KR100403410B1

KR100403410B1 - 소결합금된 집전자 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR100403410B1
Application number: KR10-2001-0047244A
Authority: KR
Inventors: 아제쯔이와오; 아제쯔히데아키; 아제쯔켄타로
Original assignee: 테이코쿠 카본 코교 카부시키카이샤
Priority date: 2001-08-06
Filing date: 2001-08-06
Publication date: 2003-11-01
Also published as: KR20030012976A

Abstract

본 발명은 소결합금된 집전자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 상기 집전자는 상대적으로 저속(5 내지 40 km/hr)에서 사용되며, 가선에 접촉하여 미끄러지면서 이동되는 집전재료에 있어, 각 집전재료의 기계적 강도를 저하시키지 않으며, 집전재료 자체의 내마모성을 향상시킴과 아울러, 나아가 접촉부재인 가선의 마모를 경감시킬 수 있다.

본 발명에 따른 집전자는 윤활성 성분으로 흑연 또는 황화 금속 화합물(MoS₂, WS₂) 1종류 내지 복수 종류, 2 내지 13 중량%와, 윤활 강화성분으로 Bi 1 내지 7 중량%와, 소결 바탕성분 성분으로 Sn 4 내지 13 중량%와, 탈산 정화제로 P 1 중량% 이하를 함유하고, 잔여성분으로 주로 Cu로 제조된 분말원료를 혼합 후, 압축성형, 비산화성 내지 환원성 상태에서 가열하여 소결체를 얻게 된다.

Description

소결합금된 집전자 및 그 제조방법{A COLLECTOR SHOE MANUFACTURED BY POWDER MATALLUGICAL MATERIAL AND THAT METHOD}

본 발명은 자기윤활성(self lubrication)과 내마모성(wear resistance)이 뛰어난 구리(銅)계열 소결합금(sintered Cu-alloy)된 집전자 및 그 제조방법에 관한 것이다. 상기 구리계열 소결합금으로 제조된 집전자는 최적의 품질을 갖으며, 특히, 크레인(crane), 호이스트(hoist), 전동차와 같은 각종 운반기계에서 윤활유(lubricant)를 이용하지 않고 사용할 수 있다.

비교적 저속(5 내지 40 km/hr)으로 사용되는 각종 운반기계의 펜터그래프 (pantograph) 집전자는 고속주행 전차의 펜터그래프 집전자와는 구별되는 특성(characteristic)을 필요로 한다.

고속주행 전차의 펜터그래프 집전자는 고속으로 마찰되며 움직이므로 내마모성을 갖도록 하는 것이 중요하지만, 이러한 고속주행 전차의 펜터그래프 집전자를 저속으로 이용할 경우에는 집전자와 가선(架線, trolley) 사이의 마찰력이 크므로,가선의 접촉면이 거칠어진다(즉, 평활성(平滑性)과 광택을 잃어버리게 된다).

종래의 저속용 집전자 재료로는 일반적으로 철이나 크롬(chromium) 등의 경질성분을 내포하지 않은, 청동계의 소결합금(sintered bronze with addition agent)이 사용되었으며, 첨가제로는 황화 금속 화합물(metal sulfide)과 흑연(黑鉛)이 포함되었다.

본 발명에 따른 소결합금 물질로 제조된 집전자는 저속 주행용으로서 충분한 기계적 강도와 내마모성을 가지며, 또한 가선 접촉면의 마모와 이로 인한 손상을 경감시킬 수 있다.

이를 보다 상세히 설명하면, 종래의 저속용 집전자를 이용하는 경우에 집전자 자체는 마모가 아무리 적더라도 그 가선의 접촉면은 거칠어진다(즉, 평활성과 광택을 잃어버리게 된다)는 문제점은 계속 남아 있어, 가선의 접촉면에 파면이 발생하여, 선로상에 가선 껍질이 떨어지게 된다.

종래의 저속용 집전자에서는 상기 파면 발생과 가선의 박리(剝離) 현상을 방지하기 위하여 흑연 또는 황화 금속 화합물의 함유율을 늘리는데, 이로 인하여 집전자의 기계적 강도가 저하되어 이 집전자 자체의 마모가 빨리 진행되는 문제점이 있었다.

