TWI476285B

TWI476285B - Sintered Friction Materials for High Speed Railways

Info

Publication number: TWI476285B
Application number: TW101111418A
Authority: TW
Inventors: Fumio Ishimoto; Futoshi Katsuki; Kazutaka Asabe; Osamu Kanda
Original assignee: Nippon Steel & Sumitomo Metal Corp
Priority date: 2011-03-30
Filing date: 2012-03-30
Publication date: 2015-03-11
Also published as: EP2692876A4; JP2012207289A; US20140109723A1; JP5716494B2; BR112013025270A2; EP2692876B2; KR20130143715A; KR101823797B1; WO2012133513A1; EP2692876B1; TW201311911A; KR20160017106A; ES2722228T3; KR101892772B1; ES2722228T5; CN103459626A; EP2692876A1

Description

高速鐵路用燒結摩擦材料

本發明係關於有用於作為高速鐵路車輛中所使用之煞車襯片(brake lining)材料、碟式煞車片(Disk brake pad)材料之燒結摩擦材料。

德國的ICE、法國的TGV等之世界的高速鐵路，超過300km/h的行走速度乃逐漸成為常識。日本國內，JR各公司亦對於新幹線的速度提升投入極大心力。為了達成速度的提升，即使是高速亦可確實地煞停之煞車乃變得不可或缺。尤其在地震等自然災害的危險性高之日本，當再生煞車未動作時，必須達到可確實且短距離內使列車停止之煞車的性能、可靠度提升。

煞車襯片材料、碟式煞車片材料等所使用之材料，係揭示有許多種燒結材料(參考專利文獻1~8)。以目前為止的金屬系燒結材料所構成之襯片，幾乎是添加硬質粒子(二氧化矽等陶瓷)等，產生機械作用(刮擦作用)以確保摩擦係數(μ)之方式，一部分有在襯片中添加Fe等元素以提升摩擦係數。

例如，專利文獻7中，係揭示關於「一種銅系燒結摩擦材料，其特徵係由錫粉；0.5~15wt%、鋅粉；0.1~30wt%；鎳粉；5~25wt%、鐵粉；5~25wt%、不銹鋼粉；0.1~20wt%、銅粉；剩餘部分的基質金屬成分為55~80wt %、潤滑材料、摩擦調整材料等之填充劑成分為20~45wt%之燒結體所構成，(1)鐵粉與不銹鋼粉的合計量為8~28wt%，(2)鐵粉是在氫氣或氨氣環境中於600~1200℃的溫度下進行熱處理後之粒徑範圍位於40~150μm的電解鐵粉」之發明。援引文獻7之發明中，當併用電解鐵粉與不銹鋼粉時，鐵成分係作用為阻礙燒結性之成分，於基質相之鐵成分的周邊產生空隙，並產生類似摩擦材料中的氣孔或研磨材料之作用，而能夠於高制動化時平順地作用。

專利文獻8中，係記載關於「一種燒結摩擦材料，其係將金屬材料作為基質且含有研磨材料與潤滑材料之燒結摩擦材料，其特徵係含有鑄鐵25~50vol%與銅1~7vol%作為前述基質的金屬材料」。專利文獻8之發明中，藉由使用Fe系的燒結材料來取代Cu系的燒結材料，來提升高溫制動時的摩擦特性。

[先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本特開昭60-106932號公報

[專利文獻2]日本特開昭63-109131號公報

[專利文獻3]日本特開平2-10857號公報

[專利文獻4]日本特開平3-68091號公報

[專利文獻5]日本特開平6-45837號公報

[專利文獻6]日本特開平7-65132號公報

[專利文獻7]日本特開2006-16680號公報

[專利文獻8]日本特開2007-126738號公報

任一先前技術中，並未在掌握煞車碟與襯片間的滑動機制下設計襯片的成分及組織，絕大部分只是依據實驗性設計。此外，在欲藉由硬質粒子的刮擦作用來得到制動力之方式中，可預料到難以對應於高速鐵路進一步的高速化(350km/h以上)，安全方面存在著問題。此外，當欲藉由硬質粒子的刮擦作用來進一步提高制動力時，需多量地使用昂貴的硬質粒子，可預料其會導致製造成本的顯著上升。

