内の混合粉末９７，直径１０mm
のステンレス鋼製ボール９８からなる。ボール９８は容
器９６の内壁に沿って回転運動し、ボール９８間同士、
ボール９８と容器９６の内壁間で衝突が生じる。

【００４１】

【発明の効果】本発明によれば、機械的合金化処理によ
ってセラミックス超微粒子分散高強度，耐摩耗性の集電
摺動材が得られ、パンタグラフ用すり板材として極めて
有効である。特に、高速走行車両用パンタグラフ用すり
板材として極めて有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の銅系すり板材及び従来すり板材の通電
電流と摩耗量との関係を示す図。

【図２】パンタグラフの概略図。

【図３】流線型パンタグラフの概略図。

【図４】室内摩耗試験における摺動速度と摩耗量との関
係を示す図。

【図５】トロリ線との接触力に対する摩耗量の変化を示
す図。

【図６】本発明材中のセラミックス超微粒子含有量と摩
耗量との関係を示す図。

【図７】本発明の粒子分散強化型合金粉末の製造方法を
示す図。

【図８】粉砕容器構成図。

【符号の説明】

１，２１…すり板、２，２２…舟体、３，２３…ホー
ン、４…下枠、５…上枠、６…斜め管、７…足、８…風
防、２０…流線型パンタグラフ、２４…復元バネ、２５
…シリンダ、２６…支持碍子、２７…ばね、２８…主
軸、３１…本発明銅系すり板材の通電摩耗試験結果、３
２…本発明銅系すり板材の無通電摩耗試験結果、３３…
本発明鉄系すり板材の通電摩耗試験結果、３４…本発明
鉄系すり板材の無通電摩耗試験結果、３５…従来材銅系
焼結合金の通電摩耗試験結果、３６…従来材鉄系焼結合
金の通電摩耗試験結果、４０…時速１００km相当の無通
電状態での摩耗率、４１…時速１００km相当の通電状態
での摩耗率、４２…従来材の時速１００km相当の無通電
状態での摩耗率、４３…従来材の時速１００km相当の通
電状態での摩耗率、５０…電源電圧１２０Ｖ負荷状態で
の本発明材の摩耗量、５１…本発明材の電源電圧８０Ｖ
での摩耗量、５２…本発明材の電源電圧１０Ｖでの摩耗
量、５３…本発明材の電源電圧５Ｖでの摩耗量、５４…
従来材銅系焼結合金の電源電圧１２０Ｖ〜７５Ｖでの摩
耗量、５５…従来材銅系焼結合金の電源電圧１０Ｖ〜
４.６Ｖでの摩耗量、６０…本発明すり板材の比摩耗
量、６１…相手方のトロリ線（硬銅）の摩耗率、６２…
ＢＮ含有量最適範囲、８０…外部駆動系、８１…台フレ
ーム部、８２…公転方向、８３…粉砕容器、８４…遠心
力、８５…粉砕容器の自転、８６，９８…ボール、９１
…真空引き弁、９２…置換弁、９３…容器内温度測定用
温度計挿入口、９４…蓋、９５…ヒータ、９６…容器、
９７…混合粉末。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者青野泰久茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】セラミックス超微粒子と固体潤滑材粒子又
は固体潤滑材短繊維とが分散した銅系焼結合金あるいは
鉄系焼結合金からなることを特徴とする粒子分散強化合
金型集電摺動材。
【請求項２】請求項１記載の粒子分散強化合金型集電摺
動材において、前記セラミックス超微粒子の平均粒径が
前記固体潤滑材粒子の平均粒径又は前記固体潤滑材短繊
維の平均直径より小さいことを特徴とする粒子分散強化
合金型集電摺動材。
【請求項３】請求項１記載の粒子分散強化合金型集電摺
動材において、前記セラミックス超微粒子の平均粒径が
２００ｎｍ以下でありかつ前記固体潤滑材粒子の平均粒
径又は前記固体潤滑材短繊維の平均直径が０.２５〜１
０μｍであることを特徴とする粒子分散強化合金型集電
摺動材。
【請求項４】請求項１記載の粒子分散強化合金型集電摺
動材において、前記セラミックス超微粒子の平均粒径が
２００ｎｍ以下でありかつ前記集電摺動材の実質的に全
領域で該セラミックス超微粒子が１平方マイクロメータ
ー当たり５００個以上分散していることを特徴とする粒
子分散強化合金型集電摺動材。
【請求項５】請求項４記載の粒子分散強化合金型集電摺
動材において、前記セラミックス超微粒子の含有量が１
