JP5706867B2 - 鉄道車輌用制輪子とその製造方法、鉄道車輌制輪子用セラミックスブロックとその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車輌の制動装置に使用される鉄道車輌用制輪子とその製造方法、並びに鉄道車輌用制輪子の製造に用いられる鉄道車輌制輪子用セラミックスブロックとその製造方法に関する。

従来から、鉄道車輌用のブレーキ機構には踏面方式とディスク方式があり、在来線には踏面方式が多く採用されている。この踏面方式は、車輪の踏面に制輪子の摩擦面を押付けることで、ブレーキ力を発生させるものである。
そして、このような踏面方式の鉄道車輌用制輪子としては、安価で湿潤時に安定したブレーキ特性を有する鋳鉄制輪子が広く用いられてきたが、摩擦摩耗特性の向上を図るため、制輪子摩擦面にセラミックス粒子を介在させることが有効であり、特許文献１〜３に開示された技術が提案されている。また、特許文献４〜５には、セラミックスの製造方法が開示されている。

特許文献１には、ポリウレタン発泡体にセラミックスの泥しょうをコーティングして一定の厚みを確定後、乾燥・焼成して網目状に成形した無数の連通空隙からなるセラミックスブロックと予め成分調整した鋳鉄とからなり、該セラミックスブロックを溶融鋳鉄との比重差により浮遊しないように下鋳型内に配置したバックメタルに一定間隔で取り付けられた、または一定間隔で一体に突出形成されたブロック止めに固定し、さらに該セラミックスブロックを制動摩擦面形成部に一部を露出するように、上鋳型と該セラミックスブロックを固定した該バックメタルを配置した該下鋳型を衝合した状態で固定し、該バックメタルと該連通空隙内を含む該セラミックスブロック全体を溶融鋳鉄で鋳ぐるむことにより、該セラミックスブロックと鋳鉄とが一体化してなる鉄道ブレーキ用複合鋳鉄制輪子が開示されている。
特許文献２には、樹脂の発泡体からなる三次元網目構造の骨格を成形し、この骨格の周囲にセラミック原料粉末の流動懸濁液を被覆させ、これを乾燥後に樹脂の炭化除去を行い、次いでこれを焼結することによりセラミックの三次元網目構造体を形成し、該セラミックの三次元網目構造体を鋳型にセットして、鋳鉄で鋳ぐるむことにより摩擦材を得ることを特徴とする摩擦材の製造方法が開示されている。
特許文献３には、上鋳型と下鋳型とで形成されるキャビティ内の前記下鋳型側に裏板を配置し、前記裏板から前記上鋳型の制動摩擦面形成面に向かって突出するガイド棒に制動ブロックをスライド自在に刺設し、型締め後に前記キャビティ内に溶湯を供給し、この溶湯によって前記制動ブロックを比重差により前記制動摩擦面形成面まで前記ガイド棒に沿って浮上させて前記制動ブロックの一側面を前記制動摩擦面形成面に当接させ、前記制動ブロックが鋳ぐるんだ状態で制輪子本体を製造することを特徴とする鉄道車輌用鋳鉄制輪子の製造方法が開示されている。
特許文献４には、内部連通空間を有する合成樹脂発泡体を予め容器に配置し、該容器中にセラミックスラリーを注入し、その後乾燥、焼成して、内部に多孔を有するセラミック燒結体を得、該燒結体の任意の部分を切削削除することによりセラミック連通多孔体を得ることを特徴とするセラミック連通多孔体の製造方法が開示されている。
特許文献５には、合成樹脂からなる三次元網目構造体の骨格組織の骨格の周りに付着させたセラミックス材料を焼結せしめると共に、かかる骨格組織を構成する合成樹脂部分を消失させることにより得られる、前記付着セラミックス材料の焼結にて三次元網目構造が保持される一方、かかる三次元網目構造の骨格自体が中空とされて、全体として連続した空孔が該骨格内に形成されたセラミックス多孔体を用い、その三次元網目構造の間隙内に所定のマトリックス材料を入り込ませて一体的な構造とすることにより、該セラミックス多孔体の三次元網目構造の骨格内に形成された空孔を利用して、液体を透過せしめ得るようにした製品を製造するに際して、前記セラミックス多孔体として、前記セラミックス材料の付着に先立って、前記合成樹脂からなる三次元網目構造体の骨格組織の骨格の周りに消失性材料からなる所定厚さのコーティング層を形成せしめて、かかる骨格を太くし、そしてその上に前記セラミックス材料を付着させて焼成を行うことにより得られるものを用いることを特徴とする流体透過性製品の製造方法が開示されている。

特開２００１−２４６４５５号公報 特開平９−２６４３５５号公報 特開２００８−２５４９号公報 特開平１０−１０１４５１号公報 特開昭６３−１７６３７８号公報

セラミックス多孔体を金属中に埋め込む制輪子の製造方法は、例えば特許文献３に記載されているように、セラミックス多孔体をバックメタルに取り付けたガイド棒に刺設し、溶融金属との比重差を利用して、セラミックス多孔体を制輪子の摩擦摺動面に浮上させることが知られていた。また、ここで用いるこのセラミックス多孔体（セラミックスブロック）は、合成樹脂からなる三次元網目構造体にセラミックススラリーを含浸保持させたものを十分に焼結（焼成）し、十分な強度を持ったものが用いられていた。

しかしながら、前記のように十分に焼結されたセラミックス多孔体を製造するためには、例えば１５００℃程度までに段階的に昇温して、２０時間程度焼結しており、その結果多くの熱エネルギーと焼結時間がかかり製造コストが嵩むという問題があった。

本発明は、前記事情に鑑みてなされ、製造時の熱エネルギーを削減でき、製造コストを低減可能な鉄道車輌用制輪子の製造方法の提供を目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、三次元網目構造を有する合成樹脂発泡体にセラミックススラリーを含浸保持させ、これを乾燥させてセラミックス原料体を製造する工程と、次いで前記セラミックス原料体を、前記合成樹脂発泡体の分解温度以上、前記セラミックス原料体が完全に焼結する温度未満の温度雰囲気中で熱処理して三次元多孔構造をもつセラミックスブロックを得る工程と、次いで、前記セラミックスブロックを成形型のキャビティ内に配置し、該キャビティ内に金属溶湯を注入し、冷却することによって鉄道車輌用制輪子を得ることを特徴とする鉄道車輌用制輪子の製造方法を提供する。

