JPH0225538A - 鉄道車両用ブレーキディスク材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分前） 本発明は、高速の鉄道車両で使用されるブレーキディス
クの材料となるブレーキディスク材に関するものである
。

（従来の技術） 従来、常用最高時速が１１００ｋ／ｈ前後である鉄道車
両のディスクブレーキ方式に採用されているブレーキデ
ィスク材には、ＪＲ３番号１２２０９−１に基づく引張
強さが２７４ＭＰａ以上、硬さＨＢが１８３〜２６９の
パーライト基地片状黒鉛鋳鉄が使用されている。また、
最高時速が２２０ｋｍ／ｈに達するような高速鉄道車両
に採用されているブレーキディスク材には、ＪＲ３番号
１２２０９−２に基づく引張強さが２４５ＭＰａ以上で
、硬さＨａが２１０〜２８０の低合金パーライト基地片
状黒鉛鋳鉄（Ｎｉ：１．０〜２．０重量％、Ｃｒ　：　
０．３〜０．６重量％、Ｍｏ　：　０゜３〜０．５重量
％、以下ＮＣＭ鋳鉄と言う）が使用されている。

前記Ｎ　ＣＭ鋳鉄からなるブレーキディスク材の特色は
、常用停止ブレーキ時（ブレーキ初速度３５ｋｍ／ｈ）
と非常停止ブレーキ時（ブレーキ初速度２２０　ｋ　ｍ
　／　ｈ　）のいずれにおいても規定を満足する制動力
が得られるように、適切な平均中擦係数と安定した瞬間
京擦係数および低窄粍率を有することであり、高頻度（
常用停止ブレーキ時）または高負荷（非常停止ブレーキ
時）の１擦条件下においても、ブレーキディスクの摺動
面に発生する熱亀裂に対する抵抗性の点で汎用のパーラ
イト基地片状黒鉛鋳鉄に鍔っている。

ＮＣＭｉ鉄は、熱応力の吸収又は緩和部としての効果を
もつ組織内の黒鉛形状を大きくして数を増やし、一方、
それによる強度低下をＮ１、Ｃｒ、Ｍｏの合金化による
基地組織の強化によって補ったものであり、強度的には
ＪＩＳ　　Ｆｅ１２級の鋳鉄と同等であるが、熱伝導性
が良好で、熱負宵による機械的損傷に対して優れた材料
である。

（発明が解決しようとする課題） ところで、近年、鉄道車両で最高時速２４０ｋｒｎ／ｈ
が実現し、更に高速化が指向されている現状では、従来
使用されているブレーキディスク材にも新たな問題が生
じつつある。すなわち緊急時に、このような高速車両の
ブレーキディスク材に高負荷のブレーキがかけられた場
合、摺動面の画然亀裂性はＮＣＭ鋳鉄をもってしても十
分とは言えなくなった。

このため、より高強度、高靭性の材料によって熱亀裂の
発生を抑制しようとする考えがあり、最近鍛鋼ブレーキ
ディスク材が開発されて実用の緒についている。しかし
ながら、元来鋳鉄が鋼に代わってブレーキ材料として使
用されてきた理由は、制動中安定した摩擦摩耗特性が得
られるからであり、これは鋳鉄に遊離の黒鉛が含まれて
いることによる。したがって、鍛鋼ブレーキディスク材
では制動中における李擦係数に不安定性があり、使用中
の材料の永久変形が鋳鉄よりも大きくなることが問題と
される。

このように鉄道車両のより高速化が指向されている状況
において、これに使用されるブレーキディスク材として
は、摩擦摩耗特性、材料強度および耐熱損傷性が均衡し
ていることが必要とされる。

さらに、設計上バネ下重量をより軽量化するという要望
に応えるために、高性能な非鉄系の材料開発が強く要望
されている。軽量な非鉄系金属としてアルミニウム合金
が代表的なものであるが、従来知られているアルミニウ
ム合金を鉄道車両のブレーキディスク材に使用しても、
この種用途では京擦牽粍特性などが十分ではなく、ディ
スクの摩耗が大きいのみならず、焼付きなどにより相手
材であるパッド材も消耗してしまうなどの問題点が生ず
る。

