JPH1132402A - 集電装置用摺板及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高速通電摺動等の苛酷な摺動条件下でも安定
した耐摩耗性及び相手攻撃性も少ない集電装置に用いら
れる摺板及びその製造方法を提供する。 【解決手段】 アルミナ繊維と２硫化モリブデン粒子及
びこれらを結合するバインダーからなる繊維成形体を大
気雰囲気下で熱処理を施した後に、アルミニウムあるい
はアルミニウム合金の溶湯を高圧含浸させ、得られた複
合材を機械加工により集電装置用摺板に仕上げる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、集電装置用摺板及
びその製造方法に関し、特に車両用パンタグラフ等の集
電装置に用いられる摺板及びその製造方法に関するもの
である。

【０００２】

【従来技術】集電装置用に用いられる摺板は、銅トロリ
ー線と接触して摺動するものであるため、耐摩耗性、耐
アーク性、通電性に優れることが要求される。従来、こ
のような要求に応えるものとして、銅系または鉄系の焼
結合金よりなる摺板が広く用いられている。

【０００３】しかし、最近の鉄道車両の高速化に伴い、
摺板の摩耗は増大し、摺板の寿命が著しく短くなる傾向
があるため摺板の耐摩耗性を向上させる必要がある。ま
た高速化に伴い、摺板のトロリー線に対する追随性も重
要視されるようになってきている。すなわち、摺板のト
ロリー線に対する追随性が不十分であると、高速走行時
に、摺板とトロリー線が密着しない状態（すなわち離
線）が激しくなり、アークが頻繁に発生して摺板及びト
ロリー線の損耗が激しくなるだけでなく、路線周辺部に
電波障害を引き起こすという問題がある。

【０００４】従来より用いられている銅系または鉄系の
焼結合金の摺板は、その主成分が比重の高い銅または鉄
であるため、摺板自体の質量が大きくトロリー線に対す
る追随性を高めることが困難であった。これを改善する
ものとして軽量で高導電性を有するアルミニウム合金を
主成分とし、耐摩耗性を付与する目的で、セラミックス
繊維、セラミックス粒子、セラミックスウィスカー等を
分散させた複合材で構成した摺板が検討提案されてい
る。

【０００５】

【発明が解決すべき課題】上述のアルミニウム合金を主
成分とする複合材で構成された摺板は、軽量であり、ま
たセラミックス繊維、セラミックス粒子、セラミックス
ウィスカー等を分散させているので、高速摺動及び通電
摺動に対して摩耗量が少ないものであるが、相手側のト
ロリー線（硬銅）を摩耗させるという問題がある。すな
わち、相手攻撃性が大きいという問題がある。

【０００６】そこで、摺板自身の耐摩耗性を高めると共
に、相手攻撃性を改善するためにこの複合材自体に固体
潤滑剤を分散させ、潤滑性を高めようとする提案がなさ
れている（例えば、特開昭５６−１０００２号公報、特
開平３−２８１１２４公報、特開平６−２７６６０４公
報参照）。多くの固体潤滑剤は異方性が強く、特定の結
晶面、または分子の間の結合力が弱く、塊としての摩擦
係数も小さい、いわゆる自己潤滑性を持っているもの
で、その代表的なものは黒鉛と２硫化モリブデンで、高
温潤滑剤、極圧潤滑剤として用いられている。特に２硫
化モリブデンはグラファイト（黒鉛）に比べても安定し
て小さい摩擦係数を示し、極圧下でも高度の持続性を有
するため、液状、ペースト、グリース等に懸濁させて広
く用いられている。

【０００７】しかし、これらの固体潤滑剤は高温環境下
では分解し、その効果が減少する。すなわち、空気中で
黒鉛は８２３Ｋから酸化速度が速くなり、２硫化モリブ
デンは、通常６７３Ｋ以上の高温環境下では、安定に使
用できないものである。

