JPH0347945A - 鉄道車両用ブレーキディスク材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、アルミニウム金属母相にセラミックス粉子
を分散含有させたアルミニウム複合体からなる鉄道車両
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１．、００　ｋｍ／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１２２０
９−１に基づく引張強さが２７４ＭＰａ以」−１硬さＨ
ｎ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２２０ｋｍ／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、ＪＲＳ１、２２０９−２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鋳鉄と言うンが
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１￥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Ｎ　ｉｓ　ＣｒｓＭｏ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　　Ｆｅ１２級の鋳鉄と同等であるが、熱伝
導性が良好で、熱負（１：ｆ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、先にアルミ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６３−１７６６９
７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２５０　ｋｍ／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尚連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、アルミニウム金属母相に、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。

なお、母相となるアルミニウム金属としては、純アルミ
ニウムはもとより、各種アルミニウム合金を用いること
が可能であるが、摩擦熱による強度低下が小さいＡ、１
７−Ｍｇ系合金が望ましい。

このアルミニウム金属母相中に分散される強化粒子とし
ては、Ａｇ２Ｏ３、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
１　００μｍ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９６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、る高速車両としては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（２５０
ｋｍ／ｂ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、アルミニウム金属母相中に均一に分
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ｉｎ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牛用の
場合と比べ、ディスクへのライニングの押し付は圧力か
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１．ｗｔ％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ＡΩ
の融点近くまで」−昇し、そのことによりディスクとラ
イニングの焼（＝Ｉきか生じやすくなる。焼イ・ｊきか
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、焼イ」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ドしてしまう。セラミ
ックス粒子を分散させると耐焼（＝Ｉき性か向上するた
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１〜７ｗＬ％とする
のか好ましい。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、慣性型量が
大きかったりした場合は、ディスクの温度が上昇し、焼
付き現象が牛じゃすいため、さらに分散粒子の量を増加
させるのか好ましい。その上限については前記のとうり
二次加−１−性や靭性によって規制される。二次加工性
については加圧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
はあるか、２５ｗ［％を越えるとこれらの特性が著しく
悪くなる。

（作　　用） 一般にアルミ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、硬質の強化粒子をアルミニウム金属
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。またブレキディスクの高速回転による
遠心力およびブレ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プ
レキディスク祠に要求されるが、この強化粒子分散型ア
ルミニウム合金はＮ　ＣＭ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）の摩擦条件ド
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に比べてアルミニウム合
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（Ｊ　ｌ５ＩＩ４０００）を
マトリックスとして、コンポキャスティング法によりＳ
ｉＣ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％、１５
ｗＬ％、２０ｗｔ％、２５Ｗ［％分散させたものをそれ
ぞれ製造した。得られた複合材］　０ 料は、定速型摩耗試験を実施して、車両用プレキディス
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５６５關、
厚さ３０ｍ＋ｍのディスクとした。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３０Ｘ３０ｍ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Ｑ、５ＭＰａ、１回の連続摩擦時間を３６０秒×２
５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若粉が飛散
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１ 祠として有効な特性をもつものである。

また、車両が高速（例えば２５０ｋｍ／ｈ以上）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１５〜２５重量％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。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　アルミニウム金属母相に粒径５〜１００μｍのセラ
   ミックス粒子を７を超え〜２５重量％分散含有させたア
   ルミニウム複合体からなることを特徴とする鉄道車両用
   ブレーキディスク材料 ２　アルミニウム金属母相に粒径５〜１００μｍのセラ
   ミックス粒子を１５〜２５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鉄道車両用ブレー
   キディスク材料 ３　アルミニウム金属母相に分散させるセラミックス粒
   子をアルミナ（Ａｌ＿２Ｏ＿３）又は炭化珪素（ＳｉＣ
   ）の単独又は複合とすることを特徴とした請求項１又は
   ２記載の鉄道車両用ブレーキディスク材料 ４　アルミニウム合金をＡｌ−Ｍｇ系合金とすることを
   特徴とした請求項１又は２記載の鉄道車両用ブレーキデ
   ィスク材料