JPS5839216B2 - 炭素繊維を配合した集電用すり板 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は炭素繊維を配合した集電用すり板に係り、詳し
くは、電気車輛等のパンタグラフ用すり板として好適で
あって、ＴｉならびにＣｒを含むＣｕ系マトリックス金
属中に炭素繊維が介在し、潤滑性、耐摩耗性ならびに耐
アーク性に優れる集電用すり板に係る。

従来から、Ｃｕ系マトリックス金属中に炭素繊維を介在
複合させ、炭素繊維の潤滑性と機械的強度の向上とを有
為（こ利用した電気車用の集電用すり板が知られている
。

このすり板は炭素繊維の優れた潤滑性のため、摺動音の
発生が少なく、相手のトロリー線の摩耗が少ないという
オリ点があるが、炭素繊維と金属マｌ−ＩＪラックス結
合強度が充分でないため、すり板の摩耗が比較的大きく
、アーク（こよる溶損にも若干弱い傾向を示す。

このため、金属マトリックス中に炭素と親和力の強い元
素を添加することにより、炭素繊維と金属マトリックス
との境界面に炭化物を形成し、その結合強度を強化する
ことも行なわれているが、問題が多い。

本発明は、上記欠点の解決を目的とし、具体的をこは、
炭素繊維と金属マトリックスとを複合せしめたすり板材
において、その金属マトリックス中に炭化物生成元素と
して２種類、具体的にはＴｉとＣｒを同時ｔこ添加する
と共に、それ等の添加比率を特定の範囲（こ規定し、こ
れによる両者の相乗効果によって、Ｔｉ、Ｃｒの倒れか
の単独添加だけでは達せられない程度に良好な耐摩耗性
、耐アーク性の向上を達成したすり板材を提案する。

すなわち、本発明はＴｉ１〜１０重量φなら重量−Ｃｒ
５〜２０重量ダを含んで、残余が実質的（こＣｕから成
るマトリックス金属中ｌこ炭素繊維を介在複合させて成
ることを特徴とする。

また、Ｔｉ１〜１０重量多、Ｃ重量−２０重量φならび
ｔこＳｎ２〜２５重量優を含んで、残余が実質的（こＣ
ｕから成るマ１−ＩＪツクス金属中に炭素繊維を介在複
合させて成ることを特徴とする。

以下本発明に係るすり板についで詳しく説明する。

まず、本発明に係る本すり板は炭素繊維と金属マトリッ
クスとの複合体から戊って、この金属マトリックス中に
炭素繊維を介在させる。

この炭素繊維は、一般Ｇこ炭素質または黒鉛質繊維とも
いわれているものであれば倒れのものでも良く、その寸
法は通常直径３〜２０μｍ、長さ０．２〜１０ｍｍ程度
の短繊維で良く解繊された状態のものが好ましいが、連
続繊維でもよく、また短繊維と連続繊維を併用すること
も可能である。

また、炭素繊維は金属マトリックスに対して、体積百分
率で１０〜７０咎程度で十分であかが、好ましくは３０
〜６０％程度である。

すなわち、金属マトリックスに対し炭素繊維が体積百分
率で１０φ以下であると、炭素繊維の特性、つまり潤滑
性や機械的強度の向上等が達せられず、７０％以上にこ
なると、金属マトリックス中に後記の如＜Ｔｉ ＞Ｃｒ
を添加しても、金属マトリックスによる炭素繊維の保持
に支障が生じる。

次に、金属マトリックスは主成分をＣｕとし、このＣｕ
系マトリックス中にＴｉ１〜１０重量φとＣ重量−２０
重量多を含有させる。

また、残余が実質的にＣｕから成るが、この残余のＣｕ
の一部は２〜２５重量％Ｓｎで置換することができ、そ
の他に、不可避的に不純物を混入させることができる。

更に、炭素繊維と金属マトリックスとの結合を弱化させ
たり、全体としての強度や、耐アーク性等を害しない範
囲であれば少量のＮ ｉｚ １ｌｖＩ 。

Ｗ等の金属や黒鉛、炭素、二硫イヒモリブデン、二硫化
タングステン、ボロンナイトライド等の非金属酸分や、
これ以外でも一般的に潤滑成分としで用いられるものは
必要に応じて添加することができる。

