TWI479034B

TWI479034B - Blasting material and its manufacturing method

Info

Publication number: TWI479034B
Application number: TW102116194A
Authority: TW
Inventors: Hiroshi Tuchiya; Yoshitaka Kubota; Yuuki Miyahira; Naoshi Ishihara; Ryota Kobayashi; Keiichiro Shibuya
Original assignee: Railway Technical Res Inst; Fine Sinter Co Ltd
Priority date: 2012-05-17
Filing date: 2013-05-07
Publication date: 2015-04-01
Also published as: TW201350593A; JP5631359B2; JP2013241629A

Description

集電滑動材料及其製造方法

本發明係關於可使用作為新幹線等高速鐵路車輛中所用之作為集電弓(pantograph)用之滑板(slider)之新穎集電滑動材料及其製造方法。

新幹線等之高速鐵路車輛中所用之集電弓用滑板要求優異之耐磨耗性與潤滑性。亦即，要求兼具高速行駛時滑板之磨耗少(耐磨耗性)，且不會損耗滑接導線(trolley wire)(潤滑性)之相反特性。

過去，具有上述耐磨耗性及潤滑性之集電弓用滑板已知有不含Pb，而於Fe底材中添加Cr及V之至少1種作為耐磨成分，且添加MoS₂ 、WS₂ 等金屬硫化物作為潤滑成分者，進而藉由硫化處理增加硫化物含量者。

例如，專利文獻1之請求項1中揭示「一種集電滑動材料，係由V、Cr、金屬硫化物及Fe所成之燒結合金，係使由V及Cr之含量合計為1~30重量%，金屬硫化物1~12重量%，其餘為Fe所成之混合粉末成形、燒結而得」，請求項2中揭示燒結晶再經硫化處理之集電滑動材料。

另外，專利文獻2之請求項1中揭示「一種集電滑動用鐵系燒結合金，其特徵為混合由作為耐磨耗、耐電弧成分之單體Cr 8~28重量%、作為潤滑成分之MoS₂ (或WS₂ )2~8重量%，作為潤滑強化成分之Bi 0.3~5重量%，其餘為Fe所成之粉末原料後，經壓縮成形，且使之在非氧化性或還原性環境中加熱而獲得燒結體」。

然而，鑑於新幹線等高速鐵路車輛之營運速度之更高速化時，過去之集電弓用滑板之耐磨耗性不足，且被指出在發車．停止附近之低速度區域中有對滑板、滑接導線二者產生凝著磨耗、潤滑性不足之問題。因此，要求耐磨耗性及潤滑性之進一步提高。

[先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]特開2004-269934號公報

[專利文獻2]特開2005-15828號公報

本發明之目的係提供一種提高耐磨耗性及潤滑性之集電滑動材料及其製造方法。

本發明人為達成上述目的而重複積極研究之結果，發現特定組成之燒結體合金可達成上述目的，因而完成本發明。

亦即，本發明係關於下述之集電滑動材料及其製造方法。

1.一種集電滑動材料，其特徵為係由藉由使含有1)含0.5~2.5質量% MnS之硫快削鐵粉、2)含Cr粒子及CrV粒子之Cr基硬質粒子、3)含FeMo粒子及氮化FeTi粒子之Fe基硬質粒子、以及4)含MoS₂ 及WS₂ 之金屬硫化物之原料粉末燒結所得之燒結合金所成之集電滑動材料，且(1)前述燒結合金係含有Cr：4.0~14.0質量%、V：0.2~3.0質量%、Mo：2.0~6.5質量%、Ti：0.2~3.0質量%、W：0.2~3.0質量%、Mn：0.1~1.1質量%、S：1.0~5.0質量%及N：0.05~0.4質量%，且其餘部分為由不可避免之雜質及Fe所成，(2)前述燒結合金在組織剖面中以面積率計含有2.0~17.0%之前述Cr基硬質粒子及1.0~15.0%之Fe基硬質粒子，且含有1.0~5.0質量%之前述含MoS₂ 及WS₂ 之金屬硫化物。

2.一種由燒結合金所成之集電滑動材料之製造方法，其特徵為使包含下列之原料粉末進行燒結：1)含0.5~2.5質量% MnS之硫快削鐵粉：68.0~93.0質量%，2)含Cr粒子及CrV粒子之Cr基硬質粒子：4.5~16.0質量%， 3)含FeMo粒子及氮化FeTi粒子之Fe基硬質粒子：1.5~11.0質量%，以及4)含MoS₂ 及WS₂ 之金屬硫化物：1.0~5.0質量%。

