KR100688474B1 - 환경 친화형 집전마찰판 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전동차 팬터그래프용 집전마찰판에 관한 것이다.

본 발명은 중량%로,Cu: 30~55%; Sn: 1~10%; Mo, MoS₂, Cr, Ni, P 및 흑연으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상: 0.1~20%; 및 나머지 Fe로 조성되는 환경친화형 집전마찰판에 관한 것이다.

본 발명의 집전마찰판은 기존제품과 비교하여 수명을 월등하게 개선시키는 것이 가능하며, 또한 환경친화형으로 쾌적하고 깨끗한 환경을 유지할 수 있을 뿐만 아니라 전동차의 주행속도 증가에 따른 집전마찰판 적용에 있어서도 활용할 수 있다.

팬터그래프, 전동차, 집전마찰판, 환경친화형, 전차선

Description

환경 친화형 집전마찰판{An eco-friendly friction plate for pantograph}

본 발명은 전동차 팬터그래프용 집전마찰판에 관한 것으로, 보다 상세하게는 우수한 내열성, 내마모성, 윤활성 및 내아크성을 갖는 환경 친화형 집전 마찰판에 관한 것이다.

통상 전동차 차량 상부에 탑재되는 집전마찰판은 운행시 전차선에 습동하면서 집전역할을 하는 전동차 차량의 중요한 부품소재로서, 전차선과 계속적으로 접하는 부분에 집전마찰판이 마련된다. 이러한 팬터그래프 집전마찰판은 양호한 도전성과 충분한 집전용량이 요구되고, 아울러 집전판 및 전차선의 마모가 적으며 내아크성 등 전기적 마모에 대하여도 저항성이 있을 것이 요구되고 있다. 현재 사용되고 있는 집전마찰판은 탄소계, 철계 및 동계 집전마찰판이 있으며, 국내에서는 철계 및 동계 소결재료의 활용 빈도가 높다. 동계 집전마찰판의 경우는 이미 납이 첨가되지 않은 집전마찰판이 개발되어 적용되고 있으나, 철계 집전마찰판의 경우는 일부 납이 첨가되어 있다. 상기 납은 다른 원소들에 비해 윤활성이 매우 뛰어나나, 환경 비친화적 원소이기 때문에 납이 배제된 환경친화적 철계 집전마찰판의 개발이 요구되고 있는 실정이다. 철계 집전마찰판은 납이 첨가되어 있음에도 소지 경도 자체가 높아 동계에 비해 전차선 마모량이 다소 크나, 외부환경(예를 들면, 고온다습) 변화에 민감하지 않고 그 수명 또한 우수하여 지상구간에서 많이 적용되고 있는 실정이다. 따라서, 납이 첨가되지 않은 철계 집전마찰판을 개발하는 것이 요구되고 있다.

본 발명은 상기 요구에 부응하기 위하여 안출된 것으로서, 환경 비친화적인 납을 제거함과 아울러 첨가제를 변경함으로써 전차선의 마모량을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 우수한 내열성, 내마모성, 윤활성, 내아크성을 갖는 환경친화형 집전마찰판을 제공하는데, 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

중량%로,

Cu: 30~55%;

Sn: 1~10%;

Mo, MoS₂, Cr, Ni, P 및 흑연으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상: 0.1~20%; 및 나머지 Fe로 조성되는 환경친화형 집전마찰판에 관한 것이다.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.

[집전마찰판의 성분]

Cu: 30~55중량%(이하, 단지 '%'로 기재함)

상기 Cu는 Fe와 같은 소지성분으로, 본 발명에서는 Cu함량을 30~55%로 제한함이 바람직하다. 만일 그 함량이 30% 미만이면 비저항의 상승으로 인한 아크 소모 등에 의하여 마찰판의 수명이 짧아지게 되고, 또한 그 함량이 55%를 초과하면 소지 자체의 경도가 낮아져 기계적 마모를 증대시킬 수 있다.

Sn: 1~10%

상기 Sn은 Cu에 고용되어 동 소지를 강화하기 위한 성분으로 본 발명에서는 Sn함량을 1~10%로 제한함이 바람직하다. 만일 그 함량이 1% 미만이면 동의 소결능력이 저하되어 기계적 성질이 향상되지 않아, 마찰판의 수명이 짧아지게 된다. 또한 그 함량이 10%를 초과하면 비저항의 상승으로 인하여 아크 소모 및 용손 등을 포함한 전기적 마모를 초래하고, 합금화로 크게 향상된 기계적 성질은 상대 재질인 전차선을 마모시킬 수 있다.