本発明の鉄道車輌用制輪子の製造方法において、前記セラミックス原料体に、前記合成樹脂発泡体の分解温度以上の温度で固化する無機バインダーを添加することが好ましい。

本発明の鉄道車輌用制輪子の製造方法において、前記無機バインダーが、第一リン酸アルミニウム又はリン酸アルミニウムを含んでいることが好ましい。

本発明の鉄道車輌用制輪子の製造方法において、前記セラミックス原料体に、炭素材料を添加してもよい。

本発明の鉄道車輌用制輪子の製造方法において、前記セラミックスブロックに塗型剤を塗布しておくことが好ましい。

また本発明は、前記鉄道車輌用制輪子の製造方法により得られた鉄道車輌用制輪子を提供する。

また本発明は、三次元網目構造を有する合成樹脂発泡体にセラミックススラリーを含浸保持させ、これを乾燥させてセラミックス原料体を製造する工程と、次いで前記セラミックス原料体を、前記合成樹脂発泡体の分解温度分解温度以上、前記セラミックス原料体が完全に燒結する温度未満の温度雰囲気中で熱処理して三次元多孔構造をもつ鉄道車輌用制輪子用セラミックスブロックを得ることを特徴とする鉄道車輌制輪子用セラミックスブロックの製造方法を提供する。

本発明の鉄道車輌制輪子用セラミックスブロックの製造方法において、前記セラミックス原料体に、前記合成樹脂発泡体の分解温度以上の温度で固化する無機バインダーを添加することが好ましい。

本発明の鉄道車輌制輪子用セラミックスブロックの製造方法において、前記無機バインダーが、第一リン酸アルミニウム又はリン酸アルミニウムを含んでいることが好ましい。

本発明の鉄道車輌制輪子用セラミックスブロックの製造方法において、前記セラミックス原料体に、炭素材料を添加してもよい。

本発明の鉄道車輌制輪子用セラミックスブロックの製造方法において、前記セラミックスブロックに塗型剤を塗布する工程を含むことが好ましい。

また本発明は、前記鉄道車輌制輪子用セラミックスブロックの製造方法により得られた鉄道車輌制輪子用セラミックスブロックを提供する。

本発明の鉄道車輌用制輪子の製造方法は、三次元網目構造を有する合成樹脂発泡体にセラミックススラリーを含浸保持させ、これを乾燥させてセラミックス原料体とし、次いでこのセラミックス原料体を、前記合成樹脂発泡体の分解温度以上、前記セラミックス原料体が完全に燒結する温度未満の温度雰囲気中で熱処理して三次元多孔構造をもつ未焼結のセラミックスブロックとし、次いでこのセラミックスブロックを焼結することなく成形型のキャビティ内に配置し、該キャビティ内に金属溶湯を注入し、冷却することによって鉄道車輌用制輪子を得ることによって、セラミックス原料体を高温で長時間焼成してセラミックスブロックを作製する従来技術と比べ、熱エネルギーを削減でき、製造工程も簡略化できることから、鉄道車輌用制輪子の製造コストを低減することができる。

実施例１で作製したセラミックスブロックの斜視図である。 実施例で使用した成形型の（ａ）断面図、（ｂ）斜視図である。 実施例１で製造した鉄道車輌用制輪子サンプルの断面図である。 図３と同じ鉄道車輌用制輪子サンプルの要部断面図である。 実施例１で製造した鉄道車輌用制輪子サンプルのＳＥＭ−ＥＤＸ分析結果を示し、（ａ）はＳＥＭ像、（ｂ）はアルミニウムのＥＤＸ分析像、（ｃ）は炭素のＥＤＸ分析像、（ｄ）は酸素のＥＤＸ分析像である。 実施例２で作製したセラミックスブロックの斜視図である。 実施例２で製造した鉄道車輌用制輪子サンプルの断面図である。 図７と同じ鉄道車輌用制輪子サンプルの要部断面図である。 実施例２で製造した鉄道車輌用制輪子サンプルのＳＥＭ−ＥＤＸ分析結果を示し、（ａ）はＳＥＭ像、（ｂ）はアルミニウムのＥＤＸ分析像、（ｃ）は炭素のＥＤＸ分析像、（ｄ）は酸素のＥＤＸ分析像である。 実施例３で作製したセラミックスブロックの斜視図である。 実施例４で作製したセラミックスブロックの斜視図である。 実施例４で製造した鉄道車輌用制輪子サンプルの断面図である。 図１２と同じ鉄道車輌用制輪子サンプルの要部断面図である。 実施例４で製造した鉄道車輌用制輪子サンプルのＳＥＭ−ＥＤＸ分析結果を示し、（ａ）はＳＥＭ像、（ｂ）はアルミニウムのＥＤＸ分析像、（ｃ）は炭素のＥＤＸ分析像、（ｄ）は酸素のＥＤＸ分析像である。 実施例６〜９の熱処理後のアルミナフォームの斜視図である。 実施例６〜９の温度と質量変化の関係を示す図である。 実施例１〜３、比較例２のＳＥＭ像である。

本発明の鉄道車輌用制輪子の製造方法は、
第１工程：三次元網目構造を有する合成樹脂発泡体にセラミックススラリーを含浸保持させ、これを乾燥させてセラミックス原料体を製造する工程と、
第２工程：次いで前記セラミックス原料体を、前記合成樹脂発泡体の分解温度以上、前記セラミックス原料体が完全に焼結する温度未満の温度雰囲気中で熱処理して三次元多孔構造をもつ未焼結のセラミックスブロックを得る工程と、
第３工程：次いで、前記セラミックスブロックを成形型のキャビティ内に配置し、該キャビティ内に金属溶湯を注入し、冷却することによって鉄道車輌用制輪子を得る工程と、
を有し、セラミックスブロックを完全に焼結することなく成形型のキャビティ内に配置し、該キャビティ内に金属溶湯を注入し、冷却することによって鉄道車輌用制輪子を得ることを特徴としている。
なお、本発明において、前記分解温度とは、前記合成樹脂発泡体が熱分解を開始する温度のことであり、前記完全に焼結する温度とは、前記セラミックス原料体が焼結して、最大収縮率に達成できる温度である。

