JPH06287676A

JPH06287676A - 高速気動車用制輪子

Info

Publication number: JPH06287676A
Application number: JP9860893A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Arai; 浩新井; Kesaharu Kobayashi; 今朝晴小林; Shoichi Oizumi; 正一大泉
Original assignee: East Japan Railway Co
Current assignee: East Japan Railway Co
Priority date: 1993-03-31
Filing date: 1993-03-31
Publication date: 1994-10-11

Abstract

(57)【要約】【目的】従来の合金鋳鉄制輪子と同程度の摩擦性能等
を維持し、且つ更に一層の熱伝導性が改良された合金鋳
鉄製の高速気動車用制輪子を提供する。【構成】鋳鉄製の高速気動車用制輪子において、該制
輪子を形成する鋳鉄が合金鋳鉄であって、前記合金鋳鉄
中には、下記元素が配合されていることを特徴とする。炭素（Ｃ）：３．０〜３．５重量％ケイ素（Ｓｉ）：１．５〜２．５重量％マンガン（Ｍｎ）：０．５〜１．２重量％リン（Ｐ）：２．５〜３．５重量％クロム（Ｃｒ）：１．０〜１．６重量％

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は高速気動車用制輪子に関
し、更に詳細には鋳鉄製の高速気動車用制輪子に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、鉄道車両用のブレーキには、電車
のようにモーターブレーキや気動車のようにコンバータ
ブレーキ等が併用されるが、基本的には車輪と制輪子と
の粘着力を利用した摩擦ブレーキに依存している。この
ため、ブレーキの際に、車輪と制輪子とのブレーキ熱負
担は大きく、特に電車のようにモーターブレーキを使用
しない気動車においては、電車よりもブレーキ熱負担が
大きくなる。また、最近のように、車両の高速化の進展
に伴い、ブレーキ熱負担が加速度的に増加し、少なから
ず車輪に及ぼす熱的影響も急激に大となる。このため、
ブレーキ熱負担が電車よりも大となる気動車のブレーキ
機構には、一般的に、熱伝導性が良好な鋳鉄製の制輪子
が使用される。

【０００３】ところで、鉄道車両のブレーキ用に使用さ
れた制輪子には、鉄道初期の段階から鋳鉄製の制輪子が
使用されている。この鋳鉄製の制輪子に使用された鋳鉄
は、パーライトと片状黒鉛とからなる普通鋳鉄である。
また、昭和３０年代以後、特急等の高速車両や国電車両
においては、フェノールレジン等の樹脂を結合材として
用いた合成制輪子が広く使用され、昭和５０年代には、
降積雪地帯を走行する特急車両を中心に焼結合金製の制
輪子（以下、焼結合金制輪子と称する）が実用化されて
いる。一方、鋳鉄製の制輪子の分野でも、例えば特公平
１ー１９４６２号公報において提案されているように、
摩擦性能を改善した合金鋳鉄製の制輪子（以下、合金鋳
鉄制輪子と称する）が広く使用されるようになった。

【０００４】これら合成制輪子、焼結合金制輪子、合金
鋳鉄制輪子の各々は、普通鋳鉄製の制輪子（以下、普通
鋳鉄制輪子と称する）に比較して、摩擦性能が高く且つ
耐摩耗性も改善されている。しかしながら、各制輪子
は、まだ改善しなければならない点をもっている。特
に、高速走行の特急気動車のように、高速から頻繁にブ
レーキをかけるような条件下で使用される場合には、各
制輪子においては以下に述べる欠点を有する。合成制輪
子は、フェノールレジン等の樹脂製の結合材を使用して
いるため、本質的に熱伝導率が低く、摩擦により生じた
熱の多くを相手車輪が負担することになり、相手車輪に
熱が蓄積され易い。このため、車輪温度が許容温度以上
に昇温され、熱亀裂や車輪割損が発生するおそれがあ
る。