상기와 같은 저속용 집진자와 관련된 기술분야에서는 구리(銅)계열 소결합금(sintered Cu-alloy)용 바탕성분(matrix) 내의 흑연과 황화 금속 화합물이가선의 접촉면에 부착되어 윤활 피막(lubricating film)을 형성시키는 방법으로 마모를 방지하려고 하였으나, 그 효과에는 한계가 있었고, 이러한 작용원리로서는 완전하게 마모 문제를 해결할 수 없었다.

상기와 같은 윤활 피막의 효과가 충분하지 않으므로, 집전자의 주성분인 구리와 가선의 주성분인 구리와의 사이에는 응착(凝着, adhesion)이 발생되고, 이에 따라 가선의 마모를 조장하였다.

상기와 같은 종래 기술분야에서 제기된 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 따른 집전자는 저속 주행용 집전자로서 충분한 기계적 강도를 가지며, 저속 주행을 장기간 지속하여도 집전자 자체의 마모가 적고, 또한 접촉 부분(가선)의 마모 및 손상을 경감시킬 수 있는 소결합금을 이용하여 새로운 집전자를 제작하였다.

상기와 같은 종래의 저속용 집전자에서 발생된 문제점을 해결하기 위하여 본 발명에서 적용되는 기본적 원리는 다음과 같다.

종래에 사용되는 저속 주행용 소결합금에 윤활성 첨가제(lubricating addition agent)로서 1 내지 7 중량%의 비스무쓰(bismuth)를 첨가한다.

비스무쓰는 구리과 고용체(solid solution)를 형성하지 않기 때문에 응착(adhesion)되기 어렵고, 또한 연질이기 때문에 접촉면(가선)에 흠집을 내지않는다.

종래에 사용되는 저속주행용 소결합금에 포함된 흑연이나 황화 금속 화합 물질의 윤활 능력이 사용에 따라 저하될 경우, 비스무쓰는 윤활성능을 보강하여 마모를 억제시킨다.

비스무쓰의 첨가량이 1 중량% 미만일 때에는 그 효과가 낮고, 7 중량%를 넘으면 기계적 강도가 저하하기 때문에, 비스무쓰의 첨가량은 1 내지 7 중량%인 것이 적당하다.

여기에 소량의 인을 첨가하면, 소결용 바탕성분(sintered matrix)이 형성 될 때에 인의 탈산 작용(deoxidation)에 의해 금속성분을 정화시켜 합금 바탕성분 (alloy matrix)의 기계적 강도를 향상시킨다.

인의 첨가량이 0.1 중량% 미만일 때에는 효과가 적고, 1 중량%를 넘을 때는 인성(靭性, toughness)이 저하되기 때문에, 인의 첨가량은 0.1 내지 1 중량%인 것이 바람직하다. 다만, 인을 첨가하는 목적은 금속성분의 탈산 정화이기 때문에, 원료와 로(爐) 내의 상태가 아주 깨끗할 경우에는 인의 첨가량을 "0"에 가깝게 하여도 좋다. 본 발명에서 인의 첨가량이 「1% 이하」라고 하는 것은 "0"을 포함한 의미이다.

본 발명을 적용하여 1 내지 7중량%의 비스무쓰를 배합한 경우, 흑연의 함유량은 2 내지 13%가 적절하다. 2 중량% 미만인 경우에는 흑연에 의한 윤활 효과가 부족하게 되고, 13 중량%를 넘으면 기계적 강도가 저하된다.

또한, 황화 금속 화합물(MoS₂,WS₂)의 함유량도 상기와 같은 이유로 「황화 금속 화합물 및 흑연과의 합계 배합량」이 2 내지 13 중량%로 하는 것이 바람직하다.

구리와 결합하여 소결 부분을 형성하는 주석(Sn)의 배합량은 4 내지 13 중량%가 적당하다.

주석의 배합량이 4 중량% 미만일 경우에는 구리와의 결합력이 약하기 때문에 바탕성분(matrix)의 강도가 부족하게 되고, 13 중량%를 넘으면 기계적 강도에 영향을 미치며 무르게(fragility) 된다.