重量％以下であることを特徴とする粒子分散強化合金型
集電摺動材。
【請求項６】請求項５記載の粒子分散強化合金型集電摺
動材において、前記セラミックス超微粒子の含有量（重
量％）と該セラミックス超微粒子の平均粒子間隔（ｎ
ｍ）とを両対数目盛グラフで表示したときに、Ａ点
（０.０１重量％，２０ｎｍ），Ｂ点（０.０１重量％
，５００ｎｍ），Ｃ点（１.０重量％，５０ｎｍ）及
びＤ点（１.０重量％，２ｎｍ）の４点を直線で結んだ
四辺形ＡＢＣＤの範囲内に前記セラミックス超微粒子の
含有量と平均粒子間隔とが含まれることを特徴とする粒
子分散強化合金型集電摺動材。
【請求項７】セラミックス超微粒子と固体潤滑材粒子又
は固体潤滑材短繊維とが分散した銅系焼結合金あるいは
鉄系焼結合金からなる粒子分散強化合金型集電摺動材に
おいて、９９.９重量％以上の銅あるいは鉄の何れか１
成分と、Ｓｎ，Ｂｉ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｎｂ，ＭｏＳ₂のう
ち少なくとも１種以上を含む合金粉末を形成した後に、
前記合金粉末中に前記セラミックス超微粒子及び前記固
体潤滑材粒子又は前記固体潤滑材短繊維を分散すること
を特徴とする粒子分散強化合金型集電摺動材の製造方
法。
【請求項８】金属粉末と、セラミックス粉末と、固体潤
滑材粉末又は固体潤滑材短繊維とを、セラミックス製又
は金属製容器内にセラミックス製又は金属製ボールとと
もに収納し、該セラミックス製又は金属製容器を回転さ
せることによって前記セラミックス製又は金属製ボール
によリ前記金属粉末を塑性変形させるに十分な押圧力を
与えるとともに、前記金属粉末を所望の粒径に成長させ
ることによって前記金属粉末の内部に前記セラミックス
粉末と固体潤滑材粉末又は固体潤滑材短繊維とを均一に
分散させるのに十分な回転速度と回転時間を与えること
を特徴とする粒子分散強化合金型集電摺動材用金属粉末
の製造法。
【請求項９】金属粉末にセラミックス超微粒子及び固体
潤滑材粒子又は固体潤滑材短繊維を含有する複合金属粉
末において、該複合金属粉末は粒径が６０μｍ以上の粒
子を４０重量％以上含むことを特徴とする粒子分散強化
合金型集電摺動材用複合金属粉末。
【請求項１０】請求項９に記載のセラミックス粒子と固
体潤滑材粒子又は固体潤滑材短繊維を含有する複合金属
粉末を高温加圧下で焼結することを特徴とする粒子分散
強化合金型集電摺動材の製造方法。
【請求項１１】金属粉末とセラミックス粉末とを機械的
作用によって微細に混合させ、該セラミックス粒子を分
散させた金属粉末を得る第１段工程と、前記セラミック
ス粒子を分散させた金属粉末と固体潤滑材粉末又は固体
潤滑材短繊維とを機械的作用によって微細に混合させる
第２段工程を包含することを特徴とする粒子分散強化合
金型集電摺動材用金属粉末の製造法。
【請求項１２】金属粉末と固体潤滑材粉末又は固体潤滑
材短繊維とを機械的作用によって微細に混合させる第１
段工程と、第１段工程によって得た金属粉末とセラミッ
クス粉末とを機械的作用によって微細に混合させる第２
段工程とを包含することを特徴とする粒子分散強化合金
型集電摺動材用金属粉末の製造法。
【請求項１３】すり板，舟体，ホーンを備えたパンタグ
ラフにおいて、請求項１から６のいずれかに記載の粒子
分散強化合金型集電摺動材をすり板としたことを特徴と
するパンタグラフ。
【請求項１４】請求項１３に記載のパンタグラフを設置
したことを特徴とする電気車。
【請求項１５】請求項１３に記載のパンタグラフにおい
て、前記すり板形状が進行方向から後方にかけて流線型
になっていることを特徴とするパンタグラフ。
【請求項１６】請求項１５記載のパンタグラフを設置し
たことを特徴とする電気車。
【請求項１７】請求項１から６のいずれかに記載の粒子
分散強化合金型集電摺動材からなり、前記集電摺動材の
１乃至それ以上の個所に圧力感知素子を備え、一定の押
し上げ力下でトロリ線との接触が保持されるパンタグラ
フを設置したことを特徴とする電気車。
【請求項１８】請求項１７において、一定押し上げ力が
６３〜７７Ｎでトロリ線との接触が保持されているパン
タグラフを設置したことを特徴とする電気車。