JP4340845B2 - 集電摺動材料及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、新規な集電摺動材料及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来技術】
新幹線等のような高速鉄道車両で用いられるパンタグラフ用すり板では、特に優れた耐摩耗性と潤滑性が要求される。すなわち、このようなすり板においては、高速におけるすり板の摩耗が少なく、かつ、トロリ線への攻撃性が少ないという特性が求められる。
【0003】
新幹線等のパンタグラフ用すり板としては、例えばFe素地にFeW、Cr、FeMo等を耐摩耗材として添加した材料が従来より使用されている(例えば、特許文献1、特許文献2など参照)。
【0004】
しかしながら、これらの材料では耐摩耗性及び潤滑性が不十分であり、さらなる改善が必要である。耐摩耗性と潤滑性とは、互いに相反する特性であり、いずれかを高めると他方の特性が低下するのが通常であり、この点において従来技術では耐摩耗性と潤滑性の向上に限界がある。
【0005】
【特許文献1】
特開平7−18351号
【0006】
【特許文献2】
特開平8−85854号
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明は、優れた耐摩耗性と潤滑性を兼ね備えた集電摺動材料を提供することを主な目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、従来技術の問題点を解決するために鋭意研究を重ねた結果、特定組成の焼結体合金が上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【0009】
すなわち、本発明は、下記の集電摺動材料及びその製造方法に係る。
【0010】
1.V、Cr、タングステンの硫化物及びモリブデンの硫化物の少なくとも1種の金属硫化物ならびにFeからなる焼結合金であって、V及びCrの含有量の合計が1〜30質量%、金属硫化物1〜12質量%ならびに残部Feからなる混合粉末を成形し、焼結して得られ、Cr及びVの含有割合が両者の合計を100質量%とするとCr:65〜85質量%、V:35〜15質量%である、集電摺動材料。
【0011】
2. V、Cr、タングステンの硫化物及びモリブデンの硫化物の少なくとも1種の金属硫化物ならびにFeからなる焼結合金であって、V及びCrの含有量の合計が1〜30質量%、金属硫化物1〜12質量%ならびに残部Feからなる混合粉末を成形し、焼結して得られた焼結体を硫化処理して得られ、Cr及びVの含有割合が両者の合計を100質量%とするとCr:65〜85質量%、V:35〜15質量%である、集電摺動材料。
【0012】
3. Crの含有量が1〜25質量%である前記項1又は2に記載の集電摺動材料。
【0014】
4. さらにSがCr−S化合物として1〜20質量%含有する前記項1〜3のいずれかに記載の集電摺動材料。
【0016】
5. 前記項1〜4のいずれかに記載の材料からなるパンタグラフ用すり板。
【0017】
6. Vを50質量%以上含むV−Cr合金1〜30質量%、タングステンの硫化物及びモリブデンの硫化物の少なくとも1種の金属硫化物1〜12質量%ならびに残部Feからなる混合粉末を成形し、焼結することを特徴とする集電摺動材料の製造方法。
【0018】
7. Vを50質量%以上含むV−Cr合金1〜30質量%、タングステンの硫化物及びモリブデンの硫化物の少なくとも1種の金属硫化物1〜12質量%ならびに残部Feからなる混合粉末を成形し、焼結した後、得られた焼結体を硫化処理することを特徴とする集電摺動材料の製造方法。
【0019】
8. 焼結を還元性又は不活性雰囲気下1000〜1200℃で行う前記項6又は7に記載の製造方法。
【0020】
9. 混合粉末が、平均粒径40〜400μmのV−Cr合金粉末、平均粒径1〜100μmの金属硫化物粉末及び平均粒径150μm以下のFe粉末からなる前記項6〜8のいずれかに記載の製造方法。
【0021】
10. さらにCr−S化合物粉末1〜20質量%を混合粉末に配合する前記項6〜9のいずれかに記載の製造方法。
【0023】
【発明の実施の形態】
本発明の集電摺動材料は、V、Cr、金属硫化物及びFeからなる焼結合金であって、V及びCrの含有量の合計が1〜30質量%、金属硫化物1〜12質量%ならびに残部Feからなる混合粉末を成形し、焼結して得られるものである。
【0024】
V及びCrは、合計で本発明材料中1〜30質量%程度、好ましくは5〜20質量%含有されていれば良い。この場合、V及びCrの含有割合(重量比)は、通常は両者の合計を100質量%とするとCr:65〜85質量%、V:35〜15質量%とする。Crは、本発明材料中1〜25質量%程度、特に5〜16質量%とすることが好ましい。
【0025】
