CN103459626A

CN103459626A - 高速铁道用烧结摩擦材料

Info

Publication number: CN103459626A
Application number: CN2012800164138A
Authority: CN
Inventors: 石本史雄; 香月太; 阿佐部和孝; 神田修
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2011-03-30
Filing date: 2012-03-28
Publication date: 2013-12-18
Also published as: EP2692876A1; JP2012207289A; KR101823797B1; EP2692876A4; BR112013025270A2; KR20160017106A; TW201311911A; JP5716494B2; US20140109723A1; TWI476285B; EP2692876B2; KR20130143715A; ES2722228T5; EP2692876B1; WO2012133513A1; KR101892772B1; ES2722228T3

Abstract

本发明提供具有高制动力且制动力的高温稳定性优异的烧结摩擦材料。本发明的烧结摩擦材料具有如下的化学组成：以质量%计含有7.5%以上的Fe、50%以上的Cu、5～15%的石墨、0.3～7%的二硫化钼和0.5～10%的二氧化硅，Fe/Cu为0.15～0.40。

Description

高速铁道用烧结摩擦材料

技术领域

本发明涉及作为高速铁道车辆所使用的制动器衬片材料、盘式制动器衬垫材料有用的烧结摩擦材料。

背景技术

德国的ICE、法国TGV等世界上的高速铁道具有超过300km/h的行驶速度正在成为常识。在日本国内，也有JR各公司致力于新干线的速度提高。为了谋求速度提高，从高速也能可靠地停止的制动器是不可或缺的。尤其是，在地震等自然灾害的危险性高的日本，再生制动不工作时，用于可靠且以短距离使列车停止的制动器的性能、可靠性的提高是必需的。

作为制动器衬片材料、盘式制动器衬垫材料等所使用的材料，公开了各种烧结材料(参照专利文献1～8)。由现有的金属系烧结材料构成的衬片大多添加硬质颗粒(二氧化硅等陶瓷)等，产生机械作用(刮擦作用)，由此确保摩擦系数(μ)，也有一部分通过在衬片中添加Fe等元素来提高摩擦系数。

例如，专利文献7中公开了一个技术方案，其涉及“一种铜系烧结摩擦材料，其特征在于，由组成为锡粉：0.5～15wt%、锌粉：0.1～30wt%、镍粉：5～25wt%、铁粉：5～25wt%、不锈钢粉：0.1～20wt%、铜粉：余量的基体金属成分55～80wt%、润滑材料、摩擦调节材料等填料成分20～45wt%的烧结体形成，(1)铁粉与不锈钢粉的总量为8～28wt%，(2)铁粉是在氢气或氨气气氛中、在600～1200℃的温度下热处理过的粒径范围为40～150μm的电解铁粉。”。引用文献7的技术方案中，组合使用电解铁粉和不锈钢粉时，铁成分作为阻碍烧结性的成分发挥作用，在基体相的铁成分的周边产生空隙，产生与摩擦材料中的气孔、磨削材料类似的作用，在高制动化时顺利地发挥功能。

专利文献8中记载了一种技术方案，其涉及“一种烧结摩擦材料，其以金属材料作为基体，包含磨削材料和润滑材料，其中，作为前述基体的金属材料，包含铸铁25～50体积%和铜1～7体积%。”。专利文献8的技术方案通过使用Fe系的烧结材料来代替现有的Cu系的烧结材料从而提高了高温制动时的摩擦特性。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开昭60-106932号公报

专利文献2：日本特开昭63-109131号公报

专利文献3：日本特开平2-10857号公报

专利文献4：日本特开平3-68091号公报

专利文献5：日本特开平6-45837号公报

专利文献6：日本特开平7-65132号公报

专利文献7：日本特开2006-16680号公报

专利文献8：日本特开2007-126738号公报

发明内容

发明要解决的问题

现有技术都没有在掌握制动盘与衬片间的滑动机理的基础上进行衬片的成分/组织的设计，几乎全都只不过是实验性的设计。另外，对于通过硬质颗粒的刮擦作用以图得到制动力的方式，可以预想到会难以应对高速铁道的进一步高速化(350km/h以上)，存在安全方面的问题。另外，通过硬质颗粒的刮擦作用以图得到更高的制动力时，需要大量的昂贵的硬质颗粒，因此，可预想到会明显提高制造成本。

