JP2003136221A

JP2003136221A - 耐摩耗性複合材料

Info

Publication number: JP2003136221A
Application number: JP2001328931A
Authority: JP
Inventors: Shuhei Ishikawa; 修平石川; Takashi Mitsui; 任三井; Takeshi Suzuki; 健鈴木; Nobusuke Nakayama; 信亮中山; Hiroyuki Takeuchi; 広幸竹内; Seiji Yasui; 誠二安井
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2001-10-26
Filing date: 2001-10-26
Publication date: 2003-05-14

Abstract

(57)【要約】【課題】炭素材を用いた耐摩耗性の材料において、曲げ
強度及び衝撃値の向上並びに電導性の向上を図ることが
でき、例えばパンタグラフ用すり板部材に用いて好適と
なる耐摩耗性複合材料を提供する。【解決手段】ケース内において、グラファイトの粉体に
水、バインダー（結合材）を混合させて混合物を調製
し、該混合物が入ったケースを予備成形機にセットす
る。その後、混合物を予備成形機にて成形して予備成形
体を成形する。次いで、得られた予備成形体をケースご
と炉２２内に収容し、炉内の雰囲気を加熱して、予備成
形体を焼成してブロックを作製する。その後、炉からブ
ロックをケースごと取り出して、プレス機にブロックを
セットし、ケース内に銅の溶湯を注湯した後、ケース内
の溶湯を押し下げ圧入することで、銅の溶湯をブロック
中に含浸させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、耐摩耗性複合材料
に関し、例えば耐摩耗性を必要とするブレーキ用ディス
ク部材や耐摩耗性及び高電導性を必要とするパンタグラ
フ用すり板部材に用いて好適な耐摩耗性複合材料に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】一般に、耐摩耗性の材料は、主に、電
車、自動車、航空機等のブレーキ用ディスク部材として
使用されている。

【０００３】この耐摩耗性の材料に導電性の特性を持た
せることによって、例えばパンタグラフ用すり板部材と
して使用することができる。このすり板部材としては、
従来から炭素材が使用されているが、その組織強度を高
めると共に、集電性を向上させるために、炭素焼結体に
良電導性の金属を含浸する方法が知られている（例えば
特公昭５２−８２２号公報参照）。

【０００４】この従来の方法では、炭素材は溶融金属に
対する濡れ性がよくないため、高い加圧力で含浸して
も、微小な気孔まで金属を充填することが困難である。
そこで、従来では、予め炭素材の開気孔の壁に溶融金属
と濡れ性のよい金属塩の薄膜を形成する方法が提案され
ている（例えば特開昭６１−１３６６４４号公報参
照）。

【０００５】更に、従来では、母材（含浸素材）に閉塞
気孔の僅小な高多孔質組織のガラス状カーボン材を用い
ることによって全気孔に対する金属の充填率を向上させ
るようにした例も提案されている（例えば特開平２−１
２０２１６号公報参照）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、炭素材を用
いた耐摩耗性の材料において、曲げ強度及び衝撃値の向
上を図ることができ、例えばブレーキ用ディスク部材に
用いて好適な耐摩耗性複合材料を提供することを目的と
する。

【０００７】また、本発明は、炭素材を用いた耐摩耗性
の材料において、曲げ強度及び衝撃値の向上並びに電導
性の向上をも図ることができ、例えばパンタグラフ用す
り板部材に用いて好適な耐摩耗性複合材料を提供するこ
とを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明に係る耐摩耗性複
合材料は、カーボン又はその同素体の粉末と金属とを含
むことを特徴とする。

【０００９】これにより、曲げ強さが３００（ｋｇｆ／
ｃｍ²）以上、衝撃値が０．０５（ｋｇ・ｍ／ｃｍ²）以
上を実現することができ、例えばブレーキ用ディスク部
材に用いて好適となる。更に、本発明においては、固有
抵抗が３.００（μΩ・ｃｍ）以下であることから、例
えばパンタグラフ用すり板部材に用いても好適となる。
特性値について述べると、曲げ強さは、望ましくは４０
０以上、更に望ましくは５００以上（ｋｇｆ／ｃｍ²）
が好適であり、衝撃値についても、望ましくは０．１以
上、更に望ましくは０．１２以上（ｋｇ・ｍ／ｃｍ²）
が好適であり、更に固有抵抗についても２．００以下が
望ましく、更に望ましくは１.００以下である。