金属硫化物としては、例えばCr、Mo、W等の金属硫化物が使用できる。具体的には、CrS、Cr2S3、Cr3S4、Cr5S6等のクロムの硫化物、MoS2、MoS3、MoS4、Mo2S3等のモリブデンの硫化物、WS2、WS3等のタングステンの硫化物等が挙げられる。本発明では、タングステンの硫化物及びモリブデンの硫化物の少なくとも1種を必須とすることが好ましい。この場合、必要に応じて他の金属硫化物を併用しても良い。
【0026】
金属硫化物は、本発明材料中1〜12質量%程度、好ましくは1〜5質量%含有されていれば良い。かかる範囲内で金属硫化物を含有させることによって優れた機械的強度とともに良好な潤滑性を得ることができる。本発明では、特にタングステンの硫化物及びモリブデンの硫化物を併用し、かつ、両者を合計で3〜10質量%用いることが好ましい。
【0027】
残部は、Feから構成されている。本発明では、不可避不純物が含まれていても良い。不可避不純物としては、例えばSi、C、O、N、H等の成分が挙げられる。
【0028】
本発明材料では、さらにSがCr−S化合物として1〜20質量%程度、好ましくは1〜12質量%含有していることが好ましい。この場合のCr含有量は、前記のCr含有量に含まれない。
【0029】
また、本発明材料では、さらにMo、Mn及びNiの少なくとも1種がCr系合金として1〜20質量%程度、好ましくは2〜5質量%含有していることが好ましい。この場合のCr含有量は、前記のCr含有量に含まれない。
【0030】
本発明材料は、これらの成分を含む混合粉末を成形し、焼結して得られるものである。以下、その方法について具体的に説明する。
【0031】
本発明材料は、例えば、Vを50質量%以上含むV−Cr合金1〜30質量%、金属硫化物1〜12質量%ならびに残部がFe及び不可避不純物からなる混合粉末を成形し、焼結することによって製造することができる。
【0032】
混合粉末は、上記材料の組成となるようなものであれば特に限定されない。例えば、各成分の単体粉末を混合したもの、予め各成分の一部を合金化した合金粉末と単体粉末とを混合したもの、すべての成分を合金化した合金粉末等を用いることができる。
【0033】
混合粉末の平均粒径も特に制限されず、合金組成、用いる原料粉末等に応じて適宜設定すれば良い。通常は平均粒径25〜125μm程度とすれば良い。
【0034】
本発明では、特に平均粒径40〜400μmのV−Cr合金粉末、平均粒径1〜100μm(特に1〜50μm)の金属硫化物粉末及び平均粒径150μm以下のFe粉末からなる混合粉末を用いることが好ましい。
【0035】
また、本発明においては、さらにCr−S化合物粉末を1〜20質量%程度、好ましくは2〜5質量%配合することができる。
【0036】
また、本発明においては、さらにCr−Mo合金粉末、Cr−Mn合金粉末及びCr−Ni合金粉末の少なくとも1種を1〜20質量%、好ましくは5〜15質量%配合することができる。
【0037】
次いで、混合粉末の成形を行う。成形に際しては、必要に応じて公知の有機バインダー、焼結助材等を適宜添加することもできる。成形方法も、粉末冶金分野で従来から知られている方法を採用でき、例えばプレス法、CIP法、HIP法、MIM法等により成形することができる。成形圧は、通常5〜7トン/cm2程度とすれば良いが、最終的に得られる本発明材料のかさ密度が、通常6.2〜7.2g/cm3程度、好ましくは6.4〜7.0g/cm3となるように設定できれば上記成形圧の範囲外となっても良い。特に、本発明では、材料密度比(真比重に対する比)が通常75%以上、特に85%とすることが好ましい。
【0038】
成形体の焼結に際し、その焼結温度は合金組成等によって異なるが、通常1000℃以上、好ましくは1000〜1200℃とすれば良い。また焼結雰囲気は、通常は還元性雰囲気(アンモニアガス、天然ガス、水素ガス等)又は不活性雰囲気(窒素、アルゴンガス、ヘリウムガス等)とすれば良い。焼結時間は、焼結温度等に応じて適当に定めることができる。例えば、焼結温度が1000〜1200℃程度であれば通常60〜120分程度とすれば良い。また、焼結後、必要に応じて、再圧縮(加圧)、再焼結を行うこともできる。
【0039】
本発明では、上記焼結体をさらに硫化処理することもできる。これによって得られた材料も本発明に包含される。硫化処理することによって、潤滑性が向上し、トロリ線摩耗を低減することができる。
【0040】
硫化処理の方法自体は特に限定されず、気相法、液相法(溶融法)等の公知の方法を適用できる。本発明では、硫黄成分を含む溶液に上記焼結体を浸漬する方法が好ましい。例えば、硫黄を二硫化炭素に溶解させた溶液を好適に用いることができる。硫黄成分の濃度は限定的ではないが、通常は10〜40質量%程度(この場合、溶媒としての硫黄成分は除く。)となるようにすれば良い。浸漬条件は、用いる焼結体の組成等に応じて適宜設定でき、通常は室温(10〜30℃程度)で10〜30分程度とすれば良い。
【0041】