3.如上述項2之製造方法，其中前述燒結合金係(1)含有Cr：4.0~14.0質量%、V：0.2~3.0質量%、Mo：2.0~6.5質量%、Ti：0.2~3.0質量%、W：0.2~3.0質量%、Mn：0.1~1.1質量%、S：1.0~5.0質量%及N：0.05~0.4質量%，且其餘部分係由不可避免之雜質及Fe所成，(2)在組織剖面中以面積率計含有2.0~17.0%之前述Cr基硬質粒子及1.0~15.0%之Fe基硬質粒子，且含有1.0~5.0質量%之前述含MoS₂ 及WS₂ 之金屬硫化物。

以下，針對本發明之集電滑動材料及其製造方法加以詳細說明。

本發明之集電滑動材料為由藉由使含有1)含0.5~2.5質量% MnS之硫快削鐵粉、2)含Cr粒子及CrV粒子之Cr基硬質粒子、3)含FeMo粒子及氮化FeTi粒子之Fe基硬質粒子、以及4)含MoS₂ 及WS₂ 之金屬硫化物之原料粉末燒結所得之燒結合金所成之集電滑動材料，且(1)前述燒結合金係含有Cr：4.0~14.0質量%、V：0.2~3.0質量%、Mo：2.0~6.5質量%、Ti：0.2~3.0質量%、W：0.2~3.0質量%、Mn：0.1~1.1質量%、S：1.0~5.0質量%及N：0.05~0.4質量%，且其餘部分為由不可避免之雜質及Fe所成， (2)前述燒結合金在組織剖面中以面積率計含有2.0~17.0%之前述Cr基硬質粒子及1.0~15.0%之Fe基硬質粒子，且含有1.0~5.0質量%之前述含MoS₂ 及WS₂ 之金屬硫化物。

具有上述特徵之本發明集電滑動材料藉由經歷特定之製造步驟且具有特定之組成，而比由燒結合金所成之先前之集電滑動材料更提高耐磨耗性及潤滑性。因此，使用集電滑動材料作為集電弓用之滑板時，可滿足新幹線等高速鐵路車輛之更高速化之要求，此外由於提高潤滑性故可抑制在發車．接近停車之低速區域之凝著磨耗之發生。如此本發明之集電滑動材料亦可使用作為以集電弓用滑板為代表之汽車之滑動零件、軸承材等。

本發明之集電滑動材料係藉由使含有1)含0.5~2.5質量% MnS之硫快削鐵粉、2)含Cr粒子及CrV粒子之Cr基硬質粒子、3)含FeMo粒子及氮化FeTi粒子之Fe基硬質粒子、以及4)含MoS₂ 及WS₂ 之金屬硫化物之原料粉末進行燒結所得之燒結合金所成。亦即，燒結合金中含有上述硫快削鐵粉、上述Cr基硬質粒子、上述Fe基硬質粒子、上述金屬硫化物。又，本說明書中之上述金屬硫化物意指「含MoS₂ 及WS₂ 之金屬硫化物」，且該金屬硫化物不含源自硫快削鐵粉之MnS。

上述燒結合金之組成含有Cr：4.0~14.0質量%、V：0.2~3.0質量%、Mo：2.0~6.5質量%、Ti：0.2~3.0質量%、W：0.2~3.0質量%、Mn：0.1~1.1質量%、S：1.0~5.0 質量%及N：0.05~0.4質量%，且其餘部分係由不可避免之雜質及Fe所成，其中，較好為Cr：6.0~11.0質量%、V：0.9~2.0質量%、Mo：3.0~5.5質量%、Ti：0.5~1.0質量%、W：0.8~1.5質量%、Mn：0.3~0.8質量%、S：1.0~2.5質量%及N：0.1~0.3質量%。又，不可避免之雜質列舉為例如Si、C、O、H等之成分。

上述燒結合金以組織剖面中之以面積率計含有2.0~17.0%之上述Cr基硬質粒子及1.0~15.0%之Fe基硬質粒子。

Cr基硬質粒子之面積率若為2.0~17.0%即可，但其中以8.0~17.0%較佳。更具體而言，Cr粒子之面積率較佳為6.0~13.0%，CrV粒子之面積率較佳為2.0~4.0%。又，燒結合金中之Cr基硬質粒子之含量為4.5~16.0質量%左右，更具體而言，Cr粒子之含量為4.0~12.0質量%左右，CrV粒子之含量為0.5~4.0質量%左右。如此Cr基硬質粒子由於耐熱性優異，故使用集電滑動材料作為集電弓用滑板時，可防止在高速(高溫)區域之材質劣化及電弧熔損，故可有效地降低於高速區域中之機械磨耗及電弧損耗造成之滑板磨耗。

