TW202317783A

TW202317783A - 無鉛鐵基集電弓接觸片材料

Info

Publication number: TW202317783A
Application number: TW110140512A
Authority: TW
Inventors: 伍員鵬; 魏肇男; 陳思漢; 林子翔; 程一誠
Original assignee: 國家中山科學研究院
Priority date: 2021-10-28
Filing date: 2021-10-28
Publication date: 2023-05-01
Also published as: JP7305732B2; JP2023081502A; TWI836286B

Abstract

本發明係提供一種無鉛鐵基集電弓接觸片材料，其包括：複數種粉末用以製作無鉛鐵基集電弓接觸片材料，其中，於複數種粉末中以銀或銀合金粉末取代習知鉛粉末，具有不會損及接觸片性能，同時在價格上也是可接受的一種無鉛配方集電弓接觸片。

Description

無鉛鐵基集電弓接觸片材料

本發明係關於一種無鉛鐵基集電弓接觸片材料，特別是關於以銀或銀合金取代鉛之無鉛鐵基集電弓接觸片材料。

眾所皆知鉛為一種有毒物質，同時又是重金屬，一但進入人體後很難再排出體外，醫學上早已證實不僅易造成肝、腎中毒，甚至也會引發癌症，鉛中毒的案例也常有耳聞。但高鐵列車使用量甚大的消耗品，集電弓長、短接觸片本身卻含有有毒的鉛。

集電弓接觸片主要功用在於能有效地匯集25~32kV高壓電車銅纜線之大電流(500~1000A)以供高鐵列車在高達300公里時速下安全行駛。集電弓接觸片主要為含鉬、鈦、鎢等元素之鐵基燒結合金，以及添加潤滑所需之化合物、及耐磨耗的高硬度粒子，並配合列車高速行駛具有以下之特性：

良好的導電性(high electric conductivity)；以便能有效地匯集大電流(500~1000安培)以供應系統所需電力。

良好的耐磨性(high wear resistance)；由於此特殊粉末冶金產品直接與高壓電纜線接觸與磨耗，此特性直接影響其使用壽命與安全。

良好的潤滑性(high lubricating ability)；由於集電弓接觸片不僅本身需耐磨，並且也與高壓電纜線相互對磨，故需增加潤滑性以增加銅質電纜線使用壽命，此外潤滑性的增加亦可降低高速行駛時，集電弓接觸片與電纜線摩擦所發出的噪音。

足夠的機械強度(enough mechanical strength)；集電弓接觸片之使用環境為時速300公里高速行駛的重要外部零組件，因此須具備一定的機械強度方能滿足意外撞擊下之安全性需求。

此外，由於集電弓接觸片須與電車銅纜線接觸，又要隨時承受高達25~32kV高電壓與500~1000安培大電流，故亦需考量其忍受大電流的能力，以避免產品發生軟化及熔融現象。

為滿足上述功能，習知鐵基集電弓接觸片材料，主要係由以下複數種不同的粉末所構成；該複數種粉末包含有一高熔點金屬粉末、一高硬度耐磨耗粒子、一高潤滑性粉末以及一鐵基金屬粉末。

其中，高熔點金屬粉末可來自W、Mo、Cr、V或Ti其中任何一種或一種以上，高硬度耐磨耗粒子可包括有 Cr、CrV或是Fe-Cr、Fe-Mo、Fe-V、Fe-W、Fe-Ti合金其中任何一種或一種以上(JPH05105995A)，或是TaB2、NbB2、ZrB2、TiB2、ZrN、CrN、TaC或WC其中任何一種或一種以上(JPH08109453A)，或是Fe-Mo-Si-Cr、Fe-Mo-Si等介金屬化合物之任何一種或一種以上(JPH05230603A)。

鐵基金屬粉末除了鐵以外，亦可用部分的Cu來取代原本的鐵(JPH06158219A)，為了增加鐵基底之硬度亦可在其中添加0.01~0.5wt%的碳，或是0.05~0.4wt%的氮，或是2~5wt%的Sn與0.01~0.5wt%的磷(JPH08246110A & JPH2013241629A)，或是添加Ni或Mn以改善基底之韌性。

