WO2012133513A1 - 高速鉄道用焼結摩擦材 - Google Patents

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史雄 石本
太 香月
阿佐部　和孝
修 神田
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    • F16D2200/0026—Non-ferro

Definitions

  • the present invention relates to a sintered friction material useful as a brake lining material and a disc brake pad material used in a high-speed railway vehicle.
  • Various sintered materials are disclosed as materials used for brake lining materials, disc brake pad materials, and the like.
  • the conventional lining made of metal-based sintered materials can be added with hard particles (ceramics such as silica) to create a mechanical action (scratch action) and ensure a coefficient of friction ( ⁇ ). In most cases, some improve the coefficient of friction by adding an element such as Fe during the lining.
  • tin powder 0.5 to 15 wt%, zinc powder; 0.1 to 30 wt%, nickel powder; 5 to 25 wt%, iron powder; 5 to 25 wt%, stainless steel powder; 1 to 20 wt%, copper powder; the balance is composed of a sintered body with a matrix metal component of 55 to 80 wt% and a filler component such as a lubricant and a friction modifier of 20 to 45 wt%.
  • Iron powder and stainless steel The total amount of steel powder is 8 to 28 wt%, and (2) the iron powder is an electrolytic iron powder having a particle size range of 40 to 150 ⁇ m that is heat-treated at a temperature of 600 to 1200 ° C.
  • Patent Document 8 states that “in a sintered friction material containing a metal material as a matrix and containing an abrasive and a lubricant, a sintered material containing 25-50 vol% cast iron and 1-7 vol% copper as the metal material of the matrix. An invention relating to "friction material” is described. The invention of Patent Document 8 is said to improve the friction characteristics during high-temperature braking by using a Fe-based sintered material instead of the conventional Cu-based sintered material.
  • JP 60-106932 A JP 63-109131 A Japanese Patent Laid-Open No. 2-10857 Japanese Patent Laid-Open No. 3-68091 JP-A-6-45837 JP-A-7-65132 JP 2006-16680 A JP 2007-126738 A
  • Patent Document 7 for example, as shown in Table 1 of the examples, the content of Cu in the entire sintered material is small (41 mass% at most), so that sufficient thermal conductivity is obtained. I can't get it.
  • Patent Document 8 since it is a Fe-based sintered material having a higher Fe content than Cu and becomes the same material as the counterpart material such as a brake disk, the amount of wear during braking becomes extremely large. End up.
  • the present invention provides a high-speed railway sintered friction material having a high coefficient of friction and excellent wear resistance with respect to a steel counterpart material (for example, a brake disk) in order to solve the problems of the prior art. For the purpose.
  • the inventors of the present invention particularly examined a sintered friction material constituting a lining used for a disk made of forged steel or cast steel.
  • a lining made of Fe powder added to the metal material constituting the sintered friction material it reacts with Fe contained in the opposing disk during braking, and both Fes adhere to each other and show a high coefficient of friction. It was confirmed.
  • the effect of increasing the weldability when sliding between the same kind of metals or eutectic is known as the “toggle effect” in the tribology field, and as a machine part because seizure occurs. Is not preferred.
  • the present inventors have added a suitable amount of Fe to the metal phase to give the metal phase itself a function of improving the coefficient of friction and exhibit high thermal conductivity. It has been found that by using Cu as a basic component of the metal phase, it is possible to prevent an excessive temperature rise due to Fe addition and to improve the high-temperature stability of the braking force.
  • FIG. 2 and FIG. 3 are diagrams in which the relationship between the average friction coefficient and the value of Fe / Cu is arranged for each test condition of 160 km / h, 325 km / h and 360 km / h.
  • ⁇ is a material sintered at 950 ° C.
  • ⁇ is a material sintered at 1000 ° C.
  • ⁇ is a material sintered at 1030 ° C.
  • the present invention has been made on the basis of the above knowledge, and the gist thereof is a sintered friction material shown in the following (A) to (E).
  • (B) Four pairs of linings having dimensions of 55 mm in length, 38 mm in width, and 15 mm in thickness are prepared from a sintered friction material having the chemical composition shown in (A) above, and these linings have an outer diameter of 400 mm.
  • the initial speed of 365 km / h is obtained by pressing the brake disc with a pressure of 2.24 kN from both sides of the brake disc at equal intervals around the rotation axis of the brake disc at a position of a radius of 170 mm of a 20 mm thick forged steel brake disc.
