JP4781717B2 - 鉄道車両用ブレーキディスクの製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、新幹線等の高速鉄道車両の制動装置を構成する鉄道車両用ブレーキディスクに於いて、軽量で且つ高靱性を有し、しかも優れた耐摩擦特性、耐熱性、耐亀裂性を有する、アルミニウム合金製の部分とアルミニウム合金基複合材料製の部分とから成る鉄道車両用ブレーキディスクの製造方法の改良に関する。

新幹線等の高速鉄道車両には、通常、電気式と機械式との制動装置が使用されており、機械式としてはディスクブレーキが多く使用されている。この様にディスクブレーキを使用する高速鉄道車両で、高速から制動する場合には、通常、先ず、電気式の制動装置が作動し、所定の速度まで減速した後にディスクブレーキが作動して車両を停止させる。又、走行時に地震等、緊急事態が発生した場合には、高速走行中でもディスクブレーキが作動する場合がある。

この様なディスクブレーキとして、従来から、鉄道車両用車輪の両側に一対のブレーキディスクを結合して成る一体型のブレーキディスク付車輪を使用する事が考えられている。この様なブレーキディスク付車輪は、鉄道車両用車輪の複数個所に形成した第一の取付孔と、各ブレーキディスクの一部でこれら各第一の取付孔に整合する複数個所に形成した第二の取付孔とに挿通したボルトとナットとを螺合し、更に緊締する事により、上記鉄道車両用車輪とブレーキディスクとを一体に結合している。

この様なブレーキディスク付車輪の場合、制動に伴う各ブレーキディスクと摩擦材との摩擦に伴う発熱により、各ブレーキディスクが大きく温度上昇する。しかも、鉄道車両用の制動装置の作動時間は長く、且つ、作動時の摩擦材とブレーキディスクとの摩擦に基づく、単位時間当たりの発熱量も多い。この為、上記ブレーキディスクには、大きな応力（特に熱応力）が発生する。

即ち、異議２００２−７３１６３号の異議の決定の謄本に記載され、従来から知られている様に、鉄道車両用のディスクブレーキの場合、制動力の上限となる摩擦力（粘着力）は鉄道車両用車輪とレールとの金属同士の摩擦によって決定される為、ゴム製のタイヤを使用する自動車用の場合と異なり、この摩擦の上限が著しく小さくなる。この為、ブレーキディスクの摩擦材への押し付け圧力を特に高くする事は困難である。又、通常２４０km/h以上（場合によっては３００km/h）の高速を制動初速度とする事を前提とする鉄道車両用ブレーキディスクの場合には、これよりも遥かに低い速度を制動初速度とする自動車用の場合とは異なり、停止までの時間が長く、比較的低い摩擦係数で高速から低速まで安定している事が必要になる。従って、鉄道車両用ブレーキディスクの場合には、自動車用の場合とは異なる摩擦性能を有する事が求められる。又、鉄道車両用ブレーキディスクは、自動車用のブレーキディスクの場合に比べて、径方向のサイズが著しく大きい。この様な鉄道車両用ブレーキディスクの場合には、高速からの制動により高負荷が加わる事と相俟って、制動に伴う大きな応力（特に熱応力）が発生する。

特に、鉄道車両用ブレーキディスクの場合、鉄道車両がより高速化し、制動時にブレーキディスクに加わる応力がより大きくなった場合には、制動時に摩擦材と摩擦し合う外径側半部が著しく温度上昇するのに対し、この摩擦材と摩擦せず、しかも低温の鉄道車両用車輪に当接している内径側半部の温度上昇は限られたものとなる。この結果、上記ブレーキディスクの内径側と外径側との間で大きな温度差を生じ、外径側が膨張して内径側を引っ張るので、このブレーキディスクの一部（特に内径側端部近傍）に大きな熱応力が発生する。

一方、近年は、鉄道車両（主に新幹線）の高速化が進んでおり、走行時の騒音や地盤振動等を抑える事に対する要求が高くなっている。この様な要求に応える為の対策として、鉄道車両の軽量化、特にばね下重量の軽減がある。又、この様なばね下重量の軽減の為には、鉄道車両用ブレーキディスクを従来の鉄系材料から軽量なアルミニウム又はアルミニウム合金に変える事が有効である。但し、鉄系材料に比べて硬度が低いアルミニウム又はアルミニウム合金のみにより鉄道車両用ブレーキディスクを構成した場合、摩擦面部の耐摩耗性が低下する為、鉄道車両用制動装置の使用には耐えられない。

この様な事情から近年は、鉄道車両用ブレーキディスクを、アルミニウム合金にセラミックスを加えたアルミニウム合金基複合材料製とする事で、摩擦面部の耐摩耗性を向上させる事も考えられている。但し、アルミニウム合金基複合材料は、アルミニウム合金に比べて、飛躍的に硬度を高める事ができる反面、アルミニウム合金の長所である靱性は大きく低下してしまう。

