WO2018101435A1 - 鉄道車両用焼結摩擦材及びその製造方法 - Google Patents

鉄道車両用焼結摩擦材及びその製造方法 Download PDF

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WO2018101435A1
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久保田　学
阿佐部　和孝
雄基 市川
武 中野
季丈 岡平
功 島添
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新日鐵住金株式会社
株式会社ファインシンター
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    • F16D2200/006—Materials; Production methods therefor containing fibres or particles
    • F16D2200/0073—Materials; Production methods therefor containing fibres or particles having lubricating properties

Definitions

  • the present invention relates to a sintered friction material and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a sintered friction material for railway vehicles used for railways and a manufacturing method thereof.
  • Sintered friction materials formed by sintering metal particles are used for brake linings and disc brake pads for railway vehicles. These sintered friction materials for railway vehicles are required to have excellent wear resistance as well as excellent friction characteristics.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-86359
  • Patent Document 2 Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-226842
  • Patent Document 3 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-207289
  • the dry friction material disclosed in Patent Document 1 includes Cu or Cu and one or more selected from Sn, Zn, Ni, Fe and Co together with Cu as a matrix component, and a metal oxide, metal One or more selected from complex oxides, metal nitrides, metal carbides, metal carbonitrides, metal borides, intermetallic compounds and various minerals with a Mohs hardness of 3.5 or more are used as hard particle components, and graphite , Coke, BN, metal sulfide, CaF 2 , BaF 2 , PbO, Pb and B 2 O 3 as a lubricating component, selected from W, Mo, Nb, Ta, and Zr One or two or more of these components are added, and these components are 0.5 to 30 vol%, hard particle components are 2 to 30 vol%, lubricating components are 10 to 70 vol%, and the remainder is 10 to 70 vol%. Component.
  • the metallic friction material disclosed in Patent Document 2 is a sintered friction material obtained by solid phase sintering using a metal material as a matrix and adding at least a friction adjusting material and a solid lubricant.
  • the metal material forming the matrix contains Cu and Ni as main components, and the friction modifier and the solid lubricant are powder particles having a particle size of 10 to 300 ⁇ m, and sintered friction. It is contained in a total amount of 15 to 50% (% by weight, the same shall apply hereinafter) with respect to the whole material.
  • the sintered friction material for high-speed railway disclosed in Patent Document 3 is 7.5% Fe, 50% Cu, 5-15% graphite, 0.3-7% disulfide in mass%. It contains molybdenum and 0.5-10% silica, and Fe / Cu is 0.15-0.40.
  • JP-A-5-86359 Japanese Patent Laid-Open No. 10-226842 JP 2012-207289 A
  • the running speed of high-speed railway vehicles such as the Japanese Shinkansen, German ICE (Intercity-Express), and French TGV (Traina Grande Visese) are low speeds of 0 to 70 km / hour, medium speeds of over 70 to 170 km / hour. Not only the area, but also exceeds 170 km / hour and further reaches a high speed area of 280 km / hour or more. Accordingly, sintered friction materials for railway vehicles are required to have excellent frictional characteristics and wear resistance not only at low to medium speeds but also at high speeds.
  • the initial braking speed in the brake test is 220 km / hour or less, and no investigation is made at an initial braking speed of 280 km / hour or more. Therefore, the sintered friction materials disclosed in these documents may have low friction characteristics and wear resistance at high speeds.
  • An object of the present disclosure is to provide a sintered friction material for railway vehicles that has excellent wear resistance and sufficient friction characteristics not only in a low speed range and a medium speed range but also in a high speed range of 280 km / hour or more. Is to provide.
  • the sintered friction material for railway vehicles according to the present disclosure is, by mass%, Cu: 50.0-75.0%, graphite: 5.0-15.0%, magnesia, zircon sand, silica, zirconia, mullite, and nitriding.
  • a manufacturing method of a sintered friction material for a railway vehicle according to the present disclosure includes a molding step of cold-molding the above-described mixed powder to produce a green compact, and a sintering temperature of 800 to 1000 ° C. with respect to the green compact.
  • the sintered friction material for railway vehicles according to the present disclosure has excellent wear resistance and sufficient friction characteristics not only in a low speed region and a medium speed region but also in a high speed region of 280 km / hour or more.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a bench testing machine used for a brake test.
  • FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the initial braking speed (km / hour) and the average friction coefficient ( ⁇ ) of the sintered friction material in the example.
  • FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the initial braking speed (km / hour) and the average wear amount (g / single side) in the example.
  • the present inventors investigated and examined not only the low speed range and the medium speed range but also the friction characteristics and the wear resistance in a high speed range of 280 km / hour or more.
  • the matrix component is Cu, Ni, Sn, Zn is not contained, and (2) one or more selected from the group consisting of ferrochrome, ferrotungsten, ferromolybdenum, and stainless steel, 3) Sintered friction material obtained by sintering a green compact containing at least one selected from the group consisting of W and Mo under known manufacturing conditions using a known manufacturing method (pressure sintering method). Then, it discovered that the outstanding friction characteristic and abrasion resistance were acquired not only in a low speed area and a medium speed area but in a high speed area of 280 km / h or more.
  • the sintered friction material for railway vehicles is, in mass%, Cu: 50.0-75.0%, graphite: 5.0-15.0%, magnesia, zircon.
  • One or more selected from the group consisting of sand, silica, zirconia, mullite and silicon nitride 1.5 to 15.0%
  • one or more selected from the group consisting of W and Mo 3.0 to 30.
  • the sintered friction material for railway vehicles of the present embodiment is, for example, a sintered material formed by pressure-sintering a green compact at 800 to 1000 ° C.
  • the sintered friction material for railway vehicles of this embodiment has a chemical composition corresponding to SCM440 defined in JIS G 4053 (2016), for example, having a diameter of 400 mm and a thickness of 20 mm, and a tensile strength of about 1000 MPa.
  • a brake disc having a width of caliper and a caliper that brakes the brake disc are prepared.
  • Four sintered friction materials having a width of 38 mm, a length of 55 mm, and a height of 15 mm are provided on each of the left and right inner surfaces of the caliper.
  • the sintered friction material attached to the left and right inner surfaces of the caliper is fixed to the rotating brake disc.
  • the initial braking speed is 365k.
  • the average friction coefficient of the sintered friction material at 0.280 / hour is 0.280 or more, and the average friction amount of the sintered friction material per one surface of the brake disk is 6.30 g / single surface at a braking initial speed of 300 km / hour.
  • the initial braking speed is 6.50 g / single side or less at 325 km / hour, and the initial braking speed is 9.00 g / single side or less at 365 km / hour.
  • “about 1000 MPa” which is the tensile strength of the brake disc means a range of 1000 ⁇ 20 MPa.
  • the railway vehicle sintered friction material according to the present embodiment is a sintered material.
  • Chemical composition of the sintered material such as component analysis of the sintered material itself, neck thickness, bonding state between powder particles (fused body), dispersion of pores inside the sintered material, etc. It is extremely difficult to define the physical configuration by limiting the numerical value by the current measurement technique and analysis technique. Therefore, as described above, the sintered friction material for railway vehicles according to the present embodiment includes the configuration of the green compact, the sintering temperature during pressure sintering, and the mechanical properties of the sintered friction material (average friction coefficient, average friction amount). ) Etc.
  • the manufacturing method of the sintered friction material for railway vehicles in this embodiment is a well-known method. That is, the sintered friction material for railway vehicles of this embodiment is characterized by the composition of the green compact.
  • the green compact is replaced with a part of Cu, hexagonal boron nitride: 3.0% or less, molybdenum disulfide: 3.0% or less, mica: The group consisting of 3.0% or less, one or more selected from iron sulfide, copper sulfide, and copper mat: 10.0% or less, vanadium carbide: 5.0% or less, and Fe: 20.0% or less You may contain 1 type, or 2 or more types selected from these.
  • the method for producing a sintered friction material for railway vehicles includes a molding step of cold-molding the above-mentioned mixed powder to produce a green compact, and a sintering temperature of 800 to 1000 ° C. for the green compact. And a pressure sintering step of manufacturing a sintered friction material for a railway vehicle by performing pressure sintering.
  • the sintered friction material for railway vehicles according to the present invention is used for brake linings and disc brake pads for railway vehicles.
  • the green compact before sintering the sintered friction material contains the following composition (matrix granular material, dispersant).
  • the green compact is formed by cold forming the mixed powder with a press.
  • the particle size of each particle of the mixed powder that is the raw material of the green compact is not particularly limited, but an example is 1 to 1000 ⁇ m.
  • the composition of the mixed powder constituting the green compact will be described.
  • "%" regarding the composition of the mixed powder constituting the green compact means mass%.
  • Copper (Cu) functions as a matrix (base material) of the sintered friction material for railway vehicles.
  • Cu has high thermal conductivity. Therefore, an increase in the interface temperature between the brake target member (brake disk or the like) and the sintered friction material during braking (at the time of friction) can be suppressed, and excessive seizure is suppressed. Therefore, the wear resistance of the sintered friction material is increased.
