KR20190090830A - 철도 차량용 소결 마찰재 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
280km/시 이상의 고속역에 있어서도, 뛰어난 마찰 특성 및 내마모성을 갖는 철도 차량용의 소결 마찰재를 제공한다. 철도 차량용 소결 마찰재는, 질량%로, Cu：50.0~75.0%, 흑연：5.0~15.0%, 마그네시아, 지르콘 샌드, 실리카, 지르코니아, 멀라이트 및 질화규소로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상：1.5~15.0%, W 및 Mo으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상：3.0~30.0%, 및, 페로크롬, 페로텅스텐, 페로몰리브덴, 및, 스테인리스강으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상：2.0~20.0%를 함유하고, 잔부는 불순물로 이루어지는 압분체의 소결재이다.
Description
본 발명은, 소결 마찰재 및 그 제조 방법에 관한 것이며, 더욱 자세하게는, 철도에 이용되는 철도 차량용 소결 마찰재 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
철도 차량용의 브레이크 라이닝이나 디스크 브레이크 패드에는, 금속 분립체(紛粒體) 등을 소결하여 형성되는 소결 마찰재가 이용되고 있다. 이러한 철도 차량용 소결 마찰재에서는, 뛰어난 마찰 특성과 함께, 뛰어난 내마모성이 요구된다.
일본국 특허공개 평5-86359호 공보(특허문헌 1), 일본국 특허공개 평10-226842호 공보(특허문헌 2) 및 일본국 특허공개 2012-207289호 공보(특허문헌 3)는, 소결 마찰재의 내마모성을 높이는 기술에 대해 제안하고 있다.
특허문헌 1에 개시된 건식 마찰 재료는, Cu, 또는 Cu와 함께 Sn, Zn, Ni, Fe 및 Co로부터 선택된 1종 또는 2종 이상을 첨가한 것을 매트릭스 성분으로 하고, 금속 산화물, 금속 복합 산화물, 금속 질화물, 금속 탄화물, 금속 탄질화물, 금속 붕화물, 금속간 화합물 및 모스 경도 3.5 이상의 각종 광물로부터 선택된 1종 또는 2종 이상을 경질 입자 성분으로 하고, 흑연, 코크스, BN, 금속 황화물, CaF2, BaF2, PbO, Pb 및 B2O3로부터 선택된 1종 또는 2종 이상을 윤활 성분으로 하고, W, Mo, Nb, Ta, 및 Zr으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상을 첨가하여 이들 성분이 0.5~30vol%, 경질 입자 성분이 2~30vol%, 윤활 성분이 10~70vol%이고 나머지가 10~70vol%인 매트릭스 성분이다.
특허문헌 2에 개시된 메탈릭 마찰재는, 금속재료를 매트릭스로 하고, 적어도 마찰 조정재, 고체 윤활재를 더하여 고상 소결하여 이루어지는 소결 마찰재이다. 이 소결 마찰재에 있어서, 매트릭스를 형성하는 금속재료는, 주요 성분으로서 Cu와 Ni을 포함하고, 마찰 조정재 및 고체 윤활재는, 입경이 10~300μm인 분립체이며, 소결 마찰재 전체에 대해 합계량으로 15~50%(중량%, 이하 동일) 함유되어 있다.
특허문헌 3에 개시된 고속 철도용 소결 마찰재는, 질량%로, 7.5% 이상의 Fe, 50% 이상의 Cu, 5~15%의 흑연, 0.3~7%의 이황화몰리브덴 및 0.5~10%의 실리카를 함유하고, Fe/Cu가 0.15~0.40이다.
일본의 신칸센, 독일의 ICE(Intercity-Express), 프랑스의 TGV(Train a Grande Vitesse) 등의 고속 철도 차량의 주행 속도는, 0~70km/시의 저속역, 70 초과~170km/시의 중속역뿐만 아니라, 170km/시를 초과하고, 또한, 280km/시 이상의 고속역까지 달한다. 따라서, 철도 차량용의 소결 마찰재에서는, 저속역~중속역뿐만 아니라, 고속역에 있어서도, 뛰어난 마찰 특성 및 내마모성이 요구된다.
특허문헌 1 및 2에서는, 브레이크 시험에 있어서의 제동 초속이 220km/시 이하이며, 제동 초속이 280km/시 이상에서의 검토가 되어 있지 않다. 따라서, 이러한 문헌에 개시된 소결 마찰재에서는, 고속역에서의 마찰 특성 및 내마모성이 낮을 가능성이 있다.
특허문헌 3에 개시된 고속 철도용 소결 마찰재에서는, 고속역에서의 마찰 특성 및 내마모성이 검토되고 있다. 그러나, 더욱 뛰어난 마찰 특성 및 내마모성이 요구되고 있다.
본 개시의 목적은, 저속역, 중속역뿐만 아니라, 280km/시 이상의 고속역에 있어서도, 뛰어난 내마모성을 갖고, 충분한 마찰 특성도 얻을 수 있는 철도 차량용의 소결 마찰재를 제공하는 것이다.
본 개시에 의한 철도 차량용 소결 마찰재는, 질량%로, Cu：50.0~75.0%, 흑연：5.0~15.0%, 마그네시아, 지르콘 샌드, 실리카, 지르코니아, 멀라이트 및 질화규소로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상：1.5~15.0%, W 및 Mo으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상：3.0~30.0%, 및, 페로크롬, 페로텅스텐, 페로몰리브덴, 및, 스테인리스강으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상：2.0~20.0%를 함유하고, 잔부는 불순물로 이루어지는 압분체의 소결재이다.
본 개시에 의한 철도 차량용 소결 마찰재의 제조 방법은, 상술한 혼합 분말을 냉간 성형하여 압분체를 제조하는 성형 공정과, 압분체에 대해서 800~1000℃의 소결 온도에서 가압 소결을 실시하여, 철도 차량용 소결 마찰재를 제조하는 가압 소결 공정을 구비한다.