专利文献7的技术方案中，例如，如实施例的表1等所示那样，烧结材料整体中的Cu的含量少(至多41质量%)，因此得不到充分的导热性。专利文献8的技术方案是Fe的含量多于Cu的Fe系的烧结材料，其是与像制动盘那样的对偶材料(mating material)同样的材料，因此，制动时的磨耗量极端地增多。

本发明为了解决这种现有技术的问题，目的在于提供对钢制的对偶材料(例如，制动盘)具有高摩擦系数和优异的耐磨耗性的高速铁道用烧结摩擦材料。

用于解决问题的方案

本发明人等特别研究了构成与锻钢制或铸钢制的圆盘配合使用的衬片的烧结摩擦材料。于是确认到，使用在构成烧结摩擦材料的金属材料中添加了Fe粉的衬片时，在制动时与对置的圆盘所含的Fe反应，两者的Fe彼此凝结而显示出高摩擦系数。这种同种金属间或共晶系等在滑动时熔接性增大的效果在摩擦学(tribology)领域作为“同质合金效应(same-metal phenomenon)”而公知，出于发生烧熔等理由，作为机械部件被视为不优选。另一方面，已知通过在金属材料中添加Fe，尽管摩擦系数上升，但会产生在制动时温度过度上升而耐磨耗性极端地降低的问题。

本发明人等为了解决上述问题而进行了深入研究，结果发现，通过在金属相中添加适量的Fe使金属相自身具有提高摩擦系数的功能，并且以显示高热导率的Cu作为金属相的基本成分来防止由Fe添加导致的过度的温度上升，能够提高制动力的高温稳定性。

图1、图2和图3是整理在160km/h、325km/h和360km/h的各试验条件下平均摩擦系数与Fe/Cu的值的关系而得到的图。图中○为在950℃下进行了烧结的材料，◇为在1000℃下进行了烧结的材料、□为在1030℃下进行了烧结的材料。各材料的化学组成示于后文的实施例的表1。

如图1所示，在160km/h的试验中，存在Fe/Cu的值越大、平均摩擦系数也越大的倾向。但是，如图2所示，在325km/h的试验中，存在Fe/Cu的值越大、平均摩擦系数全部降低的倾向。如图3所示，尤其是在365km/h的试验中，在Fe/Cu大的区域，平均摩擦系数的降低显著。由此可知，在160km/h左右的速度条件下，Fe/Cu的值大会使平均摩擦系数上升，但在对于高速铁道可预想的350km/h以上这样的速度条件下，过度增大Fe/Cu时，反而平均摩擦系数降低，制动力降低。

本发明是基于上述见解而做出的，以下述(A)～(E)所示的烧结摩擦材料为要旨。

(A)一种高速铁道用烧结摩擦材料，其以质量%计含有7.5%以上的Fe、50%以上的Cu、5～15%的石墨、0.3～7%的二硫化钼和0.5～10%的二氧化硅，Fe/Cu为0.15～0.40。

(B)一种高速铁道用烧结摩擦材料，其特征在于，通过如下的磨耗试验而求出的烧结摩擦材料的平均磨耗量M与平均摩擦系数F的关系满足M≤38.2×F+0.345的关系，所述磨耗试验中，准备由具有上述(A)所示的化学组成的烧结摩擦材料形成的、具有长度55mm、宽度38mm、厚度15mm的尺寸的四对衬片，将这些衬片绕着制动盘的转轴等间隔配置于外径400mm、厚度20mm的锻钢制制动盘的半径170mm的位置，通过从制动盘的两面以2.24kN的压力按压而将初速度365km/h的车轮制动。

