TW201502290A - 銅合金粉末、銅合金燒結體及高速鐵路用煞車襯 - Google Patents

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Abstract

使用由以質量%計含有Fe：0.1~2.0%之銅合金藉由霧化法所製造之銅合金粉末製造高速鐵路用燒結摩擦材。此摩擦材兼具充分之強度與高熱傳導性兩者。

Description

銅合金粉末、銅合金燒結體及高速鐵路用煞車襯
本發明係關於銅合金粉末、銅合金燒結體及高速鐵路用煞車襯。
於用於高速鐵路車輛之煞車襯材、盤式煞車墊片材等之基材上，使用將金屬粉末成形、燒結後之燒結體。尤其，因為銅具有高的熱傳導性，可始摩擦時之界面溫度降低，多用於高速鐵路用襯材。又，由摩耗性之觀點來看亦研討鐵之添加。
專利文獻1~4中記載有將銅鐵合金用於煞車‧摩擦材之例。又，專利文獻5及6中記載有於銅鐵混合之高溫熔體冷卻時，藉由超音波攪拌或急冷使鐵均勻且細微地分散於銅中之技術。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2009-102583號公報
[專利文獻2]日本特開平1-320329號公報
[專利文獻3]日本特開平5-86359號公報
[專利文獻4]日本特開2006-16680號公報
[專利文獻5]日本特開平6-17163號公報
[專利文獻6]日本特開平11-131111號公報
上述任一文獻皆為使銅中含有5%或其以上之鐵者。如此多量之鐵的添加，雖對於銅合金之強化有效，但有著使銅合金之熱傳導性下降之問題。尤其，新幹線等之高速鐵路用煞車襯，在制動時溫度上升至800℃的程度，尤其企求優異之熱傳導性。
本發明為解決此已往技術之問題所完成者，目的為以低成本得到可兼具必要之強度與高熱傳導性兩者之作為摩擦材之燒結體。
本發明者們，為得成上述目的而進行深入研究，得到下述見解。
(a)為了提升燒結體耐摩耗性，材料之高強度化，例如硬度增大為有效的。
(b)燒結體若成為高溫則強度降低。因此，燒結體為具有高熱傳導性、摩擦界面之溫度降低者佳。
本發明者們，基於上述見解進行更進一步研 討，得到下述之見解。
(c)本發明者們，開發了由於銅粉末加入鐵粉末之混合粉末得到燒結體之技術。此技術係於燒結體襯所含之鐵粒子與鋼盤摩擦時，藉由同質合金效應(same-metal phenomenon)發揮優異之制動力。然而，於銅粉末加入鐵粉末時使其均勻地混合係困難的，結果，燒結體中存在之鐵粒子粒徑變大，使其於燒結體全體均勻地分散係困難的。如此，若以使用於銅粉末加入鐵粉末之混合粉末為前提，鐵粒子之粒徑相對地變大，雖鐵粒子大量存在部分之強度變高，但鐵粒子少的部分的強度仍低，結果，難以導致燒結體之基材本身的強化，又，鐵亦成為發熱源。
(d)因此，作為燒結原料，使用微量含有鐵之銅合金粉末者為有效。因為藉由將銅粉末做成銅合金粉末，成為於燒結體中能使細微之鐵粒子均勻地分散，進行基材本身的強化。又，因為銅與鐵不會固溶，銅合金粉末成為於銅中析出微小之鐵者。如此，若為微量含有鐵之銅合金粉末，因為鐵粒子被具有高熱傳導之銅所包圍，摩擦熱之放散成為容易，可抑制摩擦界面溫度的上升。
(e)但，若銅合金中所包含之鐵的量過多，硬度雖然提升，但鐵粒子變得過大，熱傳導率降低。因此，由銅合金之強化與熱傳導率之平衡來看，有必要設定適當之鐵含量。
本發明為基於上述見解所完成者，概括為下述之發明。