본 개시에 의한 철도 차량용 소결 마찰재는, 저속역, 중속역뿐만 아니라, 280km/시 이상의 고속역에 있어서도, 뛰어난 내마모성을 갖고, 충분한 마찰 특성도 얻을 수 있다.
도 1은, 브레이크 시험에 이용되는 벤치 시험기의 모식도이다.
도 2는, 실시예에 있어서의 제동 초속(km/시)과 소결 마찰재의 평균 마찰 계수(μ)의 관계를 나타내는 도면이다.
도 3은, 실시예에 있어서의 제동 초속(km/시)과 평균 마모량(g/편면)의 관계를 나타내는 도면이다.
도 2는, 실시예에 있어서의 제동 초속(km/시)과 소결 마찰재의 평균 마찰 계수(μ)의 관계를 나타내는 도면이다.
도 3은, 실시예에 있어서의 제동 초속(km/시)과 평균 마모량(g/편면)의 관계를 나타내는 도면이다.
본 발명자들은, 저속역, 중속역뿐만 아니라, 280km/시 이상의 고속역에서의 마찰 특성 및 내마모성에 대해 조사 및 검토를 행하였다. 그 결과, (1) 매트릭스 성분을 Cu로 하고, Ni, Sn, Zn을 함유하지 않으며, (2) 페로크롬, 페로텅스텐, 페로몰리브덴, 및, 스테인리스강으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상과, (3) W 및 Mo으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 함유한 압분체를, 주지의 제조 방법(가압 소결법)을 이용하여 주지의 제조 조건으로 소결한 소결 마찰재에서는, 저속역, 중속역뿐만 아니라, 280km/시 이상의 고속역에 있어서도 뛰어난 마찰 특성 및 내마모성이 얻어지는 것을 발견하였다.
이상의 지견에 의거하여 완성한 본 실시 형태에 의한 철도 차량용 소결 마찰재는, 질량%로, Cu：50.0~75.0%, 흑연：5.0~15.0%, 마그네시아, 지르콘 샌드, 실리카, 지르코니아, 멀라이트 및 질화규소로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상：1.5~15.0%, W 및 Mo으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상：3.0~30.0%, 및, 페로크롬, 페로텅스텐, 페로몰리브덴, 및, 스테인리스강으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상：2.0~20.0%를 함유하고, 잔부는 불순물로 이루어지는 압분체의 소결재이다.
본 실시 형태의 철도 차량용 소결 마찰재는 예를 들면, 압분체를 800~1000℃에서 가압 소결하여 형성된 소결재이다.
본 실시 형태의 철도 차량용 소결 마찰재는 예를 들면, 직경이 400mm, 두께가 20mm이며, JIS G 4053(2016)에 규정된 SCM440에 상당하는 화학 조성을 갖고, 약 1000MPa의 인장 강도를 갖는 브레이크 디스크와, 브레이크 디스크를 제동하는 캘리퍼를 준비하고, 캘리퍼의 좌우의 내면의 각각에, 폭 38mm, 길이 55mm, 높이 15mm의 4개의 소결 마찰재를, 브레이크 디스크(10)의 중심으로부터 반경 170mm의 가상 원 상에, 브레이크 디스크의 중심축 둘레로 25°씩 비켜서 일렬로 배열하고, 회전하는 브레이크 디스크에 대해서, 캘리퍼의 좌우 내면에 장착된 소결 마찰재를, 일정한 압력 2.24kN으로 브레이크 디스크의 양면에 누르는 브레이크 시험을 실시했을 경우, 제동 초속이 365km/시에서의 소결 마찰재의 평균 마찰 계수가 0.280 이상이며, 또한, 브레이크 디스크의 편면당 소결 마찰재의 평균 마찰량이, 제동 초속이 300km/시에 있어서 6.30g/편면 이하이고, 제동 초속이 325km/시에 있어서 6.50g/편면 이하이며, 제동 초속이 365km/시에 있어서 9.00g/편면 이하이다. 여기서, 브레이크 디스크의 인장 강도인 「약 1000MPa」이란, 1000±20MPa의 범위를 의미한다.
또한, 상술과 같이, 본 실시 형태에 의한 철도 차량용 소결 마찰재는 소결재이다. 소결재 자체의 성분 분석이나, 넥 굵기, 분말 입자끼리의 결합 상태(융합 상태), 소결재 내부의 공공(空孔)의 분산 상황 등의, 소결재의 화학적 구성(화학 조성) 및 물리적 구성에 대해서, 현시점의 측정 기술 및 해석 기술에 의해 수치 한정 등에 의해 규정하는 것은 극히 곤란하다. 그 때문에, 본 실시 형태의 철도 차량용 소결 마찰재는, 상기와 같이, 압분체의 구성, 가압 소결 시의 소결 온도, 소결 마찰재의 기계 특성(평균 마찰 계수, 평균 마찰량) 등에 의해 규정하고 있다. 또한, 후술하는 바와 같이, 본 실시 형태에 철도 차량용 소결 마찰재의 제조 방법은, 주지의 방법이다. 즉, 본 실시 형태의 철도 차량용 소결 마찰재는, 압분체의 조성에 특징을 갖는다.
본 실시 형태의 철도 차량용 소결 마찰재에 있어서, 상기 압분체는, Cu의 일부를 대신하여, 육방정 질화붕소：3.0% 이하, 이황화몰리브덴：3.0% 이하, 마이카：3.0% 이하, 황화철, 황화구리 및 구리 매트로부터 선택되는 1종 이상：10.0% 이하, 바나듐 탄화물：5.0% 이하, 및, Fe：20.0% 이하로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유해도 된다.
