JP2004162758A - ブレーキディスク - Google Patents
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Abstract
【課題】反り変形を抑制するためのＡｌブレーキディスクの降伏強度を明確にし、軽量かつブレーキングによる反り変形を起こし難いブレーキディスクを提供する。
【解決手段】
Ｆｅ：０．５ 〜５．０ ％、Ｓｉ：０．２ 〜３．０ ％、Ｃｕ：０．５ 〜３．０ ％、
Ｍｇ：０．５ 〜２．０ ％、およびＣｒ：０．５ 〜３．０ ％
を含有するＡｌ合金に、平均粒径が１〜２０μｍのセラミックス粒子を５〜３０体積％分散させて成るＡｌ基複合材から構成する。
【選択図】 なし
【解決手段】
Ｆｅ：０．５ 〜５．０ ％、Ｓｉ：０．２ 〜３．０ ％、Ｃｕ：０．５ 〜３．０ ％、
Ｍｇ：０．５ 〜２．０ ％、およびＣｒ：０．５ 〜３．０ ％
を含有するＡｌ合金に、平均粒径が１〜２０μｍのセラミックス粒子を５〜３０体積％分散させて成るＡｌ基複合材から構成する。
【選択図】 なし
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ブレーキディスクに関し、特に軽量であって、ブレーキングの際に起こる塑性変形を低減して熱変形を抑制するとともに、高い熱伝導率を確保してブレーキング中のブレーキライニングの焼付き防止や摩耗量の低減が可能となる、主として鉄道車両用のブレーキディスクに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディスクブレーキは、高速で走行する鉄道車両や自動車および自動二輪車などの陸上輸送機械の制動装置である。ディスクブレーキには、側ディスクと呼ばれるブレーキディスクを備えたタイプのものがある。
【０００３】
図１（ａ） 〜（ｂ） に側ディスクの一例として、鉄道車両用側ディスクの形状を示す。図１（ａ） は、側ディスク１の１／４ を示す部分平面図であり、図１（ｂ） は、図１（ａ） の側ディスク１の断面とブレーキライニング６の断面を示す部分断面図である。
【０００４】
同図（ａ） 、（ｂ） に示すように、一般に、側ディスク１は、片側に摺動面５を備える外周部３と車輪に締結するためのボルト孔４を備える内周部２とから構成されている。この側ディスク１は、片側の摺動面にブレーキライニング６を押し当て、その摩擦により制動力を得る。高速車両、特に新幹線等の高速鉄道車両では、側ディスクの回転速度や慣性力が非常に大きいため、ブレーキング中の側ディスクの温度上昇は著しく大きい。
【０００５】
そのため、上記のような側ディスク（ 以下、単にブレーキディスクとも言う） では、ブレーキング中の摺動面側と裏面側の温度差が大きくなり、その結果、図２に示すように側ディスク１の外周部３が軸方向に変形する、いわゆる反り変形が生じる。この反り変形は、側ディスク１が塑性変形することにより生じることから、ブレーキディスクを長期間使用するためには、ブレーキディスク材の降伏強度を、ある程度以上確保する必要がある。
【０００６】
従来、側ディスクには鋳鉄や鍛鋼が用いられてきた。特に、近年は車両の高速化により、ブレーキングによる負荷が増大してきていることから、強度・延性に優れている鍛鋼製のブレーキディスク、つまり鍛鋼ブレーキディスクが多く用いられるようになっている。鍛鋼ブレーキディスクは、降伏強度が高いので上述の反り変形を抑制することができ、比較的長期間の使用にも耐え得る。それでも、ある一定の期間使用すると反り変形が発生するため、現状では予め交換時期を設定しておいて、反り変形が大きくなる前に新品と交換している。
【０００７】
一方、最近では、車両の高速化、振動・騒音の低減、省エネルギー化の観点から、ブレーキディスクの軽量化が望まれている。このため、軽量なＡｌ合金を利用したブレーキディスク（以下、Ａｌブレーキディスクという）の検討が進められつつある。
【０００８】
Ａｌブレーキディスクは、鍛鋼ブレーキディスクに比べ強度は劣るものの、熱伝導率が良いため、ブレーキングによる摩擦熱が速やかに拡散し、その結果、温度上昇は比較的小さい。そのため、Ａｌブレーキディスクは鍛鋼ブレーキディスクよりも低い降伏強度で上記の反り変形を抑制することが可能である。
【０００９】
例えば、特開平１０−１４０２７５号公報には、Ａｌブレーキディスクの高温強度を向上させることを目的としてＦｅ：５．０〜１０．０質量％であってＡｌ−Ｆｅ 系金属間化合物を析出させたＡｌ合金にセラミックス粒子を分散させた複合材料から成る鉄道車両用ブレーキディスクが開示されている。
【００１０】
また、特開平９−１８４０３７号公報には、Ａｌブレーキディスクの熱伝導率を高くするためＳｉ：２．０ 〜１０．０質量％を含有するＡｌ合金にセラミックス粒子を分散させた熱伝導率が１８０Ｗ／ｍＫ 以上の複合材料から成る鉄道車両用ブレーキディスクが開示されている。
【００１１】
【特許文献１】特開平１０−１４０２７５号公報 請求項１
【特許文献２】特開平９−１８４０３７号公報 請求項１
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ここに、さらなる車両の高速化、振動・騒音の低減、および省エネルギー化を図るためには、従来の鋳鉄や鍛鋼による鉄系のブレーキディスクに代わって、軽量なＡｌブレーキディスクを使用することが必要不可欠である。
【００１３】
しかしながら、Ａｌブレーキディスクの降伏強度が低いとブレーキングにより発生する熱変形の一つであって、特に問題となる反り変形を十分抑制することができず、また高い熱伝導率を確保できないとブレーキライニングの焼付きが発生したりブレーキライニングの摩耗量が著しくなり長期間の使用に耐えられない可能性がある。
