WO2015037731A1 - ブレーキディスク及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明のブレーキディスクは、表面にブレーキパッドが押圧されることにより車軸の回転を制動するブレーキディスクであって、前記車軸と一体的に回転する回転体に取り付けられるディスク本体と；前記ディスク本体の表面に複数層に渡って積層された肉盛層と；を備え、前記肉盛層が、粉体肉盛レーザ溶接により前記ディスク本体の表面に積層されている。

Description

ブレーキディスク及びその製造方法

　本発明は、ブレーキディスク及びその製造方法に関する。
　本願は、２０１３年０９月１３日に、日本に出願された特願２０１３－１９１０８１号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

新幹線等の鉄道車両の車輪または車軸には、ブレーキパッドを押し付けることによって制動力を得るためのブレーキディスクが設けられる。ここで、このブレーキディスクには、ブレーキ時に発生する熱の影響によって亀裂または変形が生じる問題がある。そこで、ブレーキディスクのディスク本体の表面を耐熱性に優れた素材で被覆することにより、ブレーキ熱による亀裂または変形の発生を抑制可能なブレーキディスクが提唱されている。

例えば、特許文献１に開示されたブレーキディスクでは、まず、ディスク本体の表面にブラスト処理が施される。すなわち、無機質素材からなる粒子が所定の圧力でディスク本体の表面に噴射されることにより、凹凸状の粗面化処理層がディスク本体の表面に形成される。そして、この粗面化処理層の表面に、金属結合層が形成された後、耐熱性及び靭性に優れたジルコニアなどのセラミックスが金属結合層の表面に溶射されることにより、耐熱性被覆層が金属結合層の表面に形成される。このようなブレーキディスクの構成によれば、ブレーキ時に発生する熱のディスク本体への伝達が耐熱性被覆層によって低減されるため、ディスク本体に亀裂または変形が発生することが抑制される。
この特許文献１に開示された、ブレーキディスクの耐熱亀裂性を向上させる表面処理技術では、ディスク本体と耐熱性被覆層とが、粗面化処理層及び金属結合層を介して強固に結合されている。そのため、特許文献１に開示された表面処理技術におけるディスク本体と耐熱性被覆層との結合強度は、従来の溶射法またはめっき法などの表面処理技術に比べて向上しているが、高速走行時のブレーキ環境（高速回転、振動負荷、高温）においては未だ十分ではない。

ところで、ブレーキディスクの摩擦面を冷却することで熱亀裂の発生を抑制する従来技術としては、ディスク本体の表面に鋳鉄材が鋳着されたブレーキディスク（クラッドディスク）が存在するが、ディスク本体と鋳鉄層との密着強度が低いという問題があった。また、従来の鍛鋼製ブレーキディスクは、耐熱性及び耐亀裂性を有しているが、表面処理が行われていない。そのため、従来の鍛鋼製ブレーキディスクは、ブレーキ時の熱影響を受けやすいという問題があった。

下記特許文献２には、上記のような熱影響の問題を解決するブレーキディスクの製造方法が開示されている。
特許文献２に開示されたブレーキディスクの製造方法は、溶接による表面処理手法を行い、熱亀裂に代表される熱影響の緩和を実現するために、ディスク本体の表面に粉体肉盛プラズマアーク溶接（ＰＴＡ溶接）を行う。
具体的には、特許文献２に開示されたブレーキディスクの製造方法では、車軸と一体的に回転する回転体に取り付けられるディスク本体の表面に、そのディスク本体より融点の高い高融点金属の粒子がマトリクス材中に分散してなる溶材を、ＰＴＡ溶接を用いて複数層に渡って積層させることにより、ブレーキディスクを製造している。

日本国特開２００９－６３０７２号公報 日本国特開２０１２－２３３５３０号公報

ところで、特許文献２に開示されたＰＴＡ溶接では、溶接時に予熱が必要となり、且つ、ディスク本体が非常に高温になることに起因して熱ひずみが生じるので、ディスク本体が変形する。そのため、溶接施工前にディスク本体の形状が逆テーパー形状となるように前加工を実施する必要があるという問題がある。
また、特許文献２に開示されたＰＴＡ溶接では、溶接する対象物が大型あるいは長尺であるほど熱変形が増大するので、ディスク本体を薄肉化することが困難であった。
また、ＰＴＡ溶接を採用する場合、高温のプラズマによってディスク本体が肉盛層内に溶け出す（溶け込み量１０～２０％）。その結果、肉盛層の強度及び機能性が低下するという問題、または、不定形状を有するビード、ブローホール、或いはピットなどの溶接不良が生じるという新たな問題が発生する。
また、ＰＴＡ溶接によりディスク本体の表面に肉盛層を形成するためには、高温のアーク放電を発生させる必要があるので、ランニングコストが増大するという問題もある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、ディスク本体の肉薄化を実現でき、且つ肉盛層の強度及び機能性の低下を防止可能なブレーキディスク及びその製造方法を提供することを目的とする。

　本発明は、上記課題を解決して係る目的を達成するために、以下の手段を採用する。
（１）本発明の一態様に係るブレーキディスクは、表面にブレーキパッドが押圧されることにより車軸の回転を制動するブレーキディスクであって、前記車軸と一体的に回転する回転体に取り付けられるディスク本体と；前記ディスク本体の表面に複数層に渡って積層された肉盛層と；を備え、前記肉盛層が、粉体肉盛レーザ溶接により前記ディスク本体の表面に積層されている。

（２）上記（１）に記載のブレーキディスクにおいて、前記肉盛層が、前記ディスク本体の表面に二層以上に渡って積層された所定のマトリクスからなる積層体により構成されており、前記積層体が、前記ディスク本体上に積層されてかつ前記ディスク本体より融点の高い高融点金属粒子を含有しない内層と、前記内層上に形成された前記高融点金属粒子を含有する外層とからなるものであってもよい。

