JP6858842B2

JP6858842B2 - 焼結摩擦材

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Publication number: JP6858842B2
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Authority: JP
Inventors: 久保田　学; 学久保田; 直光水井; 史雄石本; 阿佐部　和孝; 和孝阿佐部; 修神田; 中野　暁; 暁中野; 武中野; 一道川崎; 功島添
Original assignee: Nippon Steel Corp; Fine Sinter Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp; Fine Sinter Co Ltd
Priority date: 2017-04-07
Filing date: 2017-04-07
Publication date: 2021-04-14
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Description

本発明は、焼結摩擦材に関し、特に鉄道用焼結摩擦材に関する。

鉄道車両用のブレーキライニングおよびディスクブレーキパッドには、金属粉粒体等を焼結して形成される焼結摩擦材が用いられている。これらの焼結摩擦材では、優れた摩擦特性とともに、優れた耐摩耗性が要求される。

例えば、特許文献１および２には、Ｃｕと、ＳｎまたはＺｎと、黒鉛と、潤滑材と、研磨材とを含有する焼結摩擦材料が開示されている。また、特許文献３および４には、熱的に極めて安定な４ａ、５ａ、６ａ族の炭化物を硬質粒子として含有させて、ディスク面を引っ掻き高摩擦係数を得る技術が開示されている。さらに、特許文献５には、ＷＣを微細分散させてＣｕ基材の高温強度を上げ、耐フェード性に優れた焼結摩擦材を製造する技術が開示されている。

特開昭６０−１０６９３２号公報特開昭６３−１０９１３１号公報特開平０５−１７９２３２号公報特開平０９−２２２１４３号公報特開２００７−１０７０６７号公報

日本の新幹線、ドイツのＩＣＥ（Ｉｎｔｅｒｃｉｔｙ−Ｅｘｐｒｅｓｓ）、フランスのＴＧＶ（ＴｒａｉｎａＧｒａｎｄｅＶｉｔｅｓｓｅ）等の高速鉄道車両の走行速度は、０〜７０ｋｍ／時の低速域、７０超〜１７０ｋｍ／時の中速域、１７０超〜２８０ｋｍ／時の高速域、２８０ｋｍ／時超の超高速域まで達する。したがって、鉄道用の焼結摩擦材では、低速域〜中速域だけでなく、高速域、超高速域においても優れた摩擦特性および耐摩耗性を発揮することが求められる。

鉄道用のブレーキ摩擦材において、摩擦特性と耐摩耗性とは、いわゆるトレードオフの関係にある。すなわち、摩擦特性を向上するために摩擦係数を向上しようとすれば、ブレーキ時の摩擦材の摩耗量が増大し、耐摩耗性が劣化して摩擦材の寿命が短くなる。その結果、摩擦材の交換頻度が増加するため、経済性を損なう。

一方、耐摩耗性を向上しようとすれば、摩擦係数が低下するため、安全性の観点から好ましくない。したがって、優れた摩擦特性と耐摩耗性とを兼ね備える鉄道用焼結摩擦材は、未だに開発されていないのが現状である。

本発明は上記の問題を解決し、低速域、中速域、高速域および２８０ｋｍ／時超の超高速域において、摩擦特性と耐摩耗性とを兼ね備える、総合的な特性に優れた鉄道用の焼結摩擦材を提供することを目的とする。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、下記の焼結摩擦材を要旨とする。

（１）質量％で、
Ｃｕおよび／またはＣｕ合金：４０．０〜８０．０％、
Ｎｉ：０％以上５．０％未満、
Ｓｎ：０〜１０．０％、
Ｚｎ：０〜１０．０％、
ＶＣ：０．５〜５．０％、
Ｆｅおよび／またはＦｅ合金：２．０〜４０．０％、
潤滑材：５．０〜３０．０％、および、
金属酸化物および／または金属窒化物：１．５〜３０．０％、
を含有し、残部は不純物からなる混合粉末を、８００℃以上で加圧焼結して形成される、焼結摩擦材。

（２）前記潤滑材は、
黒鉛：５．０〜１５．０％、
六方晶窒化硼素：３．０％以下、
二硫化モリブデン：３．０％以下、
マイカ：３．０％以下、ならびに、
二硫化タングステン、硫化鉄、硫化クロム、硫化銅および銅マットから選択される１種以上：１０．０％以下、
から選択される１種以上を含む、
上記（１）に記載の焼結摩擦材。

