JPS6196055A - 車両用鋳鉄制輪子 - Google Patents

車両用鋳鉄制輪子

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JPS6196055A
JPS6196055A JP21508284A JP21508284A JPS6196055A JP S6196055 A JPS6196055 A JP S6196055A JP 21508284 A JP21508284 A JP 21508284A JP 21508284 A JP21508284 A JP 21508284A JP S6196055 A JPS6196055 A JP S6196055A
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cast iron
friction
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speed
coefficient
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Katsuro Takazawa
高沢 克朗
Taro Tsujimura
太郎 辻村
Saburo Yuri
由利 三郎
Tomoji Ashikawa
芦川 友治
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JAPANESE NATIONAL RAILWAYS<JNR>
Japan National Railways
Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
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JAPANESE NATIONAL RAILWAYS<JNR>
Japan National Railways
Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
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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] 本発明は、改良された車両用鋳鉄制輪子に関するもので
ある。
[従来の技術] 鋳鉄制輪子は車両用ブレーキに古くから使われており、
近年の車両の高速化、メンテナンスの省力化の要請に対
応して高リン低合金鋳鉄制輪子、高マンガン鋳鉄制輪子
等が開発され実用化されている。しかし、車両のさらに
一層の高速化が進められている現状の中にあっては、そ
の高速摩擦性能は必ずしも十分なものとはいえない。
一方、鋳鉄以外の材質としてレジン制輪子や焼結合金制
輪子が実用化され、軽量、低摩耗、高摩擦性能制輪子と
しての実績をあげているが、前者では寒冷地における降
積雪が作る低温湿潤条件下での摩擦係数が不安定化、相
手車輪に対して摩擦損傷を与え易い等の問題があり、後
者においても、積雪地での雪の抱きこみによるIIm係
歎0低下、相手車輪のフランジ部の直立摩耗をまねき易
くなる等の欠点を有する。これら問題点のほかに、前記
両者に共通する問題ではあるが、なかでも焼結合金制輪
子は、鋳鉄制輪子と比較してかなり高価であり、低価格
の制輪子の開発が望まれてきた。
〔発明が解決しようとする問題点] このような状況の中にあって鋳鉄制輪子の一段特性とさ
れる低価格、低温湿潤条件下での安定した摩擦特性およ
び相手車輪踏面への攻撃性が軽微であるといった良好な
特性を生かしながら、高摩擦係数、低摩耗特性を付与し
た新たな材料の開発が望まれている。
[問題点を解決するための手段J 鋳鉄制輪子に要求される一般特性とされる低価格、低温
湿潤条件下の安定した摩擦特性および相手車輪踏面への
攻撃性が軽微であるといった良好な特性を保持しながら
、高摩擦係数、低摩耗特性を有する材料について種々検
討を加えた結果、高リン鋳鉄をもととしてこれを高速用
に適合するように改善を行うことにより、新しい成分系
の材料に到達し高速車両用制輪子を開発した。
すなはち、本発明は、鋳造後の化学成分としてC2,8
〜3.2%、S i 1.4〜1.7%、M n 0.
5〜IC%、P0.7〜0.9%、S<0.07%オヨ
ヒcu 0.8〜3.0%を含有し、これニCr 0.
