KR20150133273A

KR20150133273A - 구리 합금 분말, 구리 합금 소결체 및 고속 철도용 브레이크 라이닝

Info

Publication number: KR20150133273A
Application number: KR1020157030361A
Authority: KR
Inventors: 후토시 가츠키; 후미오 이시모토; 오사무 간다; 가즈타카 아사베; 고 아다치; 도시유키 후지이
Original assignee: 신닛테츠스미킨 카부시키카이샤
Priority date: 2013-03-25
Filing date: 2014-03-24
Publication date: 2015-11-27
Also published as: CN105102157A; US20160047016A1; BR112015024379A2; TW201502290A; EP2979780A4; EP2979780A1; TWI544094B; WO2014157089A1; JPWO2014157089A1

Abstract

질량%로, Fe：0.1~2.0%를 함유하는 구리 합금으로부터 아토마이즈법에 의해 제조된 것인 구리 합금 분말을 이용하여 고속 철도용 소결 마찰재를 제조한다. 이 마찰재는, 충분한 강도와 높은 열전도성을 양립한 것이다.

Description

구리 합금 분말, 구리 합금 소결체 및 고속 철도용 브레이크 라이닝{COPPER ALLOY POWDER, SINTERED COPPER ALLOY BODY AND BRAKE LINING FOR USE IN HIGH-SPEED RAILWAY}

본 발명은, 구리 합금 분말, 구리 합금 소결체 및 고속 철도용 브레이크 라이닝에 관한 것이다.

고속 철도 차량에 이용되는 브레이크 라이닝재, 디스크 브레이크 패드재 등의 기재에는, 금속 분말을 성형하고, 소결한 소결체가 이용된다. 특히, 구리는, 높은 열전도성을 가지므로, 마찰시의 계면 온도를 저하시키는 것이 가능하기 때문에, 고속 철도용 라이닝재에 다용되고 있다. 또, 마모성의 관점에서 철의 첨가도 검토되고 있다.

특허 문헌 1~4에는, 구리 철 합금을 브레이크·마찰재에 이용한 예가 기재되어 있다. 또, 특허 문헌 5 및 6에는, 구리 철을 혼합한 고온 융체를 냉각할 때에, 초음파 교반 또는 급랭함으로써, 철을 균일 미세하게 구리 중에 분산시키는 기술이 기재되어 있다.

일본국 특허 공개 2009-102583호 공보 일본국 특허 공개 평1-320329호 공보 일본국 특허 공개 평5-86359호 공보 일본국 특허 공개 2006-16680호 공보 일본국 특허 공개 평6-17163호 공보 일본국 특허 공개 평11-131111호 공보

상기 어느 문헌에 있어서도, 5% 또는 그 이상의 철을 구리에 함유시키는 것이다. 이러한 다량의 철의 첨가는, 구리 합금의 강화를 위해서는 유효하지만, 구리 합금의 열전도성을 저하시킨다고 하는 문제가 있다. 특히, 신칸센 등의 고속 철도용 브레이크 라이닝은, 제동시에 800℃ 정도까지 온도가 상승하기 때문에, 특히 뛰어난 열전도성이 요구된다.

본 발명은, 이러한 종래 기술의 문제를 해결할 수 있도록 이루어진 것이며, 마찰재로서 필요한 강도와 고열전도성을 양립 가능한 소결체를 저비용으로 얻는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은, 상기의 목적을 달성할 수 있도록 검토를 거듭하여, 하기의 지견을 얻었다.

(a) 소결체의 내마모성을 향상시키기 위해서는, 재료의 고강도화, 예를 들어, 경도 증대가 유효하다.

(b) 소결체는 고온이 되면 강도가 저하한다. 따라서, 소결체는, 높은 열전도성을 가지고, 마찰 계면의 온도를 저하시키기 쉬운 것이 좋다.

본 발명자들은, 상기의 지견에 의거하여 더욱 검토를 행하여, 하기의 지견을 얻었다.