  • High-speed railway firing characterized in that the relationship between the average wear amount M and the average friction coefficient F of the sintered friction material obtained by the wear test for braking the wheel satisfies the relationship of M ⁇ 38.2 ⁇ F + 0.345. Bonding friction material.
  • the sintered friction material for high-speed railways of the present invention has a high braking force and is excellent in high-temperature stability of the braking force. Therefore, the sintered friction material for high-speed railways of the present invention is suitable for use as, for example, a brake lining for high-speed railways that require the highest braking force among transportation vehicles.
  • Fig. 1 shows the relationship between the average friction coefficient and the Fe / Cu value in the 160 km / h test.
  • the figure which arranged the relation between the average friction coefficient in the test of 325km / h and the value of Fe / Cu The figure which arranged the relation between the average friction coefficient and the value of Fe / Cu in the test of 365 km / h Fig. 1 shows the relationship between the average amount of wear and the value of Fe / Cu in a 160 km / h test.
  • the figure which arranged the relationship between the average amount of wear and the value of Fe / Cu in the 365 km / h test Fig. 1 shows the relationship between the average amount of wear and the average friction coefficient in a 365 km / h test.
  • the embodiment of the present invention will be described mainly by taking as an example the case where the sintered friction material of the present invention is used for lining.
  • Each component contained in the sintered friction material affects the properties of the friction material while being related to each other. Therefore, it is not always appropriate to discuss the reason for limitation individually, but the reason for limitation will be described.
  • “%” of each component means “mass%”.
  • Cu 50% or more Cu is an element having high thermal conductivity, and in the present invention, forms a base of a sintered friction material. In order to obtain this Cu-based sintered body, it is necessary to contain 50% or more of Cu.
  • the upper limit of the Cu content may be determined in consideration of the additive component, and is not particularly limited, but is preferably 67% or less.
  • Fe 7.5% or more Fe is the element having the greatest striking effect on the steel disk. In order to obtain this effect, the Fe content needs to be 7.5% or more.
  • the upper limit of the Fe content is not particularly defined, but if the Fe content is too large, the wear resistance may be lowered depending on the sintering temperature. For this reason, the Fe content is preferably 36% or less.
  • Fe / Cu mass ratio of Fe and Cu needs to be 0.15 or more.
  • Fe / Cu is set to 0.40 or less.
  • Fe / Cu is preferably 0.36 or less.
  • the Fe powder added as a raw material of the sintered friction material it is preferable to use a powder having a particle size of 45 ⁇ m or less in order to obtain good sinterability and to uniformly disperse Fe that controls the frictional force.
  • the particle size is preferably 5 ⁇ m or more.
  • Fe powder previously heat-treated in an atmosphere of hydrogen gas or ammonia gas is used.
  • Fe powder subjected to such heat treatment is used. Impairs sinterability. Therefore, the Fe powder added as a raw material of the sintered friction material is not subjected to such treatment, and it is preferable to use mill scale powder.
  • the component of the metal matrix in the sintered friction material only needs to contain a predetermined amount of Fe and Cu.
  • elements such as Cr and Mo may be contained in order to improve the strength.
  • Molybdenum disulfide 0.3-7% is useful for stabilizing the coefficient of friction and improving wear resistance, as well as graphite, and has an effect of preventing so-called “squeal”, and also provides lubricity at high loads. It also has the effect. This effect is not exhibited when the content is less than 0.3%. When the content exceeds 7%, the material strength of the sintered body is significantly lowered, and the wear resistance is impaired.
  • Silica 0.5-10% Silica (SiO 2 ) removes the oxide film formed on the disk surface, which is the counterpart material, by the so-called “digging effect”, and stably generates adhesion of Fe between the disk and the lining. It is effective to secure power. However, if it is less than 0.5%, the digging effect does not occur. On the other hand, if it exceeds 10%, the disk surface is damaged.
  • the sintered friction material only needs to contain the various components described above.
  • various components usually added to the sintered friction material may be included.
  • a lubricating component such as tungsten disulfide, bismuth, or antimony
  • a compound such as alumina, mullite, silicon nitride, or zircon sand may be included.
  • the sintered friction material of the present invention preferably has a density of 4.6 or more in order to obtain sufficient strength.