  • Cu which is a matrix further holds a dispersant (lubricant, hard particles) described later contained in the matrix. If the Cu content in the mixed powder group is less than 50.0%, the above effect cannot be obtained. On the other hand, if the Cu content exceeds 75.0%, the friction coefficient becomes excessively large.
  • the Cu content is 50.0-75.0%.
  • the minimum with preferable Cu content is 52.0%, More preferably, it is 53.0%.
  • the upper limit with preferable Cu content is 70.0%, More preferably, it is 67.0%.
  • the sintered friction material for railway vehicles according to the present invention does not contain Ni, Zn and Sn in principle as a matrix.
  • “does not contain in principle” means that Ni, Zr, and Sn are not positively added, and that Ni, Zn, and Sn are impurities.
  • Ni dissolves in Cu, and the matrix of sintered friction material tends to adhere to the sliding surface of the brake target (brake disc, etc.), resulting in reduced wear resistance.
  • Zn and Sn reduce the heat resistance of the matrix and facilitate fading. Therefore, Ni, Zn and Sn are not contained in principle in the matrix of the sintered friction material.
  • the green compact further contains the following dispersants (1) to (4).
  • the graphite as used herein includes natural graphite and / or artificial graphite.
  • graphite In the sintered friction material after pressure sintering, graphite is contained in the matrix as particles. Graphite functions as a lubricant, stabilizes the coefficient of friction of the sintered friction material, and reduces the amount of wear of the sintered friction material. If the graphite content is less than 5.0%, the above effect cannot be obtained. On the other hand, if the graphite content exceeds 15.0%, the mixed powder is not sufficiently sintered during pressure sintering, and as a result, the wear resistance of the sintered friction material is lowered. Therefore, the graphite content is 5.0 to 15.0%.
  • the minimum with preferable graphite content is 8.0%, More preferably, it is 9.0%.
  • the upper limit with preferable graphite content is 13.0%, More preferably, it is 12.0%.
  • magnesia, zircon sand, silica, zirconia, mullite and silicon nitride 1.5 to 15.0% Magnesia (MgO), zircon sand (ZrSiO 4), silica (SiO 2), zirconia (ZrO 2), mullite (3Al 2 0 3 ⁇ 2SiO 2 ⁇ 2Al 2 0 3 ⁇ SiO 2), and silicon nitride (Si 3 N 4 ) All function as hard particles. In the sintered friction material after pressure sintering, these ceramics are contained in the matrix as particles.
  • All of these ceramics remove the oxide film formed on the sliding surface by scratching the sliding surface of the brake target (brake disc or the like), and stably generate adhesion. Thereby, the fall of the friction coefficient with respect to the braking object (brake disc etc.) of a sintered friction material can be suppressed, and the outstanding friction characteristic is acquired. If the total content of one or more selected from the group consisting of these ceramics is less than 1.5%, excellent friction characteristics cannot be obtained. On the other hand, if the total content of one or more selected from the group consisting of these ceramics exceeds 15.0%, the sinterability of the sintered friction material is lowered. In this case, the wear resistance of the sintered friction material is reduced.
  • the total content of one or more selected from the group consisting of these ceramics is 1.5 to 15.0%.
  • the minimum with preferable 1 or more types of total content selected from these ceramic groups is 2.0%, More preferably, it is 4.0%.
  • the upper limit with preferable 1 or more types of total content selected from these ceramic groups is 12.0%, More preferably, it is 10.0%.
  • the total content of one or more selected from the group consisting of W and Mo is 3.0 to 30.0%.
  • the minimum with preferable 1 or more types of total content selected from the group which consists of W and Mo is 3.5%, More preferably, it is 4.0%.
  • the upper limit with preferable 1 or more types of total content selected from the group which consists of W and Mo is 25.0%, More preferably, it is 20.0%.
  • ferrochrome ferrotungsten, ferromolybdenum, and stainless steel: 2.0 to 20.0% Ferrochrome (FeCr), ferrotungsten (FeW), ferromolybdenum (FeMo), and stainless steel are all not contained in the matrix but contained as particles in the matrix.
  • Ferrochrome FeCr
  • FeW ferrotungsten
  • FeMo ferromolybdenum
  • stainless steel are collectively referred to as Fe-based alloy particles. Any of these Fe-based alloy particles enhances the wear resistance of the sintered friction material. The reason is not clear, but the following reasons are possible.
  • the hardness of the Fe-based alloy particles is higher than that of the matrix (Cu). Further, the Fe-based alloy particles have a high affinity with the matrix and are difficult to peel from the matrix as compared with the above-mentioned ceramics (magnesia, zircon sand, silica, zirconia, mullite and silicon nitride). Therefore, the Fe-based alloy particles enhance the wear resistance of the sintered friction material. This effect is further enhanced by being contained in the matrix together with one or more selected from the group consisting of W and Mo. It is considered that the Fe-based alloy particles increase the wear resistance particularly in the low speed range to the medium speed range, and W and Mo increase the wear resistance particularly in the high speed range.
  • the wear resistance of the sintered friction material decreases.
  • the total content of the Fe-based alloy particles exceeds 20.0%, the sinterability of the sintered friction material decreases. In this case, the wear resistance of the sintered friction material is reduced. Therefore, the total content of Fe-based alloy particles is 2.0 to 20.0%.
  • the minimum with preferable Fe type alloy particle is 3.0%, More preferably, it is 4.0%.
  • the upper limit with preferable Fe type alloy particle is 18.0%, More preferably, it is 16.0%.
  • ferrochrome is a high carbon ferrochrome (FCrH0, FCrH1, FCrH2, FCrH3, FCrH4, and FCrH5), medium carbon ferrochrome (FCrM3, FCrM4), and low carbon ferrochrome specified in JIS G 2303 (1998).
  • FCrH0, FCrH1, FCrH2, FCrH3, FCrH4, and FCrH5 high carbon ferrochrome
  • FCrM3, FCrM4 medium carbon ferrochrome
  • low carbon ferrochrome specified in JIS G 2303 (1998).
  • 1 type or more selected from the group which consists of (FCrL1, FCrL2, FCrL3, and FCrL4) is included.
  • ferrotungsten means ferrotungsten (FW) having a chemical composition defined in JIS G 2306 (1998).
  • ferromolybdenum includes one or more selected from the group consisting of high carbon ferromolybdenum (FMoH) and low carbon ferromolybdenum (FMoL) as defined in JIS G 2307 (1998).
  • FMoH high carbon ferromolybdenum
  • FMoL low carbon ferromolybdenum
  • stainless steel means an alloy steel containing 50% by mass or more of Fe and 10.5% or more of chromium. More preferably, the stainless steel in this specification is JIS G 4303 (2012), JIS G 4304 (2012), JIS G 4304 (2015), JIS G 4305 (2012), JIS G 4305 (2015), JIS G 4308. (2013) and JIS G 4309 (2013).
  • the stainless steel in this specification may be, for example, a martensitic stainless steel defined in the above JIS G 4304 (2012), a ferritic stainless steel, or an austenitic stainless steel. Alternatively, it may be a two-phase (austenite / ferrite) stainless steel or a precipitation hardening stainless steel.
  • the martensitic stainless steel is, for example, SUS403, SUS410, SUS410S, SUS420 (SUS420J1, SUS420J2), SUS440A or the like defined in the JIS standard.
  • the ferritic stainless steel is, for example, SUS405, SUS410L, SUS429, SUS430, SUS430LX, SUS430J1L, SUS434, SUS436L, SUS436J1L, SUS443J1, SUS444, SUS445J1, SUS445J1, SUS445J1, SUS445J1, SUS445J1, SUS445J1, SUS445J1, SUS445J1, SUS445J1, SUS445J1, SUS445J1, SUS445J1, SUS445J1, SUS445J1, SUS445J1, SUS445J1, SUS445J1, SUS445J1, SUS445J1, SUS445J1, SUS445J1, SUS445J1, SUS445J1, SUS445J1, SUS445J1, SUS445J1, SUS445J1, SUS445J1, SUS445J1, SUS445J1, SUS445
  • Examples of the austenitic stainless steel include SUS301, SUS301L, SUS301J1, SUS302B, SUS303, SUS304, SUS304Cu, SUS304L, SUS304N1, SUS304N2, SUS304LN, SUS304J1, SUS304J2, SUS305, SUS309S, SUS309, SUS305, SUS310 SUS315J2, SUS316, SUS316L, SUS316N, SUS316LN, SUS316Ti, SUS316J1, SUS316J1L, SUS317, SUS317L, SUS317LN, SUS317J1, SUS317J, SUS83US7L, SUS830S34 M15J1 is like.
  • duplex (austenite / ferritic) stainless steel is, for example, SUS821L1, SUS323L, SUS329J1, SUS329J3L, SUS329J4L, SUS327L1, or the like specified in the JIS standard.
  • the precipitation hardening stainless steel is, for example, SUS630, SU631, or the like defined in the JIS standard.
  • the balance of the green compact for the sintered friction material is impurities.