至於Cr粒子較好為純度99質量%以上者，以JIS Z2510中規定之過篩分析測定之粒徑為150~300μm左右，以微維氏硬度計測定之維氏硬度(HV)較好為200~700左右。以下，本說明書中之粒徑及維氏硬度之測定方法，除了MoS₂ 及WS₂ 之金屬硫化物中之粒徑測定以外，餘均相同。

CrV粒子較好為V含量係65~70質量%之合金組成，粒徑較好為75~355μm左右，維氏硬度(HV)較好為500~1000左右。

Fe基硬質粒子之面積率若為1.0~15.0%即可，但其中以4.0~9.0%較佳。更具體而言，FeMo粒子之面積率較好為2.0~5.0%，氮化FeTi粒子之面積率較好為2.0~4.0%。且，燒結合金中之Fe基硬質粒子之含量為1.5~11.0質量%左右，更具體而言，FeMo粒子之含量為1.0~7.0質量%左右，氮化FeTi粒子之含量為0.5~4.0質量%左右。如此Fe基硬質粒子由於氧化起始溫度較低，故使用集電滑動材料作為集電弓用滑板時，Fe基硬質粒子之氧化皮膜可防止在低速(低溫)區域之滑板．滑接導線間之金屬接觸，故可有效地降低因凝著磨耗造成之滑板磨耗。因此，藉由組合含有上述Cr基硬質粒子與Fe基硬質粒子，可確保自低速區域至高速區域之廣範圍的耐磨耗性。

至於FeMo粒子較好為Mo含量係60~75質量%之合金組成，粒徑較好為150~425μm左右，維氏硬度(HV)較好為1000~1500左右。

至於氮化FeTi粒子較好為FeTi粒子之表面經氮被覆之構造，Ti含量為37.5~40.5質量%，N含量為8~10質量%，及其餘部分為Fe之成分組成。至於物性較好粒徑為63~250μm左右，維氏硬度(HV)為300~900(但，表層之氮化層係以不包含之FeTi所示之鐵鈦(ferrotitanium)之維氏硬度)左右。又，氮化層之厚度為數μm~數十μm左右。

上述燒結合金為含有1.0~5.0質量%之含MoS₂ 及WS₂ 之金屬硫化物。該金屬硫化物之含量若為1.0~5.0質量%即可，但其中以2.5~5.0質量%較佳，更具體而言，較好MoS₂ 為1.5~3.0質量%左右，WS₂ 為1.0~2.0質量%左右。

MoS₂ 較好為純度98質量%以上(化學計量組成：Mo：58.5質量%，S：39.3質量%)，以雷射繞射．散射法測定之粒徑較好為2~6μm左右。至於WS₂ 較好為純度98質量%以上(化學計量組成：W：72.7質量%，S：25.3質量%)，利用ASTM B761之重力沉降進行之以X射線監視測定之粒徑較好為1.5~80μm左右。至於該金屬硫化物可為MoS₂ 及WS₂ 之2成分，但在不脫離組成之規定內，且只要不影響本發明之效果，亦可包含MoS₃ 、MoS₄ 、Mo₂ S₃ 等之鉬之硫化物、WS₃ 等之鎢之硫化物。

本發明之集電滑動材料藉由使燒結合金含有1.0~5.0質量%之含MoS₂ 及WS₂ 之金屬硫化物，且含有源自硫快削鐵粉之MnS，而可獲得優異之機械強度同時獲得良好潤滑性。尤其使用使MnS均一分散於鐵粉中之硫快削鐵粉作為原料，且乾式混合其他金屬粉末時之偏析少，故亦容易確保燒結合金中之硫化物之均一分散，因此，與含有同量硫化物之情況比較時，可確保比先前品優異之機械強度及潤滑性。本發明中，硫快削鐵粉(SUM)係使用含0.5~2.5質量%(較好0.5~2.0質量%)之MnS者。硫快削鐵粉之粒徑較好為180μm以下。又，燒結合金中硫快削鐵粉之含量為68.0~93.0質量%左右，MnS含量為0.3~2.3質量%左右。