  • the sintered friction material of the present invention is produced by a general production method, for example, by mixing Cu powder with Fe powder, various additives, etc., molding, and then sintering. be able to. Moreover, you may use the raw material powder which previously contained Fe at the time of powder preparation by atomization etc. to Cu powder used as a raw material.
  • the Fe phase which is feared to rise in temperature during friction, will be included in the Cu phase exhibiting high thermal conductivity, and the high-temperature stability of the brake can be improved.
  • the Cu phase is strengthened, the wear resistance is improved.
  • the surface of the high-speed railway lining is melted by frictional heat during braking. This means that during braking, the particles are heated to the melting point of Cu (1083 ° C.), which is the lowest among the constituent particles.
  • the wear of the sintered body is affected by the neck strength of the sintered body, but the neck breaks due to distortion when the thermal expansion difference of the binding particles is large.
  • Fe particles and Cu particles having a large difference in thermal expansion are used (the thermal expansion coefficient at room temperature is 11.7 ⁇ 10 ⁇ 6 / ° C. for Fe and 16.5 ⁇ 10 ⁇ 6 / Cu for Cu). ° C).
  • the sintered body structure can have a structure that can withstand distortion caused by expansion due to heat during braking, and wear resistance can be improved.
  • the sintering temperature has an upper limit of 1083 ° C. below the melting point of Cu.
  • the obtained sintered body can be used as a brake lining by cutting it into a predetermined size by ordinary electric discharge machining or the like and attaching it to a brake system.
  • sintered friction materials were produced by the manufacturing process shown in Table 2. About the obtained sintered friction material, strength, hardness, and density were measured by the following methods. The results are also shown in Table 1.
  • Cu is Fukuda Metal Foil Powder Co., Ltd.
  • CE-15 electrolytic copper powder, maximum particle size 75 ⁇ m
  • Fe is Heganess ASC300 (mill scale, reduced, maximum particle size 45 ⁇ m)
  • Cr is high.
  • Hardness measured micro Vickers hardness (load 50g, MHv50). In addition, No. About 2 and 4, hardness is not measured.
  • FIGS. 1 to 7 are diagrams in which these results are arranged with respect to Fe / Cu values.
  • the target value of the average friction coefficient in the test in which the initial brake (braking) speed is 365 km / h is 0.28 or more.
  • the average wear amount in the test satisfies the relationship of M ⁇ 38.2 ⁇ F + 0.345 (where M is the average wear amount and F is the average friction coefficient) in relation to the average friction coefficient. The goal is to. The case where this relationship was satisfied was evaluated as “ ⁇ ”, and the case where it was not satisfied was evaluated as “ ⁇ ”.
  • the target value of the average wear amount can be increased when the average wear amount is small, so that the pressing pressure can be increased, so that sufficient braking force can be secured, while the average wear amount is Even when the average friction coefficient is large, a sufficient braking force can be ensured even if the pressing pressure is lowered.
  • the sintered friction material of the present invention has a high braking force and is excellent in high-temperature stability of the braking force. Therefore, the sintered friction material of the present invention is suitable for use as, for example, a brake lining for a high-speed railway requiring the highest braking force among traffic transportation vehicles.