  • the impurities are mixed from the raw materials or the manufacturing environment when the green compact is manufactured industrially, and are allowed within a range that does not adversely affect the sintered friction material of the present embodiment. Means something.
  • the green compact may further contain one or more dispersants selected from the group consisting of the following (5) to (7) instead of a part of Cu.
  • lubricants like graphite, stabilize the friction coefficient of the sintered friction material and provide excellent friction characteristics.
  • the content of each of these lubricants exceeds 3.0%, the sinterability of the sintered friction material is lowered and the wear resistance is lowered. Therefore, the content of hexagonal boron nitride is 3.0% or less, the content of molybdenum disulfide is 3.0% or less, the content of mica is 3.0% or less, iron sulfide, sulfide
  • the total content of one or more selected from copper and copper mat is 10.0% or less.
  • the copper mat is described in the JIS H 0500 (1998) copper product term number 5400, and is mainly composed of iron sulfide and copper sulfide. Iron sulfide and copper sulfide each act alone as a lubricant. Further, iron sulfide and copper sulfide may be mixed and used.
  • the above-described copper mat can be used as a mixture of iron sulfide and copper sulfide, and is advantageous from an economical viewpoint because it is inexpensive.
  • Vanadium carbide 5.0% or less Vanadium carbide (VC) is hard particles and is contained as particles in the matrix. Vanadium carbide further enhances the wear resistance of the sintered friction material due to a synergistic effect with W. However, if the vanadium carbide content is too high, the sinterability of the sintered friction material is lowered and the wear resistance is lowered. Therefore, the content of vanadium carbide is 5.0% or less.
  • the minimum with preferable content of vanadium carbide is 0.2%, More preferably, it is 0.5%.
  • the upper limit with preferable vanadium carbide content is 4.0%, More preferably, it is 3.0%.
  • Fe 20.0% or less Iron (Fe) is contained in the sintered friction material as particles or aggregates in the matrix of the sintered friction material. Fe increases the strength of the matrix and increases the wear resistance of the sintered friction material. Fe further increases the friction coefficient of the sintered friction material by seizure. However, if the Fe content is too high, adhesion tends to occur, and the wear resistance of the sintered friction material decreases. Therefore, the Fe content is 20.0% or less. The minimum with preferable Fe content is 0.5%, More preferably, it is 4.0%. The upper limit with preferable Fe content is 15.0%, More preferably, it is 12.0%.
  • the sintered friction material according to the present embodiment is formed by pressure-sintering the above-mentioned green compact by a known pressure sintering method under known pressure sintering conditions. More specifically, the sintered friction material according to the present embodiment is formed by pressure-sintering the above-mentioned green compact at 800 to 1000 ° C.
  • the sintered friction material according to the present embodiment contains, in particular, the above (1) to (4) in the matrix made of Cu, and optionally contains at least one or more of (5) to (7). Therefore, it has excellent wear resistance while having sufficient friction characteristics, and in particular, wear resistance in a high speed region of 280 km / hour or more.
  • the sintered friction material according to the present embodiment has a diameter of 400 mm, a thickness of 20 mm, a chemical composition corresponding to SCM440 defined in JIS G 4053 (2016), and about 1000 MPa.
  • a brake disk having a tensile strength and a caliper that brakes the brake disk are prepared, and four sintered friction materials having a width of 38 mm, a length of 55 mm, and a height of 15 mm are provided on each of the left and right inner surfaces of the caliper.
  • Sintered friction materials attached to the left and right inner surfaces of the caliper with respect to the rotating brake disc are arranged in a row, shifted by 25 ° around the central axis of the brake disc 10 on a virtual circle having a radius of 170 mm from the center of
  • the initial braking speed is 36
  • the average friction coefficient of the sintered friction material at km / hour is 0.280 or more
  • the average friction amount of the sintered friction material per one surface of the brake disk is 6.30 g / hour when the initial braking speed is 300 km / hour.
  • the initial braking speed is 6.50 g / one side or less at 325 km / hour
  • the braking initial speed is 9.00 g / one side or less at 365 km / hour.
  • a preferable average friction coefficient when the initial braking speed is 365 km / hour is 0.285 or more, and more preferably 0.290 or more. More preferably, it is 0.300 or more.
  • a preferable average friction amount at a braking initial speed of 300 km / hour is 5.50 g / single side or less, more preferably 5.00 g / single side. It is as follows.
  • a preferable average friction amount when the initial braking speed is 325 km / hour is 5.70 g / one side or less, and more preferably 5.20 g / one side or less.
  • a preferable average friction amount at a braking initial speed of 365 km / hour is 8.50 g / single side or less, more preferably 8.00 g / single side or less.
  • An example of the manufacturing method of the sintered friction material of this invention is demonstrated.
  • An example of the manufacturing method of the sintered friction material of the present invention includes a mixed powder manufacturing process, a molding process, and a pressure sintering process. Hereinafter, each step will be described.
  • the produced mixed powder is cold-molded into a predetermined shape to produce a green compact.
  • a well-known forming method may be applied for forming the mixed powder.
  • the green compact is manufactured by a press molding method. Specifically, a mold (die) for forming a predetermined shape is prepared. Fill the mold with the mixed powder. The granular material filled in the mold is pressed with a known pressure by a press machine and cold-formed into a green compact. Since it is cold forming, the green compact is usually formed at room temperature.
  • the pressure in the press machine is, for example, 180 N / mm 2 or more, preferably 196 N / mm 2 or more.
  • the upper limit of the pressure in the press machine is, for example, 1000 N / mm 2 . It is sufficient to perform the molding in the atmosphere.
  • a well-known pressure sintering method is implemented with respect to the manufactured green compact, and a sintered friction material is manufactured.
  • a green compact is disposed on a graphite plate in a pressure sintering apparatus.
  • the graphite plates on which the green compacts are arranged are stacked and stored in a housing-like frame in which high-frequency heating coils are arranged on the inner peripheral surface.
  • the uppermost graphite plate is sintered at a predetermined sintering temperature in a sintering atmosphere while applying pressure to the green compact.
  • the sintering temperature during pressure sintering is, for example, 800 to 1000 ° C.
  • the minimum with a preferable sintering temperature is 820 degreeC, More preferably, it is 830 degreeC, More preferably, it is 840 degreeC.
  • the upper limit with a preferable sintering temperature is 980 degreeC, More preferably, it is 970 degreeC, More preferably, it is 960 degreeC.
  • the pressure applied to the green compact during pressure sintering is, for example, 0.2 to 5.0 N / mm 2 .
  • a preferred lower limit of the pressure applied to the green compact during sintering under pressure is 0.3 N / mm 2, more preferably from 0.4 N / mm 2, more preferably from 0.5 N / mm 2.
  • a preferred upper limit of the pressure applied to the green compact during sintering under pressure is 4.0 N / mm 2, more preferably from 3.0 N / mm 2, more preferably from 1.5 N / mm 2.
  • Holding time at the above sintering temperature during pressure sintering is 10 to 120 minutes.
  • the lower limit of the preferable holding time is 20 minutes, more preferably 60 minutes.
  • the upper limit of the preferable holding time is 110 minutes, more preferably 100 minutes.
  • the atmosphere during the pressure sintering is made of, for example, an inert gas and impurities, or contains an inert gas and H 2 gas, and the remainder is made of impurities.
  • H 2 gas is contained, the preferred H 2 gas content is 5 to 20%.
  • the inert gas is, for example, N 2 gas or Ar gas.
  • a preferable atmosphere at the time of pressure sintering contains 5 to 20% of H 2 gas, and the balance consists of N 2 and impurities.
  • the preferable atmosphere at the time of pressure sintering consists of Ar gas and an impurity.
  • the manufacturing process may further include a known coining process and / or a known cutting process.
  • the coining process may be performed after the pressure sintering process.
  • the sintered friction material after the pressure sintering process is pressed in a cold state to adjust the shape of the sintered friction material.
  • the cutting process may be performed after the pressure sintering process or after the coining process. In the cutting process, the sintered friction material is cut into a desired shape.
  • the sintered friction material for railway vehicles according to the present invention is manufactured by the above manufacturing process.
  • the sintered friction material for a railway vehicle is a brake line
  • one or a plurality of sintered friction materials are fixed to the mounting plate member and attached to the railway vehicle.
  • a green compact was produced by cold forming using the mixed powder of each test number.
  • the mixed powder was filled in a mold made of a cemented carbide, and then pressed at 196 to 588 N / mm 2 to form a green compact at room temperature (25 ° C.).
  • the green compact was pressure sintered by the pressure sintering method to form a sintered friction material. Specifically, a green compact was placed on a graphite plate. Thereafter, the graphite plates on which the green compacts were arranged were stacked and stored in a casing-like frame in which high-frequency heating coils were arranged on the inner peripheral surface. The green compact was heated at 850 to 950 ° C. for 60 minutes, and the green compact was pressed at 0.5 to 1.0 N / mm 2 to sinter the green compact to produce a sintered friction material. The atmosphere in the frame during pressure sintering was a mixed gas composed of 5 to 10% H 2 gas and N 2 gas. The sintered friction material was manufactured by the above manufacturing process.