（３）上記（２）に記載のブレーキディスクにおいて、前記高融点金属粒子が、モリブデン、タングステン、ニオブ及びタンタルの少なくとも１種を含んでいてもよい。

（４）上記（２）または（３）に記載のブレーキディスクにおいて、前記肉盛層の前記外層が、セラミックス粒子をさらに含有し；前記外層における前記セラミックス粒子の含有量が、質量％で、０％超５０％以下であってもよい。

（５）本発明の一態様に係るブレーキディスクの製造方法は、表面にブレーキパッドが押圧されることにより車軸の回転を制動するブレーキディスクの製造方法であって、前記車軸と一体的に回転する回転体に取り付けられるディスク本体の表面に、粉体肉盛レーザ溶接により肉盛層を形成する肉盛層形成工程を含む。

（６）上記（５）に記載のブレーキディスクの製造方法において、前記肉盛層形成工程が、前記ディスク本体の表面にレーザを照射すると共に、前記レーザの照射箇所に第１金属粉末を供給して前記第１金属粉末を溶融させることにより、前記ディスク本体の表面に前記肉盛層の内層を形成する第１工程と；前記内層の表面に前記レーザを照射すると共に、前記レーザの照射箇所に第２金属粉末を供給して前記第２金属粉末を溶融させることにより、前記内層の表面に前記肉盛層の外層を形成する第２工程と；を有していてもよい。また、前記第１金属粉末が、所定のマトリクスの粒子であり、前記第２金属粉末が、前記マトリクスの粒子と、前記ディスク本体の融点よりも高い融点を有する高融点金属粒子との混合粉末であってもよい。

（７）上記（５）または（６）に記載のブレーキディスクの製造方法において、前記高融点金属粒子が、モリブデン、タングステン、ニオブ及びタンタルの少なくとも１種を含んでいてもよい。

（８）上記（５）～（７）のいずれか一項に記載のブレーキディスクの製造方法において、前記第２金属粉末が、前記マトリクスの粒子と、前記高融点金属粒子と、セラミックス粒子との混合粉末であり；前記第２金属粉末における前記セラミックス粒子の含有量が、質量％で、０％超５０％以下であってもよい。

上記態様では、従来のＰＴＡ溶接よりも熱的影響が小さい粉体肉盛レーザ溶接（ＬＭＤ溶接）を用いて、ディスク本体上に肉盛層を積層させるので、従来のＰＴＡ溶接で必要とされていた予熱が不要であり、且つ溶接時に発生する熱ひずみが抑えられるので、ディスク本体の変形を抑制することができる。その結果、上記態様によれば、ディスク本体の肉薄化を実現することができる。
また、上記態様では、ＰＴＡ溶接よりも熱的影響が小さいＬＭＤ溶接を用いることにより、ディスク本体が肉盛層内に溶け出すことも防止できる。その結果、上記態様によれば、肉盛層の強度及び機能性の低下を防止することができる。また、不定形状を有するビード、ブローホール、或いはピットなどの溶接不良が肉盛層に発生することも抑制できるので、肉盛層の強度低下をより防止することが可能となる。
また、上記態様では、従来のＰＴＡ溶接より熱的影響が小さいＬＭＤ溶接を用いて、ディスク本体上に肉盛層を積層させるので、肉盛層内に分散させる粒子として、比較的融点が低いセラミックス粒子（例えば、アルミナ）を使用することができる。

また、上記態様では、ディスク本体上の肉盛層の中で、ディスク本体上に積層された内層（一層目）が、高融点金属粒子を含有しない層であるので、肉盛層とディスク本体との密着性を高めることができる。また、肉盛層の外層（二層目、三層目）に含まれる高融点金属粒子は、溶接後も金属粒子として外層内に残存するので、ディスク本体に高い耐熱性を付与することができ、溶接後の肉盛層に亀裂が生じることを防止できる。

さらに、上記態様では、車軸と一体的に回転する回転体に取り付けられるディスク本体の表面に、このディスク本体より融点の高い高融点金属粒子を分散させた溶材を、ＬＭＤ溶接により積層させる。このような上記態様によれば、ＬＭＤ溶接を用いてディスク本体上に形成された肉盛層により、走行時のブレーキ時の摩擦熱によるディスク本体への焼き入れを抑制して、ディスク本体の表面に亀裂または変形が生じるのを抑制することができ、ブレーキディスクにおいて耐熱性と耐熱亀裂性の双方を付与することができる。

本発明の一実施形態に係るブレーキディスクを備えた新幹線用制動装置の外観を示す概略正面図である。 図１におけるＡ－Ａ線断面を示す概略断面図である。 本実施形態に係るブレーキディスクの表面近傍を示す概略断面図である。 本実施形態において肉盛層の形成に使用するＬＭＤ溶接装置の概略構成図である。 従来のＰＴＡ溶接装置の概略構成図である。 ＬＭＤ溶接装置の溶接条件を示す表である。 ＬＭＤ溶接、ＰＴＡ溶接及びプラズマ溶射の特性比較結果を示す表である。 肉盛層の表層からの距離とビッカース硬さとの関係を示すグラフである。 肉盛層を上方から見た外観写真（Ａ）と、肉盛層の断面ミクロ写真（Ｂ）である。 肉盛層の表面の外観写真（Ａ）と、肉盛層の表面の浸透探傷結果を示す写真（Ｂ）である。 本発明の一実施形態に係るブレーキディスクの製造方法を示すフローチャートである。

以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係るブレーキディスク１３を備えた新幹線用制動装置１０の外観を示す概略正面図である。また、図２は、図１におけるＡ－Ａ線断面を示す概略断面図である。