본 실시 형태에 의한 철도 차량용 소결 마찰재의 제조 방법은, 상술한 혼합 분말을 냉간 성형하여 압분체를 제조하는 성형 공정과, 압분체에 대해서 800~1000℃의 소결 온도에서 가압 소결을 실시하여, 철도 차량용 소결 마찰재를 제조하는 가압 소결 공정을 구비한다.
이하, 본 발명에 의한 철도 차량용 소결 마찰재에 대해 상세히 서술한다.
［화학 조성］
본 발명에 의한 철도 차량용 소결 마찰재는, 상술과 같이, 철도 차량용의 브레이크 라이닝이나 디스크 브레이크 패드에 이용된다. 소결 마찰재의 소결 전의 압분체는, 다음의 조성(매트릭스용 분립체, 분산제)을 함유한다. 여기서, 압분체는, 혼합 분말을 프레스기에 의해 냉간 성형하여 형성된 것이다. 압분체의 원료가 되는 혼합 분말의 각 입자의 입경은 특별히 한정되지 않는데, 일례로서는 1~1000μm이다. 이하, 압분체를 구성하는 혼합 분말의 조성에 대해 설명한다. 또한, 압분체를 구성하는 혼합 분말의 조성에 관한 「%」는 질량%를 의미한다.
［매트릭스(기재)용 분립체］
Cu：50.0~75.0%
구리(Cu)는, 철도 차량용 소결 마찰재의 매트릭스(기재)로서 기능한다. Cu는 높은 열전도성을 갖는다. 그 때문에, 브레이크 시(마찰 시)에 있어서의 제동 대상 부재(브레이크 디스크 등)와 소결 마찰재의 계면 온도의 상승을 억제할 수 있고, 과도한 눌어붙음 발생을 억제한다. 그 때문에, 소결 마찰재의 내마모성이 높아진다. 매트릭스인 Cu는 또한, 매트릭스 중에 함유되는 후술의 분산제(윤활재, 경질 입자)를 유지한다. 혼합 분말군 중의 Cu 함유량이 50.0% 미만이면, 상기 효과를 얻을 수 없다. 한편, Cu 함유량이 75.0%를 초과하면, 마찰 계수가 과잉되게 커진다. 이 경우, 제동 대상(예를 들면, 브레이크 디스크 등)의 접동면(摺動面)에 대한 응착에 의한 마찰이 과잉되게 발생하고, 소결 마찰재의 내마모성이 저하한다. 따라서, Cu 함유량은 50.0~75.0%이다. Cu 함유량의 바람직한 하한은 52.0%이며, 더욱 바람직하게는 53.0%이다. Cu 함유량의 바람직한 상한은 70.0%이며, 더욱 바람직하게는, 67.0%이다.
또한, 본 발명에 의한 철도 차량용 소결 마찰재는, 매트릭스로서 Ni, Zn 및 Sn을 원칙 함유하지 않는다. 여기서 「원칙 함유하지 않는다」란, Ni, Zr, Sn을 적극 첨가하지 않는다는 의미이며, Ni, Zn 및 Sn은 불순물인 것을 의미한다.
Ni은 Cu에 고용하고, 소결 마찰재의 매트릭스가 제동 대상(브레이크 디스크 등)의 접동면에 응착하기 쉬워져, 내마모성이 저하한다. Zn 및 Sn은, 매트릭스의 내열성을 저하하고, 페이드를 발생시키기 쉽게 한다. 따라서, 소결 마찰재의 매트릭스에 Ni, Zn 및 Sn을 원칙 함유하지 않는다.
［분산제］
상기 압분체는 또한, 다음의 (1)~(4)의 분산제를 함유한다.
(1) 흑연：5.0~15.0%
본 명세서에서 말하는 흑연은, 천연 흑연 및/또는 인공 흑연을 포함한다. 가압 소결 후의 소결 마찰재에 있어서, 흑연은 입자로서 매트릭스 중에 함유된다. 흑연은, 윤활재로서 기능하고, 소결 마찰재의 마찰 계수를 안정화하며, 소결 마찰재의 마모량을 저감한다. 흑연 함유량이 5.0% 미만이면, 상기 효과를 얻을 수 없다. 한편, 흑연 함유량이 15.0%를 초과하면, 가압 소결 시에 혼합 분말이 충분히 소결되지 않고, 그 결과, 소결 마찰재의 내마모성이 저하한다. 따라서, 흑연 함유량은 5.0~15.0%이다. 흑연 함유량의 바람직한 하한은 8.0%이며, 더욱 바람직하게는 9.0%이다. 흑연 함유량의 바람직한 상한은 13.0%이며, 더욱 바람직하게는 12.0%이다.
(2) 마그네시아, 지르콘 샌드, 실리카, 지르코니아, 멀라이트 및 질화규소로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상：1.5~15.0%
마그네시아(MgO), 지르콘 샌드(ZrSiO4), 실리카(SiO2), 지르코니아(ZrO2), 멀라이트(3Al203·2SiO2~2Al203·SiO2), 및 질화규소(Si3N4)는 모두, 경질 입자로서 기능한다. 가압 소결 후의 소결 마찰재에 있어서, 이들 세라믹스는, 입자로서 매트릭스 중에 함유된다. 이들 세라믹스는 모두, 제동 대상(브레이크 디스크 등)의 접동면을 긁음으로써, 접동면에 생성되는 산화막을 제거하고, 응착을 안정적으로 발생시킨다. 이것에 의해, 소결 마찰재의 제동 대상(브레이크 디스크 등)에 대한 마찰 계수의 저하를 억제할 수 있으며, 뛰어난 마찰 특성이 얻어진다. 이들 세라믹스로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 합계 함유량이 1.5% 미만이면, 뛰어난 마찰 특성을 얻을 수 없다. 한편, 이들 세라믹스로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 합계 함유량이 15.0%를 초과하면, 소결 마찰재의 소결성이 저하한다. 이 경우, 소결 마찰재의 내마모성이 저하한다. 따라서, 이들 세라믹스로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 합계 함유량은 1.5~15.0%이다. 이들 세라믹스군으로부터 선택되는 1종 이상의 합계 함유량의 바람직한 하한은 2.0%이며, 더욱 바람직하게는 4.0%이다. 이들 세라믹스군으로부터 선택되는 1종 이상의 합계 함유량의 바람직한 상한은 12.0%이며, 더욱 바람직하게는 10.0%이다.
