JPWO2014157089A1 - 銅合金粉末、銅合金焼結体および高速鉄道用ブレーキライニング - Google Patents

Abstract

質量％で、Ｆｅ：０．１〜２．０％を含有する銅合金からアトマイズ法によって製造されたものである銅合金粉末を用いて高速鉄道用焼結摩擦材を製造する。この摩擦材は、十分な強度と高い熱伝導性を両立したものである。

Description

本発明は、銅合金粉末、銅合金焼結体および高速鉄道用ブレーキライニングに関する。

高速鉄道車両に用いられるブレーキライニング材、ディスクブレーキパッド材などの基材には、金属粉末を成形し、焼結した焼結体が用いられる。特に、銅は、高い熱伝導性を有するので、摩擦時の界面温度を低下させることが可能であることから、高速鉄道用ライニング材に多用されている。また、摩耗性の観点から鉄の添加も検討されている。

特許文献１〜４には、銅鉄合金をブレーキ・摩擦材に用いた例が記載されている。また、特許文献５および６には、銅鉄混合した高温融体を冷却する際に、超音波撹拌または急冷することで、鉄を均一微細に銅中に分散させる技術が記載されている。

特開２００９−１０２５８３号公報 特開平１−３２０３２９号公報 特開平５−８６３５９号公報 特開２００６−１６６８０号公報 特開平６−１７１６３号公報 特開平１１−１３１１１１号公報

上記いずれの文献においても、５％またはそれ以上の鉄を銅に含有させるものである。このような多量の鉄の添加は、銅合金の強化のためには有効であるが、銅合金の熱伝導性を低下させるという問題がある。特に、新幹線などの高速鉄道用ブレーキライニングは、制動時に８００℃程度まで温度が上昇するため、特に優れた熱伝導性が求められる。

本発明は、このような従来技術の問題を解決するべくなされたものであり、摩擦材として必要な強度と高熱伝導性を両立可能である焼結体を低コストで得ることを目的とする。

本発明者らは、上記の目的を達成するべく検討を重ね、下記の知見を得た。

（ａ）焼結体の耐摩耗性を向上させるためには、材料の高強度化、例えば、硬さ増大が有効である。

（ｂ）焼結体は高温になると強度が低下する。よって、焼結体は、高い熱伝導性を有し、摩擦界面の温度を低下させやすいものがよい。

本発明者らは、上記の知見に基づいて更なる検討を行い、下記の知見を得た。

（ｃ）本発明者らは、銅粉末に鉄粉末を加えた混合粉末から焼結体を得る技術を開発した。この技術は、焼結体ライニングに含まれる鉄粒子が鋼ディスクとの摩擦時に、ともがね効果により優れた制動力を発揮する。しかし、銅粉末に鉄粉末を加える際に均一に混合させるのは難しく、その結果、焼結体中に存在する鉄粒子の粒径が大きくなり、焼結体全体に均一に分散させることが困難である。このように、銅粉末に鉄粉末を加えた混合粉末を用いることを前提とすると、鉄粒子の粒径が比較的大きくなり、鉄粒子が多く存在する部分の強度は高くなるが、鉄粒子が少ない部分の強度は低いままであり、その結果、焼結体の基材自体の強化にはつながりにくく、また、鉄が発熱源ともなる。

（ｄ）そこで、焼結原料として、鉄を微量含む銅合金粉末を用いるのが有効である。銅粉末を銅合金粉末とすることにより、焼結体中に微細な鉄粒子を均一に分散させることができるようになり、基材自体の強化を行えるからである。また、銅と鉄は固溶しないため、銅合金粉末は、銅中に微小な鉄が析出したものとなる。このように、鉄を微量含む銅合金粉末であれば、鉄粒子が高い熱伝導を有する銅で取り囲まれているため、摩擦熱の放散が容易となり、摩擦界面の温度の上昇を抑制することができる。

（ｅ）ただし、銅合金中に含まれる鉄の量が多すぎると、硬さは上昇するが、鉄粒子が大きくなりすぎて、熱伝導率が低下する。よって、銅合金の強化と、熱伝導率のバランスから、適切な鉄含有量を設定する必要がある。

本発明は、上記の知見に基づいてなされたものであり、下記の発明を要旨とする。

（１）高速鉄道用焼結摩擦材の製造に用いられる銅合金粉末であって、質量％で、Ｆｅ：０．１〜２．０％を含有する銅合金からアトマイズ法によって製造されたものである銅合金粉末。