(C)根据上述(A)或(B)的高速铁道用烧结摩擦材料，其特征在于，作为Fe粉，使用轧钢皮粉(mill scale powder)。

(D)根据上述(A)～(C)中任一项的高速铁道用烧结摩擦材料，其特征在于，密度为4.6以上。

(E)根据上述(A)～(D)中任一项的高速铁道用烧结摩擦材料，其特征在于，在1000℃以上的温度下进行了烧结。

发明的效果

本发明的高速铁道用烧结摩擦材料具有高制动力，而且制动力的高温稳定性优异。因此，本发明的高速铁道用烧结摩擦材料例如适于用作在交通运输车辆中对制动力要求最高的高速铁道的制动器衬片。

附图说明

图1是整理160km/h的试验中的平均摩擦系数与Fe/Cu的值的关系而得到的图。

图2是整理325km/h的试验中的平均摩擦系数与Fe/Cu的值的关系而得到的图。

图3是整理365km/h的试验中的平均摩擦系数与Fe/Cu的值的关系而得到的图。

图4是整理160km/h的试验中的平均磨耗量与Fe/Cu的值的关系而得到的图。

图5是整理325km/h的试验中的平均磨耗量与Fe/Cu的值的关系而得到的图。

图6是整理365km/h的试验中的平均磨耗量与Fe/Cu的值的关系而得到的图。

图7是整理365km/h的试验中的平均磨耗量与平均摩擦系数的关系而得到的图。

具体实施方式

以下，主要以将本发明的烧结摩擦材料用于衬片的情况为例来说明本发明的实施方式。烧结摩擦材料所含的各成分相互关联并影响作为摩擦材料的特性，因此，分别针对各成分讨论限定理由不一定恰当，但是仍对大致的限定理由进行说明。在以下的说明中，各成分的“%”意味着“质量%”。

1.关于金属材料

Cu：50%以上

Cu是具有高导热性的元素，本发明中形成烧结摩擦材料的基质。为了得到该Cu主体的烧结体，需要含有50%以上的Cu。Cu的含量的上限根据与添加成分的均衡来确定即可，没有特别限定，但优选设为67%以下。

Fe：7.5%以上

Fe是对于钢制的圆盘而言共金效应最大的元素。为了得到该效果，需要将Fe的含量设为7.5%以上。对Fe含量的上限没有特别限定，但Fe含量过多时，根据烧结温度，有时耐磨耗性降低。因此，Fe的含量优选设为36%以下。

在与Cu含量的关系中Fe含量过少时，有时摩擦系数不足，或产生耐磨耗性的问题。因此，Fe和Cu的质量比(Fe/Cu)需要设为0.15以上。另一方面，Fe/Cu过度增大时，Fe颗粒变得容易脱落，反而使摩擦系数降低。因此，Fe/Cu设为0.40以下。Fe/Cu优选设为0.36以下。

为了得到良好的烧结性、或者为了使控制摩擦力的Fe均匀分散，作为烧结摩擦材料的原料而添加的Fe粉优选使用粒径为45μm以下的Fe粉。另外，粒径过小时，每单位体积的表面积增大，变得容易聚集，烧结性、均匀分散性都降低，因此其粒径优选为5μm以上。

此外，专利文献7所述的技术方案中，使用预先在氢气或氨气气氛中热处理过的Fe粉，但这种实施过热处理的Fe粉如专利文献7也记载那样地阻碍烧结性。因此，作为烧结摩擦材料的原料而添加的Fe粉优选使用轧钢皮粉而非这种实施过处理的Fe粉。

烧结摩擦材料中的金属基体的成分包含规定量的Fe和Cu即可。例如，除了由Fe和Cu形成之外，在这些元素的基础上，为了提高强度，还可以含有Cr、Mo等元素。

2.关于其它添加物

石墨：5～15%

石墨通过夹杂在圆盘与衬片之间而抑制圆盘与衬片的凝结，对摩擦系数的稳定化和耐磨耗性的提高是有用的。该效果在其含量不足5%时无法充分发挥。另一方面，其含量超过15%时，烧结体的材料强度降低。