新幹線用制動装置１０は、図１に示すように、略円形の車輪１１（回転体）と、この車輪１１に挿通された車軸１２と、車輪１１の端面に取り付けられたブレーキディスク１３と、このブレーキディスク１３に近接して配置されたブレーキパッド１４とを備える。

車輪１１は、図１及び図２に示すように、車輪１１の軸方向Ｘに一定の厚みを有する平板部１１１と、車輪１１の径方向Ｙにおける平板部１１１の外縁部に設けられ、軸方向Ｘの厚さが平板部１１１より厚いリム部１１２と、車輪１１の径方向Ｙにおける平板部１１１の中心部に設けられ、軸方向Ｘの厚さが平板部１１１及びリム部１１２より厚いボス部１１３と、軸方向Ｘに沿ってボス部１１３を貫通する軸挿通孔１１４とを有している。

車軸１２は、図１及び図２に示すように、車輪１１の軸挿通孔１１４に挿通されて、車輪１１に固定されている。この車軸１２が不図示の駆動装置（モータ等）によって回転駆動されることにより、車輪１１と車軸１２とが一体的に回転する。

ブレーキディスク１３は、ブレーキパッド１４が押圧されることで制動力を得る役割を有する。このブレーキディスク１３は、図１に示すように、略円環形状を有する平板部材である。ブレーキディスク１３の外径は、車輪１１のリム部１１２の内径より小さい。ブレーキディスク１３の内径は、車輪１１のボス部１１３の外径より大きい。また、図２に示すように、ブレーキディスク１３の厚みは、車輪１１の平板部１１１に対するリム部１１２の突出高さと略等しい。更に、図１及び図２に示すように、ブレーキディスク１３には周方向に沿って所定間隔で複数のボルト挿通孔１３１が形成されている。

図３は、ブレーキディスク１３の表面近傍を示す概略断面図である。ブレーキディスク１３は、ディスク本体１３３と、ＬＭＤ溶接（粉体肉盛レーザ溶接）によってディスク本体１３３の表面に形成された肉盛層１３４とを備えている。

ディスク本体１３３は、鍛造用の鋼材である鍛鋼が円環状に成形されることで得られたブレーキディスク１３の本体である。なお、ディスク本体１３３の材質は鍛綱に限定されず、コストパフォーマンスに優れた炭素鋼、あるいは熱伝導性及び耐磨耗性に優れたパーライト鋳鉄でもよい。

肉盛層１３４は、ディスク本体１３３の表面に溶融結合して積層された第一肉盛層１３４Ａと、この第一肉盛層１３４Ａの表面に溶融結合して積層された第二肉盛層１３４Ｂと、この第二肉盛層１３４Ｂの表面に溶融結合して積層された第三肉盛層１３４Ｃと、からなる積層体により構成されている。
なお、ディスク本体１３３上の肉盛層１３４（１３４Ａ～１３４Ｃ）の中で、第一肉盛層１３４Ａにより内層が形成され、第二肉盛層１３４Ｂ及び第三肉盛層１３４Ｃにより外層が形成される。
そして、最上部に位置する第三肉盛層１３４Ｃの表面が、ブレーキパッド１４によって押圧される摩擦面１３５である。なお、図３に示すように、各肉盛層１３４Ａ～１３４Ｃ間は、溶接による溶融結合のため、組織変化のない均一な一体化組織となる。

第一肉盛層１３４Ａは、図３に示すように、所定のマトリクス１３６で形成された層である。第一肉盛層１３４Ａのビッカース硬さは、２２０［Ｈｖ］以上２７０［Ｈｖ］以下である。第一肉盛層１３４Ａの厚さは、１～５[ｍｍ]である。
マトリクス１３６は、例えばニッケル基合金である。このニッケル基合金としては、例えばハステロイ（登録商標）Ｃ合金が挙げられる。ここで、ハステロイＣ合金とは、化学成分として、質量％で、クロム（Ｃｒ）を１５％、モリブデン（Ｍｏ）を１６％、タングステン（Ｗ）を４％、ニッケル（Ｎｉ）を残部としてそれぞれ含有する合金である。なお、マトリクス１３６は、ニッケル基合金に限定されず、銅及びアルミ青銅などの銅合金、銀及び銀合金、または、アルミニウム及びアルミニウム合金などの熱伝導率が高い材料をマトリクス１３６として用いてもよい。
ディスク本体１３３の表面に最初に積層された第一肉盛層１３４Ａは、後述の高融点金属粒子を含有していない。これにより、第一肉盛層１３４Ａとディスク本体１３３との密着性を高めることができる。