【０００８】また、高導電性を有するアルミニウム合金
に耐摩耗性を付与するためにセラミックス繊維、セラミ
ックス粒子、セラミックスウィスカー等を分散させた複
合材の製造方法について、予め繊維を押し固め、乾燥さ
せたプリフォームを予熱した後にアルミ溶湯を高圧含浸
させる方法が、粉末冶金法に比べ製造工程が簡略で安価
なものである。しかし、これら複合材に固体潤滑剤を含
有させる場合、２硫化モリブデンは高温環境下で安定な
ものでないため、高温で予熱したり、アルミ溶湯を含浸
させる方法で、このような複合材を製造することは困難
であった。

【０００９】本発明は、上記の問題点に鑑みなされたも
ので、その目的とするところは、高速、通電摺動等の苛
酷な摺動条件下でも安定した耐摩耗性及び相手攻撃性も
少ない集電装置に用いられる摺板、及びかかる摺板を低
コストで製造する方法を提供するものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の課題を
解決するもので、アルミニウムあるいはアルミニウム合
金のマトリックス中にアルミナ繊維及び大気雰囲気下で
熱処理を施した２硫化モリブデン粒子を含有させたこと
を特徴とする集電装置用摺板である。また、大気雰囲気
下で熱処理を施した２硫化モリブデン粒子の体積率が５
〜３０％であることを特徴とするものである。また、ア
ルミナ繊維の体積率が５〜３０％であることを特徴とす
るものである。

【００１１】また本発明は、アルミナ繊維及び２硫化モ
リブデン粒子で繊維成形体を成形し、前記繊維成形体に
大気雰囲気下で熱処理を施した後に、アルミニウムある
いはアルミニウム合金の溶湯を高圧含浸させることを特
徴とする集電装置用摺板の製造方法である。また、アル
ミナ繊維及び２硫化モリブデン粒子を繊維成形体に成形
するときには、これらを結合するバインダーを用いるも
のである。また、アルミナ繊維及び２硫化モリブデン粒
子の繊維成形体を５７３〜９２３Ｋの温度で大気雰囲気
下に６００秒以上保持する熱処理を施すことを特徴とす
るものである。

【００１２】また本発明は、アルミナ繊維及び大気雰囲
気下で熱処理を施した２硫化モリブデン粒子で繊維成形
体を成形し、前記繊維成形体にアルミニウムあるいはア
ルミニウム合金の溶湯を高圧含浸させることを特徴とす
る集電装置用摺板の製造方法である。また、２硫化モリ
ブデン粒子を５７３〜９２３Ｋの温度で大気雰囲気下に
６００秒以上保持する熱処理を施すことを特徴とするも
のである。また、アルミナ繊維及び大気雰囲気下で熱処
理を施した２硫化モリブデン粒子で繊維成形体を成形す
るときには、これらを結合するバインダーを用いるもの
である。

【００１３】

【作用】前記目的を達成するため、本発明者らは、アル
ミマトリックスの種々の複合材を作製し、その耐摩耗
性、相手攻撃性について検討した結果、不活性ガス雰囲
気下でプリフォームを予熱し、ただちにアルミを高圧含
浸することにより、アルミナ繊維を含み酸化損耗のない
２硫化モリブデンが分散した複合材を得ることができ
た。しかし前記複合材に比べ、２硫化モリブデン粒子に
大気中で一定時間加熱処理したものは、さらに優れた耐
摩耗性、潤滑性を有することを知見し、本発明は、これ
らの知見に基づきなされたものである。

【００１４】詳しくは、本発明の集電装置用摺板は、マ
トリックスがアルミニウムあるいはアルミニウム合金で
あり、アルミナ繊維及び大気雰囲気下で熱処理を施した
２硫化モリブデン粒子を含むので、軽量で高導電性を有
し、耐摩耗性に優れ、さらに摺動時に潤滑効果を発揮
し、摺動の相手材である銅トロリー線の摩耗を少なくで
きるものである。