二の兆明は上記間ｕ点を解決することを基本的な目的と
し、アルミニウム基複合材料を用いて耐京耗特性などに
優れた軽量の鉄道車両用ブレーキディスク材を提供する
ものである。

（課題を解決する為の手段） 上記課題を解決するため、本願発明の鉄道車両用ブレー
キディスク材は、アルミニウム金属母相に、粒径が５〜
１００μｍの強化粒子が１〜７重量％の範囲内で分散し
ていることを特徴とするものである。

なお、母相となるアルミニウム金属としては、純アルミ
ニウムはもとより、各種アルミニウム合金を用いること
が可能であるが、李擦熱による強度低下が小さいＡｊ！
　−Ｍｇ系合金が望ましい。

このアルミニウム金属母相中に分散される強化粒子とし
ては、ＡｊｌｚＯ３、ＳｉＣ、マイカなどのセラミック
粒子を例示することができ、硬質の微細粒子を用いる。

また、強化粒子の粒径は５〜１００μｍの範囲内とする
。この粒径の限定理由は、粒径が、５μｍ未溝では、ブ
レーキディスク材として十分な耐摩耗性が得られず、ま
た１００μｒｎｆ！：ｗＡえると、切削性や靭性が低下
するからである。

また上記粒子の分散量は、１重量％未満では前記と同様
にブレーキディスク材として十分な耐摩耗性が得られず
、７重量％を越えると切削性や靭性が低下するので、上
記範囲に定める。

なお、強化粒子は、アルミニウム金属母相中に均一に分
散させるのが望ましいが、所望により特定部位に偏在さ
せることも可能である。

（ｆＰ−用） 高速車両用のブレーキディスク材の窄擦牽耗特性の優劣
は、ブレーキ時における平均京擦係数の適性値と瞬間牽
擦係数の安定性およびディスクと相手材の耐摩耗性によ
って評価される。一般にアルミニウム合金は摩耗に対す
る抵抗性は低いものとされているが、硬質の強化粒子を
アルミニウム金属母相に均一に添加分散することによっ
て極めて高いｉｔ串耗性が得られる０、ｔたブレーキデ
ィスクの高速回転による遠心力およびブレーキ時の熱負
荷によって発生する熱応力に対しては、これらを保障す
るに足りる十分な強度がブレーキディスク材に要求され
るが、この強化粒子分散型アルミニウム合金はＮＣＭ鋳
鉄に比べて高強度で熱伝導性に優れている。すなわち、
高頻度（常用停止ブレーキ時）または高負荷（非常停止
ブレーキ時）の摩擦条件下において、ブレーキディスク
の摺動面に発生する熱亀裂に対する抵抗性の点でも優れ
た特性を有している。そして、比重も鋳鉄（７゜２〜７
．３）に比べてアルミニウム合金（２，７＞は約１７７
３と小さく、高速車両に必要不可欠な条件である軽量化
を材料面で著しく改善することが出来る。

本発明のブレーキディスク材が発揮する以上の作用は、
従来、ブレーキディスク材として使用されている鉄系の
材料では得ることは困難である。

（実施例） 以下に、この発明の一実施例を説明する。

５０８３アルミニウム合金（ＪＩＳＨ４０００）をマト
リックスとして、コンポキャスティング法により、Ａｊ
ｚｏａ、ＳｉＣからなる強化粒子を分散混合させてアル
ミニウム複合材料を得た。なお、Ａｎ２ｏ３は粒径的２
０．ｃｚｌｍ、ＳｉＣは粒径１０〜３０μｍ程度とした
。前記複合材料としては、Ａｊ１２０３まなはＳｉＣの
単独の粒子を３を量％分散させたものと５重量％分散さ
せたものとをそれぞれ製遺し、さらに再強化粒子を２．
５重量％ずつ分散させたものを製造した。得られた複合
材料は、定速牽擦試験を実施して、高速車両用ブレーキ
ディスク材としての牽擦摩耗特性を確認した。