（３）前記金属酸化物および／または金属窒化物は、
マグネシア、ジルコンサンド、シリカ、ジルコニア、ムライトおよび窒化珪素から選択される１種以上を含む、
上記（１）または（２）に記載の焼結摩擦材。

（４）前記Ｆｅ合金は、
フェロクロム、フェロタングステン、フェロモリブデンおよびステンレス鋼から選択される１種以上を含む、
上記（１）から（３）までのいずれかに記載の焼結摩擦材。

本発明によれば、低速域、中速域、高速域および２８０ｋｍ／時超の超高速域において、優れた摩擦特性と耐摩耗性とを兼ね備える、鉄道用の焼結摩擦材が得られる。

図１は、ブレーキ試験に用いられるベンチ試験機の概要を説明するための図である。

本発明者らは、低速域、中速域、高速域だけでなく、２８０ｋｍ／時超の超高速域での摩擦特性および耐摩耗性について調査および検討を行った。そして、実用上、特に重要な速度域は中高速域〜超高速度域であるため、１６０〜３６５ｋｍ／時における摩擦特性および耐摩耗性について、総合的な評価を行った。

その結果、マトリクス成分をＣｕ主体として、適切な量のバナジウム炭化物（以下ＶＣと表記）を含有した混合粉末を周知の加圧焼結法により焼結して形成された焼結摩擦材は、上記の速度域において優れた摩擦特性および耐摩耗性を兼ね備えることを見出した。

なお、本発明に係る焼結摩擦材は焼結材である。本焼結材は、加圧焼結時の焼結温度により、焼結材の構造（ネック太さ、粉末粒子同士の結合状態、焼結材内部の空孔の分散状況等）が決定される。これらの構造について、現時点の測定技術および解析技術では、数値限定等により特定することは極めて困難である。そのため、本発明の焼結摩擦材は、上記のとおり、加圧焼結時の焼結温度を発明特定事項に含める。

以下、本発明に係る焼結摩擦材について詳しく説明する。

１．化学組成
本発明の焼結摩擦材は、上述のとおり、鉄道車両用のブレーキライニングまたはディスクブレーキパッドに利用される。焼結摩擦材の原料となる混合粉末は、次の組成（マトリクスおよび分散剤）を含有する。混合粉末の各粒子の粒径は特に限定されないが、一例としては１〜１０００μｍである。以下、混合粉末の組成に関する「％」は質量％を意味する。

１−１．マトリクス（基材）
Ｃｕおよび／またはＣｕ合金：４０．０〜８０．０％
銅（Ｃｕ）は、焼結摩擦材のマトリクス（基材）として機能する。Ｃｕは高い熱伝導性を有する。そのため、ブレーキ時（摩擦時）における制動対象（ブレーキディスク等）と焼結摩擦材との界面温度の上昇を抑えることができ、過度の焼付き発生を抑制する。そのため、焼結摩擦材の耐摩耗性が高まる。

混合粉末中のＣｕおよび／またはＣｕ合金の合計含有量が４０．０％未満では、上記効果が得られない。一方、上記の合計含有量が８０．０％を超えると、摩擦係数が過剰に大きくなる。この場合、制動対象（例えばブレーキディスク等）の摺動面に対する凝着による摩擦が過剰に発生して、焼結摩擦材の耐摩耗性が低下する。

したがって、Ｃｕおよび／またはＣｕ合金の合計含有量は、４０．０〜８０．０％とする。上記合計含有量は、５０．０％以上であるのが好ましく、５５．０％以上であるのがより好ましく、６０．０％以上であるのがさらに好ましい。また、７５．０％以下であるのが好ましく、７０．０％以下であるのがより好ましく、６７．０％以下であるのがさらに好ましい。

Ｎｉ：０％以上５．０％未満
ニッケル（Ｎｉ）は、基材のＣｕに固溶し、基材の融点を高め、高温での強度を高める効果を有するため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｎｉ含有量が５．０％以上であると、焼結性が低下する場合がある。そのため、Ｎｉ含有量は５．０％未満とする。Ｎｉ含有量は３．０％以下であることが好ましい。上記効果を得たい場合には、Ｎｉ含有量は０．５％以上であることが好ましい。