  • a brake test was performed using the manufactured sintered friction material. Specifically, a bench testing machine 1 shown in FIG. 1 was prepared. The bench testing machine 1 was provided with a brake disk 10 that is a material to be braked, a flywheel 11, a motor 12, and a caliper 13. The brake disc 10 was connected to the flywheel 11 and the motor 12 via the shaft 14. The brake disc 10 was half the size of a brake disc used on the Shinkansen, and had a diameter of 400 mm and a thickness of 20 mm.
  • the chemical composition of the brake disk, which is a material to be braked corresponds to SCM440 defined in JIS G 4053 (2016). The brake disc was quenched and tempered to adjust the tensile strength of the brake disc to 1000 MPa.
  • Each sintered friction material 15 was a rectangular parallelepiped, and had a width of 38 mm, a length of 55 mm, and a height of 15 mm.
  • Each of the four sintered friction materials was arranged in a row on a virtual circle having a radius of 170 mm from the center of the brake disc 10 and shifted by 25 ° around the central axis of the brake disc 10.
  • the disc brake speed (braking initial speed) when starting to apply the brake was set to 160, 240, 300, 325, 365 km / hour, and the friction coefficient was determined at each braking initial speed.
  • the friction coefficient was determined by applying brakes three times at each initial braking speed, and the average value of the three friction coefficients was defined as the average friction coefficient at the initial braking speed.
  • Test results The test results of test numbers 1 to 8 are shown in Table 2.
  • FIG. 2 shows the relationship between the braking initial speed (km / hour) and the friction coefficient ( ⁇ ) in test numbers 1 to 3.
  • FIG. 3 shows the relationship between the initial braking speed (km / hour) and the average wear amount (g / single side) in Test Nos. 1 to 3.
  • test numbers 2 to 8 containing both Fe-based alloy particles and W as compared with test number 1 not containing both W- and Fe-based alloy particles, any braking Even at the initial speed, the average amount of wear (g / single side) was low.
  • test number 3 having a high W content has a relatively high coefficient of friction compared to other test numbers having a lower W content than test number 3, and Average wear was relatively low.

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Abstract

２８０ｋｍ／時以上の高速域においても、優れた摩擦特性及び耐摩耗性を有する鉄道車両用の焼結摩擦材を提供する。鉄道車両用焼結摩擦材は、質量％で、Ｃｕ：５０．０～７５．０％、黒鉛：５．０～１５．０％、マグネシア、ジルコンサンド、シリカ、ジルコニア、ムライト及び窒化珪素からなる群から選択される１種以上：１．５～１５．０％、Ｗ及びＭｏからなる群から選択される１種以上：３．０～３０．０％、及び、フェロクロム、フェロタングステン、フェロモリブデン、及び、ステンレス鋼からなる群から選択される１種以上：２．０～２０．０％、を含有し、残部は不純物からなる圧粉体の焼結材である。

Description

鉄道車両用焼結摩擦材及びその製造方法
　本発明は、焼結摩擦材及びその製造方法に関し、さらに詳しくは、鉄道に用いられる鉄道車両用焼結摩擦材及びその製造方法に関する。
　鉄道車両用のブレーキライニングやディスクブレーキパッドには、金属粉粒体等を焼結して形成される焼結摩擦材が用いられている。これらの鉄道車両用焼結摩擦材では、優れた摩擦特性とともに、優れた耐摩耗性が要求される。
　特開平５－８６３５９号公報（特許文献１）、特開平１０－２２６８４２号公報（特許文献２）及び特開２０１２－２０７２８９号公報（特許文献３）は、焼結摩擦材の耐摩耗性を高める技術について提案している。
　特許文献１に開示された乾式摩擦材料は、Ｃｕ、又はＣｕとともにＳｎ，Ｚｎ，Ｎｉ，ＦｅおよびＣｏから選ばれた１種または２種以上を添加したものをマトリクス成分とし、金属酸化物，金属複合酸化物，金属窒化物，金属炭化物，金属炭窒化物，金属硼化物，金属間化合物およびモース硬度３．５以上の各種鉱物から選ばれた１種または２種以上を硬質粒子成分とし、黒鉛，コークス，ＢＮ，金属硫化物，ＣａＦ２，ＢａＦ２，ＰｂＯ，ＰｂおよびＢ２Ｏ３から選ばれた１種または２種以上を潤滑成分とし、Ｗ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｔａ，およびＺｒから選ばれた１種または２種以上を添加してこれらの成分が０．５～３０ｖｏｌ％，硬質粒子成分が２～３０ｖｏｌ％，潤滑成分が１０～７０ｖｏｌ％で残りが１０～７０ｖｏｌ％のマトリックス成分である。
　特許文献２に開示されたメタリック摩擦材は、金属材料をマトリクスとし、少なくとも摩擦調整材、固体潤滑材を加えて固相焼結してなる焼結摩擦材である。この焼結摩擦材において、マトリクスを形成する金属材料は、主要成分としてＣｕとＮｉとを含み、摩擦調整材及び固体潤滑材は、粒径が１０～３００μｍの粉粒体であり、焼結摩擦材全体に対し合計量で１５～５０％（重量％、以下同じ）含有されている。
　特許文献３に開示された高速鉄道用焼結摩擦材は、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および０．５～１０％のシリカを含有し、Ｆｅ／Ｃｕが０．１５～０．４０である。
特開平５－８６３５９号公報 特開平１０－２２６８４２号公報 特開２０１２－２０７２８９号公報