【００１０】そして、本発明に係る耐摩耗性複合材料
は、前記カーボン又はその同素体の粉末に前記金属を含
浸させて構成するようにしてもよい。この場合、前記カ
ーボン又はその同素体の粉末を予め成形してなる予備成
形体に、前記金属を含浸させて構成するようにしてもよ
い。これにより、製造時におけるカーボン又はその同素
体の取り扱いが容易になる。

【００１１】また、本発明に係る耐摩耗性複合材料は、
前記金属が溶解した液体状態又は固液共存状態に、前記
カーボン又はその同素体の粉末を混合し、鋳造成形して
構成するようにしてもよい。

【００１２】前記カーボン又はその同素体の粉末は、不
定形炭素、炭素繊維、グラファイト、又はダイヤモンド
の粉砕裁断材料であってもよい。

【００１３】また、前記カーボン又はその同素体の粉末
の平均粉末粒度が１μｍ〜５００μｍであり、前記粉末
を構成する１つの粒子（粉体）が、最小の長さをとる方
向と、最大の長さをとる方向で、その長さの比の平均が
１：５以下であることが好ましい。

【００１４】前記カーボン又はその同素体と前記金属と
の体積率が、前記カーボン又はその同素体が２０ｖｏｌ
％〜８０ｖｏｌ％、金属が８０ｖｏｌ％〜２０ｖｏｌ％
の範囲であることが好ましい。

【００１５】また、前記金属は、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｇから
選択された少なくとも１種であることが好ましい。この
場合、融点が５００℃以上の金属であることがよく、好
ましくは融点が７００℃以上、更に好ましくは融点が８
００℃以上の金属を用いることが望ましい。

【００１６】前記金属に、炭化物生成元素を添加しても
よい。前記炭化物生成元素としては、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｚ
ｒ、Ｂｅ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｖ、Ｂ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｓ
ｉ、Ｗ、Ｃｏ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｃａ、ミッシュメタルから
選択された１種以上を用いることができる。この場合、
カーボン又はその同素体と金属との結合性を向上させる
ことができるため、炭素や金属の脱粒を防止することが
できる。

【００１７】ここで、脱粒の発生原因とその不具合につ
いて簡単に説明すると、Ｃｕ、ＡｇなどはＡｌよりも導
電性が良好であるがカーボン並びにその同素体との親和
力は小さい。このため圧力により含浸した材料は、カー
ボン並びにその同素体にも含浸し、物理的に固定される
ことになる。しかし、表面付近にあるカーボン並びにそ
の同素体は、固定できる面積が少ないため、摩擦などの
摺動中に脱粒が生じる。脱粒したカーボン並びにその同
素体は摺動面に傷をつけたり、摺動部にはさまったりす
ることで摩擦抵抗を大きく変動させる。また脱粒部分が
多くなると素材の動摩擦抵抗も変化するという不具合が
生じる。

【００１８】しかし、本発明では、上述したように炭素
や金属の脱粒を防止することができるため、炭素と金属
との界面接触性を安定化させることができ、電導性を向
上させることができる。

【００１９】また、前記金属に、界面の濡れ性改善のた
めの元素を添加してもよい。界面の濡れ性改善のための
元素としては、Ｔｅ、Ｂｉ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｓｅ、Ｌｉ、
Ｓｂ、Ｔｌ、Ｃｄから選択された１種以上を用いること
ができる。これにより、炭素と金属との界面接触性を安
定化させることができ、電導性を向上させることができ
る。

【００２０】また、本発明に係る耐摩耗性複合材料は、
前記カーボン又はその同素体の粉末に対する前記金属の
密度によって、少なくとも動摩擦係数の大きさを制御す
ることができるため、電車、自動車、航空機などの利用
分野（品点）に応じて動摩擦係数を設定することがで
き、これら利用分野に好適なブレーキ用ディスク部材を
提供することができる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る耐摩耗性複合
材料の実施の形態例を図１〜図１６を参照しながら説明
する。

【００２２】本実施の形態に係る耐摩耗性複合材料１０
は、図１に示すように、カーボン又はその同素体の粉末
とバインダー（結合体）等とを混合した混合物を加圧し
て予備成形体を成形した後、焼成してブロック（立方
体、直方体、又は任意形状であってもよい）１２を成形
し、更に、このブロック１２に金属１４を含浸させて構
成している。あるいはカーボン又はその同素体の粉末を
グラファイト、セラミックス、セラペーパ等の材料から
なるケース内に敷き詰めた状態、もしくは、その後、溶
湯が注がれた際にケース内の粉末が浮かないようにカー
ボン等の板状の蓋（この蓋には溶湯が流れるような孔を
予め開けておく、もしくは多孔質のものを用いる）をし
た状態から、そのまま予熱し、その後、金属を粉末に含
浸させて構成されている。粉末としては、カーボン又は
その同素体の粉砕裁断材（例えば炭素繊維の粉砕裁断
材）を用いてもよい。