高潤滑性粉末主要來自鉛或鉛合金、金屬硫化物或BN，或是如JPH08109453A採用TiSi2、WSi2與MoSi2等金屬矽化物，可同時兼具高硬度耐磨耗粒子特性，但其中潤滑性能最好的還是鉛。因為鉛可以增加接觸片與銅質電纜線彼此之間的潤滑性，並有效降低摩擦係數，使兩者的磨耗量大大減少，形成非常好的保護。因此即使知道鉛有毒性，鐵基集電弓接觸片材料還是無法不使用它，例如在JP第2743105號B2鉄系焼結集電摺動材料專利中就含有2~20wt%的鉛。

鐵基集電弓接觸片材料中的鉛，除了以高潤滑性粉末鉛與其他之高熔點金屬粉末、高硬度耐磨耗粒子以及鐵基金屬粉末一起混合均勻，在經壓製成型直接燒結外，因為燒結後的接觸片材料一般含有5~15%的孔隙，亦可以熔融的液態鉛，將不含鉛之接觸片再做事後鉛含浸(滲鉛)處理，例如JP第2853563號B2耐摩耗性

鉛含浸Fe基焼結合金製集電用

板材。

自從日本東海道新幹線於1964年正式營運商轉以來，高速鐵路以其高運能及快速便捷的優勢，迅速吸引許多國家投入建設。台灣高鐵自民國96年1月開始試營運以來，在連外道路及轉乘配套措施逐漸健全下，自97年起每年載客人數皆在3,000萬人次以上，屢創新高，且由於提供了便捷、舒適的城際運輸服務，逐漸取代舊有的島內航空市場，也因此改變了許多人的工作及休閒生活形態，滿足旅客各種不同的旅運需求，「西部走廊一日生活圈」之願景已然成形。

然而，在舒適、便利性之外，因高鐵列車使用量甚大的消耗品，集電弓長、短接觸片本身卻含有有毒的鉛。由於集電弓接觸片直接與高壓電纜線接觸與磨耗，在高鐵列車高速行駛下，被磨耗的含鉛粉末就散佈在高鐵軌道沿線。

眾所皆知鉛為一種有毒物質，同時又是重金屬，一但進入人體後很難再排出體外，醫學上早已證實不僅易造成肝、腎中毒，甚至也會引發癌症，鉛中毒的案例也常有耳聞。雖然高鐵沿線大多不是人口緻密區，但卻是糧食主要產區，鉛透過土地農作物的吸收，再經由食物讓全體國人吃入體內，對人民健康之危害實不容忽視。至於在人口密集之都會區，雖然鐵路已地下化，然而高鐵列車上集電弓接觸片，因行駛中與銅纜線磨擦所產生之含鉛粉塵，在密閉地下空間內，反而更容易使車站候車旅客及月台工作人員，透過呼吸進入人體肺部。

雖然自從有集電弓接觸片以來，接觸片配方也在不斷的精進，卻因鉛在接觸片中有獨特的功能，始終離不開有毒性的鉛。

綜觀上述，鐵基集電弓接觸片材料在製程上仍有缺點；職是之故，申請人乃進行試驗與研究，提出一種無鉛鐵基集電弓接觸片材料，具有不會損及接觸片性能，同時在價格上也是可接受的一種無鉛配方集電弓接觸片。

本發明之主要目的在於提出一種完全沒有使用鉛，又不會損及接觸片性能，同時在價格上也是可接受的一種無鉛配方集電弓接觸片。

為達到上述目的，根據本發明提出之一方案，提供一種無鉛鐵基集電弓接觸片材料，一種無鉛鐵基集電弓接觸片材料，其包括：複數種粉末，以製作該無鉛鐵基集電弓接觸片材料；其中，於該複數種粉末中以一銀或銀合金粉末取代習知鉛粉末。

較佳地，複數種粉末包含有一高熔點金屬粉末、一高硬度耐磨耗粒子、一高潤滑性粉末以及一鐵基金屬粉末。

較佳地，高潤滑性粉末中含有2~10wt%之該銀或銀合金粉末。

本發明另一目的在於提出一種使習知鉛含量極低，又不會損及接觸片性能，同時在價格上也是可接受的一種無鉛配方集電弓接觸片。

為達到上述目的，根據本發明提出之一方案，提供一種低鉛鐵基集電弓接觸片材料，其包括：複數種粉末，以製作該無鉛鐵基集電弓接觸片材料；其中，於該複數種粉末中以一銀或銀合金粉末取代習知鉛粉末，該習知鉛粉末含量小於1wt%。