本發明之集電滑動材料為使含該等成分之原料粉末成形，經燒結而得者。例如，可藉由使包含下列之原料粉末進行燒結之製造方法適當地製造：1)含0.5~2.5質量% MnS之硫快削鐵粉：68.0~93.0質量%，2)含Cr粒子及CrV粒子之Cr基硬質粒子：4.5~16.0質量%，3)含FeMo粒子及氮化FeTi粒子之Fe基硬質粒子：1.5~11.0質量%，以及4)含MoS₂ 及WS₂ 之金屬硫化物：1.0~5.0質量%。

亦即，藉由上述製造方法，獲得由下列之燒結合金所成之集電滑動材料：(1)含有Cr：4.0~14.0質量%、V：0.2~3.0質量%、Mo：2.0~6.5質量%、Ti：0.2~3.0質量%、W：0.2~3.0質量%、Mn：0.1~1.1質量%、S：1.0~5.0質量%及N：0.05~0.4質量%，且其餘部分係由不可避免之雜質及Fe所成，(2)在組織剖面中以面積率計含有2.0~17.0%之前述Cr基硬質粒子及1.0~15.0%之Fe基硬質粒子，且含有1.0~5.0質量%之前述含MoS₂ 及WS₂ 之金屬硫化物。

具體而言，混合必要成分準備原料粉末後，進行原料粉末之成形。成形時，可視需要適當添加習知之有機黏結劑、燒結助材等。形成方法亦可採用粉末冶金領域中過去以來已知之方法，例如可利用加壓法、CIP法、HIP法、MIM法等予以成形。成形壓力通常若為5~8噸/cm² 左右即可，但若可設定為最終獲得之燒結合金之視密度為通常之6.5~7.5g/cm³ 左右，較好為6.8~7.2g/cm³ ，則亦可在上述成形壓力之範圍外。尤其，本發明之材料密度比(相對於真比重之比)通常為75%以上，最好為85%以上。

成形體燒結時，其燒結溫度隨合金組成等而異，但通常只要在1000℃以上，較好為100~1200℃即可。且燒結環境通常只要是還原性環境(氨分解氣體、烴之變成氣體、氫氣等)或惰性環境(氮氣、氬氣、氦氣等)即可。燒結時間可依據燒結溫度等設定。例如，燒結溫度若為1000~1200℃左右，則通常只要60~120分鐘左右即可。燒結後，亦可適當進行再壓縮(加壓)、再燒結。

本發明之集電滑動材料可藉由使燒結合金含有1.0~5.0質量%之含MoS₂ 及WS₂ 之金屬硫化物，並且含有源自硫快削鐵粉之MnS，而獲得優異之機械強度以及良好潤滑性。尤其，由於使用使MnS均一分散於鐵粉中之硫快削鐵粉作為原料，且由於乾式混合其他金屬粉末時之偏析較少，故亦容易確保燒結合金中之硫化物之均一分散，因此，與含有同量之硫化物之情況相比，可確保比先前品優異之機械強度及潤滑性。且，使硫化物增量而提高潤滑性之情況，亦可省略造成成本提高之過去之後處理(硫化處理)。

本發明中，硫快削鐵粉(SUM)較好使用含0.5~2.5質量%(較好0.5~2.0質量%)之MnS者。該硫快削鐵粉係於鐵粉中添加MnS作為快削化成分，且均一分散之預合金粉。硫快削鐵粉之粒徑較好為180μm以下。且，燒結合金中之硫快削鐵粉之含量為68.0~93.0質量%左右，MnS之含量為0.3~2.3質量%左右。

本發明之集電滑動材料可使用於例如以各種鐵路(包含如新幹線之高速鐵路)之集電弓用滑板為代表之汽車之各種滑動零件、軸承材等。

該等使用方法只要依據各用途中採用之習知方法進行即可。例如，滑板安裝於集電弓之方法，只要藉由以螺絲等將由本發明之集電滑動材料所成之滑板固定於車體上進行設置即可。本發明之集電滑動材料亦可使用於任何類型之集電弓中。

本發明之集電滑動材料藉由經歷特定之製造步驟且具有特定組成，與由燒結合金所成之過去集電滑動材料相比，提高了耐磨耗性及潤滑性。因此，使用集電體滑動材料作為集電弓用滑板時可滿足新幹線等高速鐵路車輛之更高速化要求，且由於提高了潤滑性故亦可抑制發車．停止附近之低速區域之凝著磨耗之產生。如此本發明之集電滑動材料亦可使用於以集電弓用滑板為代表之汽車之滑動零件、軸承材等。