【００１４】
特許文献１では、Ａｌブレーキディスクの耐摩耗性に着目して高温強度を確保するとともに、摩耗量を可及的に少なくすることに開発の目的が向けられていた。しかしながら、特許文献１ではもっぱら高温強度に注目しているため、Ｆｅの含有量を必要以上に多くしている可能性があり、その結果、熱伝導率が低下し、ブレーキライニングの焼付きや摩耗によって使用期間が短くなる可能性がある。
【００１５】
一方、特許文献２では、Ａｌブレーキディスクの熱伝導率を確保することに着目していることから、反り変形を抑制するのに十分な強度を確保できていない可能性がある。
【００１６】
ここに、本発明の目的は、上記のような各種従来技術の問題に対して、軽量かつブレーキングにより発生する反り変形、ブレーキライニングの焼付き、そしてブレーキライニングの摩耗量の増大をそれぞれ起こし難いブレーキディスクを提供することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記問題に対して、鋼材に比較してはるかに軽量であるＡｌ基複合材に着目し、その降伏強度、熱伝導率の改善について研究を重ね、母材となるＡｌ合金とセラミックス粒子に適切なものを適量用いることにより、反り変形を抑制するために必要な降伏強度（１５０ＭＰａ 以上） を有しながら、ブレーキライニングの焼付き、摩耗量の増大を起こしがたい高い熱伝導率（１３０Ｗ／ｍＫ以上） を保持したＡｌブレーキディスクを提供できることを知り、本発明を完成した。
【００１８】
本発明にかかるＡｌブレーキディスクは、質量％で、Ｆｅを０．５ 〜５．０ ％、Ｓｉを０．２ 〜３．０ ％、Ｃｕを０．５ 〜３．０ ％、Ｍｇを０．５ 〜２．０ ％、およびＣｒを０．５ 〜３．０ ％含有するＡｌ合金に、平均粒径が１〜２０μｍのセラミックス粒子を５〜３０体積％分散させて成るＡｌ基複合材から構成されたブレーキディスクであって、前記Ａｌ基複合材の降伏強度が１５０ＭＰａ以上、かつ熱伝導率が１３０Ｗ／ｍＫ 以上であることを特徴とするブレーキディスクである。
【００１９】
本発明の好適態様では、上記Ａｌ基複合材は、下記式（１） 、（２） を満たすような組成であることが好ましい。
１．００≦ｆｎ１ ・・・・・（１）
ただし、
ｆｎ１＝√（１．７６９２−０．０９２３ ＷＦｅ−０．０３０８ＷＳｉ−０．０７６９ Ｗ Ｃｕ−０．１５３８ Ｗ Ｍｇ−０．００３８ Ｗ Ｃｒ−０．００３８ ＶＣ）
１．００≦ｆｎ２ ・・・・・（２）
ただし、
ｆｎ２＝√（０．２０００＋０．１３３３ ＷＦｅ＋０．０２６７ＷＳｉ＋０．４０００ＷＣｕ＋０．４０００ＷＭｇ＋０．２３３３ＷＣｒ＋０．０３３３ＶＣ）
ここで、 ＷＦｅ、 ＷＳｉ、 ＷＣｕ、 ＷＭｇ、 ＷＣｒは各成分の質量％を、 ＶＣ はセラミックス粒子の体積％をそれぞれ表す。
【００２０】
本発明の別の好適態様によれば、前記Ａｌ基複合材は伸び５％以上である。
本発明のさらに別の好適態様によれば、前記ブレーキディスクは、粉末の固化成型体に鍛造を行って製造したものである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明における含有成分の意義および限定理由について説明する。
本明細書において「％」は特にことわりがない限り「質量％」である。ただし、セラミックス粒子の配合割合は「体積％」で示す。
【００２２】
Ｆｅは合金の強度、特に高温での強度を高め、耐摩耗性を向上させる元素である。その含有量は０．５ 〜５．０ ％の範囲であり、０．５ ％未満では効果が十分ではなく、５．０ ％を越えると熱伝導率が低下する。好ましい下限は １．０％、好ましい上限は ３．０％である。
【００２３】
Ｓｉは、合金の耐摩耗性および耐焼付き性を高める元素である。その範囲は０．２ 〜３．０ ％であり、０．２ ％未満では効果が十分でなく、３．０ ％を越えると熱伝導率が低下するため耐焼付き性が低下し、また延性も低下するため繰返しブレーキによる耐き裂性が低下する。好ましくは ０．５〜２．５ ％である。
【００２４】
Ｃｕ、Ｍｇは両者を所定量含有させることで、時効処理による合金の強度向上の効果が得られる。ここに、時効処理とは熱処理の一種で一定温度で一定時間保持することにより合金を硬化させる処理のことである。それぞれの含有量はＣｕ：０．５ 〜３．０ ％、Ｍｇ：０．５ 〜２．０ ％であり、それぞれこの範囲未満では効果が十分ではなく、範囲を越えると熱伝導率が低下する。また、Ｃｕは過度に含有すると耐食性を低下させる。
【００２５】
Ｃｒは単体で合金の強度を向上させる働きがある。その含有量は、０．５ 〜３．０ ％の範囲であり、０．５ ％未満では効果が十分ではなく、３．０ ％を越えると熱伝導率を低下させる。好ましくは ０．５〜１．５ ％である。
【００２６】
セラミックス粒子は、ＳｉＣ 、ＡｌＮ 、Ａｌ２Ｏ３ 等が例示されるが、好ましくはＳｉＣ 粒子である。
ＳｉＣ粒子は、ビッカース硬さ５００ 以上を有するセラミックス粒子であり、これを添加することで、ディスク材およびブレーキライニングの摩耗を低減させることができる。また、ＳｉＣ の熱伝導率は１２０Ｗ／ｍＫ と高く、この粒子を添加することによってＡｌブレーキディスクの熱伝導率が大幅に低下することはない。
【００２７】
セラミックス粒子は平均粒径が１〜２０μｍであり、５ 〜３０体積％分散させる。平均粒径がこの範囲未満では十分な耐摩耗性を発揮できず、分散性も良くない。一方、この範囲を越えると機械加工性（切削性）が低下する。また、平均粒径は好ましくは５〜１５μｍ の範囲である。
【００２８】
配合量は体積％が上記範囲未満では十分な耐摩耗性を発揮できなく、範囲を越えると機械加工性（切削性）が低下する。好ましくは５〜２０体積％である。
