美濃電気軌道セミボ510形電車（みのでんききどうセミボ510がたでんしゃ）とは、名古屋鉄道（名鉄）の前身事業者の一つである美濃電気軌道が、1926年（大正15年）に導入した電車（制御電動車）である。
車両記号「セミボ」は、半鋼製車体（セミスチールボディ）のボギー車を表し、美濃電気軌道では二例目となる半鋼製車体を採用した車両形式である。
名鉄への継承後、1941年（昭和16年）の形式称号改訂に際してモ510形と改形式され、導入から一貫して美濃町線をはじめ岐阜地区の各路線で運用された。その後、揖斐線と岐阜市内線との直通運転用車両に改造されて主に直通急行運用に充当され、特徴的な楕円形の戸袋窓形状から「丸窓」「丸窓電車」と呼称された。
後年の新型車両導入に伴って最末期は予備車、または臨時団体列車での運用が主となったものの、岐阜地区の各路線が全廃となった2005年（平成17年）まで、落成から約80年間にわたって運用された。
以下、本項ではセミボ510形に先行して1923年（大正12年）に導入され、同じく後年揖斐線・岐阜市内線直通車両に改造されるなど共通して運用されたBD505形（後のモ520形）についても併せて記述する。
導入経緯 美濃電気軌道（美濃電）は、後の名鉄岐阜市内線に相当する市内線、および後の名鉄美濃町線に相当する郊外線（市外線）など、岐阜市を拠点として周辺地域各所へ向かう路線を保有・運営した事業者である。専用軌道の郊外線と併用軌道の市内線との直通運転が行われ、1900年代から1920年代にかけての米国で多く見られたインターアーバンと呼ばれる路線の特徴を備えていた。
当初は市内線・郊外線とも小型の4輪単車によって運行されたが、1921年（大正10年）に導入されたBD500形より大型車体と2軸ボギー構造を採用した。車両記号「BD」は、ボギー (Bogie) 構造かつ日本国内では「デッカー (Dick, Kerr)」の通称で知られる英国・イングリッシュ・エレクトリック (EE) 社製の主要機器を搭載する車両を意味する、美濃電独自の記号である。BD500形は新岐阜（現・名鉄岐阜） - 笠松間の笠松線（後の名鉄名古屋本線の一部）での運用を前提に導入され、翌1922年（大正11年）には更なる増備が計画された。
1922年（大正11年）11月21日付の設計認可申請時にはBD500形と同じく木造ダブルルーフ仕様で計画されていたが、後の設計変更申請で屋根をシングルルーフ構造へ変更し、将来の連結器装着とブリル台車装着のため台枠設計を変更する旨届出された。そして1923年（大正12年）5月31日に日本車輌製造本店で設計図面「外 ロ 185」が作成され、同年12月21日付竣功届出にてBD505形505 - 510の計6両が導入された。車両番号はBD500形504からの続番が付与されたが、これは後述するセミボ510形（511より付番）も同様であった。
1925年（大正14年）には更に車両増備が計画され、この増備車は車体を従来の木造から構体主要部分を鋼製とした半鋼製車体に変更することとして、同年12月19日付で日本車輌製造本店で設計図面「外 ロ 987」が作成された。設計認可段階では増備車の形式はBD510形とされ、また美濃町線での運用を考慮して客用扉連動型の折り畳み式ステップを当初より備えることとした。そして翌1926年（大正15年）7月22日付竣功届出にてセミボ510形511 - 515の計5両が導入された。セミボ510形の半鋼製車体は、美濃電では北方線（後の名鉄揖斐線）用車両として1926年（大正15年）3月に導入されたセミシ64形に次ぐ採用例であった。
なお、製造元の日本車輌製造は同社発行のカタログでセミボ510形を「車ノ種類：郊外用（市内乗入兼用）」と定義し、また「郊外用トシテ市内乗入兼用ニ設計シタル車輛」であることを明確に謳っており、前述のとおり当初から専用軌道・併用軌道両区間での運用を念頭に設計されたことが見て取れる。