（２）上記（１）の銅合金粉末を含む粉末を成形し、焼結して得た銅合金焼結体。

（３）前記銅合金焼結体中に含まれるＦｅ粒子の平均粒径が５μｍ以下である上記（２）の銅合金焼結体。

（４）焼結温度が１０８３℃以下である上記（２）または（３）の銅合金焼結体。

（５）上記（２）〜（４）のいずれかの銅合金焼結体を用いた高速鉄道用ブレーキライニング。

本発明によれば、摩擦材として必要な強度と高熱伝導性を両立可能である焼結体を低コストで得ることができる。得られた焼結体は、優れた耐摩耗性を有するので、高速鉄道用ブレーキライニングなどの高速鉄道用焼結摩擦材に用いるのに最適である。

本発明例６のＴＥＭ写真 比較例９のＴＥＭ写真

本発明の銅合金粉末は、粉末冶金法によって、成形し、焼結して銅合金焼結体を得るための原料となり、得られた銅合金焼結体は、必要な加工を施して、高速鉄道用焼結摩擦材として用いられる。銅合金粉末は、質量％で、Ｆｅ：０．１〜２．０％を含有するものである。

鉄は、銅合金の強度（硬さ）を向上させる効果がある。その効果を得るためには、その含有量を０．１％以上とする。一方、鉄は、熱伝導性に劣るため、その含有量が過剰な場合には、高速鉄道の制動時などに高温化しやすくなる。しかし、鉄の含有量を２．０％以下とすれば、高い熱伝導性を有する銅中に微小な鉄が析出した銅合金粉末とすることができ、摩擦熱の放散が容易となり、摩擦界面の温度の上昇を抑制することができる。鉄の含有量の下限は０．１％とするのが好ましく、上限は１．０％とするのが好ましい。

本発明の銅合金粉末は、Ｆｅ：０．１〜２．０％を含有し、残部は銅からなるものであってもよいし、Ｆｅに加え、例えば、Ｃｕに対してＦｅに濡れ性を与える微量のＴｉを含有させてもよい。ここで、Ｔｉは、過剰に含まれると、粒内にクラックを生じる恐れがある。よって、Ｔｉを含有させる場合でも、その含有量は０．０１質量％以下とすることが望ましい。また、本発明の銅合金粉末は不純物を含んでもよいが、不純物が多量に含まれる場合、本発明の目的である高熱伝導性が損なわれる恐れがある。よって、Ｃｕは無酸素銅、Ｆｅについては電解鉄粉（例えば東邦亜鉛製アトミロン）を用いることが望ましい。

なお、不純物には、各種原料中に混入する成分、合金粉の製造過程に混入する成分などを意味する。不純物としては、それぞれ下記の範囲であれば許容される。すなわち、Ｃ：０．０３質量％以下、Ｓｉ：０．０１質量％以下、Ｍｎ：０．０３質量％以下、Ｐ：０．０１質量％以下、Ｓ：０．０３質量％以下Ａｓ：０．００３質量％以下、Ｓｂ：０．００５質量％以下、Ｂｉ：０．００１質量％以下、Ｐｂ：０．００５質量％以下である。

本発明に係る銅合金粉末は、アトマイズ法によって製造されたものである。例えば、上記の化学組成に調整した銅合金原料を誘導加熱炉で溶解し、得られた銅合金溶湯を炉底のノズルで搾り出し、自由落下させる過程で急冷するか、銅合金溶湯にジェット流体を吹き付けることにより、粉粒状にするのがよい。

本発明に係る銅合金粉末は、アトマイズによる急冷凝固により製造されるため、合金中に含まれるＦｅはＣｕ中に固溶またはナノスケールに微細析出した状態で存在する。

本発明に係る銅合金粉末の平均粒径は６３μｍ以下の範囲にあることが好ましい。銅合金粉末の平均粒径が大きすぎると、焼結が困難になるという問題がある。一方、銅合金粉末の平均粒径が小さすぎると、アトマイズ法で製造するには収率（歩留）が著しく低下するという問題があるので、平均粒径は、３５μｍ以上とするのが好ましい。

上記の銅合金粉末から銅合金焼結体を製造するに際しては、通常採用されている方法を用いることができ、特に制約がない。所定の化学組成に調整した銅合金粉末を分級し、金型に充填し、所定圧力で圧粉体成形をした後、不活性ガス雰囲気で熱処理を行って製造することができる。

ただし、焼結温度は、１０８３℃以下とするのが好ましい。これは、１０８３℃を超える温度で焼結すると銅合金中の銅のみが溶融し、その凝固過程において鉄が凝集して、鉄の平均結晶粒径が大きくなりすぎるおそれがあるからである。焼結温度があまりに低いと焼結体とならないため、焼結温度の下限は８００℃とするのがよい。