以上のように本発明では、個々の成分について、上記のような考え方に基づいてそれぞれ範囲を限定した。
【００２９】
さらに本発明にあっては、上述のようにして構成されるＡｌ基複合材の降伏強度を１５０ＭＰａ以上、熱伝導率を１３０Ｗ／ｍＫ 以上に規定するが、これはＡｌブレーキディスクを構成したときに熱変形を抑制し、焼付き防止および摩耗量低減を実現させるためである。
【００３０】
本発明においては、さらに好ましくは上記Ａｌ基複合材の組成が前述の式（１） 、（２） を満足するように限定することで、確実に本発明の上記特性を達成できるようにする。
【００３１】
式（１） のｆｎ１ は、本発明のＡｌブレーキディスクの熱伝導率と各成分の関係を表す相関関数であり、種々のＡｌ合金、Ａｌ基複合材の熱伝導率と成分含有量の関係を重回帰分析して得たものである。
【００３２】
式（２） のｆｎ２ は、本発明のＡｌブレーキディスクの降伏強度（常温）と各成分の関係を表す相関関数であり、種々のＡｌ合金、Ａｌ基複合材の降伏強度と成分含有量の関係を重回帰分析して得たものである。なお、ｆｎ２ を求める際の降伏強度は時効処理によって硬化させたときの降伏強度を用いている。また、反り変形はディスクがブレーキング後冷却されたときに発生するので、常温での降伏強度の影響が大きいことから、ここでは常温の降伏強度を用いた。
【００３３】
ｆｎ１ 、ｆｎ２ は各成分の含有量が決まったときに熱伝導率および降伏強度がいくらになるかというのを求めるための関数である。例えば、式（１） ではＦｅの量を増やすとｆｎ１ の値は小さくなる。すなわち熱伝導率が低下し、式（２） ではＦｅの量を増やすとｆｎ２ の値は大きくなる。すなわち降伏強度が向上する。
【００３４】
このため、本発明の目標を達成するためにはｆｎ１ 、ｆｎ２ がある値を満たしている必要がある。
図３（ａ） に、Ａｌブレーキディスクの熱伝導率とｆｎ１ の関係を、図３（ｂ） にＡｌブレーキディスクの降伏強度とｆｎ２ の関係をそれぞれ示す。
【００３５】
耐焼付き性を確保するためには、熱伝導率は少なくとも１３０Ｗ／ｍＫ 以上が好ましく、そのためにはｆｎ１ は１．００以上が好ましい範囲である。またより好ましい熱伝導率の範囲は１５０Ｗ／ｍＫ 以上であり、そのためにはｆｎ１ は１．０８以上が好ましい。
【００３６】
Ａｌブレーキディスクの熱伝導率は純Ａｌの熱伝導率２３０Ｗ／ｍＫ を越えることができないので、必然的にｆｎ１ の上限は１．３３未満となる。
一方、反り変形を抑制するためには、後述するＦＥＭ（有限要素法）解析結果から降伏強度（常温）が１５０ＭＰａ以上必要であり、そのためにはｆｎ２ は１．００以上が好ましい。またここでは、時効処理による強度向上の効果を考慮しているが、Ａｌブレーキディスクを長期間使用すると過時効されて強度が低下する可能性がある。そのため、降伏強度は２００ＭＰａ以上あることがより好ましく、そのためにはｆｎ２ は１．１５以上が好ましい。なお、過時効とは初期に与えた時効処理より使用中などにおいてさらに必要以上に熱が加わった状態のことであり、強度の低下を招く恐れがある。
【００３７】
ｆｎ２ は大きすぎると必要以上に強度が高くなり延性が低下するので、１．５０未満であることが好ましい。
以上のようにｆｎ１ が１．０８以上、ｆｎ２ が１．１５以上という範囲を考慮すると、本発明におけるＡｌ基複合材の各成分は次のような範囲にあることがより好ましい。
【００３８】
すなわち、Ｆｅ：１．０ 〜２．２ ％、Ｓｉ：１．０ 〜２．２ ％、Ｃｕ：０．８ 〜１．２ ％、Ｍｇ：０．８ 〜１．２ ％、Ｃｒ：０．８ 〜１．２ ％、セラミックス粒子：５〜１５体積％である。セラミックス粒子としては、好ましくはＳｉＣ 粒子である。
【００３９】
ここで、本発明のＡｌブレーキディスクの製造方法について説明する。
本発明のＡｌブレーキディスクに用いるＡｌ基複合材は例えば公知の粉末冶金法により製造され、セラミックス粒子を均一に分散させる。
【００４０】
粉末冶金法によれば所定の組成を有するＡｌ合金粉末とセラミックス粒子、例えばＳｉＣ 粒子を所定の割合で配合し、十分に混合する。均一な混合状態を得るためには、Ａｌ合金粉未は微細であることが望ましく、通常１００ μｍ 以下の粉末が使用される。次いで混合粉末を容器（缶ともいう）に充填し、混合粉末を４００ 〜５００ ℃の温度に加熱しながら容器の内部を真空排気、あるいは不活性ガスで置換して、Ａｌ合金粉末およびセラミックス粒子の表面に吸着しているガスおよび水分を除去する脱ガス処理を行う。続いて、容器内に充填されている上記の混合粉末を容器とともにホットプレスすることにより固化成型し、混合粉末を９９％以上の緻密度にする。固化成型後、そのままあるいは適当な大きさに切断して鍛造を行い、その後、溶体化処理および時効処理を行い所望の降伏強度以上の強度を確保する。そして最後に機械加工（切削加工）を行いブレーキディスクに仕上げる。
【００４１】
【実施例】
本例では、種々のＡｌ基複合材を用いて高速鉄道用Ａｌブレーキディスク［直径７２０ｍｍ ×５０ｍｍ（最大厚み）］ を作製した。そこからＪＩＳ４号の丸棒引張り試験片を採取して引張り試験を実施し、降伏強度と伸びを測定した。さらに熱伝導率測定用試験片を別途採取し、熱伝導率を測定した。
【００４２】
このようにして得られたＡｌブレーキディスクはブレーキ試験に供して、反り変形、耐焼付き性および耐き裂性について評価した。ブレーキ試験は３００ｋｍ／ｈ からの非常ブレーキの条件で実施した。
【００４３】
ブレーキ試験での反り変形は図２に示すように、Ａｌブレーキディスクの最外周部の軸方向の変位量で評価し、ブレーキ１００ 回以内に１ｍｍ以上変位した場合を反り変形の発生とした。耐焼付き性の評価は、ブレーキ１００ 回以内にブレーキライニングがＡｌブレーキディスクに付着して離れなくなった場合を焼付きの発生とした。耐き裂性は、ブレーキ１００ 回以内にボルト孔などの応力集中部よりき裂が発生したかどうかで評価した。