【００２３】また、前記カーボン又はその同素体として
は、グラファイトやダイヤモンドを使用することができ
る。また、金属１４としては、銅のほかに、アルミニウ
ムや銀を使用することができる。

【００２４】前記カーボン又はその同素体の粉末の平均
粉末粒度（粉体の平均粒径）は、１μｍ〜５００μｍで
あり、前記粉体が最小の長さをとる方向と、最大の長さ
をとる方向とで、その長さの比の平均が１：５以下であ
ることが好ましい。この場合、強いネットワークはない
ものの、最終形状に近い任意の形状（例えばパンタグラ
フ用すり板の形状等）に作ることができる。従って、後
工程の加工を省略することも可能である。カーボン又は
その同素体の粉末と金属１４との体積率は、カーボン又
はその同素体が２０ｖｏｌ％〜８０ｖｏｌ％、金属１４
が８０ｖｏｌ％〜２０ｖｏｌ％の範囲が望ましい。

【００２５】また、カーボン又はその同素体の粉末中
に、該カーボン又はその同素体と反応するための添加元
素を添加することが望ましい。この添加元素としては、
Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｂｅ、Ｔａ、Ｖ、
Ｂ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｃｏ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｃａ、ミッ
シュメタルから選択された１種以上を挙げることができ
る。これにより、成形時や再焼成時に、カーボン又はそ
の同素体の表面に反応層（カーバイド層）が形成され、
耐摩耗性複合材料１０の表面における粒同士の結合を向
上させることができる。

【００２６】一方、前記金属１４には、カーボン又はそ
の同素体と金属１４との反応性を向上させるための添加
元素並びに濡れ性改善のための添加元素などを添加する
ことが好ましい。

【００２７】上述の添加元素のうち、カーボン又はその
同素体と金属１４との反応性を向上させるための添加元
素、即ち、炭化物生成元素としては、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｚ
ｒ、Ｂｅ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｖ、Ｂ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｓ
ｉ、Ｗ、Ｃｏ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｃａ、ミッシュメタルから
選択された１種以上を用いることができる。該炭化物生
成元素を添加することにより、カーボン又はその同素体
と金属１４との結合性を向上させることができるため、
炭素や金属１４の脱粒を防止することができる。

【００２８】これにより、炭素と金属１４との界面接触
性を安定化させることができ、電導性を向上させること
ができる。また、カーボン又はその同素体と金属１４と
の反応性が向上することから、成形時における粒界の発
生を抑えることができる。

【００２９】濡れ性改善のための添加元素としては、例
えばＴｅ、Ｂｉ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｓｅ、Ｌｉ、Ｓｂ、Ｔ
ｌ、Ｃｄから選択された１種以上を用いることができ
る。これにより、炭素と金属１４との界面接触性を安定
化させることができ、電導性を向上させることができ
る。

【００３０】次に、本実施の形態に係る耐摩耗性複合材
料１０の第１の製造方法について説明する。この第１の
製造方法では、図２〜図５にその一例を示すように、予
備成形機２０（図２参照）と、炉２２（図３参照）と、
プレス機２４（図４参照）を使用することによって行わ
れる。

【００３１】予備成形機２０は、図２に示すように、上
部開口で内部にケース２６が収容可能とされた凹部２８
を有する金型３０と、凹部２８内に挿通可能とされ、か
つ、凹部２８内の内容物を押し下げ圧入するパンチ３２
とを有する。

【００３２】炉２２は、図３に示すように、一般には脱
バイなどに用いられるものであり、その内部にケース２
６を収容可能な空間３４と、該空間３４内に収容された
ケース２６を加熱するためのヒータ３６が設けられてい
る。ケース２６はグラファイト、セラミックス、セラペ
ーパ（アルミナ等のセラミックスから構成される断熱
材）等の材料から構成される。

【００３３】プレス機２４は、図４に示すように、上部
開口で内部にケース２６が収容可能とされた凹部３８を
有する金型４０と、凹部３８内に挿通可能とされ、か
つ、凹部３８内の内容物を押し下げ圧入するパンチ４２
とを有する。