【０００５】また、焼結合金制輪子は、相手車輪に与え
る熱的負荷は合成制輪子に比較して少ないが、普通鋳鉄
制輪子や合金鋳鉄制輪子よりも大きい。これに対して、
普通鋳鉄制輪子は、合成制輪子、焼結制輪子、或いは合
金鋳鉄制輪子と比較して、熱伝導性（熱吸収性）が高い
ために相手車輪に熱的損傷を与える可能性は小さいが、
摩擦性能が低く且つ耐摩耗性に劣るため、交換を頻繁に
行うことを必要とする。このため、普通鋳鉄制輪子より
も熱伝導性が低下するものの、合成制輪子や焼結制輪子
よりも熱伝導性に優れ、且つ普通鋳鉄制輪子に比較して
摩擦性能及び耐摩耗性が優れている合金鋳鉄制輪子が使
用されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このように、合金鋳鉄
制輪子は、摩擦性能及び耐摩耗性に優れていると共に、
熱伝導性も比較的良好であり、相手車輪に熱的損傷を与
えることが比較的少なく且つ制輪子の交換頻度も比較的
少なくできるため、鉄道車両の高速化に伴い採用する車
両が増加している。しかし、最近の鉄道車両の高速化、
特に高速特急気動車の採用において、比較的熱伝導性が
良好な合金鋳鉄制輪子を採用しても、車輪に熱亀裂の発
生が見られることがある。そこで、本発明の目的は、従
来の合金鋳鉄制輪子と同程度の摩擦性能等を維持し、且
つ更に一層の熱伝導性が改良された合金鋳鉄製の高速気
動車用制輪子を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、前記目的
を達成すべく検討を重ねた結果、一定量の炭素（Ｃ）、
ケイ素（Ｓｉ）、マンガン（Ｍｎ）、リン（Ｐ）、及び
クロム（Ｃｒ）が配合された合金鋳鉄を用いて得られた
制輪子が、従来の合金鋳鉄制輪子に比較して、同程度の
摩擦性能等を維持しつつ熱伝導性が改善されることを見
出し、本発明に到達した。即ち、本発明は、鋳鉄製の高
速気動車用制輪子において、該制輪子を形成する鋳鉄が
合金鋳鉄であって、前記合金鋳鉄中には、下記元素が配
合されていることを特徴とする高速気動車用制輪子にあ
る。炭素（Ｃ）：３．０〜３．５重量％ケイ素（Ｓｉ）：１．５〜２．５重量％マンガン（Ｍｎ）：０．５〜１．２重量％リン（Ｐ）：２．５〜３．５重量％クロム（Ｃｒ）：１．０〜１．６重量％

【０００８】

【作用】本発明に係る高速気動車用制輪子が、従来の合
金鋳鉄制輪子に比較して、同程度の摩擦性能等を維持し
つつ熱伝導性が改善されることは、未だ明確ではないが
次のように考えられる。つまり、所定量のＰ成分を配合
することによって合金鋳鉄内にステダイトを析出させ
る。このため、合金鋳鉄制輪子と車輪とのなじみ性が向
上して両者の摩擦点が増加し、合金鋳鉄制輪子の摩擦力
を増大させる。かかる両者の摩擦点の増加は、局部的な
接触に因るブレーキ熱の集中化を防止し、ブレーキ熱の
分散化を図ることができ、車輪に対する局所的なブレー
キ熱負担を緩和できるため、車輪全体への熱的影響を緩
和できるのである。

【０００９】

【発明の構成】本発明に係る鋳鉄製の高速気動車用制輪
子は、炭素（Ｃ）、ケイ素（Ｓｉ）、マンガン（Ｍ
ｎ）、リン（Ｐ）、及びクロム（Ｃｒ）が配合された合
金鋳鉄によって形成されていることが肝要である。かか
る各元素の配合量のうち、炭素（Ｃ）の配合量を３．０
〜３．５重量％とする。この炭素（Ｃ）の配合量範囲内
では、炭素（Ｃ）は、合金鋳鉄中に片状黒鉛として析出
し、合金鋳鉄の熱伝導性（熱吸収性）を向上させると共
に、合金鋳鉄を摩擦材として使用すると、摩擦面の潤滑
作用として機能する。従って、かかる片状黒鉛が析出し
た合金鋳鉄から成る制輪子を高速気動車に使用した場
合、車輪への熱的負担を軽減させることができる。一
方、炭素（Ｃ）が合金鋳鉄素材中に３．５重量％を越え
て配合された場合、制輪子の摩耗量の増加を促し、且つ
摩擦性能の低下も促す。また、ケイ素（Ｓｉ）の配合量
を１．５〜２．５重量％とする。ケイ素（Ｓｉ）の配合
量が上記範囲内にあるとき、前述した片状黒鉛の安定的
析出を補助しつつ、制輪子の耐磨耗性に影響を与えるセ
メンタイトの析出に何等の影響を与えない。これに対
し、ケイ素（Ｓｉ）の配合量が１．５重量％未満では、
片状黒鉛の安定的析出を補助することができず、ケイ素
（Ｓｉ）の配合量が２．５％を越えると、制輪子の耐摩
耗性に影響を与えるセメンタイト量の析出を妨げる性格
を有する。更に、マンガン（Ｍｎ）の配合量を０．５〜
１．２重量％とする。このマンガン（Ｍｎ）の配合量の
範囲内では、合金鋳鉄内にセメンタイトを析出させ、耐
摩耗性及び低速域での高摩擦力を得ることができる。し
かし、マンガン（Ｍｎ）の配合量が１．２重量％を越え
ると、車輪摩擦面に熱斑点（ヒースポット）の発生を増
長することがあり、０．５重量％未満では低速域での所
定の摩擦力を維持することが困難となる。