【００４４】
表１に示すＮｏ．１〜４のＡｌブレーキディスクは粉末冶金法・鍛造により作製した。
すなわち、エアアトマイズ法によってＡｌ合金粉末を製造し、これを１００ μｍ以下に分級した。これとＳｉＣ 粒子を強制攪拌羽根付きクロスロータリーミキサーによって１５分間混合し、混合粉末を外径９０ｍｍ、高さ２００ｍｍ の容器に充填した後、４８０ ℃の温度で１時間真空脱ガス処理を施して封かんし、これを内径９０ｍｍの閉塞金型に装填し、４００ ℃の温度で、５００ｔｏｎの押圧力でホットプレス固化成型した。さらに、４００ ℃の温度で一軸の自由鍛造によって固化成型体の高さが１／ ２になるまで鍛練加工 （鍛練比２．０）を行い、試験体を作製した。
【００４５】
なお、Ｎｏ．１のＡｌブレーキディスクについては強度を上げるために、鍛造後に５２０ ℃で溶体化処理および１７０ ℃×１０ｈｒで時効処理をそれぞれ実施した。
ＳｉＣ 粒子は市販のものを使用したので、平均粒径は公称寸法を意味する。
【００４６】
表１に示すＮｏ．５のＡｌブレーキディスクは、公知のコンポキャスティング法によって製造した。すなわち、所定の成分のＡｌ合金が固液共存状態となるように温度を保持し、攪拌しながらＳｉＣ 粒子を添加、混合し、内径１５０ｍｍ 、深さ５０ｍｍの金型に鋳造した。続いて、その鋳塊を４００ ℃の温度で高さが４０ｍｍになるまで鍛練加工（鍛練比１．２５） を行い、試験体を作製した。
【００４７】
【表１】
【００４８】
表２に各種試験結果をまとめて示す。
本発明例のＮｏ．１は降伏強度が十分高いためブレーキ試験において反り変形が発生していない。熱伝導率も高い値を確保しているので焼付きも発生せず、延性 （伸び） も十分にあるためき裂の発生も無かった。
【００４９】
比較例のＮｏ．２はＦｅの含有量が多すぎるため、Ｎｏ．３はＭｇの含有量が多すぎるため、それぞれ高い熱伝導率が確保できずに焼付きが発生した。比較例のＮｏ．４はＭｇを含有していないため十分な強度を確保できず反り変形が発生した。比較例のＮｏ．５は鋳造で作製しているため伸びが小さく十分な延性が無いため、き裂が発生した。
【００５０】
【表２】
【００５１】
次に、本発明にかかるＡｌブレーキディスクに必要な降伏強度を明確にするとともに、その効果を確認するためＦＥＭ 解析を実施した。本解析では、Ａｌ基複合材の熱伝導率を１５０Ｗ／ｍＫ とし、上記のブレーキ試験と同じく高速鉄道車両用のＡｌブレーキディスクを対象として、３００ｋｍ／ｈ からの非常ブレーキの条件で実施した。
【００５２】
表３に、ＦＥＭ 解析に供試したＡｌブレーキディスクの物性値を、表４に機械的特性をそれぞれ示す。表４において常温での降伏強度を５０〜２５０ＭＰａとした。
図４に、ＦＥＭ 解析結果として、ブレーキ１回当りの反りの増加量とＡｌブレーキディスクの降伏強度の関係を示す。なお、図中の反り量は、降伏強度が１００（ＭＰａ）の場合を１として、無次元化している。図に示すように、本発明品である降伏強度が１５０（ＭＰａ）以上のＡｌブレーキディスクでは、反り変形が大きく低減できることが分かる。
【００５３】
【表３】
【００５４】
【表４】
【００５５】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、ＳｉＣ 粒子を分散させたＡｌ基複合材を使用することで、従来の鋳鉄や鍛鋼を用いたブレーキディスクに比べ、大幅に軽量化することができ、その結果、より高速での走行が可能となる。また、使用するＡｌ基複合材に適正な成分とその含有量を用いることで、高い熱伝導率を保持しながら十分な強度を確保することが可能となる。これにより、耐焼付き性および耐摩耗性を十分確保しながら、ブレーキングによる反り変形も抑制できる。さらに、鍛造により成型することで、延性を向上させることができ、耐き裂性も向上する。結果として長期間の使用に耐え得るＡｌブレーキディスクを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来型の鉄道車両用ブレーキディスクを示す図であり、図１（ａ） は、鉄道車両用ブレーキディスクの１／４を示す部分平面図、図１（ｂ） は、鉄道車両用ブレーキディスクの断面の１／２を示す部分断面図である。
【図２】鉄道車両用ブレーキディスクのブレーキングによる反り変形を模式的に表した部分断面図である。
【図３】図３（ａ） は、本発明のＡｌブレーキディスクの熱伝導率と相関関数ｆｎ１ の関係を表すグラフであり、図３（ｂ） は本発明のＡｌブレーキディスクの降伏強度 （常温） と相関関数ｆｎ２ の関係を表すグラフである。
【図４】Ａｌブレーキディスクのブレーキ１回当たりの反りの増加量と降伏強度の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１：ブレーキディスク ２：ディスク内周部
３：ディスク外周部 ４：ボルト孔
５：摺動面 ６：ブレーキライニング
【発明の属する技術分野】
本発明は、ブレーキディスクに関し、特に軽量であって、ブレーキングの際に起こる塑性変形を低減して熱変形を抑制するとともに、高い熱伝導率を確保してブレーキング中のブレーキライニングの焼付き防止や摩耗量の低減が可能となる、主として鉄道車両用のブレーキディスクに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディスクブレーキは、高速で走行する鉄道車両や自動車および自動二輪車などの陸上輸送機械の制動装置である。ディスクブレーキには、側ディスクと呼ばれるブレーキディスクを備えたタイプのものがある。
【０００３】