(c) 본 발명자들은, 구리 분말에 철 분말을 추가한 혼합 분말로부터 소결체를 얻는 기술을 개발했다. 이 기술은, 소결체 라이닝에 포함되는 철 입자가 강 디스크와의 마찰시에, 동종 금속 효과에 의해 뛰어난 제동력을 발휘한다. 그러나, 구리 분말에 철 분말을 추가할 때에 균일하게 혼합시키는 것은 어려우며, 그 결과, 소결체 중에 존재하는 철 입자의 입경이 커져, 소결체 전체에 균일하게 분산시키는 것이 어려웠다. 이와 같이, 구리 분말에 철 분말을 추가한 혼합 분말을 이용하는 것을 전제로 하면, 철 입자의 입경이 비교적 커져, 철 입자가 많이 존재하는 부분의 강도는 높아지지만, 철 입자가 적은 부분의 강도는 계속 낮은 상태이고, 그 결과, 소결체의 기재 자체의 강화에는 연결되기 어려우며, 또, 철이 발열원이 된다.

(d) 그래서, 소결 원료로서, 철을 미량 포함하는 구리 합금 분말을 이용하는 것이 유효하다. 구리 분말을 구리 합금 분말로 함으로써, 소결체 중에 미세한 철 입자를 균일하게 분산시킬 수 있게 되어, 기재 자체의 강화를 행할 수 있기 때문이다. 또, 구리와 철은 고용하지 않기 때문에, 구리 합금 분말은, 구리 중에 미소한 철이 석출한 것이 된다. 이와 같이, 철을 미량 포함하는 구리 합금 분말이면, 철 입자가 높은 열전도를 가지는 구리로 둘러싸여 있기 때문에, 마찰열의 방산이 용이해져, 마찰 계면의 온도의 상승을 억제할 수 있다.

(e) 단, 구리 합금 중에 포함되는 철의 양이 너무 많으면, 경도는 상승하나, 철 입자가 너무 커져, 열전도율이 저하한다. 따라서, 구리 합금의 강화와, 열전도율의 밸런스로부터, 적절한 철 함유량을 설정할 필요가 있다.

본 발명은, 상기의 지견에 의거하여 이루어진 것이며, 하기의 발명을 요지로 한다.

(1) 고속 철도용 소결 마찰재의 제조에 이용되는 구리 합금 분말로서, 질량%로, Fe：0.1~2.0%를 함유하는 구리 합금으로부터 아토마이즈법에 의해 제조된 것인 구리 합금 분말.

(2) 상기 (1)의 구리 합금 분말을 포함하는 분말을 성형하고, 소결하여 얻은 구리 합금 소결체.

(3) 상기 구리 합금 소결체 중에 포함되는 Fe 입자의 평균 입경이 5㎛ 이하인 상기 (2)의 구리 합금 소결체.

(4) 소결 온도가 1083℃ 이하인 상기 (2) 또는 (3)의 구리 합금 소결체.

(5) 상기 (2)~(4) 중 어느 한쪽의 구리 합금 소결체를 이용한 고속 철도용 브레이크 라이닝.

본 발명에 의하면, 마찰재로서 필요한 강도와 고열전도성을 양립 가능한 소결체를 저비용으로 얻을 수 있다. 얻어진 소결체는, 뛰어난 내마모성을 가지므로, 고속 철도용 브레이크 라이닝 등의 고속 철도용 소결 마찰재에 이용하는데 최적이다.

도 1은 본 발명예 6의 TEM 사진
도 2는 비교예 9의 TEM 사진

본 발명의 구리 합금 분말은, 분말 야금법에 의해, 성형하고, 소결하여 구리 합금 소결체를 얻기 위한 원료가 되며, 얻어진 구리 합금 소결체는, 필요한 가공을 실시하여, 고속 철도용 소결 마찰재로서 이용된다. 구리 합금 분말은, 질량%로, Fe：0.1~2.0%를 함유하는 것이다.

철은, 구리 합금의 강도(경도)를 향상시키는 효과가 있다. 그 효과를 얻기 위해서는, 그 함유량을 0.1% 이상으로 한다. 한편, 철은, 열전도성이 뒤떨어지기 때문에, 그 함유량이 과잉인 경우에는, 고속 철도의 제동시 등에 고온화하기 쉬워진다. 그러나, 철의 함유량을 2.0% 이하로 하면, 높은 열전도성을 가지는 구리 중에 미소한 철이 석출한 구리 합금 분말로 할 수 있으며, 마찰열의 방산이 용이해져, 마찰 계면의 온도의 상승을 억제할 수 있다. 철의 함유량의 하한은 0.1%로 하는 것이 바람직하고, 상한은 1.0%로 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 구리 합금 분말은, Fe：0.1~2.0%를 함유하고, 잔부는 구리로 이루어지는 것이어도 되며, Fe에 추가하여, 예를 들어, Cu에 대해 Fe에 젖음성을 부여하는 미량의 Ti를 함유시켜도 된다. 여기서, Ti는, 과잉으로 포함되면, 입자 내에 균열을 발생시킬 우려가 있다. 따라서, Ti를 함유시키는 경우에서도, 그 함유량은 0.01질량% 이하로 하는 것이 바람직하다. 또, 본 발명의 구리 합금 분말은 불순물을 포함해도 되나, 불순물이 다량으로 포함되는 경우, 본 발명의 목적인 고열전도성이 손상될 우려가 있다. 따라서, Cu는 무산소 구리, Fe에 대해서는 전해철 가루(예를 들어 토호 아연 제조 아토미론)를 이용하는 것이 바람직하다.