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Abstract

高い制動力を有するとともに、制動力の高温安定性に優れる焼結摩擦材料を提供する。本発明の焼結摩擦材料は、質量％で、７．５％以上のＦｅ、５０％以上のＣｕ、５～１５％の黒鉛、０．３～７％の二硫化モリブデン及び０．５～１０％のシリカを含有し、Ｆｅ／Ｃｕが０．１５～０．４０となる化学組成を有する。

Description

高速鉄道用焼結摩擦材
　本発明は、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として有用な焼結摩擦材に関する。
　ドイツのＩＣＥ、フランスＴＧＶなど、世界の高速鉄道は、３００ｋｍ／ｈ超の走行速度が常識となりつつある。日本国内でも、ＪＲ各社は新幹線の速度向上に注力している。速度向上を図るためには高速からでも確実に停止可能なブレーキが不可欠である。特に、地震等自然災害の危険性の高い日本では、回生ブレーキが作動しない場合に、確実かつ短距離で列車を停止させるためのブレーキの性能、信頼性向上が必須である。
　ブレーキライニング材、ディスクブレーキパッド材などに用いる材料として、様々な焼結材が開示されている。（特許文献１～８参照）。これまでの金属系焼結材料で構成されるライニングは、硬質粒子（シリカなどセラミクス）などを添加して、機械的な作用（ひっかき作用）を生じさせ、摩擦係数（μ）を確保するものがほとんどであるが、一部にＦｅなどの元素をライニング中に添加することにより摩擦係数を向上させるものがある。
　例えば、特許文献７には「錫粉；０．５～１５ｗｔ％、亜鉛粉；０．１～３０ｗｔ％、ニッケル粉；５～２５ｗｔ％、鉄粉；５～２５ｗｔ％、ステンレス鋼粉；０．１～２０ｗｔ％、銅粉；残部、のマトリックス金属成分が５５～８０ｗｔ％、潤滑材、摩擦調整材などのフィラー成分が２０～４５ｗｔ％、の焼結体から成り、（１）鉄粉とステンレス鋼粉の合計量が８～２８ｗｔ％、（２）鉄粉が、水素ガスまたはアンモニアガス雰囲気中で６００～１２００℃の温度で熱処理した粒径範囲が４０～１５０μｍの電解鉄粉、であることを特徴とする銅系焼結摩擦材。」に関する発明が開示されている。引用文献７の発明では、電解鉄粉とステンレス鋼粉を併用すると、鉄成分が焼結性を阻害する成分として作用してマトリックス相の鉄成分の周辺に空隙が生じて、摩擦材中の気孔や研削材と似た作用が生じて、高制動化時に円滑に機能するとされている。
　特許文献８には「金属材料をマトリックスとし、研削材と潤滑材とを含む焼結摩擦材において、前記マトリックスの金属材料として、鋳鉄２５～５０ｖｏｌ％と、銅１～７ｖｏｌ％とを含む焼結摩擦材。」に関する発明が記載されている。特許文献８の発明は、従来のＣｕ系の焼結材に代えて、Ｆｅ系の焼結材を用いることにより高温制動時の摩擦特性を向上させたものであるとされる。
特開昭６０－１０６９３２号公報 特開昭６３－１０９１３１号公報 特開平２－１０８５７号公報 特開平３－６８０９１号公報 特開平６－４５８３７号公報 特開平７－６５１３２号公報 特開２００６－１６６８０号公報 特開２００７－１２６７３８号公報
　いずれの従来技術においても、ブレーキディスクとライニング間の摺動メカニズムを把握した上で、ライニングの成分・組織の設計されておらず、ほとんどが実験的に設計されていたに過ぎない。また、硬質粒子のひっかき作用によって制動力を得ようとする方式では、高速鉄道の更なる高速化（３５０ｋｍ／ｈ以上）に対応するのが困難であることが予想され、安全面での問題がある。また、硬質粒子のひっかき作用によってさらに高い制動力を得ようとすると、高価な硬質粒子を多量に必要になるため、製造コストを著しく上昇させることが予想される。
　特許文献７の発明では、例えば、実施例の表１などに示されるように、全体の焼結材におけるＣｕの含有量が少ない（高々４１質量％である。）ため、十分な熱伝導性が得られない。特許文献８の発明では、ＣｕよりＦｅの含有量が多いＦｅ系の焼結材であり、ブレーキディスクのような相手材と同様の材料になるため、制動時の摩耗量が極端に多くなってしまう。