図１（ａ） 〜（ｂ） に側ディスクの一例として、鉄道車両用側ディスクの形状を示す。図１（ａ） は、側ディスク１の１／４ を示す部分平面図であり、図１（ｂ） は、図１（ａ） の側ディスク１の断面とブレーキライニング６の断面を示す部分断面図である。
【０００４】
同図（ａ） 、（ｂ） に示すように、一般に、側ディスク１は、片側に摺動面５を備える外周部３と車輪に締結するためのボルト孔４を備える内周部２とから構成されている。この側ディスク１は、片側の摺動面にブレーキライニング６を押し当て、その摩擦により制動力を得る。高速車両、特に新幹線等の高速鉄道車両では、側ディスクの回転速度や慣性力が非常に大きいため、ブレーキング中の側ディスクの温度上昇は著しく大きい。
【０００５】
そのため、上記のような側ディスク（ 以下、単にブレーキディスクとも言う） では、ブレーキング中の摺動面側と裏面側の温度差が大きくなり、その結果、図２に示すように側ディスク１の外周部３が軸方向に変形する、いわゆる反り変形が生じる。この反り変形は、側ディスク１が塑性変形することにより生じることから、ブレーキディスクを長期間使用するためには、ブレーキディスク材の降伏強度を、ある程度以上確保する必要がある。
【０００６】
従来、側ディスクには鋳鉄や鍛鋼が用いられてきた。特に、近年は車両の高速化により、ブレーキングによる負荷が増大してきていることから、強度・延性に優れている鍛鋼製のブレーキディスク、つまり鍛鋼ブレーキディスクが多く用いられるようになっている。鍛鋼ブレーキディスクは、降伏強度が高いので上述の反り変形を抑制することができ、比較的長期間の使用にも耐え得る。それでも、ある一定の期間使用すると反り変形が発生するため、現状では予め交換時期を設定しておいて、反り変形が大きくなる前に新品と交換している。
【０００７】
一方、最近では、車両の高速化、振動・騒音の低減、省エネルギー化の観点から、ブレーキディスクの軽量化が望まれている。このため、軽量なＡｌ合金を利用したブレーキディスク（以下、Ａｌブレーキディスクという）の検討が進められつつある。
【０００８】
Ａｌブレーキディスクは、鍛鋼ブレーキディスクに比べ強度は劣るものの、熱伝導率が良いため、ブレーキングによる摩擦熱が速やかに拡散し、その結果、温度上昇は比較的小さい。そのため、Ａｌブレーキディスクは鍛鋼ブレーキディスクよりも低い降伏強度で上記の反り変形を抑制することが可能である。
【０００９】
例えば、特開平１０−１４０２７５号公報には、Ａｌブレーキディスクの高温強度を向上させることを目的としてＦｅ：５．０〜１０．０質量％であってＡｌ−Ｆｅ 系金属間化合物を析出させたＡｌ合金にセラミックス粒子を分散させた複合材料から成る鉄道車両用ブレーキディスクが開示されている。
【００１０】
また、特開平９−１８４０３７号公報には、Ａｌブレーキディスクの熱伝導率を高くするためＳｉ：２．０ 〜１０．０質量％を含有するＡｌ合金にセラミックス粒子を分散させた熱伝導率が１８０Ｗ／ｍＫ 以上の複合材料から成る鉄道車両用ブレーキディスクが開示されている。
【００１１】
【特許文献１】特開平１０−１４０２７５号公報 請求項１
【特許文献２】特開平９−１８４０３７号公報 請求項１
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ここに、さらなる車両の高速化、振動・騒音の低減、および省エネルギー化を図るためには、従来の鋳鉄や鍛鋼による鉄系のブレーキディスクに代わって、軽量なＡｌブレーキディスクを使用することが必要不可欠である。
【００１３】
しかしながら、Ａｌブレーキディスクの降伏強度が低いとブレーキングにより発生する熱変形の一つであって、特に問題となる反り変形を十分抑制することができず、また高い熱伝導率を確保できないとブレーキライニングの焼付きが発生したりブレーキライニングの摩耗量が著しくなり長期間の使用に耐えられない可能性がある。
【００１４】
特許文献１では、Ａｌブレーキディスクの耐摩耗性に着目して高温強度を確保するとともに、摩耗量を可及的に少なくすることに開発の目的が向けられていた。しかしながら、特許文献１ではもっぱら高温強度に注目しているため、Ｆｅの含有量を必要以上に多くしている可能性があり、その結果、熱伝導率が低下し、ブレーキライニングの焼付きや摩耗によって使用期間が短くなる可能性がある。
【００１５】
一方、特許文献２では、Ａｌブレーキディスクの熱伝導率を確保することに着目していることから、反り変形を抑制するのに十分な強度を確保できていない可能性がある。
【００１６】
ここに、本発明の目的は、上記のような各種従来技術の問題に対して、軽量かつブレーキングにより発生する反り変形、ブレーキライニングの焼付き、そしてブレーキライニングの摩耗量の増大をそれぞれ起こし難いブレーキディスクを提供することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記問題に対して、鋼材に比較してはるかに軽量であるＡｌ基複合材に着目し、その降伏強度、熱伝導率の改善について研究を重ね、母材となるＡｌ合金とセラミックス粒子に適切なものを適量用いることにより、反り変形を抑制するために必要な降伏強度（１５０ＭＰａ 以上） を有しながら、ブレーキライニングの焼付き、摩耗量の増大を起こしがたい高い熱伝導率（１３０Ｗ／ｍＫ以上） を保持したＡｌブレーキディスクを提供できることを知り、本発明を完成した。
【００１８】
本発明にかかるＡｌブレーキディスクは、質量％で、Ｆｅを０．５ 〜５．０ ％、Ｓｉを０．２ 〜３．０ ％、Ｃｕを０．５ 〜３．０ ％、Ｍｇを０．５ 〜２．０ ％、およびＣｒを０．５ 〜３．０ ％含有するＡｌ合金に、平均粒径が１〜２０μｍのセラミックス粒子を５〜３０体積％分散させて成るＡｌ基複合材から構成されたブレーキディスクであって、前記Ａｌ基複合材の降伏強度が１５０ＭＰａ以上、かつ熱伝導率が１３０Ｗ／ｍＫ 以上であることを特徴とするブレーキディスクである。