［第１工程］
第１工程において、三次元網目構造を有する合成樹脂発泡体としては、セラミックススラリーを含浸させることができ、かつこれを乾燥することによって形成されるセラミックス生地を安定して保持できるものであればよく、特に限定されず、例えばポリウレタン系樹脂、ポリエチレン系樹脂やポリプロピレン系樹脂などのポリオレフィン系樹脂、ポリスチレン系樹脂、ポリエチレンテレフタレート系樹脂などのポリエステル系樹脂、シリコーン樹脂、フッ素系樹脂、ポリアミド系樹脂、アクリル酸系樹脂などの高発泡倍率の発泡体などが挙げられ、これらの中でもポリウレタンフォームが好ましい。

前記セラミックススラリーは、セラミックス粉末、水などの分散媒、必要に応じて添加される分散剤（界面活性剤）、無機バインダー、炭素材料などの成分を混合し、前記三次元網目構造を有する合成樹脂発泡体に含浸させ易い粘度となるように調製したものが使用される。
前記セラミックス粉末としては、鉄道車輌用制輪子の製造用に用いられる各種のセラミックス粉末を使用でき、特に限定されず、例えば、アルミナ、シリカ、アルミナ−シリカ系セラミックス、ジルコニア、炭化珪素、窒化珪素、粘土鉱物、マグネシア、チタン酸塩、サイアロンなどの酸化物、炭化物、窒化物の１種又は２種以上の組み合わせなどが挙げられ、これらの中でもアルミナ、炭化珪素、ムライト、チタン酸アルミニウム、マグネシア、ジルコニアが好ましい。

アルミナは、特に限定されないが、例えば、αアルミナを使用することができる。また、易焼結性アルミナを使用することが好適である。ここで、易焼結性アルミナとしては、低ソーダアルミナであることが好適である。ここで低ソーダアルミナとは、アルミナに対してソーダ分が０．１０質量％以下のアルミナを意味する。ここで、ソーダ分の測定方法はＪＩＳ Ｒ９３０１．３．９：１９９９に記載の方法による。アルミナは、ソーダ分が多く含まれると焼結の差異の結晶成長が不均一となり、焼結嵩密度に悪影響を与える。

前記分散媒としては、水、低級アルコール、ケトン類などが使用でき、配合するセラミックスの種類に応じて適宜変更可能である。

前記分散剤としては、セラミックス製品の製造分野などで周知の分散剤を使用でき、例えば、アニオン系界面活性剤、カチオン系界面活性剤、両性界面活性剤、ノニオン系界面活性剤、ポリリン酸塩系分散剤などが挙げられる。

無機バインダーは、セラミックス原料体の熱処理後に得られるセラミックスブロックの強度を高め得るものが用いられ、リン酸アルミニウム系が好ましく、第一リン酸アルミニウム、リン酸アルミニウムが特に好ましい。
無機バインダーの配合量は、特に限定されないが、セラミックス１００質量部に対して２〜４０質量部の範囲が好適であり、１０〜４０質量部の範囲がより好適であり、２５〜３０質量部の範囲がさらに好適である。

炭素材料としては、カーボンブラック、グラファイト、炭素繊維、ナノカーボンなどが挙げられる。これらの炭素材料の中でもナノカーボンが好適であり、ナノカーボンの中でもカーボンナノチューブが好適である。ナノカーボンとは、例えば、カーボンナノチューブ（単層・二層・多層タイプ、カップスタック型）、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン、フラーレン、グラフェンを挙げることができる。ナノカーボンとして使用可能なカーボンナノチューブは、シングルウォールカーボンナノチューブ（ＳＷＣＮＴ）であっても、マルチウォールカーボンナノチューブ（ＭＷＣＮＴ）であってもよい。カーボンナノチューブの長さは、０．１〜１００μｍの範囲が好適であり、０．１〜５０μｍの範囲がより好適であり、０．１〜２０μｍの範囲がさらに好適である。またカーボンナノチューブの直径は、５〜２００ｎｍの範囲が好適であり、８〜１６０ｎｍの範囲がより好適であり、９〜１２０ｎｍの範囲がさらに好適である。
炭素材料の配合量は、セラミックス１００質量部に対して、０．０１〜３０質量部の範囲が好適であり、０．０５〜２０質量部の範囲がより好適であり、０．１〜１０質量部の範囲がさらに好適である。

本発明においては、粘土成分として、蛙目粘土、カオリン粘土、タルク等を含有していてもよく、解膠剤等の添加剤を加えてもよい。

前記セラミックス粉末、水などの分散媒及び必要に応じて添加される分散剤、無機バインダー、炭素材料などの成分は、秤量後、セラミックス製品の製造分野等で周知の混合機（ミキサー）を用いて混合し、均一なセラミックススラリーを調製する。
前記合成樹脂発泡体の網目構造内にセラミックススラリーを含浸させる方法は、特に限定されないが、例えば、セラミックススラリー中に合成樹脂発泡体を浸漬して引き上げる方法、浸漬後に減圧してスラリー含浸を促進させる方法、遠心力を加えながらスラリーを合成樹脂発泡体に含浸させる方法などが挙げられる。
ここで、セラミックススラリーの合成樹脂発泡体に対する添着量は、合成樹脂発泡体１００質量部に対して５００〜２０００質量部の範囲が好適であり、８００〜１２００質量部の範囲がより好適である。

そして合成樹脂発泡体の網目構造内にセラミックススラリーを含浸させた後、これを乾燥させて分散媒を除去し、合成樹脂発泡体の網目構造内にセラミックス生地が保持されているセラミックス原料体を製造する。
この乾燥処理は、通風乾燥、熱風乾燥、オーブン加熱などの乾燥法により実施可能であるが、余りにも急速に分散媒を除去するとセラミックス生地に割れを生じることが多くなるので、比較的低温での通風乾燥によって行うことが好ましい。この乾燥温度は、１０〜８０℃の範囲とすることが好適であり、３０〜７０℃の範囲がより好適であり、４０〜６０℃の範囲がさらに好適である。