BD505形・セミボ510形の設計および製造はともに日本車輌製造本店が担当した。
車体 BD505形・セミボ510形とも米国のサバーバン（郊外電車）の影響を受けた、半円筒形状の妻面に5枚の妻面窓を配置した「タマゴ型（卵型）」とも称される半流線型車体を備える。この妻面形状は日本国内では1909年（明治42年）に南海電気鉄道の前身事業者である南海鉄道が導入した電2形が嚆矢となり、同時代に主に関西圏の私鉄事業者で流行し、「タマゴ型（卵型）」のほか「関西タイプ」とも称された。美濃電を含む中京圏の私鉄事業者ではやや遅れて1920年代、大正時代後期にこの設計を取り入れた車両が出現し、BD505形・セミボ510形や美濃電系列の各務原鉄道が導入したK1-BE形のほか、愛知電気鉄道電3形・電4形、岡崎電気軌道200形などが該当する。
また、両形式とも戸袋窓が楕円形状、いわゆる丸窓であったことが特徴である。後年は通常の透明ガラス窓となっていたが、落成当初は戸袋窓部分に装飾の入ったカラフルなステンドグラスが採用されていた。
車体塗装は当初濃色系塗色の1色塗装であったものが、後にトラクション・オレンジと称する橙色系の1色塗装へ変更され、さらに1937年（昭和12年）頃から青色濃淡の2色塗装へ変更された。その後も複数回塗装が変更されているが、詳細は本文中で後述する。
以下、形式ごとに車体の仕様について詳述する。なお、車体関連の寸法については製造メーカーである日本車輌製造編纂の図面集に収録された図面に記載されているフィート・インチ単位の数値をメートル単位に換算し、小数点以下を四捨五入した数値を記載する。
BD505形
車体長12,497 mm・車体幅2,134 mmの木造シングルルーフ車体を備える。半円筒形の前後妻面腰板部のみ鉄板貼りとして、他は短冊状あるいは板状の木材を組み合わせて外板を構成している。妻面腰板中央部には前照灯が、幕板中央部には行先表示窓がそれぞれ設けられ、また妻面下部には台枠端梁が露出している。台車心皿中心間隔は6,096 mmで、前後枕梁付近を支点とするトラス棒が側面床下に設けられている。
前後妻面には前述のとおり計5枚の窓を設置する。窓幅は中央部（運転台部分）の窓が622 mm幅、左右計4枚の窓が406 mm幅である。窓の上下寸法は637 mmで、これは側窓も同一である。 また、妻面の車両番号表記は当初向かって左側の腰板部に表記されたが、これは後年向かって右側の幕板部へ表記される形に改められた。
側面は前後端部に864 mm幅の片開客用扉を各1箇所備え、客用扉下部には内蔵式のステップを備える。前後妻面から客用扉に隣接する楕円形状の戸袋窓付近までは外板裾部が台枠下端部まで引き下げられているが、前後戸袋窓間の外板裾部は台枠上部まで切り上げられており、台枠側梁が露出した構造となっている。側窓は622 mm幅の一段下降窓を2枚1組として、1組おきに184 mm幅の太い窓間柱を設け、5組合計10枚配置する。また、側窓下部には2本の保護棒が設置されている。側面窓配置はD e 2 2 2 2 2 e D（D：客用扉、e：楕円形戸袋窓、各数値は側窓の枚数）である。
屋根上にはガーランド形ベンチレーター（通風器）を二列配置で1両あたり計8基、屋根部左右に各4基ずつ配置する。また、当初は集電装置としてトロリーポールを前後各1基ずつ搭載したため、トロリーポールの台座とランボード（歩み板）を屋根部前後に1箇所ずつ備える。
車内はロングシート仕様で、客用扉間一杯に座席が設けられている。また、落成当初は太い窓間柱の車内側に鏡が埋め込まれていたことが特徴である。つり革と網棚は開閉可能な側窓部分にのみ設けられ、戸袋窓部分については省略されている。車内照明は白熱灯式の灯具を天井中央部へ計5基均等配置する。なお、設計認可申請時の書類によると、停電時に備えて蝋燭を用いる非常予備灯を2基備えていたことが記録されている。