【００１９】
本発明の好適態様では、上記Ａｌ基複合材は、下記式（１） 、（２） を満たすような組成であることが好ましい。
１．００≦ｆｎ１ ・・・・・（１）
ただし、
ｆｎ１＝√（１．７６９２−０．０９２３ ＷＦｅ−０．０３０８ＷＳｉ−０．０７６９ Ｗ Ｃｕ−０．１５３８ Ｗ Ｍｇ−０．００３８ Ｗ Ｃｒ−０．００３８ ＶＣ）
１．００≦ｆｎ２ ・・・・・（２）
ただし、
ｆｎ２＝√（０．２０００＋０．１３３３ ＷＦｅ＋０．０２６７ＷＳｉ＋０．４０００ＷＣｕ＋０．４０００ＷＭｇ＋０．２３３３ＷＣｒ＋０．０３３３ＶＣ）
ここで、 ＷＦｅ、 ＷＳｉ、 ＷＣｕ、 ＷＭｇ、 ＷＣｒは各成分の質量％を、 ＶＣ はセラミックス粒子の体積％をそれぞれ表す。
【００２０】
本発明の別の好適態様によれば、前記Ａｌ基複合材は伸び５％以上である。
本発明のさらに別の好適態様によれば、前記ブレーキディスクは、粉末の固化成型体に鍛造を行って製造したものである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明における含有成分の意義および限定理由について説明する。
本明細書において「％」は特にことわりがない限り「質量％」である。ただし、セラミックス粒子の配合割合は「体積％」で示す。
【００２２】
Ｆｅは合金の強度、特に高温での強度を高め、耐摩耗性を向上させる元素である。その含有量は０．５ 〜５．０ ％の範囲であり、０．５ ％未満では効果が十分ではなく、５．０ ％を越えると熱伝導率が低下する。好ましい下限は １．０％、好ましい上限は ３．０％である。
【００２３】
Ｓｉは、合金の耐摩耗性および耐焼付き性を高める元素である。その範囲は０．２ 〜３．０ ％であり、０．２ ％未満では効果が十分でなく、３．０ ％を越えると熱伝導率が低下するため耐焼付き性が低下し、また延性も低下するため繰返しブレーキによる耐き裂性が低下する。好ましくは ０．５〜２．５ ％である。
【００２４】
Ｃｕ、Ｍｇは両者を所定量含有させることで、時効処理による合金の強度向上の効果が得られる。ここに、時効処理とは熱処理の一種で一定温度で一定時間保持することにより合金を硬化させる処理のことである。それぞれの含有量はＣｕ：０．５ 〜３．０ ％、Ｍｇ：０．５ 〜２．０ ％であり、それぞれこの範囲未満では効果が十分ではなく、範囲を越えると熱伝導率が低下する。また、Ｃｕは過度に含有すると耐食性を低下させる。
【００２５】
Ｃｒは単体で合金の強度を向上させる働きがある。その含有量は、０．５ 〜３．０ ％の範囲であり、０．５ ％未満では効果が十分ではなく、３．０ ％を越えると熱伝導率を低下させる。好ましくは ０．５〜１．５ ％である。
【００２６】
セラミックス粒子は、ＳｉＣ 、ＡｌＮ 、Ａｌ２Ｏ３ 等が例示されるが、好ましくはＳｉＣ 粒子である。
ＳｉＣ粒子は、ビッカース硬さ５００ 以上を有するセラミックス粒子であり、これを添加することで、ディスク材およびブレーキライニングの摩耗を低減させることができる。また、ＳｉＣ の熱伝導率は１２０Ｗ／ｍＫ と高く、この粒子を添加することによってＡｌブレーキディスクの熱伝導率が大幅に低下することはない。
【００２７】
セラミックス粒子は平均粒径が１〜２０μｍであり、５ 〜３０体積％分散させる。平均粒径がこの範囲未満では十分な耐摩耗性を発揮できず、分散性も良くない。一方、この範囲を越えると機械加工性（切削性）が低下する。また、平均粒径は好ましくは５〜１５μｍ の範囲である。
【００２８】
配合量は体積％が上記範囲未満では十分な耐摩耗性を発揮できなく、範囲を越えると機械加工性（切削性）が低下する。好ましくは５〜２０体積％である。
以上のように本発明では、個々の成分について、上記のような考え方に基づいてそれぞれ範囲を限定した。
【００２９】
さらに本発明にあっては、上述のようにして構成されるＡｌ基複合材の降伏強度を１５０ＭＰａ以上、熱伝導率を１３０Ｗ／ｍＫ 以上に規定するが、これはＡｌブレーキディスクを構成したときに熱変形を抑制し、焼付き防止および摩耗量低減を実現させるためである。
【００３０】
本発明においては、さらに好ましくは上記Ａｌ基複合材の組成が前述の式（１） 、（２） を満足するように限定することで、確実に本発明の上記特性を達成できるようにする。
【００３１】
式（１） のｆｎ１ は、本発明のＡｌブレーキディスクの熱伝導率と各成分の関係を表す相関関数であり、種々のＡｌ合金、Ａｌ基複合材の熱伝導率と成分含有量の関係を重回帰分析して得たものである。
【００３２】
式（２） のｆｎ２ は、本発明のＡｌブレーキディスクの降伏強度（常温）と各成分の関係を表す相関関数であり、種々のＡｌ合金、Ａｌ基複合材の降伏強度と成分含有量の関係を重回帰分析して得たものである。なお、ｆｎ２ を求める際の降伏強度は時効処理によって硬化させたときの降伏強度を用いている。また、反り変形はディスクがブレーキング後冷却されたときに発生するので、常温での降伏強度の影響が大きいことから、ここでは常温の降伏強度を用いた。
【００３３】
ｆｎ１ 、ｆｎ２ は各成分の含有量が決まったときに熱伝導率および降伏強度がいくらになるかというのを求めるための関数である。例えば、式（１） ではＦｅの量を増やすとｆｎ１ の値は小さくなる。すなわち熱伝導率が低下し、式（２） ではＦｅの量を増やすとｆｎ２ の値は大きくなる。すなわち降伏強度が向上する。
【００３４】
このため、本発明の目標を達成するためにはｆｎ１ 、ｆｎ２ がある値を満たしている必要がある。
図３（ａ） に、Ａｌブレーキディスクの熱伝導率とｆｎ１ の関係を、図３（ｂ） にＡｌブレーキディスクの降伏強度とｆｎ２ の関係をそれぞれ示す。
