JP3003844B2 - 耐熱亀裂性に優れたブレーキディスク材 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は特に鉄道車両用ブレ
ーキディスク材の改善に係る。

【０００２】

【従来の技術】周知の通り鋳鉄は古くから耐摩耗性が他
の金属材料に比べて優れていることに着目され、他の部
材との摺動面となる部材として広く使用されている。耐
摩耗性の優れている主な理由は、乾態摩耗の条件下では
含まれる黒鉛が剥離して摺動面で潤滑作用を行なうこ
と、また、潤滑油の存在する条件下では剥離した黒鉛の
跡が油溜まりとなって潤滑油の枯渇を防止することであ
る。さらに剥離した黒鉛の跡が摩耗初期の掻きむしり作
用で発生した金属微粉が嵌入できる凹所となることや、
比較的弾性係数が低いので相手材料の表面と馴染みやす
いことも理由の一つに数えられている。何れにしても鋳
鉄の組織上の特徴である黒鉛の存在を活かして激しい摩
耗に直面する摺動面、たとえば、シリンダ、ピストン、
ピストンリング、チルドロール、ブレーキシュー、ブレ
ーキディスクなど多くの設備や製品に鋳鉄が適用されて
いる。

【０００３】しかし、その用途が広がって、製品とし
て、または設備としての耐性が一段と強く求められるに
つれて、鋳鉄の特徴を活かしながらもその使用条件に一
層マッチングした材質が研究され開発されるのは当然の
経緯である。冶金的な材質改善は、ほとんどの場合、種
々の添加成分を組合わせて試料を溶製し、実体に近い固
有の使用条件に置いたときの試験成績を在来品と比較す
ることによって良否を検知するのが通常の手法であり、
ニーズに誘発されて進められた多数の材質改善が公知技
術として既に報告されている。

【０００４】たとえば、特公昭５３−１３５７１号公報
ではエンジンのバルブシートリング用材として重量％で
Ｃ：１．０〜３．０，Ｓｉ：１．０〜３．０，Ｍｎ：
０．５〜１．５，Ｃｒ：０．２〜２．０，Ｎｉ：１．０
〜３．０，Ｍｏ：０．５〜５．０，Ｃｏ：１．０〜１
５．０の添加成分を含み、かつ、Ｃｒ／Ｃの比率が０．
２〜１．０の範囲を満足する合金鋳鉄によって、クロー
ム炭化物を黒鉛と共に積極的に析出してバルブシート材
の用途に最も適した性質、すなわち、高温下における耐
摩耗性に優れた材料に到達している。

【０００５】特公昭５５−３００６号公報では、ニッケ
ル・シリコンカーバイドによる複合鍍金被覆材と鋳鉄と
の組合わせで摺動面を形成する場合（内燃機関のシリン
ダおよびピストンリングなど）における鋳鉄材として、
Ｃ％：１．０〜３．５，Ｓｉ％：０．５〜３．０，Ｍｎ
％：０．１〜１．５，Ｃｒ％：０．１〜２．０，Ｃｏ
％：１．０〜１５．０，Ｍｏ％：０．５〜１０．０，Ｎ
ｉ％：０．１〜５．０，Ｎｂ％：０．０５〜２．０，Ｂ
％：０．００１〜０．１の合金組成を提示している。こ
の場合は摺動部材表面からの鱗状剥落（スカーフィン
グ）や溶着を改善したものであって、電解複合鍍金によ
ってニッケル・シリコンカーバイドを突出させて油溜ま
りを形成した相手材の摺動面と組み合わせた耐摩耗性を
改善したことを特徴とする。

【０００６】特開昭６４−１１９４１号公報では、特に
内燃機関のロッカーアーム用の素材としてＣ％：２〜
４，Ｃｒ％：１０〜２５，Ｍｏ％：１〜１０，Ｓｉ％：
０．１〜２，Ｍｎ％：０．１〜２，Ｃｏ％：０．１〜
２，Ｗ％：０．１〜２，Ｎｉ％０．１〜３の合金組成を
示し、高強度、高靱性で、耐摩耗性にも優れて前記用役
に特に好適な材料を開発したと謳っている。この材料の
他、特開昭５９−２３８４６号公報、特開昭６３−２８
８４３号公報など基地が白銑組織であり、Ｎｉ，Ｃｏ，
Ｍｏなどの添加によって耐ヒートショックを改善した例
は多い。