セミボ510形 車体長12,548 mm・車体幅2,134 mmの半鋼製シングルルーフ車体を備える。BD505形との比較では車体長が約51 mm（2インチ）延長され、台車心皿中心間隔は6,401 mmに拡大され、妻面腰板中央部に設置される前照灯が未使用時の取り外しを可能とした着脱式構造となり、行先表示窓が向かって左から4枚目の窓上に設置された点が異なる。また、BD505形では幕板部と屋根部との境界が車体全周を通して一直線で構成されていたが、セミボ510形では前後妻面の境界線が妻面中央を頂点として緩い円弧を描く形状に変更されている。
前後妻面はBD505形と同じく計5枚の窓を設置し、窓幅は中央部（運転台部分）の窓が559 mm幅、左右計4枚の窓が406 mm幅である。窓構造はBD505形の一枚窓から二段上昇式の二枚窓に変更され、また落成当初は窓枠四隅に装飾金具が設置されていた。窓の上下寸法は側窓を含めて813 mmに拡大され、その分BD505形比較で腰板部の上下寸法が縮小されている。妻面の車両番号表記は当初腰板中央下部に表記され、後年向かって左から5枚目の窓上幕板部へ表記される形に改められた。
側面は前後端部に864 mm幅の片開客用扉を各1箇所備え、客用扉下部には内蔵式のステップを備えるというBD505形の基本設計を踏襲する。ただし前後の楕円形戸袋窓間の外板裾部の切り上げはBD505形と比較して大幅に縮小されており、外観から台枠側梁は見えなくなっている点が異なる。側窓は673 mm幅で、妻面同様に二段上昇構造の二枚窓を採用、窓間柱を70 mm幅で統一して計10枚の窓を均等配置する。また、側窓下部の保護棒は1本に変更されている。側面窓配置はD e 10 e D（D：客用扉、e：楕円形戸袋窓、各数値は側窓の枚数）である。
屋根部はBD505形と同様にガーランド形ベンチレーター（通風器）を二列配置で1両あたり計8基、屋根部左右に各4基ずつ配置し、同じくトロリーポールの台座とランボード（歩み板）を屋根部前後に1箇所ずつ備える。
車内はBD505形のロングシート仕様を踏襲するが、前後戸袋窓部の座席が省略されて立席区画に変更された点が異なる。また、つり革がこの立席区画部分に増設されたほか、車体前後の乗務員区画の仕切り壁中央部分が板張りから摺りガラスに変更されている。車内照明はBD505形同様、白熱灯式の灯具を天井中央部へ計5基均等配置する。
主要機器 BD505形・セミボ510形とも、前述のとおり電装品はEE社製の機器を採用する。
制御方式は運転台設置の直接制御器（ドラムコントローラー）で速度制御を行う直接制御で、EE社製のDB1-K4C直接制御器を前後運転台に各1基搭載する。
主電動機はEE社製のDK-13D3-T直流直巻電動機（端子電圧600 V時定格出力60 HP≒44.8 kW、後年の諸元表では型番が「DK-30-C」とされている）を1両あたり2基、各台車の車端寄りとなる第1・第4軸に搭載する。歯車比はBD505形が4.73 (71:15) であったのに対して、セミボ510形は5.00 (70:14) と設定が異なる。
台車はBD505形がJ.G.ブリル社製の27MCB-1を、セミボ510形は同台車の国内模倣生産品である日本車輌製造27MCB-1をそれぞれ装着する。27MCB-1は米国・Master Car-Builders' Associationの規格に準拠した高速電車用釣り合い梁式台車であり、固定軸間距離は1,981 mmである。
制動装置は米国・ウェスティングハウス・エア・ブレーキ (WABCO) 製のSM-3直通ブレーキを採用、ブレーキ動作に必要な圧搾空気を生成する電動空気圧縮機 (CP) は同じくWABCO製のDH-16（定格吐出量450 L/min）を1両あたり1基搭載する。その他、手ブレーキを併設する。
集電装置は当初前述のとおりトロリーポールを屋根上前後に各1基ずつ搭載したが、戦後に泰平電機製のビューゲルを1基搭載する形に改められ、さらに後年菱形パンタグラフへ換装されている。