【００３５】
耐焼付き性を確保するためには、熱伝導率は少なくとも１３０Ｗ／ｍＫ 以上が好ましく、そのためにはｆｎ１ は１．００以上が好ましい範囲である。またより好ましい熱伝導率の範囲は１５０Ｗ／ｍＫ 以上であり、そのためにはｆｎ１ は１．０８以上が好ましい。
【００３６】
Ａｌブレーキディスクの熱伝導率は純Ａｌの熱伝導率２３０Ｗ／ｍＫ を越えることができないので、必然的にｆｎ１ の上限は１．３３未満となる。
一方、反り変形を抑制するためには、後述するＦＥＭ（有限要素法）解析結果から降伏強度（常温）が１５０ＭＰａ以上必要であり、そのためにはｆｎ２ は１．００以上が好ましい。またここでは、時効処理による強度向上の効果を考慮しているが、Ａｌブレーキディスクを長期間使用すると過時効されて強度が低下する可能性がある。そのため、降伏強度は２００ＭＰａ以上あることがより好ましく、そのためにはｆｎ２ は１．１５以上が好ましい。なお、過時効とは初期に与えた時効処理より使用中などにおいてさらに必要以上に熱が加わった状態のことであり、強度の低下を招く恐れがある。
【００３７】
ｆｎ２ は大きすぎると必要以上に強度が高くなり延性が低下するので、１．５０未満であることが好ましい。
以上のようにｆｎ１ が１．０８以上、ｆｎ２ が１．１５以上という範囲を考慮すると、本発明におけるＡｌ基複合材の各成分は次のような範囲にあることがより好ましい。
【００３８】
すなわち、Ｆｅ：１．０ 〜２．２ ％、Ｓｉ：１．０ 〜２．２ ％、Ｃｕ：０．８ 〜１．２ ％、Ｍｇ：０．８ 〜１．２ ％、Ｃｒ：０．８ 〜１．２ ％、セラミックス粒子：５〜１５体積％である。セラミックス粒子としては、好ましくはＳｉＣ 粒子である。
【００３９】
ここで、本発明のＡｌブレーキディスクの製造方法について説明する。
本発明のＡｌブレーキディスクに用いるＡｌ基複合材は例えば公知の粉末冶金法により製造され、セラミックス粒子を均一に分散させる。
【００４０】
粉末冶金法によれば所定の組成を有するＡｌ合金粉末とセラミックス粒子、例えばＳｉＣ 粒子を所定の割合で配合し、十分に混合する。均一な混合状態を得るためには、Ａｌ合金粉未は微細であることが望ましく、通常１００ μｍ 以下の粉末が使用される。次いで混合粉末を容器（缶ともいう）に充填し、混合粉末を４００ 〜５００ ℃の温度に加熱しながら容器の内部を真空排気、あるいは不活性ガスで置換して、Ａｌ合金粉末およびセラミックス粒子の表面に吸着しているガスおよび水分を除去する脱ガス処理を行う。続いて、容器内に充填されている上記の混合粉末を容器とともにホットプレスすることにより固化成型し、混合粉末を９９％以上の緻密度にする。固化成型後、そのままあるいは適当な大きさに切断して鍛造を行い、その後、溶体化処理および時効処理を行い所望の降伏強度以上の強度を確保する。そして最後に機械加工（切削加工）を行いブレーキディスクに仕上げる。
【００４１】
【実施例】
本例では、種々のＡｌ基複合材を用いて高速鉄道用Ａｌブレーキディスク［直径７２０ｍｍ ×５０ｍｍ（最大厚み）］ を作製した。そこからＪＩＳ４号の丸棒引張り試験片を採取して引張り試験を実施し、降伏強度と伸びを測定した。さらに熱伝導率測定用試験片を別途採取し、熱伝導率を測定した。
【００４２】
このようにして得られたＡｌブレーキディスクはブレーキ試験に供して、反り変形、耐焼付き性および耐き裂性について評価した。ブレーキ試験は３００ｋｍ／ｈ からの非常ブレーキの条件で実施した。
【００４３】
ブレーキ試験での反り変形は図２に示すように、Ａｌブレーキディスクの最外周部の軸方向の変位量で評価し、ブレーキ１００ 回以内に１ｍｍ以上変位した場合を反り変形の発生とした。耐焼付き性の評価は、ブレーキ１００ 回以内にブレーキライニングがＡｌブレーキディスクに付着して離れなくなった場合を焼付きの発生とした。耐き裂性は、ブレーキ１００ 回以内にボルト孔などの応力集中部よりき裂が発生したかどうかで評価した。
【００４４】
表１に示すＮｏ．１〜４のＡｌブレーキディスクは粉末冶金法・鍛造により作製した。
すなわち、エアアトマイズ法によってＡｌ合金粉末を製造し、これを１００ μｍ以下に分級した。これとＳｉＣ 粒子を強制攪拌羽根付きクロスロータリーミキサーによって１５分間混合し、混合粉末を外径９０ｍｍ、高さ２００ｍｍ の容器に充填した後、４８０ ℃の温度で１時間真空脱ガス処理を施して封かんし、これを内径９０ｍｍの閉塞金型に装填し、４００ ℃の温度で、５００ｔｏｎの押圧力でホットプレス固化成型した。さらに、４００ ℃の温度で一軸の自由鍛造によって固化成型体の高さが１／ ２になるまで鍛練加工 （鍛練比２．０）を行い、試験体を作製した。
【００４５】
なお、Ｎｏ．１のＡｌブレーキディスクについては強度を上げるために、鍛造後に５２０ ℃で溶体化処理および１７０ ℃×１０ｈｒで時効処理をそれぞれ実施した。
ＳｉＣ 粒子は市販のものを使用したので、平均粒径は公称寸法を意味する。
【００４６】
表１に示すＮｏ．５のＡｌブレーキディスクは、公知のコンポキャスティング法によって製造した。すなわち、所定の成分のＡｌ合金が固液共存状態となるように温度を保持し、攪拌しながらＳｉＣ 粒子を添加、混合し、内径１５０ｍｍ 、深さ５０ｍｍの金型に鋳造した。続いて、その鋳塊を４００ ℃の温度で高さが４０ｍｍになるまで鍛練加工（鍛練比１．２５） を行い、試験体を作製した。
【００４７】
【表１】
表２に各種試験結果をまとめて示す。
本発明例のＮｏ．１は降伏強度が十分高いためブレーキ試験において反り変形が発生していない。熱伝導率も高い値を確保しているので焼付きも発生せず、延性 （伸び） も十分にあるためき裂の発生も無かった。
【００４９】