　本発明は、このような従来技術の問題を解決するべく、鋼製の相手材料（例えば、ブレーキディスク）に対して高い摩擦係数および優れた耐摩耗を有する高速鉄道用焼結摩擦材料を提供することを目的とする。
　本発明者らは、特に、鍛鋼製または鋳鋼製のディスクに対して用いるライニングを構成する焼結摩擦材料を検討した。そして、焼結摩擦材料を構成する金属材料にＦｅ粉を添加したライニングを用いると、制動時には対向するディスクに含まれるＦｅと反応し、両者のＦｅ同士が凝着して高い摩擦係数を示すことを確認した。このような同種金属間または共晶系などの摺動時において溶着性が増大する効果は、トライボロジー分野では「ともがね効果」として公知であり、焼付きが発生するなどの理由から機械部品としては好ましくないとされている。一方、金属材料にＦｅを添加することにより、摩擦係数は上昇するものの、制動時に温度上昇が過剰となり、耐摩耗性が極端に低下するという問題が生じることが分かった。
　本発明者らは、上記の課題を解決するべく鋭意研究を行った結果、金属相に適量のＦｅを添加して金属相自体に摩擦係数の向上機能を持たせるとともに、高い熱伝導率を示すＣｕを金属相の基本成分とすることにより、Ｆｅ添加による過度な温度上昇を防止して、制動力の高温安定性を向上させることが可能であることを知見した。
　図１、図２および図３は、１６０ｋｍ／ｈ、３２５ｋｍ／ｈおよび３６０ｋｍ／ｈの各試験条件について平均摩擦係数とＦｅ／Ｃｕの値との関係を整理した図である。図中○は９５０℃で焼結した材料、◇は１０００℃で焼結した材料、□は１０３０℃で焼結した材料である。それぞれの材料の化学組成は、後段の実施例の表１に示す。
　図１に示すように、１６０ｋｍ／ｈの試験においては、Ｆｅ／Ｃｕの値が大きくなるほど、平均摩擦係数も大きくなる傾向がある。しかし、図２に示すように、３２５ｋｍ／ｈの試験においては、Ｆｅ／Ｃｕの値が大きくなるほど、平均摩擦係数は全体的に下がる傾向がある。図３に示すように、特に、３６５ｋｍ／ｈの試験では、Ｆｅ／Ｃｕが大きい領域で、平均摩擦係数の低下が顕著になる。このように、１６０ｋｍ／ｈ程度の速度条件においては、Ｆｅ／Ｃｕの値が大きいことが平均摩擦係数を上昇させるが、高速鉄道において想定されている３５０ｋｍ／ｈ以上といった速度条件においては、Ｆｅ／Ｃｕを大きくしすぎると、かえって平均摩擦係数が低下し、制動力が低下することが分かる。
　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（Ａ）～（Ｅ）に示す焼結摩擦材料を要旨としている。
　（Ａ）質量％で、７．５％以上のＦｅ、５０％以上のＣｕ、５～１５％の黒鉛、０．３～７％の二流化モリブデンおよび０．５～１０％のシリカを含有し、Ｆｅ／Ｃｕが０．１５～０．４０である高速鉄道用焼結摩擦材料。
　（Ｂ）上記（Ａ）に示す化学組成を有する焼結摩擦材料からなり、長さ５５ｍｍ、幅３８ｍｍ、厚さ１５ｍｍの寸法を有する四対のライニングを用意し、これらのライニングを、外径４００ｍｍ、厚さ２０ｍｍの鍛鋼製ブレーキディスクの半径１７０ｍｍの位置に、ブレーキディスクの回転軸周りに等間隔に配置して、ブレーキディスクの両面から２．２４ｋＮの圧力で押し付けることにより初速度３６５ｋｍ／ｈの車輪を制動する摩耗試験によって求めた焼結摩擦材料の平均摩耗量Ｍと平均摩擦係数Ｆとの関係が、Ｍ≦３８．２×Ｆ＋０．３４５の関係を満たすことを特徴とする高速鉄道用焼結摩擦材料。
　（Ｃ）Ｆｅ粉としてミルスケール粉を用いたことを特徴とする上記（Ａ）または（Ｂ）の高速鉄道用焼結摩擦材料。
　（Ｄ）密度が４．６以上であることを特徴とする上記（Ａ）～（Ｃ）のいずれかの高速鉄道用焼結摩擦材料。
　（Ｅ）１０００℃以上の温度で焼結したことを特徴とする上記（Ａ）～（Ｄ）のいずれかの高速鉄道用焼結摩擦材料。