以上之概述與接下來的詳細說明及附圖，皆是為了能進一步說明本發明達到預定目的所採取的方式、手段及功效。而有關本發明的其他目的及優點，將在後續的說明及圖式中加以闡述。

1:鐵基金屬粉末

2:高熔點金屬粉末

3:高硬度耐磨耗粒子

4:高潤滑性粉末

S1-S6:步驟

第1圖係為習知含鉛之集電弓接觸片材料製作流程圖。

以下係藉由特定的具體實例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本創作之優點及功效。

本案發明人經多次實驗並深入探討鉛在鐵基接觸片中所扮演的角色與功用發現：

與其他的接觸片元素相比，鉛為一相對的低熔點金屬，本身也有良好的導電性，因此在高溫燒結時，液態的鉛可以填補至數微米的孔洞中，因而降低接觸片的電阻率，減少在列車行駛時的電磨耗。

此外，以金屬材料而言，鉛的硬度很低，材質柔軟因此可做為接觸片中的固態潤滑劑，降低摩擦係數，增進磨潤效果。因此，取代鉛之元素也必須具備以上三項特徵。

經週期表篩選，發現其中之金、銀、銅、鋁、鋅與錫等元素硬度與熔點都低於鐵，極具取代鉛之潛力。但金之價格過於昂貴，所以優先刪除，此外，在先期實驗中發現，鋅之硬度偏高，特別在磨耗試驗中發現會傷害到對磨件(銅質電纜線)，故也先剔除。至於鋁雖然本身硬度不高，但由於鋁與鐵有極佳之親和性，並因此在高溫燒結下會生成高硬度之介金屬化合物容易傷及對磨件(銅質電纜線)，故也先剔除。對於剩下三者，在無鉛配方集電弓接觸片之研製上，將以添加不同劑量之上述元素為主，並以田口法找出最佳組成配方，最後再以磨耗實驗驗證。

請參閱第1圖，第1圖係為習知含鉛之集電弓接觸片材料製作流程圖，習知含鉛之集電弓接觸片材料主要可經由兩種不同途徑製作：

一種是直接用鉛粉與其他粉末原料一起混合後，壓製成生胚一次燒結而成(如第1圖所示)。另一種方式則是先燒結不含鉛之配方，再將不含鉛之接觸片做鉛含浸(滲鉛)處理。

詳言之，請參閱第1圖，將複數種粉末包含有鐵基金屬粉末1、高熔點金屬粉末2、高硬度耐磨耗粒子3以及含鉛之高潤滑性粉末4一起混合(如步驟S1)，接著步驟S2在壓力為6.3~8.0噸/平方公分下以冷壓方式成型後，再經步驟S3脫模，將取出之生胚再以步驟S4之氫氣或還原氣氛在1150℃以上高溫進行燒結，冷卻後經步驟S5後加工成型為標準之接觸片，最後以步驟S6進行各項性能分析。

依照上述原理，在與習知含鉛接觸片完全相同的組成配方與製作方式下，先分別針對以銅與錫取代鉛之接觸片做為比較例，其中Cu-380與Cu-400在鐵以外之重量百分比組成為Cr：14.0%，Cu：3.5%，Mo：2.1%，W：0.2%，S：1.3%，C：0.12%，以及小於0.1%之Si、N、P、Mn與其餘不可避免之不純物，Cu-380之成型壓力為7.6噸/平方公分，Cu-400之成型壓力為8.0噸/平方公分；而Sn-380與Sn-400在鐵以外之重量百分比組成為Cr：15.6%，Sn：3.0%，Mo：2.1%，V：0.2%，S：1.3%，C：0.12%，以及小於0.1%之Si、N、P、Mn與其餘不可避免之不純物，Sn-380之成型壓力為7.6噸/平方公分，Sn-400之成型壓力為8.0噸/平方公分，經測試分別得到下列之結果，其中硬度採用勃氏硬度測試，試驗儀具為FB-3000LC，試驗方法依照ASTM E10-18規範進行，各項數據如下：