【０００７】一方、特開昭５９−２３８４６号公報の従
来技術においては、熱間、冷間圧延用に提供されるチル
ドロールの外層材に限定して、重量％でＣ：２．９〜
４．０，Ｓｉ：０．２〜２．０，Ｍｎ：１．５以下，Ｎ
ｉ：３．０以下，Ｃｒ：０．５〜１８，Ｍｏ：０．１〜
６．０，Ｗ：２．０〜１０．０，Ｖ：０．２〜３．０，
Ｃｏ：０．２〜５．０，Ｐ：０．２以下，Ｓ：０．１以
下の成分を含んだ耐クラック性と耐摩耗性に優れた合金
チルドロール材を提起し、従来のチルドロール材に比べ
て微細な熱クラックによる欠け落ちに起因する肌荒れ、
異常摩耗を防ぎ、耐用限度を大幅に向上したと謳ってい
る。以上は多くの従来技術から適宜ピックアップした摺
動用鋳鉄材の改善の数例に過ぎないが、何れも現在の研
究開発の水準は、同じ摺動材としての合金鋳鉄の中で
も、多岐に亘る用役のそれぞれの摺動条件に対し、最も
マッチングした素材を特に選定する方向にあると総括で
きる。

【０００８】鉄道車両用のブレーキディスク材に限って
調査してみると、この分野においても従来から意欲的な
研究開発が継続されているが、現状では旧国鉄規格・Ｊ
ＲＳ・１２２０９−１号に基づく普通鋳鉄（以下ＦＣ２
８０という）や、同・ＪＲＳ・１２２０９−２号に基づ
くＮｉ，Ｃｒ，Ｍｏを添加した低合金鋳鉄（以下ＮＣＭ
鋳鉄という）が開発適用され、制動時に適切で安定した
摩擦係数と低摩耗性が評価された上、経済的にも他の耐
摩耗性材料を遥かに凌駕しているため、広く、長く実用
に供されてきた。

【０００９】その中でもＮＣＭ鋳鉄は東海道新幹線の発
足当初から全ての車両に独占的に採用され、長い期間に
亘って一切の事故原因から無縁の存在として絶対的な信
頼を寄せられてきた。この材料は組織内の片状黒鉛を大
きくして制動時の熱応力を吸収し、または緩和する鋳鉄
本来の卓抜した耐摩耗性を強化し、一方、黒鉛成長に伴
う材料強度の低下を適量のＮｉ，Ｃｒ，Ｍｏの添加によ
って基地組織を強化して補うという複合的な機能を具え
ているので、鉄道用車両の制動という特殊な条件の下で
は比類ない好成績を記録し続けてきたのである。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、近年、
鉄道用車両は高速化と乗り心地の向上が一層強く指向さ
れるようになり、各種構造上の改善だけでなくブレーキ
操作についても常用、または非常用の停止ブレーキだけ
ではなく、走行安定化のためにブレーキ操作を多用する
運転方法が導入されるようになり、ブレーキディスクの
摺動面における熱負荷が従来よりも格段に増大し、苛酷
な使用条件の結果として熱亀裂の早期発生とその成長が
著しく、ＦＣ２８０のみならず従来はきわめて安定した
評価を受けていたＮＣＭ鋳鉄ですらその耐用期間が短縮
して課題の一つとして浮上するに至った。

【００１１】ブレーキディスクの耐用期間は、摺動面の
摩耗自体による肉厚減少よりも熱亀裂の進行による欠落
がより重要視され、走行距離の増大と共に進展する熱亀
裂の伸長の割合が耐用期間の決定的要素となる。熱亀裂
の発生原因は車両の制動時の熱負荷が繰り返し作用した
熱疲労であると考えられるから、材質的に高強度、高靱
性の材料に置き換えて熱亀裂に対する耐性をレベルアッ
プしようとする発想が多く見られる。たとえば鋳鉄系で
あれば黒鉛形状を太く短い芋虫状に析出させたバーミキ
ュラー鋳鉄や、Ｎｉ，Ｃｕ，Ｍｏなどの合金成分を添加
した特殊鋳鉄、あるいは適正な型バラシ温度や熱処理に
よって基地を調質したベイナイト鋳鉄などが試行されて
いる。しかしながら、基地の強化や黒鉛形状の調整は鉄
道用車両のブレーキとして本来鋳鉄が具えている適性を
むしろ損う危険性も高く、その割りには熱亀裂発生の抑
止に必ずしも明確な好結果に繋がった報告にも接してい
ないので課題が解決したとは考え難い。

