JPS6039737B2 - 高導電性金属−炭素繊維複合摺動部材の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は高導電性金属−炭素繊維複合沼動部村及びその
製造方法に係り、特に電車用パンタグラフのスリー板、
モータのブラシ等に用いるに好適な、自己潤滑性に優れ
、摩耗特性に異万性のない高強度の高導電性金属−炭素
繊維複合拍動部材の製造方法に関する。

銅等の高導電性金属からなるマトリックス中に、数山ｍ
の径をもつ極細の炭素繊維を介在させた、高導電性金属
−炭素繊維複合摺動部村は、マトリックス金属の有する
耐熱性、導電性と、炭素繊維の有する高強度、高弾性、
低熱膨張性、耐摩耗性を合わせ持つため、種々の用途に
使用される。

中でも、第１図に示すように、マトリックス金属を銅１
０とし、その中に炭素繊維１２を方向を揃えて埋め込ん
だ、いわゆる一方向性鋼−炭素繊維複合材は、その高導
電性、高強度、耐摩耗性から各種用途に使用され得る。
即ち該一方向性銅−炭素繊維複合材の炭素繊維長手方向
（第１図のｘ方向）の引張り強さは、およそ炭素繊維自
体の引張り強さに対する炭素繊維の体積％の値となり、
またその導電率は、およそ銅マトリックスの体積％の値
となる。例えば引張り強さ２００ｋ９／孫の９９仏ｍの
直径をもつ炭素繊維を、５の本積％配合した銅一炭素繊
維複合材は、引張り強さ１００ｋ９／桝、導電率４８１
ＡＣＳ％をもつ高強度、高導電材となることが知られて
いる。しかし従釆の一方向性鋼−炭素繊維複合材は、そ
の構造からも明らかなように、その摩耗特性及び強度に
異方性があるため、回転酒勤面等には使用できず用途が
かなり限定され、使いにくいという欠点があった。第２
図に、炭素繊維を５の本積％を含む、一方向性鋼−炭素
繊維複合材の摩耗特性の実験結果例を実線Ｃ，Ｄ，Ｅで
示す。

実線Ｃは、第１図のＡ面をｙ又はｚ方向に摺動した場合
、実線Ｄは、同じくＢ面をｙ又はｚ方向に沼勤した場合
、実線Ｅは、同じくＢ面をｘ方向に摺動した場合である
。測定条件は、相手村を通常用いられるＳ４に材、雰囲
気を大気、面圧を５０ｋ９／ｃ杉とし、６肌の距離を４
４回／分の速度で往復させたもので、試験片寸法は７め
である。第２図の実線Ｃから明らかなとおり、炭素繊維
の長手方向に対して直角な面（第１図のＡ面）を眉勤し
た場合には、摩耗特性に方向性はなく、摩耗量も比較的
少ない。これに対し該複合材の長手方向面（第１図のＢ
面）を同じく長手方向（第１図のｘ方向）に酒動した場
合には実線Ｅで示す如くその摩耗量が極めて多くなって
いる。一方談複合材の相手材であるＳ４＄材の摩耗状況
（摺動距離２．５物）を下記第１表に示す。第１表第１
表から明らかなとおり、摺動面及び摺動方向により相手
材の摩耗量が異なり、複合材自体の摩耗量として最も少
なかったＡ面を沼動した相手村については、その摩耗量
が最大となっている。

前記のような摩耗特性の異方性は、一つには、炭素繊維
の結晶が六方晶系で、しかも結晶配合をもつため、炭素
繊維自体の側面と断面との差により自己潤滑材となる摩
耗粉の生成程度に差が生じるためである。また、他方に
おいては、摺動の際、炭素繊維がマトリックス金属から
離脱すると摩耗が当然はやいが、このマトリックス金属
からの離脱のしやすさが方向によって異なるるためであ
る。即ち、第１図Ａにおける沼動時には、炭素繊維が銅
マトリックス中に埋め込まれているので、炭素繊維の離
脱はほとんど生ぜず摺動材自体は比較的良好な耐摩耗性
を示す。

しかし、炭素繊維のこの方向の断面では摩耗粉が容易に
生成しないため、相手材の摩耗が早い。更に摺動距離が
長くなり、相手材が銅マトリックス表面を覆うようにし
て凝着するようになると、凝着した部分が欠損し、銅一
炭素繊維複合自体の摩耗量も大となることが十分予想さ
れるものである。他方第１図のＢ面の摩耗は、炭素繊維
の埋め込みが浅いため、炭素繊維自体が離脱し、複合材
の摩耗が大となる。このように、一方向性鋼−炭素繊維
複合材は、耐摩耗性に異万性があり、しかも相手材の摩
耗が大きいため使いにくいという問題がある。また該一
方向銅−炭素繊維複合材は、その構造からも明らかなと
おり、強度についても異方性がある。