專利文獻7之發明中，例如實施例的第1表等所示般，由於全體燒結材料中的Cu含量少(頂多41質量%)，故無法得到充分的熱傳導性。專利文獻8之發明中，為Fe含量較Cu更多之Fe系的燒結材料，與煞車碟般的對方材料為相同材料，所以制動時的磨耗量變得極多。

本發明們係為了解決先前技術的問題點而創作出，該目的在於提供一種相對於鋼製的對方材料(例如煞車碟)具有高摩擦係數及優異的耐磨耗性之高速鐵路用燒結摩擦材料。

本發明者們，尤其針對鍛鋼製或鑄鋼製的碟盤，探討構成其所使用之襯片的燒結摩擦材料。進而確認到：當採用對構成燒結摩擦材料之金屬材料添加Fe粉之襯片時，於制動時會與相對向之碟盤中所含有的Fe反應，使兩者的Fe彼此凝聚而顯現出高摩擦係數。此般同類金屬間或共晶系等在滑動時熔著性增大之效果，在摩擦學領域中乃作為「協同效應」而為人所知，就產生燒結等理由來看，對機械零件而言為不佳。另一方面，藉由將Fe添加於金屬材料，雖然摩擦係數上升，但制動時溫度過度上升，而產生耐磨耗性極度降低之問題。

本發明們係為了解決上述課題而進行精心探討，結果發現到：將適量的Fe添加於金屬相使金屬相本身具有摩擦係數的提升功能，並且藉由將顯示出高熱傳導率之Cu構成為金屬相的基本成分，可防止因Fe添加所導致之溫度過度上升，並且可提升制動力的高溫穩定性。

第1圖、第2圖及第3圖為對於160km/h、325km/h及360km/h的各試驗條件整理出平均摩擦係數與Fe/Cu值的關係之圖。圖中的○為在950℃下進行燒結之材料，◇為在1000℃下進行燒結之材料，□為在1030℃下進行燒結之材料。各材料的化學組成如後段之實施例的第1表所示。

如第1圖所示，160km/h的試驗中，Fe/Cu值愈大，平均摩擦係數亦有愈大之傾向。然而，如第2圖所示，325km/h的試驗中，Fe/Cu值愈大，平均摩擦係數整體有下降之傾向。如第3圖所示，尤其在365km/h的試驗中，在Fe/Cu較大之區域中，平均摩擦係數的降低較顯著。如此，在約160km/h的速度條件下，Fe/Cu值較大者，雖然使平均摩擦係數上升，但在高速鐵路所設想之350km/h以上的速度條件下，過度增大Fe/Cu時，反而使平均摩擦係數降低而導致制動力的降低。

本發明係根據上述發現而創作出，並以下列(A)~(E)所示之燒結摩擦材料為主旨。

(A)一種高速鐵路用燒結摩擦材料，其特徵為：以質量%計含有7.5%以上的Fe、50%以上的Cu、5~15%的石墨、0.3~7%的二硫化鉬及0.5~10%的二氧化矽，且Fe/Cu為0.15~0.40。

(B)一種高速鐵路用燒結摩擦材料，其特徵為：是由具有上述(A)所示之化學組成之燒結摩擦材料所構成，首先製備具有長度55mm、寬度38mm、厚度15mm的尺寸之四對襯片，將此等襯片，在外徑400mm、厚度20mm之鍛鋼製煞車碟的半徑170mm的位置上，繞著煞車碟的旋轉軸等間隔地配置，並進行從煞車碟的雙面以2.24kN的壓力按壓而將初速度365km/h的車輪予以制動之磨耗試驗，從該磨耗試驗所求取之燒結摩擦材料的平均磨耗量M與平均摩擦係數F之關係，滿足M≦38.2×F+0.345之關係。

