JPS60218452A

JPS60218452A - 制輪子用合金鋳鉄

Info

Publication number: JPS60218452A
Application number: JP7286484A
Authority: JP
Inventors: Katsuro Takazawa; 高沢　克朗; Taro Tsujimura; 太郎辻村; Yoshiaki Ueda; 芳明上田; Yutaka Miyaji; 宮地　豊
Original assignee: JAPANESE NATIONAL RAILWAYS<JNR>; UEDASA CHUZOSHO KK; Japan National Railways; Nippon Kokuyu Tetsudo
Current assignee: JAPANESE NATIONAL RAILWAYS<JNR>; UEDASA CHUZOSHO KK; Japan National Railways; Nippon Kokuyu Tetsudo
Priority date: 1984-04-13
Filing date: 1984-04-13
Publication date: 1985-11-01

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】本発明は鉄道車両のブレーキ装置に用いられる制輪子用
素材として優れた特性を有する新しい制輪子用合金鋳鉄
に関するものである。その目的とするところは、優れた
制動効果、即ち安定して得られる充分高い摩擦係数及び
耐摩性を有し、かつ強度及び靭性の両面においても優れ
た制輪子用の合金鋳鉄である。

従来、上記目的のために鉄道用制輪子の素材として、若
干の合金元素を含んだ片状黒鉛鋳鉄にＰを０．５〜２．
５％添加したいわゆる高燐鋳鉄制輪子が多く用いられて
きた。この制輪子は摩擦係数、耐摩性とも概ね良好であ
り、従って、制動特性は優れたものであることは公知の
事実である。

しかし、一方、大量のＰを含有する高燐鋳鉄制輪子は機
械的性質が劣り、硬くもろい組織を伴うことによる損傷
欠落が生じやすい点が欠点とされてきた。このため、こ
の多量のＰを含有する素材をちととする高燐鋳鉄制輪子
には、補強用に背面に鋼製薄板或いは格子状鋼網線を鋳
込むなど製作に複雑な工数が付加され、それでもなお充
分な補強強度が得られず、使用中の破損欠落防止に充分
な信頼度が得られぬまま使用され、現場保守でカバーさ
れているのが現状である。

本発明は以上のような現状に鑑み、上記従来の欠点を除
去した制輪子用合金鋳鉄であり、この特徴とするところ
は基本組成として、重量百分率でＣ；２．５〜３．５％
、５ｉＢ１．０〜３．０％、Ｍｎ；０．５〜２．０％、
ＰｉＯ，２〜１．５％、Ｓ　；〈０．１５％、Ｃｕ；３
．０〜８．０％、残部Ｆｅ並びに不純物からなる合金鋳
鉄である。

頑下、本発明合金鋳鉄を構成する各元素の役割及びこれ
らの限定理由から説明する。

まず本鋳鉄のＣ，Ｓｉ、　Ｍｎ、　Ｆｅは、強度及び靭
性を保持するための成分である。Ｆｅ−Ｃ系における上
記成分の役割は次の通りである。

Ｓｉは黒鉛の安定化及び鋳造性の改善に有効であり、高
温時の組織安定性に゛も寄与するが、多すぎるとフェラ
イト化の促進、即ちパーライトの減少を促し、強度低下
をもたらすので、含有量を１．０〜３．０％とした。

Ｍｎは組織中のパーライト量を増加させ、強度及び靭性
の付与にも有効であるが、多すぎると共晶毛メンタイト
を形成し、硬さが上昇して制輪子として使用した際、車
輪踏面の異常摩耗熱損傷等の原因となるので０．５〜２
．０％と限定した。

上記組成に対して、Ｐの添加は次の作用となる。即ち、
制動時の高摩耗係数、低摩耗量を与える成分であるが、
これを余り多くすると、摩擦係数は不安定となり、良好
な制動状態が得られなくなる。またすでに述べたように
、添加量が多い程、脆化して、機械強度が低下する。以
上の理由から０．２〜１．５％とＰ含有量を限定する。

Ｓは材質を著しく脆化し、制動性能には関係のない有害
元素であるが、余り少くなると、鋳鉄は白銑化しやすく
なるので、最低値を確保する意味から０．１５％以下と
限定した。

以上の残部をＦｅ、Ｃとしているのが、制輪子用の高燐
鋳鉄の代表的成分であり、これに鋼製薄板の裏金等を配
して、市販されているものが一般的である。しかしこれ
だけではすでに述べたようにまだ脆弱であり、強度的に
信頼性の低いものに止まる。