(3) W 및 Mo으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상：3.0~30.0%
텅스텐(W) 및 몰리브덴(Mo)은 모두, 경질 입자로서 기능한다. W 및 Mo은, 매트릭스의 Cu에 고용하지 않고, 입자로서 매트릭스 중에 함유된다. W 및 Mo은 모두, 후술의 Fe계 합금 입자와 함께 함유됨으로써, 소결 마찰재의 내마모성을 높인다. W 및 Mo으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 합계 함유량이 3.0% 미만이면, 이 효과를 얻을 수 없다. 한편, W 및 Mo으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 합계 함유량이 30.0%를 초과하면, 소결 마찰재의 소결성이 저하한다. 이 경우, 소결 마찰재의 내마모성이 저하한다. 따라서, W 및 Mo으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 합계 함유량은 3.0~30.0%이다. W 및 Mo으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 합계 함유량의 바람직한 하한은 3.5%이며, 더욱 바람직하게는 4.0%이다. W 및 Mo으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 합계 함유량의 바람직한 상한은 25.0%이며, 더욱 바람직하게는 20.0%이다.
(4) 페로크롬, 페로텅스텐, 페로몰리브덴, 및, 스테인리스강으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상：2.0~20.0%
페로크롬(FeCr), 페로텅스텐(FeW), 페로몰리브덴(FeMo) 및 스테인리스강은 모두, 매트릭스 중에 고용하지 않고, 입자로서 매트릭스 중에 함유된다. 본 명세서에 있어서, 페로크롬, 페로텅스텐, 페로몰리브덴, 및, 스테인리스강을 총칭하여 Fe계 합금 입자라고 한다. 이러한 Fe계 합금 입자는 모두, 소결 마찰재의 내마모성을 높인다. 그 이유는 확실하지 않지만, 다음의 이유를 생각할 수 있다.
Fe계 합금 입자의 경도는, 매트릭스(Cu)보다 높다. Fe계 합금 입자는 또한, 상술한 세라믹스(마그네시아, 지르콘 샌드, 실리카, 지르코니아, 멀라이트 및 질화규소)와 비교하여, 매트릭스와의 친화성이 높고, 매트릭스로부터 박리하기 어렵다. 그 때문에, Fe계 합금 입자는 소결 마찰재의 내마모성을 높인다. 이 효과는, W 및 Mo으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상과 함께 매트릭스 중에 함유됨으로써, 더욱 높아진다. Fe계 합금 입자가 특히 저속역~중속역에서의 내마모성을 높이고, W 및 Mo이 특히 고속역에서의 내마모성을 높인다고 생각할 수 있다.
Fe계 합금 입자의 합계 함유량이 2.0% 미만이면, 소결 마찰재의 내마모성이 저하한다. 한편, Fe계 합금 입자의 합계 함유량이 20.0%를 초과하면, 소결 마찰재의 소결성이 저하한다. 이 경우, 소결 마찰재의 내마모성이 저하한다. 따라서, Fe계 합금 입자의 합계 함유량은 2.0~20.0%이다. Fe계 합금 입자의 바람직한 하한은 3.0%이며, 더욱 바람직하게는 4.0%이다. Fe계 합금 입자의 바람직한 상한은 18.0%이며, 더욱 바람직하게는 16.0%이다.
본 명세서에 있어서, 페로크롬은, JIS G 2303(1998)에 규정된 고탄소페로크롬(FCrH0, FCrH1, FCrH2, FCrH3, FCrH4, 및, FCrH5), 중탄소페로크롬(FCrM3, FCrM4), 및 저탄소페로크롬(FCrL1, FCrL2, FCrL3, 및, FCrL4)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함한다.
본 명세서에 있어서, 페로텅스텐은, JIS G 2306(1998)에 규정된 화학 조성을 갖는 페로텅스텐(FW)을 의미한다.
본 명세서에 있어서, 페로몰리브덴은, JIS G 2307(1998)에 규정된 고탄소페로몰리브덴(FMoH) 및 저탄소페로몰리브덴(FMoL)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함한다.
본 명세서에 있어서, 스테인리스강은, 50질량% 이상의 Fe과 10.5% 이상의 크롬을 함유하는 합금강을 의미한다. 보다 바람직하게는, 본 명세서에 있어서의 스테인리스강은, JIS G 4303(2012), JIS G 4304(2012), JIS G 4304(2015), JIS G 4305(2012), JIS G 4305(2015), JIS G 4308(2013) 및 JIS G 4309(2013)에 규정된 스테인리스강을 의미한다. 본 명세서에 있어서의 스테인리스강은, 예를 들면, 상기 JIS G 4304(2012)에 규정된 마텐자이트계 스테인리스강이어도 되고, 페라이트계 스테인리스강이어도 되며, 오스테나이트계 스테인리스강이어도 되고, 이상계(二相系)(오스테나이트·페라이트계) 스테인리스강이어도 되며, 석출경화계 스테인리스강이어도 된다.
마텐자이트계 스테인리스강은 예를 들면, 상기 JIS 규격에 규정된 SUS403, SUS410, SUS410S, SUS420(SUS420J1, SUS420J2), SUS440A 등이다.