［第２工程］
次に、前記第１工程において乾燥を終えて得られたセラミックス原料体に熱処理を施して三次元多孔構造をもつセラミックスブロックを得る第２工程を行う。
この第２工程における熱処理の温度は、前記合成樹脂発泡体の分解温度以上、前記セラミックス原料体が完全に焼結する温度未満の温度雰囲気中とし、セラミックスブロック中のセラミックスが収縮し始める温度よりも低いことが好ましく、従来技術における燒結時間より短い時間での熱処理とすることが好ましい。
セラミックス原料体が完全に焼結する温度は、例えばアルミナセラミックスであれば、約１２５０〜１６５０℃であることが知られている。また、収縮し始める温度とは、例えばアルミナセラミックスであれば、１１００℃であることが知られている。

この熱処理温度は、使用する合成樹脂発泡体の種類などによって変更可能であるが、例えば合成樹脂発泡体としてポリウレタンフォームを用いた場合には、１７０〜１０９０℃の範囲が好ましく、２００〜８００℃の範囲がより好ましく、２００〜５００℃の範囲が特に好ましい。この温度範囲での熱処理は、比較的安価なオーブン式加熱装置などを使用して行うことができる。

熱処理時間は、１〜２４時間の範囲が好ましく、２〜１２時間の範囲がより好ましく、２〜６時間の範囲がさらに好ましい。
この第２工程における熱処理では、セラミックス原料体中の合成樹脂発泡体が、完全に焼失せずに、炭化した残渣が残っていてもよい。

熱処理後、得られるセラミックスブロックは、三次元多孔構造を持ち、持ち運びを行っても崩れや欠けなどが生じない程度の強度を持っている。
前記セラミックススラリー中に、無機バインダーを添加することによって、このセラミックスブロックの強度を高めることができる。

前記熱処理は、一定の温度でセラミックス原料体を加熱してもよいし、最低温度から最高温度まで徐々に昇温するような加熱方法でもよい。さらに、２００〜３００℃程度の比較的低温雰囲気下で一定時間加熱後、４００〜５００℃程度の比較的高温雰囲気下でさらに一定時間加熱する方法であってもよい。

この第２工程の熱処理は、セラミックスブロック中のセラミックスが完全に焼結せず、かつセラミックス原料体中の合成樹脂発泡体が、完全に焼失せずに、炭化した残渣が残っていてもよい、比較的低温かつ短時間で行うことによって、セラミックス原料体を高温で長時間焼成してセラミックスブロックを作製する従来技術と比べ、熱エネルギーを削減でき、製造工程も簡略化できる。また、セラミックス原料体を高温で長時間焼成してセラミックスブロックとする場合、炭素材料などの焼失し易い成分を配合することが難しいが、本発明の製造方法では、炭素材料などの易焼失成分の添加が容易になる。

このセラミックスブロックは、連通気泡を有することが好ましい。セラミックスブロックの空孔率は、５〜３０ｐｐｉの範囲が好適であり、７〜２５ｐｐｉの範囲がより好適であり、１０〜２０ｐｐｉの範囲がさらに好適である。

また、このセラミックスブロックに、塗型剤を塗布しておいてもよい。塗型剤を塗布することにより、セラミックスブロックが熱衝撃等により崩壊するのを防ぐことができる。ここで塗型剤としては、鋳鉄用塗型剤であれば特に限定されないが、例えば、ＭｇＯ・ＳｉＯ_２系やジルコン系塗型剤が挙げられる。

［第３工程］
次に、前記第２工程で得られたセラミックスブロックを、成形型（制輪子用成形型）のキャビティ内に配置し、該キャビティ内に金属溶湯を注入し、冷却することによって鉄道車輌用制輪子を得る第３工程を行う。
成形型にセラミックスブロックを配置する方法は特に限定されないが、セラミックスブロックが制輪子の厚み方向中央よりも内側（車輪接触面側）に存在するように、成形型内に配置することが望ましい。成形型内に金属溶湯を注入した際、金属溶湯に比べて比重の小さなセラミックスブロックは溶湯中で浮上するので、セラミックスブロックの中心部に穴を設けておき、成形型に予め設けておいた棒状部材に該穴を通してセラミックスブロックを成形型内に置き、成形型内に金属溶湯を注入した際にセラミックスブロックが棒状部材に沿って浮上し、所定位置に達するように配置することができる。

図２は、前記第３工程において使用される成形型の一例を示す図である。
本例の成形型は、下型２Ａと、上型２Ｂとを備え、これらの型間にはキャビティＫが設けられている。下型２Ａの面上には、複数の棒状部材４が固定された背板５が設置され、これらの棒状部材４には、穴を有するセラミックスブロック１が嵌め込まれている。この清家型を用いて前記第３工程を行うには、図２（ａ）に示すように、セラミックスブロック１を配置した背板５を配置した状態で下型２Ａと上型２Ｂとを重ねて型閉めし、上型２Ｂのいずれかに設けた注湯口からキャビティＫ内に金属溶湯を注湯し、放冷後、型を開いて鉄道車輌用制輪子を取り出す。

前記金属溶湯としては、通常、鋳鉄が用いられるが、これに限らず、鉄を主成分とする各種の合金の中から選択した合金鋳鉄などを用いてもよい。金属溶湯の注入時温度は、使用する金属の種類に応じて決定され、鋳鉄或いは合金鋳鉄の場合には１２５０〜１５００℃の範囲が好適であり、１３５０〜１４００℃の範囲がより好適である。

前記成形型としては、鉄道車輌用制輪子の製造分野で周知の鋳型を用いることができる。
鋳型は鋳物砂を用い、珪砂（北日本産業社製、東北珪砂５号）やオリビン砂（東邦オリビン工業社製、オリビンサンド５号）などを用いる。鋳物砂には粘結剤のベントナイト（クニミネ工業社製、クニボンドＭ−７）を添加し、鋳物砂水分量は３．５〜４．０％で管理する。
成形型にセラミックスブロックを配置する棒状部材４は、鋼製の背板５に固定されており、この背板５の表面には、脆化防止のため塗型剤を塗布しておくことが好ましい。塗型剤としては、鋳鉄用塗型剤であれば特に限定されないが、例えば、ＭｇＯ・ＳｉＯ_２系やジルコン系塗型剤が挙げられる。