　本発明の高速鉄道用焼結摩擦材料は、高い制動力を有するとともに、制動力の高温安定性に優れる。従って、本発明の高速鉄道用焼結摩擦材料は、例えば、交通輸送車輌の中で最も高い制動力が要求される高速鉄道のブレーキライニングとして使用するのに適している。
１６０ｋｍ／ｈの試験における平均摩擦係数とＦｅ／Ｃｕの値との関係を整理した図 ３２５ｋｍ／ｈの試験における平均摩擦係数とＦｅ／Ｃｕの値との関係を整理した図 ３６５ｋｍ／ｈの試験における平均摩擦係数とＦｅ／Ｃｕの値との関係を整理した図 １６０ｋｍ／ｈの試験における平均摩耗量とＦｅ／Ｃｕの値との関係を整理した図 ３２５ｋｍ／ｈの試験における平均摩耗量とＦｅ／Ｃｕの値との関係を整理した図 ３６５ｋｍ／ｈの試験における平均摩耗量とＦｅ／Ｃｕの値との関係を整理した図 ３６５ｋｍ／ｈの試験における平均摩耗量と平均摩擦係数との関係を整理した図
　以下、主として、本発明の焼結摩擦材料をライニングに用いる場合を例にとって、本発明の実施形態を説明する。焼結摩擦材料に含まれる各成分は、相互に関連しつつ摩擦材料としての特性に影響するので、それぞれ個別に限定理由を論ずることは必ずしも妥当ではないが、一応の限定理由を説明する。以下の説明において、各成分の「％」は「質量％」を意味する。
　１．金属材料について
　Ｃｕ：５０％以上
　Ｃｕは、高い熱伝導性を有する元素であり、本発明では焼結摩擦材料の素地をなすものである。このＣｕ主体の焼結体を得るためには、Ｃｕを５０％以上含有させる必要がある。Ｃｕの含有量の上限は、添加成分との兼ね合いで定めればよく、特に限定しないが、６７％以下とするのが好ましい。
　Ｆｅ：７．５％以上
　Ｆｅは、鋼製のディスクに対して、ともがね効果が最も大きい元素である。この効果を得るためにはＦｅの含有量を７．５％以上とする必要がある。Ｆｅ含有量の上限は特に定めないが、Ｆｅ含有量が多すぎる場合、焼結温度によっては耐摩耗性が低下する場合がある。このため、Ｆｅの含有量は、３６％以下にするのが好ましい。
　ところで、Ｃｕ含有量との関係でＦｅ含有量が少なすぎる場合には、摩擦係数が足りないか、耐摩耗性の問題が生じることがある。従って、ＦｅおよびＣｕの質量比（Ｆｅ／Ｃｕ）は、０．１５以上とする必要がある。一方、Ｆｅ／Ｃｕが大きくなりすぎると、Ｆｅ粒子が脱落しやすくなり、かえって摩擦係数が低下する。したがって、Ｆｅ／Ｃｕは、０．４０以下とする。Ｆｅ／Ｃｕは０．３６以下とするのが好ましい。
　焼結摩擦材料の原料として添加するＦｅ粉は、良好な焼結性を得るため、また摩擦力を支配するＦｅを均一に分散させるために、粒径が４５μｍ以下のものを用いるのが好ましい。また、粒径が小さすぎると、単位体積当たりの表面積が増大し、凝集し易くなり、焼結性、均一分散性とも低下するため、その粒径は５μｍ以上が好ましい。
　なお、特許文献７に記載の発明では、予め水素ガス又はアンモニアガス雰囲気中で熱処理したＦｅ粉が用いられるが、このような熱処理を実施したＦｅ粉は、特許文献７にも記載されるように焼結性を阻害する。従って、焼結摩擦材料の原料として添加するＦｅ粉は、このような処理を実施したものではなく、ミルスケール粉を用いるのが好ましい。
　焼結摩擦材料中の金属マトリックスの成分は、ＦｅとＣｕとを所定量含むものであればよい。例えば、ＦｅとＣｕとからなるものの他、これらの元素に加え、強度を向上させるため、Ｃｒ、Ｍｏなどの元素を含有させてもよい。
　２．その他の添加物について
　黒鉛：５～１５％
　黒鉛は、ディスクとライニングとの間に介在することで、これらの凝着を抑制し、摩擦係数の安定化および耐摩耗性の向上に有用である。この効果は、その含有量が５％未満では十分に発揮されない。一方で、その含有量が１５％を上回ると、焼結体の材料強度が低下する。
　二流化モリブデン：０．３～７％
　二硫化モリブデン（ＭｏＳ２）は、黒鉛と同様、摩擦係数の安定化および耐摩耗性の向上に有用であるとともに、いわゆる「鳴き」の防止効果を有し、更に、高荷重時には潤滑性を与えるという効果も有している。この効果は、０．３％未満では発揮されず、７％を超えると、焼結体の材料強度が著しく低下し、耐摩耗性が損なわれる。
　シリカ：０．５～１０％