二硫化钼：0.3～7%

二硫化钼(MoS₂)与石墨同样对摩擦系数的稳定化和耐磨耗性的提高是有用的，而且具有防止所谓“摩擦音”的效果，进而在高载荷时具有赋予润滑性的效果。该效果在不足0.3%时无法发挥，超过7%时，烧结体的材料强度明显降低，耐磨耗性受损。

二氧化硅：0.5～10%

二氧化硅(SiO₂)通过所谓“掘出效果”去除在作为对偶材料的圆盘表面所产生的氧化皮膜，使圆盘与衬片之间发生的Fe彼此的凝结稳定地产生，对确保摩擦力是有效的。然而，不足0.5%时，不产生掘出效果，另一方面，超过10%时，使圆盘表面粗糙损耗。

烧结摩擦材料中，包含上述各种成分即可。除上述成分之外，也可以含有通常添加于烧结摩擦材料的各种成分。例如，可以含有二硫化钨、铋、锑等润滑成分，氧化铝、富铝红柱石、氮化硅、锆砂等化合物。本发明的烧结摩擦材料为了得到充分的强度，密度优选为4.6以上。

3.关于烧结摩擦材料的制造方法

本发明的烧结摩擦材料可以通过一般的制造方法来制造，例如，在Cu粉中混合Fe粉、各种添加物等，成形后，进行烧结，从而制造。另外，对于作为原料使用的Cu粉末，也可以在通过雾化等制造粉末时使用预先含有Fe的原料粉末。

但是，在Cu粉末中添加Fe粉末时，担心摩擦时的温度上升的Fe相被包含于显示出高热导率的Cu相，可以提高制动器的高温稳定性，并且将Cu相强化，故而耐磨耗性提高。

高速铁道用衬片由于制动时的摩擦热而成为表面熔融了的状态。这意味着，制动时被加热至构成衬片的颗粒中熔点最低的Cu的熔点(1083℃)程度。此时，烧结体的磨耗受到烧结体的烧结颈强度的影响，烧结颈在结合颗粒的热膨胀差异大时因其应变而断裂。本发明中，使用热膨胀差异大的Fe颗粒和Cu颗粒(关于室温下的热膨胀系数，Fe为11.7×10^-6/℃，Cu为16.5×10^-6/℃)。因此，关于烧结温度，尽可能地在Cu的熔点附近的温度下烧结是有效的，优选设为1000℃以上。由此可以将烧结体结构制成可耐受制动时由热造成的膨胀导致的应变的结构，可以提高耐磨耗性。另一方面，即使在太高的高温下进行烧结，也得不到与成本相符的效果。因此，烧结温度优选以Cu的熔点以下的1083℃作为上限。

得到的烧结体通过通常的放电加工等切出规定的尺寸，安装于制动器系统，由此可作为制动器衬片使用。

实施例1

混合表1所示的原料粉末后，通过表2所示的制造工艺制作烧结摩擦材料。对得到的烧结摩擦材料通过下述方法测定强度、硬度和密度。将其结果一并记载于表1。其中，原料粉末中，Cu使用福田金属箔粉公司CE-15(电解铜粉，最大粒径75μm)，Fe使用

公司ASC300(轧钢皮，还原，最大粒径45μm)，Cr使用高纯度化学公司CRE03PB(最大粒径63μm)，Mo使用高纯度化学公司MOE02PB(最大粒径63μm)，石墨使用SEC公司SGP-100(扁平状人造石墨，平均粒径120μm)，MoS₂使用Kishida Chemical Co.,Ltd.010-51125，SiO₂使用高纯度化学公司SIO08PB(平均粒径4μm)。

<强度>

强度根据JIS R1601：2008制作“5.试验片”的“5.1试验片的形状和尺寸”的图2所示的试验片，使用“4.装置和器具”的“4.2试验夹具”的图1a所示的旋转形3点n弯曲试验夹具进行测定。