본 발명에 따른 소결합금제 집전자 제조 방법은 「윤활 성분으로서, 흑연 또는 황화 금속 화합물(MoS₂, WS₂)의 한 종류 내지 복수 종류, 2 내지 13 중량%」와, 「윤활 강화 성분으로서 Bi 1 내지 7 중량%」와,「소결 합금(sintered alloy) 바탕성분(matrix)성분으로서 Sn 4 내지 13 중량%」와, 「탈산 정화을 위한 첨가제로서 P 1 중량% 이하」와, 「잔여성분으로서 주로 Cu 분말」을 혼합하는 단계; 상기 혼합된 분말 원료를 압축성형하는 단계; 상기 압축성형된 혼합물을 비산화성 환경(non-oxidizing atmosphere) 하 또는 환원성 환경(reducing atmosphere) 하에서 가열하는 단계를 포함하며 구성되며, 이러한 방법을 통하여 소결체(sintered metal)를 얻게 된다.

본 발명에 따른 소결합금 집전자는 압축성형된 소결합금으로부터 제조된 집전재료로서, 2 내지 13 중량%의 「흑연 또는 황화 금속 화합물(MoS₂, WS₂)의 한 종류 또는 복수 종류」와, 1 내지 7 중량%의 Bi와, 4 내지 13 중량%의 Sn과, 1 중량% 이하의 P을 함유하며, 잔여물로는 주로 Cu인 것을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 본 발명에 따른 소결합금제 집전자 및 이 집전자의 제조방법을 통하여 저속 주행용이며, 윤활유를 사용하지 않고 양질의 내마모성을 나타내며, 더구나 충분한 기계적 강도를 가지고 있으므로 균열과 결손이 발생될 위험이 없으며, 더욱이 접촉부재인 가선에 응착 마모를 발생시키는 위험성도 없는 집전자를 공업적으로 제조할 수 있다.

본 발명에 따른 소결 합금제 집전자는 윤활유를 사용하지 않고 저속 주행에서만 사용하는 경우, 뛰어난 자기 윤활성과 내마모성을 발휘할 수 있고, 충분한 기계적 강도를 가지고 있으므로 빠른 마모와 균열, 결손을 발생시키지 않는다는 효과가 있다.

또한, 접촉부재인 가선에 응착 마모를 발생시키는 위험이 없는 뛰어난 실용적인 효과를 얻을 수 있다.

〔실시예〕

(1) 원료의 제조

소결합금의 모체(母體)가 되는 Cu-Sn-P(단, P〈1 중량%이다)를 기질(基質, substratum)로 하며,

여기에 윤활성분으로서 흑연 또는 MoS₂또는 WS₂인 황화 금속 한 종류 이상을 첨가한 후,

3 중량% 내지 5 중량%의 비스무쓰 분말을 더한 다음, 하기 <표 1>에 나태낸 바와 같이 〔실시예 1〕 내지 〔실시예 8〕의 배합원료를 얻었다. 상기 비스무쓰 분말의 입도(粒度)는 60메쉬(mesh) 이하이다.

하기 <표 1>에 나타낸 〔비교예 1〕은 흑연을 함유하는 공지된 구리 계열 소결합금의 조성이며, 〔비교예 2〕는 흑연과 황화 금속(MoS₂)을 함유하는 공지된 구리계열 소결합금의 조성이다.

〔표 1〕배합조성 (단위 : 중량 %)

구 분	소결 바탕	윤활 성분
구 분	Cu	Sn	P	흑연	MoS₂	WS₂	Bi
실시예 1	잔여성분	8	0	5	0	0	3
〃 2	잔여성분	8	0.2	4	0	0	5
〃 3	잔여성분	6	0	0	3	0	3
〃 4	잔여성분	6	0.2	0	3	0	5
〃 5	잔여성분	7	0	3	1	0	3
〃 6	잔여성분	7	0.2	3	1	0	5
〃 7	잔여성분	6	0	0	0	5	3
〃 8	잔여성분	7	0.2	3	0	1	3
비교예 1	잔여성분	8	0.2	3	0	0	0
〃 2	잔여성분	6	0	2	2	0	0

(2) 성형·소결 공정

상기 <표 1>에 나타낸 〔실시예 1 내지 8〕 및 〔비교예 1 및 2〕, 총 10 종류의 분말원료를 각각 혼합기에 의하여 잘 혼합시켜 균일화시킨 후, 각 혼합물을 400MPa로 압축형성하여 환원성 환경에서 90분간 750℃로 보관/소결하여 〔실시예 1 내지 8〕 및 〔비교열 1 및 2〕, 총 10 종류의 소결체(집전자)를 얻었다.