(C)如上述(A)或(B)之高速鐵路用燒結摩擦材料，其係使用軋鋼皮粉作為Fe粉。

(D)如上述(A)~(C)中任一項之高速鐵路用燒結摩擦材料，其中密度為4.6以上。

(E)如上述(A)~(D)中任一項之高速鐵路用燒結摩擦材料，其係在1000℃以上的溫度下燒結。

本發明之高速鐵路用燒結摩擦材料，具有高制動力，並且制動力的高溫穩定性佳。因此，本發明之高速鐵路用燒結摩擦材料，乃適合於用作為例如在交通運輸車輛中要求最高制動力之高速鐵路的煞車襯片。

以下，主要以將本發明之燒結摩擦材料用作為襯片之情形為例來說明本發明之實施形態。燒結摩擦材料中所含有之各成分，係相互關聯並影響作為摩擦材料之特性，對個別成分論述其限定理由者不見得妥當，但在此僅大致說明該限定理由。以下的說明中，各成分的「%」係意味著「質量%」。

1.關於金屬材料 Cu：50%以上

Cu為具有高熱傳導性之元素，本發明中，為構成燒結摩擦材料的原材者。為了得到該Cu主體的燒結體，必須含有50%以上的Cu。Cu含量的上限，可配合添加成分來決定，並無特別限定，但較佳為67%以下。

Fe：7.5%以上

Fe，為相對於鋼製碟盤而言協同效應最大之元素。為了得到該效應，Fe含量必須設為7.5%以上。Fe含量的上限並無特別限定，惟當Fe含量過多時，因燒結溫度的不同，有時會使耐磨耗性降低。因此，Fe含量較佳為36%以下。

在與Cu含量的關係下，當Fe含量過少時，會產生摩擦係數不足或耐磨耗性之問題。因此，Fe及Cu的質量比(Fe/Cu)必須為0.15以上。另一方面，當Fe/Cu過大時，Fe粒子容易脫落，反而使摩擦係數降低。因此，Fe/Cu係設為0.40以下。Fe/Cu較佳為0.36以下。

添加作為燒結摩擦材料的原料之Fe粉，為了得到良好的燒結性，且為了使支配摩擦力之Fe均一地分散，較佳係使用粒徑45μm以下者。此外，當粒徑過小時，每單位體積的表面積增大，容易凝聚而使燒結性、均一分散性均降低，所以該粒徑較佳為5μm以上。

專利文獻7之發明中，係使用預先在氫氣或氨氣環境中進行熱處理後之Fe粉，但實施此般熱處理後之Fe粉，亦如專利文獻7所記載般，會阻礙燒結性。因此，添加作為燒結摩擦材料的原料之Fe粉，較佳非實施此般處理者，而是採用軋鋼皮粉。

燒結摩擦材料中之金屬基質的成分，只要含有既定量的Fe與Cu即可。例如，除了由Fe與Cu所構成者之外，此等元素以外，為了提升強度，亦可含有Cr、Mo等元素。

2.關於其他添加物石墨：5~15%

石墨，藉由中介存在於碟盤與襯片之間，可抑制此等之凝聚而有用於摩擦係數的穩定化及耐磨耗性的提升。該效果在其含量未達5%時無法充分發揮。另一方面，當該含量高於15%時，燒結體的材料強度會降低。

二硫化鉬：0.3~7%

二硫化鉬(MoS₂ )，與石墨相同，有用於摩擦係數的穩定化及耐磨耗性的提升，並且具有所謂「煞車聲」的防止效果，此外，於高荷重時亦具有賦予潤滑性之效果。該效果在未達0.3%時無法充分發揮，超過7%時，燒結體的材料強度顯著降低，損及耐磨耗性。

二氧化矽：0.5~10%

二氧化矽(SiO₂ )，對於藉由「挖掘效應」來去除對方材料之碟盤表面上所產生的氧化覆膜，穩定地產生碟盤與襯片間所生成之Fe彼此的凝聚以確保摩擦力者乃為有效。然而，未達0.5%時，無法產生挖掘效應，另一方面，超過10%時，會損壞碟盤表面。

燒結摩擦材料中，可含有上述各種成分。除了上述成分之外，亦可含有通常添加於燒結摩擦材料之各種成分。例如可含有二硫化鎢、鉍、銻等之潤滑成分；氧化鋁、富鋁紅柱石、氮化矽、鋯砂等之化合物。本發明之燒結摩擦材料，為了得到充分的強度，密度較佳為4.6以上。