第二肉盛層１３４Ｂ及び第三肉盛層１３４Ｃは、図３に示すように、マトリクス１３６で形成された層であると共に、ディスク本体１３３の融点よりも高い融点を有する高融点金属粒子１３７を含有する。第二肉盛層１３４Ｂ及び第三肉盛層１３４Ｃにおけるマトリクス１３６は、高融点金属粒子１３７を均質に結合させる役割を有する。第二肉盛層１３４Ｂ及び第三肉盛層１３４Ｃのビッカース硬さは、２２０［Ｈｖ］以上２７０［Ｈｖ］以下である。ここで、第二肉盛層１３４Ｂ及び第三肉盛層１３４Ｃにおいて、マトリクス１３６中に高融点金属粒子１３７のみが分散されていても良いが、本実施形態では、第二肉盛層１３４Ｂ及び第三肉盛層１３４Ｃが、高融点金属粒子１３７とともに、硬質セラミックス粒子１３８（例えばアルミナ粒子）を含有する。第二肉盛層１３４Ｂ及び第三肉盛層１３４Ｃにおける硬質セラミックス粒子１３８の含有量は、質量％で、０％超５０％以下である。
肉盛溶接の分野では、肉盛層の表面の摩擦係数を極力低く抑える必要があることから、肉盛層にセラミックス粒子を含有させないのが一般的である。しかしながら、本実施形態では、ブレーキディスク１３に要求されるブレーキ力を得るために、第二肉盛層１３４Ｂ及び第三肉盛層１３４Ｃに硬質セラミックス粒子１３８を含有させている。平均摩擦係数、摩耗量、セラミックス粒子１３８とマトリックス１３６との粒界剥離抑制の観点から、第二肉盛層１３４Ｂ及び第三肉盛層１３４Ｃにおける硬質セラミックス粒子１３８の含有量は０％超５０％以下が好ましい。
このように構成される第二肉盛層１３４Ｂは第一肉盛層１３４Ａの表面に、また、第三肉盛層１３４Ｃは第二肉盛層１３４Ｂの表面にそれぞれ１～５ｍｍ程度の厚みに積層されている。なお、第三肉盛層１３４Ｃは、基本的には、第二肉盛層１３４Ｂと同様の構成である。

高融点金属粒子１３７は、ディスク本体１３３に高い耐熱性を付与する役割を有する。この高融点金属粒子１３７は、ディスク本体１３３と比較して融点の高い金属の粒子であって、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ニオブ（Ｎｂ）、及びタンタル（Ｔａ）の少なくとも１種を含む。
第二肉盛層１３４Ｂ及び第三肉盛層１３４Ｃにおける高融点金属粒子１３７の含有量は、質量％で、０％超８０％以下である。
また、高融点金属粒子１３７のうち、平均粒径が７５μｍ以上１００μｍ以下の粒子が全粒子数の７０％以上８０％以下を占めるとともに、平均粒径が１０μｍ以上４５μｍ以下の粒子が残りを占めている。

以上のように構成されるブレーキディスク１３は、図２に示すように、切欠部１３２が形成された側を車輪１１の側に向けた状態で車輪１１の平板部１１１に配置され、ボルト挿通孔１３１に挿通された固定ボルト１６によって車輪１１に固定される。

また、上記のように、ブレーキディスク１３の外径は、リム部１１２の内径より小さい。ブレーキディスク１３の内径は、ボス部１１３の外径より大きい。
従って、図２に示すように、ブレーキディスク１３を車輪１１の平板部１１１に固定した状態で、ブレーキディスク１３とボス部１１３との間には所定幅の隙間１７が形成されている。

ブレーキパッド１４は、図１に示すように、車輪１１の径方向Ｙにおいてブレーキディスク１３と対向する位置に設けられている。詳細な図示は省略するが、ブレーキパッド１４は、車輪１１の軸方向Ｘに沿って移動可能に設けられている。ブレーキパッド１４がブレーキディスク１３へ向かって移動すると、ブレーキディスク１３の摩擦面１３５（第三肉盛層１３４Ｃの表面）がブレーキパッド１４によって押圧される。これにより、ブレーキディスク１３と一体的に回転する車軸１２を停止させる制動力が発生する。一方、ブレーキパッド１４がブレーキディスク１３から離れることによって、車軸１２の回転が許容される。

次に、本実施形態に係るブレーキディスク１３の作用効果について説明する。本実施形態に係るブレーキディスク１３において、肉盛層１３４が、ＬＭＤ溶接によってディスク本体１３３の表面に積層されている。従って、ディスク本体１３３と第一肉盛層１３４Ａとの界面においては、溶融結合によってディスク本体１３３と第一肉盛層１３４Ａとの密着強度が向上する。これにより、高速走行時におけるブレーキ環境下において、肉盛層１３４が、ディスク本体１３３の表面から剥離することを防止することができる。

また、肉盛層１３４のビッカース硬さは、２２０［Ｈｖ］以上２７０［Ｈｖ］以下である。このように、肉盛層１３４のビッカース硬さは、一般的に亀裂が発生及び進展するか否かの目安とされるビッカース硬さである３５０［Ｈｖ］を下回っている。これにより、高速走行時におけるブレーキ環境下においても、肉盛層１３４に亀裂または変形が生じ難い。

また、ディスク本体１３３は、その製造時における熱処理によって高い靱性が付与されている。第一肉盛層１３４Ａの積層時にＬＭＤ溶接による熱（レーザ光がディスク本体１３３に当たることで発生する熱）がディスク本体１３３に加わると、焼き入れ層（図示せず）が生成されることによってディスク本体１３３が硬化する。
一方、第二肉盛層１３４Ｂの積層時には、ＬＭＤ溶接による熱は第一肉盛層１３４Ａを介してディスク本体１３３に伝達されるため、ディスク本体１３３に伝達される熱量が減少する。従って、第一肉盛層１３４Ａの積層時に生成された焼き入れ層が、第二肉盛層１３４Ｂの積層時に加わる熱によって焼き戻される。これにより、硬化したディスク本体１３３に靭性が付与される。
更に、第三肉盛層１３４Ｃを積層する際にも、ＬＭＤ溶接による熱は第二肉盛層１３４Ｂ及び第一肉盛層１３４Ａを介してディスク本体１３３に伝達されるため、ディスク本体１３３に伝達される熱量がより減少する。従って、前述と同様に、第一肉盛層１３４Ａの積層時に生成された焼き入れ層が焼き戻されることにより、ディスク本体１３３の靭性がより向上する。以上により、高速走行時におけるブレーキ環境下においても、ディスク本体１３３に亀裂または変形が生じ難い。
なお、このディスク本体１３３に生成された焼き入れ層は、ブレーキディスク１３の使用を開始した後に、ブレーキ時に発生する熱によって更に焼き戻されるため、ディスク本体１３３の耐亀裂性がより向上する。