實驗結果顯示接觸片平均硬度雖未超過120HBS，符合規範要求之硬度值介於80~120HBS，但個別數據均有超過120HBS，且平均值也明顯高於知含鉛接觸片之100HBS，顯示材質過硬恐有損傷銅質電纜線之疑慮。

至於電性測試方法則依JIS R 7222電壓降下法量測，衝擊測試則參考JIS Z2242-05規範，使用Tinius Olsen 64 Impacter，擺錘衝擊速率=5.12m/s，擺錘衝擊能量=264ft-lbf(358Joule)試件以無V-notch缺口方式進行，電性與衝擊測試結果則分別為：

性能測試結果顯示，四組電性全部都符合小於0.8μΩ.m之JRIS E 6301規範要求，衝擊值部分，除了Sn-380低於規範外，其餘也勉強達到大於9.8Joule之規範要求。

至於拉伸試驗儀具則為Zwick/Roell Z100 UTM，試驗方法依照ASTM E8/E8M-16a規範進行，四組試件拉伸試驗結果則分別為：

拉伸試驗結果顯示，抗拉強度雖大於170Mpa規格要求，惟從降伏強度與伸長率整體性能觀之，以銅或錫取代鉛後，接觸片材質變得非常脆。綜合硬度、電性、拉伸與衝擊測試結果發現，在接觸片中直接以銅或錫取代鉛後，各項性能明顯不如含鉛接觸片。

另一比較例中，在習知含鉛接觸片組成範圍內，更改部分組成配方條件，包括降低金屬硫化物，再依相同參數條件完成以銅取代鉛之無鉛接觸片製作，其中Cu-80與Cu-90在鐵以外之重量百分比組成為Cr：18.0%，Cu：2.6%，Mo：2.0%，Ni：0.2%，S：1.2%，C：0.05%，以及小於0.1%之Si、N、P、Mn與餘於不可避免之不純物，Cu-80之成型壓力為7.6噸/平方公分，Cu-90之成型壓力為8.0噸/平方公分；而Cu-8W與Cu-9W在鐵以外之重量百分比組成為Cr：19.2%，Cu：2.6%，Mo：2.0%，V：0.2%，S：1.2%，C：0.05%，以及小於0.1%之Si、N、P、Mn與其餘不可避免之不純物，其硬度、拉伸、電性與衝擊等測試結果如下，在硬度部分：

實驗結果顯示四組接觸片平均硬度均未超過120HBS，符合規範要求，至於在衝擊與電性部分，測試結果則如下表所示：

電性結果全部符合小於0.8μΩ.m之規範要求，衝擊值部分也全部達到大於9.8Joule之規範要求。其餘拉伸試驗結果如下：

同樣，在習知含鉛接觸片組成範圍內，更改部分組成配方條件，包括降低金屬硫化物，再依相同參數條件完成以錫取代鉛之無鉛接觸片製作，其中Sn-10與Sn-20在鐵基以外之重量百分比組成為Cr：18.0%，Sn：1.92%，Mo：2.0%，S：1.0%，C：0.05%，以及小於0.1%之Si、N、P、Mn與其餘不可避免之不純物，Sn-10之成型壓力為7.6噸/平方公分，Sn-20之成型壓力為8.0噸/平方公分；而Sn-1W與Sn-2W在鐵以外之重量百分比組成為Cr：19.2%，Sn：1.92%，Mo：2.0%， V：0.2%，S：1.0%，C：0.05%，以及小於0.1%之Si、N、P、Mn與餘餘不可避免之不純物，其硬度、拉伸、電性與衝擊等測試結果整理如下，在硬度部分：