【００３４】そして、第１の製造方法は、まず、図５の
ステップＳ１及び図２に示すように、例えばケース２６
内において、グラファイトの粉末１２ａに水、バインダ
ー（結合材）を混合させて混合物４４を調製する。

【００３５】次に、図５のステップＳ２及び図２に示す
ように、前記混合物４４が入ったケース２６を予備成形
機２０における金型３０の凹部２８内に収容する。その
後、ステップＳ３において、パンチ３２を凹部２８内に
圧入して混合物４４を予備成形して予備成形体４６を成
形する。

【００３６】次に、ステップＳ４において、前記得られ
た予備成形体４６に対して、加熱溶解された銅を含浸し
やすくするために予熱処理を行う。この予熱温度は、例
えば、加熱溶解された銅が１２００℃程度であるなら
ば、グラファイトの予熱温度は１０００℃〜１４００℃
が望ましい。この予熱処理を行うことで、ステップＳ１
において用いたバインダーを除去することもできる。

【００３７】その後、ステップＳ５において、ケース２
６を炉２２内に収容し、その後、ステップＳ６におい
て、前記炉２２内の雰囲気を加熱して、グラファイトを
焼成してブロック１２を作製する。この工程において
は、グラファイトに対して電流を通電することにより３
０００℃程度まで加熱して、ブロック１２を作製するよ
うにしてもよい。

【００３８】その後、ステップＳ７において、炉２２か
らブロック１２をケース２６ごと取り出して、プレス機
２４の凹部３８内にブロック１２をケース２６ごと収容
する。

【００３９】次に、ステップＳ８において、ケース２６
内に銅等の溶湯４８を注湯した後、ステップＳ９におい
て、パンチ４２を凹部３８内に挿通し、ケース２６内の
前記溶湯４８を押し下げ圧入する。このパンチ４２の押
圧処理によって、銅等の溶湯４８は、ブロック１２中に
含浸することとなる。

【００４０】上述の第１の製造方法において、前記パン
チ４２による圧入時の圧力を１．０１〜２０２ＭＰａ
（１０〜２０００気圧）とすることが好ましい。また、
図４に示すように、ケース２６の底部や金型４０の底部
に、ブロック１２に残存するガスを抜くためのガス抜き
孔５０及び５２やガスを抜くための隙間部を形成するよ
うにしてもよい。この場合、パンチ４２の圧入時に、ブ
ロック１２に残存するガスがガス抜き孔５０及び５２を
通して抜けるため、ブロック１２への溶湯４８の含浸が
スムーズに行われることになる。

【００４１】この第１の製造方法においては、耐摩耗性
複合材料１０を廉価に製造することができる。つまり、
含浸前のブロック１２は脆いため、そのままでは加工で
きない。しかし、この第１の製造方法では、予備成形に
おいて任意の形状に成形してから含浸するようにしてい
ることと、その後の多少の塑性変形にも耐えうるため、
複雑形状の耐摩耗性複合材料１０を廉価に得ることがで
きる。もしくはケース２６を工夫して、必要となる形状
にしておくことで、複雑形状の耐磨耗性複合材料１０を
廉価に得ることができる。むろん細かい部分は仕上げ加
工を施してもよい。もちろん、全体にわたって加工を施
すようにしてもよいが、製造コストの面で不利になるお
それがある。

【００４２】次に、本実施の形態に係る耐摩耗性複合材
料１０の第２の製造方法について図６を参照しながら説
明する。この第２の製造方法では、まず、例えば金属を
溶解した溶融金属１４又は固液共存状態の金属（固液共
存金属）を用意する（ステップＳ１０１）。ここで、固
液共存状態とは金属１４（一般には合金）を半融状態に
したもの、又は金属溶湯を冷却、撹拌して半凝固状態に
したものをいい、金属を加熱し直接的に半融状態にした
ものと、一度完全に溶解した後に冷却して半凝固状態に
したものの両方を指す。

【００４３】次に、カーボン又はその同素体の粉末を前
記溶融金属１４または固液共存状態の金属に混合させる
（ステップＳ１０２）。

【００４４】そして、この粉末を混合させた溶融金属１
４または固液共存金属を鋳造加工し、所望の形状に成形
することで耐摩耗性複合材料１０を得ることができる
（ステップＳ１０３）。この際、鋳造後に圧力をかける
ことでより材料中の巣などを回避できるので望ましい。
その際の圧力は、粉末に含浸させる際の圧力を用いるこ
とが望ましい。