例えば、特許文献１に記載された鉄道車両用ブレーキディスクの場合には、ブレーキディスクの全体を、Siを６〜１３％含むAl−亜共晶Si合金を母相とし、粒径が３〜５０μｍのセラミックスであるSiＣを母相金属に対し５〜３０重量％の範囲で均等に分散強化させたものにより造っている。但し、この様に、鉄道車両用ブレーキディスクの全体を、SiＣの様に低靱性の材料を含むアルミニウム合金基複合材料製とした鉄道車両用ブレーキディスクの場合、ブレーキディスク全体の靱性が低下してしまう為、高負荷が加わる制動時に、大きな応力の発生により、強度上好ましくない事態が生じる原因となる。又、高負荷が加わる制動の繰り返しによっても強度上好ましくない事態が生じる原因となる。

これに対して、特許文献２に記載された鉄道車両用ブレーキディスクの場合は、Siを６〜１３重量％含むAl−Si合金を母相とし、粒径が３〜５０μｍのSiＣを母相金属に対し５〜３０重量％の範囲で分散して耐摩耗性を向上させた摩擦面部と、上記Al−Si合金のみにより構成した放熱面とを溶着により一体化させている。又、この様な特許文献２に記載された鉄道車両用ブレーキディスクの製造方法の場合、先ず、上記Al−Si合金の溶融金属中に上記SiＣの粒子を分散させた溶湯Ａと、Al−Si合金の溶融金属のみから成る溶湯Ｂとを用意し、先ず、鋳型の湯口に上記溶湯Ａを注入し、この鋳型内の摩擦面部となるべき部分に所望の厚さの溶融層を形成すると共に、上記湯口に上記溶湯Ａが滞留している間に上記溶湯Ｂを注入し、上記鋳型内の他の部分に充填し、上記溶融層の上面に一体的に液相接合する、二段階に分けた鋳造工程により造る。

この様な特許文献２に記載された鉄道車両用ブレーキディスクによれば、上記特許文献１に記載された鉄道車両用ブレーキディスクの場合に懸念される、靱性が低い為にブレーキディスクに強度上好ましくない事態が生じる原因となると言った問題を、或る程度は抑える事ができる。但し、特許文献２に記載されたブレーキディスクの場合、二段階に分けた鋳造工程により造っており、最初の鋳造工程で、アルミニウム合金基複合材料を構成するSiＣとアルミニウム合金との比重の違いから、比重の重いSiＣが沈降を生じる可能性がある。この沈降を生じた場合には、鉄道車両用ブレーキディスクの摩擦面部でのSiＣの配分が不均一になる。又、最初に鋳造により造るアルミニウム合金基複合材料製の部分と、その後の鋳造により造るAl−Si合金のみにより造る部分との間の界面部分に酸化物の巻き込みが生じたり、Al−Si合金を注入する場合に乱流が生じる事により、これら両部材の健全な界面を得られない可能性がある。この為、制動時にこの界面で強度が低下し、良好な制動性能を得られない可能性がある。

又、特許文献３には、アルミニウム合金を鍛造又は鋳造する事により成形した基部となるべき部材を鋳型内に設置してこの鋳型を予熱し、摩擦面部となるべき部分に、アルミニウム又はアルミニウム合金にセラミックスの粒子又は繊維を分散させた複合材料の溶湯を上記鋳型に流し込み、一体成形する事により造る鉄道車両用ブレーキディスクの製造方法が記載されている。この様な特許文献３に記載された鉄道車両用ブレーキディスクの製造方法の場合も、特許文献２に記載された製造方法の場合と同様に、鋳造時にSiＣとアルミニウム合金との比重の違いにより、比重の重いSiＣが沈降する可能性がある。この為、鉄道車両用ブレーキディスクの完成品で、摩擦面部のSiＣの配分が不均一になる可能性がある。特に、摩擦面部の表面部分に存在するSiＣが少なくなると、良好な耐摩耗性を得られなくなってしまう。又、複合材料の溶湯を流し込む鋳造時に上記基部と摩擦面部との界面部分に酸化物の巻き込みが生じたり、この鋳造時の乱流により健全な界面を得られない可能性もある。この為、特許文献３に記載された製造方法の場合も、制動時にこの界面で強度が低下し、良好な制動性能を得られない可能性がある。
尚、本発明に関連する先行技術文献として、特許文献１〜３の他に特許文献４〜６がある。

特許第３３１６８３１号公報 特開２００１−２８７０１８号公報 特開平１０−８９３８９号公報 特開平５−２７９７７０号公報 特開２００２−５２０８号公報 特開２００４−３１６８２９号公報

本発明の鉄道車両用ブレーキディスクの製造方法は、この様な事情に鑑みて、摩擦面を有する表層部をアルミニウム合金基複合材料製とし、他の部分をアルミニウム合金製とした鉄道車両用ブレーキディスクの製造方法で、表層部でのセラミックスの配分をほぼ均一にできると共に、この表層部と他の部分との界面で強度を保ち、良好な制動性能を得られる鉄道車両用ブレーキディスクを実現すべく発明したものである。