Ｓｎ：０〜１０．０％
Ｓｎは、Ｃｕよりも融点が低い金属であるため、焼結の加熱工程において溶融相を出現させることにより粉体同士が表面張力で引き合う。その結果、焼結体の密度が高くなり、曲げ強度も高まる。そのため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｓｎ含有量が過剰な場合には、耐熱性を劣化させ、フェードが発生し易くなる。そのため、Ｓｎ含有量は１０．０％以下とする。Ｓｎ含有量は５．０％以下であることが好ましく、３．０％以下であることがより好ましい。上記効果を得たい場合には、Ｓｎ含有量は０．３％以上であることが好ましく、０．５％以上であることがより好ましい。

Ｚｎ：０〜１０．０％
Ｚｎは、Ｃｕよりも融点が低い金属であるため、焼結の加熱工程において溶融相を出現させることにより粉体同士が表面張力で引き合う。その結果、焼結体の密度が高くなり、曲げ強度も高まる。そのため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｚｎ含有量が過剰な場合には、耐熱性を劣化させ、フェードが発生し易くなる。そのため、Ｚｎ含有量は１０．０％以下とする。Ｓｎ含有量は５．０％以下であることが好ましく、３．０％以下であることがより好ましい。上記効果を得たい場合には、Ｚｎ含有量は０．３％以上であることが好ましく、０．５％以上であることがより好ましい。

なお、上記のＳｎおよびＺｎを複合的に含有させる場合には、その合計含有量は５．０％未満であることが好ましく、４．０％以下であることが好ましい。

１−２．分散剤
ＶＣ：０．５〜５．０％
バナジウム炭化物（ＶＣ）は、硬質粒子であり、マトリクス中に粒子として含有される。ＶＣ含有による特性向上には、耐摩耗性を向上する効果と、摩擦係数を向上する効果との両方がある。これは、ＶＣが硬質粒子として制動対象（ブレーキディスク等）の摺動面を引掻くことにより、摺動面に生成される酸化膜を除去し、凝着を安定的に発生させる効果を有すると同時に、潤滑材としても機能することによって、摩擦材の摩耗量を低減する効果をも有するためである。

このようなＶＣの特異な機能により、下記の２つの効果が得られることとなる。すなわち、（ａ）高い摩擦係数を有するが、相対的に耐摩耗特性が劣る摩擦材にＶＣを添加すると、耐摩耗特性を顕著に向上する効果が得られる。また、（ｂ）耐摩耗特性に優れるが、相対的に摩擦係数が低い摩擦材にＶＣを添加すると、摩擦係数を向上する効果が得られる。したがって、ＶＣの添加により、摩擦材の特性バランスを改善することが可能となる。その結果、従来トレードオフの関係であった摩擦特性と耐摩耗性とを兼ね備えた摩擦材を得ることができる。

しかしながら、ＶＣの含有量が高すぎれば、焼結摩擦材の焼結性が低下して、耐摩耗性が低下する。したがって、ＶＣ含有量は０．５〜５．０％とする。ＶＣ含有量は０．６％以上であるのが好ましく、１．０％以上であるのがより好ましい。また、ＶＣ含有量は３．０％以下であるのが好ましく、２．５％以下であるのがより好ましい。

Ｆｅおよび／またはＦｅ合金：２．０〜４０．０％
鉄（Ｆｅ）およびＦｅ合金は、マトリクス中に粒子または凝集体として含有され、マトリクスの強度を高めることによって焼結摩擦材の耐摩耗性を向上させる。また、ディスク中のＦｅと反応し、ともがね効果と呼ばれる凝着摩擦を生じ、摩擦係数を高める。混合粉末中のＦｅおよび／またはＦｅ合金の合計含有量が２．０％未満では、上記効果が得られない。一方、上記の合計含有量が４０．０％を超えると、過度の凝着が発生しやすくなるだけでなく、焼結摩擦材の焼結性が低下して、耐摩耗性がかえって低下する。