比較例のＮｏ．２はＦｅの含有量が多すぎるため、Ｎｏ．３はＭｇの含有量が多すぎるため、それぞれ高い熱伝導率が確保できずに焼付きが発生した。比較例のＮｏ．４はＭｇを含有していないため十分な強度を確保できず反り変形が発生した。比較例のＮｏ．５は鋳造で作製しているため伸びが小さく十分な延性が無いため、き裂が発生した。
【００５０】
【表２】
次に、本発明にかかるＡｌブレーキディスクに必要な降伏強度を明確にするとともに、その効果を確認するためＦＥＭ 解析を実施した。本解析では、Ａｌ基複合材の熱伝導率を１５０Ｗ／ｍＫ とし、上記のブレーキ試験と同じく高速鉄道車両用のＡｌブレーキディスクを対象として、３００ｋｍ／ｈ からの非常ブレーキの条件で実施した。
【００５２】
表３に、ＦＥＭ 解析に供試したＡｌブレーキディスクの物性値を、表４に機械的特性をそれぞれ示す。表４において常温での降伏強度を５０〜２５０ＭＰａとした。
図４に、ＦＥＭ 解析結果として、ブレーキ１回当りの反りの増加量とＡｌブレーキディスクの降伏強度の関係を示す。なお、図中の反り量は、降伏強度が１００（ＭＰａ）の場合を１として、無次元化している。図に示すように、本発明品である降伏強度が１５０（ＭＰａ）以上のＡｌブレーキディスクでは、反り変形が大きく低減できることが分かる。
【００５３】
【表３】
【表４】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、ＳｉＣ 粒子を分散させたＡｌ基複合材を使用することで、従来の鋳鉄や鍛鋼を用いたブレーキディスクに比べ、大幅に軽量化することができ、その結果、より高速での走行が可能となる。また、使用するＡｌ基複合材に適正な成分とその含有量を用いることで、高い熱伝導率を保持しながら十分な強度を確保することが可能となる。これにより、耐焼付き性および耐摩耗性を十分確保しながら、ブレーキングによる反り変形も抑制できる。さらに、鍛造により成型することで、延性を向上させることができ、耐き裂性も向上する。結果として長期間の使用に耐え得るＡｌブレーキディスクを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来型の鉄道車両用ブレーキディスクを示す図であり、図１（ａ） は、鉄道車両用ブレーキディスクの１／４を示す部分平面図、図１（ｂ） は、鉄道車両用ブレーキディスクの断面の１／２を示す部分断面図である。
【図２】鉄道車両用ブレーキディスクのブレーキングによる反り変形を模式的に表した部分断面図である。
【図３】図３（ａ） は、本発明のＡｌブレーキディスクの熱伝導率と相関関数ｆｎ１ の関係を表すグラフであり、図３（ｂ） は本発明のＡｌブレーキディスクの降伏強度 （常温） と相関関数ｆｎ２ の関係を表すグラフである。
【図４】Ａｌブレーキディスクのブレーキ１回当たりの反りの増加量と降伏強度の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１：ブレーキディスク ２：ディスク内周部
３：ディスク外周部 ４：ボルト孔
５：摺動面 ６：ブレーキライニング
Claims (4)
- 質量％で、
Ｆｅ：０．５ 〜５．０ ％、Ｓｉ：０．２ 〜３．０ ％、Ｃｕ：０．５ 〜３．０ ％、
Ｍｇ：０．５ 〜２．０ ％、およびＣｒ：０．５ 〜３．０ ％
を含有するＡｌ合金に、平均粒径が１〜２０μｍのセラミックス粒子を５〜３０体積％分散させて成るＡｌ基複合材から構成されたブレーキディスクであって、該Ａｌ基複合材の降伏強度が１５０ＭＰａ以上、かつ熱伝導率が１３０Ｗ／ｍＫ 以上であることを特徴とするブレーキディスク。 - 前記Ａｌ基複合材の組成が、下記式（１） 、（２） を満たす請求項１記載のブレーキディスク。
１．００≦ｆｎ１ ・・・・・（１）
ただし、
ｆｎ１＝√（１．７６９２−０．０９２３ ＷＦｅ−０．０３０８ＷＳｉ−０．０７６９ Ｗ Ｃｕ−０．１５３８ Ｗ Ｍｇ−０．００３８ Ｗ Ｃｒ−０．００３８ ＶＣ）
１．００≦ｆｎ２ ・・・・・（２）
ただし、
ｆｎ２＝√（０．２０００＋０．１３３３ ＷＦｅ＋０．０２６７ＷＳｉ＋０．４０００ＷＣｕ＋０．４０００ＷＭｇ＋０．２３３３ＷＣｒ＋０．０３３３ＶＣ）
ここに、 ＷＦｅ、 ＷＳｉ、 ＷＣｕ、 ＷＭｇ、 ＷＣｒは各成分の質量％を、 ＶＣ はセラミックス粒子の体積％をそれぞれ表す。 - 前記Ａｌ基複合材が、伸び５％以上であることを特徴とする請求項１または２に記載のブレーキディスク。
- 前記ブレキーキディスクが粉末の固化成型体に鍛造を行って製造したものであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のブレーキディスク。
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|---|---|---|---|---|
| CN106166610A (zh) * | 2016-06-27 | 2016-11-30 | 杭州桑拉科技有限公司 | 一种高铁制动用金属+陶瓷基闸片摩阻材料及其制备方法 |
| CN114087301A (zh) * | 2021-11-11 | 2022-02-25 | 湖南金天铝业高科技股份有限公司 | 热压整形制备制动盘过程中工艺参数的估算方法及估算系统 |
-
2002
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| CN114087301A (zh) * | 2021-11-11 | 2022-02-25 | 湖南金天铝业高科技股份有限公司 | 热压整形制备制动盘过程中工艺参数的估算方法及估算系统 |
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