Mo, MoS₂, Cr, Ni, P 및 흑연으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상: 0.1~20%

본 발명의 집전마찰판은 첨가제로서, Mo, MoS₂, Cr, Ni, P 및 흑연으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다. 이때 본 발명에서는 상기와 같이 조성된 첨가제의 함량을 0.1~20%로 제한함이 바람직하다. 만일 상기 첨가제의 함량이 0.1% 미만이면 편석으로 인해 마찰판의 불균일 마모가 일어날 수 있으며, 20%를 초과하면 전차선 및 집전마찰판의 기계적 마모 또는 전기적 마모특성을 크게 나쁘게 할 수 있다.

상기 Mo는 Fe에 고용되어 소지의 내열성 및 내마모성을 향상시키는데 유효한 성분이나, 다량을 함유할 경우 연성을 저해하는 문제가 있다. 상기 MoS₂는 마찰계수 μ가 0.2 정도로 윤활성을 향상시키는데 유효한 성분으로 납을 첨가하지 않아 감소된 윤활성을 증대시킬 수 있다. 상기 Cr은 소결재료에서 가장 주요한 원소의 하나로 내식성 및 내마모성을 향상시키는데 유효한 성분이다. 상기 Ni은 산소와의 친화력이 매우 작기 때문에 이상적인 합금원소일 뿐만 아니라 기지를 강화시켜 고강도와 고인성을 얻는데 유효한 성분이며, Cr과 공존함으로서 내산화성을 증진시킬 수 있다. 상기 P는 기계적 성질 및 내식성을 향상시키는 성분으로 본 발명에서는 P를 단독으로 첨가할 수도 있고 또한 합금분말 형태로 첨가하는 것도 가능하다. 이때 P를 단독으로 첨가하는 경우보다, 합금분말 형태로 첨가하면 편석을 방지할 수 있어 보다 바람직하다. 합금분말 형태로 첨가시 합금분말의 종류는 특별하게 제한되는 것은 아니며, 예를들면 Cu-P(Cu₃P), Fe-P(Fe₂P, Fe₃P), Sn-P(SnP₃), Cr-P(CrP, Cr₂P, Cr₃P) 등이 사용될 수 있다. 상기 흑연은 전차선과 마찰판 사이에 개재하여 금속 접촉을 적게 하여 마모를 감소시키는데 유효한 성분으로, 납을 첨가하지 않아 감소된 윤활성을 증대시킬 수 있다.

본 발명의 집전마찰판은 상기 성분 이외에 나머지가 Fe로 조성된다.

또한, 본 발명의 집전마찰판은 상기와 같이 조성된 집전마찰판용 조성물 100중량부에 대하여, 금속 스테아린산염(metal stearate) 및 스테아린산으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 0중량부 초과 2중량부 이하만큼 추가로 첨가하는 것이 가능하다. 상기 금속 스테아린산염 및 스테아린산은 성형시 금형 내벽과의 마찰을 최소화시킬 수 있는 윤활제로서, 비중이 작아 적은량으로도 많은 체적을 형성시킬 수 있다. 그러나, 상기 금속 스테아린산염 및 스테아린산의 첨가량이 2중량부를 초과하면 편석에 의하여 대형 기공이 발생되는 문제점이 있다. 따라서, 상기 금속 스테아린산염 및 스테아린산은 조성물 100중량부에 대하여 0중량부 초과 2중량부 이하로 제한하는 것이 바람직하다. 상기 금속 스테아린산염은 특별하게 한정되는 것은 아니며, 대표적인 예로는 스테아린산 아연을 들 수 있다.

상기와 같은 첨가제의 변경 및 조성 최적화에 의하여, 본 발명의 집전마찰판은 집전마찰판 자체 및 상대 재질인 전차선의 마모를 최소화하고, 내식성, 내아크성을 향상시킬 수 있으며, 특히 본 발명의 집전마찰판은 환경 친화형으로 자연 및 인체에 무해하다.

본 발명의 집전마찰판을 제조하는 방법은 특별하게 제한되는 것은 아니나, 예를들면 다음과 같은 방법으로 제조하는 것이 가능하다.

먼저, 상기와 같이 조성된 분말조성물을 균일하게 혼합하여 원료 혼합분말을 마련하게 된다.

이후, 상기와 같이 마련된 원료 혼합분말을 가압성형한 다음 소결한다.