したがって、Ｆｅおよび／またはＦｅ合金の合計含有量は、２．０〜４０．０％とする。上記合計含有量は、５．０％以上であるのが好ましく、１０．０％以上であるのがより好ましく、１２．０％以上であるのがさらに好ましい。また、３５．０％以下であるのが好ましく、３０．０％以下であるのがより好ましく、２５．０％以下であるのがさらに好ましい。

なお、Ｆｅ含有量が高すぎれば、過度の凝着が発生しやすくなり、焼結摩擦材の耐摩耗性がかえって低下する。したがって、Ｆｅ単体の含有量は２０．０％以下であるのが好ましく、１５．０％であるのがより好ましく、１２．０％以下であるのがさらに好ましい。

また、Ｆｅ合金としては、例えば、フェロクロム（ＦｅＣｒ）、フェロタングステン（ＦｅＷ）、フェロモリブデン（ＦｅＭｏ）およびステンレス鋼が挙げられ、これらから選択される１種以上を含有させることができる。Ｆｅ合金の合計含有量は２０．０％以下であるのが好ましく、１８．０％以下であるのがより好ましく、１６．０％以下であるのがさらに好ましい。

本明細書において、フェロクロムは、ＪＩＳＧ２３０３（１９９８）に規定された高炭素フェロクロム（ＦＣｒＨ０〜ＦＣｒＨ５）、中炭素フェロクロム（ＦＣｒＭ３、ＦＣｒＭ４）、および低炭素フェロクロム（ＦＣｒＬ１〜ＦＣｒＬ４）の１種以上を含む。

また、フェロタングステンは、ＪＩＳＧ２３０６（１９９８）に規定された化学組成を有するフェロタングステン（ＦＷ）を意味する。さらに、フェロモリブデンは、ＪＩＳＧ２３０７（１９９８）に規定された高炭素フェロモリブデン（ＦＭｏＨ）および低炭素フェロモリブデン（ＦＭｏＬ）の１種以上を含む。

そして、本明細書において、ステンレス鋼は、５０質量％以上のＦｅと１０．５％以上のクロムとを含有する合金鋼を意味し、より好ましくは、ＪＩＳＧ４３０４（２０１２）に規定されたステンレス鋼を意味する。例えば、上記ＪＩＳ規格で規定されるＳＵＳ４０３、ＳＵＳ４２０に代表されるマルテンサイト系ステンレス鋼でもよいし、ＳＵＳ４３０に代表されるフェライト系ステンレス鋼でもよい。ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌに代表されるオーステナイト系ステンレス鋼でもよい。ＳＵＳ３２９Ｊ１に代表されるオーステナイト・フェライト系ステンレス鋼でもよい。ＳＵＳ６３０に代表される析出硬化系ステンレス鋼でもよい。

潤滑材：５．０〜３０．０％
本発明の焼結摩擦材は、潤滑材を含有する。潤滑材の含有量が５．０％未満では、摩擦係数の安定化が不足する場合があり、一方、３０．０％を超えると、焼結性が劣化し、十分な焼結体強度が得られない場合があるだけでなく、耐摩耗性も劣化する場合がある。したがって、潤滑材の含有量は５．０〜３０．０％とする。

潤滑材としては、黒鉛、六方晶窒化硼素、二硫化モリブデン、マイカ、二硫化タングステン、硫化鉄、硫化クロム、硫化銅および銅マットから選択される１種以上を含むことが好ましい。特に、潤滑材として黒鉛を以下に示す範囲で含むことが好ましい。その理由について説明する。

黒鉛：５．０〜１５．０％
本明細書でいう黒鉛は、天然黒鉛と人工黒鉛とを含む。加圧焼結後の焼結摩擦材において、黒鉛は粒子としてマトリクス中に含有される。黒鉛は、潤滑材として機能し、摩擦係数を安定化し、焼結摩擦材の摩耗量を低減する。黒鉛含有量が５．０％未満であると、上記効果が得られない場合がある。一方、黒鉛含有量が１５．０％を超えると、加圧焼結時に混合粉末が十分に焼結されず、その結果、焼結摩擦材の耐摩耗性が低下するおそれがある。したがって、黒鉛含有量は５．０〜１５．０％であるのが好ましい。黒鉛含有量は８．０％以上であるのが好ましく、９．０％以上であるのがより好ましい。また、黒鉛含有量は１３．０％以下であるのが好ましく、１２．０％以下であるのがより好ましい。