【００１５】またトロリー線に対する追随性が優れてい
るので、集電装置用摺板がトロリー線と離線することが
少なくなり、アークの発生が減少し、そしてアークの発
生によるトロリー線の損耗を減少し、さらにアークの発
生による路線周辺部に電波障害を減少させることができ
る。また、２硫化モリブデン粒子に大気雰囲気下で熱処
理を施しているので、アルミ溶湯を含浸させる方法で製
造することができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明において、アルミナ繊維
は、アルミニウムあるいはアルミニウム合金をマトリッ
クスとする摺板自体の耐摩耗性を向上させるものであ
る。好ましくはアルミナ繊維の体積率は５％〜３０％で
ある。アルミナ繊維の体積率が５％以下では、耐摩耗性
が十分とはいえない。その量が増加すると優れた耐摩耗
性が得られる。さらに添加量を増し体積率が３０％以上
となると耐摩耗性の効果が飽和し、靭性が低下すること
になり、これを加工する工具の摩耗が激しくなるので好
ましくない。また通電特性を悪化させることにもなる。
アルミナ繊維は、直径１〜１０μｍ、好ましくは３〜５
μｍ、長さは１００〜３０００μｍ好ましくは３００〜
１０００μｍである。

【００１７】また、大気雰囲気下で熱処理を施した２硫
化モリブデン粒子は、２硫化モリブデンの自己潤滑性に
より小さい摩擦係数を示し、高度の持続性を有するもの
であり、また大気雰囲気下で熱処理を施したことにより
アルミ溶湯を含浸させるときにも安定している。その体
積率は５〜３０％が好ましく、より好ましくは５〜２５
％である。体積率を５％以上にすると、さらに優れた潤
滑効果が得られるが、３０％以上では、かえって摺動特
性が不安定となるため好ましくない。また通電特性を悪
化させることにもなる。２硫化モリブデンは粉末で用い
るもので、その粒径は、５〜２００μｍのものである。

【００１８】またマトリックス（母材）はアルミニウム
あるいはアルミニウム合金であるので、従来の銅系また
は鉄系の焼結合金より軽量化が図られ、通電特性により
優れた集電装置用摺板となる。マトリックス（母材）と
してのアルミニウム合金は、特定のアルミニウム合金に
限定されるものではないが、具体的に例示するとその成
分は、Ｓｉ：１１．０〜１３．５ｗｔ％，Ｃｕ：０．５
０〜１．３ｗｔ％，Ｍｇ：０．８〜１．３ｗｔ％，Ｎ
ｉ：０．５０〜１．３ｗｔ％，及びＦｅ：１．０ｗｔ％
以下，Ｍｎ：０．０２ｗｔ％以下，Ｃｒ：０．１０ｗｔ
％以下，Ｚｎ：０．２５ｗｔ％以下の１種または２種以
上を含み残部Ａｌと不可避不純物よりなるアルミニウム
合金である。

【００１９】次に、本発明に係る集電装置用摺板の製造
方法については、アルミナ繊維と２硫化モリブデン粒子
を混合させプリフォームを形成する工程、そのプリフォ
ームを大気雰囲気中で加熱処理する工程、及びプリフォ
ームにアルミ溶湯を高圧含浸させる工程からなり、得ら
れた複合材を機械加工にて様々な形状の摺板形状に仕上
げるものである。

【００２０】具体的には、アルミナ繊維と２硫化モリブ
デン粒子を混合させプリフォームを形成する工程におい
ては、これらを結合するバインダーを用いることが好ま
しく、例えばアルミナ繊維と２硫化モリブデン粒子と適
当な分散媒体及びバインダーを混合しスラリー状とした
上で、吸引濾過法、加圧成形法等により所定形状に成形
する。次いで、アルミナ繊維と２硫化モリブデン粒子を
混合し形成させたプリフォームを大気雰囲気下で加熱す
るものである。

【００２１】また、大気雰囲気下で熱処理を施した２硫
化モリブデン粒子を用い、これをアルミナ繊維及びこれ
らを結合するバインダーで繊維成形体として、これを予
熱して鋳型内に設置し、アルミ溶湯で高圧含浸させて製
造するものである。