【００１２】長い期間中、摺動材として適性を誇ってき
た鋳鉄系に替え、強度、靱性を重視した鋼材をベースと
するブレーキディスクも開発され、幹線の高速化に対応
する熱亀裂抑止の一つの答も出されている。たとえば鍛
鋼製のブレーキディスクが登場して最近の高速車両に採
用されているが、確かに熱亀裂の抑止に対しては従来の
鋳鉄材に比べて大幅な改善が認められ、その意味での課
題解決には大いに貢献したことは事実であるが、一面、
鋼製摺動材の本質的な欠点としてブレーキ中の摩擦係数
の不安定化や、使用に伴う累積永久変形が鋳鉄よりも遥
かに大きく、従来の鋳鉄材とは異なる新たな課題に直面
していることは否定し難い。このことは鋼材を摺動材と
して適用する場合の根本的な適性に係り、その解決はき
わめて困難である。また、鍛造品であるために鋳造製の
従来品に比べると当然経済的な負担も大きくなり、消耗
後の取り替えを繰り返すブレーキディスク材としては、
無視し難い不利な要因であることは言うまでもない。

【００１３】本発明は以上の課題を解決するために、敢
えて原点に戻り鋳鉄材をベースとしながらも、鉄道車両
の高速化に伴って激化する熱亀裂によく耐え、しかも鋳
鉄材特有のブレーキ特性を損うことなく堅持する耐熱亀
裂性に優れたブレーキディスクの提供を目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明に係るブレーキデ
ィスク材は、重量％にしてＣ：３．３０〜４．００，Ｓ
ｉ：１．３０〜２．５０，Ｍｎ：０．５０〜１．２０，
Ｎｉ：１．２０〜３．００，Ｃｏ：０．８０〜３．２
０，Ｃｒ：０．２０〜０．７０，Ｍｏ：０．２０〜０．
８０をそれぞれ含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物
の成分よりなり、最終の顕微鏡組織においてフェライト
または炭化物、もしくは両者の合計が何れも５％を超え
ないことにより、特に鉄道車両用のブレーキ起動時の熱
衝撃を対象とする耐熱亀裂性に優れることを特徴とす
る。

【００１５】本発明のブレーキディスク材は従来から一
定の評価を受けているＮＣＭ鋳鉄材をベースとし、特に
適量のＣｏを添加したことに特徴がある。Ｃｏは周期率
表でＮｉと同族であり黒鉛化を僅かながら促進し、か
つ、焼入性を劣化させるという合金特性を具えているか
ら、従来技術のＮＣＭ鋳鉄材に添加しても本来の優れた
ブレーキ特性を阻害する虞れが皆無である。しかも、耐
熱亀裂性については鉄道車両のブレーキ起動時に生じる
独特の激しい熱衝撃に耐えて熱亀裂の発生を最小限に抑
え、一旦、熱亀裂の発生した摺動面に継続的な熱衝撃が
繰り返し加えられても、熱疲労に対する耐性が強くて早
期の進行を食い止め、従来よりも緩慢な割れの伸長に抑
制するので前記の課題を解決する。

【００１６】ブレーキディスク材の基地は従来からＮＣ
Ｍ鋳鉄材固有のベイナイト組織に多量の片状黒鉛が析出
して摺動時の耐摩耗性と潤滑作用を同時に並立する面を
形成する共に、軟弱に失するフェライト相、または過大
な硬度がブレーキ特性を劣化する炭化物の析出、もしく
は両者の合計を全面の５％以内に限定しているから、鉄
道車両用のブレーキディスクとして求められる所望の耐
摩耗性を低下させる要素を取り除き、摺動摩耗の点から
も高速化に耐えて、なお、一定の耐用期間の維持を保証
することができる。