【００４５】第２の製造方法において得られた耐摩耗性
複合材料１０は、第１の製造方法により作製したものと
同様の特徴を有する。

【００４６】次に、本実施の形態に係る耐摩耗性複合材
料１０の第３の製造方法について図７〜図１０を参照し
ながら説明する。

【００４７】この第３の製造方法は、図７に示すよう
に、グラファイトの粉末１２ａをグラファイト、セラミ
ックス、セラペーパ等の材料からなるケース２６内に敷
き詰めた状態、もしくは、その後、図８に示すように、
溶湯が注がれた際にケース２６内の粉末１２ａが浮かな
いようにカーボン等の板状の蓋５４（この蓋５４には溶
湯が流れるような孔５６を予め開けておく、もしくは多
孔質のものを用いる）をした状態から、そのまま予熱
し、その後、金属１４を粉末１２ａに含浸させるという
方法である。

【００４８】具体的には、まず、図７及び図１０のステ
ップＳ２０１に示すように、ケース２６内に粉末１２ａ
を敷き詰める。その後、図８及び図１０のステップＳ２
０２に示すように、ケース２６に蓋５４をした後、予熱
を行う。続いて、図９及び図１０のステップＳ２０３に
示すように、プレス機２４の凹部３８にケース２６（粉
末１２ａが敷き詰められている）を収容し、その後、蓋
５４の孔５６を通じて銅等の溶湯４８をケース２６内に
流し込む。もちろん、蓋５４をしない状態で予熱をした
り、溶湯４８をケース２６内に流し込んでもよい。

【００４９】次に、図９及び図１０のステップＳ２０４
に示すように、蓋５４をした状態で、パンチ４２を凹部
３８内に挿通し、ケース２６内の前記溶湯４８を押し下
げて、粉末１２ａ内に圧入する。このパンチ４２の押圧
処理によって、銅等の溶湯４８は、粉末１２ａ中に含浸
されることとなる。

【００５０】この第３の製造方法において得られた耐摩
耗性複合材料１０においても、第１の製造方法により作
製したものと同様の特徴を有する。

【００５１】ここで、３つの実験例（便宜的に第１〜第
３の実験例と記す）を示す。まず、第１の実験例は、比
較例１〜４並びに実施例１及び２についての摩耗特性
（密度、摩耗量及び動摩擦係数の関係）をみたものであ
る。

【００５２】比較例１及び２は、共にグラファイトを焼
成してネットワーク化することによって得られる多孔質
焼結体（母体）に銅を含浸させて構成したものであり、
比較例３及び４は、共にカーボンコンポジット（母体）
に銅を含浸させたものである。

【００５３】実施例１及び２は、上述した第３の製造方
法で作製した本実施の形態に係る耐摩耗性複合材料と同
様の構成を有し、グラファイトの粉末（母体）に銅を含
浸したものである。

【００５４】なお、摩耗量の測定は、以下のように行っ
た。まず、図１１Ａ及び図１１Ｂに示すように、比較例
１〜４並びに実施例１及び２について、縦Ａ＝４２ｍ
ｍ、横Ｂ＝４２ｍｍ及び厚みｔ１＝４ｍｍの板状に形成
した試料６０と、図１２Ａ及び図１２Ｂに示すように、
外径Ｄｏ＝３６ｍｍ、内径Ｄｉ＝２９ｍｍ及び厚みｔ２
＝８ｍｍのリング状に形成した試料６２を用意した。

【００５５】その後、図１３に示すように、板状の試料
６０上にリング状の試料６２を載置した後、リング状の
試料６２から板状の試料６０に対して１．２ＭＰａ（又
は０．６ＭＰａ）の加圧力Ｆを与えながら、回転数２０
０ｒｐｍでリング状の試料６２を回転させた。時間は１
０分であり、測定は大気中で行った。なお、比較例１、
比較例３及び実施例１は加圧力Ｆを０．６ＭＰａとした
ものであり、比較例２、比較例４及び実施例２は加圧力
Ｆを１．２ＭＰａとしたものである。

【００５６】実験結果を図１４に示す。この図１４か
ら、まず、母体に対する銅の密度についてみると、実施
例１及び２は共に６ｇ／ｃｍ³であり、比較例１〜４の
２．５ｇ／ｃｍ³よりもかなり高い値となっている。こ
のことから、グラファイトの粉末による成形体に銅を含
浸したものが含浸率の点で有利であることがわかる。