本発明の鉄道車両用ブレーキディスクの製造方法は、側面に摩擦材を押し付ける為の摩擦面を有する表層部が、SiＣ等のセラミックスの粒子又は繊維、若しくはその両方を含むアルミニウム合金基複合材料製であり、上記表層部以外の部分がAl−Si−Mg合金等のアルミニウム合金製であり、内径側半部に、それぞれが内周縁に開口する複数の切り欠きを、円周方向に亙って等間隔に形成している、鉄道車両用車輪の側面に固定される鉄道車両用ブレーキディスクを製造する。
この為に、本発明の鉄道車両用ブレーキディスクの製造方法は、上記粒子又は繊維若しくはその両方を固めて焼成する事により予備成形体を造り、その後、この予備成形体を３５０〜６００℃に予熱した状態でこの予備成形体を、鋳型の内側で上記表層部となるべき部分である、この鋳型内で鉄道車両用ブレーキディスクの内周縁のうちの最も外径側となる位置よりも３〜１０mm（より好ましくは３〜５mm）外径側に外れた位置に上記予備成形体の内周縁が位置する様に配置し、この鋳型内にアルミニウム合金の溶湯を加圧した状態で送り込み、上記予備成形体にこの溶湯を加圧含浸する事と、上記表層部以外の部分を成形する事とを、上記金型内で連続して行なう。

上述の様に構成する本発明の鉄道車両用ブレーキディスクの製造方法によれば、軽量で且つ高靱性を有し、しかも、優れた耐摩耗性、耐熱性、耐亀裂性を有する鉄道車両用ブレーキディスクを得られる。即ち、本発明の製造方法により得られるブレーキディスクは、アルミニウム合金製の部分とアルミニウム合金基複合材料製の部分とから成る為、十分な軽量化を図れる。又、このブレーキディスクの表層部が、セラミックスの粒子又は繊維若しくはその両方を含むアルミニウム合金基複合材料製である為、摩擦面の耐摩耗性を十分に高くできる。又、上記ブレーキディスクのうちの上記表層部以外の部分がアルミニウム合金製である為、ブレーキディスク全体の靱性を十分に高くでき、優れた耐熱性及び耐亀裂性を有し、強度を十分に確保できる。しかも、本発明の場合には、鋳造工程が１回で済み、しかも、予備成形体中にアルミニウム合金を含浸して上記表層部を造る事と、この表層部以外の部分をアルミニウム合金の鋳造により造る事とが、連続的に行なわれる。この為、これら表層部と表層部以外の部分との界面で酸化物を巻き込む事がなくなり、この界面で強度を確保し易くできる。この為、これら両部が強固に結合される。又、上記表層部中でのセラミックスの配分をほぼ均一にできる。この結果、良好な制動性能を有する鉄道車両用ブレーキディスクの実現を図れる。
又、本発明の鉄道車両用ブレーキディスクの製造方法の場合には、予備成形体を３５０〜６００℃に予熱した状態で鋳型の内側で上記表層部となるべき部分に配置するので、アルミニウム合金の溶湯が予備成形体の極く一部に含浸した後、直ちに温度低下する事を防止できる。この為、上記予備成形体の極く一部のみにしか上記溶湯が含浸されない事を防止でき、この予備成形体中にアルミニウム合金を、ほぼ均一に含浸させる事ができる。この結果、良好な表層部を実現し易くできる。
更に、本発明の鉄道車両用ブレーキディスクの製造方法の場合には、上記予備成形体を、鋳型内で鉄道車両用ブレーキディスクの内周縁のうちの最も外径側となる位置よりも３〜１０mm（より好ましくは３〜５mm）外径側に外れた位置に上記予備成形体の内周縁が位置する様に配置する為、制動時に熱応力が過大となり易い部分に靱性が低いアルミニウム合金基複合材料製の表層部が存在する事を防止できると共に、この表層部の摩擦面となる部分の面積を十分に確保できる。これに対して、上記予備成形体を、鋳型内で鉄道車両用ブレーキディスクの内周縁のうちの最も外径側となる位置から外径側に３mm未満の範囲に上記予備成形体の内周縁が位置する様に配置した場合には、制動時に上記鉄道車両用ブレーキディスクの内径側端部に加わる熱応力が過大となり、ブレーキディスクの強度確保上好ましくない。又、上記予備成形体を、鋳型内で鉄道車両用ブレーキディスクの内周縁のうちの最も外径側となる位置よりも１０mmを越えた大きさ分外径側に外れた位置に上記予備成形体の内周縁が位置する様に配置した場合には、上記表層部の摩擦面となる部分の面積、つまり、摺動摩擦部となる部分の面積を十分に確保する事が著しく困難になる。

又、好ましくは、請求項２に記載した様に、上記セラミックスを炭化珪素又はアルミナとする。
この好ましい構成によれば、上記表層部の硬度をより有効に高くでき、耐摩耗性をより有効に向上させる事ができる。この為、鉄道車両用ブレーキディスクの寿命を、より有効に向上させる事ができる。