實驗結果顯示四組接觸片平均硬度略為超過120HBS，至於在衝擊與電性部分，測試結果則如下表所示：

電性結果顯示四件中有一件未能符合小於0.8μΩ.m之規範要求，在衝擊值部分則有兩件未能達到大於9.8Joule之規範要求。其餘拉伸試驗結果則如下：

雖然拉伸試驗結果顯示，所有試件均符合抗拉強度大於170MPa之規範要求，但從伸長率過低，以及硬度、衝擊與電性等綜合性能研判，以錫取代鉛之特性遠不如以銅取代鉛。

以上，雖然上述比較例以銅與錫取代鉛之接觸片，部分能達到無鉛配方之規範要求，但因材質較硬與脆卻會損及對磨的銅質電纜線，此外接觸片耐磨耗性能也將不及含鉛配方。

因此，請參閱第1圖，在相同的接觸片製作條件下，本案提出於複數種粉末中以銀或銀合金粉末取代習知鉛或鉛合金粉末之配方，將複數種粉末包含有鐵基金屬粉末1、高熔點金屬粉末2、高硬度耐磨耗粒子3以及高潤滑性粉末4一起混合，以製作無鉛鐵基集電弓接觸片材料，在本實施方式中，於高潤滑性粉末2中含有2~10wt%之銀或銀合金粉末，使接觸片之習知鉛粉末含量小於1wt%，甚至達到完全無鉛粉末。

依照前述相同方式，在與習知含鉛接觸片完全相同的組成配方與製作方式下，特別以銀取代鉛之接觸片做為實施例，其中Pbfree-3在鐵以外之重量百分比組成為Cr：19.0%，Ag：3.0%，Mo：1.9%，S：1.0%，C：0.05%，以及小於0.1%之Si、N、P、Mn與其餘不可避免之不純物，Pbfree-5在鐵以外之重量百分比組成分別為Cr：17.0%，Ag：5.0%，Mo：1.9%，S：1.0%，以及小於0.1%之Si、C、N、P、Mn與其餘不可避免之不純物，Pbfree-8在鐵以外之重量百分比組成為Cr：15.0%，Ag：8.0%，Mo：2.0%，S：1.1%，以及小於0.1%之Si、C、N、P、Mn與其餘不可避免之不純物，三者成型壓力均為7.6噸/平方公分；至於以銀粉末取代習知鉛粉末之實驗結果其中硬度、拉伸、衝擊、電性等性能不僅符合規範要求，更與原本含鉛配方接觸片之性能一致，在衝擊與電性上甚至還優於含鉛之接觸片，其硬度、拉伸、衝擊與電性測試結果分別如下：

至於影響電磨耗(arc erosion)最關鍵之電阻率Pbfree-3、Pbfree-5、Pbfree-8則分別為0.410、0.403與0.395μΩ.m，均優於含鉛接觸片之0.453與0.438μΩ.m。綜上所述，本案發明不僅可完全取代傳統鐵基集電弓接觸片中之習知有害元素鉛，在對抗電磨耗部分更優於習知之含鉛接觸片。

然而在特殊因素下，若仍然要使用鉛時，本發明亦提共一種低鉛接觸片配方，其中鉛含量小於1.0wt%，如同無鉛配方一樣，具有相同發明功效。茲透過以下實施例清楚說明：

在lowPb-2與lowPb-9兩試件中均含有1.0wt%的鉛，其中lowPb-2與lowPb-9另含有2與9wt%的銀。其硬度、拉伸、衝擊與電性測試結果分別如下：

至於lowPb-2與lowPb-9的電阻率則分別為0.418μΩ.m與0.375μΩ.m，同樣均優於傳統含3wt%鉛之接觸片，顯示本案發明在特殊因素下，亦可在小於1.0wt%的低鉛情況，提供電磨耗性能優於習知之含鉛接觸片。

另外，磨耗實驗採用pin-on-disk型式之Bruker UMT TriboLab磨耗試驗機台執行，其中pin為銅質電纜線，disk則為所開發之各式接觸片。Pin之直徑為3mm，disk之直徑則為38mm厚度為10mm。磨耗速率為1500 & 3000 rpm，荷重為7~10牛頓。為排除不同表面粗躁度造成的實驗誤差，所有試件(包括pin與disk)在實驗之前，均拋光至1000號砂紙。Pbfree-3、Pbfree-5、Pbfree-8、lowPb-2與lowPb-9等五組無鉛配方接觸片試件在整個磨耗實驗過程中非常平順，並可穩定的量測出摩擦係數，機台也沒有像其他無添加鉛接觸片一樣的不斷跳動與發出尖銳的大聲響，顯示其磨耗外觀與含鉛接觸片相同。