2〜1.0%、T i 0.1〜0.5%、V0.1〜
1.0%のうち一部またはすべてを添加し残部がFeか
らなる車両用鋳鉄制輪子に関するものである。
これまでの各種鋳鉄制輪子の研究・開発過程でステダイ
ト(F e −C−P系の三元共晶ン、セメンタイト等
の硬質相の鋳鉄組織中への導入は摩擦係数の向上と摩耗
率の低トに有効であることを以下のように理論および実
験により証明し、確認した。
[作  用コ まず制輪子のw1因・摩耗特性については、次のアモン
トンークーロン(Amontons−Cou Iomb
lの法則およびホルム(Hole)の法則によって定性
的に説明できろ。
μ= −(11 σア ρ W = a −t21 σ = K H(3] ここで、μ;摩擦係数、τ、;接触する相対面の軟らか
い方のせん断強さ、σ ;接触する相対面の軟らかい方
の圧縮降伏応力、W;摩耗率、ρ;荷重、H;表面硬さ
、α、に;正の定数                
        1制輪子として求められる摩擦係数μ
の向上は(1)式よゆ、τ、の上昇あるいはσ、の低下
によって得られる。 一方、Wの低下はρが一定とされ
るので(2)式によりHの増加つま吟(3)式によるσ
、の増加を意味するから、Wの減少を図りつつμの増加
を図るにはτ、がσ、の増加を補って余る程増大しなけ
れば達成できない。しかし一般の制輪子に用いる鋳鉄は
パーライト鋳鉄が多いが、この場合τ、。
σ とも母組織のパーライトに関係して一義的に定まり
従ってτ、/σ、はほぼ一定となる。この乙とからτ、
のみを増大せしめるには、パーライトとは別の系の硬い
相を分散させる方法が必要となる。
硬質相面積率と平均摩擦係数の関係を示すと第1図のよ
うになる。硬質相としては、第1表に示すようにステダ
イト、セメンタイト、金属炭化物等が考えられるが、括
弧内は微量であり、二次的な作用にあることを示す。
第1表 試料記号   硬質相     面 率 %)NH5B
−11ステダイト+(炭化物)2.1NH5G−12ス
テダイト+(炭化物)8.9NH57−4ステダイト+
(炭化物1  10.2US   セメンタイト+(ス
テプイト)   24,6MDI   ステダイト  
     11.9MD2   ステダイト+(炭化物
)   14.2SM   ステダイト       
24.6第1図によれば、硬質相の面積率が多くなると
平均摩擦係数が上昇することが説明される。またこの上
昇程度は、高速領域である程顕著になることも示してい
る。
ところで、さらに発明者らは、鋳鉄中におけろリン含有
景が増加すると摩擦係数は変動して、不安定になるので
実用的には好ましくない乙とを発見した。
この事実を説明するものが第2図〜第13図であり、そ
れぞれの成分につきNHO(第2図〜第5図1.MDI
(第6図〜第9図IJJ、i2/sM(第10図〜第1
3図)の35.65.95および125km/hのブレ
ーキ初速度から減速する過程における瞬間III擦係数
μの変化を示しており、高速の95および125に++
/hではブレーキ回数を各5回、低速の35および65
km/hではブレーキ回数を各10回行ったことを示す
(但し1〜5回の測定値は図が複雑になるのではぷいた
)。
第2図〜第13図によって示されているこのような変動
は、硬質相を受持つステダイトが制動時に制輪子と相手
側の車輪踏面の間で溶着、再融屏をくり返すために生じ
るものと考えられ、ステダイト固有の現象であるので実
用的なステダイト量としては面積率で15%程度がその
限度となり、これを含有率に換算すると1%が限度とな
る。
そこで、高速領域の摩擦性能を向上させるためには、他
の硬質相の導入を図る必要がある。この観点から発明者
らは例えば後記の第2表に代表例として示したような広
範な成分等についての制動特性を継続的に測定・検討し
た。この結果、この硬質相を補うものとして、セメンタ
イト相の導入と金属炭化物の分散析出が有効であること
が判明した。
第2表 直上−NHONH37−7US   MD−I   S
MT、C,3,5El  3.04 3.35 2,7
2 2.80G、C,2,912,041,911,9
82,35Si   1.82 1,58 1,28 
1,54 1.56Mn   0.530,741,2
10,730,64P   0.0840,750,3
20,873,0O30,0590,045G、095
 0.0540.10?Cu    −0,950,1
7−0,069Cr    −0,270,54−0,
084T i    −0,19−0,099V   