　日本の新幹線、ドイツのＩＣＥ（Ｉｎｔｅｒｃｉｔｙ－Ｅｘｐｒｅｓｓ）、フランスのＴＧＶ（Ｔｒａｉｎ　ａ　Ｇｒａｎｄｅ　Ｖｉｔｅｓｓｅ）等の高速鉄道車両の走行速度は、０～７０ｋｍ／時の低速域、７０超～１７０ｋｍ／時の中速域だけでなく、１７０ｋｍ／時を超え、さらに、２８０ｋｍ／時以上の高速域まで達する。したがって、鉄道車両用の焼結摩擦材では、低速域～中速域だけでなく、高速域においても、優れた摩擦特性及び耐摩耗性が求められる。
　特許文献１及び２では、ブレーキ試験における制動初速が２２０ｋｍ／時以下であり、制動初速が２８０ｋｍ／時以上での検討がされていない。したがって、これらの文献に開示された焼結摩擦材では、高速域での摩擦特性及び耐摩耗性が低い可能性がある。
　特許文献３に開示された高速鉄道用焼結摩擦材では、高速域での摩擦特性及び耐摩耗性が検討されている。しかしながら、さらに優れた摩擦特性及び耐摩耗性が求められている。
　本開示の目的は、低速域、中速域だけでなく、２８０ｋｍ／時以上の高速域においても、優れた耐摩耗性を有し、十分な摩擦特性も得られる鉄道車両用の焼結摩擦材を提供することである。
　本開示による鉄道車両用焼結摩擦材は、質量％で、Ｃｕ：５０．０～７５．０％、黒鉛：５．０～１５．０％、マグネシア、ジルコンサンド、シリカ、ジルコニア、ムライト及び窒化珪素からなる群から選択される１種以上：１．５～１５．０％、Ｗ及びＭｏからなる群から選択される１種以上：３．０～３０．０％、及び、フェロクロム、フェロタングステン、フェロモリブデン、及び、ステンレス鋼からなる群から選択される１種以上：２．０～２０．０％、を含有し、残部は不純物からなる圧粉体の焼結材である。
　本開示による鉄道車両用焼結摩擦材の製造方法は、上述の混合粉末を冷間成形して圧粉体を製造する成形工程と、圧粉体に対して８００～１０００℃の焼結温度で加圧焼結を実施して、鉄道車両用焼結摩擦材を製造する加圧焼結工程とを備える。
　本開示による鉄道車両用焼結摩擦材は、低速域、中速域だけでなく、２８０ｋｍ／時以上の高速域においても、優れた耐摩耗性を有し、十分な摩擦特性も得られる。
図１は、ブレーキ試験に用いられるベンチ試験機の模式図である。 図２は、実施例における制動初速（ｋｍ／時）と焼結摩擦材の平均摩擦係数（μ）との関係を示す図である。 図３は、実施例における制動初速（ｋｍ／時）と平均摩耗量（ｇ／片面）との関係を示す図である。
　本発明者らは、低速域、中速域だけでなく、２８０ｋｍ／時以上の高速域での摩擦特性及び耐摩耗性について調査及び検討を行った。その結果、（１）マトリクス成分をＣｕとして、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｚｎを含有せず、（２）フェロクロム、フェロタングステン、フェロモリブデン、及び、ステンレス鋼からなる群から選択される１種以上と、（３）Ｗ及びＭｏからなる群から選択される１種以上とを含有した圧粉体を、周知の製造方法（加圧焼結法）を用いて周知の製造条件で焼結した焼結摩擦材では、低速域、中速域だけでなく、２８０ｋｍ／時以上の高速域においても優れた摩擦特性及び耐摩耗性が得られることを見出した。
　以上の知見に基づいて完成した本実施形態による鉄道車両用焼結摩擦材は、質量％で、Ｃｕ：５０．０～７５．０％、黒鉛：５．０～１５．０％、マグネシア、ジルコンサンド、シリカ、ジルコニア、ムライト及び窒化珪素からなる群から選択される１種以上：１．５～１５．０％、Ｗ及びＭｏからなる群から選択される１種以上：３．０～３０．０％、及び、フェロクロム、フェロタングステン、フェロモリブデン、及び、ステンレス鋼からなる群から選択される１種以上：２．０～２０．０％、を含有し、残部は不純物からなる圧粉体の焼結材である。
　本実施形態の鉄道車両用焼結摩擦材はたとえば、圧粉体を８００～１０００℃で加圧焼結して形成された焼結材である。
　本実施形態の鉄道車両用焼結摩擦材はたとえば、直径が４００ｍｍ、厚さが２０ｍｍであって、ＪＩＳ　Ｇ　４０５３（２０１６）に規定のＳＣＭ４４０に相当する化学組成を有し、約１０００ＭＰａの引張強度を有するブレーキディスクと、ブレーキディスクを制動するキャリパとを準備し、キャリパの左右の内面の各々に、幅３８ｍｍ、長さ５５ｍｍ、高さ１５ｍｍの４つの焼結摩擦材を、ブレーキディスク１０の中心から半径１７０ｍｍの仮想円上に、ブレーキディスクの中心軸まわりに２５°ずつずらして一列に配列して、回転するブレーキディスクに対して、キャリパの左右内面に取り付けられた焼結摩擦材を、一定の圧力２．２４ｋＮでブレーキディスクの両面に押し付けるブレーキ試験を実施した場合、制動初速が３６５ｋｍ／時での焼結摩擦材の平均摩擦係数が０．２８０以上であり、かつ、ブレーキディスクの片面あたりの焼結摩擦材の平均摩擦量が、制動初速が３００ｋｍ／時において６．３０ｇ／片面以下であり、制動初速が３２５ｋｍ／時において６．５０ｇ／片面以下であり、制動初速が３６５ｋｍ／時において９．００ｇ／片面以下である。ここで、ブレーキディスクの引張強度である「約１０００ＭＰａ」とは、１０００±２０ＭＰａの範囲を意味する。
　なお、上述のとおり、本実施形態による鉄道車両用焼結摩擦材は焼結材である。焼結材自体の成分分析や、ネック太さ、粉末粒子同士の結合状態（融合状体）、焼結材内部の空孔の分散状況等の、焼結材の化学的構成（化学組成）及び物理的構成に対して、現時点の測定技術及び解析技術により数値限定等により規定することは極めて困難である。そのため、本実施形態の鉄道車両用焼結摩擦材は、上記のとおり、圧粉体の構成、加圧焼結時の焼結温度、焼結摩擦材の機械特性（平均摩擦係数、平均摩擦量）等により規定している。なお、後述するとおり、本実施形態に鉄道車両用焼結摩擦材の製造方法は、周知の方法である。つまり、本実施形態の鉄道車両用焼結摩擦材は、圧粉体の組成に特徴を有する。
　本実施形態の鉄道車両用焼結摩擦材において、上記圧粉体は、Ｃｕの一部に代えて、六方晶窒化硼素：３．０％以下、二硫化モリブデン：３．０％以下、マイカ：３．０％以下、硫化鉄、硫化銅及び銅マットから選択される１種以上：１０．０％以下、バナジウム炭化物：５．０％以下、及び、Ｆｅ：２０．０％以下、からなる群から選択される１種又は２種以上を含有してもよい。
　本実施形態による鉄道車両用焼結摩擦材の製造方法は、上述の混合粉末を冷間成形して圧粉体を製造する成形工程と、圧粉体に対して８００～１０００℃の焼結温度で加圧焼結を実施して、鉄道車両用焼結摩擦材を製造する加圧焼結工程とを備える。
　以下、本発明による鉄道車両用焼結摩擦材について詳述する。
　［化学組成］
　本発明による鉄道車両用焼結摩擦材は、上述のとおり、鉄道車両用のブレーキライニングやディスクブレーキパッドに利用される。焼結摩擦材の焼結前の圧粉体は、次の組成（マトリクス用粉粒体、分散剤）を含有する。ここで、圧粉体は、混合粉末をプレス機により冷間成形して形成されたものである。圧粉体の原料となる混合粉末の各粒子の粒径は特に限定されないが、一例としては１～１０００μｍである。以下、圧粉体を構成する混合粉末の組成について説明する。なお、圧粉体を構成する混合粉末の組成に関する「％」は質量％を意味する。
　［マトリクス（基材）用粉粒体］
　Ｃｕ：５０．０～７５．０％
　銅（Ｃｕ）は、鉄道車両用焼結摩擦材のマトリクス（基材）として機能する。Ｃｕは高い熱伝導性を有する。そのため、ブレーキ時（摩擦時）における制動対象部材（ブレーキディスク等）と焼結摩擦材との界面温度の上昇を抑えることができ、過度の焼付き発生を抑制する。そのため、焼結摩擦材の耐摩耗性が高まる。マトリクスであるＣｕはさらに、マトリクス中に含有される後述の分散剤（潤滑材、硬質粒子）を保持する。混合粉末群中のＣｕ含有量が５０．０％未満であれば、上記効果が得られない。一方、Ｃｕ含有量が７５．０％を超えれば、摩擦係数が過剰に大きくなる。この場合、制動対象（たとえばブレーキディスク等）の摺動面に対する凝着による摩擦が過剰に発生して、焼結摩擦材の耐摩耗性が低下する。したがって、Ｃｕ含有量は５０．０～７５．０％である。Ｃｕ含有量の好ましい下限は５２．０％であり、さらに好ましくは５３．０％である。Ｃｕ含有量の好ましい上限は７０．０％であり、さらに好ましくは、６７．０％である。
　なお、本発明による鉄道車両用焼結摩擦材は、マトリクスとしてＮｉ、Ｚｎ及びＳｎを原則含有しない。ここで「原則含有しない」とは、Ｎｉ、Ｚｒ、Ｓｎを積極添加しないという意味であり、Ｎｉ、Ｚｎ及びＳｎは不純物であることを意味する。