本発明は上記従来の欠点を改善するために、Ｃｕを３．
０〜８．０％程度添加するのであるが、これの効果につ
いて、以下詳細に述べる。

すでに発表されたＦｅ−Ｃ−Ｐ並びにＦｅ　−Ｃ−Ｐ　
−Ｃｕ系に関する理論的見解等を参照すると次のことが
いえる。即ち、一般にＦｅにＰを添加するとＰはＦｅに
１．７％程度固溶し、引張強度、降伏点は上昇するが、
衝撃値等靭性は著しく減少するとされ、さらにＦｅ　−
Ｃ−Ｐの三元系ではＰの固溶限は１％程度に減少するも
のとされている。また固溶限以上のＰは、析出速度が遅
いので他の物質が析出後、これｋの谷間を埋めるように
、Ｆｅ３　ＰＳＦｅ２　Ｐ等の金属間化合物として、専
ら粒界に偏析する。この故に靭性は一層損なわれる。

これに対してＦｅ、−Ｃ−Ｐ系にＣｕを添加すると、Ｐ
含有量に対してＣｕ添加量が多いという条件で、Ｃｕは
、Ｆｅに対するＰ固溶限を減じてＣｕが固溶する。Ｆｅ
にＣｕが固溶すると、物性を損なわずに、強度が増大す
る。他方ＣｕとＰの関係は、ＣｕにＰｏ、３％程固溶し
、ＰがＣｕに固溶すると、Ｃｕの強度は減するが伸びが
増大する即ち靭性が増大する。

以上を理由としてＦｅ　−Ｃ−Ｃｕ　−Ｐ系のＣｕは専
ら、強度の低下を伴なわず靭性を改善する有用な働きを
するものと期待され、これが充分に期待にかなうことを
実施例として後述する。

そして、本発明はＣｕの添加量を多くすることによって
前述した高燐鋳鉄に比較して、熱伝導率が改善されるこ
とが期待される。即ち第１図に示すＬ　ｏｒｉｎｇ、　
Ｋｒａｕｓｅ等が行なったＰを０゜６％含有した合金鉄
に対するＣｕ添加が及ぼす電気抵抗の変化実験によると
、電気抵抗はＦｅ−Ｃｕ−Ｐ系において、Ｃｕ量をＰの
５倍量含んだものは、図中曲線４の如く、電気抵抗の降
下即ち電気伝導率の上昇が見られるとしている。これか
ら、電気伝導度の上昇は熱伝導係数の改善を意味するか
ら、Ｃｕの添加量の増加にともなって、熱伝導係数は改
善されるので、これは制動材料にとって好都合な特性と
いうことになる。

これらの観点からＣｕの添加量下限値はキュポラ操業時
の溶解量３．５％を参照し３．０程度％とし、上限値に
関しては、高速摺動時、摩擦表面が高温になることによ
って生じるハンダ脆性を考慮し、余剰Ｃｕは残さないよ
うに配慮すべきものとして、上記溶解量３．５％にＣｕ
３　Ｐとして析出するに必要なＣｕの必要重量百分率４
．５％を加えて８．０％とした。

また、上記本発明の基本組成に添加する合金成分Ｃｒｓ
　Ｍｏ及びＴｉの役割は次の通りであり、各々高速域で
の特性改善に著しい効果をもたらす。

Ｃｒは基地パーライト量を増−加させ、且つセメンタイ
トの形成を促し、耐摩性を与え、特に組織中に分散する
クロム炭化物は高速域からの制動特性の改善、高摩擦係
数の保持、耐摩性の付与に大きな役割をもつので０．２
〜２．０％とした。

Ｍｏは高温における組織を安定させ、特に高温における
機械的性質の低下の防止に有効な添加成分であるので、
必要に応じ０．２〜１．０％添加することとした。

Ｔｉは黒鉛組織を緻密にし、機械的性質を向上させ、Ｃ
ｒなどと併用すると耐摩耗性が向上するのでｏ、ｉ〜０
．５％とした。

更に上述した、本発明の基本組成であるＣｕ添加高燐鋳
鉄或いは該Ｃｕ添加高燐鋳鉄に高速制動時の対応元素と
なるＣｒ　、　Ｍｏ、　Ｔｉのいずれか一種以上を添加
した合金鋳鉄にＭ、を加えると、析出する黒鉛形状がい
も虫状或いは球状化することにより、著しく破断強度、
靭性等が改善されることを確認した。この際のＭｇ含有
量は０．０２〜０．１０％である。

従来の制輪子用鋳鉄と本発明の制輪子用合金鋳鉄の３つ
の実施例との組成成分比較を第１表に示すと次の通りで
ある。

そして本発明の上記第１実施例の金属組織を第２図に示
し、本発明の第３実施例の金属組織を第３図に示すと、
第１実施例の場合には該写真でもわかる通り、黒鉛は片
状、母組織はパーライトであり、その組織中にステダイ
トが分散している。この際、Ｃｕ含有量は３．０％であ
るので、母組織にＣｕ単体の析出は馳められず、すべて
母組織中に熔解している。この場合、熔解したＣｕは靭
性を向上させ、耐摩性、耐熱亀裂性を改善している。

