KR100557347B1 - 윤활성이 우수한 그리스함침 팬터그래프용 집전마찰판의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 윤활성이 우수한 소재에 관한 것이다.

본 발명은, 중량%로, 주석: 4~12%; 그리고 철, 티타늄, 납, 아연, 인, 흑연으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상: 0.2~15%; 나머지 구리로 이루어진 분말조성물을 균일하게 혼합하는 단계; 상기 단계에서 얻어진 혼합물을 가압성형한 후, 650~900℃의 온도에서 소결하여 5~30%의 기공율을 갖는 성형 소결체를 제조하는 단계; 및 상기 성형 소결체의 내부 기공내에 충분히 채워지도록 그리스를 진공함침시키는 단계;를 포함하여 이루어진다.

본 발명에 따르면 물리적인 특성의 열화없이 윤활성을 향상시킴으로써 수명이 개선된 소재의 제조가 가능하며, 특히 본 발명을 이용하여 팬터그래프용 집전마찰판을 제조하면 전차선의 마모량을 감소시킬 수 있어 자원절약이 가능할 뿐만 아니라 마모분진이 적어 환경을 보호할 수 있는 효과가 있다.

그리스, 함침, 기공율, 소결체, 팬터그래프

Description

윤활성이 우수한 그리스함침 팬터그래프용 집전마찰판의 제조방법{Method for manufacturing the friction plate for pantograph impregnated grease having excellent property of lubrication}

도 1은 본 발명재와 종래재의 각 온도별 중량손실을 나타내는 그래프이다.

도 2는 본 발명의 실시에 필요한 장치의 개략도이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1, 2...용기 3...진공펌프

4...밸브

본 발명은 윤활성이 우수한 소재에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기공을 갖는 성형소결체에 그리스를 함침함으로써 윤활성을 향상시킬 수 있는 소재에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 내열성, 내우성(耐雨性) 및 윤활성이 우수하여 전차나 기관차의 옥상에 설치되는 팬터그래프용 집전마찰판에 이용이 가능한 소재의 제조방법에 관한 것이다.

통상 전동차의 집전기는 전차나 기관차의 옥상에 설치되어 가선(trolly wire)과 접촉하면서 집전하는 설비로서, 가선과 계속적으로 접하는 부분에는 집전마찰판이 마련된다. 상기 집전마찰판은 전기전도도, 내아크성, 내우성 및 윤활성 등의 특성이 요구되며, 특히 가선과의 마찰에 오랫동안 유지될 수 있도록 우수한 내마모성이 요구된다.

종래의 집전마찰판은 구리, 주석 및 흑연을 소정의 비율로 혼합함과 동시에 기공발생제를 첨가하여 다공성 성형체를 소결한 다음, 여기에 도전성이 뛰어난 전도성 기계유를 함침시켜 제조되었다. 그러나, 이러한 종래기술의 집전마찰판은 전도성 기계유를 함침시켜 윤활성을 증대시키기 때문에 사용중 기계유의 온도증가로 인하여 모체로부터 기계유가 흘러나오는 문제점이 발생하게 된다. 특히 우기시에는 집전판 표면의 전도성 기계유가 씻겨 내려가게 되어 윤활성이 급격하게 떨어지고 마모가 급격히 진행되는 문제점도 발생하게 된다.

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 기계유를 대신하여 그리스를 다공성 성형 소결체에 진공함침시키고, 성형 소결체의 기공율을 제어함에 의하여 내마모성을 비약적으로 향상시킬 수 있는 윤활성이 우수한 소재의 제조방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

중량%로, 주석: 4~12%; 그리고 철, 티타늄, 납, 아연, 인, 흑연으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상: 0.2~15%; 나머지 구리로 이루어진 분말조성물을 균일하게 혼합하는 단계;

상기 단계에서 얻어진 혼합물을 가압성형한 후, 650~900℃의 온도에서 소결하여 5~30%의 기공율을 갖는 성형 소결체를 제조하는 단계; 및

상기 성형 소결체의 내부 기공내에 충분히 채워지도록 그리스를 진공함침시키는 단계;를 포함하여 이루어진다.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명은 기공이 존재하는 소재의 윤활성을 향상시키기 위하여 이용될 수 있으며, 특히 팬터그래프용 집전마찰판에 이용하면 윤활성을 극대로 향상시킬 수 있다.