金属溶湯を成形型内に注入し、冷却後、成形型から鉄道車輌用制輪子を取り出す。
このようにして得られた鉄道車輌用制輪子は、金属からなる本体にセラミックスブロックが埋め込まれた状態になっており、金属溶湯との接触によってセラミックスがある程度焼結され、かつセラミックスブロックの多孔構造内に金属が侵入して一体化された状態になっている。

本発明の鉄道車輌用制輪子の製造方法は、三次元網目構造を有する合成樹脂発泡体にセラミックススラリーを含浸保持させ、これを乾燥させてセラミックス原料体とし、次いでこのセラミックス原料体を、前記合成樹脂発泡体の分解以上、前記セラミックス原料体が完全に焼結する温度未満の温度雰囲気中で熱処理して三次元多孔構造をもつセラミックスブロックとし、次いでこのセラミックスブロックを焼結することなく成形型のキャビティ内に配置し、該キャビティ内に金属溶湯を注入し、冷却することによって鉄道車輌用制輪子を得ることによって、セラミックス原料体を高温で長時間焼成してセラミックスブロックを作製する従来技術と比べ、熱エネルギーを削減でき、製造工程も簡略化できることから、鉄道車輌用制輪子の製造コストを低減することができる。

≪鉄道車輌用制輪子の製造≫
［実施例１］
（第１工程：（ａ）スラリーの調製）
成分１：アルミナ（昭和電工社製、ＡＬ−１７０） １００質量部
成分２：第一リン酸アルミニウム溶液（多木化学社製、５０Ｌ） ４０質量部
成分３：蛙目粘土（共立マテリアル社製、蛙目粘土特級粉末ＫＨ） ２質量部
成分４：タルク（丸尾カルシウム社製、ＰＫＰ＃８０） １．５質量部
成分５：水 ２質量部
前記成分１〜成分５をすり鉢で混ぜてセラミックススラリーを調製した。

（第１工程：（ｂ）セラミックス原料体の作製）
前記セラミックススラリーを、サンプルサイズ（φ６５ｍｍ、厚み２２ｍｍ）のポリウレタンフォーム（イノアックコーポレーション社製、ＭＦ−７）へ含浸させ、セラミックス原料体を作製した。セラミックススラリーの添着量は、１個のサンプル当たり３５ｇとした。

（第２工程：セラミックスブロックの作製）
前記セラミックス原料体は、まず５０℃で乾燥し、次いで２００℃の加熱炉内に入れ、１５０℃／ｈの昇温速度で４５０℃まで加熱し、３．５時間保持した。加熱後、セラミックスブロック１Ａを取り出した。
得られたセラミックスブロック１Ａは、図１に示すように、ポリウレタンフォームがほぼ焼失し、三次元多孔構造を有していた。このセラミックスブロック１Ａは、無機バインダーとして配合した第一リン酸アルミニウムによって強度を保っており、普通に持ち運びが可能であった。
得られたセラミックスブロック１Ａの空孔率は１０ｐｐｉであった。

（第３工程：鉄道車輌用制輪子の製造）
前記セラミックスブロック１Ａの中央に穴を開け、図２に示すように、制輪子製造用の成形型の下型２Ａに配置される背板５に固定された棒状部材４に、該穴を挿通した状態でセットし、上型２Ｂを閉じた。
次に、この成形型のキャビティＫ内に、１３９５℃の金属溶湯（合金鋳鉄）を注湯した。放冷後、成形型から鉄道車輌用制輪子サンプル３Ａを取り出した。得られた鉄道車輌用制輪子サンプル３Ａは、図３及び図４に示すように、三次元多孔構造を有するセラミックスブロックが合金鋳鉄からなる本体に埋め込まれた状態になっていた。
さらに、鉄道車輌用制輪子サンプル３Ａを走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察し、併せてエネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ）による元素マッピングも実施した。この結果を図５に示した。ＳＥＭ観察による粒状物が、ＥＤＸ分析からアルミ二ウム及び酸素が検出され、粒状物がアルミナ粒子であることは明らかである。

［実施例２］
（第１工程：（ａ）スラリーの調製）
成分１：アルミナ（昭和電工社製、ＡＬ−１７０） １００質量部
成分２：第一リン酸アルミニウム溶液にカーボンナノチューブを４質量％分散させた水分散液（第一リン酸アルミニウム溶液（多木化学社製、５０Ｌ）１２質量部、カーボンナノチューブ（バイエル社製、ＢａｙｔｕｂｅｓＣ１５０Ｐ）８質量部）２０質量部
成分３：第一リン酸アルミニウム溶液（多木化学社製、５０Ｌ） ２０質量部
成分４：蛙目粘土（共立マテリアル社製、蛙目粘土特級粉末ＫＨ） ２質量部
成分５：タルク（丸尾カルシウム社製、ＰＫＰ＃８０） １．５質量部
成分６：解膠剤（中京油脂社製、セルナＤ−３０５、陰イオン、液状） ２質量部
成分７：水 ５質量部
前記成分１〜成分６をすり鉢で混ぜてセラミックススラリーを調製した。

（第１工程：（ｂ）セラミックス原料体の作製）
前記セラミックススラリーを、サンプルサイズ（φ６５ｍｍ、厚み２２ｍｍ）のポリウレタンフォーム（イノアックコーポレーション社製、ＭＦ−７）へ含浸させ、セラミックス原料体を作製した。セラミックススラリーの添着量は、１個のサンプル当たり３５ｇとした。

（第２工程：セラミックスブロックの作製）
前記セラミックス原料体は、５０℃で乾燥し、１５０℃／ｈの昇温速度で４５０℃まで加熱し、３．５時間保持した。加熱後、セラミックスブロック１Ｂを取り出した。
得られたセラミックスブロック１Ｂは、図６に示すように、カーボンナノチューブを添加していることで、図１のセラミックスブロック１Ａと比べて黒っぽくなった。このセラミックスブロック１Ｂは、無機バインダーとして配合した第一リン酸アルミニウムによって強度を保っており、普通に持ち運びが可能であった。