【００１７】成分の上限、下限の特定理由は冶金的な試
料実験の確認した結果に基づく。Ｃは重量％が３．３０
以下の場合はブレーキディスクの放熱用の放射状に突設
した多数のフィンなどの薄肉部がチル化しやすく、変形
抵抗の低下や耐熱亀裂性が悪くなる。一方、重量％４．
００を越えると、黒鉛が粗大化し過ぎると共に増加し過
ぎて強度を低下させ、ブレーキディスク材としての機構
上好ましくない影響を与える。ＳｉもＣと同様の挙動を
示し、含有量が重量％１．３０未満のときはチル化しや
すく、変形抵抗の低下や耐熱亀裂性が悪くなり、逆に重
量％２．５を越えると黒鉛が粗大化および過量となって
強度を低下させる。Ｍｎは重量％が０．５以下のときは
溶湯の脱硫、脱酸が不十分となり、１．２０％を越える
とチル化の傾向を示して耐熱亀裂性、耐熱歪み性が悪化
するようになる。

【００１８】Ｎｉは重量％が１．２０未満のときは基地
組織のパーライトが粗大化して強度低下を来し、逆に重
量％３．００を越えると基地組織がマルテンサイト化し
やすくなり耐熱亀裂性が悪化する。Ｃｏが重量％０．８
０未満の場合には、本発明の主な目的である耐熱亀裂性
の改善効果が認められず、逆に３．２０％を越えると耐
熱亀裂性の改善効果が鈍化するので経済的な観点から効
果の限界と認めて設定した。Ｃｒはパーライト相を微細
化し高温強度の維持に効果があるが、炭化物形成能が高
いので重量％が０．７０を越えると耐熱亀裂性を悪化す
る作用が現われる。Ｍｏはパーライト相の微細化による
高温強度向上の他に、少量添加であっても熱伝導性の増
加に繋がるが、重量％０．８を越えると黒鉛化を阻害
し、かつ、炭化物を形成するために目的とする耐熱亀裂
性が劣化する悪影響が現われる。以上のように従来から
鉄道車両用のブレーキディスク材として定評の高かった
ＮＣＭ鋳鉄のブレーキ特性を１００％守りつつも、車両
用ブレーキ起動時の独特の激しい熱衝撃に耐える成分配
合と顕微鏡組織とを特定することによって従来技術の抱
える課題を解決したのである。

【００１９】

【発明の実施の形態】鉄道車両用のブレーキディスクと
しての適性を判定する作業では、最終的に調質した円柱
試験片に対して繰り返し熱衝撃を加え、熱疲労を測定す
るシュミレート化した試験が最も実車へ装着した試験に
近い評価が得られる。詳しくは溶製した各種成分の試験
片を直径２５ｍｍ×高さ２５ｍｍに仕上げた円柱表面を
高周波誘導加熱によって急熱し、試験片表面が最高加熱
温度に達した後、直ちに水シャワーで急冷するもので、
ブレーキディスク材の熱疲労を加速シミュレートした試
験として学界、業界でも承認されている方式である。今
回の試験に当っては昇温１５秒で最高加熱温度７８０
℃、繰り返し回数３００回に定め、最も急水冷を受ける
円柱頂面に生じる熱亀裂の発生状態を累積比較した。

【００２０】材質としては従来のＮＣＭ鋳鉄をベースと
してＣｏ，Ｎｉを適宜組み替えて配合し、主として両成
分の相乗的な有効性を調査し、有効と認められる成分範
囲を特定し本発明の実施の形態とした。また、比較のた
めに従来技術の材料から最も多用されてきたＦＣ２８０
材、ＮＣＭ鋳鉄、および本発明の限定範囲から外れる材
料も同一形状で作成し、同一条件で試験を行なった。表
１はこの有効性確認試験に供した本発明材と比較材の化
学成分の一覧表である。

【００２１】

【表１】

【００２２】発明材は主としてＣｏの添加量を変えて耐
熱亀裂性に及ぼす有効性を検知し、その結果に基づいて
Ｃｏ値の上限、下限を限定する根拠が得られた。他の成
分については要素の組み合わせが複雑化するので大きな
変動は採らなかったが、比較材３は本発明材のＮｉとＣ
ｏ値の下限を切った材料で耐熱亀裂性との関係に注目し
た試験片である。また比較材４はＣｒが本発明の特定す
る範囲を越えており、図２に示すように炭化物Ｃが顕微
鏡的に５％を越えている試験片である（Ｂ：ベイナイト
基地，Ｇ：黒鉛）。各試験片の繰り返し熱衝撃試験の結
果を纏めたものが表２であり、熱衝撃繰り返し回数を１
００回単位毎に区切って、試験面に発生した熱亀裂のう
ち、長い亀裂から順に１０本選び出して測定し、集計し
た数値をそれぞれ記録している。表２を図形的に表わし
たものが図１であり、縦軸が熱亀裂長さの集計した値、
横軸には熱衝撃の繰り返し回数をプロットして各試験片
毎に結んで傾向を明示したものである。

