JP3357949B2

JP3357949B2 - 高速鉄道車両用ブレーキディスク材料

Info

Publication number: JP3357949B2
Application number: JP18225589A
Authority: JP
Inventors: 太郎辻村; 修二真鍋; 晶渡部; 義裕菅井
Original assignee: Mitsubishi Aluminum Co Ltd; Railway Technical Research Institute
Current assignee: Mitsubishi Aluminum Co Ltd; Railway Technical Research Institute
Priority date: 1989-07-14
Filing date: 1989-07-14
Publication date: 2002-12-16
Anticipated expiration: 2017-12-16
Also published as: JPH0347945A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）この発明は、Al−Mg系合金の母相にセラミックス粉末
を分散含有させたアルミニウム複合体からなる高速鉄道
車両用ブレーキディスク材料に関する。

（従来の技術）従来、常用最高時速が100km/h前後である鉄道車両の
ディスクブレーキ方式に採用されているブレーキディス
ク材には、旧国鉄規格（JRS）号12209−１に基づく引張
強さが274MPa以上、硬さHBが183〜269のパーライト基地
片状黒鉛鋳鉄が使用されている。また、最高時速が220k
m/hに達するような高速鉄道車両に採用されているブレ
ーキディスク材には、JRS12209−２に基づく引張強さが
245MPa以上で、硬さHBが210〜280の低合金パーライト基
地片状黒鉛鋳鉄（Ni:1.0〜2.0重量％、Cr:0.3〜0.6重量
％、Mo:0.3〜0.5重量％、以下NCM鋳鉄と言う）が使用さ
れている。

前記NCM鋳鉄からなるブレーキディスク材の特色は、
常用停止ブレーキ時（ブレーキ初速度35km/h）と、非常
停止ブレーキ時（ブレーキ初速度220km/h）のいずれに
おいても規定を満足する制動力が得られるように、適切
な平均摩擦係数と安定した瞬間摩擦係数および低摩耗率
を有することであり、高頻度（常用停止ブレーキ時）ま
たは高負荷（非常停止ブレーキ時）の摩擦条件下におい
ても、ブレーキディスクの摺動面に発生する熱亀裂に対
する抵抗性の点で汎用のパーライト基地片状黒鉛鋳鉄に
勝っている。

NCM鋳鉄は、熱応力の吸収又は緩和部としての効果を
もつ組織内の黒鉛形状を大きくして数を増やし、一方、
それによる強度低下をNi、Cr、Moの合金化による基地組
織の強化によって補ったものであり、強度的にはJIS F
C25級の鋳鉄と同等であるが、熱伝導性が良好で、熱負
荷による機械的損傷に対して優れた材料である。

そこで特許出願人は、先にアルニウム金属母相にセラ
ミックス粒子を１〜７重量％混入分散させたブレーキデ
ィスク材料について提案した（特願昭63−176697号）。

（発明が解決しようとする課題）ところで、近年、鉄道車両で最高時速240km/hが実現
し、更に高速化が指向されている現状では、前記出願人
提案のブレーキディスク材料で十分対応できたけれど
も、更に高速（例えば250km/h以上）になると、前記新
提案の発明では不十分のことが判明した。すなわち緊急
時に、このような高速車両のブレーキディスク材料に高
負荷のブレーキがかけられた場合、摺動面の焼付を生じ
る問題点があった。

このように鉄道車両のより高速化が指向されている状
況において、これに使用されるブレーキディスク材とし
ては、摩擦摩耗特性、材料強度および耐熱損傷性が均衡
していることが必要とされる。そこで前記で提案された
アルミニウム合金を鉄道車両のブレーキディスク材料に
使用しても、ディスクの摩耗が大きいのみならず、焼付
きなどにより相手材であるパッド材も消耗するなどの問
題点が生ずる。

（課題を解決する為の手段）前記課題を解決するため、この発明の鉄道車両用ブレ
ーキディスク材は、Al−Mg系合金の母相に、粒径が５〜
100μｍの強化粒子が７を超え〜25重量％の範囲内で分
散していることを特徴とするものである。