3.關於燒結摩擦材料的製造方法

本發明之燒結摩擦材料，可藉由一般的製造方法，例如將Fe粉、各種添加物等混合於Cu粉並成形後，進行燒結而製造出。此外，在依據原子化等來製作粉末時，亦可使用預先使Fe含有於用作為原料之Cu粉末而成之原料粉末。

惟在將Fe粉末添加於Cu粉末時，懼於摩擦時的溫度上升之Fe相被內包於顯示出高熱傳導率之Cu相，可提升煞車時的高溫穩定性，同時可強化Cu相，因此可提升耐磨耗性。

高速鐵路用襯片，由於制動時的摩擦熱，使表面呈熔融狀態。此係意味著於制動時，會被加熱至在所構成之粒子中熔點最低之Cu的熔點(1083℃)。在此，燒結體的磨耗雖受到燒結體之頸縮強度的影響，但當鍵結粒子的熱膨脹差大時，頸縮會由於該應變而斷裂。本發明中，係使用熱膨脹差大之Fe粒子與Cu粒子(室溫下的熱膨脹係數，Fe為11.7×10^-6 /℃，Cu為16.5×10^-6 /℃)。因此，有效的是燒結溫度儘可能在Cu熔點附近的溫度下進行燒結，較佳係設為1000℃以上。藉此，可將燒結體構造形成為能夠承受由制動時的熱所導致的膨脹而起因之應變之構造，而能夠提升耐磨耗性。另一方面，即使在更高溫下進行燒結，亦無法得到相應於成本之效果。因此，燒結溫度較佳係以Cu的熔點以下之1083℃為上限。

所得之燒結體，可藉由一般的放電加工等來切出既定大小，並安裝於煞車系統，而能夠用作為煞車襯片。

[實施例1]

將第1表所示之原料粉末混合後，以第2表所示之製造程序來製作出燒結摩擦材料。對於所得之燒結摩擦材料，藉由下列方法來測定其強度、硬度及密度。該結果一同表示於第1表。原料粉末中，Cu使用福田金屬箔粉公司的CE-15(電解銅粉，最大粒徑75μm)，Fe使用Hoganas公司的ASC300(軋鋼皮，還原，最大粒徑45μm)，Cr使用高純度化學公司的CRE03PB(最大粒徑63μm)，Mo使用高純度化學公司的MOE02PB(最大粒徑63μm)，石墨使用SEC公司的SGP-100(扁平狀人造石墨，平均粒徑120μm)，MoS₂ 使用Kishida Chemical公司的010-51125，SiO₂ 使用高純度化學公司的SI008PB(平均粒徑4μm)。

<強度>

強度，係依循JIS R1601：2008，製作出「5.試驗片」的「5.1試驗片的形狀及尺寸」之第2圖所示的試驗片，並使用「4.裝置及器具」的「4.2試驗工模」之第2圖a)所示的旋轉型3點n彎曲試驗工模來測定。

<硬度>

硬度，係測定出顯微維克氏硬度(荷重50g，MHv50)。對於No.2、4不測定硬度。

<密度>

密度，係藉由阿基米得法來測定。

各結果如第2表所示。

接著依循下列方法，對各燒結摩擦材料測定摩擦係數與磨耗量。

<摩擦係數>

使用採用了實體(新幹線)之1/2大小的煞車碟(外徑400mm、厚度20mm、鍛鋼製)之3號工作台試驗機，分別實施3次將煞車(制動)初速度設為160km/h、325km/h及365km/h之試驗。將從各燒結摩擦材料所切出之襯片材料(38mm×55mm×15mm)，以單面4個、合計8個剛性固定(非等壓構造)在卡箝，並以2.24kN(一定)的壓力將襯片材料按壓於碟盤雙面之半徑170mm的位置，測定此時的扭矩並算出摩擦係數(μ)，第3表係顯示3次試驗的平均值。此外，從試驗前後之襯片材料的質量變化中測定出磨耗量(g/單側)，第3表係顯示3次試驗的平均值。此外，並評估設為365km/h之試驗中的平均磨耗量與平均摩擦係數之關係。該結果一同表示於第3表。第1圖~第7圖係顯示出對Fe/Cu之值整理出此等結果之圖。