次に、図４Ａ及び図４Ｂを参照して、ディスク本体１３３の表面に肉盛層１３４を積層するために用いられるＬＭＤ溶接装置２０について説明する。
なお、図４Ａは、本実施形態におけるＬＭＤ溶接装置２０の正断面図である。図４Ｂは、比較例として示すＰＴＡ溶接装置３０の正断面図である。

図４Ａに示すように、本実施形態におけるＬＭＤ溶接装置２０は、溶接トーチ２１と、溶接トーチ２１の中心部に形成されると共にレーザ発振器（図示略）から供給されるレーザ光Ｌが通過する中心孔２２と、それぞれ中心孔２２の周囲に同心円状に形成された冷却水供給路２３、シールドガス供給路２４及び溶接材料供給路２５と、を備えるものである。

冷却水供給路２３は、中心孔２２の外側に配置されており、冷却水ＲＷが供給される流路である。
シールドガス供給路２４及び溶接材料供給路２５は、冷却水供給路２３の外側に互いに隣接するように配置されている。シールドガスＳＧが、シールドガス供給路２４に供給されている。溶材２６（金属粉末）が、溶接材料供給路２５に供給されている。シールドガス供給路２４の先端には、ノズル２７が設けられており、このノズル２７からシールドガスＳＧがディスク本体１３３の表面に向けて噴射される。溶接材料供給路２５の先端には、ノズル２８が設けられおり、このノズル２８から溶材２６がディスク本体１３３の表面に向けて噴射される。
詳細は後述するが、第一肉盛層１３４Ａを形成する場合、マトリクス１３６の粒子である第１金属粉末が溶材２６として用いられる。また、第二肉盛層１３４Ｂ及び第三肉盛層１３４Ｃを形成する場合、マトリクス１３６の粒子と、高融点金属粒子１３７と、硬質セラミックス粒子１３８との混合粉末である第２金属粉末が溶材２６として用いられる。
上記のような溶材２６は、溶接材料供給路２５を流れるキャリアガスＣＧにより運搬される。
また、キャリアガスＣＧとしては、アルゴンガス、ヘリウムガス等の不活性ガスが使用される。また、シールドガス供給路２４に供給されたシールドガスＳＧによって、ディスク本体１３３及び肉盛層１３４の酸化が防止される。

以上のように構成されたＬＭＤ溶接装置２０では、レーザ光Ｌが溶接トーチ２１からディスク本体１３３の表面に照射されると共に、溶接材料供給路２５を通じて、溶材２６（第１金属粉末または第２金属粉末）がキャリアガスＣＧによりレーザ照射箇所（図４Ａにおいて、符号Ｐで示す箇所）に供給される。
レーザ照射箇所Ｐに供給された溶材２６は、レーザ光Ｌによって大きな熱エネルギーが加えられることで溶融する。溶融した溶材２６が凝固することで、肉盛層１３４が形成される。レーザ光Ｌの照射及び溶材２６の供給と同時に、溶接トーチ２１をディスク本体１３３の表面に沿って一定速度で移動させることにより、ディスク本体１３３の表面に、一定の厚さを有する肉盛層１３４を形成することができる。このように、溶接トーチ２１を複数回、往復移動させることにより、複数層構造を有する肉盛層１３４をディスク本体１３３の表面に積層することが可能である。

なお、ＬＭＤ溶接装置２０では、ディスク本体１３３に対する入熱量が少なく、レーザ発振器（図示略）から供給されるレーザ光Ｌがディスク本体１３３に照射されることによって熱が発生する。この熱によって必要な溶け込み量を得るためには、レーザ光Ｌのレーザ光径、及びレーザ光Ｌの移動速度を適切に設定することが必要である。　

ここで、ＬＭＤ溶接装置２０の溶接条件について、図５を参照して説明する。
図５に示されるように、レーザ照射条件として、レーザ光Ｌの焦点径が５．４［ｍｍ］に設定され、レーザ光Ｌの焦点距離を調整する機器であるＭＦＯ（Ｍａｎｕａｌ Ｆｏｃｕｓｉｎｇ Ｏｐｔｉｃｓ）の設定電圧値が０．５４［Ｖ］に設定され、また、レーザ光Ｌの出力が２７００［Ｗ］に設定されている。溶材供給条件として、シールドガスＳＧの流量が１５［Ｌ／ｍｉｎ］に設定され、溶接トーチ２１の回転数が１０［ｒｐｍ］に設定され、また、キャリアガスＣＧの流量が４［Ｌ／ｍｉｎ］に設定されている。その他の条件として、溶接速度（溶接トーチ２１の移動速度）が５００［ｍｍ／ｍｉｎ］に設定され、ピッチ幅が２．３［ｍｍ］に設定されている。

一方、図４Ｂに示すように、比較例として挙げたＰＴＡ溶接装置３０は、溶接トーチ３１と、溶接トーチ３１の中心部に挿入されたタングステン電極３２と、タングステン電極３２及びディスク本体１３３に接続されたメイン電源３３と、タングステン電極３２及び溶接トーチ３１に接続されたパイロット電源３４と、を備える。

図４Ｂに示すように、溶接トーチ３１の中心部に電極穴３１１が形成されるとともに、この電極穴３１１を中心として、第一流路３１２、第二流路３１３、及び第三流路３１４が同心円状に形成されている。電極穴３１１にはタングステン電極３２が挿入されるとともに、パイロットガスＰＧが供給される。第一流路３１２には冷却水ＲＷが供給される。第二流路３１３には溶材３５及びキャリアガスＣＧが供給される。第三流路３１４にはシールドガスＳＧが供給される。なお、溶材３５は、マトリクス粒子と高融点金属粒子との混合粉末である。