【００２３】

【表２】

【００２４】Ｃｏ添加量が本発明の下限を切る比較材３
は、現用のＦＣ２８０材（比較材１）の耐熱亀裂性には
勝るものの現用のＮＣＭ鋳鉄材と同等であり添加に伴う
有効性は認められなかった。また、炭化物が組織内で５
％を越える比較材４についてもむしろ現用のＮＣＭ鋳鉄
に届かない耐熱亀裂性しか記録できず、改善効果は認め
られなかった。これに反して本発明材は３点共に熱衝撃
繰り返し数の少ない時点から亀裂長さがＮＣＭ鋳鉄材を
下回り、かつ、熱衝撃回数が増加しても亀裂の進度は鈍
くて比較材との差が広がる傾向を明瞭に示し、Ｃｏ添加
とその量的な限定を加えた本発明の実施の形態が課題解
決と整合することを証明した。

【００２５】

【実施例】前記の確認試験によって本発明材の熱衝撃に
対する熱亀裂の発生と進度の抑止に見るべき有効性が立
証されたが、実車におけるブレーキディスクとしてのブ
レーキ特性を確認しておく必要がある。実施例として重
量％にしてＣ：３．７４，Ｓｉ：１．４３，Ｍｎ：０．
６２，Ｎｉ：２．１１，Ｃｏ：２．０１，Ｃｒ：０．３
２，Ｍｏ：０．６１の成分で在来線用のブレーキディス
クを溶製し、実車両での走行を想定して厚肉２０ｍｍと
摩耗後取り替えの限界肉厚１０ｍｍの２種類の試験品に
対してベンチテスト（１７回ランダム試験、試験最高初
速度１３５ｋｍ／ｈｒ）を実施してブレーキ特性の変化
を調査した。その結果、現用ノンアスベスト系ライニン
グ材２種に対し、平均摩擦係数ｆｍｓ，ｆｍｔ共に何れ
も低速から高速まで現用ＮＣＭ鋳鉄材と変ることがな
く、定評の高いブレーキ制動性はそのまま高い水準で保
持されていることが確認された。

【００２６】

【発明の効果】本発明に係るブレーキディスク材は鉄道
車両用に限るならば、鋳鉄材が本質的に具有している高
い耐摩耗性をそのまま受け継ぎながらも、従来は鉄道幹
線の高速化に追随するにはやや不足勝ちとされてきた評
価を改めて覆し、特に初速からの制動時に発生する強烈
な熱衝撃に対し、従来技術では実現できなかった１ラン
ク優れた耐性を具えることが確認され、熱亀裂の進行に
伴う耐用年数の短縮防止に大きな効果をもたらすことが
できる。このことは製品化すれば経済的な利点が大き
く、材力、特に強度、靱性の強化によって熱衝撃を躱わ
そうとする鋼製材の開発が主体となっている現行の技術
動向に新たな転換を迫るものであり、近年の鉄道車両の
課題を解決する有力な後継候補としての資質を立証した
材料と言える。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の確認試験の結果を図表で示したもので
ある。

【図２】本発明の限定から外れた金属組織の一例を１０
０倍に拡大した顕微鏡写真で示したものである。

【符号の説明】

Ｂ：ベイナイト（基地） Ｇ：片状黒鉛 Ｃ：炭化物（セメンタイト）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平７−278761（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−215737（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−138812（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C22C 37/00

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量％にしてＣ：３．３０〜４．００，
   Ｓｉ：１．３０〜２．５０，Ｍｎ：０．５０〜１．２
   ０，Ｎｉ：１．２０〜３．００，Ｃｏ：０．８０〜３．
   ２０，Ｃｒ：０．２０〜０．７０，Ｍｏ：０．２０〜
   ０．８０をそれぞれ含み、残部がＦｅおよび不可避的不
   純物の成分よりなり、最終の顕微鏡組織においてフェラ
   イトまたは炭化物、もしくは両者の合計が何れも５％を
   超えないことにより、特に鉄道車両用のブレーキ起動時
   の熱衝撃を対象とする耐熱亀裂性に優れたブレーキディ
   スク材。