導入後の変遷 笠松線・美濃町線での運用
導入当初はBD505形・セミボ510形とも鉄道線である笠松線で運用された。また、BD505形は1927年（昭和2年）と1933年（昭和8年）の2度にわたって、谷汲山華厳寺御開帳に際しての輸送力増強のため2両が揖斐線へ貸し出された。当時、岐阜市内線と揖斐線は線路が繋がっておらず、揖斐線の忠節駅は岐阜市内線の忠節橋停留場（後の早田駅）から見て長良川の対岸に存在したため、BD505形の貸出にあたっては陸路は牛によって牽引され、舟で対岸へ輸送した。また2度目となる1933年（昭和8年）の輸送については、大阪朝日新聞が4月21日朝刊で『長良川を船で「電車のお渡り」』の見出しで報じ、筏に乗せられて川を渡るBD505形の写真を掲載している。
美濃電は1930年（昭和5年）8月20日付で旧・名古屋鉄道へ吸収合併され、同年9月に旧・名古屋鉄道は名岐鉄道へ社名を変更した。その後名岐鉄道は1935年（昭和10年）4月の名岐線（後の名古屋本線の一部）全線開通にあたり、旧美濃電が敷設した笠松線の新岐阜 - 新笠松（現・笠松）間を名岐線へ編入、新岐阜 - 須ヶ口間が名岐線となった。この運行系統変更に伴って、従来笠松線で運用されたBD505形・セミボ510形は美濃町線へ転属した。
1935年（昭和10年）8月1日付で名岐鉄道は愛知電気鉄道と対等合併し、現・名古屋鉄道（名鉄）が発足した。その後、合併に際して継承された各車両の形式整理・再編を目的として1941年（昭和16年）に実施された形式称号・車種記号改定に際して、BD505形およびセミボ510形は以下のとおり改形式・改番された。
BD505形505 - 510 → モ520形521 - 526 セミボ510形511 - 515 → モ510形511 - 515
セミボ510形は車種記号を名鉄流儀の「モ」へ変更したのみであったのに対して、BD505形は車両番号が520番台に改番・区分され、改番以降の両形式は導入順と車両番号の順列が逆転することとなった。
名鉄への継承後もモ510形・モ520形は従前と同じく美濃町線で運用された。
戦中から戦後にかけて モ520形526は1941年（昭和16年）3月に輸送力増強のため瀬戸線へ転属した。この際、前後端面にシャロン式自動連結器を新たに装着し、終戦直後まで瀬戸線で運用された後に美濃町線へ再転属した。
同時期にはモ510形・モ520形を含む岐阜地区の各路線で運用される各形式について、車体塗装が上半分クリーム・下半分グリーンの2色塗装へ順次変更された。
太平洋戦争末期、1945年（昭和20年）7月9日の岐阜空襲は名鉄の施設や運用車両にも被害を及ぼし、モ510形ではモ512・モ513が車体を焼損した。同2両はいずれも後に焼損した屋根部の再製作など修復工事が施工されて運用に復帰したが、修復に際して原形では運転台直後の車内屋根部に設けられている太い横梁は省略された。また戦中から戦後にかけての物資不足の折、モ520形を対象に戸袋窓の閉塞が施工された。後年に戸袋窓が再設置された際には他の側窓と同形状のサッシ窓に変更されたため、原形の丸窓は失われた。一方、同様の改造はモ510形には施工されず、終始丸窓が維持された。
また、モ510形・モ520形とも戦後前照灯が屋根上中央部へ移設されたほか、1950年代半ば頃より行先表示器の使用を止め、前面窓下に設置される表示板で行先案内表示を行う形に改められた。それに伴って窓上の行先表示窓は順次撤去され、モ510形については前面の車両番号表記が向かって最も右側（左から5枚目）の窓上から左から4枚目の窓上、従来行先表示窓が存在した位置に移設された。ただし、多くの車両が行先表示窓を痕跡を残さず埋込撤去したのに対して、モ510形513やモ520形523・526など一部車両には行先表示窓枠が残され、特にモ513は旧行先表示窓枠の中に車両番号が表記される特徴的な形態となっていた。なお、後年の再改造によってこれらの車両も最終的には痕跡を残さず埋込撤去され、形態が統一されている。