페라이트계 스테인리스강은 예를 들면, 상기 JIS 규격에 규정된 SUS405, SUS410L, SUS429, SUS430, SUS430LX, SUS430J1L, SUS434, SUS436L, SUS436J1L, SUS443J1, SUS444, SUS445J1, SUS445J2, SUS447J1, SUSXM27 등이다.
오스테나이트계 스테인리스강은 예를 들면, 상기 JIS 규격에 규정된 SUS301, SUS301L, SUS301J1, SUS302B, SUS303, SUS304, SUS304Cu, SUS304L, SUS304N1, SUS304N2, SUS304LN, SUS304J1, SUS304J2, SUS305, SUS309S, SUS310S, SUS312L, SUS315J1, SUS315J2, SUS316, SUS316L, SUS316N, SUS316LN, SUS316Ti, SUS316J1, SUS316J1L, SUS317, SUS317L, SUS317LN, SUS317J1, SUS317J2, SUS836L, SUS890L, SUS321, SUS347, SUSXM7, SUSXM15J1 등이다.
이상계(오스테나이트·페라이트계) 스테인리스강은 예를 들면, 상기 JIS 규격에 규정된 SUS821L1, SUS323L, SUS329J1, SUS329J3L, SUS329J4L, SUS327L1 등이다.
석출경화계 스테인리스강은 예를 들면, 상기 JIS 규격에 규정된 SUS630, SUS631 등이다.
소결 마찰재용의 압분체의 잔부는 불순물이다. 여기서, 불순물이란, 압분체를 공업적으로 제조할 때에, 원료 또는 제조 환경 등으로부터 혼입되는 것이며, 본 실시 형태의 소결 마찰재에 악영향을 주지 않는 범위에서 허용되는 것을 의미한다.
［임의 첨가재에 대해］
상기 압분체는 또한, Cu의 일부를 대신하여, 다음의 (5)~(7)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 분산제를 함유해도 된다.
(5) 하기 (a)~(d)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상
(a) 육방정 질화붕소：3.0% 이하,
(b) 이황화몰리브덴：3.0% 이하,
(c) 마이카：3.0% 이하, 및,
(d) 황화철, 황화구리 및 구리 매트로부터 선택되는 1종 이상：10.0% 이하
육방정 질화붕소(h-BN), 이황화몰리브덴(MoS2), 마이카(운모) 및, 황화철, 황화구리 및 구리 매트로부터 선택되는 1종 이상은 모두, 윤활재로서 기능한다. 이들 윤활재는, 흑연과 마찬가지로, 소결 마찰재의 마찰 계수를 안정화하여, 뛰어난 마찰 특성이 얻어진다. 그러나, 이러한 각 윤활재의 함유량이 3.0%를 초과하면, 소결 마찰재의 소결성이 저하하고, 내마모성이 저하한다. 따라서, 육방정 질화붕소의 함유량은 3.0% 이하이고, 이황화몰리브덴의 함유량은 3.0% 이하이며, 마이카의 함유량은 3.0% 이하이고, 황화철, 황화구리 및 구리 매트로부터 선택되는 1종 이상의 합계 함유량은 10.0% 이하이다.
구리 매트는 JIS H 0500(1998)의 신동품(伸銅品) 용어 번호 5400에 기재되어 있는 것이며, 주로 황화철과 황화구리로 이루어진다. 황화철, 황화구리는 각각 단독으로 윤활제로서 작용한다. 또한, 황화철과 황화구리를 혼합하여 사용해도 된다. 상술한 구리 매트는 황화철과 황화구리의 혼합물로서 사용할 수 있고, 또한 염가인 점으로부터 경제적인 관점에서 유리하다.
(6) 바나듐 탄화물：5.0% 이하
바나듐 탄화물(VC)은, 경질 입자이며, 매트릭스 중에 입자로서 함유된다. 바나듐 탄화물은, W과의 상승 효과에 의해, 소결 마찰재의 내마모성을 더욱 높인다. 그러나, 바나듐 탄화물의 함유량이 너무 높으면, 소결 마찰재의 소결성이 저하하고, 내마모성이 저하한다. 따라서, 바나듐 탄화물의 함유량은 5.0% 이하이다. 바나듐 탄화물의 함유량의 바람직한 하한은 0.2%이며, 더욱 바람직하게는 0.5%이다. 바나듐 탄화물의 함유량의 바람직한 상한은 4.0%이며, 더욱 바람직하게는 3.0%이다.
(7) Fe：20.0% 이하
철(Fe)은, 소결 마찰재의 매트릭스 중에 입자 또는 응집체로서 소결 마찰재에 함유된다. Fe은 매트릭스의 강도를 높이고, 소결 마찰재의 내마모성을 높인다. Fe은 또한, 눌어붙음에 의해 소결 마찰재의 마찰 계수를 높인다. 그러나, Fe 함유량이 너무 높으면, 응착이 발생하기 쉬워져, 소결 마찰재의 내마모성이 저하한다. 따라서, Fe 함유량은 20.0% 이하이다. Fe 함유량의 바람직한 하한은 0.5%이며, 더욱 바람직하게는 4.0%이다. Fe 함유량의 바람직한 상한은 15.0%이며, 더욱 바람직하게는 12.0%이다.
［소결 마찰재에 대해］
본 실시 형태에 의한 소결 마찰재는, 상술의 압분체를 주지의 가압 소결법에 의해 주지의 가압 소결 조건으로 가압 소결하여 형성된다. 보다 구체적으로는, 본 실시 형태에 의한 소결 마찰재는, 상술의 압분체를 800~1000℃에서 가압 소결하여 형성된다. 본 실시 형태에 의한 소결 마찰재는, Cu로 이루어지는 매트릭스에, 특히 상기 (1)~(4)를 함유하고, 임의로 (5)~(7) 중 적어도 1종 또는 2종 이상을 함유함으로써, 충분한 마찰 특성을 가지면서, 뛰어난 내마모성을 갖고, 특히, 280km/시 이상의 고속역에서의 내마모성이 뛰어나다.