これら成分を添加すると潤滑性は向上させることができ
る。

また、このすり板は通常粉末冶金法で製造すれば良く、
とくに、加圧焼結の手法（こよって製造するのが最適で
あって、この場合は、金属マトリックスの各成分は金属
粉末若しくはこれを一種若しくは二種以上を含む合金粉
末として添加配合すれば十分である。

すなわち、Ｔｉはその粉末若しくは合金粉末としで配合
する。

この際、その粉末は細かい方が好ましく、細かいとベー
スのＣｕ中（こ拡散固溶し易く、従って、炭素繊維との
境界に炭化物を作り易く、炭素繊維の機械的外力、アー
クにより脱落飛散を防止する効果がある。

従って、Ｔｉ若しくはその合金粉末は２００メツシユ以
下の細粉として添加するのが好ましい。

また、Ｔｉの添加比率をマトリックス金属中で１〜１０
重量条【こ規定した理由は、その添加量１重量多未満で
は炭素繊維との境界における炭化物の生成が不充分であ
り効果が少なく、添加量が１０重重量板上になると、炭
化物の量は充分となるがチタンがマトリックス金属中に
充分固溶せず、未溶解チタン粉としてマトリックス金属
中に介在する量が多くなり、すり板の耐摩耗性を害する
からである。

また、Ｔｉと同時に添加するＣｒはＴｉと同じく炭化物
を生成する。

しかし、Ｃｒは通常の焼結温度ではマｌ−ＩＪラックス
金属中余り固溶せず。

従って、炭素繊維との間に炭化物を生威しで繊維を強く
固定するという効果はＴｉはとは期待できない。

しかし、Ｃｒは比較的硬い粒子としてマトリックス金属
中に介在し、高硬度と高融点のために耐摩耗性と耐アー
ク性をよく向上する。

従って、Ｃｒ若しくはその合金粉末は比較的粗い５０〜
２００メツシユの粉としで添加するのが望ましい。

Ｃｒの添加比率をマｌ−ＩＪラックス属の５〜２０重量
咎（こ規定した理由は、Ｃｒ５重量係未満では硬質相と
しての量が不充分で充分な耐摩耗効果が期待できず、ま
た、Ｃｒ ２０重量心をこえると、硬質相としての量が
過多となって、相手のトロリー線の摩耗量を増すからで
ある。

要するに、体積百分率で３０〜６０％を占める炭素繊維
の潤滑作用の範囲ではトロリー線に対して殆んど無害に
介在させうるＣｒの上限は２０重量φ程度である。

また、マトリックス金属中（こはＴｉならびにＣｒのほ
かに、Ｃｕの一部を２〜２５重量多のＳｎで置換するの
が好ましい。

すなわち、Ｓｎが添加されると、焼結時に主或分のＣｕ
との間に低融点の液相が発生し、焼結ないし加圧焼結を
容易にでき、機械的強度や硬さを上昇させるととも（こ
、Ｓｎの合金化により相手のトロリー線の純Ｃｕの結晶
構造とは異ったものになる。

従って、相手のトロリー線との間でいわゆる°゛ともが
ね″摩擦ｔこよる溶着や異常摩耗が避けられ、すり板と
しての性能が大きく向上する。

また、Ｓｎの金属マトリックス中における添加比率を２
〜２５重量係とするのは、その添加量２重量多未満では
強度、硬さが不足で耐摩耗性が低下するためであり、添
加量２５重量φ以上ではマ） ＩＪラックス属の軟化温
度が低く、アーク発生時の高温に耐えられない他、材質
のじん性が著しく劣化する傾向があるからである。