또한, 불순물에는, 각종 원료 중에 혼입하는 성분, 합금 가루의 제조 과정에 혼입하는 성분 등을 의미한다. 불순물로서는, 각각 하기의 범위이면 허용된다. 즉, C：0.03질량% 이하, Si：0.01질량% 이하, Mn：0.03질량% 이하, P：0.01질량% 이하, S：0.03질량% 이하, As：0.003질량% 이하, Sb：0.005질량% 이하, Bi：0.001질량% 이하, Pb：0.005질량% 이하이다.

본 발명에 따른 구리 합금 분말은, 아토마이즈법에 의해 제조된 것이다. 예를 들어, 상기의 화학 조성으로 조정한 구리 합금 원료를 유도 가열로에서 용해하고, 얻어진 구리 합금 용탕을 로저(爐低)의 노즐로 짜내며, 자유 낙하시키는 과정에서 급랭하거나, 구리 합금 용탕에 제트 유체를 내뿜으로써, 가루 입자 형상으로 하는 것이 좋다.

본 발명에 따른 구리 합금 분말은, 아토마이즈에 의한 급랭 응고에 의해 제조되기 때문에, 합금 중에 포함되는 Fe는 Cu 중에 고용 또는 나노 스케일로 미세 석출한 상태로 존재한다.

본 발명에 따른 구리 합금 분말의 평균 입경은 63㎛ 이하의 범위에 있는 것이 바람직하다. 구리 합금 분말의 평균 입경이 너무 크면, 소결이 어려워진다고 하는 문제가 있다. 한편, 구리 합금 분말의 평균 입경이 너무 작으면, 아토마이즈법으로 제조하기에는 수율이 현저하게 저하한다고 하는 문제가 있으므로, 평균 입경은, 35㎛ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

상기의 구리 합금 분말로부터 구리 합금 소결체를 제조할 때에는, 통상 채용되고 있는 방법을 이용할 수 있으며, 특별히 제약이 없다. 소정의 화학 조성으로 조정한 구리 합금 분말을 분급하고, 금형에 충전하며, 소정 압력으로 압분체 성형을 한 후, 불활성 가스 분위기로 열처리를 행하여 제조할 수 있다.

단, 소결 온도는, 1083℃ 이하로 하는 것이 바람직하다. 이는, 1083℃를 초과하는 온도로 소결하면 구리 합금 중의 구리만이 용융하고, 그 응고 과정에 있어서 철이 응집하여, 철의 평균 결정 입경이 너무 커질 우려가 있기 때문이다. 소결 온도가 너무 낮으면 소결체가 되지 않기 때문에, 소결 온도의 하한은 800℃로 하는 것이 좋다.

소결시의 가열에 의해, 합금 분말 중에 고용 또는 나노 스케일로 미세 석출한 Fe는 응집 조대화하는데, 구리 합금 소결체 중에 포함되는 Fe 입자의 평균 입경이 5㎛ 이하인 것이 바람직하다. Fe 입자의 평균 입경이 너무 크면, 열전도성이 저하하고, 이것을 고속 철도용 소결 마찰재에 이용한 경우에는 마찰 계면의 온도가 상승하여, 마찰재의 내마모성이 열화함과 더불어, 디스크 온도도 상승해, 디스크 형상에 휘어짐이 발생할 우려가 있기 때문이다. 여기서, Fe 입자의 평균 입경을 5㎛ 이하로 한 것은, 소결체 원료인 합금 분말의 평균 입경의 10% 정도이면, 애초 목적으로 한 마찰 발열의 산일(散逸)에 지장을 초래하지 않기 때문이다. Fe 입자의 평균 입경은, 너무 작게 해도 상기의 효과가 포화함과 더불어, 제조 비용을 상승시키기 때문에, 0.1㎛ 이상으로 하는 것이 현실적이다.