將煞車(制動)初速度設為365km/h之試驗中的平均摩擦係數之目標值為0.28以上。此外，同一試驗中的平均磨耗量，以與平均摩擦係數之關係來看，係以滿足M≦38.2×F+0.345(M為平均磨耗量，F為平均摩擦係數)的關係為目標。以滿足此關係時為「○」，未滿足此關係時為「×」來進行評估。平均磨耗量之目標值，在即使平均摩擦係數較小平均磨耗量亦小之情形時，可提高按壓壓力，所以可確保充分的制動力，另一方面，在即使平均磨耗量較大平均摩擦係數亦大之情形時，就算是降低按壓壓力，亦可確保充分的制動力，故可從此等情形來求取。

如第3表及第1圖~第7圖所示，本發明例(No.2~4、7、8及11)中，在365km/h時均可得到高平均摩擦係數，並且在與平均摩擦係數之關係中可得到充分低的平均磨耗量，而能夠得到用作為高速鐵路用燒結摩擦材料之良好的性能。相對於此，比較例(No.1、5、6、9、10及12)中，不是平均摩擦係數過低(No.1、5及12)就是平均磨耗量過大(No.6、9及10)，因而無法用作為高速鐵路用燒結摩擦材料。

產業上之可應用性：

本發明之燒結摩擦材料，具有高制動力，並且制動力的高溫穩定性佳。因此，本發明之燒結摩擦材料，乃適合於用作為例如在交通運輸車輛中要求最高制動力之高速鐵路的煞車襯片。

第1圖為整理出160km/h的試驗中之平均摩擦係數與Fe/Cu值的關係之圖。

第2圖為整理出325km/h的試驗中之平均摩擦係數與Fe/Cu值的關係之圖。

第3圖為整理出365km/h的試驗中之平均摩擦係數與Fe/Cu值的關係之圖。

第4圖為整理出160km/h的試驗中之平均磨耗量與Fe/Cu值的關係之圖。

第5圖為整理出325km/h的試驗中之平均磨耗量與Fe/Cu值的關係之圖。

第6圖為整理出365km/h的試驗中之平均磨耗量與Fe/Cu值的關係之圖。

第7圖為整理出365km/h的試驗中之平均磨耗量與平均摩擦係數的關係之圖。

Claims

一種高速鐵路用燒結摩擦材料，其特徵為：以質量%計含有7.5%以上的Fe、50%以上的Cu、5~15%的石墨、0.3~7%的二硫化鉬及0.5~10%的二氧化矽，且Fe/Cu為0.15~0.40。
一種高速鐵路用燒結摩擦材料，其特徵為：是由具有如申請專利範圍第1項所示之化學組成之燒結摩擦材料所構成，首先製備具有長度55mm、寬度38mm、厚度15mm的尺寸之四對襯片，將此等襯片，在外徑400mm、厚度20mm之鍛鋼製煞車碟的半徑170mm的位置上，繞著煞車碟的旋轉軸等間隔地配置，並進行從煞車碟的雙面以2.24kN的壓力按壓而將初速度365km/h的車輪予以制動之磨耗試驗，從該磨耗試驗所求取之燒結摩擦材料的平均磨耗量M與平均摩擦係數F之關係，滿足M≦38.2×F+0.345之關係。
如申請專利範圍第1項之高速鐵路用燒結摩擦材料，其係使用軋鋼皮粉作為Fe粉。
如申請專利範圍第2項之高速鐵路用燒結摩擦材料，其係使用軋鋼皮粉作為Fe粉。
如申請專利範圍第1至4項中任一項之高速鐵路用燒結摩擦材料，其中密度為4.6以上。
如申請專利範圍第1至4項中任一項之高速鐵路用燒結摩擦材料，其係在1000℃以上的溫度下燒結。
如申請專利範圍第5項之高速鐵路用燒結摩擦材料，其係在1000℃以上的溫度下燒結。