本発明材料は、集電摺動材料として好適に用いることができる。例えば、各種の鉄道(新幹線のような高速鉄道も含む。)のパンタグラフすり板をはじめ、自動車の摺動部品、軸受け材等にも用いることが可能である。
【0042】
これらの使用方法は、各用途で採用されている公知の方法に従って実施すれば良い。例えば、すり板のパンタグラフへの取り付け方法としては、本発明すり板を舟体にネジ止め等により固定することにより設置すれば良い。本発明のすり板は、いずれのタイプのパンタグラフにも適用することが可能である。
【0043】
【発明の効果】
本発明の集電摺動材料によれば、鉄素地にV及びCr成分を金属硫化物とともに含有させていることから、優れた耐摩耗性と潤滑性とを同時に改善することができる。
【0044】
本発明の集電摺動材料は、特に新幹線等の高速鉄道車両に搭載されているパンタグラフ用すり板等として好適に用いることができる。
【0045】
【実施例】
以下に実施例及び比較例を示し、本発明の特徴を一層明確にする。ただし、本発明は、実施例の範囲に限定されない。
【0046】
実施例1〜12
表1に示す配合で各成分をVI型混合機(徳寿製作所製)で30分間混合した後、成形圧6トン/cm2ですり板形状(サイズ12mm×40mm×270mm)に成形し、窒素雰囲気下1150℃で90分間焼結を行い、焼結体試料を得た。
【0047】
このうち、試料No.11〜12は、上記焼結体を硫黄含有溶液(硫黄成分として20重量%含有)に室温で約30分間浸漬した後、乾燥することによって得られた試料である。なお、上記硫黄含有溶液としては、硫黄を二硫化炭素に溶解させたものを使用した。
【0048】
【表1】
【0049】
表1に示された各成分(合金粉末)の組成、平均粒径等は、以下に示すとおりである。
【0050】
・V−Cr…V(65質量%)−Cr(35質量%)、平均粒径約200μm
・Cr−S…Cr(80質量%)−S(20質量%)、平均粒径約200μm
・Cr…平均粒径約200μm
・WS2…平均粒径約1μm
・MoS2:平均粒径約3μm
・Fe:平均粒径約100μm
試験例1
得られた各試料について、すり板の比摩耗量及びトロリ線摩耗量をそれぞれ調べた。その結果を表2に示す。なお、摩耗試験の条件は、試験速度:100km/h、通電電流:100A(AC)、押付け力:5kgf、試験時間:30分とした。表2には、比較のため、Fe焼結合金(従来品)で同様の試験を行った結果も併せて示す。
【0051】
【表2】
【0052】
表2の結果より、本発明品は、比較品に比べてすり板の摩耗量が少なく、耐摩耗性に優れていることがわかる。また、本発明品は、トロリ線の摩耗量が少ないので、相手材に対する攻撃性が低く、潤滑性に優れていることがわかる。
Claims (10)
- V、Cr、タングステンの硫化物及びモリブデンの硫化物の少なくとも1種の金属硫化物ならびにFeからなる焼結合金であって、V及びCrの含有量の合計が1〜30質量%、金属硫化物1〜12質量%ならびに残部Feからなる混合粉末を成形し、焼結して得られ、Cr及びVの含有割合が両者の合計を100質量%とするとCr:65〜85質量%、V:35〜15質量%である、集電摺動材料。
- V、Cr、タングステンの硫化物及びモリブデンの硫化物の少なくとも1種の金属硫化物ならびにFeからなる焼結合金であって、V及びCrの含有量の合計が1〜30質量%、金属硫化物1〜12質量%ならびに残部Feからなる混合粉末を成形し、焼結して得られた焼結体を硫化処理して得られ、Cr及びVの含有割合が両者の合計を100質量%とするとCr:65〜85質量%、V:35〜15質量%である、集電摺動材料。
- Crの含有量が1〜25質量%である請求項1又は2に記載の集電摺動材料。
- さらにSがCr−S化合物として1〜20質量%含有する請求項1〜3のいずれかに記載の集電摺動材料。
- 請求項1〜4のいずれかに記載の材料からなるパンタグラフ用すり板。
- Vを50質量%以上含むV−Cr合金1〜30質量%、タングステンの硫化物及びモリブデンの硫化物の少なくとも1種の金属硫化物1〜12質量%ならびに残部Feからなる混合粉末を成形し、焼結することを特徴とする集電摺動材料の製造方法。
- Vを50質量%以上含むV−Cr合金1〜30質量%、タングステンの硫化物及びモリブデンの硫化物の少なくとも1種の金属硫化物1〜12質量%ならびに残部Feからなる混合粉末を成形し、焼結した後、得られた焼結体を硫化処理することを特徴とする集電摺動材料の製造方法。
- 焼結を還元性又は不活性雰囲気下1000〜1200℃で行う請求項6又は7に記載の製造方法。
- 混合粉末が、平均粒径40〜400μmのV−Cr合金粉末、平均粒径1〜100μmの金属硫化物粉末及び平均粒径150μm以下のFe粉末からなる請求項6〜8のいずれかに記載の製造方法。
- さらにCr−S化合物粉末1〜20質量%を混合粉末に配合する請求項6〜9のいずれかに記載の製造方法。
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