【００１０】本発明において、リン（Ｐ）の配合量を
２．５〜３．５重量％とする。このリン（Ｐ）の配合量
は、従来の鉄道車両用制輪子を形成する合金鋳鉄に比較
して高配合量である。ここで、リン（Ｐ）の配合量が前
記範囲内であれば、合金鋳鉄内にステダイトを析出さ
せ、車輪に対するなじみ性が向上し、制輪子の摩擦力を
増大させる。このなじみ性の向上は、摩擦力の増大、即
ち摩擦点の増加を意味し、局部的な摩擦現象を回避で
き、局所的に発生するブレーキ熱の集中化を回避でき
る。このため、車輪に与える局所的な高温状態を緩和さ
せ車輪摩擦面の熱的影響を減少させることになる。一
方、リン（Ｐ）の配合量が２．５重量％未満であると、
合金鋳鉄内に析出するステダイト量が低下して制輪子の
車輪に対するなじみ性が低下する。また、リン（Ｐ）の
配合量が３．５重量％を越える合金鋳鉄から成る制輪子
は、脆性問題が発生するおそれがある。更に、本発明に
おいては、クロム（Ｃｒ）の配合量を１．０〜１．６重
量％とする。クロム（Ｃｒ）の配合量が１．０重量％以
上の合金鋳鉄では、セメンタイトの析出を促し、制輪子
の耐摩耗性を向上させることができる。しかし、クロム
（Ｃｒ）の配合量が１．６重量％を越える合金鋳鉄から
成る制輪子は、摩擦力が低下することがある。

【００１１】以上、述べてきた元素の他に、銅（Ｃ
ｕ）、モリブデン（Ｍｏ）が配合された合金鋳鉄を本発
明に係る制輪子に使用してもよい。銅（Ｃｕ）及び／又
はモリブデン（Ｍｏ）の配合によって、制輪子の強度を
向上できるためである。かかる銅（Ｃｕ）の配合量は、
合金鋳鉄内にセメンタイト及びステダイトの析出による
制輪子の脆性を考え、０．３〜１．０重量％の範囲が好
ましい。また、モリブデン（Ｍｏ）の配合量も、制輪子
の脆性を考慮して０．２〜０．６重量％の範囲が好まし
い。

【００１２】

【実施例】下記に示す表１に、試験に供した各制輪子の
化学成分を示した。

【００１３】

【表１】また、図１には、実施例１に係る制輪子（Ｂ１）を形成
する合金鋳鉄の金属組織の顕微鏡写真であり、析出した
片状黒鉛が粗大化していると共に、ステダイトの析出量
が非常に多い。

【００１４】表１に示す各制輪子の性能試験を実物大慣
性型ブレーキ試験機により停止ブレーキ試験を行った。
停止ブレーキ試験の条件を下記に示す。車輪直径８６０ｍｍ慣性モーメント１１１３kgm² 制輪子押し付け力２．０ｔ×２個ブレーキ初速度３５、６５、９５、１１０、１３
０Ｋｍ／Ｈ試験回数各初速度５回かかる試験において、制輪子平均摩擦係数、車輪温度、
及び制輪子磨耗率を測定し、その結果を図２〜図４に示
した。

【００１５】図２は、ブレーキ初速度と平均摩擦係数と
の関係を示した。図２から明らかなように、比較例とし
て示した現行使用中のＡ制輪子と本実施例の制輪子（Ｂ
１、Ｂ２）との摩擦係数はほぼ同程度であった。図３
は、ブレーキ初速度と停止ブレーキによるブレーキ熱の
車輪温度上昇を、実施例１の制輪子（Ｂ１）と比較例の
制輪子（Ａ）とを比較した図である。尚、図３に示す温
度は、５回の試験で測定した温度の平均値を示した。実
施例１のＢ１制輪子は、Ａ制輪子と比較して、車輪の温
度上昇が非常に少なくなっている。これは発生するブレ
ーキ熱の熱負担を制輪子側が負い、車輪への熱負担を軽
減していることを示す。このことは、ブレーキ試験での
車輪摩擦面に発生する青色斑点、即ち熱斑点は、比較例
であるＡ制輪子に対し、実施例１のＢ１制輪子では１／
２以下の発生量に減少している。

【００１６】図４は、ブレーキ初速度と制輪子摩耗率の
関係を示した図である。実施例の制輪子（Ｂ１、Ｂ２）
は、比較例の制輪子（Ａ）に比較して、耐摩耗性がかな
り改善されている。

【００１７】

【発明の効果】本発明による制輪子は、摩擦性能を現行
の制輪子とほぼ同等の水準に維持しつつ、現行の制輪子
よりも車輪摩擦面への熱影響を大きく改善でき、更に制
輪子の耐摩耗性を大幅に改善することができた。このた
め、高速走行する特急気動車のブレーキ機構の制輪子と
して、本発明の制輪子を好適に使用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例に係る鋳鉄製の制輪子を形成する合金
鋳鉄の金属組織の顕微鏡写真である。

【図２】ブレーキ初速度と平均摩擦係数との関係を示す
グラフである。

【図３】ブレーキ初速度と車輪温度上昇との関係を示す
グラフである。

【図４】ブレーキ初速度と摩耗率との関係を示すグラフ
である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】鋳鉄製の高速気動車用制輪子において、
該制輪子を形成する鋳鉄が合金鋳鉄であって、前記合金
鋳鉄中には、下記元素が配合されていることを特徴とす
る高速気動車用制輪子。炭素（Ｃ）：３．０〜３．５重量％ケイ素（Ｓｉ）：１．５〜２．５重量％マンガン（Ｍｎ）：０．５〜１．２重量％リン（Ｐ）：２．５〜３．５重量％クロム（Ｃｒ）：１．０〜１．６重量％