又、より好ましくは、請求項３に記載した様に、上記表層部中での、上記セラミックスの粒子又は繊維、若しくはその両方の含有率を、体積換算で２５〜４０％とする。
このより好ましい構成によれば、上記表層部の硬度をより有効に高くでき、耐摩耗性の向上をより有効に図れる。この為、鉄道車両用ブレーキディスクの寿命を、より有効に向上させる事ができる。

又、より好ましくは、請求項４に記載した様に、上記予備成形体の厚さを、鉄道車両用ブレーキディスクの完成品の最大厚さの６〜２０％とする。
このより好ましい構成によれば、製造時に於ける上記予備成形体の取り扱い（ハンドリング）を容易に行なえると共に、ブレーキディスクの耐摩耗性をより有効に確保できる。又、予備成形体の全体にアルミニウム合金の溶湯を行き渡らせる事を、より有効に行なえると共に、この予備成形体にアルミニウム合金の溶湯を加圧含浸する際のこの予備成形体の潰れを有効に防止でき、しかも、制動時にブレーキディスクが強度低下する事をより有効に防止できる。これに対して、上記予備成形体の厚さを、鉄道車両用ブレーキディスクの完成品の最大厚さの６％未満とした場合には、上記予備成形体の使い勝手、鋳型への配置（セッティング）し易さ等、取り扱い性が著しく低下する。又、この場合には、高負荷の制動が繰り返される厳しい条件で使用された場合に、予備成形体が全摩耗して、ブレーキディスクの耐摩耗性を確保する事が著しく困難になる。又、上記予備成形体の厚さを、鉄道車両用ブレーキディスクの完成品の最大厚さの２０％を越える大きさとした場合には、上記予備成形体の全体にアルミニウム合金の溶湯を行き渡らせる事が、著しく困難になる。この為、この予備成形体にアルミニウム合金の溶湯を加圧含浸する際のこの予備成形体の潰れを生じる可能性が著しく高くなり、歩留りが悪化する原因となる。即ち、予備成形体の一部のみにしか上記溶湯が含浸されない状態が生じ易くなり、この場合には、更に加圧含浸した場合に上記予備成形体が潰れ易くなってしまう。又、この場合には、制動時にブレーキディスクの強度上好ましくない事態が生じる原因となる。

図１〜５は、本発明の実施例を示している。これら各図のうち、図１〜４は、本実施例の製造方法により造る鉄道車両用のブレーキディスク１を示しており、図５は、このブレーキディスク１の製造方法を示している。先ず、本実施例の製造方法により造る上記ブレーキディスク１に就いて説明する。ブレーキディスク１は、アルミニウム合金製の本体部２と、アルミニウム合金をマトリックス材とし、これにSiＣ、アルミナ等のセラミックスの粒子又は繊維、若しくはその両方を分散配合したアルミニウム合金基複合材料製の表層部３とを有し、全体を円輪状としている。上記ブレーキディスク１は、上記本体部２の片面に上記表層部３を一体に結合して成る。本実施例の場合、上記ブレーキディスク１は、片面（図１の表側面、図２の裏側面、図３、４の左側面、図５（ニ）の上側面）の外径側半部を、制動時に図示しない摩擦材を押し付ける為の摩擦面４としている。この摩擦面４は、上記表層部３の片面により構成している。これに対して、上記ブレーキディスク１の他面（図１の裏側面、図２の表側面、図３、４の右側面、図５（ニ）の下側面）の内径寄り部分は、鉄道車両用車輪（図示せず）の側面に固定できる様に、この側面にがたつきなく突き当て可能な形状としている。尚、図１では斜格子部分により、上記表層部４を表している。

又、本実施例の場合には、上記ブレーキディスク１の他面外径寄り半部を、それぞれが放射状に形成された凸部と凹部とを円周方向に亙って交互に配置した形状としている。これにより、上記ブレーキディスク１の凸部が上記鉄道車両用車輪の側面に突き当たり、又は近接対向した状態で、上記ブレーキディスク１の他面外径寄り半部とこの鉄道車両用車輪の側面との間（上記凹部と側面との間）に、冷却用の空気が流通自在な通路が形成される様にしている。

又、上記ブレーキディスク１の内径側半部には、それぞれがこのブレーキディスク１の内周縁に開口する複数の切り欠き５、５を、円周方向に亙って等間隔に形成している。これら各切り欠き５、５の断面形状は、複数の円弧を連続させた複合円弧である。又、これら各切り欠き５、５は、上記摩擦面４よりも内径側に外れた位置に形成しており、上記ブレーキディスク１の内周縁の一部を構成している。特に、本実施例の場合には、上記ブレーキディスク１の内周縁のうちの最も外径側となる位置である、上記各切り欠き５、５の奥端よりも３〜１０mm（より好ましくは３〜５mm）外径側にずれた位置に、上記摩擦面４の内周縁が位置する様にしている。言い換えれば、前記表層部３の内周縁は、上記各切り欠き５、５の奥端よりも、３〜１０mm（より好ましくは３〜５mm）外径側にずれた位置に存在する。これに対して、上記摩擦面４の外周縁は、上記ブレーキディスク１の外周縁にまで達している。又、円周方向に隣り合う上記各切り欠き５、５同士の間部分に、それぞれ前記鉄道車両用車輪にブレーキディスク１を取り付ける為のボルト挿通用の取付孔６、６を設けている。そして、上記各切り欠き５、５の頂点（奥端）を上記各取付孔６、６のピッチ円よりも外側に存在させている。