 −0,18−0,057 C,E、’  4,19 3,75 3,86 3,4
5 4.07硬さ[HB]  170  239   
269  253  2Q2備考  普通  高P低 
中P高 高P 超高P鋳鉄  合金8″ Mn 章: C,+仁、=C96+S i%/3+P%/4*
*:接種処理 しかし、前者を利用したときには、セメンタイトを硬質
相の主体として含有する制輪子のam係数が低速領域で
高く保持されているが、中速領域以上となるとこれが急
激に低下する乙と、およびセメンタイトはきわめて高硬
度の物質であるため大量にこれを含有するものは、車輪
踏面に著しい損傷を与えろ可能性があることが考えられ
ろ。
このことから従って、セメンタイトを高速車両用制輪子
の硬質相として利用することは困難である。
次に金属炭化物の分散析出を利用することは、金属炭化
物がセメンタイトに比較して硬さや融点が高く、高温領
域では第3表が示す通り安定であり、その分散は細かく
かつ均一となり車輪踏面を削るように作用するので、路
面での熱影響はかなり軽減される。
添加する合金元素は母相鋳鉄への影響を考慮してクロム
、チタン、バナジウムを選択することが考えられる。
第3表 融点 ℃)   硬さくHv) TrC32503200 VC28302800 Cr、C21895 Cr7C31200〜1600 クロムの使用は、鋳鉄の81城的性質を改善するがセメ
ンタイト安定化元素であるので、その添加範囲を0.2
〜1,0%とした。 チタンは黒鉛化促進と同時に黒鉛
を微細化させる効果があり耐熱、耐摩鋳鉄に利用されろ
元素で添加範囲は01〜05%とした。バナジウムは強
い黒鉛化阻害作用を持ち、セメンタイトを安定化すると
同時に黒鉛を微細かつ均一に分散させる働きをもち、そ
の添加範囲は01〜1.0%が適当である。
[実 施 例] 以下、実施例により、第2表、第14図をもとにしてさ
らに説明する。
第2表に示した、各成分系の制輪子を試験に供し、これ
らの制動特性を第14図に示した。この中で、当該発明
に関わるものはNH37−7であセメンタイトを主な硬
質相とするUSは初速度が低速領域であるとき**fh
数が高いが、ブレーキ初速度が65に麟/hとなると急
激に低下し、ブレーキ初速度が95 km/ hとなる
とNHOより若干高いのみで、高速時の摩擦係数が01
以下となり著しい制動距離の伸長をもたらす。これはU
Sの硬質相が主にセメンタイトで構成され、セメンタイ
トは、1130℃程度で溶融するが、ステダイトに比較
して熱伝導係数がはるかに大きいため、jiIIilI
熱の影響に対する感度が大きくなることによると思われ
る。
これに対して、第2表で燐を087%含み、その他の合
金元素を含まないMDIは摩擦係数降下速度がlJs、
NHoのブレーキ初速度35 k+++/ h〜65 
k+++/ hが、高速側のブレーキ初速度65kM/
h〜95 km/ h  と変わ抄、これば燐の含有量
が多い程、高速側へ移動することが、NH0.USおよ
びSMに示される。
しかし前述したように、含燐量を余り多くすると摩擦係
数が不安定となるので実用的には好ましくない。これを
補うためCr、Ti、V等の合金元素を各々0.2%程
度添加したNH37−7はMDIと比較してブレーキ初
速度65〜95kIII/hでの摩擦係数の落ち込みが
ゆるやかとなりUSとSMの中間程度の値となることが
第14図に示される。
[発明の効果] この結果NH37−7で示される、合金元素を添加した
高燐鋳鉄制輪子は、高速での摩擦係数を高く保持するこ
とができてブレーキ初速度が高い場合の制動距離低減に
効果的である。従って高速車両用制輪子として有効な特
性をもつものといえす る。
【図面の簡単な説明】
第1図は硬質相の面積率と摩1察係数の関係を示すグラ
フ、第2図〜第13図は各種の化学成分、硬さを有する
代表的な標本の瞬間摩擦係数を示したグラフ、第14図
は各成分系のブレーキ初速度と摩擦係数の関係を示した
グラフである。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 鋳造後の化学成分としてC2.8〜3.2%、Si1.
    4〜1.7%、Mn0.5〜1.0%、P0.7〜0.
    9%、S<0.07%およびCu0.8〜3.0%を含
    有し、これにCr0.2〜1.0%、Ti0.1〜0.
    5%、V0.1〜1.0%のうち一部またはすべてを添
    加し残部がFeからなる車両用鋳鉄制輪子。
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