먼저, 본 발명의 소재의 성분제한 이유부터 살펴본다.

상기 주석은 마찰판의 주요성분인 구리와의 합금화를 통하여 동 소지를 강화하기 위한 성분이다. 상기 주석의 함량이 4중량% 미만이면 구리의 소결능력이 저하되어 기계적 성질이 향상되지 않을 뿐만 아니라 집전마찰판의 수명이 짧아지는 문제점이 있고, 12중량%를 초과하면 비저항이 상승하게 되어 아크소모 및 용손 등의 전기적 마모를 나쁘게 하는 문제점이 있으므로, 그 함량은 4~12중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

나아가, 본 발명에서는 상기한 성분 이외에 철, 티타늄, 납, 아연, 인, 흑연으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상이 첨가된다.

상기 철은 강도와 경도를 향상시키는데 유효한 성분이고, 상기 티타늄은 강도와 경도에 내아크성까지 향상시키는데 유효한 성분이다. 상기 납은 집전마찰판의 윤활성을 향상시키는데 유효한 성분이며, 상기 아연은 구리와의 고용강화 효과와 내마모성 및 윤활성을 향상시키는데 유효한 성분이고, 상기 인은 구리의 소결력을 촉진시키고 내식성을 향상시키는데 유효한 성분이다. 상기 흑연은 전차선과 집전마찰판 사이에 개재하여 금속접촉을 줄임으로써 마모를 감소시킬 수 있는 윤활성분이다. 본 발명에서는 상기 철, 티타늄, 납, 아연, 인, 흑연으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 0.2~15중량% 첨가하는 것이 바람직하다. 상기 함량이 0.2중량% 미만이면 첨가재로써의 상기 효과를 얻을 수 없고, 15중량%를 초과하면 전기적 마모를 열화시키는 문제점이 있다.

상기한 성분 이외에 나머지는 구리로 이루어진다.

또한, 본 발명은 상기한 분말조성물에 0.05~2중량%의 기공발생제를 추가로 첨가하는 것이 가능하다. 상기 기공발생제의 첨가량이 0.05중량% 미만이면 기공발생이 부족할 수 있으며, 2중량%를 초과하면 기공이 너무 많아져 모체의 조직이 악화되고 편석에 의해 기공이 너무 커지는 문제점도 발생할 수 있으므로, 상기 기공발생제 첨가시 그 함량을 0.05~2중량%로 제한하는 것이 보다 바람직하다.

상기 기공발생제의 대표적인 예로는 스테아린산 아연이 있으나, 이에 한정되 는 것은 아니며 기공발생 및 성형윤활작용 등의 성질에 따라 다양한 기공발생제가 사용될 수 있다. 기공발생제의 예로는 상기 스테아린산 아연을 포함한 메탈-스테아레이트(metal-stearate), 스테아린산 등이 있다.

이하, 본 발명의 제조방법에 대하여 살펴본다.

먼저, 상기와 같이 조성된 분말조성물을 균일하게 혼합한다. 이후 상기에서 얻어진 혼합물을 가압성형한 후, 650~900℃의 온도에서 소결한다.

이때, 상기 소결온도가 650℃ 미만이면 소결이 되지 못하고, 900℃를 초과하면 과소결로 인하여 동 끌림(copper drag) 현상이 발생되는 문제점이 있으므로, 상기 소결온도는 650~900℃로 제한하는 것이 바람직하다. 상기와 같이 성형된 소결체는 기공율이 5~30%인 것이 보다 바람직하다. 그 이유는 상기 성형 소결체의 기공율이 5% 미만이면 폐기공 및 높은 소결밀도에 의해 함침이 잘 되지 않는 문제점이 발생될 수 있으며, 30%를 초과하면 기계적 물성이 떨어질 가능성이 있기 때문이다.