【００５７】次に、摩耗量についてみると、比較例１は
１．２ｍｍ²、比較例２は２．０ｍｍ²、実施例１は１．
８ｍｍ²、実施例２は２．０ｍｍ²であり、比較例３の１
５．３ｍｍ²、比較例４の２４．０ｍｍ²よりもかなり低
い値となっている。このことから、多孔質焼結体に銅を
含浸したもの、あるいはグラファイトの粉末による成形
体に銅を含浸したものが耐摩耗性の点で有利であること
がわかる。

【００５８】次に、動摩擦係数についてみると、実施例
１は０．２８、実施例２は０．２４、比較例３は０．２
８、比較例４は０．２４であり、比較例１及び２の０．
０９よりも高い値となっている。これは、グラファイト
の粉末による成形体に銅を含浸したもの、あるいはカー
ボンコンポジットに銅を含浸させたものがブレーキの効
き具合について有利であることがわかる。

【００５９】このように、総合的に考察すると、グラフ
ァイトの粉末による成形体（母体）に銅を含浸した実施
例１及び２については、含浸率の点、耐摩耗性の点及び
ブレーキの効き具合の点でいずれも優れた特性を有する
ことがわかる。

【００６０】次に、第２の実験例について説明する。こ
の第２の実験例は、前記実施例１において、母体（グラ
ファイトの粉末による成形体）に対する銅の密度と動摩
擦係数の関係をみたものである。実験結果を図１５に示
す。この図１５から、密度を２．５ｇ／ｃｍ³としたと
きの動摩擦係数は０．１であり、密度を５．６ｇ／ｃｍ
³としたときの動摩擦係数は０．２８であり、ほぼ密度
に比例して動摩擦係数が変化していることがわかる。

【００６１】このことから、本実施の形態では、グラフ
ァイトの粉末による成形体に対する銅の密度によって、
少なくとも動摩擦係数の大きさを制御することができる
ことがわかる。

【００６２】次に、第３の実験例について説明する。こ
の第３の実験例は、上述した第３の製造方法にて作製し
た５つのサンプル１〜５のカーボン粉末に対する銅の密
度と、曲げ強さ、シャルピー衝撃値及び固有抵抗を測定
したものである。測定結果を図１６に示す。この測定結
果には、これらサンプル１〜５のカーボン粉末と銅との
体積率及び添加元素の違いも示す。

【００６３】なお、サンプル１及び２は、縦横比の平均
が１：４〜５であるカーボン粒子を使用して作製したも
のであり、サンプル４及び５は、縦横比の平均が１：３
〜４であるカーボン粒子を使用して作製したものであ
り、サンプル３は、縦横比の平均が１：４〜５であっ
て、かつ、粒子径が５０μｍ〜１００μｍの間に入る粒
子を使用して作製したものである。

【００６４】図１６の測定結果から、曲げ強さは、サン
プル２の３３１ｋｇｆ／ｃｍ²が最も低く、サンプル３
の６１０ｋｇｆ／ｃｍ²が最も高い値となっている。シ
ャルピー衝撃値は、サンプル１の０．０５１ｋｇ・ｍ／
ｃｍ²が最も低く、サンプル３の０．１８ｋｇ・ｍ／ｃ
ｍ²が最も高い値となっている。固有抵抗は、サンプル
２の０．１４μΩ・ｍが最も高く、サンプル３の０．０
７μΩ・ｍが最も低い値となっている。

【００６５】ちなみに現在におけるカーボン系すり板の
物理特性の開発目標値は、曲げ強さが３００ｋｇｆ／ｃ
ｍ²以上、シャルピー衝撃値が０．０５ｋｇ・ｍ／ｃｍ²
以上、固有抵抗が３．００μΩ・ｃｍ以下であり、これ
らサンプル１〜５の各特性はこの開発目標値を満足して
いることがわかる。更に、好ましい範囲である曲げ強さ
は、望ましくは４００以上、更に望ましくは５００以上
（ｋｇｆ／ｃｍ²）が好適であり、衝撃値についても、
望ましくは０．１以上、更に望ましくは０．１２以上
（ｋｇ・ｍ／ｃｍ²）が好適であり、更に固有抵抗につ
いても、２．００以下が望ましく、更に望ましくは１.
００以下である。