また、Ｓｎｌこつき上記効果を顕著Ｇこ遠戚するＧこは
、その添加量はとくに５〜１０重量多が望ましい。

次に、実症例について説明する。

まず、マトリックス金属の形成粉末として、粒径７４μ
以下のＳｎ粉Ｏ〜１０重量係、粒径７４〜１７７μのＣ
ｒ粉Ｏ〜２５重量係、粒径４０μ以下のＴｉ粉Ｏ〜１０
重量φならび（こ残余としての粒径１０５μ以下のＣｕ
粉を全体で１００％となるよう配合した。

次Ｏこ、このマトリックス金属ｌこ対し、炭素繊維を長
さ０．２〜１０關ならびに径３〜２０μ程度の短繊維の
状態で介在させ、第１表の比率になるよう配合した。

これら各種原料分は混合機に入れ、十分混和し、これら
各種混合粉をそれぞれ押型に入れて０．４ｔｏｎ／−の
圧力をかけながら、真空雰囲気中でＳＯＯｏＣで約１時
間加圧焼結し、この焼結体を１０１００Ｘ２５Ｘ１０の
試験片に加工して試料風１−Ｎｃｔ１５をつくった。

なお、第１表ｆこおいてＭ３〜８，１’！ｌｌＯ，寛１
１ならびに叱１３〜１５の各試料片はマトリックス金属
中にＣｒ粉とＴｉ粉とを同時に添加し、とくに、隘１３
〜１５の各試料片はＣｒ粉とＴｉ粉とのみを同時１こ添
加したものである。

また、Ｉ’ｂ２． ｆ’ｔｈ９及びｌ’ｉ１２の各試料
片はＴｉ粉かＣｒ粉が伺れか一方のみを添加した比較例
であり、Ｍｌの試料片はＣｒ粉、Ｔｉ粉の倒れをも含ま
ない比較例である。

また、第１表で試料片叱１〜東８は炭素繊維を体積百分
率で４０条含む試料であり、試料片Ｎ［１９〜叱１５は
炭素繊維の一部を炭素粉によって置換えたものである。

これら各試料片について摩耗試験を行なったが、その結
果は第２表に示す通りであった。

この摩耗試験においては、直径１ｍのトロリー線を回転
し、これに第１表に示すＮｃＬ１〜隘１５の各試料片を
順次に押し当て、トロリー線側をプラスとして両者の間
に直流電流を通じながら摺動させ、各試料片※※の摩耗
量（３）は摺動前後の重量差から求め、トロリー線の摩
耗量はその太さの変化をマイクロメーターで計測するこ
とｋこよって求めた。

なお、摺動速度１１００ｋ／ｈ、押付力５．５ ｋｙ、
通電量１００Ａ、摺動時間３０分であった。

また、第２表の結果は、Ｃｒ量、Ｔｉ量との関係（こお
いて示すと、第１図ならびに第２図１こ示す通りであっ
た。

まず、第１図はＴｉ量３重量多一定の条件下のＣｒ量と
比摩耗量（単位押付力ならびに単位摺動距離当りの摩耗
体積ｍｍ３／ｍｍｋｇ ）との関係を示すグラフであり
、第２図はＣｒ量１０重量多一定の条件下のＴｉ量と比
摩耗量との関係を示すグラフである。

なお、第１図ならび（こ第２図（第３図、第４図（こお
いても同様）において各数字は各試料片の階を示し、ま
た、図中において、−・−はＳｎ有、かつ炭素繊維４０
体積多の場合、・・・○・・・はＳｎ有、炭素繊維３０
体積φ、かつ炭素１０体積φの場合、・・・△・・・は
Ｓｎ無、炭素繊維３０体積多、かつ炭素１０体積φの場
合を示す。

