JPS5837372B2 - 摺動集電用銅合金 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は集電子用鋳造合金に係り、特に比較的容量の大
きな電力条件下でかつ作動時に入力端子との間に摺動が
発生するような条件で使用される集電子に好適な鋳造銅
合金に関する。

上記のような条件下で使用される集電子には電動車又は
走行クレーンの集電子などを好適な例として挙げること
ができる。

これらの集電子に適用される材料には種々のものがあり
、大別すれば導電性を特に重視したものと、耐摩耗性を
特に重視したもの、さらには導電性と耐摩耗性の二つを
兼備せしめたもσい三つが挙げられる。

導電性重視のものとしては、Ｃｕ，ｋｔ，Ａｇ系の材料
があり、耐摩耗性重視のものにはＦｅ合金ならびに非金
属材料として炭素質のものがある。

導電性と耐摩耗性を同時に満足することを狙いとしたも
のには、ＣｕならびにＡ７合金があり、特にこれらの粉
体に黒鉛粒子とその他耐アーク性、耐摩耗性向上を狙い
とした粉体又は粒体物質を適宜混合した焼結合金も提供
されている。

特に耐アーク性の見地から低融点金属元素又は基材中に
これらの低融点金属を添加した合金、あるいは蒸気モの
高い元素又は基材中にこれらの蒸気圧の高い元素を添加
した合金も採用されている。

耐摩耗性向上については、すでに挙げた焼結合金での黒
鉛粒子の混合はその代表的なもので、黒鉛の固体潤滑材
としての作用を活用したものである。

一方、集電子材としてＣｕ及びＣｕ合金は導電性におい
て望ましく、機械的性質に好ましい特徴を有すると同時
に経済性にもすぐれているため最も費用されるものであ
るか、入力端子側材料としてもＣｕは屡々採用されるた
め摺動形集電の場合は同種金属摩擦という摩耗に関して
は最も苛酷な条件となる。

こうした場合の対策としては基材中にＰｂを添加し、Ｐ
ｂがＣｕに対して殆んど溶解度を持たぬことを利用して
基材基地中にＰｂ粒子を析出分布させたり、あるいは焼
結合金ではＰｂ粒子を混合焼結したりしている。

このような種々な工夫がなされており、中でも焼結金属
では金属元素に留まらず、各種化合物粒子の混合なども
比較的容易であり、焼結後液状物質を含浸させることも
可能であることから種々の特徴ある材料が提供されてい
る。

しかしながら、導電性、耐摩耗性、耐アーク性へ云った
すべての要求を満足すると云えるものはなく、焼結材料
にしても適用条件によっては機械的性質の不足が難点と
なり、経済性などの問題もある。

本発明の目的は以上に述べたような従来材の欠点を補な
い、導電性、耐摩耗性、耐アーク性の三つを満足すると
同時に機械的性質にもすぐれ、需要量やサイズ、形状の
いかんに拘らず安価に供給することにある。

特に本発明での特徴は耐摩耗性と機械的性質の充実をは
かったところにある。

すでに述べた通り、摺動集電材に課せられる摩耗条件に
は同種金属摩擦が挙げられ、この時には一般に凝着摩耗
として知られる異常摩耗を生じる。

この対策としてはＣｕ系集電材においては基材にｐｂ添
加をなし、Ｃｕに対してｐｂの溶解度が殆んどないこと
を利用してＣｕ基地にｐｂを粒状析出させる方法が採用
される。

しかしながら、こうした方法で析出させられたＰｂ粒子
は時としてかなり粗大化したり、基地中分布において均
一性を欠くことがあり、これがまた耐摩耗性の不安定に
つながる。

本発明では同種金属摩耗での凝着摩耗を防止する手段と
して、Ｐｂを利用することは上記問題からしてとりあげ
ず、新たにＢｉを利用することを着想した。

こ＼でＢｉ利用を考えた理由の第一は、ＢｉはＰｂと物
理的性質において近似するところが多いことであるが、
さらにその析出形態をより微細かつ均一になし得る手段
を見出したからでもある。

ここで、Ｃｕに対するＢｉ添加の影響は古くから研究さ
れたものがあるがＢｉの存在はＣｕ及びＣｕ合金を脆化
するにつき０．０２重量％以下の含有量であることが必
要といわれている。

本発明においては、凝着摩耗抑制の見地からＢｉを積極
的に添加するが、その量は上記規制値以上であってなお
材料脆化の防止がはかられている。

そのための配慮としてＢｉと同時にＳｎを同時添加する
ことにある。

Ｃｕ及びＣｕ合金に対するＳｎの影響もすでに知られた
ところが多く、硬度や強度を高めるとか耐食性向上効果
などが公知である。

青銅の特徴はとりもなさずＣｕ −Ｓｎ合金の特徴と云
ってさしつかえない。

一般に青銅と呼称されるＣｕ合金ではＳｎ含有量は２重
量７ｏから１１重量％にまでにわたる。

一方、Ｃｕに対するＳｎの溶解度はかなりあり、平衡状
態では最大１５重量渉にも達する。

しかしながら、普通の金属凝固では非平衡凝固の形態を
示し、Ｓｎは一次晶間隙に濃縮していわゆる樹枝間隙に
偏析する。

本発明はこの非平衡凝固なるがゆえのＳｎの微少部偏析
を積極的に利用するものでもある。

すなわち、Ｃｕに対してＰｂが殆んど溶解度を有しない
のと同様に、ＢｉのＣｕに対する溶解度もまたすこぶる
小さく、０．５原子％以下と云われている。

しかし、ＳｎとＢｉでは共晶合金をつくり、Ｓｎに対す
るＢｉの溶解度はかなり太きい。

すなわち、Ｃｕ及びＣｕ合金中にＳｎとＢｉを適量添加
すればＳｎの微少偏析部にＢｉをＳｎとの化合物の形で
析出させることができ、Ｓｎの偏析部は樹枝間隙である
がために微細分商であり、従ってＢｉ −Ｓｎ化合物の
分而も微細且つ均一ならしめることが可能となる。