具体的には、複合材料を供試材として直径２０６１、厚
さ１５ｍｍの円盤状試験片（以下「ディスク」という）
とした、一方、牽擦相手材としては、ＮＣＭ鋳鉄用（以
下Ｃｕｔという）と鍛鋼用（以下Ｃｕ２という）の２種
類の高速車両用銅系焼結合金ライニングと、背通鋳鉄ラ
イニング（以下ＦＣ１という）の合計３種類を用意した
。なお、ライニング材の中擦面は３０×３０１ｕ１とし
た。

試験条件は摩擦速度を７．１４．２１＋／ｓの３段階と
し一ライニング押付力を０．５ＭＰａ、１回の連続牽擦
時間を６０秒間として、各摩擦速度で２５回試験を繰返
した。

また、測定項目は平均摩擦係数、瞬間牽擦係数、ディス
クとライニングの牽耗率、ディスクとライニングの温度
上昇とした。

さらに、実施例のディスクと、従来材のディスクとの中
擦京耗特性の比較をするなめに、Ｎ　ＣＭ鋳鉄（従来材
）からなるディスクについても実施例のディスクと同じ
条件で定速り擦試験を行った。

なお、２Ｈｎ／ｓ（ｌ擦速度）までの試験で良好な結果
を得られた材質については、供試材を更に直径５６５＋
ｍ＋ｎ、厚さ３０ＩｌＩＩ［ｌのディスクとして、摩擦
速度を１４．２８．４２．５３．７０ｎ＋／ｓとする５
段階で同じように定速字擦試酸を行った。

その結果、瞬間字源係数については、実施例とＮＣＭｓ
鉄とは同等であった。また、ディスクとライニングの温
度上昇については、実施例のディスクを用いたものの方
が従来材のディスクを用いたものより温度上昇が小さく
優れていた。

次に、第１図（Ａ）〜（Ｃ）は、実施例および従来材の
それぞれ樟ついて、２１１ｍ／Ｓまでの定速中棒試験に
おける平均摩擦係数およびディスクとライニングの李粍
率の結果である。

先ず、各摩擦速度における平均摩擦係数を概観する（第
１図（Ａ））。

実施例の相手材が銅系焼結合金ライニング（Ｃｕ１また
はＣｕ２）のときにはＮＣＭｎ鉄とほぼ同等の値が得ら
れているが、背通鋳銖ライニング（ＰＣｌ、）のときに
は、強化粒子を３重量％添加したほうが速度上昇に伴う
摩擦係数の低下がＮＣＭ鋳鉄よりも大きくなっている。

次に、ディスク及びライニングの牽耗率を概観するとく
第１図（Ｂ）および（Ｃ））、実施例のものは相手が銅
系焼結合金ライニングの場合には、摩擦速度によっては
試験後の重量が増加してブラスとなり、Ｎ　ＣＭ鋳鉄よ
りも高い耐摩耗性を示している。また、相手が普通鋳鉄
ライニングの場合でも、実施例のものは基材硬さが低い
にら拘らず、Ｎ　ＣＭ鋳鉄と同等の摩耗率を示している
。全般にＳｔＣを５重量％添加した実施例のものが京擦
京粍特性に優れた結果を示している。

第２図（Ａ）〜（Ｃ）は、２１＋１／Ｓまでの試験で比
較的良好な結果が得られた実施例ｃｓｉｃを５重量％添
加）について、７０ｎ＋／ｓまでの試験を行った結果を
示すものであり、比較のためにＡρ２０３を同重量％添
加した実施例についても定速摩擦試験を行った。

先ず、各摩擦速度における平均摩擦係数を概観するとく
第２図（Ａ））、５重量％ＳｉＣを添加した実施例とＣ
ｕ２の組み合せでは、他の組み合せに見られるように、
摩擦速度を１４１１／Ｓから２８ｎ＋／ｓに変えた際の
平均摩擦係数の急激な低下もなく、高速域まで安定した
平均摩擦係数が得られている。