　ＮｉはＣｕに固溶して、焼結摩擦材のマトリクスが制動対象（ブレーキディスク等）の摺動面に凝着しやすくなり、耐摩耗性が低下する。Ｚｎ及びＳｎは、マトリクスの耐熱性を低下し、フェードを発生させやすくする。したがって、焼結摩擦材のマトリクスにＮｉ、Ｚｎ及びＳｎを原則含有しない。
　［分散剤］
　上記圧粉体はさらに、次の（１）～（４）の分散剤を含有する。
　（１）黒鉛：５．０～１５．０％
　本明細書でいう黒鉛は、天然黒鉛及び／又は人工黒鉛を含む。加圧焼結後の焼結摩擦材において、黒鉛は粒子としてマトリクス中に含有される。黒鉛は、潤滑材として機能し、焼結摩擦材の摩擦係数を安定化し、焼結摩擦材の摩耗量を低減する。黒鉛含有量が５．０％未満であれば、上記効果が得られない。一方、黒鉛含有量が１５．０％を超えれば、加圧焼結時に混合粉末が十分に焼結されず、その結果、焼結摩擦材の耐摩耗性が低下する。したがって、黒鉛含有量は５．０～１５．０％である。黒鉛含有量の好ましい下限は８．０％であり、さらに好ましくは９．０％である。黒鉛含有量の好ましい上限は１３．０％であり、さらに好ましくは１２．０％である。
　（２）マグネシア、ジルコンサンド、シリカ、ジルコニア、ムライト及び窒化珪素からなる群から選択される１種以上：１．５～１５．０％
　マグネシア（ＭｇＯ）、ジルコンサンド（ＺｒＳｉＯ４）、シリカ（ＳｉＯ２）、ジルコニア（ＺｒＯ２）、ムライト（３Ａｌ２０３・２ＳｉＯ２～２Ａｌ２０３・ＳｉＯ２）、及び窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）はいずれも、硬質粒子として機能する。加圧焼結後の焼結摩擦材において、これらのセラミックスは、粒子としてマトリクス中に含有される。これらのセラミックスはいずれも、制動対象（ブレーキディスク等）の摺動面を引掻くことにより、摺動面に生成される酸化膜を除去し、凝着を安定的に発生させる。これにより、焼結摩擦材の制動対象（ブレーキディスク等）に対する摩擦係数の低下を抑制でき、優れた摩擦特性が得られる。これらのセラミックスからなる群から選択される１種以上の合計含有量が１．５％未満であれば、優れた摩擦特性が得られない。一方、これらのセラミックスからなる群から選択される１種以上の合計含有量が１５．０％を超えれば、焼結摩擦材の焼結性が低下する。この場合、焼結摩擦材の耐摩耗性が低下する。したがって、これらのセラミックスからなる群から選択される１種以上の合計含有量は１．５～１５．０％である。これらのセラミックス群から選択される１種以上の合計含有量の好ましい下限は２．０％であり、さらに好ましくは４．０％である。これらのセラミックス群から選択される１種以上の合計含有量の好ましい上限は１２．０％であり、さらに好ましくは１０．０％である。
　（３）Ｗ及びＭｏからなる群から選択される１種以上：３．０～３０．０％
　タングステン（Ｗ）及びモリブデン（Ｍｏ）はいずれも、硬質粒子として機能する。Ｗ及びＭｏは、マトリクスのＣｕに固溶せずに、粒子としてマトリクス中に含有される。Ｗ及びＭｏはいずれも、後述のＦｅ系合金粒子とともに含有されることにより、焼結摩擦材の耐摩耗性を高める。Ｗ及びＭｏからなる群から選択される１種以上の合計含有量が３．０％未満であれば、この効果が得られない。一方、Ｗ及びＭｏからなる群から選択される１種以上の合計含有量が３０．０％を超えれば、焼結摩擦材の焼結性が低下する。この場合、焼結摩擦材の耐摩耗性が低下する。したがって、Ｗ及びＭｏからなる群から選択される１種以上の合計含有量は３．０～３０．０％である。Ｗ及びＭｏからなる群から選択される１種以上の合計含有量の好ましい下限は３．５％であり、さらに好ましくは４．０％である。Ｗ及びＭｏからなる群から選択される１種以上の合計含有量の好ましい上限は２５．０％であり、さらに好ましくは２０．０％である。
　（４）フェロクロム、フェロタングステン、フェロモリブデン、及び、ステンレス鋼からなる群から選択される１種以上：２．０～２０．０％
　フェロクロム（ＦｅＣｒ）、フェロタングステン（ＦｅＷ）、フェロモリブデン（ＦｅＭｏ）及びステンレス鋼はいずれも、マトリクス中に固溶せずに、粒子としてマトリクス中に含有される。本明細書において、フェロクロム、フェロタングステン、フェロモリブデン、及び、ステンレス鋼を総称してＦｅ系合金粒子という。これらのＦｅ系合金粒子はいずれも、焼結摩擦材の耐摩耗性を高める。その理由は定かではないが、次の理由が考えられる。
　Ｆｅ系合金粒子の硬さは、マトリクス（Ｃｕ）よりも高い。Ｆｅ系合金粒子はさらに、上述のセラミックス（マグネシア、ジルコンサンド、シリカ、ジルコニア、ムライト及び窒化珪素）と比較して、マトリクスとの親和性が高く、マトリクスから剥離しにくい。そのため、Ｆｅ系合金粒子は焼結摩擦材の耐摩耗性を高める。この効果は、Ｗ及びＭｏからなる群から選択される１種以上とともにマトリクス中に含有されることで、さらに高まる。Ｆｅ系合金粒子が特に低速域～中速域での耐摩耗性を高め、Ｗ及びＭｏが特に高速域での耐摩耗性を高めると考えられる。
　Ｆｅ系合金粒子の合計含有量が２．０％未満であれば、焼結摩擦材の耐摩耗性が低下する。一方、Ｆｅ系合金粒子の合計含有量が２０．０％を超えれば、焼結摩擦材の焼結性が低下する。この場合、焼結摩擦材の耐摩耗性が低下する。したがって、Ｆｅ系合金粒子の合計含有量は２．０～２０．０％である。Ｆｅ系合金粒子の好ましい下限は３．０％であり、さらに好ましくは４．０％である。Ｆｅ系合金粒子の好ましい上限は１８．０％であり、さらに好ましくは１６．０％である。
　本明細書において、フェロクロムは、ＪＩＳ　Ｇ　２３０３（１９９８）に規定された高炭素フェロクロム（ＦＣｒＨ０、ＦＣｒＨ１、ＦＣｒＨ２、ＦＣｒＨ３、ＦＣｒＨ４、及び、ＦＣｒＨ５）、中炭素フェロクロム（ＦＣｒＭ３、ＦＣｒＭ４）、及び低炭素フェロクロム（ＦＣｒＬ１、ＦＣｒＬ２、ＦＣｒＬ３、及び、ＦＣｒＬ４）からなる群から選択される１種以上を含む。
　本明細書において、フェロタングステンは、ＪＩＳ　Ｇ　２３０６（１９９８）に規定された化学組成を有するフェロタングステン（ＦＷ）を意味する。
　本明細書において、フェロモリブデンは、ＪＩＳ　Ｇ　２３０７（１９９８）に規定された高炭素フェロモリブデン（ＦＭｏＨ）及び低炭素フェロモリブデン（ＦＭｏＬ）からなる群から選択される１種以上を含む。
　本明細書において、ステンレス鋼は、５０質量％以上のＦｅと１０．５％以上のクロムを含有する合金鋼を意味する。より好ましくは、本明細書におけるステンレス鋼は、ＪＩＳ　Ｇ　４３０３（２０１２）、ＪＩＳ　Ｇ　４３０４（２０１２）、ＪＩＳ　Ｇ　４３０４（２０１５）、ＪＩＳ　Ｇ　４３０５（２０１２）、ＪＩＳ　Ｇ　４３０５（２０１５）、ＪＩＳ　Ｇ　４３０８（２０１３）及びＪＩＳ　Ｇ　４３０９（２０１３）に規定されたステンレス鋼を意味する。本明細書におけるステンレス鋼は、たとえば、上記ＪＩＳ　Ｇ　４３０４（２０１２）に規定されたマルテンサイト系ステンレス鋼であってもよいし、フェライト系ステンレス鋼であってもよいし、オーステナイト系ステンレス鋼であってもよいし、二相系（オーステナイト・フェライト系）ステンレス鋼であってもよいし、析出硬化系ステンレス鋼であってもよい。
　マルテンサイト系ステンレス鋼はたとえば、上記ＪＩＳ規格に規定されたＳＵＳ４０３、ＳＵＳ４１０、ＳＵＳ４１０Ｓ、ＳＵＳ４２０（ＳＵＳ４２０Ｊ１、ＳＵＳ４２０Ｊ２）、ＳＵＳ４４０Ａ等である。
　フェライト系ステンレス鋼はたとえば、上記ＪＩＳ規格に規定されたＳＵＳ４０５、ＳＵＳ４１０Ｌ、ＳＵＳ４２９、ＳＵＳ４３０、ＳＵＳ４３０ＬＸ、ＳＵＳ４３０Ｊ１Ｌ、ＳＵＳ４３４、ＳＵＳ４３６Ｌ、ＳＵＳ４３６Ｊ１Ｌ、ＳＵＳ４４３Ｊ１、ＳＵＳ４４４、ＳＵＳ４４５Ｊ１、ＳＵＳ４４５Ｊ２、ＳＵＳ４４７Ｊ１、ＳＵＳＸＭ２７等である。
　オーステナイト系ステンレス鋼はたとえば、上記ＪＩＳ規格に規定された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等である。
　二相系（オーステナイト・フェライト系）ステンレス鋼はたとえば、上記ＪＩＳ規格に規定されたＳＵＳ８２１Ｌ１、ＳＵＳ３２３Ｌ、ＳＵＳ３２９Ｊ１、ＳＵＳ３２９Ｊ３Ｌ、ＳＵＳ３２９Ｊ４Ｌ、ＳＵＳ３２７Ｌ１等である。
　析出硬化系ステンレス鋼はたとえば、上記ＪＩＳ規格に規定されたＳＵＳ６３０、ＳＵ６３１等である。
　焼結摩擦材用の圧粉体の残部は不純物である。ここで、不純物とは、圧粉体を工業的に製造する際に、原料又は製造環境などから混入されるものであって、本実施形態の焼結摩擦材に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。
　［任意添加材について］