〔표 2〕물리적·기계적 성질

구 분	경도HB	충격치KJ/m²	인장강도MPa	전기저항치μΩm
실시예1	46	38	122	0.21
〃 2	47	35	113	0.22
〃 3	53	42	132	0.19
〃 4	55	40	154	0.19
〃 5	49	36	128	0.21
〃 6	49	35	116	0.21
〃 7	54	38	145	0.20
〃 8	48	36	112	0.21
비교예1	60	52	181	0.16
〃 2	61	51	193	0.18
규격치	70 이하	10 이상	100 이상	0.3 이하

(3) 재료시험

상기 〈표 2〉의 가장 아래 칸에 표시한 「규격치」는 일본국내의 주요 전기 제조업체에서 「가선에 접촉하여 주행하는 집전자」에 대한 검사규격의 일례이다.

상기 <표 2>에서 알 수 있는 바와 같이, 〔실시예 1 내지 8〕의 모든 소결체는 집전자로서 전기적, 기계적 특성에 합격됨을 알 수 있다.

(4) 마찰시험

상기 실시예 및 비교예의 10개 소결체 각각에서 10 ×25 ×90mm 시험용 조각을 적출하여, 이 시험용 조각을 회전식 집전 섭동 시험기에 넣은 후, 윤활유를 넣지 않은 상태에서 압력 20N, 전류 AC 30A, 섭동 속도 20(km/hr)로 2시간 동안 가선에 대하여 섭동시켰다.

상기의 섭동시험에서 시험용 조각의 비마모율, 접촉 물체인 가선의 마모률 및 시험용 조각의 섭동면과의 상태는 다음 〈표 3〉과 같다.

〔표 3〕비마모량(比摩耗量)

구 분	시험조각 마모량×10^-5mm³/Nㆍm	가선 마모율mm/10⁴回	시험용 조각의 섭동면 상태
실시예 1	0.15	0.00026	평활ㆍ광택 有
〃 2	0.16	0.00027	〃
〃 3	0.27	0.00038	〃
〃 4	0.26	0.00035	〃
〃 5	0.19	0.00032	〃
〃 6	0.17	0.00031	〃
〃 7	0.23	0.00038	〃
〃 8	0.18	0.00033	〃
실시예 1	0.68	0.00083	〃
〃 2	0.83	0.00076	〃

상기 〈표 3〉에서 알 수 있는 바와 같이,〔실시예 1 내지 8〕 모두가 〔비교예 1 및 2〕과 비교하여 시험용 조각의 마모가 적고, 더구나 가선의 마모가 +적음을 알 수 있다.

Claims

「윤활성분으로 흑연 또는 황화 금속 화합물(MoS₂, WS₂) 1종류 내지 복수종류, 2 내지 13 중량%」와, 「윤활 강화 성분으로 Bi 1 내지 7 중량%」와, 「소결합금 바탕성분으로 Sn 4 내지 13 중량%」와, 「탈산 정화제로 P의 1중량% 이하」를 함유하고, 잔여성분으로 주로 Cu인 분말원료를 조성하여 혼합하는 단계;

상기 혼합된 분말원료를 압축성형하는 단계;

상기 압축성형된 혼합물을 비산화성 상태 내지 환원성 상태에서 가열하여 소결체를 얻는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 집전기용 소결합금의 제조 방법.
압축성형된 소결합금으로 제조된 집전재료로서, 2 내지 13중량%의 「흑연 또는 황화 금속 화합물(MoS₂, WS₂) 1종류 또는 복수종류」와, 1 내지 7 중량%의 Bi와, 4 내지 13 중량%의 Sn과, 1 중량% 이하의 P를 함유하며, 잔여성분으로는 주로 Cu로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 소결합금으로 제조된 집전자.