第１図からマトリックス金属中に全＜Ｔｉ、Ｃｒを含ま
ない場合（試料片Ｚ）に較べると、Ｔｉのみ３重量多添
加して戊る場合（試料片２，９）は比摩耗量がかなり減
少し、第１図において、−トＩＪツクス金属中でＴｉ３
重量多一定の条件でＣｒ量を変化させた場合には、その
比摩耗量は実線で示す炭素繊維４０体積多の場合１点線
で示す炭素繊維３０体積多ならびに炭素粉１０体積多の
場合の何れであっても、Ｃｒ量が５重量φ以上金属マト
リックスに加わると比摩耗量が著しく減少することがわ
かる。

更に。第２図においては金属マトリックスでＣｒｌＯ重
量多一定の条件でＴｉ量を変化させた場合には、その比
摩耗量はＣｒｌＯ重量φのみの試料片１２に比べ、Ｔｉ
が３〜５重量重量別添加たものは。

比摩耗量が著しく減少していることがわかる。

更に、相手方のトロリー線の接触面の摩耗減量をそれぞ
れ第１図ならびに第２図（こ示すところと同様に示すと
、第３図ならび（こ第４図の通りであった。

第３図からＣｒの添加に伴ってトロリー線の摩耗量が漸
増し、特に添加量２０重量係を越すと、１＠。

激に増加し第４図にこ示されるようにＴｉの添加量１０
重重量性ではトロリー線の摩耗量には殆んど影響しない
ことがわかる。

なお、上記試料片の中で本発明に係る試料片の顕微鏡組
織の一例を示すと、第５図（こ示す通りであって、マト
リックス金属の素地１は主としてＣｕ−３ｎ −Ｔ ｉ
より成り、そのＴｉの一部は介在する炭素繊維２との界
面（こ炭化物２ａを形成し、炭素繊維とマトリックス金
属との結合を強めるのに役立つほか、Ｃｒ粒子３は素地
１中には殆んど拡散せずに独立して点在し、耐摩耗性な
らび多こ耐アーク性の向上に役立っていることがわかる
。

以上、詳しく説明した通り１本発明は炭素繊維がマトリ
ックス金属中に介在複合し、しかも、この金属マトリッ
クス中（こＣｒ＞Ｔｉの各成分を同時添加して成るもの
であるから、すり板として耐摩耗性が向上し、しかも、
トロリー線等の相手材の摩耗量も軽減すること、更に、
Ｃｒ 、Ｔｉのほかに、Ｃｕの一部をＳｎで置換すると
、相手方のトロリー線の摩耗が一層おさえられる。

【図面の簡単な説明】

第１図ならびに第２図はそれぞれＣｒ含有量。 Ｔｉ含有量と試料の比摩耗量との関係を示すグラフ、第
３図ならびに第４図はそれぞれＣｒ含有量。 Ｔｉ含有通と相手方トロリー線の摩耗減量との関係を示
すグラフ、第５図は本発明の一つの実推例に係るすり板
の顕微鏡組織を示す説明図。 符号、１・・・・・・金属マトリックスの素地、２・・
・・・・炭素繊維、２ａ・・・・・・炭化物、３・・・
・・・Ｃｒ粒子。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ Ｔｉ１〜１０重量饅ならびにＣｒ５〜２０重量多を
   含んで、残余が実質的にＣｕから成るマトリックス金属
   中（こそのマトリックス金属に対しで体積百分率で１０
   〜７０％の炭素繊維を介在複合させて成る炭素繊維を配
   合した集電用すり板。 ２ Ｔｉ１〜１０重量多、Ｃｒ５〜２０重量多ならびに
   Ｓｎ２〜２５重量袈を含んＴ１残余が実質的にＣｕから
   威るマトリックス金属中にそのマトリックス金属に対し
   て体積百分率で１０〜７０％の炭素繊維を火柱複合させ
   て成る炭素繊維を配合した集電用すり板。