　上記圧粉体はさらに、Ｃｕの一部に代えて、次の（５）～（７）からなる群から選択される１種以上の分散剤を含有してもよい。
　（５）下記（ａ）～（ｄ）からなる群から選択される１種以上
　（ａ）六方晶窒化硼素：３．０％以下、
　（ｂ）二硫化モリブデン：３．０％以下、
　（ｃ）マイカ：３．０％以下、及び、
　（ｄ）硫化鉄、硫化銅及び銅マットから選択される１種以上：１０．０％以下
　六方晶窒化硼素（ｈ－ＢＮ）、二硫化モリブデン（ＭｏＳ２）、マイカ（雲母）及び、硫化鉄、硫化銅及び銅マットから選択される１種以上はいずれも、潤滑材として機能する。これらの潤滑材は、黒鉛と同様に、焼結摩擦材の摩擦係数を安定化し、優れた摩擦特性が得られる。しかしながら、これらの各潤滑材の含有量が３．０％を超えれば、焼結摩擦材の焼結性が低下して、耐摩耗性が低下する。したがって、六方晶窒化硼素の含有量は３．０％以下であり、二硫化モリブデンの含有量は３．０％以下であり、マイカの含有量は３．０％以下であり、硫化鉄、硫化銅及び銅マットから選択される１種以上の合計含有量は１０．０％以下である。
　銅マットはＪＩＳ　Ｈ　０５００（１９９８）の伸銅品用語　番号５４００に記載されているものであり、主として硫化鉄と硫化銅とからなる。硫化鉄、硫化銅はそれぞれ単独で潤滑剤として作用する。また、硫化鉄と硫化銅を混合して使用してもよい。上述の銅マットは硫化鉄と硫化銅との混合物として使用でき、かつ安価であることから経済的な観点で有利である。
　（６）バナジウム炭化物：５．０％以下
　バナジウム炭化物（ＶＣ）は、硬質粒子であり、マトリクス中に粒子として含有される。バナジウム炭化物は、Ｗとの相乗効果により、焼結摩擦材の耐摩耗性をさらに高める。しかしながら、バナジウム炭化物の含有量が高すぎれば、焼結摩擦材の焼結性が低下して、耐摩耗性が低下する。したがって、バナジウム炭化物の含有量は５．０％以下である。バナジウム炭化物の含有量の好ましい下限は０．２％であり、さらに好ましくは０．５％である。バナジウム炭化物の含有量の好ましい上限は４．０％であり、さらに好ましくは３．０％である。
　（７）Ｆｅ：２０．０％以下
　鉄（Ｆｅ）は、焼結摩擦材のマトリクス中に粒子又は凝集体として焼結摩擦材に含有される。Ｆｅはマトリクスの強度を高め、焼結摩擦材の耐摩耗性を高める。Ｆｅはさらに、焼付きにより焼結摩擦材の摩擦係数を高める。しかしながら、Ｆｅ含有量が高すぎれば、凝着が発生しやすくなり、焼結摩擦材の耐摩耗性が低下する。したがって、Ｆｅ含有量は２０．０％以下である。Ｆｅ含有量の好ましい下限は０．５％であり、さらに好ましくは４．０％である。Ｆｅ含有量の好ましい上限は１５．０％であり、さらに好ましくは１２．０％である。
　［焼結摩擦材について］
　本実施形態による焼結摩擦材は、上述の圧粉体を周知の加圧焼結法により周知の加圧焼結条件で加圧焼結して形成される。より具体的には、本実施形態による焼結摩擦材は、上述の圧粉体を８００～１０００℃で加圧焼結して形成される。本実施形態による焼結摩擦材は、Ｃｕからなるマトリクスに、特に上記（１）～（４）を含有し、任意で（５）～（７）の少なくとも１種又は２種以上を含有することにより、十分な摩擦特性を有しつつ、優れた耐摩耗性を有し、特に、２８０ｋｍ／時以上の高速域での耐摩耗性に優れる。
　より具体的には、本実施形態による焼結摩擦材は、直径が４００ｍｍ、厚さが２０ｍｍであって、ＪＩＳ　Ｇ　４０５３（２０１６）に規定のＳＣＭ４４０に相当する化学組成を有し、約１０００ＭＰａの引張強度を有するブレーキディスクと、ブレーキディスクを制動するキャリパとを準備し、キャリパの左右の内面の各々に、幅３８ｍｍ、長さ５５ｍｍ、高さ１５ｍｍの４つの焼結摩擦材を、ブレーキディスク１０の中心から半径１７０ｍｍの仮想円上に、ブレーキディスク１０の中心軸まわりに２５°ずつずらして一列に配列して、回転するブレーキディスクに対してキャリパの左右内面に取り付けられた焼結摩擦材を、一定の圧力２．２４ｋＮでブレーキディスクの両面に押し付けるブレーキ試験を実施した場合、制動初速が３６５ｋｍ／時での焼結摩擦材の平均摩擦係数が０．２８０以上であり、かつ、ブレーキディスクの片面あたりの焼結摩擦材の平均摩擦量が、制動初速が３００ｋｍ／時において６．３０ｇ／片面以下であり、制動初速が３２５ｋｍ／時において６．５０ｇ／片面以下であり、制動初速が３６５ｋｍ／時において９．００ｇ／片面以下である。
　好ましくは、本実施形態の焼結摩擦材において、上記ブレーキ試験を実施した場合、制動初速が３６５ｋｍ／時での好ましい平均摩擦係数は０．２８５以上であり、さらに好ましくは０．２９０以上であり、さらに好ましくは０．３００以上である。
　好ましくは、本実施形態の焼結摩擦材において、上記ブレーキ試験を実施した場合、制動初速が３００ｋｍ／時における好ましい平均摩擦量が５．５０ｇ／片面以下であり、さらに好ましくは５．００ｇ／片面以下である。制動初速が３２５ｋｍ／時における好ましい平均摩擦量が５．７０ｇ／片面以下であり、さらに好ましくは５．２０ｇ／片面以下である。制動初速が３６５ｋｍ／時における好ましい平均摩擦量が８．５０ｇ／片面以下であり、さらに好ましくは８．００ｇ／片面以下である。
　［製造方法］
　本発明の焼結摩擦材の製造方法の一例を説明する。本発明の焼結摩擦材の製造方法の一例は、混合粉末製造工程と、成形工程と、加圧焼結工程とを含む。以下、各工程について説明する。
　［混合粉末製造工程］
　上述の（１）～（４）の粉粒体、さらに、必要に応じて（５）～（７）の粉粒体を準備する。準備された粉粒体を、周知の混合機を用いて混合（ミキシング）して、混合粉末を製造する。周知の混合機はたとえば、ボールミルやＶ型混合機である。
　［成形工程］
　製造された混合粉末を所定の形状に冷間成形して圧粉体を製造する。混合粉末の成形には、周知の成形法を適用すればよい。たとえば、プレス成形法により、上記圧粉体を製造する。具体的には、所定の形状を成形するための金型（ダイ）を準備する。金型内に混合粉末を充填する。金型に充填された粉粒体はプレス機により周知の圧力で加圧され、圧粉体に冷間成形される。冷間成形であるため、圧粉体は通常、常温で成形される。プレス機での圧力はたとえば、１８０Ｎ／ｍｍ２以上であり、好ましくは、１９６Ｎ／ｍｍ２以上である。プレス機での圧力の上限はたとえば、１０００Ｎ／ｍｍ２である。成形は大気中で行えば足りる。
　［加圧焼結工程］
　製造された圧粉体に対して周知の加圧焼結法を実施して、焼結摩擦材を製造する。たとえば、加圧焼結装置内の黒鉛板上に圧粉体を配置する。その後、内周面に高周波加熱コイルが配置された筐体状のフレーム内に、圧粉体が配置された黒鉛板を段積みにして格納する。その後、最上段の黒鉛板に圧力を付与して圧粉体を加圧しながら、焼結雰囲気中で所定の焼結温度で焼結する。
　加圧焼結は、周知の条件で実施すれば足りる。なお、加圧焼結時の焼結温度はたとえば、８００～１０００℃である。焼結温度の好ましい下限は８２０℃であり、さらに好ましくは８３０℃であり、さらに好ましくは８４０℃である。焼結温度の好ましい上限は９８０℃であり、さらに好ましくは９７０℃であり、さらに好ましくは９６０℃である。
　加圧焼結時に圧粉体に付与する圧力はたとえば、０．２～５．０Ｎ／ｍｍ２である。加圧焼結時に圧粉体に付与する圧力の好ましい下限は０．３Ｎ／ｍｍ２であり、さらに好ましくは０．４Ｎ／ｍｍ２であり、さらに好ましくは０．５Ｎ／ｍｍ２である。加圧焼結時に圧粉体に付与する圧力の好ましい上限は４．０Ｎ／ｍｍ２であり、さらに好ましくは３．０Ｎ／ｍｍ２であり、さらに好ましくは１．５Ｎ／ｍｍ２である。
　加圧焼結時の上記焼結温度での保持時間は１０～１２０分である。好ましい保持時間の下限は２０分であり、さらに好ましくは６０分である。好ましい保持時間の上限は１１０分であり、さらに好ましくは１００分である。
　加圧焼結時の雰囲気はたとえば、不活性ガス及び不純物からなる、又は不活性ガス及びＨ２ガスを含有し、残部は不純物からなる。Ｈ２ガスを含有する場合、好ましいＨ２ガスの含有量は５～２０％である。不活性ガスはたとえば、Ｎ２ガスや、Ａｒガスである。加圧焼結時の好ましい雰囲気は、５～２０％のＨ２ガスを含有し、残部はＮ２及び不純物からなる。又は、加圧焼結時の好ましい雰囲気は、Ａｒガス及び不純物からなる。
　上記加圧焼結により、圧粉体内の粉粒体の接触部にネックが形成され、上述の焼結摩擦材が製造される。
　［その他の工程］
　上記製造工程はさらに、周知のコイニング工程及び／又は周知の切削加工工程を含んでもよい。
　［コイニング工程］
　コイニング工程を加圧焼結工程後に実施してもよい。コイニング工程では、加圧焼結工程後の焼結摩擦材を冷間で加圧して、焼結摩擦材の形状を整える。