(1)一種銅合金粉末，其係用於製造高速鐵路用燒結摩擦材之銅合金粉末，其特徵為由以質量%計含有Fe：0.1~2.0%之銅合金藉由霧化法所製造者。
(2)一種銅合金燒結體，其係將包含上述(1)之銅合金粉末之粉末進行成形、燒結而得。
(3)如上述(2)之銅合金燒結體，其中，前述銅合金燒結體中所含之Fe粒子的平均粒徑為5μm以下。
(4)如上述(2)或(3)之銅合金燒結體，其中，燒結溫度為1083℃以下。
(5)一種高速鐵路用煞車襯，其使用上述(2)~(4)中任一項之銅合金燒結體。
若依據本發明，能以低成本得到可兼具必要之強度與高熱傳導性兩者之作為摩擦材之燒結體。因為所得之燒結體具有優異之耐摩耗性，故最適合用於高速鐵路用煞車襯等之高速鐵路用燒結摩擦材。
[圖1]本發明例6之TEM照片
[圖2]比較例9之TEM照片
本發明之銅合金粉末，成為用以藉由粉末冶金法成形、燒結得到銅合金燒結體原料，所得之銅合金燒結體施以必要之加工，作為高速鐵路用燒結摩擦材使用。銅合金粉末為以質量%計含有Fe：0.1~2.0%者。
鐵有提升銅合金之強度(硬度)之效果。為了得到該效果，將其含量定為0.1%以上。另一方面，因為鐵為熱傳導性差，其含量過多之情形下，於高速鐵路之制動時等容易變得高溫化。然而，若鐵之含量為2.0%以下時，可成為於具有高熱傳導性之銅中析出微小之鐵的銅合金粉末，摩擦熱之放散成為容易，可抑制摩擦界面溫度之上升。鐵之含量的下限為0.1%較佳，上限為1.0%較佳。
本發明之銅合金粉末為含有Fe：0.1~2.0%，剩餘部分為由銅所成者亦可，Fe之外，例如相對於Cu而言使之含有賦予Fe濕潤性之微量的Ti亦可。此處，若過量含有Ti時，有粒內產生龜裂之虞。因此，使其含有Ti之情形中，其含量成為0.01質量%以下較適宜。又，本發明之銅合金粉末雖可含有雜質亦可，但大量含有雜質之情形時，有損及本發明高熱傳導性之目的之虞。因此，使用Cu為無氧銅、Fe為電解鐵粉(例如東邦鋅製Atomiron)較適宜。
且，雜質係指於各種原料中混入之成分、合金粉之製造過程混入之成分等的意思。雜質若分別為下述範圍內則為可容許。即為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。
本發明之銅合金粉末係藉由霧化法所製造者。例如，將調整成上述化學組成之銅合金原料以感應加熱爐熔解，所得之銅合金熔湯以爐底之噴嘴搾出，於使其自由落下之過程中急冷，或是吹出噴射流體至銅合金熔湯，使其成為粉粒狀較佳。
本發明之銅合金粉末因為藉由以霧化急冷凝固所製造，故合金中所含之Fe於Cu中以固溶或奈米尺度細微析出之狀態存在。
本發明之銅合金粉末的平均粒徑為在63μm以下之範圍內較佳。銅合金粉末之平均粒徑若過大，有燒結變得困難之問題。另一方面，銅合金粉末之平均粒徑若過小，有以霧化法所製造之產率(良率)顯著降低之問題，故平均粒徑成為35μm以上較佳。
由上述之銅合金粉末製造銅合金燒結體時，可使用通常採用之方法，無特別的制約。可將調整成特定化學組成之銅合金粉末分級，填充至模具，以特定壓力壓胚成形後，於惰性氣體氛圍進行熱處理來製造。
惟，燒結溫度以1083℃以下較佳。這是因為以超過1083℃之溫度燒結時僅銅合金中之銅熔融，其凝固過程中鐵凝聚，有鐵之平均結晶粒徑變得過大之虞。燒結溫度若太低則無法成為燒結體，因此燒結溫度之下限以 800℃為宜。