又、本実施例の場合、上記表層部３中での前記セラミックスの粒子（又は繊維、或は繊維及び粒子の両方を分散配合する場合にはその両方）の含有率を、体積換算で２５〜４０％としている。更に、上記表層部３の厚さｔ₃ （図４）を、上記ブレーキディスク１全体の最大厚さＴ₁ （図４）の６〜２０％としている（０．０６Ｔ₁ ≦ｔ₃ ≦０．２０Ｔ₁ ）。

そして、上述の様に構成するブレーキディスク１を製造する為に、本実施例の場合には、次の様な製造方法を用いる。この製造方法を、図５を用いて説明する。本実施例の製造方法の場合、先ず、上記表層部３を構成する予備成形体（プリフォーム）７を造る。この予備成形体７は、SiＣ、アルミナ等のセラミックスの粒子又は繊維、若しくはその両方を適宜のバインダを用いて混練した後固めて、焼成する事により、全体を円輪状に造る。尚、図５では、上記予備成形体７として、SiＣの粒子とアルミナの繊維とを焼成し固める事により造ったものを、模式的に表している。尚、上記予備成形体７は、上記粒子又は繊維、若しくはその両方を攪拌混合したものをプレスにより所定の形状に固めて乾燥工程により乾燥後、焼成により造る事もできる。

又、ブレーキディスク１の完成品での表層部３（図５の（ニ））中での、上記セラミックスの粒子（又は繊維、或は繊維及び粒子の両方を分散配合する場合には、その両方）の含有率を、体積換算で２５〜４０％とする為に、上記予備成形体７での、上記セラミックスの粒子（又は繊維、或は繊維及び粒子の両方を分散配合する場合には、その両方）の含有率（予備成形体７の内部の空隙を除いた割合）を、体積換算で２５〜４０％とする。又、上記予備成形体７の厚さｔ₇ を、ブレーキディスク１の完成品の最大厚さＴ₁ の６〜２０％としている。

そして上述の様に構成する予備成形体７を、図５（イ）に示す様に、鋳造用の鋳型８内に設置する。この鋳型８は、上下二分割型で、それぞれが円輪状である、上型９と下型１０とを有する。これら上型９と下型１０とを突き合わせた状態で、鋳型８の内部には、ブレーキディスク１の完成品の外面とほぼ一致する形状を有するキャビティ１１を形成する。又、上記鋳型８の内径側に、このキャビティ１１に後述するアルミニウム合金の溶湯１３を加圧注入する為の湯口（図示せず）を設けている。更に、上記上型９のうち、少なくとも上記予備成形体７と対向する部分に、それぞれが厚さ方向に貫通する複数の小孔（図示せず）を形成している。そして、この様な鋳型８を構成する下型１０内に、その摩擦面４となるべき面が上記下型１０の上端に位置する様に、上記予備成形体７を設置する。尚、図示は省略するが、この予備成形体７を上記鋳型８内の所定位置に設置する為に、例えば、上記下型１０の外径側の内周面に段差面を設け、この段差面上に上記予備成形体７を設置する事もできる。但し、この場合には、ブレーキディスク１の完成後に上記表層部３の外周部が他の部分よりも外径側に突出した状態となる為、必要に応じてこの突出した部分を削り落とす。又、上記鋳型８内に上記予備成形体７を設置した状態で、上記上型９の片面（図５の下面）で、ブレーキディスク１の完成品の各切り欠き５、５（図１〜３参照）の奥端となるべき位置（図５の点Ｄ）から、外径側に３〜１０mm（好ましくは３〜５mm）ずれた位置に、上記予備成形体７の内周縁１２を位置させる。この様に各切り欠き５、５の奥端となるべき位置から予備成形体７の内周縁１２を外径側にずらせた量は、図４の寸法Ｌに相当する。

又、上記予備成形体７は、予め３５０〜６００℃の範囲の所定温度に十分に予熱し、この状態で上記鋳型８内に、この鋳型８の内側で表層部３となるベき部分に配置する。そして、図５（ロ）に示す様に、上記鋳型８に上記湯口を通じて、アルミニウム合金の溶湯１３を加圧した状態で送り込む。このアルミニウム合金としては、例えば、Al−Si−Mg合金を使用する。又、この溶湯１３を送り込む際の圧力は、５０ＭPa以上（例えば８０ＭPa）の高圧とする。この様な溶湯１３の送り込みにより、上記キャビティ１１内でブレーキディスク１の本体部２となるべき部分に上記溶湯１３が充填されると共に、上記予備成形体７にこの溶湯１３が加圧含浸される。この予備成形体７に溶湯１３が加圧含浸される際には、予備成形体７中の空隙部分に存在する空気が、前記複数の小孔を通じて外部に排出される。尚、上記キャビティ１１内に溶湯１３を送り込むのに伴って、このキャビティ１１内に存在する空気も上記複数の小孔を通じて外部に排出される。そして、このキャビティ１１内に溶湯１３が充填されると共に、上記予備成形体７中で上記空隙部分に上記溶湯１３が加圧含浸され、温度低下後、上記鋳型８内からブレーキディスク１を取り出し、必要に応じて形状を整える為の仕上加工を施して、ブレーキディスク１（図１〜４）の完成品とする。