이후, 상기 성형 소결체에 그리스를 진공함침시킨다. 본 발명에 이용될 수 있는 그리스는 주도 No.000, NLGI인 것이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 주도는 25℃에서 20000±2000cst 정도의 점도값에 해당된다(일반적으로 그리스는 점도로 표시되지 않고, 굳은 정도를 의미하는 주도로 표시됨). 이때 그리스는 상기 소결체에 형성된 모든 기공에 채워질 수 있도록 충분히 함침시켜야 하며, 그 방법을 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 실시에 필요한 장치의 개략도이며, 도 2에서 알 수 있는 바와 같이 용기(1)에 집전마찰판을 넣고, 용기(2)에 그리스를 넣는다. 그리고, 진공펌프(3)로 진공을 뽑아 집전마찰판 내부에 있는 공기까지 완전히 제거시킨 다음, 그리스의 주도가 낮아질때까지 양측 용기를 가열한다. 이후, 밸브(4)를 오픈시키면 용기(2)에 들어있는 그리스가 기압차에 따라 용기(1)로 이동하게 되고, 모세관 현상에 의하여 급격하게 모체에 함침될 수 있는 것이다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하며, 이는 본 발명의 바람직한 일실시예일뿐 이에 의하여 본 발명이 제한되는 것은 아니다.

[실시예1]

하기 표 1과 같은 분말조성을 마련하였다. 상기 마련된 분말조성을 2.0ton/㎠의 압력으로 성형한 다음 암모니아 가스 분위기 하에서 850℃의 소결온도로 3시간 동안 소결하였다. 이때 각각의 기공율은 하기 표 1과 같다.

상기와 같이 제조된 모체의 기공에 그리스 또는 기계유를 각각 함침시킨 후 5.0ton/㎠의 압력으로 재압하여 브리넬 경도기, 저항측정기, 인장강도기, 샤피 충격시험기 등을 이용하여 물리적 특성을 측정하였다. 그 결과는 하기 표 2와 같다.

또한, 마모 테스트기를 이용하여 집전마찰판 및 전차선의 마모량 변화를 측정하였으며, 그 결과는 하기 표 3과 같다. 상기 마모량 측정시 우기조건에서 주행속도 60km/hr, 인가전류 500A, 압상력 5kgf의 조건으로 마모량 변화를 측정하였다.

	성분(중량%)						함침유 종류	기공율 (%)
	주석	흑연	철	납	기공 발생제	구리
발명재1	6	3	3	3	-	85	그리스	15
발명재2	8	3	3	-	-	86	그리스	10
발명재3	8	3	3	-	0.2	85.8	그리스	11
비교재1	6	3	3	3	-	85	기계유	15
비교재2	8	3	3	-	-	86	기계유	10
- 상기 기공발생제로는 스테아린산 아연을 사용함

구분	밀도 (g/㎤)	경도 HB(10/500)	전기비저항 (μΩㆍcm)	인장강도 (kgf/㎠)	충격강도 (kgfㆍcm/㎠)
발명재1	7.0	40	25	1390	124
발명재2	7.5	48	18	1680	145
발명재3	7.45	47	19	1630	140
비교재1	6.95	41	25	1450	120
비교재2	7.4	46	18	1600	140

구분	마모량 변화
	집전마찰판 (g/100km)	전차선 (mm/100km)
발명재1	8.8	0.007
발명재2	10.4	0.009
발명재3	10.2	0.012
비교재1	13.7	0.025
비교재2	15.5	0.027

상기 표 2에서, 본 발명의 범위를 만족하는 발명재와 비교재는 물리적인 특성에서는 동등한 특성을 나타내고 있음을 알 수 있다.

그러나, 표 3에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 범위를 만족하는 발명재는 비교재에 비하여 30% 이상 내구성이 향상되었고, 전차선의 마모량 또한 감소되 었음을 알 수 있다.