すなわち前記したような引張り強度は、炭素繊維の長手
方向（第１図のｘ方向）についてのみ得られるものであ
って、炭素繊維の断面方向（第１図のｙ方向又はｚ方向
）については、銅と炭素繊維間に冶金学的なぬれ性がな
く、その界面接着力が極めて小さいため、強度が非常に
弱くなる。このように炭素繊維の方向によって強度に異
万性を持つことは、このような複合材にに必然的なもの
であるが、この強度の異万性のため、該複合材の応用範
囲は極めて狭いものとなるという問題がある。一方、特
願昭５１−５９５２号で開示したような、炭素繊維を、
銅マトリックス中にわん曲させて埋め込み、分散させた
、いわゆる無方向性銅一炭素織維複合材は第２図案線Ｆ
及び第１表下欄に示す炭素繊維を５の本積％含む例のよ
うに相手材の摩耗が少なく、耐摩耗性に異方性がない。

しかし、炭素繊維の介在の仕方が、わん曲し、方向性が
ないため、強度が必ずしも十分でなく、耐摩耗性‘こつ
いても炭素粉の精製が不足気味であるという問題があっ
た。本発明は、前記従来の欠点を解消するべくなされた
もので、摩耗特性に異方性がなく、相手材の摩耗も少な
い、高導電性、高強度、耐摩耗性の高導電性金属−炭素
繊維複合摺動部材その製造方法を提供することを目的と
する。

すなわち、本発明は粉末状高導電性金属、炭素粉、炭素
と反応する元素の粉末を混合し、該混合物に粘結剤を加
えスラリー状とし、該スラリ−状混合物に高導電性金属
被覆炭素繊維の東を含浸し、該含浸物を熱間加圧成形又
は溶解冷却成形することを特徴とする、高導電性金属、
炭素繊維、炭素粉、炭素と反応する元素からなり、炭素
繊維と炭素粉の含有率の和が１０乃至７の本糟％、炭素
と反応する元素の含有率が前記炭素繊維と炭素粉の和の
２の本積％以下である、異方性の低い摩耗特性を有する
高導電性金属−炭素繊維複合摺動部材の製造方法である
。

前記従来技術の検討結果より明らかなように、導電性金
属−炭素繊維複合材自体の摩耗と相手村の摩耗を共に軽
減するには、自己潤滑材となる摩耗粉の生成を何らかの
方法で補い、必要に応じて炭素繊維とマトリックス金属
との結合を改善すればよい。

本発明は、前記したとおり、摩耗粉の精製を補うために
結晶の異方性のない炭素粉を金属マトリックス中に混合
し、更に必要に応じて炭素と反応するチタン、ジルコニ
ウム、ニオブ等の元素を金属マトリックス中に添加する
ことにより、炭素繊維及び炭素粉とマトリックス金属と
の結合力を高めたものである。

以下、本発明は一方向性鋼−炭素繊維複合材に適用した
実施例について説明する。

第３図に本実施例の構成図及び顕微鏡組織写真を示す
。本実施例は第３図ａに示す如くマトリックス金属であ
る銅１０と、該銅１０中に介在された方向の揃った炭素
繊維１２と、同じく該銅１０中に分散された炭素粉１４
とからなる。第３図ｂは本実施例のＡ面４０の苦もこ拡
大して示したもので、白地が銅１０、黒いし、点が炭素
繊維１２の断面、黒い筋が炭素粉１４である。このよう
な一方向性鋼−炭素繊維複合材においては、炭素繊維断
面（Ａ断面）の摩耗粉の不足を炭素粉が補い、十分な自
己潤滑性を有する炭素の摩耗粉が横動面に供給されるた
め該Ａ面における相手材の摩耗、複合材自体の摩耗がと
もに軽減される。しかも、従釆の銅−炭素粉焼結材には
得られない高強度が、炭素繊維自体の介在によって得ら
れるものである。なお導電性、強度についいては従来の
銅−炭素繊維複合材とほぼ同等のものが得られる。該銅
−炭素繊維複合材において、炭素繊維と炭素粉のマトリ
ックス金属からの離脱を防ぐことができれば、強度、耐
摩耗性ともに向上する。