このように構成されるＰＴＡ溶接装置３０では、パイロット電源３４によってタングステン電極３２と溶接トーチ３１との間に電圧が印加されることにより、電極穴３１１内でアーク放電が発生して、パイロットガスＰＧがプラズマ化する。プラズマ化したパイロットガスＰＧ（プラズマガス）は、第一流路３１２に供給された冷却水ＲＷによって冷却されると、いわゆるサーマルピンチ効果によって細く絞られる。その結果、上記プラズマガスは、エネルギー密度の高いプラズマアークＰＡとして電極穴３１１の先端孔からディスク本体１３３に向かって噴射される。このプラズマアークＰＡがディスク本体１３３に到達すると、メイン電源３３によってタングステン電極３２とディスク本体１３３との間に電圧が印加されることにより、ディスク本体１３３にアーク電流（図示省略）が流れる。その結果、ディスク本体１３３の表面に溶融池が形成される。一方、第二流路３１３に供給された溶材３５は、キャリアガスＣＧに圧送されてプラズマアークＰＡ中に送り込まれて溶融する。溶材３５が溶融した状態でディスク本体１３３上の溶融池に投入されることにより、肉盛層１３４’が形成される。

図６は、図４Ａに示すＬＭＤ溶接装置２０を用いて実現されるＬＭＤ溶接と、図４Ｂに示すＰＴＡ溶接装置３０を用いて実現されるＰＴＡ溶接と、もう一つの比較例として挙げられるプラズマ溶射との特性比較結果を示す。
図６に示すように、ＬＭＤ溶接を採用する場合、ＰＴＡ溶接と比較して、肉盛厚及び肉盛量が小さいが、熱負荷が低いので、ディスク本体から肉盛層への炭素溶け込み量が小さい。また、ＬＭＤ溶接を採用する場合、プラズマ溶射と比較して、ディスク本体と肉盛層との密着力が高い。
また、ＬＭＤ溶接を採用する場合、プラズマ溶射と比較して、歩留りが高い。さらに、プラズマ溶射におけるポロシティ（溶接欠陥）は、１～３％であるが、ＬＭＤ溶接におけるポロシティは、０％である。

次に、図７を参照して、肉盛層の表層（表面）からの距離［ｍｍ］とビッカース硬さ［Ｈｖ］との関係について説明する。なお、図７では、幅５０［ｍｍ］、長さ１５０［ｍｍ］、厚さ１９［ｍｍ］の試験片を用いて、ビッカース硬さの測定を行った。

図７は、肉盛層の表層からの距離［ｍｍ］とビッカース硬さ［Ｈｖ］との関係を示すグラフである。図７の横軸は、肉盛層の表層から厚み方向への距離を示し、図７の縦軸は、ビッカース硬さを示している。
なお、図７における丸形のプロット（○）は、ＬＭＤ溶接を用いてディスク本体上に第一肉盛層を積層した場合を示している。また、四角形のプロット（□）は、ディスク本体を予熱することなく、ＰＴＡ溶接を用いて第一肉盛層を積層した比較例を示している。菱形のプロット（◇）は、ディスク本体を２５０℃に予熱した後、ＰＴＡ溶接を用いて第一肉盛層を積層した比較例を示している。
また、図７において、「熱影響部」とは、ディスク本体の表面から約２．８[ｍｍ]の深さまでの溶接時の熱の影響が及ぶ範囲を意味している。また、「本体原質部」とは、ディスク本体の厚さ方向全体を意味している。

図７に示すように、ＬＭＤ溶接とＰＴＡ溶接とを比較すると、熱影響部の領域では、ＰＴＡ溶接によるビッカース硬さは、ＬＭＤ溶接によるビッカース硬さより大きい。
この原因として、ＰＴＡ溶接を用いて肉盛層を形成する場合、非常に高い熱的影響によりディスク本体に焼き入れ層が生成されることにより、ディスク本体の硬度が高くなることが挙げられる。これに対し、ＬＭＤ溶接を用いて肉盛層を形成する場合、ＬＭＤ溶接による熱的影響が少なく、ディスク本体に適度な範囲しか熱的影響が及ばない。従って、ＬＭＤ溶接を用いて肉盛層を形成する場合、ディスク本体は、高い靱性を維持している。
また、ＬＭＤ溶接を用いて肉盛層を形成する場合、肉盛層の表層から２[ｍｍ]以上の深さにおけるビッカース硬さは、一般的に亀裂が発生及び進展するか否かの目安とされる３５０［Ｈｖ］を下回っている。従って、ＬＭＤ溶接を用いて肉盛層を形成する場合、ディスク本体では亀裂または変形が生じ難い。

図８Ａは、ＬＭＤ溶接装置２０によってディスク本体１３３の表面に形成された肉盛層１３４を上方から見た外観写真を示す。図８Ｂは、肉盛層１３４の断面ミクロ写真を示す。図９Ａは、肉盛層１３４の表面の外観写真を示す。図９Ｂは、肉盛層１３４の浸透探傷結果を示す。
特に図８Ｂ及び図９Ｂに示すように、ＬＭＤ溶接で製造されたブレーキディスク１３では、肉盛層１３４の断面及び表面における金属組織が、ＬＭＤ溶接によって溶融結合することに起因して、組織変化のない均一な一体化組織となる。

次に、本実施形態に係るブレーキディスク１３の製造方法について説明する。
図１０は、本実施形態に係るブレーキディスク１３の製造工程を示すフローチャートである。まず、ディスク本体１３３が作製される（ステップＳ１）。このステップＳ１では、所定の組成を有するインゴットが、鍛造、圧延、または鋳造されることにより、ディスク本体１３３が作製される。