[실시예2]

하기 표 4와 같은 분말조성을 마련하였다. 상기 마련된 분말조성을 3.0ton/㎠의 압력으로 성형한 다음 암모니아 가스 분위기 하에서 750℃의 소결온도로 2시간 동안 소결하였다. 이때 각각의 기공율은 하기 표 4와 같다.

상기와 같이 제조된 모체의 기공에 그리스 또는 기계유를 각각 함침시킨 후 4.0ton/㎠의 압력으로 재압하여 브리넬 경도기, 저항측정기, 인장강도기, 샤피 충격시험기 등을 이용하여 물리적 특성을 측정하였다. 그 결과는 하기 표 5와 같다.

또한, 마모 테스트기를 이용하여 집전마찰판 및 전차선의 마모량 변화를 측정하였으며, 그 결과는 하기 표 6과 같다. 상기 마모량 측정시 우기조건에서 주행속도 80km/hr, 인가전류 500A, 압상력 5kgf의 조건으로 마모량 변화를 측정하였다.

	성분(중량%)								함침유 종류	기공율 (%)
	주석	흑연	티타늄	납	아연	인	기공 발생제	구리
발명재4	7	4	3.5	-	-	0.5	-	85	그리스	15
발명재5	7	4	-	3.5	-	0.5	-	85	그리스	15
발명재6	8	5	-	3	3	-	-	81	그리스	20
발명재7	8	5	-	3	3	-	0.75	80.25	그리스	22
비교재3	7	4	-	3.5	-	0.5	-	85	기계유	15
비교재4	8	5	-	3	3	-	-	81	기계유	20
- 상기 기공발생제로는 스테아린산 아연을 사용함

구분	밀도 (g/㎤)	경도 HB(10/500)	전기비저항 (μΩㆍcm)	인장강도 (kgf/㎠)	충격강도 (kgfㆍcm/㎠)
발명재4	7.3	44	26	1450	119
발명재5	7.2	42	25	1410	125
발명재6	6.9	43	22	1180	101
발명재7	6.7	40	21	1040	107
비교재3	7.3	43	24	1300	120
비교재4	6.95	41	23	1200	105

구분	마모량 변화
	집전마찰판 (g/100km)	전차선 (mm/100km)
발명재4	6.5	0.018
발명재5	7.5	0.013
발명재6	8.1	0.011
발명재7	8.5	0.014
비교재3	13.5	0.030
비교재4	13.0	0.035

상기 표 5에서, 본 발명의 범위를 만족하는 발명재와 비교재는 물리적인 특성에서는 동등한 특성을 나타내고 있음을 알 수 있다.

그러나, 표 6에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 범위를 만족하는 발명재 는 비교재에 비하여 40% 이상 내구성이 향상되었고, 특히 발명재4의 경우 내구성이 2배가량 향상되었다. 또한, 전차선의 마모량도 감소되었음을 알 수 있었다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 물리적인 특성의 열화없이 윤활성을 향상시킴으로써 수명이 개선된 소재의 제조가 가능하며, 특히 본 발명을 이용하여 팬터그래프용 집전마찰판을 제조하면 전차선의 마모량을 감소시킬 수 있어 자원절약이 가능할 뿐만 아니라 마모분진이 적어 환경을 보호할 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 중량%로, 주석: 4~12%; 그리고 철, 티타늄, 납, 아연, 인, 흑연으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상: 0.2~15%; 나머지 구리로 이루어진 분말조성물을 균일하게 혼합하는 단계;

   상기 단계에서 얻어진 혼합물을 가압성형한 후, 650~900℃의 온도에서 소결하여 5~30%의 기공율을 갖는 성형 소결체를 제조하는 단계; 및

   상기 성형 소결체의 내부 기공내에 충분히 채워지도록 그리스를 진공함침시키는 단계;를 포함하여 이루어지는 윤활성이 우수한 그리스함침 팬터그래프용 집전마찰판의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 분말조성물에 0.05~2중량%의 기공발생제를 추가로 첨가하는 것을 특징으로 하는 윤활성이 우수한 그리스함침 팬터그래프용 집전마찰판의 제조방법.

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