この炭素繊維及び炭素粉鋼マトリックスとの結合は、炭
素と反応する元素、例えばジルコニウム、タン、ニオブ
、タングステン、シリコン、等を該複合材に添加するこ
とにより解決できる。これら添加元素は、炭化物生成に
標準エネルギー変化が負であり、安定な炭素と炭化物を
形成し、炭素と銅マトリックスとの結合を強固にする。
これらの反応は後述する製造の際の加熱によって生起す
るものである。前記のような複合摺動部材を製造する際
には、まず粉末状にしたマトリックス金属である銅等の
高導電性金属と炭素粉とを混合する。

炭素と反応する元素を混入する場合には、該炭素と反応
する元素も同時に粉末化し前記混合物に加えておく。次
に該混合物にメチルセルローズ水溶液等の粘結村を加え
、混合することにより流動性と粘着力をもつスラリー状
とする。該スラリー状混合物に炭素繊維を含浸し、該含
浸物を炭素と反応する元素を含まない複合材においては
熱間加圧成形し、炭素と反応する元素を含む複合材にお
いては熱間加圧成形又は溶解冷却成形することにより得
られるものである。本発明の製造方法において、特に該
スラリー状混合物に炭素繊維を含浸する際に炭素繊維に
高導電性金属を被覆して東にし、前記スラリー状混合物
に含浸することを最大の特色としている。例え、炭素繊
維をバラバラにスラリー状混合物に浸したのでは、炭素
繊維を均等に分布させることができない。従って、本発
明では炭素繊維を束ねてスラリー状混合物に含浸するこ
とが必要である。このようにすれば、スラリー状混合物
に炭素繊維の東を合浸した含浸物を熱間加圧成形又は溶
解冷却成形する際には繊維間に均等にスラリーが含浸し
ているのでボィドの発生を防止することができると共に
、炭素繊維の配向乱れを防止できる。さらに、炭素繊維
の表面には予め高導電性金属が被覆されているので、ス
ラリー状混合物との濡れ性を改善することができる。

以上の製法によって、炭素粉及び炭素繊維を十分に結合
した銅−炭素繊維複合材が得られ、これら複合材は耐摩
耗性、導電性に優れ、しかも高強度をもつ。

チタン・ジルコニウム等の炭素と反応する元素を含む銅
−炭素繊維複合材の組成比は、複合材の強度を高める炭
素繊維の量によって決められる。

すなわち、炭素繊維の体積比が強度を支配するので炭素
繊維は多い方がよい。しかし炭素繊維の含有率が高いと
、製造が困難となり、また導電率も劣化するので、炭素
繊維の量は複合材全体の７の本績％程度が限度である。
通常２０〜５の本債％程度が好ましい。数体積％の炭素
繊維量でも強度改善の効果はあるが、炭素繊維の均一分
散がむずかしくなるので、実質的に肋本積％以上の炭素
繊維量が必である。炭素粉の量は、耐摩耗性に関して言
えば、含有率が多いほどよいが、含有量が多いと導電率
をそこなう。

一般には炭素繊維の摩耗粉生成不足を補うのに十分な量
であればよく、炭素繊維自体が自己潤滑となる摩耗粉を
生成することと合わせて、炭素繊維の含有量増加ととも
に炭素粉の含有量は減少させて良い。従って、炭素粉の
量は炭素繊維量と炭素粉量の和が全体の１０〜７の本積
％の範囲であればよい。チタン・ジルコニウム等の炭素
と反応する元素は、炭素繊維及び炭素粉の表面を一部徴
量反応させるに十分な量であればよく、炭素量に対し数
％で十分であるが、本発明におけるマトリックス金属を
粉末として製造する方法により実験では、炭素量に対し
てＩＭ本積程度が適性で、２体積％でも効果がある。

この適性含有量は、マトリックス金属の粉末粒径、製造
温度、製造時間によって異なるもので、マトリックス金
属自体をまず銅とこれらの炭素と反応する元素との合金
にした後粉末とすれば、これらのチタン・ジルコニウム
等の炭素と反応する元素の分散が微細となるので、２体
積％以下でも十分な効果を発揮する。従って、チタン・
ジルコニウム等の量は導電率劣化の点で上限を決めれば
よい。実質的には炭素粉の含有量の和の体積％に対し２
０％以下であれば十分である。以下具体的な実施例につ
いて説明する。第１実施例 純度９９．９％、粒度３２５メッシュの炭素粉と粒径２
仏ｍの銅粉に、３％メチルセルロース水溶液を炭素粉と
銅粉の重量の約２倍の量加え、らし、かし、機で混合、
蝿辞しスラリー物を作製した。