상기 가압성형시 통상의 조건으로 가압성형하면 되며, 예를들면 1.5~4ton/㎠의 압력으로 가압성형하는 것이 가능하다. 또한, 상기 소결시 소결온도 범위는 700~1050℃인 것이 바람직한데, 그 이유는 성형이후 소결이 일어나기 시작하는 700℃부터, 과소결로 인한 드래그(drag)현상을 최소화시킬 수 있는 1050℃까지의 온도범위에서 소결함이 유익하기 때문이다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

[실시예]

하기 표 1과 같이 조성된 원료 혼합분말을 마련한후, 이를 2.0ton/㎠의 압력으로 가압성형하였다. 이어, 상기 성형체들을 870℃의 온도의 암모니아 가스 분위기하에서 1시간동안 소결처리한 후 4.0ton/㎠의 압력으로 재압하여 집전마찰판을 제조하였다.

구분	성분(중량%)											스테아린산아연(중량부)
	Cu	Sn	Mo	MoS2	Cr	Ni	P	흑연	W	Pb	Fe
종래예	37	-	-	-	-	-	-	-	16	5	42	-
비교예1	4.5	5	13	-	-	7	-	3	-	-	67.5	-
비교예2	29.5	15	2	5	5	-	0.5	-	-	-	43	-
발명예1	40	5	7	-	-	0.5	-	3	-	-	44.5	-
발명예2	52	5	-	4	5	-	-	4	-	-	30	-
발명예3	41.5	3	2	5	5	-	0.5	-	-	-	43	-
발명예4	30	5	-	10	2.5	-	0.3	-	-	-	52.2	0.3
발명예5	40	-	-	5	5	-	-	-	-	-	50	-
발명예6	38	6	-	5	5	0.3	-	-	-	-	45.7	-
발명예7	44	-	2	5	5	-	-	-	-	-	44	-

상기와 같이 제조된 집전마찰판에 대하여 브리넬 경도기, 저항측정기, 인장강도기, 샤르피 충격시험기 등을 이용하여 기계적 성질을 측정하였으며, 그 결과는 하기 표 2와 같다. 또한, 마모 테스트기를 이용하여 집전마찰판 및 전차선(trolly wire)의 마모량 변화를 측정하였으며, 그 결과는 하기 표 3에 나타내었다. 한편, 표 3의 내마모특성은 주행속도 80km/hr, 인가전류 500A, 압상력 5kgf 조건하에서 측정된 결과이다.

구분	밀도 (g/㎤)	경도 HB(10/500)	전기비저항 (μΩ·cm)	인장강도 (kgf/㎠)	충격강도 (J/㎠)
종래예	7.2	58	16	1830	83
비교예1	6.7	69	43	2090	72
비교예2	7.16	71	76	1907	98
발명예1	6.57	46	25	1540	78
발명예2	6.4	42	24	1313	73
발명예3	6.29	42	31	1350	87
발명예4	6.39	52	43	1650	91
발명예5	6.38	45	40	1108	69
발명예6	6.2	53	35	1650	97
발명예7	6.4	37	20	1320	80

구분	마모량 변화
	마찰판 (g)	전차선 (mm)
종래예	11.5	0.022
비교예1	10.4	0.073
비교예2	11.2	0.057
발명예1	4.9	0.005
발명예2	6.4	0.009
발명예3	7.3	0.009
발명예4	5.8	0.004
발명예5	5.7	0.018
발명예6	9.5	0.016
발명예7	9.2	0.002

상기 표 2 및 표 3에 나타난 바와 같이, 본 발명의 범위를 만족하는 발명예(1~7)는 종래예보다 낮은 물리적 특성을 가지면서 그 내구성 측면에서는 종래예에 비하여 최소 25% 이상, 최대 2.3배의 내구성 향상 효과를 얻을 수 있었고, 전차선의 마모량 또한 현저하게 감소되었음을 알 수 있었다. 반면, Cu, Sn, 첨가제의 함량이 본 발명의 범위를 벗어나는 비교예(1~2)는 종래예 대비 마찰판의 마모량 감소 효과가 미미하였을 뿐만 아니라 상대재인 전차선의 마모는 오히려 증가함을 알 수 있었다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 집전마찰판은 기존제품과 비교하여 수명을 월등하게 개선시키는 것이 가능하며, 또한 환경친화형으로 쾌적하고 깨끗한 환경을 유지할 수 있을 뿐만 아니라 전동차의 주행속도 증가에 따른 집전마찰판 적용에 있어서도 적절하게 활용할 수 있다.

Claims (2)

1. 중량%로,

   Cu: 30~55%;

   Sn: 1~10%;

   Mo, MoS₂, Cr, Ni, P 및 흑연으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상: 0.1~20%; 및 나머지 Fe로 조성되는 환경친화형 집전마찰판.
2. 제 1항에 있어서, 상기 성분 100중량부에 대하여 금속 스테아린산염 및 스테아린산으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상: 0중량부 초과 2중량부 이하가 추가로 첨가되는 것을 특징으로 하는 환경친화형 집전마찰판.