このAl−Mg系合金の母相中に分散される強化粒子とし
ては、Al₂O₃、SiC、マイカなどのセラミック粒子を例示
することができ、硬質の微細粒子を用いる。また、強化
粒子の粒径は５〜100μｍの範囲内とする。この粒径の
限定理由は、粒径が、５μｍ未満では、ブレーキディス
ク材として十分な耐摩耗性が得られず、また100μｍを
越えると、切削性や靭性が低下するからである。

また前記粒子の分散量は、７重量％以下では前記と同
様にブレーキディスク材として十分な耐摩耗性が得られ
ず、25重量％を越えると切削性や靭性が著しく低下する
ので、前記範囲に定めるが、高速車両としては15〜25重
量％が好ましい。前記粒子の分散量は、15重量％を越え
ると、切削性や靭性が低下する傾向にあるけれども、高
速車両（250km/h以上）のブレーキディスク材として
は、より耐摩耗性の大きい15〜25重量％が好ましい。

なお、強化粒子は、Al−Mg系合金の母相中に均一に分
散させるのが望ましいが、所望により特定部位に偏在さ
せることも可能である。

鉄道車両用のブレーキディスク材の摩擦摩耗特性の優
劣は、ブレーキ時における摩擦係数の適正値とその安定
性、およびディスクと相手材の耐摩耗性によって評価さ
れる。鉄道車両のブレーキ力の限界は車輪とレール間の
摩擦力（粘着力）によって左右される。ブレーキ力が車
輪とレールの間の粘着力を越えると、車輪が停止したま
まレールの上を滑るので、車輪踏面がレールによって削
られ、この傷のために輪軸の振動が大きくなり乗り心地
がきわめて悪くなる。したがってブレーキ力の上限はこ
の粘着力で抑えられる。鉄道車両の場合、この粘着力は
車輪とレールの間の金属同士の摩擦によって決定される
ため、ゴムタイヤを用いた自動車の場合に比べ著しく小
さい。したがって、鉄道車両用のブレーキは自動車用の
場合と比べ、ディスクへのライニングの押し付け圧力が
低く、停止までの時間が長く、0.25〜0.3の比較的低い
摩擦係数で高速から低速までの摩擦係数が安定している
ことが必要である。

セラミックス粒子を1wt％以上添加することにより、
極めて高い耐摩耗性が得られると同時に適正な摩擦係数
を得ることができ、ブレーキディスク材料としての使用
が可能である。しかし、車両速度が250km/h以上の高速
になったり、ディスク攻撃性の強いライニングを使用し
たり、車両重量が大きく慣性力が高かったり、さらには
ディスクに対するライニング材料の面積割合を多くする
ことなどによりディスク材料の表面温度はAlの融点近く
まで上昇し、そのことによりディスクとライニングの焼
付きが生じやすくなる。焼付きが生じるとライニング側
に凝着したディスク材料の凝着粉が飛散したり、焼付き
時の摩擦係数が高くなったりしてブレーキ材料としての
性能が低下してしまう。セラミックス粒子を分散させる
と耐焼付き性が向上するため、前記の様な現象を低減さ
せることができ、その程度は分散量が多いほど良好であ
る。

しかし、実際のディスク材料の製造を考慮すると、セ
ラミックス粒子の分散量が多くなるほど鋳造、鍛造、切
削加工などの二次加工性や靭性が悪くなる。したがって
車両速度が比較的低速であったり、ディスク攻撃性の弱
いライニングを使用したり、慣性重量が小さかったりし
た場合はセラミックス粒子の添加量を１〜7wt％とする
のが好ましい。一方、車両速度が高速であったり、ディ
スク攻撃性の強いライニングを使用したり、慣性重量が
大きかったりした場合は、ディスクの温度が上昇し、焼
付き現象が生じやすいため、さらに分散粒子の量を増加
させるのが好ましい。その上限については前記のとおり
二次加工性や靭性によって規制される。二次加工性につ
いては加工条件や切削工具の材質を適正なものを選定す
ることにより、また靭性についてはディスクを車輪に抱
かせるなどの設計面での改良を加えることが可能ではあ
るが、25wt％を越えるとこれらの特性が著しく悪くな
る。