さらに、潤滑材として、下記（ａ）〜（ｄ）からなる群から選択される１種以上を含有してもよい。
（ａ）六方晶窒化硼素：３．０％以下
（ｂ）二硫化モリブデン：３．０％以下
（ｃ）マイカ：３．０％以下
（ｄ）二硫化タングステン、硫化鉄、硫化クロム、硫化銅および銅マットから選択される１種以上：１０．０％以下

六方晶窒化硼素（ｈ−ＢＮ）、二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）、マイカ（雲母）ならびに、二硫化タングステン（ＷＳ_２）、硫化鉄（ＦｅＳ）、硫化クロム（ＣｒＳ）、硫化銅（Ｃｕ_２Ｓ）および銅マットから選択される１種以上はいずれも、潤滑材として機能する。これらの潤滑材は、黒鉛と同様に、焼結摩擦材の摩擦係数を安定化し、優れた摩擦特性が得られる。

しかしながら、これらの各潤滑材の含有量が過剰であると、焼結摩擦材の焼結性が低下して、耐摩耗性が低下する。したがって、六方晶窒化硼素の含有量は３．０％以下であり、二硫化モリブデンの含有量は３．０％以下であり、マイカの含有量は３．０％以下であり、二硫化タングステン、硫化鉄、硫化クロム、硫化銅および銅マットから選択される１種以上の合計含有量は１０．０％以下である。

銅マットはＪＩＳＨ０５００（１９９８）の伸銅品用語番号５４００に記載されているものであり、主として硫化鉄と硫化銅とからなる。硫化鉄、硫化銅はそれぞれ単独で潤滑材として作用する。また、硫化鉄および硫化銅を混合物して使用してもよい。上述の銅マットは硫化鉄と硫化銅との混合物として使用でき、かつ安価であることから経済的な観点で有利である。

金属酸化物および／または金属窒化物：１．５〜３０．０％
金属酸化物および／または金属窒化物は、いずれも、硬質粒子として機能する。加圧焼結後の焼結摩擦材において、これらは、粒子としてマトリクス中に含有される。金属酸化物および／または金属窒化物はいずれも、制動対象（ブレーキディスク等）の摺動面を引掻くことにより、摺動面に生成される酸化膜を除去し、凝着を安定的に発生させる。これにより、焼結摩擦材の制動対象（ブレーキディスク等）に対する摩擦係数の低下を抑制でき、優れた摩擦特性が得られる。

金属酸化物および／または金属窒化物の合計含有量が１．５％未満では、優れた摩擦特性が得られない。一方、これらの合計含有量が３０．０％を超えると、焼結摩擦材の焼結性が低下する。この場合、焼結摩擦材の耐摩耗性が低下する。したがって、金属酸化物および／または金属窒化物の合計含有量は１．５〜３０．０％とする。上記の合計含有量は２．０％以上であるのが好ましく、４．０％以上であるのがより好ましい。また、合計含有量は２５．０％以下であるのが好ましく、２０．０％以下であるのがより好ましく、１５．０％以下であるのがさらに好ましい。

また、金属酸化物および／または金属窒化物としては、例えば、マグネシア（ＭｇＯ）、ジルコンサンド（ＺｒＳｉＯ_４）、シリカ（ＳｉＯ_２）、ジルコニア（ＺｒＯ_２）、ムライト（３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２〜２Ａｌ_２Ｏ_３・ＳｉＯ_２）および窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）が挙げられ、これらから選択される１種以上を含有させることができる。

焼結摩擦材用の混合粉末の残部は不純物である。ここで、不純物とは、混合粉末を工業的に製造する際に、原料または製造環境などから混入されるものであって、本発明の焼結摩擦材に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。

２．焼結摩擦材について
本発明による焼結摩擦材は、上述の混合粉末を８００℃以上で加圧焼結して形成される。本発明による焼結摩擦材は、Ｃｕを主体とするマトリクスに、特にＶＣを含有することにより、優れた摩擦特性と耐摩耗性とを兼ね備える。

３．製造方法
本発明の焼結摩擦材の製造方法の一例を説明する。本発明の焼結摩擦材の製造方法の一例は、混合粉末製造工程と、成形工程と、加圧焼結工程とを含む。上記製造方法はさらに、コイニング工程および／または切削加工工程を含んでもよい。以下、各工程について説明する。