美濃町線では1960年（昭和35年）より輸送力増強および続行運転解消のためモ540形による2両編成の運行を開始し、翌1961年（昭和36年）にはモ510形512 - 515の4両が連結運転対応改造を施工された。同4両は制動装置を連結運転に対応したSME非常直通ブレーキに改造し、前後端部に小型密着自動連結器を装着したほか、モ514・モ515は主電動機を従来の2基から4基に増強し、集電装置をビューゲルから東洋電機製造PT-52J菱形パンタグラフへ換装、直接制御器を主電動機4基の制御に対応したEE社製のQB2-LGAへ交換した。これは2両編成での運用時にはモ514・モ515を動力車、モ512・モ513を付随車（サ）相当として運行するためで、終点での折り返しの際には常時モ514・モ515が編成の先頭車となるよう入換を行った。
一方、モ520形は1964年（昭和39年）から翌1965年（昭和40年）にかけて、全車を対象に簡易鋼体化改造と各窓のアルミサッシ化が施工された。簡易鋼体化は車体の不燃化と車体強度向上を目的としたもので、木製の外板外側に1.2 mm厚の鋼板をネジで固定する形で施工され、いわゆる「偽スチール車」となった。簡易鋼体化後も車体裾部から台枠が露出した独特の外観と、床下に設置されたトラス棒は変わらず維持された。
この時期のモ510形・モ520形は、美濃町線内運用のほか徹明町経由で鏡島線への直通運用にも充当された。
揖斐線・岐阜市内線直通車両への転用
岐阜市内線の延伸と揖斐線のルート変更によって1954年（昭和29年）より両路線は忠節で接続するようになったものの、運行系統は同駅で分断されており、揖斐線内から新岐阜・岐阜方面へ向かう利用客は忠節での乗り換えを強いられていた。1960年代以降のモータリゼーションの進展に伴って、名鉄は1967年（昭和42年）より対抗サービスとして揖斐線 - 岐阜市内線を直通運転する急行列車を新設することを決定した。この直通急行列車に充当する車両として、鉄道線である揖斐線の規格に合致する高床構造を備え、かつ併用軌道区間を走行可能な車両ということでモ510形512 - 515の4両が選定され、美濃町線系統より転用された。
転用に際しては、車内座席を同時期落成の本線用車両3780系で採用された、2人掛けシートと1人掛けシートを組み合わせてシート配置を車内中央を境に点対称配置とした転換クロスシートに改造した。この仕様は3780系では多客時輸送を念頭に採用されたものであったが、モ510形では車体幅の関係から2人掛けシートを2列配置することが不可能であったためで、狭幅車体に2人掛けシート・1人掛けシートの組み合わせという設計方針は、後に美濃町線へ導入されたモ600形（2代）にも踏襲された。その他座席下部に暖房装置を新設、内装はアルミデコラ貼り仕上げとした。また、客用扉下部に揖斐線内で使用する引き出し型ステップを新設し、集電装置がビューゲルのままであったモ512・モ513はモ514・モ515と同じくPT-52J菱形パンタグラフへ換装された。車体塗装は従来の下半分緑・上半分クリームという当時の軌道線車両標準塗装から、下半分スカーレット・上半分白の2色塗装をベースに、腰板部に白帯を、幕板部にスカーレット帯をそれぞれ配した専用塗装に変更された。なお、前面の行先種別表示について7000系「パノラマカー」と同様の逆さ富士形行先・種別表示板を前頭部に装着することも検討されたが、これは実現しなかった。また、この段階では転用対象から除外されたモ511についても制動装置のみ他4両と同じくSME非常直通ブレーキへ改造された。