　［切削加工工程］
　切削加工工程を、加圧焼結工程後又はコイニング工程後に実施してもよい。切削加工工程では、焼結摩擦材を切削加工して、所望の形状とする。
　以上の製造工程により本発明による鉄道車両用の焼結摩擦材が製造される。鉄道車両用の焼結摩擦材がブレーキラインニングである場合、取付板部材に１又は複数の焼結摩擦材が固定され、鉄道車両に取り付けられる。
　表１示す粉粒体を含有する混合粉末を製造した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　具体的には、原料を、Ｖ型混合機に投入した後、回転速度２０～４０ｒｐｍで２０～１００分ミキシングして、各試験番号の混合粉末を製造した。
　各試験番号の混合粉末を用いて、冷間成形加工により圧粉体を製造した。成形加工では、超硬合金からなる金型に混合粉末を充填した後、１９６～５８８Ｎ／ｍｍ２で加圧して、常温（２５℃）にて圧粉体を成形した。
　圧粉体を加圧焼結法により加圧焼結し、焼結摩擦材を形成した。具体的には、黒鉛板上に圧粉体を配置した。その後、内周面に高周波加熱コイルが配置された筐体状のフレーム内に、圧粉体が配置された黒鉛板を段積みして格納した。８５０～９５０℃で６０分加熱し、圧粉体を０．５～１．０Ｎ／ｍｍ２で加圧して圧粉体を焼結し、焼結摩擦材を製造した。加圧焼結中のフレーム内の雰囲気は、５～１０％のＨ２ガスと、Ｎ２ガスとからなる混合ガスとした。以上の製造工程により、焼結摩擦材を製造した。
　［ブレーキ試験］
　製造された焼結摩擦材を用いて、ブレーキ試験を実施した。具体的には、図１に示すベンチ試験機１を準備した。ベンチ試験機１は、制動対象材であるブレーキディスク１０と、フライホイール１１と、モータ１２と、キャリパ１３とを備えた。ブレーキディスク１０は、シャフト１４を介して、フライホイール１１及びモータ１２と連結された。ブレーキディスク１０は、新幹線で用いられるブレーキディスクの１／２のサイズであり、直径が４００ｍｍ、厚さが２０ｍｍであった。制動対象材であるブレーキディスクの化学組成は、ＪＩＳ　Ｇ　４０５３（２０１６）に規定のＳＣＭ４４０に相当した。ブレーキディスクは、焼入れ及び焼戻しを実施して、ブレーキディスクの引張強度を１０００ＭＰａに調整した。
　４つの焼結摩擦材１５（ライニング材）を取付板１６に取り付けた。４つの焼結摩擦材１５（ライニング材）が取り付けられた取付板１６を２セット用意し、この取付板１６を各々キャリパ１３の左右の内面に取り付けた。各焼結摩擦材１５は直方体であり、幅３８ｍｍ、長さ５５ｍｍ、高さ１５ｍｍであった。各４つの焼結摩擦材は、ブレーキディスク１０の中心から半径１７０ｍｍの仮想円上に、ブレーキディスク１０の中心軸まわりに２５°ずつずらして一列に配列した。
　［ブレーキ試験での摩擦係数測定］
　焼結摩擦材１５（ライニング材）が取り付けられた取付板１６をキャリパ１３に取り付けた後、ブレーキ試験を実施した。具体的には、回転する制動対象材であるブレーキディスクに対して、キャリパ１３の左右内面に取り付けられた焼結摩擦材１５を、一定の圧力２．２４ｋＮでブレーキディスクの両面に押し付けて（ブレーキをかけて）、トルクを測定し、摩擦係数（μ）を求めた。
　ブレーキをかけ始めるときのディスクブレーキの速度（制動初速）を、１６０、２４０、３００、３２５、３６５ｋｍ／時として、それぞれの制動初速で摩擦係数を求めた。各制動初速において３回ブレーキをかけて摩擦係数を求め、３回の摩擦係数の平均値を、その制動初速での平均摩擦係数と定義した。
　［ブレーキ試験での摩耗量］
　上述の各制動初速でのブレーキ試験の前後での、焼結摩擦材の質量差を求め、得られた質量差から、１回のブレーキ試験でのブレーキディスクの片面あたりの焼結摩擦材の平均摩耗量（ｇ／片面）を求めた。具体的には、焼結摩擦材１５が取付板１６に取り付けられた状態で全体の質量を試験前に測定し、３回のブレーキ後に同じ状態で全体の質量を測定し、その質量差を１セットずつ求めた。そして、左右２セットの質量差を合計した後に、ブレーキ回数の３で除し、さらにセット数の２で除した値を、その制動速度での平均摩耗量（ｇ／片面）と定義した。
　［試験結果］
　試験番号１～８の試験結果を表２に示す。また、試験番号１～３での制動初速（ｋｍ／時）と摩擦係数（μ）との関係を図２に示す。さらに、試験番号１～３での制動初速（ｋｍ／時）と平均摩耗量（ｇ／片面）との関係を図３に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　表２及び図２を参照して、いずれの制動初速においても、０．２８０以上の高い平均摩擦係数が得られた。
　さらに、表２及び図３を参照して、Ｆｅ系合金粒子及びＷを共に含有した試験番号２～８では、Ｗ及びＦｅ系合金粒子を共に含有しない試験番号１と比較して、いずれの制動初速においても、平均摩耗量（ｇ／片面）が低かった。また、試験番号２～８を比較して、Ｗ含有量が高い試験番号３は、試験番号３よりもＷ含有量が低い他の試験番号と比較して、摩擦係数が比較的高く、かつ、平均摩耗量が比較的低かった。
　以上、本発明の実施の形態を説明した。しかしながら、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。したがって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変更して実施することができる。

Claims (5)

  1. 　質量％で、
    　Ｃｕ：５０．０～７５．０％、
    　黒鉛：５．０～１５．０％、
    　マグネシア、ジルコンサンド、シリカ、ジルコニア、ムライト及び窒化珪素からなる群から選択される１種以上：１．５～１５．０％、
    　Ｗ及びＭｏからなる群から選択される１種以上：３．０～３０．０％、及び、
    　フェロクロム、フェロタングステン、フェロモリブデン、及び、ステンレス鋼からなる群から選択される１種以上：２．０～２０．０％、
    　を含有し、残部は不純物からなる圧粉体の焼結材である、鉄道車両用焼結摩擦材。
  2. 　請求項１に記載の鉄道車両用焼結摩擦材であって、
    　前記圧粉体を８００～１０００℃で加圧焼結して形成された焼結材である、鉄道車両用焼結摩擦材。
  3. 　請求項１又は請求項２に記載の鉄道車両用焼結摩擦材であって、
    　直径が４００ｍｍ、厚さが２０ｍｍであって、ＪＩＳ　Ｇ　４０５３（２０１６）に規定のＳＣＭ４４０に相当する化学組成を有し、約１０００ＭＰａの引張強度を有するブレーキディスクと、前記ブレーキディスクを制動するキャリパとを準備し、前記キャリパの左右の内面の各々に、幅３８ｍｍ、長さ５５ｍｍ、高さ１５ｍｍの４つの前記焼結摩擦材を、ブレーキディスクの中心から半径１７０ｍｍの仮想円上に、前記ブレーキディスクの中心軸まわりに２５°ずつずらして一列に配列して、回転する前記ブレーキディスクに対して、前記キャリパの左右内面に取り付けられた焼結摩擦材を、一定の圧力２．２４ｋＮで前記ブレーキディスクの両面に押し付けるブレーキ試験を実施した場合、制動初速が３６５ｋｍ／時での前記焼結摩擦材の平均摩擦係数が０．２８０以上であり、かつ、前記ブレーキディスクの片面あたりの前記焼結摩擦材の平均摩擦量が、制動初速が３００ｋｍ／時において６．３０ｇ／片面以下であり、制動初速が３２５ｋｍ／時において６．５０ｇ／片面以下であり、制動初速が３６５ｋｍ／時において９．００ｇ／片面以下である、鉄道車両用焼結摩擦材。
  4. 　請求項１～請求項３のいずれか１項に記載の鉄道車両用焼結摩擦材であってさらに、
    　前記圧粉体は、Ｃｕの一部に代えて、
    　六方晶窒化硼素：３．０％以下、
    　二硫化モリブデン：３．０％以下、
    　マイカ：３．０％以下、及び、
    　硫化鉄、硫化銅及び銅マットから選択される１種以上：１０．０％以下、
    　バナジウム炭化物：５．０％以下、及び、
    　Ｆｅ：２０．０％以下、
    　からなる群から選択される１種又は２種以上を含有する、鉄道車両用焼結摩擦材。
  5. 　請求項１～請求項４のいずれか１項に記載の鉄道車両用焼結摩擦材の製造方法であって、混合粉末を冷間成形して前記圧粉体を製造する成形工程と、
    　前記圧粉体に対して８００～１０００℃の焼結温度で加圧焼結を実施して、前記鉄道車両用焼結摩擦材を製造する加圧焼結工程とを備える、鉄道車両用焼結摩擦材の製造方法。
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