보다 구체적으로는, 본 실시 형태에 의한 소결 마찰재는, 직경이 400mm, 두께가 20mm이며, JIS G 4053(2016)에 규정된 SCM440에 상당하는 화학 조성을 갖고, 약 1000MPa의 인장 강도를 갖는 브레이크 디스크와, 브레이크 디스크를 제동하는 캘리퍼를 준비하고, 캘리퍼의 좌우의 내면의 각각에, 폭 38mm, 길이 55mm, 높이 15mm의 4개의 소결 마찰재를, 브레이크 디스크(10)의 중심으로부터 반경 170mm의 가상 원 상에, 브레이크 디스크(10)의 중심축 둘레로 25°씩 비켜서 일렬로 배열하고, 회전하는 브레이크 디스크에 대해서, 캘리퍼의 좌우 내면에 장착된 소결 마찰재를, 일정한 압력 2.24kN으로 브레이크 디스크의 양면에 누르는 브레이크 시험을 실시했을 경우, 제동 초속이 365km/시에서의 소결 마찰재의 평균 마찰 계수가 0.280 이상이며, 또한, 브레이크 디스크의 편면당 소결 마찰재의 평균 마찰량이, 제동 초속이 300km/시에 있어서 6.30g/편면 이하이고, 제동 초속이 325km/시에 있어서 6.50g/편면 이하이며, 제동 초속이 365km/시에 있어서 9.00g/편면 이하이다.
바람직하게는, 본 실시 형태의 소결 마찰재에 있어서, 상기 브레이크 시험을 실시했을 경우, 제동 초속이 365km/시에서의 바람직한 평균 마찰 계수는 0.285 이상이고, 더욱 바람직하게는 0.290 이상이며, 더욱 바람직하게는 0.300 이상이다.
바람직하게는, 본 실시 형태의 소결 마찰재에 있어서, 상기 브레이크 시험을 실시했을 경우, 제동 초속이 300km/시에 있어서의 바람직한 평균 마찰량이 5.50g/편면 이하이고, 더욱 바람직하게는 5.00g/편면 이하이다. 제동 초속이 325km/시에 있어서의 바람직한 평균 마찰량이 5.70g/편면 이하이고, 더욱 바람직하게는 5.20g/편면 이하이다. 제동 초속이 365km/시에 있어서의 바람직한 평균 마찰량이 8.50g/편면 이하이고, 더욱 바람직하게는 8.00g/편면 이하이다.
［제조 방법］
본 발명의 소결 마찰재의 제조 방법의 일례를 설명한다. 본 발명의 소결 마찰재의 제조 방법의 일례는, 혼합 분말 제조 공정과, 성형 공정과, 가압 소결 공정을 포함한다. 이하, 각 공정에 대해 설명한다.
［혼합 분말 제조 공정］
상술의 (1)~(4)의 분립체, 추가로, 필요에 따라서 (5)~(7)의 분립체를 준비한다. 준비된 분립체를, 주지의 혼합기를 이용하여 혼합(믹싱)하고, 혼합 분말을 제조한다. 주지의 혼합기는 예를 들면, 볼 밀이나 V형 혼합기이다.
［성형 공정］
제조된 혼합 분말을 소정의 형상으로 냉간 성형하여 압분체를 제조한다. 혼합 분말의 성형에는, 주지의 성형법을 적용하면 된다. 예를 들면, 프레스 성형법에 의해, 상기 압분체를 제조한다. 구체적으로는, 소정의 형상을 성형하기 위한 금형(다이)을 준비한다. 금형 내에 혼합 분말을 충전한다. 금형에 충전된 분립체는 프레스기에 의해 주지의 압력으로 가압되고, 압분체로 냉간 성형된다. 냉간 성형이기 때문에, 압분체는 통상, 상온에서 성형된다. 프레스기에서의 압력은 예를 들면, 180N/mm2 이상이며, 바람직하게는, 196N/mm2 이상이다. 프레스기에서의 압력의 상한은 예를 들면, 1000N/mm2이다. 성형은 대기 중에서 행하면 충분하다.
［가압 소결 공정］
제조된 압분체에 대해서 주지의 가압 소결법을 실시하여, 소결 마찰재를 제조한다. 예를 들면, 가압 소결 장치 내의 흑연판 상에 압분체를 배치한다. 그 후, 내주면에 고주파 가열 코일이 배치된 하우징형의 프레임 내에, 압분체가 배치된 흑연판을 겹쳐 쌓아올려 격납한다. 그 후, 최상단의 흑연판에 압력을 부여하여 압분체를 가압하면서, 소결 분위기 중에서 소정의 소결 온도에서 소결한다.
가압 소결은, 주지의 조건으로 실시하면 충분하다. 또한, 가압 소결 시의 소결 온도는 예를 들면, 800~1000℃이다. 소결 온도의 바람직한 하한은 820℃이고, 더욱 바람직하게는 830℃이며, 더욱 바람직하게는 840℃이다. 소결 온도의 바람직한 상한은 980℃이고, 더욱 바람직하게는 970℃이며, 더욱 바람직하게는 960℃이다.
가압 소결 시에 압분체에 부여하는 압력은 예를 들면, 0.2~5.0N/mm2이다. 가압 소결 시에 압분체에 부여하는 압력의 바람직한 하한은 0.3N/mm2이고, 더욱 바람직하게는 0.4N/mm2이며, 더욱 바람직하게는 0.5N/mm2이다. 가압 소결 시에 압분체에 부여하는 압력의 바람직한 상한은 4.0N/mm2이고, 더욱 바람직하게는 3.0N/mm2이며, 더욱 바람직하게는 1.5N/mm2이다.