又、上記キャビティ１１内で摩擦面４となるべき部分にその一部を配置した予備成形体７は、上述した鋳造工程により、アルミニウム合金基複合材料製の表層部３となる。この表層部３の靱性は、他の部分である本体部２の靱性よりも低くなる。この為、上記鋳型８内での上記予備成形体７の配置位置は、使用時に大きな応力が発生する部分を避ける為の考慮が必要になる。特に、制動時にはブレーキディスク１の外径側が膨張して内径側端部近傍を引っ張るので、内径側端部近傍に大きな熱応力が発生し易い。この為、熱応力に対して破壊靱性が小さいアルミニウム合金基複合材料製の表層部３は、使用時の熱応力が大きくなり易い、ブレーキディスク１の内径側端部となるべき部分を避けて配置する事が好ましい。より具体的には、上記予備成形体７を、上記鋳型８内で上記ブレーキディスク１の内周縁のうちの最も外径側となる位置である、前記複数の切り欠き５、５の奥端（図５の点Ｄ）よりも図４の寸法Ｌに相当する、３〜１０mm（より好ましくは３〜５mm）外径側に外れた位置に上記予備成形体７の内周縁１２が位置する様に配置するのが好ましい。

尚、本実施例の様に、ブレーキディスク１の内周縁に形成した各切り欠き５、５の頂点（奥端）を、前記ボルト挿通用の取付孔６、６のピッチ円よりも外側に存在させた場合には、熱膨張に基づく引っ張り応力並びに歪みが最大となる部分が、上記各切り欠き５、５の頂点部分となる。この事は、特許文献６に記載されている様に従来から知られている事項である。

上述の様に構成する本実施例の鉄道車両用ブレーキディスク１の製造方法によれば、軽量で且つ高靱性を有し、しかも、優れた耐摩耗性、耐熱性、耐亀裂性を有する鉄道車両用ブレーキディスク１を得られる。即ち、本実施例の製造方法により得られるブレーキディスク１は、アルミニウム合金製の本体部２とアルミニウム合金基複合材料製の表層部３とから成る為、十分な軽量化を図れる。又、上記ブレーキディスク１の表層部３が、セラミックスの粒子又は繊維若しくはその両方を含むアルミニウム合金基複合材料製である為、摩擦面４の耐摩耗性を十分に高くできる。又、上記ブレーキディスク１のうちの上記表層部３以外の本体部２がアルミニウム合金製である為、ブレーキディスク１全体の靱性を十分に高くでき、優れた耐熱性及び耐亀裂性を有し、強度を十分に確保できる。しかも、本実施例の場合には、鋳造工程が１回で済み、しかも、予備成形体７中にアルミニウム合金を含浸して上記表層部３を造る事と、表層部３以外の本体部２をアルミニウム合金の鋳造により造る事とが、連続的に行なわれる。この為、上記表層部３と本体部２との界面で酸化物を巻き込む事がなくなり、この界面で強度を保ち易くなる。この為、これら両部３、２が強固に結合される。又、上記表層部３中でのセラミックスの配分をほぼ均一にできる。この結果、良好な制動性能を有するブレーキディスク１の実現を図れる。

又、本実施例の場合には、上記予備成形体７を構成するセラミックスを炭化珪素又はアルミナとしている為、上記表層部３の硬度をより有効に高くでき、耐摩耗性をより有効に向上させる事ができる。この為、ブレーキディスク１の寿命を、より有効に向上させる事ができる。更に、ブレーキディスク１の完成品の表層部３中での上記セラミックスの粒子又は繊維、若しくはその両方を分散配合している場合にその両方の含有率を、体積換算で２５〜４０％としている。この為、上記表層部３の硬度をより有効に高くでき、耐摩耗性の向上をより有効に図れる。この結果、ブレーキディスク１の寿命を、より有効に向上させる事ができる。

又、本実施例の場合には、上記予備成形体７を焼成により造った後、この予備成形体７を予熱し、温度を所定値（例えば４００℃）以上にした状態でこの予備成形体７を鋳型８内に、この鋳型８の内側で表層部３となるベき部分に配置し、上記予備成形体７に上記溶湯１３を加圧含浸する事により造っている。この為、アルミニウム合金の溶湯１３が、予備成形体７の極く一部に含浸した後、直ちに温度低下する事を防止できる。この為、上記予備成形体７の極く一部のみにしか上記溶湯１３が含浸されない事を防止でき、この予備成形体７中にアルミニウム合金を、ほぼ均一に含浸させる事ができる。この結果、良好な表層部３を実現し易くできる。