次に、必要に応じて、ディスク本体１３３の熱処理が実施される（ステップＳ２）。このステップＳ２では、ステップＳ１で作製されたディスク本体１３３の特性が所望の特性となるように、ディスク本体１３３が熱処理されることによって、ディスク本体１３３の組織の調整が行われる。

なお、従来のＰＴＡ溶接を採用する場合、上記ステップＳ２の後に、ディスク本体１３３の機械加工が実施される。つまり、ＰＴＡ溶接を採用する場合、ディスク本体１３３に対する熱的影響が大きいので、ディスク本体１３３に生じる歪み量を予想して、溶接後の肉盛層１３４が適切な状態となるように、ディスク本体１３３の表面の一部を切り欠くことで、所定角度を有する開先部をディスク本体１３３に予め形成する必要がある。
しかしながら、本実施形態では、ＰＴＡ溶接とは異なり、ディスク本体１３３に対する熱的影響が小さいＬＭＤ溶接を採用するので、上記のようなディスク本体１３３の機械加工を実施する必要はない。

次に、ＬＭＤ溶接装置２０によって、ディスク本体１３３の表面に第一肉盛層１３４Ａが形成される（ステップＳ３：本発明における肉盛層形成工程の第１工程に相当）。このステップＳ３では、ＬＭＤ溶接装置２０によって、ディスク本体１３３の表面にレーザ光Ｌを照射すると共に、レーザ光Ｌの照射箇所Ｐに溶材２６（第１金属粉末）を供給して溶材２６を溶融させることにより、ディスク本体１３３の表面に第１肉盛層１３４Ａを形成する。
このステップＳ３における溶材２６（第１金属粉末）は、例えばニッケル基合金からなるマトリクス１３６の粒子（粉末）である。

次に、ＬＭＤ溶接装置２０によって、第一肉盛層１３４Ａの表面に第二肉盛層１３４Ｂが形成される（ステップＳ４：本発明における肉盛層形成工程の第２工程に相当）。このステップＳ４では、ＬＭＤ溶接装置２０によって、第１肉盛層１３４Ａの表面にレーザ光Ｌを照射すると共に、レーザ光Ｌの照射箇所Ｐに溶材２６（第２金属粉末）を供給して溶材２６を溶融させることにより、第１肉盛層１３４Ａの表面に第２肉盛層１３４Ｂを形成する。
このステップＳ４における溶材２６（第２金属粉末）は、マトリクス１３６（例えばニッケル基合金）の粒子と、高融点金属粒子１３７（例えばモリブデン）と、硬質セラミックス粒子１３８（例えばアルミナ）との混合粉末である。
上記の溶材２６（第２金属粉末）における硬質セラミックス粒子１３８の含有量は、質量％で、０％超５０％以下である。このような溶材２６を用いることにより、第２肉盛層１３４Ｂにおける硬質セラミックス粒子１３８の含有量も、質量％で、０％超５０％以下となる。

次に、ＬＭＤ溶接装置２０によって、第二肉盛層１３４Ｂの表面に第三肉盛層１３４Ｃが形成される（ステップＳ５：本発明における肉盛層形成工程の第２工程に相当）。このステップＳ５では、ＬＭＤ溶接装置２０によって、先に形成された第２肉盛層１３４Ｂの表面にレーザ光Ｌを照射すると共に、レーザ光Ｌの照射箇所Ｐに上記と同様の第２金属粉末からなる溶材２６を供給して溶材２６を溶融させることにより、第２肉盛層１３４Ｂの表面に第３肉盛層１３４Ｃを形成する。第２肉盛層１３４Ｂと第３肉盛層１３４Ｃとは、互いに溶融結合されるので、第２肉盛層１３４Ｂ及び第３肉盛層１３４Ｃの全体において金属組織は均一化される（図３参照）。
なお、ＬＭＤ溶接によって第２肉盛層１３４Ｂの表面に第３肉盛層１３４Ｃを形成するとき、溶材２６（第２金属粉末）における高融点金属粒子１３７の割合を高くしてもよい。これにより、第３肉盛層１３４Ｃの表面（つまりブレーキパッド１４が直接接触する摩擦面１３５）の耐熱性をより向上させることができる。

次に、ディスク本体１３３の表面に肉盛層１３４が形成されて得られるブレーキディスク１３の機械加工が実施される（ステップＳ６）。このステップＳ６では、ブレーキディスク１３の外形が、切削加工等によって所望の外形に整えられる。

最後に、ブレーキディスク１３の仕上げ加工が実施される（ステップＳ７）。このステップＳ７では、ブレーキディスク１３の摩擦面１３５（第３肉盛層１３４Ｃの表面）が平滑な面となるように、摩擦面１３５が研磨される。以上のような各工程（ステップＳ１～Ｓ７）が実施されることにより、ブレーキディスク１３が完成し、ブレーキディスク１３の製造工程が終了する。

以上のように、本実施形態では、従来のＰＴＡ溶接よりも熱的影響が小さいＬＭＤ溶接を用いて、ディスク本体１３３上に肉盛層１３４を積層させるので、従来のＰＴＡ溶接で必要とされていた予熱が不要であり、且つ溶接時に発生する熱ひずみが抑えられるので、ディスク本体１３３のひずみ変形を抑制することができる。その結果、本実施形態によれば、ディスク本体１３３の肉薄化を実現することができる。
また、本実施形態では、ＰＴＡ溶接よりも熱的影響が小さいＬＭＤ溶接を用いることにより、ディスク本体１３３が肉盛層１３４内に溶け出すことも防止できる。その結果、本実施形態によれば、肉盛層１３４の強度及び機能性の低下を防止することができる。また、不定形状を有するビード、ブローホール、或いはピットなどの溶接不良が肉盛層１３４に発生することも抑制できるので、肉盛層１３４の強度低下をより防止することが可能となる。
また、本実施形態では、ＰＴＡ溶接よりも熱的影響が小さいＬＭＤ溶接を用いて、ディスク本体１３３上に肉盛層１３４を積層させるので、肉盛層１３４内に分散させる粒子として、融点が比較的低いセラミックス粒子（例えば、アルミナ）を使用することができる。