1967年（昭和42年）12月のダイヤ改正より直通急行列車の運行が開始された。直通急行列車は日中時間帯に7往復運行され、岐阜市内線内でも急行運転を行い、停車駅は岐阜駅前・新岐阜駅前・徹明町・千手堂・西野町・忠節・尻毛・北方千歳町・美濃北方・政田・黒野・本揖斐であった。また当初は軌道線区である岐阜市内線内での連結運転が認可されなかったため、岐阜市内線内では1両ずつ続行運転を行い、忠節で分割併合を行った。この際、揖斐線内では美濃町線当時と同じくモ514・モ515が常時先頭車となるよう編成が組成され、モ512・モ513は付随車扱いとされた。
この直通運転は利用客から好評を博し、翌1968年（昭和43年）6月より谷汲線直通の急行列車が設定され、さらに同年12月のダイヤ改正では直通急行列車が毎時2往復に増発されることとなった。増発に伴う運用車両数増加に対応するため、モ510形511とモ520形522 - 526の計6両が追加で直通急行用車両に指定・転用された。このうちモ520形525・526のみ1968年（昭和43年）春頃に先行して落成し、その他の車両は同年秋頃までに順次落成した。
モ511はモ512 - モ515同様に各種改造が施工されたほか、従来主電動機2基仕様であったモ511 - モ513は主電動機を増設して4基仕様となり、同時にモ511 - モ515全車とも歯車比が3.00 (63:21) へ変更された。またモ510形は前述のとおり従来は直接制御車であったものを、廃車発生品の米国・ウェスティングハウス・エレクトリック (WH) 製のHL-480F電空単位スイッチ式手動加速制御器を床下へ搭載してHL制御の間接制御車（HL車）へ全車改造され、総括制御が可能となった。
一方、モ522 - モ526は概ねモ510形に準じた改造が施工されたが、車内座席については当初モ525・モ526のみが転換クロスシート仕様に改装されてモ522 - モ524はロングシート仕様のまま落成し、後年再改造によって全車転換クロスシート仕様で統一された。主要機器については集電装置のPT-52J菱形パンタグラフへの換装、制動装置のSME非常直通ブレーキへの改造、および連結器取付が施工された。また、歯車比がモ510形同様に3.00 (63:21) へ変更されたものの、モ510形とは異なり主電動機の増設は行われず、制御器も原形の直接制御のまま存置された。このため、就役当初は揖斐線内では総括制御化以前のモ512・モ513と同様に常時モ510形に牽引される付随車相当で運用された。後に入換作業を解消しモ510形との総括制御を可能とするため、モ522 - モ526の本揖斐方運転台にHL制御用のWH-15B主幹制御器（マスター・コントローラー）を新設、揖斐線内ではモ510形の制御車（ク）相当で運用される形に変更された。この改造に伴って、モ522 - モ526の本揖斐方運転台は従来からのDB1-K4C直接制御器と新設のWH-15B主幹制御器の2つのマスター・コントローラー（マスコン）が並ぶ特徴的な仕様となった。
なお、転用改造の対象から除外されたモ521は終始美濃町線で運用されたのち、モ580形・モ590形が岐阜市内線から美濃町線へ転用されたことに伴って1969年（昭和44年）10月28日付で除籍された。
直通車両転用後の動向
1970年（昭和45年）にモ510形全5両は主電動機を他形式より転用した東洋電機製造TDK-516-A直流直巻電動機（端子電圧600 V時定格出力63.5 kW、同定格回転数715 rpm）に換装、歯車比2.65 (61:23) で1両あたり4基搭載した。主電動機の換装によって、モ510形は自重が15 t以上重い瀬戸線の特急用車両モ900形と同一の動力性能を備えることとなり、出力増強と高速性能の向上が図られた。
その後、1970年（昭和45年）から1973年（昭和48年）にかけて、前照灯のシールドビーム化・車内放送装置新設・客用扉への鎖錠装置取付がモ510形・モ520形全車を対象に順次施工された。さらに1976年（昭和51年）以降、客用扉の自動扉化と鋼製扉への交換・前面窓ワイパーの自動化が両形式全車を対象に施工されたほか、モ512の戸袋窓が楕円形状のままHゴム固定支持に改造された。また、1985年（昭和60年）にはモ510形全車を対象に車内照明の蛍光灯化が施工されたが、モ520形には施工されず白熱灯照明のまま存置された。