우선, 표 1에 기재하는 순수 구리 및 구리 합금을 유도 가열로에서 용해하고, 얻어진 용탕을 로저의 노즐로 짜내며, 자유 낙하시키는 과정에서 급랭하여 각종 화학 조성을 가지는 분말을 얻었다. 얻어진 분말을 63㎛의 메쉬의 체로 분급하여, 평균 입경 35㎛ 정도의 분말을 얻었다. 계속해서, 이 분말을 내경 48mm의 금형에 충전하고, 압력 294MPa로 압분체 성형한 후, 각종의 조건으로 열처리하여 소결체를 얻었다. 소결은, 우선, 로 내를 진공으로 한 후, Ar 가스를 도입하여 행했다. 승온 속도는 10℃/분으로 하고, 각각 소정의 온도까지 가열하여, 그 온도로 일정 시간 유지했다. 소결 조건을 표 1에 병기했다.

얻어진 소결체에 대해 비커스 경도 및 밀도를 조사했다. 밀도는 JIS Z8807에 준거한 아르키메데스법으로 측정했다. 그 결과를 표 1에 기재한다.

일부의 소결체(950℃×1시간의 예 및 1000℃×1시간의 예)에 대해서는, 레이저 플래시법에 의해, 실온(22℃), 200℃, 400℃ 및 600℃에 있어서의 열전도율을 측정했다. 그 결과를 표 1에 병기했다.

일부의 소결체(1000℃×1시간의 예)에 대해서는, 기계 가공에 의해 외경 20mm×두께 4.5mm의 원반 형상의 시험편을 제작했다. 각 시험편에 대해, 하기의 요령으로 고온 마찰·마모 시험을 행했다. 그 결과를 표 1에 병기했다.

＜고온 마찰·마모 시험＞

시험 장치로서 범용적으로 이용되고 있는 CSM사 THT1000을 이용하여, 핀 온 디스크 시험(디스크에 핀을 꽉 눌러, 그때의 디스크의 마모를 조사하는 시험)을 실시했다. 시험 조건은,

핀：SUJ2 볼(외경 6mm)

디스크：구리 철 합금 소결체(외경 20mm×두께 4.5mm)

마찰 조건：하중 5N, 회전 반경 3mm, 회전 속도 100rpm, 회전수 3000

시험 온도：실온(22℃), 600℃ 및 800℃의 세 가지

또한, 마모량은, 시험 후의 디스크 표면에 원형으로 형성되는 마모 자국의 깊이를, 4점(90^о마다) 측정하여, 평균 마모 면적을 구했다.

[표 1]

표 1에 기재하는 바와 같이, 철의 함유량이 증가할수록, 경도가 상승한다. 그 한편으로, 열전도율은, Fe 함유량이 증가할수록 저하한다. 또, 평균 마모 면적은, 실온 및 800℃에서는, 철의 함유량이 0.96%일 때에 최소가 되고, 600℃에서는, 철의 함유량이 1.84%일 때에 최소가 된다.

도 1은, 본 발명예 6의 TEM 사진인데, 이 도에 도시하는 바와 같이, 본 발명의 조건을 만족하는 소결체는, 소결체 전체에 미세한 철 입자가 균일하게 분산되어 있는 것을 알 수 있다. 한편, 도 2에 도시하는 바와 같이, 비교예 9의 TEM 사진에서는, 비교적 큰 철 입자가 점재하고 있으며, 균일하게 분산되어 있지 않은 것을 알 수 있다.

산업상의 이용 가능성

Claims

고속 철도용 소결 마찰재의 제조에 이용되는 구리 합금 분말로서,
질량%로, Fe：0.1~2.0%를 함유하는 구리 합금으로부터 아토마이즈법에 의해 제조된 것인, 구리 합금 분말.
청구항 1에 기재된 구리 합금 분말을 포함하는 분말을 성형하고, 소결하여 얻은, 구리 합금 소결체.
청구항 2에 있어서,
상기 구리 합금 소결체 중에 포함되는 Fe 입자의 평균 입경이 5㎛ 이하인, 구리 합금 소결체.
청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
소결 온도가 1083℃ 이하인, 구리 합금 소결체.
청구항 2 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 기재된 구리 합금 소결체를 이용한 고속 철도용 브레이크 라이닝.