進一步分析發現這五組無鉛配方接觸片試件，其摩擦係數則介於0.17~0.31之間與含鉛配方接觸片一致，證實具有良好之磨潤性。磨耗實驗後經檢視接觸片(disk)與銅質電纜線(pin)外觀，發現兩者都沒有嚴重的磨耗，更沒有留下明顯凹凸不平的刮痕，而且兩者互相接觸的表面都非常光滑。

綜上所述，本發明為一種無鉛鐵基集電弓接觸片材料，以銀粉末取代習知鉛粉末，製造出一種完全沒有使用鉛，又不會損及接觸片性能，同時在價格上也是可接受的一種無鉛配方集電弓接觸片。

同理，熟習此技藝之人士亦可仿照習知鉛含浸(滲鉛)處理模式，先燒結不含銀之配方，再將不含銀之接觸片進行銀含浸(滲銀)處理，得到無鉛接觸片。

上述之實施例僅為例示性說明本發明之特點及其功效，而非用於限制本發明之實質技術內容的範圍。任何熟習此技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化。因此，本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。

1:鐵基金屬粉末

2:高熔點金屬粉末

3:高硬度耐磨耗粒子

4:高潤滑性粉末

S1-S6:步驟

Claims

一種無鉛鐵基集電弓接觸片材料，其包括：

複數種粉末，以製作該無鉛鐵基集電弓接觸片材料；

其中，於該複數種粉末中以一銀或銀合金粉末取代習知鉛或鉛合金粉末。
如申請專利範圍第1項所述之無鉛鐵基集電弓接觸片材料，其中該複數種粉末包含有一高熔點金屬粉末、一高硬度耐磨耗粒子、一高潤滑性粉末以及一鐵基金屬粉末。
如申請專利範圍第2項所述之無鉛鐵基集電弓接觸片材料，其中於該高潤滑性粉末中含有2~10wt%之該銀或銀合金粉末。
一種低鉛鐵基集電弓接觸片材料，其包括：

複數種粉末，以製作該低鉛鐵基集電弓接觸片材料；

其中，於該複數種粉末中以一銀或銀合金粉末取代習知鉛或鉛合金粉末，該習知鉛含量小於1wt%。
如申請專利範圍第4項所述之低鉛鐵基集電弓接觸片材料，其中該複數種粉末包含有一高熔點金屬粉末、一高硬度耐磨耗粒子、一高潤滑性粉末以及一鐵基金屬粉末。
如申請專利範圍第5項所述之低鉛鐵基集電弓接觸片材料，其中於該高潤滑性粉末中含有2~10wt%之該銀或銀合金粉末。
一種無鉛鐵基集電弓接觸片材料，其包括：

複數種粉末以及在燒結之後的材料孔隙中，藉由銀含浸處理滲入之銀或銀合金，以製作該無鉛鐵基集電弓接觸片材料；

其中，於該複數種粉末中不含習知鉛或鉛合金粉末。
如申請專利範圍第7項所述之無鉛鐵基集電弓接觸片材料，其中該複數種粉末包含有一高熔點金屬粉末、一高硬度耐磨耗粒子、一高潤滑性粉末以及一鐵基金屬粉末。
如申請專利範圍第7項所述之無鉛鐵基集電弓接觸片材料，其中於該燒結之後的材料孔隙中含有2~10wt%之銀或銀合金。
一種低鉛鐵基集電弓接觸片材料，其包括：

複數種粉末以及在燒結之後的材料孔隙中，藉由銀含浸處理滲入之銀或銀合金，以製作該低鉛鐵基集電弓接觸片材料；

其中，於該複數種粉末中鉛之總含量小於1wt%。
如申請專利範圍第10項所述之低鉛鐵基集電弓接觸片材料，其中該複數種粉末包含有一高熔點金屬粉末、一高硬度耐磨耗粒子、一高潤滑性粉末以及一鐵基金屬粉末。
如申請專利範圍第10項所述之低鉛鐵基集電弓接觸片材料，其中於該燒結之後的材料孔隙中含有2~10wt%之銀或銀合金。