焼結時の加熱によって、合金粉末中に固溶またはナノスケールで微細析出したＦｅは凝集粗大化するが、銅合金焼結体中に含まれるＦｅ粒子の平均粒径が５μｍ以下であることが好ましい。Ｆｅ粒子の平均粒径が大きすぎると、熱伝導性が低下して、これを高速鉄道用焼結摩擦材に用いた場合には摩擦界面の温度が上昇し、摩擦材の耐摩耗性が劣化するとともに、ディスク温度も上昇し、ディスク形状に反りが生じる恐れがあるからである。ここで、Ｆｅ粒子の平均粒径を５ｕｍ以下としたのは、焼結体原料である合金粉末の平均粒径の１０％程度であれば、当初目的とした摩擦発熱の散逸に支障をきたさないためである。Ｆｅ粒子の平均粒径は、あまりに小さくしても上記の効果が飽和するとともに、製造コストを上昇させるため、０．１μｍ以上とするのが現実的である。

まず、表１に示す純銅および銅合金を誘導加熱炉で溶解し、得られた溶湯を炉底のノズルで搾り出し、自由落下させる過程で急冷して各種化学組成を有する粉末を得た。得られた粉末を６３μｍのメッシュのふるいで分級し、平均粒径３５μｍ程度の粉末を得た。続いて、この粉末を内径４８ｍｍの金型に充填し、圧力２９４ＭＰａで圧粉体成型した後、各種の条件で熱処理して焼結体を得た。焼結は、まず、炉内を真空にした後、Ａｒガスを導入して行った。昇温速度は１０℃／分とし、それぞれ所定の温度まで加熱し、その温度で一定時間保持した。焼結条件を表1に併記した。

得られた焼結体についてビッカース硬さおよび密度を調査した。密度はＪＩＳ Ｚ８８０７に準拠したアルキメデス法で測定した。その結果を表１に示す。

一部の焼結体（９５０℃×１時間の例および１０００℃×１時間の例）については、レーザーフラッシュ法により、室温（２２℃）、２００℃、４００℃および６００℃における熱伝導率を測定した。その結果を表１に併記した。

一部の焼結体（１０００℃×１時間の例）については、機械加工によって外径２０ｍｍ×厚さ４．５ｍｍの円盤状の試験片を作製した。各試験片について、下記の要領で高温摩擦・摩耗試験を行った。その結果を表１に併記した。

＜高温摩擦・摩耗試験＞
試験装置として汎用的に用いられているＣＳＭ社 ＴＨＴ１０００を用い、ピンオンディスク試験（ディスクにピンを押し付けて、その時のディスクの摩耗を調査する試験）を実施した。試験条件は、
ピン ：ＳＵＪ２ボール（外径６ｍｍ）
ディスク：銅鉄合金焼結体（外径２０ｍｍ×厚さ４．５ｍｍ）
摩擦条件：荷重５Ｎ、回転半径３ｍｍ、回転速度１００ｒｐｍ、回転数３０００
試験温度：室温（２２℃）、６００℃および８００℃の三通り
なお、摩耗量は、試験後のディスク表面に円形に形成される摩耗痕の深さを、４点（９０°ごと）測定し、平均摩耗面積を求めた。

表１に示すように、鉄の含有量が増えるほど、硬度が上昇する。その一方で、熱伝導率は、Ｆｅ含有量が増えるほど低下する。また、平均摩耗面積は、室温および８００℃では、鉄の含有量が０．９６％のときに最少となり、６００℃では、鉄の含有量が１．８４％のときに最少となる。

図１は、本発明例６のＴＥＭ写真であるが、この図に示すように、本発明の条件を満足する焼結体は、焼結体全体に微細な鉄粒子が均一に分散していることがわかる。一方、図２に示すように、比較例９のＴＥＭ写真では、比較的大きな鉄粒子が点在しており、均一に分散してないことがわかる。

本発明によれば、摩擦材として必要な強度と高熱伝導性を両立可能である焼結体を低コストで得ることができる。得られた焼結体は、優れた耐摩耗性を有するので、高速鉄道用ブレーキライニングなどの高速鉄道用焼結摩擦材に用いるのに最適である。

Claims (5)

1. 高速鉄道用焼結摩擦材の製造に用いられる銅合金粉末であって、
   質量％で、Ｆｅ：０．１〜２．０％を含有する銅合金からアトマイズ法によって製造されたものである銅合金粉末。
2. 請求項１に記載の銅合金粉末を含む粉末を成形し、焼結して得た銅合金焼結体。
3. 前記銅合金焼結体中に含まれるＦｅ粒子の平均粒径が５μｍ以下である請求項２に記載の銅合金焼結体。
4. 焼結温度が１０８３℃以下である請求項２または３に記載の銅合金焼結体。
5. 請求項２から４までのいずれかに記載の銅合金焼結体を用いた高速鉄道用ブレーキライニング。

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