更に、上記予備成形体７を、上記鋳型８内でブレーキディスク１の内周縁のうちの最も外径側となる位置である、各切り欠き５の奥端となるべき位置（図５の点Ｄ）よりも３〜１０mm（より好ましくは３〜５mm）外径側に外れた位置に上記予備成形体７の内周縁が位置する様に配置している。この為、制動時に熱応力が過大となり易い部分に靱性が低いアルミニウム合金基複合材料製の表層部３が存在する事を防止できると共に、この表層部３の摩擦面４となる部分の面積を十分に確保できる。これに対して、上記予備成形体７を、上記鋳型８内でブレーキディスク１の内周縁のうちの最も外径側となる位置である、各切り欠き５、５の奥端となるべき位置から外径側に３mm未満の範囲に、上記予備成形体７の内周縁が位置する様に配置した場合には、制動時に上記ブレーキディスク１の内径側端部に加わる熱応力が過大となり、ブレーキディスク１の強度確保上好ましくない。又、上記予備成形体７を、上記鋳型８内でブレーキディスク１の各切り欠き５、５の奥端となるべき位置よりも１０mmを越えた所定長さ分外径側に外れた位置に上記予備成形体７の内周縁１２が位置する様に配置した場合には、上記表層部３の摩擦面４となる部分の径方向長さが小さくなり、この部分の面積、つまり摺動摩擦部となる部分の面積を十分に確保する事が著しく困難になる。

更に、本実施例の場合には、上記予備成形体７の厚さｔ₇ （図５（イ））を、この予備成形体７の製造品質上の限界、ブレーキディスク１に発生する応力、制動に伴う摩耗等を考慮して適切に規制している。具体的には、上記予備成形体７の厚さｔ₇ を、上記ブレーキディスク１の完成品の最大厚さＴ₁ （図４）の６〜２０％としている（０．０６Ｔ₁ ≦ｔ₇ ≦０．２０Ｔ₁ ）。この為、製造時での上記予備成形体７の取り扱い（ハンドリング）を容易に行なえると共に、ブレーキディスク１の耐摩耗性をより有効に確保できる。又、上記予備成形体７中にアルミニウム合金の溶湯１３を全体に行き渡らせる事を、より有効に行なえると共に、この予備成形体７にアルミニウム合金の溶湯１３を加圧含浸する際のこの予備成形体７の潰れを有効に防止でき、しかも、制動時にブレーキディスク１が強度低下する事をより有効に防止できる。これに対して、上記予備成形体７の厚さｔ₇ を、ブレーキディスク１の完成品の最大厚さＴ₁ の６％未満とした（ｔ₇ ＜０．０６Ｔ₁ ）場合には、上記予備成形体７の使い勝手、鋳型への配置（セッティング）し易さ等、取り扱い性が著しく低下する。又、この場合には、高負荷の制動が繰り返される厳しい条件で使用された場合に、予備成形体７が全摩耗して、耐摩耗性を確保する事が著しく困難になる。又、上記予備成形体７の厚さｔ₇ を、ブレーキディスク１の完成品の最大厚さＴ₁ の２０％を越える大きさとした（ｔ₇ ＞０．２０Ｔ₁ ）場合には、上記予備成形体７の全体にアルミニウム合金の溶湯１３を行き渡らせる事が、著しく困難になる。この為、この予備成形体７にアルミニウム合金の溶湯１３を加圧含浸する際のこの予備成形体７の潰れを生じる可能性が著しく高くなり、歩留りが悪化する原因となる。又、この場合には、制動時にブレーキディスク１の強度上好ましくない事態が生じる原因となる。

次の表１は、本発明の発明者が、本実施例でのブレーキディスク１の最大厚さＴ₁ に対する予備成形体７の好ましい厚さｔ₇ の割合を求める為に行なった検討結果を整理したものを示している。この表１に示した検討結果からも、上記割合を適切な範囲に規制した（０．０６Ｔ₁ ≦ｔ₇ ≦０．２０Ｔ₁ ）場合には、製造時の予備成形体７の取り扱いを容易に行なえると共に、ブレーキディスク１の耐摩耗性を有効に確保でき、予備成形体７にアルミニウム合金の溶湯１３を加圧含浸する際のこの予備成形体７の潰れを有効に防止できる。又、この様な検討結果から、ブレーキディスク１の最大厚さＴ₁ を４９mmとした場合には、上記予備成形体７の厚さｔ₇ を、２．９〜９．８mmの範囲に規制する事が好ましい事が分かる。

次に、本発明者が本実施例の効果を確認すべく行なったブレーキディスク１の強度試験の結果に就いて説明する。強度試験は、前述の図１〜５に示した実施例と同様の構造を有するブレーキディスク１で、図４に一点鎖線イ−ロ−ハ−ニで示す矩形をその断面とする円弧状の試験片１４（図６）を切り出したものを使用する。又、試験片１４は、片面（図６の右側面）の軸方向（図６の上下方向）に関して１mmずつずれた４個所位置の何れかに切り欠き（ノッチ）１７を形成した４種類を使用する。そして、図６に示す様に、アルミニウム合金製の本体部２の一部である第一部分１５と、アルミニウム合金基複合材料製の表層部３の一部である第二部分１６との界面位置を基準（０mm）とし、−（マイナス）側を上記第一部分１５とし、＋（プラス）側を上記第二部分１６とした場合に、上記各試験片１４の片面の両端部を固定の部分に突き当てると共に、同じく他面で上記界面位置に荷重Ｆを加える。そして、上記切り欠き１７の形成位置を異ならせた４種類の試験片１４で、切り欠き１７の周辺部に亀裂が発生する（又は破損する）までの強度を確認した。