３−１．混合粉末製造工程
上述のマトリクス用および分散剤用の粉粒体を準備する。準備された粉粒体を、周知の混合機を用いて混合（ミキシング）して、混合粉末を製造する。周知の混合機は例えば、ボールミルまたはＶ型混合機である。

３−２．成形工程
製造された混合粉末を所定の形状に成形して圧粉体を製造する。混合粉末の成形には、周知の成形法を適用すればよい。例えば、プレス成形法により、上記圧粉体を製造する。具体的には、所定の形状を成形するための金型（ダイ）を準備する。金型内に混合粉末を充填する。金型に充填された粉粒体は、プレス機により周知の圧力で加圧され、圧粉体に成形される。プレス機での圧力は例えば、１９６Ｎ／ｍｍ^２以上である。成形は大気中で行えばよい。

３−３．加圧焼結工程
製造された圧粉体に対して周知の加圧焼結法を実施して、焼結摩擦材を製造する。例えば、加圧焼結装置内の黒鉛板上に圧粉体を配置する。その後、内周面に高周波加熱コイルが配置された筐体状のフレーム内に、圧粉体が配置された黒鉛板を段積みにして格納する。その後、最上段の黒鉛板に圧力を付与して圧粉体を加圧しながら、焼結雰囲気中で所定の焼結温度で焼結する。

加圧焼結は、周知の条件で実施すればよい。加圧焼結時の焼結温度は、８００℃以上とする。但し、銅の融点は１０８３℃である。したがって、加圧焼結時の焼結温度は１０８３℃未満とする必要がある。好ましい焼結温度は、８００〜１０００℃である。加圧焼結時に圧粉体に付与する圧力は例えば、０．２〜２．０Ｎ／ｍｍ^２である。加圧焼結時の上記焼結温度での保持時間は例えば、６０〜１２０分である。加圧焼結時の雰囲気は例えば、ＡＸガス（アンモニア分解ガス、Ｎ_２：Ｈ_２＝１：３）、ＡＸガスとＮ_２ガスとの混合ガス（５〜２０％のＨ_２ガスと、Ｎ_２ガスとの混合ガス）、またはＡｒガス等である。

上記加圧焼結により、圧粉体内の粉粒体の接触部にネックが形成され、上述の焼結摩擦材が製造される。

３−４．コイニング工程
コイニング工程を加圧焼結工程後に実施してもよい。コイニング工程では、加圧焼結工程後の焼結摩擦材を冷間で加圧して、焼結摩擦材の形状を整える。

３−５．切削工程
切削工程を、加圧焼結工程後またはコイニング工程後に実施してもよい。切削工程では、焼結摩擦材を切削加工して、所望の形状とする。

以上の製造工程により本発明による焼結摩擦材が製造される。焼結摩擦材がブレーキラインニングである場合、取付板部材に１つまたは複数の焼結摩擦材が固定され、鉄道車両に取り付けられる。

以下、実施例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

表１に示す組成を有する混合粉末を製造した。なお、本実施例においては、摩擦特性を重視した成分設計としている。

具体的には、原料を、Ｖ型混合機に投入した後、回転速度２０〜４０ｒｐｍで２０〜１００分ミキシングして、混合粉末を製造した。そして、それぞれの混合粉末を用いて、成形加工により圧粉体を製造した。成形加工では、超硬合金からなる金型に混合粉末を充填した後、約３４３Ｎ／ｍｍ^２で加圧して、圧粉体を成形した。

圧粉体を加圧焼結法により加圧焼結し、焼結摩擦材を形成した。具体的には、黒鉛板上に圧粉体を配置した。その後、内周面に高周波加熱コイルが配置された筐体状のフレーム内に、圧粉体が配置された黒鉛板を段積みして格納した。９５０℃で６０分加熱し、圧粉体を１．０Ｎ／ｍｍ^２で加圧して圧粉体を焼結し、焼結摩擦材を製造した。加圧焼結中のフレーム内の雰囲気は、ＡＸガスとＮ_２ガスとの混合ガス（５％のＨ_２ガスと、残部：Ｎ_２ガスとの混合ガス）とした。以上の製造工程により、焼結摩擦材を製造した。