次に、ディスク及びライニングの摩耗率を概観すると（
第２図（Ｂ）および（Ｃ））、５重量％のＳｉＣを添加
したものは高速域でもほとんど窄耗せず、極めて高い耐
摩耗性を示している。ライニングの摩耗率においても、
相手が５重量％Ｓ１０添加のディスクの場合に−Ｃｕ２
は各速度で殆ど最低値を示し、良好な結果が得られた。

さらに、押付は力を０．６５ＭＰａに変更し、その他は
同じ試ｒｌｋ条件で７０Ｉｌ／ｓまで定速摩擦試験を行
った（グラフには示さない）。

従来材のＮＣＭ鋳鉄とＣｕ２とを組合わせた場合と、５
重量％ＳｉＣを添加しな実施例とＣｕ２とを組み合せ場
合とを比較してみると、平均摩擦係数は同等の値が得ら
れており、ディスクの摩耗率では実施例のものが従来材
のものよりも小さく、ライニングの摩耗率では、７０１
１／Ｓの摩擦速度において、実施例のものは従来材のも
のより１／２も小さい値を示している。

（発明の効果） 以上説明したように本発明によれば、アルミニウム金属
母相に、粒径が５〜１００μｍの強化粒４゜ 子を１〜７を量％の範囲内で分散させたので、得られた
粒子分散型アルミニウム合金は、従来のＮＣＭ鋳鉄と比
較して、軽量かつ高強度で熱伝導性に優れており極めて
高い耐摩耗性を示し、摩擦摩耗特性もほぼ同等の値を有
することが確認された。

したがって高速車両用ブレーキディスク材として有効な
特性をもつものである。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）〜（Ｃ）は実施例および従来材についての
定速摩擦試職結果を示すものであり、第１図（Ａ＞はＲ
１擦速度と平均摩擦係数、第１図（Ｂ）はＲ１擦速度と
ディスク摩耗率、第１図（Ｃ）は摩擦速度とライニング
ク耗率との関係を示し、第２図（Ａ）〜（Ｃ）は、５重
量％強化粒子を添加した実施例について、ｒｓ擦速度を
増大させた場合の定速摩擦試験結果を示すものであり、
第２図（Ａ＞は摩擦速度と平均摩擦係数、第２図（Ｂ）
は中棒速度とディスク中耗率、第２図（Ｃ）は摩擦速度
とライニング摩耗率との関係を示すものである。 （Ａ） 第２図 （Ｂ） （Ｃ） 摩擦速度とライニング摩耗率 手続補正書（自発） 特許請求の範囲 １、事件の表示 昭和６３年特許願第１７６６９７号 ２、発明の名称 鉄道車両用ブレーキディスク材 ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 名称　財団法人鉄道総合技術研究所 （外１名） ４４代理人〒１６０電話０３　（３５３）　３４０７ア
ルミニウム金属母相に、粒径が５〜１００μｍの強化粒
子が１〜７重量％の範囲内で分散していることを特徴と
する鉄道車両用ブレーキディスク材 ２　強化粒子は、アルミナ、炭化珪素のいずれか一方ま
たは両方としたことを特徴とする請求項！記載の鉄道車
両用ブレーキディスク材 明細書中、特許請求の範囲の欄 手続補正書（自発） １、事件の表示 ４゜ 名称　財団法人鉄道総合技術研究所 （外１名） 代理人〒１６０電話０３　（３５３）　３４０７６゜ 明細書中、発明の詳細な説明の欄 補正の内容 明細書２頁１行〜２行口にｒＪｌ’？ｓ番号１２２０９
−ＩＪとあるを「旧日本国有鉄道規格（ＪＲ３）１２２
０９　　Ｎと訂正し、同頁６行目にｒ　Ｊ　ＲＳ番号」
とあるをｒＪＲ３Ｊと訂正する。 、、？衣ａ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　アルミニウム金属母相に、粒径が５〜１００μｍの
   強化粒子が１〜７重量％の範囲内で分散していることを
   特徴とする鉄道車両用ブレーキディスク材 ２　強化粒子は、アルミナ、窒化珪素のいずれか一方ま
   たは両方としたことを特徴とする請求項１記載の鉄道車
   両用ブレーキディスク材