また、ＢｉはすべてＳｎとの化合物の形で粒状に析出し
、粒界濃縮の形態をとらぬので材料の脆化も生じ難い。

Ｂｉ，ＳｎともＣｕ及びＣｕ合金の導電性を低下させる
ところは少ないので、Ｃｕ−Ｓｎ化合物の存在が集電材
としての導電性をそこなうことも少ない。

また、Ｓｎは蒸気圧が比較的低い元素なので、Ｂｉ−Ｓ
ｎ化合物の存在が集電材の耐アーク性をそこなうことも
ない。

本発明における以上の特徴を発揮せしむるに必要なＳｎ
，Ｂｉ量は次の通りである。

すなわち、Ｓｎは２〜２０重量％、Ｂｉは０．５ 〜１
０重量％とする。

ここでＢｉ及びＳｎのそれぞれの含有量を規制する理由
は次の通りである。

まず、Ｓｎの含有量が、２重量％未満ではＢｉとの化合
物を形或するに足る程度の微少偏析を生じ難く、２０重
量％を越えると合金基地強さの急激を低下を生じ機械的
性質としての不足を招くからである。

又Ｂｉの含有量が、０．５重量％未満では耐摩耗性を保
証するに足るだけのＢｉ化合物を生ぜず、１０重量％を
越えるとＳｎとのバランスにおいて耐摩耗性の向上はな
されないからである。

Ｓｎ含有量がＢｉ含有量の少なくとも１．０倍以上であ
ることを指定する理由は、Ｂｉは純粋な形でなく、あく
までもＢｉ −Ｓｎ化合物の形で析出させることを目的
とするからである。

以上の説明において、本発明における集電子材？凝固偏
析を積極的に利用したものであることを述べたが、凝固
偏析をオリ用する上で当該材料は鋳造のまＸで用いるこ
とができることは云うまでもない。

すなわち、提供すべき集電子は鋳造によって得られるた
め、焼結合金の如くサイズや形状で規制を受けるところ
はなく、安価に提供することができる。

上記Ｓｎ及びＢｉを含む銅合金に１００メッシュ以下の
炭素粒子を黒鉛又は黒鉛と無定形炭素の混合形態で０．
５〜１０重量％分散含有させることにより凝着摩耗に対
する抵抗性とは別に固体潤滑剤としての炭素の作用によ
る耐摩耗性を向上させるものである。

炭素粒子は、その大きさが１００メッシュを越えると合
金溶湯の流れを阻害して好ましくない。

又、分散量が０．５重量７０未満では耐摩耗性に寄与せ
ず、１０重量％を越えると導電性が低下する。

以下本発明の実施例を説明する。

実施例 第１図には、本発明による集電子材におけるＢｉ −Ｓ
ｎ化合物の析出状況を示す一例として、Ｂｉ ３重量％
、Ｓｎ４重量添加し、さらに炭素粒子トして１００メッ
シュ以下の黒鉛を６重量％分散含有させた場合のものを
示した。

図中、黒く片状に見えるのが同時に分散させた黒鉛片で
あり、その他点状に分布するのがＢｉ −Ｓｎ化合物で
ある。

Ｂｉ −Ｓｎ化合物は樹枝間隙に微細かつ均一に分布し
ている。

第２図には本発明による集電子材の耐久性を示すもので
、この場合入力端子の形態は硬銅トロリー線で集電子と
の接触圧は５ｋｇ、集電電流は７００Ａ、摺動速度は６
０ ｉｃｍ／ ｈである。

なお、図中Ａと示したのは従来材としての鉄硫化物５重
量％、黒鉛１重量％、を含む銅基材の焼結合金Ｂとして
示したのは本発明と組或的には共通しながらなお凝着摩
耗の防止をＰｂ ３重量％添加ではかったもの、Ｃは第
１図に示したのと同様の組織を有する本発明による集電
子材である。

図上方、累積摩耗量曲線からして本発明によるところが
最も損耗量の少ないことが理解されようが、図下方の比
摩耗量曲線からは耐凝着摩耗性にすぐれていることが説
明できる。

すなわち、曲線Ａではしゆう動距離約１５０軸から、曲
線Ｂでは約４００／ａＬゆう動以上で急激に比摩耗量が
増加するのはそれぞれ凝着摩耗の発生を示す。

曲線Ｃでは１０００ｋｒｎしゆう動にいたるもなお比摩
耗量の増加を示さず、本発明においてＢｉ −Ｓｎ化合
物を基材中に析出せしめたことが従来のＰｂ粒子の析出
効果以上に耐凝着摩耗性の確保に有効であることが示さ
れている。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による合金組織の顕微鏡写真（拡大倍率
１００倍）であり、第２図は本発明による集電子材の摺
動拒離と摩耗量との関係を示した線図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 合金組威としてＳｎ２〜２０重量％， Ｂｉ０．５
   〜１０重量％を含有し、Ｓｎ含有量がＢｉ＠有量の少な
   くとも１．０倍以上であるように配分して基地中にＳｎ
   とＢｉの化合物粒子を均一に析出分布させ、さらに該合
   金に１００メッシュ以下の炭素粒子を黒鉛又は黒鉛と無
   定形炭素との混合形態で０．５〜１０重量渉分散含有さ
   せてなる摺動集電用銅合金。