［ブレーキ試験］
製造された焼結摩擦材を用いて、ブレーキ試験を実施した。ブレーキ試験には、図１に示すベンチ試験機を用いた。ベンチ試験機は、ブレーキディスクと、フライホイールと、モータと、キャリパとを備える。ブレーキディスクは、シャフトを介して、フライホイールおよびモータと連結されている。ブレーキディスクの材質はＳＣＭ４４０鋼であり、焼入れ焼戻しにより、引張強さ１０００ＭＰａにしたものである。なお、ブレーキディスクは、新幹線で用いられるブレーキディスクの約１／２のサイズであり、直径が４００ｍｍ、厚さが２０ｍｍであった。

４つの焼結摩擦材（ライナー）を取付板に取り付けた。そして、４つの焼結摩擦材が取り付けられた取付板を２セット用意し、この取付板を各々キャリパの左右の内面に取り付けた。各焼結摩擦材は直方体であり、幅３８ｍｍ、長さ５５ｍｍ、高さ１５ｍｍであった。４つの焼結摩擦材は、ブレーキディスクの中心から半径１７０ｍｍの仮想円上に、ブレーキディスクの中心軸まわりに２５°ずつずらして一列に配列した。

［ブレーキ試験での摩擦係数測定］
その後、ブレーキ試験を実施した。具体的には、回転するブレーキディスクに対して、キャリパの左右内面に取り付けられた焼結摩擦材を、一定の圧力２．２４ｋＮでブレーキディスクの両面に押し付けて（ブレーキをかけて）、トルクを測定し、摩擦係数を求めた。ブレーキをかけ始めるときのディスクブレーキの速度（制動初速）を、１６０、２４０、３００、３２５、３６５ｋｍ／時として、それぞれの制動初速で摩擦係数を求めた。各制動初速において３回ブレーキをかけて摩擦係数を求め、３回の摩擦係数の平均値を、その制動初速での平均摩擦係数と定義した。平均摩擦係数の値が高いほど、摩擦特性が優れることとなる。

［ブレーキ試験での摩耗量］
上述の各制動初速でのブレーキ試験の前後での、焼結摩擦材の質量差を求め、得られた質量差から、１回のブレーキ試験でのブレーキディスクの片面あたりの焼結摩擦材の平均摩耗量（ｇ／片面）を求めた。具体的には、焼結摩擦材が取付板に取り付けられた状態で全体の質量を試験前に測定し、３回のブレーキ後に同じ状態で全体の質量を測定し、その質量差を１セットずつ求めた。そして、左右２セットの質量差を合計した後に、ブレーキ回数の３で除し、さらにセット数の２で除した値を、その制動速度での平均摩耗量（ｇ／片面・回）と定義した。平均摩耗量の値が低いほど、耐摩耗性が優れることとなる。

［試験結果］
マークＤ１〜Ｄ３の試験結果を表２に示す。また、１６０〜３６５ｋｍ／時における摩擦特性および耐摩耗性について総合的な評価を行うため、表２には、１６０、２４０、３００、３２５、３６５ｋｍ／時の各測定値の平均値を算出した値を併せて示している。

なお、焼結摩擦材の摩擦係数および摩耗量は、成分および製造条件に大きく依存するため、基準となる材料との相対的な差で、本発明の効果を評価する必要がある。摩擦特性の評価においては、基準となる比較例に比べて、平均摩擦係数が０．０１以上増加した場合に、向上効果が認められると判断することとした。また、平均摩擦係数の増加が少ないまたは減少している場合であっても、その値が全ての制動速度で０．３０以上であれば、実用上問題ないと判断することとした。

さらに、耐摩耗性の評価においては、基準となる比較例に比べて、平均摩耗量が１．０ｇ／片面・回以上減少している場合に、向上効果が認められると判断することとした。また、平均摩耗量の測定結果には比較的ばらつきが生じやすいことから、平均摩耗量が増加する場合も減少する場合も、その変化量が１．０ｇ／片面・回未満である場合には、誤差の範囲内であるため、変化なしと判断することとした。