また、本実施形態では、ディスク本体１３３の表面に最初に形成された第１肉盛層１３４Ａが、高融点金属粒子１３７を含有しないニッケル基合金層であるので、肉盛層１３４とディスク本体１３３との密着性を高めることができる。また、第２肉盛層１３４Ｂ及び第３肉盛層１３４Ｃに含まれる高融点金属粒子１３７は、高い融点を有するので、溶接後も金属粒子として第２肉盛層１３４Ｂ及び第３肉盛層１３４Ｃ内に残存する。これにより、ディスク本体１３３に高い耐熱性を付与することができ、溶接後の肉盛層１３４に亀裂が生じることを防止できる。

さらに、本実施形態では、車軸と一体的に回転する車輪１１（回転体）に取り付けられるディスク本体１３３の表面に、このディスク本体１３３より融点の高い高融点金属粒子１３７を分散させた溶材２６を、ＬＭＤ溶接により積層させる。このような本実施形態によれば、ＬＭＤ溶接を用いてディスク本体１３３上に形成された肉盛層１３４により、走行時のブレーキ時の摩擦熱によるディスク本体１３３への焼き入れを抑制して、ディスク本体１３３の表面に亀裂または変形が生じるのを抑制することができ、ブレーキディスク１３において耐熱性と耐熱亀裂性の双方を付与することができる。

以上、本発明の一実施形態について図面を参照しながら詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で実施形態を変更してもよい。

本発明は、ブレーキパッドが押し付けられる摩擦面を有するブレーキディスクにおいて、溶接時に発生する熱歪及びそれによる変形を防止することが可能なブレーキディスク及びその製造方法に関する。

１０　新幹線用制動装置
１１　車輪
１２　車軸
１３　ブレーキディスク
１４　ブレーキパッド
２０　ＬＭＤ溶接装置
２１　溶接トーチ
２２　中心孔
２３　冷却水供給路
２４　シールドガス供給路
２５　溶接材料供給路
２６　溶材
１３３　ディスク本体
１３４　肉盛層
１３４Ａ　第一肉盛層（内層）
１３４Ｂ　第二肉盛層（外層）
１３４Ｃ　第三肉盛層（外層）
１３５　摩擦面
１３６　マトリクス
１３７　高融点金属粒子
１３８　硬質セラミックス粒子
Ｌ　レーザ光

Claims (8)

1. 表面にブレーキパッドが押圧されることにより車軸の回転を制動するブレーキディスクであって、
   前記車軸と一体的に回転する回転体に取り付けられるディスク本体と；
   前記ディスク本体の表面に複数層に渡って積層された肉盛層と；
   を備え、
   前記肉盛層が、粉体肉盛レーザ溶接により前記ディスク本体の表面に積層されていることを特徴とするブレーキディスク。
2. 前記肉盛層が、前記ディスク本体の表面に二層以上に渡って積層された所定のマトリクスからなる積層体により構成され、
   前記積層体は、前記ディスク本体上に積層されてかつ前記ディスク本体より融点の高い高融点金属粒子を含有しない内層と、前記内層上に形成された前記高融点金属粒子を含有する外層とからなることを特徴とする請求項１に記載のブレーキディスク。
3. 前記高融点金属粒子は、モリブデン、タングステン、ニオブ及びタンタルの少なくとも１種を含むことを特徴とする請求項２に記載のブレーキディスク。
4. 前記肉盛層の前記外層は、セラミックス粒子をさらに含有し；
   前記外層における前記セラミックス粒子の含有量が、質量％で、０％超５０％以下である；
   ことを特徴とする請求項２または３に記載のブレーキディスク。
5. 表面にブレーキパッドが押圧されることにより車軸の回転を制動するブレーキディスクの製造方法であって、
   前記車軸と一体的に回転する回転体に取り付けられるディスク本体の表面に、粉体肉盛レーザ溶接により肉盛層を形成する肉盛層形成工程を含むことを特徴とするブレーキディスクの製造方法。
6. 　前記肉盛層形成工程は、
   前記ディスク本体の表面にレーザを照射すると共に、前記レーザの照射箇所に第１金属粉末を供給して前記第１金属粉末を溶融させることにより、前記ディスク本体の表面に前記肉盛層の内層を形成する第１工程と；
   　前記内層の表面に前記レーザを照射すると共に、前記レーザの照射箇所に第２金属粉末を供給して前記第２金属粉末を溶融させることにより、前記内層の表面に前記肉盛層の外層を形成する第２工程と；
   　を有し、
   　前記第１金属粉末は、所定のマトリクスの粒子であり、
   　前記第２金属粉末は、前記マトリクスの粒子と、前記ディスク本体の融点よりも高い融点を有する高融点金属粒子との混合粉末である
   ことを特徴とする請求項５に記載のブレーキディスクの製造方法。
7. 前記高融点金属粒子は、モリブデン、タングステン、ニオブ及びタンタルの少なくとも１種を含むことを特徴とする請求項５または６に記載のブレーキディスクの製造方法。
8. 　前記第２金属粉末は、前記マトリクスの粒子と、前記高融点金属粒子と、セラミックス粒子との混合粉末であり；
   前記第２金属粉末における前記セラミックス粒子の含有量が、質量％で、０％超５０％以下である；
   ことを特徴とする請求項５～７のいずれか１項に記載のブレーキディスクの製造方法。

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