【００２２】大気雰囲気下での加熱処理において、好ま
しい温度は５７３Ｋ〜９２３Ｋで、より好ましくは５７
３Ｋ〜８７３Ｋの温度で６００秒以上加熱することが好
ましい。５７３Ｋ以下の温度、あるいは加熱処理の時間
が６００秒以下では、集電装置としての摺動特性の向上
が見られず、またアルミ溶湯を含浸させるときにも安定
したものにならない。９２３Ｋ以上では効果が飽和する
ばかりか、プリフォームがもろくなり、ハンドリングし
難くなるため好ましくない。より好ましい上限温度は、
８７３Ｋである。

【００２３】大気雰囲気下で加熱処理を２硫化モリブデ
ン粒子に施すことにより、２硫化モリブデン粒子の表層
が酸化モリブデンとなるもの、あるいは金属モリブデン
となるもの等の混在した状態が推測される。かかる熱処
理を施した２硫化モリブデン粒子をアルミニウムあるい
はアルミニウム合金のマトリックス中にアルミナ繊維と
ともに含有させることにより、２硫化モリブデンの自己
潤滑性により小さい摩擦係数を示し、高度の持続性を有
する集電装置用の摺板が得られるものである。

【００２４】次に、大気雰囲気下で加熱したプリフォー
ムを鋳型内に設置し、アルミ溶湯を高圧含浸させる。こ
の場合プリフォームを予熱してから鋳型内に設置し、ア
ルミ溶湯を高圧含浸させることが好ましい。プリフォー
ムの予熱はアルミ溶湯がよりよく高圧含浸されるように
するものである。例えば、アルミナ繊維と２硫化モリブ
デン粒子を混合し形成させたプリフォームを大気雰囲気
下で加熱処理した後、ただちに鋳型内にプリフォームを
設置し、アルミ溶湯を高圧含浸させるものである。得ら
れた複合材を機械加工により集電装置用摺板に仕上げる
が、加工後に溶体化、時効処理を施して、マトリックス
強度の向上、摺板の靭性、ひいては耐摩耗性も向上を行
うことが好ましい。

【００２５】

【実施例】本発明の実施例を表１に示す具体的データに
基づき詳細に説明する。表１に本発明例の摺板、比較例
の摺板、及び従来銅系焼結摺板を示す。本発明例の摺板
Ｎｏ．１〜８は、アルミナ繊維（直径３〜５ミクロン、
長さ約５００ミクロン）、２硫化モリブデン粒子（粒径
５〜２００ミクロン）、及びマトリックスとして、Ｓ
ｉ：１１．０〜１３．５ｗｔ％，Ｃｕ：０．５０〜１．
３ｗｔ％，Ｍｇ：０．８〜１．３ｗｔ％，Ｎｉ：０．５
０〜１．３ｗｔ％，及びＦｅ：１．０ｗｔ％以下，Ｍ
ｎ：０．０２ｗｔ％以下，Ｃｒ：０．１０ｗｔ％以下，
Ｚｎ：０．２５ｗｔ％以下、残部Ａｌのアルミニウム合
金を用いた。

【００２６】まず、アルミナ繊維（直径３〜５ミクロ
ン、長さ約５００ミクロン）と２硫化モリブデン粒子
（粒径５〜２００ミクロン）を用いてプリフォームを作
製し、このプリフォームを表１に示す加熱条件、すなわ
ち、大気雰囲気下で８２３Ｋの温度に１８００秒保持し
た。次いで、加熱処理したプリフォームを高圧鋳造用金
型のキャビティ部にセットし、アルミニウム合金溶湯を
注湯し、凝固完了まで加圧することにより、プリフォー
ム内に溶湯を含浸させ、アルミニウム複合材を作製し
た。これを溶体化、時効処理を施した後、機械加工によ
り、通電摩耗試験片を作製した。