表２を参照して、平均摩耗量が８．５６８（ｇ／片面・回）である比較例のＤ１に対して、ＶＣを添加したＤ２およびＤ３は、いずれも摩擦材の平均摩耗量が大きく減少し、耐摩耗性が大幅に改善された。平均摩擦係数はＶＣの添加によってわずかに低下したが、全ての制動速度で０．３０を大きく超えており、実用上問題ないと判定した。以上より、ＶＣ添加によって総合的に優れた特性を付与することができた。

ＶＣの含有量の影響を系統的に評価するためにさらに調査を行った。表３に示す組成を有する混合粉末を製造した。なお、本実施例においても、実施例１と同様に摩擦特性を重視した成分設計としている。

焼結摩擦材の製造条件、摩擦特性および耐摩耗性の評価方法ならびに評価基準は、実施例１と同じである。マークＥ１〜Ｅ４の試験結果を表４に示す。

表４を参照して、平均摩耗量が３．７５０（ｇ／片面・回）である比較例のＥ１に対して、ＶＣを添加したＥ２〜Ｅ４は、いずれも摩擦材の平均摩耗量が明らかに減少し、耐摩耗性が改善された。平均摩擦係数はＶＣの添加によってわずかに低下したものもあるが、全ての制動速度で０．３０を大きく超えており、実用上問題ないと判定した。以上より、ＶＣ添加によって総合的に優れた特性を付与することができた。

表５に示す組成を有する混合粉末を製造した。なお、本実施例においては、耐摩耗性を重視した成分設計としている。

焼結摩擦材の製造条件、摩擦特性および耐摩耗性の評価方法ならびに評価基準は、実施例１と同じである。マークＦ１〜Ｆ４の試験結果を表６に示す。

表６を参照して、比較例のＦ１に対してＶＣを添加したＦ２、および比較例のＦ３に対してＶＣを添加したＦ４は、いずれも平均摩擦係数が増加し、摩擦特性が改善された。一方、平均摩耗量の変化は小さく、もともと良好であった耐摩耗特性は変化しなかった。以上より、ＶＣ添加によって総合的に優れた特性を付与することができた。

ＶＣの含有量の影響を系統的に評価するためにさらに調査を行った。表７に示す組成を有する混合粉末を製造した。なお、本実施例においても、実施例３と同様に耐摩耗性を重視した成分設計としている。

焼結摩擦材の製造条件、摩擦特性および耐摩耗性の評価方法ならびに評価基準は、実施例１と同じである。マークＧ１〜Ｇ６の試験結果を表８に示す。

表８を参照して、比較例のＧ１に対してＶＣを添加したＧ２〜Ｇ６は、いずれも平均摩擦係数が増加し、摩擦特性が改善された。一方、平均摩耗量の変化は小さく、もともと平均摩耗量が２．８８０（ｇ／片面・回）と良好であった耐摩耗特性は変化しなかった。以上より、ＶＣ添加によって総合的に優れた特性を付与することができた。

Claims

質量％で、
Ｎｉ：０％以上５．０％未満、
Ｓｎ：０〜１０．０％、
Ｚｎ：０〜１０．０％、
ＶＣ：０．５〜５．０％、
Ｆｅおよび／またはＦｅ合金：２．０〜４０．０％、
潤滑材：５．０〜３０．０％、および、
金属酸化物および／または金属窒化物：１．５〜３０．０％、
を含有し、残部は４０．０〜８０．０％のＣｕおよび／またはＣｕ合金、ならびに不純物からなる混合粉末を、８００℃以上で加圧焼結して形成される、焼結摩擦材。
前記潤滑材は、
黒鉛：５．０〜１５．０％、
六方晶窒化硼素：３．０％以下、
二硫化モリブデン：３．０％以下、
マイカ：３．０％以下、ならびに、
二硫化タングステン、硫化鉄、硫化クロム、硫化銅および銅マットから選択される１種以上：１０．０％以下、
から選択される１種以上を含む、
請求項１に記載の焼結摩擦材。
前記金属酸化物および／または金属窒化物は、
マグネシア、ジルコンサンド、シリカ、ジルコニア、ムライトおよび窒化珪素から選択される１種以上を含む、
請求項１または請求項２に記載の焼結摩擦材。
前記Ｆｅ合金は、
フェロクロム、フェロタングステン、フェロモリブデンおよびステンレス鋼から選択される１種以上を含む、
請求項１から請求項３までのいずれかに記載の焼結摩擦材。