（作用）一般にアルニウム合金は摩耗に対する抵抗性は低いも
のとされているが、硬質の強化粒子をAl−Mg系合金の母
相に均一に添加分散することによって極めて高い耐摩耗
性が得られる。またブレーキディスクの高速回転による
遠心力およびブレーキ時の熱負荷によって発生する熱応
力に対しては、これらを保障するに足りる十分な強度が
ブレーキディスク材に要求されるが、この強化粒子分散
型Al−Mg系合金はNCM鋳鉄に比べて高強度で熱伝導性に
優れている。すなわち、高頻度（常用停止ブレーキ時）
または高負荷（非常停止ブレーキ時）の摩擦条件下にお
いて、ブレーキディスクの摺動面に発生する熱亀裂に対
する抵抗性の点でも優れた特性を有している。そして、
鋳鉄の比重7.2〜7.3に比べてAl−Mg系合金の比重2.7は
約1/3と小さく、高速車両に必要不可欠な条件である軽
量化を材料面で著しく改善することが出来る。

この発明のブレーキディスク材料が発揮する作用は、
従来、ブレーキディスク材料として使用されている鉄系
の材料では得ることは困難である。

（実施例） 5083アルミニウム合金（JIS H4000）をマトリックス
として、コンポキャスティング法によりSiC粒子を分散
混合させてアルミニウム複合材料を得た。なお、SiCは
粒径10〜30μｍ程度とした前記複合材料としてはSiC粒
子を3wt％、8wt％、15wt％、20wt％、25wt％分散させた
ものをそれぞれ製造した。得られた複合材料は、定速型
摩耗試験を実施して、車両用ブレーキディスク材として
の摩擦摩耗特性を確認した。

具体的には、複合材料を供試材として、直径565mm、
厚さ30mmディスクとした。一方、摩擦相手材としては鍛
鋼用の銅系焼結合金ライニングを用いた。ライニングの
摩擦面は30×30mmとした。

試験条件は摩擦速度を70m/sとし、ライニング押付力
を0.5MPa、１回の連続摩擦時間を360秒×25回と長くし
て、温度を上昇させる条件とした。

また、測定項目は平均摩擦係数、ディスクとライニン
グの摩耗率とし、凝着粉の飛散程度についても観察し
た。その結果を表１に示す。

表１に示すように摩擦時間を多くして、ディスクに与
える負荷を大きくすると比較的粒子の分散量の少ないも
のは焼き付き現象を起こして平均摩擦係数が高くなった
り、ディスクやライニングの摩耗が多くなり凝着粉が飛
散する。これに対して、分散粒子を多くすることによ
り、摩擦係数が低く安定し、ディスクやライニングの摩
耗が少なくなる。

（発明の効果）この発明によれば、Al−Mg系合金の母相に、粒径が５
〜100μｍの強化粒子を15重量％〜25重量％までの範囲
内で分散させたので、得られた粒子分散型Al−Mg系合金
は、従来のNCM鋳鉄と比較して、軽量かつ高強度で熱伝
導性に優れており極めて高い耐摩耗性を示し、摩擦摩耗
特性もほぼ同等の値を有することが確認された。したが
って高速車両用ブレーキディスク材として有効な特性を
もつものである。

また、車両が250km/h以上の高速になると、ディスク
とライニングの焼付けが生じ易いが、粒子量を15重量％
〜25重量％までに増大させることにより、前記焼付けを
防止することができる効果がある。

フロントページの続き (72)発明者真鍋修二東京都国分寺市光町２丁目８番地38 財団法人鉄道総合技術研究所内 (72)発明者渡部晶静岡県裾野市稲荷82番地の１ (72)発明者菅井義裕静岡県裾野市稲荷82番地の１ (56)参考文献特開昭63−199839（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−124244（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−173234（ＪＰ，Ａ) 「鉄道総研報告」第２巻，第７号，財団法人研友社（昭和63年７月20日発行) ｐ51〜58

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】Al−Mg系合金の母相に粒径５〜100μｍの
セラミックス粒子を15重量％〜25重量％分散含有したア
ルミニウム複合体からなることを特徴とする250km/h以
上の高速鉄道車両用ブレーキディスク材料。
【請求項２】Al−Mg系合金の母相に分散させるセラミッ
クス粒子をアルミナ（Al₂O₃）又は炭化珪素（SiC）の単
独又は複合としたことを特徴とする請求項１記載の高速
鉄道車両用ブレーキディスク材料。