（第３工程：鉄道車輌用制輪子の製造）
前記セラミックスブロック１Ｂの中央に穴を開け、図２に示すように、制輪子製造用の成形型の下型２Ａに配置される背板５に固定された棒状部材４に、該穴を挿通した状態でセットし、上型２Ｂを閉じた。
次に、この成形型のキャビティＫ内に、１３９５℃の金属溶湯（合金鋳鉄）を注湯した。放冷後、成形型から鉄道車輌用制輪子サンプル３Ｂを取り出した。得られた鉄道車輌用制輪子サンプル３Ｂは、図７及び図８に示すように、三次元多孔構造を有するセラミックスブロックが合金鋳鉄からなる本体に埋め込まれた状態になっていた。
さらに、鉄道車輌用制輪子サンプル３Ｂを走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察し、併せてエネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ）による元素マッピングも実施した。
この結果を図９に示した。ＳＥＭ観察による粒状物が、ＥＤＸ分析からアルミ二ウム及び酸素が検出され、粒状物がアルミナ粒子であることは明らかである。

［実施例３］
（第１工程：（ａ）スラリーの調製）
成分１：アルミナ（昭和電工社製、ＡＬ−１７０） １００質量部
成分２：第一リン酸アルミニウム溶液にカーボンナノチューブを４質量％分散させた水分散液（第一リン酸アルミニウム溶液（多木化学社製、５０Ｌ）１２質量部、カーボンナノチューブ（昭和電工製、ＶＧＣＦ−Ｈ）８質量部） ２０質量部
成分３：第一リン酸アルミニウム溶液（多木化学社製、５０Ｌ） ２０質量部
成分４：蛙目粘土（共立マテリアル社製、蛙目粘土特級粉末ＫＨ） ２質量部
成分５：タルク（丸尾カルシウム社製、ＰＫＰ＃８０） １．５質量部
成分６：解膠剤（中京油脂社製、セルナＤ−３０５、陰イオン、液状） ２質量部
成分７：水 ７．５質量部
前記成分１〜成分６をすり鉢で混ぜてセラミックススラリーを調製した。

（第１工程：（ｂ）セラミックス原料体の作製）
前記セラミックススラリーを、サンプルサイズ（φ６５ｍｍ、厚み２２ｍｍ）のポリウレタンフォーム（イノアックコーポレーション社製、ＭＦ−７）へ含浸させ、セラミックス原料体を作製した。セラミックススラリーの添着量は、１個のサンプル当たり３５ｇとした。

（第２工程：セラミックスブロックの作製）
前記セラミックス原料体は、５０℃で乾燥し、１５０℃／ｈの昇温速度で４５０℃まで加熱し、３．５時間保持した。加熱後、セラミックスブロック１Ｄを取り出した。
このセラミックスブロック１Ｄは、図１０に示すように、無機バインダーとして配合した第一リン酸アルミニウムによって強度を保っており、普通に持ち運びが可能であった。

（第３工程：鉄道車輌用制輪子の製造）
前記セラミックスブロック１Ｂの中央に穴を開け、図２に示すように、制輪子製造用の成形型の下型２Ａに配置される背板５に固定された棒状部材４に、該穴を挿通した状態でセットし、上型２Ｂを閉じた。
次に、この成形型のキャビティＫ内に、１３９５℃の金属溶湯（合金鋳鉄）を注湯した。放冷後、成形型から鉄道車輌用制輪子を取り出した。得られた鉄道車輌用制輪子サンプルは、三次元多孔構造を有するセラミックスブロックが合金鋳鉄からなる本体に埋め込まれた状態になっていた。

［実施例４］
（第１工程：（ａ）スラリーの調製）
成分１：アルミナ（大明化学工業社製、ＴＭ−ＤＡＲ） １００質量部
成分２：カーボンナノチューブ（ナノカーボンテクノロジーズ社製、ＭＷＮＴ７）が３質量％分散された水分散液 １６．６質量部
成分３：蛙目粘土（共立マテリアル社製、蛙目粘土特級粉末ＫＨ） ２質量部
成分４：タルク（丸尾カルシウム社製、ＰＫＰ＃８０） ２質量部
成分５：解膠剤（中京油脂社製、セルナＤ−３０５、陰イオン、液状） ２質量部
成分６：水 １１質量部
前記成分１〜成分６をすり鉢で混ぜてセラミックススラリーを調製した。

（第１工程：（ｂ）セラミックス原料体の作製）
前記セラミックススラリーを、サンプルサイズ（φ７５ｍｍ、厚み２５ｍｍ）のポリウレタンフォーム（イノアックコーポレーション社製、ＭＦ−７）へ含浸させ、セラミックス原料体を作製した。セラミックススラリーの添着量は、１個のサンプル当たり５０ｇとした。

（第２工程：セラミックスブロックの作製）
前記セラミックス原料体は、５０℃で乾燥し、３００℃／ｈの昇温速度で２００℃まで加熱し、３時間保持した。加熱後、セラミックスブロックを取り出した。
得られたセラミックスブロック１Ｃは、図１１に示すように、普通に持ち運びが可能であった。

（第３工程：鉄道車輌用制輪子の製造）
前記セラミックスブロック１Ｃの中央に穴を開け、図２に示すように、制輪子製造用の成形型の下型２Ａに配置される背板５に固定された棒状部材４に、該穴を挿通した状態でセラミックスブロック１Ｃをセットし、上型２Ｂを閉じた。
次に、この成形型のキャビティＫ内に、１３９５℃の金属溶湯（合金鋳鉄）を注湯した。放冷後、成形型から鉄道車輌用制輪子サンプル３Ｃを取り出した。得られた鉄道車輌用制輪子サンプル３Ｃは、図１２及び図１３に示すように、三次元多孔構造を有するセラミックスブロックが合金鋳鉄からなる本体に埋め込まれた状態になっていた。
さらに、鉄道車輌用制輪子サンプル３Ｃを走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察し、併せてエネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ）による元素マッピングも実施した。
この結果を図１４に示した。ＳＥＭ観察による粒状物が、ＥＤＸ分析からアルミ二ウム及び酸素が検出され、粒状物がアルミナ粒子であることは明らかである。