<硬度>

硬度测定显微维氏硬度(载荷50g，MHv50)。其中，未对No.2、4测定硬度。

<密度>

密度通过阿基米德法测定。

将各自的结果示于表2。

接着，对各烧结摩擦材料根据下述方法测定摩擦系数和磨耗量。

<摩擦系数>

利用使用了实体(新干线)的1/2尺寸的制动盘(外径400mm，厚度20mm，锻钢制)的3号台架试验机(bench tester)，实施将制动(brake)初速度设为160km/h、325km/h和365km/h的试验各3次。分别将单面4个、总计8个的从各烧结摩擦材料切出的衬片材料(38mm×55mm×15mm)刚性固定(非等压结构)到卡钳，将衬片材料以2.24kN(恒定)的压力按压到圆盘两面的半径170mm的位置，测定此时的扭矩，算出摩擦系数(μ)，将3次试验的平均值示于表3。另外，由试验前后的衬片材料的质量变化测定磨耗量(g/单侧)，将三次试验的平均值示于表3。另外，评价了365km/h的试验中的平均磨耗量与平均摩擦系数的关系。将其结果一并记载于表3。将对这些结果与Fe/Cu的值进行整理而得到的图示于图1～图7。

需要说明的是，将制动(brake)初速度设为365km/h的试验中的平均摩擦系数的目标值为0.28以上。另外，该试验中的平均磨耗量以与平均摩擦系数的关系满足M≤38.2×F+0.345(其中，M为平均磨耗量，F为平均摩擦系数。)的关系为目标。满足该关系时评价为“○”，不满足时评价为“×”。平均磨耗量的目标值是以如下的标准求出的：即使平均摩擦系数小，在平均磨耗量小的情况下，通过提高按压压力，也能够确保充分的制动力，另一方面，即使平均磨耗量大，如果平均摩擦系数大，即便降低按压压力也能确保充分的制动力。

如表3和图1～图7所示，本发明例(No.2～4、7、8和11)中，即使在365km/h的条件下也均得到高平均摩擦系数，而且在与平均摩擦系数的关系中得到充分低的平均磨耗量，得到对于用作高速铁道用烧结摩擦材料而言良好的性能。另一方面，比较例(1、5、6、9、10和12)中，平均摩擦系数过低(No.1、5和12)或平均磨耗量过大(No.6、9和10)，因此无法用作高速铁道用烧结摩擦材料。

产业上的可利用性

本发明的烧结摩擦材料具有高制动力，而且制动力的高温稳定性优异。因此，本发明的烧结摩擦材料例如适于用作交通运输车辆中对制动力要求最高的高速铁道的制动器衬片。

Claims

1.一种高速铁道用烧结摩擦材料，其特征在于，以质量%计含有7.5%以上的Fe、50%以上的Cu、5～15%的石墨、0.3～7%的二硫化钼和0.5～10%的二氧化硅，Fe/Cu为0.15～0.40。

2.一种高速铁道用烧结摩擦材料，其特征在于，由如下的磨耗试验求出的烧结摩擦材料的平均磨耗量M与平均摩擦系数F的关系满足M≤38.2×F+0.345的关系，

所述磨耗试验中，准备由具有权利要求1所示的化学组成的烧结摩擦材料形成的、具有长度55mm、宽度38mm、厚度15mm的尺寸的四对衬片，将这些衬片绕着制动盘的转轴等间隔配置于外径400mm、厚度20mm的锻钢制制动盘的半径170mm的位置，通过从制动盘的两面以2.24kN的压力按压而将初速度365km/h的车轮制动。

3.根据权利要求1或2所述的高速铁道用烧结摩擦材料，其特征在于，作为Fe粉，使用轧钢皮粉。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的高速铁道用烧结摩擦材料，其特征在于，密度为4.6以上。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的高速铁道用烧结摩擦材料，其特征在于，在1000℃以上的温度下进行了烧结。