【００６６】このように、本実施の形態に係る耐摩耗性
複合材料１０においては、カーボン又はその同素体の粉
末と金属１４とを含むようにしたので、曲げ強さが３０
０ｋｇｆ／ｃｍ²以上、シャルピー衝撃値が０．０５ｋ
ｇ・ｍ／ｃｍ²以上を実現することができ、例えばブレ
ーキ用ディスク部材に用いて好適となる。更に、本実施
の形態においては、固有抵抗が３．００μΩ・ｃｍ以下
であることから、例えばパンタグラフ用すり板部材に用
いても好適となる。

【００６７】特に、本実施の形態に係る耐摩耗性複合材
料は、カーボン又はその同素体の粉末を予め成形してな
る予備成形体に、前記金属を含浸させて構成するように
したので、製造時におけるカーボン又はその同素体の取
り扱いが容易になる。

【００６８】また、金属に、炭化物生成元素を添加する
ようにしたので、カーボン又はその同素体と金属との結
合性を向上させることができ、炭素や金属の脱粒を防止
することができる。これにより、炭素と金属との界面接
触性を安定化させることができ、電導性を向上させるこ
とができる。

【００６９】また、金属に、界面の濡れ性改善のための
元素を添加するようにしたので、炭素と金属との界面接
触性を安定化させることができ、電導性を向上させるこ
とができる。

【００７０】また、本実施の形態に係る耐摩耗性複合材
料は、カーボン又はその同素体の粉末に対する金属の密
度によって、少なくとも動摩擦係数の大きさを制御する
ことができるため、電車、自動車、航空機などの利用分
野（品点）に応じて動摩擦係数を設定することができ、
これら利用分野に好適なブレーキ用ディスク部材を提供
することができる。

【００７１】なお、この発明に係る耐摩耗性複合材料
は、上述の実施の形態に限らず、この発明の要旨を逸脱
することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんで
ある。

【００７２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る耐摩
耗性複合材料によれば、曲げ強度及び衝撃値の向上を図
ることができるため、例えばブレーキ用ディスク部材に
用いて好適となる。

【００７３】また、炭素材を用いた耐摩耗性の材料にお
いて、曲げ強度及び衝撃値の向上並びに電導性の向上を
図ることができるため、例えばパンタグラフ用すり板部
材に用いて好適となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施の形態に係る耐摩耗性複合材料の構成を
示す斜視図である。