第３実施例の場合にはＭｇ含有量が多いので、グラファ
イトが第３図に示す如く球状グラファイトになり、Ｍｇ
含有量が少い場合はグラファイトがいも生状となる。該
写真でもわかるとおり母組織はパーライトであり、更に
組織中、にステダイト、セメンタイト、Ｃｕ単体が分散
している。

Ｆｅ３　Ｐ、　Ｃｕ３　Ｐを主体とするステダイト及び
セメンタイトは高摩擦係数、耐摩性を付与し、Ｃｕを固
溶したＦｅ基地と相俟って、靭性となじみを改善し、熱
亀裂耐性、摩擦係数の安定化に寄与する。

第２表は第１表の夫々の鋳鉄についての制動特性を実物
大慣性制動試験機、並びに機械試験装置を用いて、測定
した特性値であって、実物大慣性制動試験機の試験条件
は第３表に示す。

第２表に記載する、摩擦係数、摩耗量は制輪子用普通鋳
鉄と比較して本発明の合金鋳鉄が明らかに高摩擦係数、
低摩耗量を示し、高燐鋳鉄とほぼ同水準の数値を示し、
さらに高燐鋳鉄制輪子と比較しても、抗折値、たわみ量
は本発明のものが大きい値をとり、含燐量の少ない普通
鋳鉄以上の数値となる。これは明らかにＣｕ添加の成果
であると考えられる。また同時に、高速からの制動で、
Ｃｒ、　Ｍｏ等の添加合金元素のともなわない高燐鋳鉄
制輪子と比較して、摩擦係数は高い値をとり、Ｃｒｓ　
Ｍｏの添加に効果が明らかなものとなっている。Ｍｇ添
加の効果は、引張強さ、抗折荷重の差として表現され、
耐破壊性を高めるが制動特性には大きな影響は与えない
。

以上のように、本発明合金鋳鉄による制輪子は、従来品
に比し、高速域での摩擦係数の低下、摩耗量の増大とい
った問題を解決しつつ、且つ使用中、問題となる熱亀裂
の発生、伸長に伴う破損、欠落に対する抵抗性を増大せ
しめたもので、従来制輪子の有する欠点を克服した、極
めて優れた制動材料であり、本発明合金の使用によって
、車両の安全性及び寿命の増加が図り得るもので、その
工業価値は著大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は電気抵抗グラフ線図、第２図及び第３図は夫々
本発明の第１、第３実施例による金属組織の倍率１００
の顕ｍ鏡写真である。代理人　弁理士　祐用尉−外１名第１図Ｐ　（％）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）　３１量％でＣ；２．５〜３．５％、Ｓｔ；１．
０〜３゜０％、Ｍｎ；０．５〜２．０％、ＰｉＯ，２〜
１．５％、Ｓ；０．１５％以下、Ｃｕ；　３．０〜８．
０％、残部Ｆｅ及び不純物よりなる制輪子用合金鋳鉄。
（２）重量％でＣ７２，５〜３．５％、ｓｉ；１．ｏ〜
３゜０％、Ｍｎ；　０．５〜２．０％、Ｐ　ｉ　Ｏ，２
〜１．５％、Ｓｉ０．１５％以下、Ｃｕ；３．Ｑ　〜８
．０％、残部Ｆｅ及び不純物よりなる合金鋳鉄にＭｇ　
ｉ　Ｏ，０２〜０．１θ％含有させた制輪子用合金鋳鉄
。
（３）重量％テｃ；２．５〜３．５％、Ｓｔ；１．０〜
３゜０％、Ｍｎ；　０．５〜２．０％、Ｐ　；　０．２
〜１．５％、Ｓ；０．１５％以下、ＣｕＨ３，０〜８．
０％の含有成分を基本組成とし、重量％でＣｒ；０．２
〜２．０％、ｊ’ｌｏＨ，０，２〜１．０％、Ｔｉ；０
．１〜０．５％のうちから選ばれる１種以上の成分を添
加し、残部Ｆｅ及び不純物よりなる制輪子用合金鋳鉄。
（４）　重量％でＣ；２．５〜３．５％、Ｓｔ；１．０
〜３゜０％、Ｍｎ；　０．５〜２．０％、Ｐ、０．２〜
１．５％、Ｓｌ、１５％以下、Ｃｕ；　３．０〜８．０
％の含有成分を基本組成とし、重量％でＣｒ；０．２〜
２．０％、Ｍｏ；０．２〜１．０％、Ｔｉ；０．１〜０
．５％のうちから選ばれる１種以上の成分を添加し、残
部Ｆｅ及び不純物よりなる合金鋳鉄にＭｇ；　ｏ、ｏ　
２〜０．１０％含有させた制輪子用合金鋳鉄。