　シリカ（ＳｉＯ２）は、いわゆる「掘り起こし効果」によって相手材であるディスク表面に生じた酸化皮膜を除去して、ディスクとライニングと間で生じるＦｅ同士の凝着を安定的に発生させて、摩擦力を確保するのに有効である。しかしながら、０．５％未満では、掘り起こし効果が生じず、一方、１０％を上回るとディスク表面を荒損させる。
　焼結摩擦材料中には、上記の各種成分が含まれておればよい。上記の成分の他、通常、焼結摩擦材料に添加される各種成分を含有させても良い。例えば、二流化タングステン、ビスマス、アンチモンなどの潤滑成分、アルミナ、ムライト、窒化珪素、ジルコンサンドなどの化合物を含有させても良い。本発明の焼結摩擦材料は、十分な強度を得るためには、密度が４．６以上であることが好ましい。
　３．焼結摩擦材料の製造方法について
　本発明の焼結摩擦材料は、一般的な製造方法、例えば、Ｃｕ粉にＦｅ粉、各種添加物などを混合し、成形した後、焼結することによって製造することができる。また、原料として用いられるＣｕ粉末に、アトマイズ等による粉末作成時に、あらかじめＦｅを含有させた原料粉末を用いても良い。
　ただし、Ｃｕ粉末にＦｅ粉末を添加する場合、摩擦時の温度上昇が危惧されるＦｅ相が、高熱伝導率を示すＣｕ相に包含されることになり、ブレーキの高温安定性を向上させることが可能となると同時に、Ｃｕ相を強化することになるので耐摩耗性が向上する。
　高速鉄道用ライニングは、制動時の摩擦熱により表面が溶融した状態となる。これは、制動時には構成する粒子の中で最も融点が低いＣｕの融点（１０８３℃）程度まで加熱されることを意味している。ここで、焼結体の摩耗は、焼結体のネック強度の影響を受けるが、ネックは、結合粒子の熱膨張差が大きい場合にはその歪みによって破断する。本発明においては、熱膨張差が大きいＦｅ粒子とＣｕ粒子とが用いられる（室温における熱膨張係数は、Ｆｅが１１．７×１０－６／°Ｃ、Ｃｕが１６．５×１０－６／°Ｃである）。このため、焼結温度は、可能な限りＣｕの融点近傍の温度で焼結することが有効であり、１０００℃以上とするのが好ましい。これにより焼結体構造を制動時の熱による膨張に起因した歪みに耐えうる構造とすることが可能となり、耐摩耗性を向上させることができる。一方、焼結をあまりに高温で行ってもコストに見合った効果が得られなくなる。このため、焼結温度はCuの融点以下の１０８３℃を上限とするのが好ましい。
　得られた焼結体は、通常の放電加工等で所定のサイズに切り出し、ブレーキシステムに取り付けることで、ブレーキライニングとしての使用が可能となる。
　表１に示す原料粉末を混合した後、表２に示す製造プロセスで焼結摩擦材料を作製した。得られた焼結摩擦材料について、下記の方法により強度、硬さおよび密度を測定した。その結果を表１に併記する。なお、原料粉末のうち、Ｃｕは福田金属箔粉社CE-15（電解銅粉、最大粒径７５μｍ）を、Ｆｅはヘガネス社ASC300（ミルスケール、還元、最大粒径４５μｍ）を、Ｃｒは高純度化学社CRE03PB（最大粒径６３μｍ）を、Ｍｏは高純度化学社MOE02PB（最大粒径６３μｍ）を、黒鉛はＳＥＣ社SGP-100（扁平状人造黒鉛、平均粒径１２０μｍ）を、ＭｏＳ２はキシダ化学010-51125を、ＳｉＯ２は高純度化学SIO08PB（平均粒径４μｍ）をそれぞれ使用した。
　＜強度＞
　強度は、ＪＩＳ　Ｒ１６０１：２００８に従い、「５．試験片」の「５．１試験片の形状及び寸法」の図２に示される試験片を作製し、「４．装置及び器具」の「４．２　試験ジグ」の図１ａ）に示される回転形３点ｎ曲げ試験ジグを使用して、測定した。
　＜硬さ＞
　硬さは、マイクロビッカース硬さ（荷重50ｇ、ＭＨｖ５０）を測定した。なお、Ｎｏ．２、４については硬さを測定していない。
　＜密度＞
　密度は、アルキメデス法により測定した。
　それぞれの結果を表２に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　次に、それぞれの焼結摩擦材料について下記の方法に従って摩擦係数と摩耗量とを測定した。