［実施例５］
（第１工程：（ａ）スラリーの調製）
成分１：アルミナ（大明化学工業社製、ＴＭ−ＤＡＲ） １００質量部
成分２：カーボンナノチューブ（ナノカーボンテクノロジーズ社製、ＭＷＮＴ７）が１０質量％分散された水分散液 １６．６質量部
成分３：蛙目粘土（共立マテリアル社製、蛙目粘土特級粉末ＫＨ） ２質量部
成分４：タルク（丸尾カルシウム社製、ＰＫＰ＃８０） ２質量部
成分５：解膠剤（中京油脂社製、セルナＤ−３０５、陰イオン、液状） ２質量部
成分６：水 １１質量部
前記成分１〜成分６をボールミルやポットミルを用いて混合してセラミックススラリーを調製した。

（第１工程：（ｂ）セラミックス原料体の作製）
前記セラミックススラリーを、サンプルサイズ（φ７５ｍｍ、厚み２５ｍｍ）のポリウレタンフォーム（イノアックコーポレーション社製、ＭＦ−７）へ含浸させ、セラミックス原料体を作製した。セラミックススラリーの添着量は、１個のサンプル当たり５０ｇとした。

（第２工程：セラミックスブロックの作製）
前記セラミックス原料体は、５０℃で乾燥した。
次に、第一リン酸アルミニウム溶液（多木化学社製、５０Ｌ）の乾燥済みのセラミックス原料体を１時間浸漬し、セラミックス中に第一リン酸アルミニウム溶液を含浸させた。
次に、５０℃で乾燥し、１００℃／ｈの昇温速度で２００℃まで加熱し、３時間保持した。加熱後、セラミックスブロックを取り出した。
得られたセラミックスブロックは、無機バインダーとして配合した第一リン酸アルミニウムによって強度を保っており、普通に持ち運びが可能であった。

（第３工程：鉄道車輌用制輪子の製造）
前記セラミックスブロックの中央に穴を開け、図２に示すように、制輪子製造用の成形型の下型２Ａに配置される背板５に固定された棒状部材４に、該穴を挿通した状態でセラミックスブロックをセットし、上型２Ｂを閉じた。
次に、この成形型のキャビティＫ内に、１３９５℃の金属溶湯（合金鋳鉄）を注湯した。放冷後、成形型から鉄道車輌用制輪子サンプルを取り出した。得られた鉄道車輌用制輪子サンプルは、三次元多孔構造を有するセラミックスブロックが合金鋳鉄からなる本体に埋め込まれた状態になっていた。

≪制輪子のブレーキ性能試験≫
実施例１〜３、１０、比較例１、２の製造方法により製造した制輪子のブレーキ性能試験を行った。
試験は、所定の速度で回転している車輪に左右から２個の制輪子を押しつけ、停止するまでの各種性質を所定のブレーキ初速度毎に測定した。試験条件は「ＪＩＳ Ｅ ７５０１鉄道車両用鋳鉄制輪子の性能試験及び検査方法」の手順に一部準拠し、表１に示す試験条件により、ブレーキ停止距離（ｍ）及び制輪子摩耗量（ｍｍ／（回・個））の測定を行った。表１に試験条件の詳細を示す。

下記表２及び３にブレーキ停止距離（ｍ）及び制輪子摩耗量（ｍｍ／（回・個））の測定結果を示す。
比較例１は、図２に示すキャビティＫ内にセラミックスブロック１と棒状部材４を有さないとしたこと以外は、実施例１〜５の第三工程と同様の方法により製造したセラミックスブロックを有しない鉄道車輌用制輪子である。

＜比較例２の製造＞
（第１工程：（ａ）スラリーの調製）
成分１：アルミナ（昭和電工社製、ＡＬ−１７０） １００質量部
成分２：第一リン酸アルミニウム溶液（多木化学社製、５０Ｌ） ４０質量部
成分３：蛙目粘土（共立マテリアル社製、蛙目粘土特級粉末ＫＨ） ２質量部
成分４：タルク（丸尾カルシウム社製、ＰＫＰ＃８０） １．５質量部
成分５：水 ２質量部
前記成分１〜成分５をすり鉢で混ぜてセラミックススラリーを調製した。
（セラミックス原料体の作製）
前記セラミックススラリーを、サンプルサイズ（φ６５ｍｍ、厚み２２ｍｍ）のポリウレタンフォーム（イノアックコーポレーション社製、ＭＦ−７）へ含浸させ、セラミックス原料体を作製した。セラミックススラリーの添着量は、１個のサンプル当たり３５ｇとした。
（第２工程：セラミックスブロックの作製）
前記セラミックス原料体は、まず５０℃で乾燥し、２５〜６００℃、５０℃／ｈの昇温スピードで加熱した後、６００〜１５００℃、２００℃／ｈの昇温スピードで加熱して、１５００℃で一時間保持することにより酸素雰囲気下で脱脂及び焼結工程を行なった。その後、自然冷却によって、常温に戻した。これにより、アルミナ多孔質ブロックを得ることができた。
得られたセラミックスブロックの空孔率は１０ｐｐｉであった。
（第３工程：鉄道車輌用制輪子の製造）
得られたセラミックスブロックの中央に穴を開け、図２に示すように、制輪子製造用の成形型の下型２Ａに配置される背板５に固定された棒状部材４に、該穴を挿通した状態でセットし、上型２Ｂを閉じた。
次に、この成形型のキャビティＫ内に、１３９５℃の金属溶湯（合金鋳鉄）を注湯した。放冷後、成形型から鉄道車輌用制輪子を取り出した。

上記に示したように、内部にセラミックスブロックを有さない比較例１の制輪子に比べて、実施例１〜３の制輪子は、ブレーキ距離及び摩耗量は良好であった。
１５００℃と高い温度で燒結した比較例２に比べて、実施例１〜３のブレーキ距離は同程度の性能を示した。