【００２７】表２に比較例及び従来例を示す。比較例の
摺板のＮｏ．９は、２硫化モリブデン粒子を含まないも
の、Ｎｏ１０は プリフォームを不活性ガス（Ａｒ）雰
囲気、８２３Ｋ×１８００秒で加熱処理したものであ
る。そしてこのプリフォームを高圧鋳造用金型のキャビ
ティ部にセットし、そこへアルミニウム合金（上記本発
明例と同じ組成のアルミニウム合金）の溶湯を注湯し、
凝固完了まで加圧することにより、プリフォーム内に溶
湯を含浸させ、複合材を作製した。これを溶体化、時効
処理を施した後、機械加工により、比較例としての通電
摩耗試験片を作製した。またＮｏ１１は従来例で銅系焼
結摺板である。

【００２８】これら表１及び表２に示すＮｏ．１〜８の
本発明実施例の試験片、及び表２のＮｏ．９〜１１の試
験片を、５０ｋｍ／ｈの周速度で回転する硬銅製の回転
リングを有する通電摩耗試験機にセットして、通電摩耗
試験（摺板比摩耗量及びトロリー摩耗率）を行い、通電
時の摩耗特性を評価した。この通電摩耗試験条件は、通
電電流８０Ａ／ｃｍ² 、摺動時間６０分、試験終了後に
摺板厚みと回転リング（トロリーと想定）の厚み変化を
測定し、摺板比摩耗量及びトロリー摩耗率を算定した。

【表１】

【表２】

【００２９】表１，表２から明らかなように、表１の本
発明例Ｎｏ．１〜８の摺板は、摺板比摩耗量及びトロリ
ー摩耗率ともに、表２のＮｏ．１１の従来銅系焼結摺
板、Ｎｏ．９のアルミ繊維のみ含有した摺板、Ｎｏ．１
０の不活性ガス雰囲気で加熱処理した単に２硫化モリブ
デン粒子を含有させた摺板に比べ、安定して耐摩耗性が
優れると共に、相手攻撃性も緩和されているものであ
る。

【００３０】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明によれ
ば、高速通電摺動等の苛酷な摺動条件下でも、耐摩耗性
に優れ、かつ相手攻撃性の少ない、摺板として適したア
ルミ基複合材が低コストで得られる等工業的に顕著な効
果を奏するものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 赤壁 毅彦 神奈川県大和市上草柳字扇野338番地１ 東洋電機製 造株式会社内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 アルミニウムあるいはアルミニウム合金
   のマトリックス中にアルミナ繊維及び大気雰囲気下で熱
   処理を施した２硫化モリブデン粒子を含有させたことを
   特徴とする集電装置用摺板。
2. 【請求項２】 大気雰囲気下で熱処理を施した２硫化モ
   リブデン粒子の体積率が５〜３０％であることを特徴と
   する請求項１に記載の集電装置用摺板。
3. 【請求項３】 アルミナ繊維の体積率が５〜３０％であ
   ることを特徴とする請求項１または２に記載の集電装置
   用摺板。
4. 【請求項４】 アルミナ繊維及び２硫化モリブデン粒子
   で繊維成形体を成形し、前記繊維成形体に大気雰囲気下
   で熱処理を施した後に、アルミニウムあるいはアルミニ
   ウム合金の溶湯を高圧含浸させることを特徴とする請求
   項１〜３のいずれかに記載の集電装置用摺板の製造方
   法。
5. 【請求項５】 アルミナ繊維及び２硫化モリブデン粒子
   の繊維成形体を５７３〜９２３Ｋの温度で大気雰囲気下
   に６００秒以上保持する熱処理を施すことを特徴とする
   請求項４に記載の集電装置用摺板の製造方法。
6. 【請求項６】 アルミナ繊維及び大気雰囲気下で熱処理
   を施した２硫化モリブデン粒子で繊維成形体を成形し、
   前記繊維成形体にアルミニウムあるいはアルミニウム合
   金の溶湯を高圧含浸させることを特徴とする請求項１〜
   ３のいずれかに記載の集電装置用摺板の製造方法。
7. 【請求項７】 ２硫化モリブデン粒子を５７３〜９２３
   Ｋの温度で大気雰囲気下に６００秒以上保持する熱処理
   を施すことを特徴とする請求項６に記載の集電装置用摺
   板の製造方法。