가압 소결 시의 상기 소결 온도에서의 유지 시간은 10~120분이다. 바람직한 유지 시간의 하한은 20분이며, 더욱 바람직하게는 60분이다. 바람직한 유지 시간의 상한은 110분이며, 더욱 바람직하게는 100분이다.
가압 소결 시의 분위기는 예를 들면, 불활성 가스 및 불순물로 이루어지거나, 또는 불활성 가스 및 H2 가스를 함유하고, 잔부는 불순물로 이루어진다. H2 가스를 함유하는 경우, 바람직한 H2 가스의 함유량은 5~20%이다. 불활성 가스는 예를 들면, N2 가스나, Ar 가스이다. 가압 소결 시의 바람직한 분위기는, 5~20%의 H2 가스를 함유하고, 잔부는 N2 및 불순물로 이루어진다. 또는, 가압 소결 시의 바람직한 분위기는, Ar 가스 및 불순물로 이루어진다.
상기 가압 소결에 의해, 압분체 내의 분립체의 접촉부에 넥이 형성되고, 상술한 소결 마찰재가 제조된다.
［그 외의 공정］
상기 제조 공정은 추가로, 주지의 코이닝 공정 및/또는 주지의 절삭 가공 공정을 포함해도 된다.
［코이닝 공정］
코이닝 공정을 가압 소결 공정 후에 실시해도 된다. 코이닝 공정에서는, 가압 소결 공정 후의 소결 마찰재를 냉간으로 가압하여, 소결 마찰재의 형상을 정돈한다.
［절삭 가공 공정］
절삭 가공 공정을, 가압 소결 공정 후 또는 코이닝 공정 후에 실시해도 된다. 절삭 가공 공정에서는, 소결 마찰재를 절삭 가공하여, 원하는 형상으로 한다.
이상의 제조 공정에 의해 본 발명에 의한 철도 차량용의 소결 마찰재가 제조된다. 철도 차량용의 소결 마찰재가 브레이크 라이닝인 경우, 장착판 부재에 1 또는 복수의 소결 마찰재가 고정되고, 철도 차량에 장착된다.
[실시예]
표 1에 나타내는 분립체를 함유하는 혼합 분말을 제조하였다.
구체적으로는, 원료를, V형 혼합기에 투입한 후, 회전 속도 20~40rpm으로 20~100분 믹싱하고, 각 시험 번호의 혼합 분말을 제조하였다.
각 시험 번호의 혼합 분말을 이용하고, 냉간 성형 가공에 의해 압분체를 제조하였다. 성형 가공에서는, 초경합금으로 이루어지는 금형에 혼합 분말을 충전한 후, 196~588N/mm2로 가압하고, 상온(25℃)에서 압분체를 성형하였다.
압분체를 가압 소결법에 의해 가압 소결하여, 소결 마찰재를 형성하였다. 구체적으로는, 흑연판 상에 압분체를 배치하였다. 그 후, 내주면에 고주파 가열 코일이 배치된 하우징형의 프레임 내에, 압분체가 배치된 흑연판을 겹쳐 쌓아올려 격납하였다. 850~950℃에서 60분 가열하고, 압분체를 0.5~1.0N/mm2로 가압하여 압분체를 소결하고, 소결 마찰재를 제조하였다. 가압 소결 중의 프레임 내의 분위기는, 5~10%의 H2 가스와, N2 가스로 이루어지는 혼합 가스로 하였다. 이상의 제조 공정에 의해, 소결 마찰재를 제조하였다.
［브레이크 시험］
제조된 소결 마찰재를 이용하여, 브레이크 시험을 실시하였다. 구체적으로는, 도 1에 나타내는 벤치 시험기(1)를 준비하였다. 벤치 시험기(1)는, 제동 대상재인 브레이크 디스크(10)와, 플라이휠(11)과, 모터(12)와, 캘리퍼(13)를 구비하였다. 브레이크 디스크(10)는, 샤프트(14)를 개재하여, 플라이휠(11) 및 모터(12)와 연결되었다. 브레이크 디스크(10)는, 신칸센에서 이용되는 브레이크 디스크의 1/2의 사이즈이며, 직경이 400mm, 두께가 20mm였다. 제동 대상재인 브레이크 디스크의 화학 조성은, JIS G 4053(2016)에 규정된 SCM440에 상당하였다. 브레이크 디스크는, 담금질 및 뜨임을 실시하여, 브레이크 디스크의 인장 강도를 1000MPa로 조정하였다.
4개의 소결 마찰재(15)(라이닝재)를 장착판(16)에 장착하였다. 4개의 소결 마찰재(15)(라이닝재)가 장착된 장착판(16)을 2세트 준비하고, 이 장착판(16)을 각각 캘리퍼(13)의 좌우의 내면에 장착하였다. 각 소결 마찰재(15)는 직육면체이며, 폭 38mm, 길이 55mm, 높이 15mm였다. 각 4개의 소결 마찰재는, 브레이크 디스크(10)의 중심으로부터 반경 170mm의 가상 원 상에, 브레이크 디스크(10)의 중심축 둘레로 25°씩 비켜서 일렬로 배열하였다.
［브레이크 시험에서의 마찰 계수 측정］
소결 마찰재(15)(라이닝재)가 장착된 장착판(16)을 캘리퍼(13)에 장착한 후, 브레이크 시험을 실시하였다. 구체적으로는, 회전하는 제동 대상재인 브레이크 디스크에 대해서, 캘리퍼(13)의 좌우 내면에 장착된 소결 마찰재(15)를, 일정한 압력 2.24kN으로 브레이크 디스크의 양면에 누르고(브레이크를 걸고), 토크를 측정하여, 마찰 계수(μ)를 구하였다.