他方、表面に約０．２ｒｍ厚の銅めつきを施した線径９
仏ｍの炭素繊維の東（炭素繊維３０００本）を用意し、
これを上述の炭素粉と銅粉からなるスラリ−にどぶづけ
し、炭素繊維間にスラリーを含浸した。上述の炭素粉、
銅粉、炭素繊維からなる複合体を、ホットプレス鋳型に
炭素繊維の方向を一方向に揃えてならべ、水素ガス中で
温度８００００、圧力３００ｋｇ／ｃ液の条件でホット
プレスし、銅−２折本糠％炭素粉−３の本債％炭素繊維
複合材を作製した。第３図ｂはこの複合材を示すもので
ある。前記鋼−２の本穣％炭素粉−３０体積％炭素繊維
複合材からなる酒動面７少の試料及びＳ４５Ｃ相手村に
ついて、大気中、圧力５０ｋ９／的、沼勤距離６ｃのを
１分間４４４回の速で、往復させる方法により摩耗試験
を行ない、摩耗量を測定した。

第４図の実線Ｇは、該複合材を第３図Ａ面ｙまたはｚの
方向に摺動させた時の摩耗曲線、第４図の破線日は同じ
く相手材の摩耗曲線である。

参考のため従来の炭素粉を含まない銅−５ぴ本積％炭素
繊維複合材の測定結果を第４図に実線１（複合材）、破
線Ｊ（相手村）で示す。第４図より同一炭素量でも炭素
粉を含むことによって、炭素繊維のみの場合より摩耗量
が少ないことが明らかである。また、相手材の摩耗も、
炭素粉を含むことによって改善されている。この銅−２
Ｍ本糠％炭素粉−３の本積％炭素繊維複合材の導電率は
、４５１ＡＣＳ％という高いものであり、引張強さは３
９ｋｇ／磯と高強度を示した。

以上のように、炭素粉の含有によって、高導電性および
高強度の性質をもち、相手村及び自らの摩耗の少ない複
合材が得られた。第２実施例 第１実施例の製法に準じ、粒径４仏ｍのジルコニウム粉
をスラＩＪ‘こ添加混入させ、ホットプレスするさし、
の温度を１０００ｏｏとし、銅−１の本積％ジルコニウ
ム−２の本積％炭素粉−３の本積％炭素繊維複合材を作
製した。

他の製造条件、原料は第１実施例と同一である。次いで
、第１実施例と同様な摩耗試験方法により該複合材の摩
耗試験を行なった。

その結果を第５図、第６図に示す。第５図の実線Ｋは第
３図Ａ面のｙ，ｚ方向に摺動させた場合の複合材の摩耗
曲線、破線Ｌは同じく相手材摩耗曲線である。比較のた
めルコニウムを含まない銅−２の本積％炭素粉−３の本
積％炭素繊維複合材の同一面、同一方向についての結果
も実線Ｍ（複合材）、破線Ｎ（相手材）であわせて示し
た。第６図の実線Ｐは、第３図のＢ面をｙ方向に摺動さ
せた場合の銅−１の本務％ジルコニウム−２の本積％炭
素粉−３０体積％炭素繊維複合材の摩耗曲線、破線Ｑは
相手材の摩耗曲線である。

比較のためジルコニウム及び炭素粉を含まない従来の銅
−５川本損％炭素繊維複合材の同一面、同一方向につい
ての実験結果も実線Ｒ（複合材）、破線Ｓ（相手材）で
あわせて示した。第５図及び第６図から明らかな通り、
炭素繊維断面及び炭素繊維の埋込みが浅く炭素繊維が離
脱しやすい側面のいずれにおいても、ジルコニウム添加
により炭素粉及び炭素繊維と金属との結合が改善され複
合材自体及び相手材の摩耗性が改善されている。

なおこの銅−１の本積％ジルコニウム−２の本債％炭素
粉−３０体積％炭素繊維複合材の導電率は２６１ＡＣＳ
％で好な導電率を示し、引張強さは４３ｋｇ／桝の高強
度を示した。

第３実施例 第２実施例と同一の製造条件により作成した銅−ＩＭ本
積％チタン−２の本債％炭素粉−３の本債炭素繊維の組
成をもつ複合材の第３図Ａ面のｙ，ｚ方向の耐摩耗性を
測定した。

その結果、相手村の摩耗及び複合材の摩耗とも、第５図
に示す第２実施例と、ほぼ同程度の特性を得た。また、
この複合材の導電率は２１１ＡＣＳ％で引張強さは４２
ｋ９／秘であった。本実施例により、チタンもジルコニ
ウムと同様な効果があり炭素粉とチタンの添加により銅
一炭素繊雛複合材及び相手村の摩耗を改善する効果があ
ることがわかった。