なお、前述した総括制御化改造以降、直通急行列車はモ510形とモ520形各1両の組み合わせで2両編成を組成し、揖斐線内では2両編成で、岐阜市内線内では単行でそれぞれ運行され、忠節で分割併合を行う運行形態となっていた。のち、1974年（昭和49年）12月に岐阜市内線内（軌道線区間）の2両編成での運行が認可され、翌1975年（昭和50年）9月16日より直通急行全列車が2両編成での運行となった。そのため、以降モ520形が単独で走行する機会はほぼ失われた。
また、車体塗装については1971年（昭和46年）頃から腰板部の白帯が省略された簡略塗り分けに変更されたのち、1975年（昭和50年）の3880系導入を機にスカーレット1色塗装が名鉄保有車両の統一標準塗装に定められたことを受けて、モ510形・モ520形全車とも1979年（昭和54年）までにスカーレット1色塗装へ変更された。
代替開始から退役まで
1980年代後半になるとモ510形・モ520形とも落成から60年以上を経過して老朽化が進行し、加えて冷房装置や車内扇風機の設備がなく、また高床構造に起因して併用軌道区間での乗降性に難があるなど、接客設備面でも問題が生じていた。また、当時構想されていた揖斐線内の普通列車を15分間隔に増発する計画の実現にあたっては性能不足が指摘されたこともあり、モ510形・モ520形両形式の代替計画が浮上した。
上記経緯によって、1987年（昭和62年）よりモ510形・モ520形の代替を目的とした新型車両モ770形（2代）の導入が開始された。同年4月のモ770形2編成4両の導入に伴って、同年5月15日付でモ520形524 - 526の3両が除籍された。この結果、編成相手を失ったモ513・モ514はモ510形同士の2両編成に組み替えられ、モ515は予備車となった。
モ510形は1987年（昭和62年）度に長年運用された鉄道車両を対象とした顕賞である「エバーグリーン賞」を鉄道友の会より授与された。1988年（昭和63年）2月に開催された受賞記念式典に合わせて、モ513・モ514・モ515の3両が車体塗装を直通運転開始当初のスカーレットと白の2色塗装に復元された。同年4月にはモ770形2編成4両が増備され、モ520形で残存していたモ522・モ523が1988年（昭和63年）9月30日付で除籍されてモ520形は全廃となった。さらに同年10月31日付でモ511と上記塗装変更が実施されたモ515の2両が除籍され、モ510形もモ512・モ513・モ514の3両が残存するのみとなった。同年11月にモ512もスカーレットと白の2色塗装に塗装変更され、3両とも復元塗装で統一された。
残存したモ510形3両は夕刻に1往復設定された定期の直通急行運用のほか、モ770形の定期検査入場時にはその代走運用にも充当された。また、朝ラッシュピーク時に黒野 - 忠節間に1往復設定された、モ510形全車が総動員される3両編成の普通列車運用は鉄道愛好家から「三重連」と称されて注目を集めた。その後1997年（平成9年）に揖斐線・岐阜市内線両用の新形式モ780形が新製されたことに伴って、モ510形は同年4月のダイヤ改正で定期運用を失って予備車扱いとなり、定期運用に入る機会は他形式の検査入場時に限定された。
2000年（平成12年）にはモ512の退役が決定、同年9月30日と翌10月1日の2日間にわたって最後の「三重連」運転が行われた。運用終了後、10月1日夜にモ512は黒野検車区から岐阜工場へ自力回送され、同年10月24日付で除籍された。残るモ513・モ514は、引き続き予備車と団体専用列車・臨時列車などイベント用車を兼ねた波動用車両として残存した。この時期には揖斐線・岐阜市内線での運用のほか、貸切列車として過去の運用線区であった美濃町線にも入線している。