브레이크를 걸기 시작할 때의 디스크 브레이크의 속도(제동 초속)를, 160, 240, 300, 325, 365km/시로 하여, 각각의 제동 초속에서 마찰 계수를 구하였다. 각 제동 초속에 있어서 3회 브레이크를 걸어 마찰 계수를 구하고, 3회의 마찰 계수의 평균치를, 그 제동 초속에서의 평균 마찰 계수로 정의하였다.
［브레이크 시험에서의 마모량］
상술한 각 제동 초속에서의 브레이크 시험의 전후에서의, 소결 마찰재의 질량차를 구하고, 얻어진 질량차로부터, 1회의 브레이크 시험에서의 브레이크 디스크의 편면당 소결 마찰재의 평균 마모량(g/편면)을 구하였다. 구체적으로는, 소결 마찰재(15)가 장착판(16)에 장착된 상태로 전체의 질량을 시험 전에 측정하고, 3회의 브레이크 후에 동일한 상태로 전체의 질량을 측정하여, 그 질량차를 1세트씩 구하였다. 그리고, 좌우 2세트의 질량차를 합계한 후에, 브레이크 횟수인 3으로 나누고, 또한 세트수인 2로 나눈 값을, 그 제동 속도에서의 평균 마모량(g/편면)으로 정의하였다.
［시험 결과］
시험 번호 1~8의 시험 결과를 표 2에 나타낸다. 또한, 시험 번호 1~3에서의 제동 초속(km/시)과 마찰 계수(μ)의 관계를 도 2에 나타낸다. 또한, 시험 번호 1~3에서의 제동 초속(km/시)과 평균 마모량(g/편면)의 관계를 도 3에 나타낸다.
표 2 및 도 2를 참조하여, 어느 제동 초속에 있어서도, 0.280 이상의 높은 평균 마찰 계수가 얻어졌다.
또한, 표 2 및 도 3을 참조하여, Fe계 합금 입자 및 W를 모두 함유한 시험 번호 2~8에서는, W 및 Fe계 합금 입자를 모두 함유하지 않는 시험 번호 1과 비교하여, 어느 제동 초속에 있어서도, 평균 마모량(g/편면)이 낮았다. 또한, 시험 번호 2~8을 비교하여, W 함유량이 높은 시험 번호 3은, 시험 번호 3보다 W 함유량이 낮은 다른 시험 번호와 비교하여, 마찰 계수가 비교적 높고, 또한, 평균 마모량이 비교적 낮았다.
이상, 본 발명의 실시의 형태를 설명하였다. 그러나, 상술한 실시의 형태는 본 발명을 실시하기 위한 예시에 불과하다. 따라서, 본 발명은 상술한 실시의 형태에 한정되지 않으며, 그 취지를 벗어나지 않는 범위 내에서 상술한 실시의 형태를 적절히 변경하여 실시할 수 있다.
Claims (5)
- 질량%로,
Cu：50.0~75.0%,
흑연：5.0~15.0%,
마그네시아, 지르콘 샌드, 실리카, 지르코니아, 멀라이트 및 질화규소로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상：1.5~15.0%,
W 및 Mo으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상：3.0~30.0%, 및,
페로크롬, 페로텅스텐, 페로몰리브덴, 및, 스테인리스강으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상：2.0~20.0%
를 함유하고, 잔부는 불순물로 이루어지는 압분체의 소결재인, 철도 차량용 소결 마찰재. - 청구항 1에 있어서,
상기 압분체를 800~1000℃에서 가압 소결하여 형성된 소결재인, 철도 차량용 소결 마찰재. - 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
직경이 400mm, 두께가 20mm이며, JIS G 4053(2016)에 규정된 SCM440에 상당하는 화학 조성을 갖고, 약 1000MPa의 인장 강도를 갖는 브레이크 디스크와, 상기 브레이크 디스크를 제동하는 캘리퍼를 준비하고, 상기 캘리퍼의 좌우의 내면의 각각에, 폭 38mm, 길이 55mm, 높이 15mm의 4개의 상기 소결 마찰재를, 브레이크 디스크의 중심으로부터 반경 170mm의 가상 원 상에, 상기 브레이크 디스크의 중심축 둘레로 25°씩 비켜서 일렬로 배열하고, 회전하는 상기 브레이크 디스크에 대해서, 상기 캘리퍼의 좌우 내면에 장착된 소결 마찰재를, 일정한 압력 2.24kN으로 상기 브레이크 디스크의 양면에 누르는 브레이크 시험을 실시했을 경우, 제동 초속이 365km/시에서의 상기 소결 마찰재의 평균 마찰 계수가 0.280 이상이며, 또한, 상기 브레이크 디스크의 편면당 상기 소결 마찰재의 평균 마찰량이, 제동 초속이 300km/시에 있어서 6.30g/편면 이하이고, 제동 초속이 325km/시에 있어서 6.50g/편면 이하이며, 제동 초속이 365km/시에 있어서 9.00g/편면 이하인, 철도 차량용 소결 마찰재. - 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
또한,
상기 압분체는, Cu의 일부를 대신하여,
육방정 질화붕소：3.0% 이하,
이황화몰리브덴：3.0% 이하,
마이카：3.0% 이하, 및,
황화철, 황화구리 및 구리 매트로부터 선택되는 1종 이상：10.0% 이하,
바나듐 탄화물：5.0% 이하, 및,
Fe：20.0% 이하
로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유하는, 철도 차량용 소결 마찰재. - 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 기재된 철도 차량용 소결 마찰재의 제조 방법으로서,
혼합 분말을 냉간 성형하여 상기 압분체를 제조하는 성형 공정과,
상기 압분체에 대해서 800~1000℃의 소결 온도에서 가압 소결을 실시하여, 상기 철도 차량용 소결 마찰재를 제조하는 가압 소결 공정을 구비하는, 철도 차량용 소결 마찰재의 제조 방법.
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