なお、ニオブを添加した場合についても、ほぼ同様な結
果が得れた。以上述べた実施例においては、マトリック
ス中に混入される炭素繊維は、すべて一方向に整列され
ていが、本発明の適用範囲は炭素繊維が一方向に整列さ
れている場合にのみ限定されるものではない。

いわゆる無方向性銅一炭素繊維複合材においても、本発
明に示すように炭素粉を混入すれば、摩耗粉の生成が助
長されるため、摩耗特性はかなり改善される。この場合
、炭素粉の量は、一方向性銅一炭素繊維複合材の場合に
よりも少なくてよい。また以上述べた実施例はすべてマ
トリックスが銅単体でなく、マトリックスが炭素と反応
しないすず、亜鉛等の金属が添加された銅合金であって
もかまわない。これらの銅合金の場合は、該添加元素に
よりマトリックスが強化され、導電率も実用に耐えるも
のである。更に本実施例においてはマトリックスが銅又
は鋼合金であったがマトリックス材質はこれらに限定さ
れず銀、アルミニウム等他の高導電性金属あるいはこれ
らと他の金属との合金であってもかまわない。

以上説明したとおり、本発明は、高導電性金属−炭素繊
維複合摺動部材を製造するに際し、粉末状高導電性金属
、炭素粉、炭素と反応する元素の粉末を混合し、該混合
物に粘結剤を加えスラリー状とし、該スラリー状混合物
に高導電性金属被覆炭素繊維の東を合浸し、該含浸物を
熱間加圧成形又は熔解冷却成形する製造工程をとるとと
もに、炭素繊維、炭素粉、および炭素と反応する元素粉
末の量を、炭素繊維と炭素粉の含有率の和が１０乃至７
の本積％、炭素と反応する元素の含有率が前記炭素繊維
と炭素粉の和の２仇本債％以下としたものである。

このため炭素繊維の介在の仕方、炭素繊維自体の結晶の
異万性に基づく摩耗特性の差異が軽減され、耐摩耗性の
男方性が殆んどなくなり、複合材自体及び相手材の摩耗
が著しく軽減される。また炭素粉は高導電性金属に固浴
しないので、導電率を著しくそこなうことがなく、高導
電性金属−炭素繊維複合材の高強度、高導電性も良好に
維持される等の優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の銅一炭素繊維複合材の構造を示す断面図
、第２図は同じく従釆の銅−５川本積％炭素繊維複合材
の摩耗曲線を示す線図、第３図は、本発明に係る銅−２
の本種％炭素粉−３の本積％炭素繊維複合材の構造を示
す断面図及び顕微鏡組織写真、第４図は、第３図に示す
実施例の摩耗曲線を示す線図、第５図、第６図は本発明
に係るジルコニウムが混入された銅−１Ｍ本種％ジルコ
ニウム−２の本積％炭素粉−３山本積％炭素繊維複合材
の摩耗曲線を示す線図である。 １０・・・銅、１２・・・炭素繊維、１４・・・炭素粉
。 舟′図力ｚ図 桁ぅ図 系４図 糸タ図 希う図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 粉末状高導電性金属、炭素粉、炭素と反応する元素
   の粉末を混合し、該混合物に粘結剤を加えスラリー状と
   し、該スラリー状混合物に高導電性金属被覆炭素繊維の
   束を含浸し、該含浸物を熱間加圧成形又は溶解冷却成形
   することを特徴とする、高導電性金属、炭素繊維、炭素
   粉、炭素と反応する元素からなり、炭素繊維と炭素粉の
   含有率の和が１０乃至７０体積％、炭素と反応する元素
   の含有率が前記炭素繊維と炭素粉の和の２０体積％以下
   である。 異方性の低い耐摩耗特性を有する高導電性金属−炭素繊
   維複合摺動部材の製造方法。２ 前記含浸物を熱間加圧
   成形又は溶解冷却成形する際に、炭素繊維の方向が一方
   向に揃えられている、特許請求の範囲第１項記載の異方
   性の低い耐摩耗特性を有する高導電性金属−炭素繊維複
   合摺動部材の製造方法。 ３ 前記高導電性金属が、銅である特許請求の範囲第１
   項記載の異方性の低い耐摩耗特性を有する高導電性金属
   −炭素繊維複合摺動部材の製造方法。 ４ 前記炭素と反応する元素が、チタン、ジルコニウム
   、ニオブの少なくとも一つである特許請求の範囲第１項
   〜３項のいずれかに記載の異方性の低い耐摩耗特性を有
   する高導電性金属−炭素繊維複合摺動部材の製造方法。