この様にして行なった強度試験の結果を、図７に示している。この図７に示した試験結果から明らかな様に、本実施例の場合には、ブレーキディスク１の強度が、アルミニウム合金製の本体部２で高くなり、アルミニウム合金基複合材料製の表層部３で低い。しかも、本実施例によれば、上記本体部２と表層部３との界面位置と、表層部３とで強度にほとんど差がない様にでき、言い換えれば、この表層部３が本体部２に対し剥離しづらい事も分かった。即ち、アルミニウム又はアルミニウム合金製の部分と、アルミニウム合金基複合材料製の部分とを一体に結合して成るブレーキディスクの製造方法としては、本発明の製造方法以外に、前述の特許文献２、３に記載された製造方法が知られている。このうちの特許文献２に記載された製造方法は、鋳造工程を二段階に分けて行なうもので、特許文献３に記載された製造方法は、鍛造又は鋳造により造ったアルミニウム合金製の基部と成るべき部材を鋳型内に設置し、摩擦面部となるべき部分に、アルミニウム又はアルミニウム合金にセラミックスの粒子又は繊維を分散させた複合材料の溶湯を注ぐ事によりブレーキディスクを製造するものである。この様な特許文献２、３に記載された何れの製造方法によりブレーキディスクを製造する場合も、本体部（基部）と表層部（摩擦面部）との界面で本実施例の場合よりも剥離が生じ易い。例えば、図７に一点鎖線ａで示す様に、この界面に切り欠きを形成した場合の強度が、他の位置に切り欠きを形成した場合に対して著しく低下する。これに対して本実施例の場合には、本体部２と表層部３との結合を強固にできる為、界面位置に切り欠き１７を形成した場合でも、他の位置に切り欠き１７を形成した場合（特にアルミニウム合金基複合材料製の部分の中間部に切り欠き１７を形成した場合）に対して著しく強度が低下する事がない。これにより本実施例の効果を確認できた。

本発明の実施例により製造するブレーキディスクの片半部を示す図。 図１の裏側から見た片半部を示す図。 図１のＡ−Ｏ−Ｂ断面図。 図３のＣ部拡大断面図。 実施例の製造方法での鋳造工程を模式的に示す断面図。 実施例の効果を確認すべく行なった強度試験に用いる試験片の断面図。 同じく強度試験の結果を、試験片に形成する切り欠きの位置と強度との関係で示す線図。

符号の説明

１ ブレーキディスク
２ 本体部
３ 表層部
４ 摩擦面
５ 切り欠き
６ 取付孔
７ 予備成形体
８ 鋳型
９ 上型
１０ 下型
１１ キャビティ
１２ 内周縁
１３ 溶湯
１４ 試験片
１５ 第一部分
１６ 第二部分
１７ 切り欠き

Claims (4)

1. 側面に摩擦材を押し付ける為の摩擦面を有する表層部が、セラミックスの粒子又は繊維、若しくはその両方を含むアルミニウム合金基複合材料製であり、上記表層部以外の部分がアルミニウム合金製であり、内径側半部に、それぞれが内周縁に開口する複数の切り欠きを、円周方向に亙って等間隔に形成している、鉄道車両用車輪の側面に固定される鉄道車両用ブレーキディスクの製造方法であって、
   上記粒子又は繊維若しくはその両方を固めて焼成する事により予備成形体を造り、その後、この予備成形体を３５０〜６００℃に予熱した状態でこの予備成形体を、鋳型の内側で上記表層部となるべき部分である、この鋳型内で鉄道車両用ブレーキディスクの内周縁のうちの最も外径側となる位置よりも３〜１０mm外径側に外れた位置に上記予備成形体の内周縁が位置する様に配置し、この鋳型内にアルミニウム合金の溶湯を加圧した状態で送り込み、上記予備成形体にこの溶湯を加圧含浸する事と、上記表層部以外の部分を成形する事とを、上記金型内で連続して行なう鉄道車両用ブレーキディスクの製造方法。
2. 上記セラミックスを炭化珪素又はアルミナとする、請求項１に記載した鉄道車両用ブレーキディスクの製造方法。
3. 表層部中での、上記セラミックスの粒子又は繊維、若しくはその両方の含有率を、体積換算で２５〜４０％とする、請求項１又は請求項２に記載した鉄道車両用ブレーキディスクの製造方法。
4. 上記予備成形体の厚さを、鉄道車両用ブレーキディスクの完成品の最大厚さの６〜２０％とする、請求項１〜３の何れか１項に記載した鉄道車両用ブレーキディスクの製造方法。

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