　＜摩擦係数＞
　実体（新幹線）の１／２サイズのブレーキディスク（外径４００ｍｍ、厚さ２０ｍｍ、鍛鋼製）を用いた３号ベンチ試験機を用い、ブレーキ（制動）初速度を１６０km/h、３２５km/hおよび３６５km/hとした試験を各３回実施した。それぞれの焼結摩擦材料から切り出したライニング材（３８ｍｍ×５５ｍｍ×１５ｍｍ）を片面４個ずつ、合計８個をキャリパに剛固定（非等圧構造）し、ライニング材を、ディスク両面の半径１７０ｍｍの位置に２．２４ｋＮ（一定）の圧力で押し付け、その際のトルクを測定して摩擦係数（μ）を算出し、３回の試験の平均値を表３に示す。また、試験前後のライニング材の質量変化から摩耗量（ｇ／片側）を測定し、三回の試験の平均値を表３に示す。また、３６５km/hとした試験における平均摩耗量と平均摩擦係数との関係を評価した。その結果を表３に併記した。これらの結果をＦｅ／Ｃｕの値について整理した図を図１～図７に示す。
　なお、ブレーキ（制動）初速度を３６５km/hとした試験における平均摩擦係数の目標値は０．２８以上である。また、同試験における平均摩耗量は、平均摩擦係数との関係で、Ｍ≦３８．２×Ｆ＋０．３４５（ただし、Ｍは平均摩耗量、Ｆは平均摩擦係数を意味する。）の関係を満たすことを目標とする。この関係を満たす場合を「○」、満たさない場合を「×」として評価した。平均摩耗量の目標値は、平均摩擦係数は小さくても、平均摩耗量が小さい場合には、押し付け圧力を高めることができるので、十分な制動力を確保することができ、一方、平均摩耗量が大きくても、平均摩擦係数が大きければ、押し付け圧力を低くしても、十分な制動力を確保することができることから求められたものである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　表３および図１～図７に示すように、本発明例（Ｎｏ．２～４、７、８および１１）では、いずれも３６５ｋｍ／ｈにおいても高い平均摩擦係数が得られるとともに、平均摩擦係数との関係で十分に低い平均摩耗量が得られ、高速鉄道用焼結摩擦材料として用いるのに良好な性能が得られた。これに対して、比較例（１、５、６、９、１０および１２）では、平均摩擦係数が低すぎるか（Ｎｏ．１、５および１２）、平均摩耗量が大きすぎる（Ｎｏ．６、９および１０）ため、高速鉄道用焼結摩擦材料として用いることができない。
　本発明の焼結摩擦材料は、高い制動力を有するとともに、制動力の高温安定性に優れる。従って、本発明の焼結摩擦材料は、例えば、交通輸送車輌の中で最も高い制動力が要求される高速鉄道のブレーキライニングとして使用するのに適している。

Claims (5)

  1. 　質量％で、７．５％以上のＦｅ、５０％以上のＣｕ、５～１５％の黒鉛、０．３～７％の二流化モリブデンおよび０．５～１０％のシリカを含有し、Ｆｅ／Ｃｕが０．１５～０．４０であることを特徴とする高速鉄道用焼結摩擦材料。
  2. 　請求項１に示す化学組成を有する焼結摩擦材料からなり、長さ５５ｍｍ、幅３８ｍｍ、厚さ１５ｍｍの寸法を有する四対のライニングを用意し、これらのライニングを、外径４００ｍｍ、厚さ２０ｍｍの鍛鋼製ブレーキディスクの半径１７０ｍｍの位置に、ブレーキディスクの回転軸周りに等間隔に配置して、ブレーキディスクの両面から２．２４ｋＮの圧力で押し付けることにより初速度３６５ｋｍ／ｈの車輪を制動する摩耗試験によって求めた焼結摩擦材料の平均摩耗量Ｍと平均摩擦係数Ｆとの関係が、Ｍ≦３８．２×Ｆ＋０．３４５の関係を満たすことを特徴とする高速鉄道用焼結摩擦材料。
  3. 　Ｆｅ粉としてミルスケール粉を用いたことを特徴とする請求項１または２に記載の高速鉄道用焼結摩擦材料。
  4. 　密度が４．６以上であることを特徴とする請求項１から３までのいずれかに記載の高速鉄道用焼結摩擦材料。
  5. 　１０００℃以上の温度で焼結したことを特徴とする請求項１から４までのいずれかに記載の高速鉄道用焼結摩擦材料。
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