【図２】本実施の形態に係る耐摩耗性複合材料の第１の
製造方法で使用される予備成形機を示す構成図である。

【図３】第１の製造方法で使用される炉を示す構成図で
ある。

【図４】第１の製造方法で使用されるプレス機を示す構
成図である。

【図５】第１の製造方法を示す工程ブロック図である。

【図６】本実施の形態に係る耐摩耗性複合材料の第２の
製造方法を示す工程ブロック図である。

【図７】本実施の形態に係る耐摩耗性複合材料の第３の
製造方法において、ケース内に粉末を敷き詰めた状態を
示す説明図である。

【図８】第３の製造方法において、ケース内に蓋を投入
した状態を示す説明図である。

【図９】第３の製造方法において、ケース内に溶湯を流
し込んだ後、パンチで溶湯を押し下げる状態を示す説明
図である。

【図１０】第３の製造方法を示す工程ブロック図であ
る。

【図１１】図１１Ａは板状の試料を示す平面図であり、
図１１Ｂは板状の試料を示す側面図である。

【図１２】図１２Ａはリング状の試料を示す平面図であ
り、図１２Ｂはリング状の試料を示す側面図である。

【図１３】摩耗量の測定方法を示す説明図である。

【図１４】第１の実験例（比較例１〜４並びに実施例１
及び２についての密度、摩耗量及び動摩擦係数の関係を
みた実験例）の実験結果を示す特性図である。

【図１５】第２の実験例（実施例１において、母体に対
する銅の密度と動摩擦係数の関係をみた実験例）の実験
結果を示す特性図である。

【図１６】第３の実験例（サンプル１〜５の曲げ強さ、
衝撃値及び固有抵抗を測定した実験例）の実験結果を示
す特性図である。

【符号の説明】

１０…耐摩耗性複合材料１２…ブロック１２ａ…粉体１４…金属４４…混合物４６…予備成形体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者鈴木健愛知県名古屋市瑞穂区須田町２番56号日本碍子株式会社内 (72)発明者中山信亮愛知県名古屋市瑞穂区須田町２番56号日本碍子株式会社内 (72)発明者竹内広幸愛知県名古屋市瑞穂区須田町２番56号日本碍子株式会社内 (72)発明者安井誠二愛知県名古屋市瑞穂区須田町２番56号日本碍子株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】カーボン又はその同素体の粉末と金属とを
含むことを特徴とする耐摩耗性複合材料。
【請求項２】請求項１記載の耐摩耗性複合材料におい
て、前記カーボン又はその同素体の粉末に前記金属が含浸さ
れて構成されていることを特徴とする耐摩耗性複合材
料。
【請求項３】請求項２記載の耐摩耗性複合材料におい
て、前記カーボン又はその同素体の粉末を予め成形してなる
予備成形体に、前記金属が含浸されて構成されているこ
とを特徴とする耐摩耗性複合材料。
【請求項４】請求項２記載の耐摩耗性複合材料におい
て、前記金属が溶解した液体状態又は固液共存状態に、前記
カーボン又はその同素体の粉末を混合し、鋳造成形され
て構成されていることを特徴とする耐摩耗性複合材料。
【請求項５】請求項１〜４のいずれか１項に記載の耐摩
耗性複合材料において、前記カーボン又はその同素体の粉末は、不定形炭素、炭
素繊維、グラファイト、又はダイヤモンドの粉砕裁断材
料であることを特徴とする耐摩耗性複合材料。
【請求項６】請求項１〜５のいずれか１項に記載の耐摩
耗性複合材料において、前記カーボン又はその同素体の粉末の平均粉末粒度が１
μｍ〜５００μｍであり、前記粉末を構成する１つの粒子は、最小の長さをとる方
向と、最大の長さをとる方向で、その長さの比の平均が
１：５以下であることを特徴とする耐摩耗性複合材料。
【請求項７】請求項１〜６のいずれか１項に記載の耐摩
耗性複合材料において、前記カーボン又はその同素体と前記金属との体積率が、
前記カーボン又はその同素体が２０ｖｏｌ％〜８０ｖｏ
ｌ％、金属が８０ｖｏｌ％〜２０ｖｏｌ％の範囲である
ことを特徴とする耐摩耗性複合材料。
【請求項８】請求項１〜７のいずれか１項に記載の耐摩
耗性複合材料において、前記金属は、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｇから選択された少なくと
も１種であることを特徴とする耐摩耗性複合材料。
【請求項９】請求項１〜８のいずれか１項に記載の耐摩
耗性複合材料において、前記金属は、融点が５００℃以上の金属であることを特
徴とする耐摩耗性複合材料。
【請求項１０】請求項１〜９のいずれか１項に記載の耐
摩耗性複合材料において、前記金属に、炭化物生成元素が添加されていることを特
徴とする耐摩耗性複合材料。
【請求項１１】請求項１０記載の耐摩耗性複合材料にお
いて、前記炭化物生成元素は、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｂｅ、Ｔ
ｉ、Ｔａ、Ｖ、Ｂ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｗ、Ｃ
ｏ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｃａ、ミッシュメタルから選択された
１種以上であることを特徴とする耐摩耗性複合材料。
【請求項１２】請求項１〜１１のいずれか１項に記載の
耐摩耗性複合材料において、前記金属に、界面の濡れ性改善のための元素が添加され
ていることを特徴とする耐摩耗性複合材料。
【請求項１３】請求項１２記載の耐摩耗性複合材料にお
いて、前記界面の濡れ性改善のための添加元素がＴｅ、Ｂｉ、
Ｐｂ、Ｓｎ、Ｓｅ、Ｌｉ、Ｓｂ、Ｔｌ、Ｃｄから選択さ
れた１種以上であることを特徴とする耐摩耗性複合材
料。
【請求項１４】請求項１〜１３のいずれか１項に記載の
耐摩耗性複合材料において、前記カーボン又はその同素体の粉末に対する前記金属の
密度によって、少なくとも動摩擦係数の大きさが制御さ
れていることを特徴とする耐摩耗性複合材料。
【請求項１５】請求項１〜１４のいずれか１項に記載の
耐摩耗性複合材料において、曲げ強さが３００（ｋｇｆ／ｃｍ²）以上であることを
特徴とする耐摩耗性複合材料。
【請求項１６】請求項１〜１５のいずれか１項に記載の
耐摩耗性複合材料において、衝撃値が０．０５（ｋｇ・ｍ／ｃｍ²）以上であること
を特徴とする耐摩耗性複合材料。
【請求項１７】請求項１〜１６のいずれか１項に記載の
耐摩耗性複合材料において、固有抵抗が３．００（μΩ・ｃｍ）以下であることを特
徴とする耐摩耗性複合材料。