藉由燒結時之加熱，合金粉末中固溶或以奈米尺度細微析出之Fe雖凝聚粗大化，但銅合金燒結體中所含之Fe粒子之平均粒徑為5μm以下較佳。Fe粒子之平均粒徑若過大，熱傳導性降低，將此用於高速鐵路用燒結摩擦材時摩擦界面之溫度上升，摩擦材之耐摩耗性劣化的同時，盤之溫度亦上升，盤之形狀有發生翹曲之虞。此處，Fe粒子之平均粒徑成為5um以下，是因為若為燒結體原料之合金粉末的平均粒徑之10%程度的話，不會妨礙當初目的之摩擦發熱的散逸。Fe粒子之平均粒徑，即使很小也因為上述效果飽和且同時製造成本上升之故，成為0.1μm以上者為符合實際的。
首先，將表1所示之純銅及銅合金以感應加熱爐熔解，將所得之熔湯以爐底之噴嘴搾出，於使其自由落下之過程中急冷而得到具有各種化學組成之粉末。所得之粉末以63μm網目之篩分級，得到平均粒徑35μm程度之粉末。接著，將此粉末填充至內徑48mm之模具中，以壓力294MPa壓胚成型後，以各種條件熱處理得到燒結體。首先，使爐內形成真空後，再導入Ar氣體進行燒結。升溫速度為10℃/分，各自加熱至設定之溫度，於該溫度綁保持一定之時間。燒結條件併記於表1。
調查所得之燒結體之維氏硬度及密度。密度以依據JIS Z8807為準之阿基米德法測定。其結果表示於表1。
一部分之燒結體(950℃×1小時之例及1000℃×1小時之例)，藉由雷射閃光法，測定室溫(22℃)、200℃、400℃及600℃中之熱傳導率。其結果併記於表1。
一部分之燒結體(1000℃×1小時之例)，以機械加工製作成外徑20mm×厚度4.5mm之圓盤狀的試驗片。各試驗片以下述要領進行高溫摩擦.摩耗試驗。其結果併記於表1。
<高溫摩擦‧摩耗試驗>
使用泛用之CSM公司之THT1000作為試驗裝置，施行銷對盤(pin-on-disk)試驗(於盤上壓上銷，調查此時盤之摩耗的試驗)。試驗條件為銷：SUJ2球(外徑6mm)
盤：銅鐵合金燒結體(外徑20mm×厚度4.5mm)
摩擦條件：荷重5N、旋轉半徑3mm、旋轉速度100rpm、旋轉數3000
試驗溫度：室溫(22℃)、600℃及800℃之三種方式
且，摩耗量為測定4點(每90°)試驗後之盤表面上所形成圓形之摩耗痕的深度，求出平均摩耗面積。
如表1所示，鐵之含量越增加，硬度越上升。另一方面，Fe含量越增加，熱傳導率越下降。又，於室溫及800℃下，平均摩耗面積在鐵之含量為0.96%時為最少，於600℃下，則在鐵之含量為1.84%時為最少。
雖然圖1為本發明例6之TEM照片，但明瞭滿足本發明條件之燒結體如此圖所示，於燒結體全體均勻分散細微之鐵粒子。另一方面，如圖2所示，明瞭比較例9之TEM照片中，相對較大之鐵粒子為點狀存在，未均勻分散。
[產業上之可利用性]
依據本發明，能夠以低成本得到可兼具必要之強度與高熱傳導性兩者之作為摩擦材之燒結體。所得之燒結體具有優異之耐摩耗性，因此最適合用於高速鐵路用煞車襯等之高速鐵路用燒結摩擦材。

Claims (5)

  1. 一種銅合金粉末，其係用於製造高速鐵路用燒結摩擦材之銅合金粉末，其特徵為由以質量%計含有Fe：0.1~2.0%之銅合金藉由霧化法所製造者。
  2. 一種銅合金燒結體，其係將包含如請求項1之銅合金粉末之粉末進行成形、燒結而得。
  3. 如請求項2之銅合金燒結體，其中，前述銅合金燒結體中所含之Fe粒子的平均粒徑為5μm以下。
  4. 如請求項2或3之銅合金燒結體，其中，燒結溫度為1083℃以下。
  5. 一種高速鐵路用煞車襯，其使用如請求項2~4中任一項之銅合金燒結體。
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