以下列示實施例及比較例具體說明本發明。但，本發明並不受限於實施例。

實施例1~11及比較例1~10

以表1所示之配方，藉VI型混合機(德壽製作所製造)混合各成分30分鐘後，以成形壓6.5噸/cm² 成形為滑板形狀(尺寸12mm×40mm×270mm)，在氨分解氣體環境下於1150℃進行燒結90分鐘，獲得燒結合金試料。

[表1中，比較例之底線部分係表示附上比較例之位置之根據]。

表1所示之各成分(合金粉末)之組成、粒徑等係如下所示。

所得各燒結合金試料之化學成分如下所示。

且，各燒結合金試料之組織剖面中之Cr基硬質粒子及Fe基硬質粒子之面積率係如下所示。

試驗例1 (機械特性之評價)

針對所得各燒結合金試料，調查布氏硬度(Brinell hardness)(HB)、夏比(Charpy)衝擊值(J/cm² )及拉伸強度(MPa)之各機械特性。各測定方法如下。

《布氏硬度》

以JIS Z2243之方法測定。但，設為鋼球直徑10mm，荷重500kg及保持時間30秒。

《夏比衝擊值》

以JIS Z2242之方法測定。試驗片係使用無缺口者。

《拉伸強度》

以JIS Z2241之方法測定。試驗片係使用5號試驗片、寬度20mm者。各機械特性之評價結果如下所示。

試驗例2：(預定作為滑板時之磨耗特性)

預定以所得各燒結合金試料作為滑板時，分別調查滑板之比磨耗量及滑接導線磨耗偏差。結果示於表6。表6中，為了比較用，一併顯示以先前技術欄記載之專利文獻1之鐵系燒結合金(先前材料：含有V、Cr、金屬硫化物，經硫化處理者)進行相同試驗之結果。磨耗試驗係如下表5所示，以低速度(25km/h)與高速度(100km/h)之2條件進行。

由表6之結果，可知本發明之集電滑動材料，相較於比較品，滑板之磨耗量較少，為耐磨耗性優異。且由於本發明品之滑接導線之磨耗量少，故可知對於對向材料之攻擊性低且潤滑性優異。

Claims

一種集電滑動材料，其特徵為由燒結合金所組成，該燒結合金係藉由使含有1)含0.5~2.5質量%MnS之硫快削鐵粉、2)含Cr粒子及CrV粒子之Cr基硬質粒子、3)含FeMo粒子及氮化FeTi粒子之Fe基硬質粒子、以及4)含MoS₂ 及WS₂ 之金屬硫化物之原料粉末燒結所得者，且(1)前述燒結合金係含有Cr：4.0~14.0質量%、V：0.2~3.0質量%、Mo：2.0~6.5質量%、Ti：0.2~3.0質量%、W：0.2~3.0質量%、Mn：0.1~1.1質量%、S：1.0~5.0質量%及N：0.05~0.4質量%，且其餘部分為由不可避免之雜質及Fe所成，(2)前述燒結合金在組織剖面中以面積率計含有2.0~17.0%之前述Cr基硬質粒子及1.0~15.0%之Fe基硬質粒子，且含有1.0~5.0質量%之前述含MoS₂ 及WS₂ 之金屬硫化物。
一種由燒結合金所成之集電滑動材料之製造方法，其特徵為使包含下列之原料粉末進行燒結：1)含0.5~2.5質量% MnS之硫快削鐵粉：68.0~93.0質量%，2)含Cr粒子及CrV粒子之Cr基硬質粒子：4.5~16.0質量%，3)含FeMo粒子及氮化FeTi粒子之Fe基硬質粒子：1.5~11.0質量%，以及 4)含MoS₂ 及WS₂ 之金屬硫化物：1.0~5.0質量%。
如請求項2之製造方法，其中前述燒結合金係(1)含有Cr：4.0~14.0質量%、V：0.2~3.0質量%、Mo：2.0~6.5質量%、Ti：0.2~3.0質量%、W：0.2~3.0質量%、Mn：0.1~1.1質量%、S：1.0~5.0質量%及N：0.05~0.4質量%，且其餘部分係由不可避免之雜質及Fe所成，(2)在組織剖面中以面積率計含有2.0~17.0%之前述Cr基硬質粒子及1.0~15.0%之Fe基硬質粒子，且含有1.0~5.0質量%之前述含MoS₂ 及WS₂ 之金屬硫化物。