≪セラミックスブロックの表面観察≫
上記実施例１〜３、及び比較例２の方法により製造したセラミックスブロックの表面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察した。その結果を図１７に示す。高温で燒結した比較例２は、完全に焼結されたため、表面が緻密化している。これに対し、実施例１〜３は、焼成が十分ではないため、表面は粒状となっていた。
しかしながら、上記≪制輪子のブレーキ性能試験≫に示した通り、完全に焼結され比較例２と、実施例１〜３のブレーキ距離は同程度の性能を示していた。

≪アルミナフォーム焼成温度試験≫
アルミナ（ＡＬ−１７０）１００ｇ、リン酸アルミニウム４０ｇ、蛙目粘土２ｇ、タルク１．５ｇを攪拌し、ウレタンフォーム２個に含浸させた。１つのウレタンフォームにアルミナを含浸させる質量は３５±１ｇとし、計８個含浸させた。
含浸させたものをセラミック製の容器に設置し、雰囲気炉で５０℃、１２時間、乾燥させた。その後、熱処理を２個ずつ、４５０℃×３．５ｈ（実施例６）、６５０℃×３．５ｈ（実施例７）、８５０℃×３．５ｈ（実施例８）、１０５０℃×３．５ｈ（実施例９）で行った。昇温はいずれも５０℃／ｈとし、コンプレッサーで１リットル／分の空気を流して熱処理を行った。熱処理終了後は炉内で冷却した。
一連の作業に当たり、アルミナをウレタンフォームへ含浸後、乾燥後、熱処理後の質量を測定し、質量変化を調べた。

熱処理後のアルミナフォームを図１５に示す。アルミナフォームは、熱処理後、ウレタンは消失する。実施例６は黒色、実施例７は灰色を呈しており、熱処理後のアルミナフォームの色から、炭化したウレタンフォームが残留したと考えられる。しかしながら、実施例８、実施例９の場合には、アルミナの白色を呈しており、ウレタンフォームの炭化物は除去され、アルミナの焼結も進行したと考えられる。

温度と質量変化の関係を図１６に示す。ウレタンフォームにアルミナを浸透させた時の質量を１００として、質量変化を示している。５０℃乾燥後で約５％質量が減少した。６５０℃までは熱処理温度が高いほど質量は減少するが、それ以降はほぼ横ばいである。そのことから、６５０℃でほぼウレタンフォームの炭化物は消失したと考えられる。焼結後の色の相違は、アルミナに炭化物が残留した状態によるものと考えられる。６５０℃ではアルミナは灰色であることから、ウレタンは消失しているものの、炭化物の除去は不完全であり、８５０℃以上で炭化物は除去されアルミナの焼結が完全なものに近くなるものと推察される。

セラミックスフォームの熱処理後の色と質量変化から、アルミナフォームの焼結温度は最低でも６５０℃で、１５００℃焼結と同等のブレーキ性能又は摩擦摩耗特性を維持する可能性が考えられる。

本発明は、鉄道車輌の制動装置に使用される鉄道車輌用制輪子の製造方法に関する。

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ…セラミックスブロック
２Ａ…成形型（下型）
２Ｂ…成形型（上型）
３Ａ、３Ｂ，３Ｃ…鉄道車輌用制輪子サンプル、
４…棒状部材
５…背板（バックメタル）
Ｋ…キャビティ

Claims (12)

1. 三次元網目構造を有する合成樹脂発泡体にセラミックススラリーを含浸保持させ、これを乾燥させてセラミックス原料体を製造する工程と、
   次いで前記セラミックス原料体を、前記合成樹脂発泡体の分解温度以上、前記セラミックス原料体が完全に燒結する温度未満の温度雰囲気中で熱処理して三次元多孔構造をもつセラミックスブロックを得る工程と、
   次いで、前記セラミックスブロックを成形型のキャビティ内に配置し、該キャビティ内に金属溶湯を注入し、冷却することによって鉄道車輌用制輪子を得ることを特徴とする鉄道車輌用制輪子の製造方法。
2. 前記セラミックス原料体に、前記合成樹脂発泡体の分解温度以上の温度で固化する無機バインダーを添加することを特徴とする請求項１に記載の鉄道車輌用制輪子の製造方法。
3. 前記無機バインダーが、第一リン酸アルミニウム又はリン酸アルミニウムを含んでいることを特徴とする請求項２に記載の鉄道車輌用制輪子の製造方法。
4. 前記セラミックス原料体に、炭素材料を添加することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の鉄道車輌用制輪子の製造方法。
5. 前記セラミックスブロックに塗型剤を塗布しておくことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の鉄道車輌用制輪子の製造方法。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の鉄道車輌用制輪子の製造方法により得られたことを特徴とする鉄道車輌用制輪子。
7. 三次元網目構造を有する合成樹脂発泡体にセラミックススラリーを含浸保持させ、これを乾燥させてセラミックス原料体を製造する工程と、次いで前記セラミックス原料体を、前記合成樹脂発泡体の分解温度以上、前記セラミックス原料体が完全に燒結する温度未満の温度雰囲気中で熱処理して三次元多孔構造をもつ鉄道車輌制輪子用セラミックスブロックを得ることを特徴とする鉄道車輌制輪子用セラミックスブロックの製造方法。
8. 前記セラミックス原料体に、前記合成樹脂発泡体の分解温度以上の温度で固化する無機バインダーを添加することを特徴とする請求項７に記載の鉄道車輌制輪子用セラミックスブロックの製造方法。
9. 前記無機バインダーが、第一リン酸アルミニウム又はリン酸アルミニウムを含んでいることを特徴とする請求項８に記載の鉄道車輌制輪子用セラミックスブロックの製造方法。
10. 前記セラミックス原料体に、炭素材料を添加することを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の鉄道車輌制輪子用セラミックスブロックの製造方法。
11. 前記セラミックスブロックに塗型剤を塗布する工程を含むことを特徴とする請求項７〜１０のいずれか１項に記載の鉄道車輌制輪子用セラミックスブロックの製造方法。
12. 請求項７〜１１のいずれか１項に記載の鉄道車輌制輪子用セラミックスブロックの製造方法により得られた鉄道車輌制輪子用セラミックスブロック。