(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学組成が、Ｃ：３．６〜４．２重量％，Ｓｉ：１．８〜２．４重量％、Ｍｎ：０．５〜０．７重量％、Ｐ：０．０３重量％以下、Ｓ：０．０３重量％以下、Ｍｇ：０．００４〜０．０１５重量％を含有し、残部は鉄および不可避的不純物からなるＣＶ黒鉛鋳鉄製の車両用ブレーキディスク材であって、さらにＮｉ：１．０〜３．０重量％およびＭｏ：０．３〜０．７重量％を含有させ、ＣｒおよびＣｕを合計した含有率を０．０３重量％以下にしたうえ、所定の熱処理を行うことによってフェライト率が７０％を超えるように基地組織をフェライト化したことを特徴とする車両用ブレーキディスク材。
【請求項２】
前記熱処理として、８００℃〜９２０℃で所定時間加熱したのちに６８０℃〜７５０℃の範囲内の適切温度まで冷却し、同温度で所定時間加熱したのちに、徐々に冷却するところの２段焼きなましを行う請求項１記載の車両用ブレーキディスク材。
【請求項３】
前記熱処理として、５５０℃〜７５０℃の範囲内の適切温度で所定時間加熱したのち徐々に冷却するところの歪取り焼鈍を行う請求項１記載の車両用ブレーキディスク材。
【請求項４】
前記化学組成において、Ｃ：３．８重量％，Ｓｉ：２．０重量％、Ｍｎ：０．６重量％、Ｐ：０．０３重量％以下、Ｓ：０．０３重量％以下、Ｍｇ：０．００６重量％を含有し、さらにＮｉ：２．５重量％およびＭｏ：０．６重量％を含有し、ＣｒおよびＣｕを合計した含有率を０．０３重量％以下にし、フェライト率を９０％前後もしくはそれ以上にしている請求項１〜３のいずれかに記載の車両用ブレーキディスク材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ＣＶ（コンパクト・バーミキュラ）黒鉛鋳鉄製の車両用ブレーキディスク材に関するもので、詳しくは高速走行の鉄道車両に好適なブレーキディスク材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＶ黒鉛鋳鉄製の車両用ブレーキディスク材については、特公平６−１７７００号（特許第1892375号）公報に記載のものがある。このブレーキディスク材（以下、先行技術１ともいう）は、Ｎｉ，Ｍｏ，Ｃｕ等を添加したフェライト率が６０〜７０％のブレーキディスク材である。先行技術１は、機械強度を高めるために、黒鉛形状を片状黒鉛に近いＣＶ黒鉛（球状化率３０〜３５％）にし、またＮｉ，Ｍｏを添加して耐熱亀裂性の向上を図っている。なお、基地組織は、パーライト化元素としてのＣｕを０．３〜０．７重量％の範囲で添加することにより、パーライトとフェライトの割合を制御し、また熱処理は焼入れ・焼戻しを行っている。先行技術１のブレーキディスク材を含めてＣＶ黒鉛鋳鉄製のブレーキディスク材は、機械強度が高く耐摩耗性には優れていたが、耐熱亀裂性の面では必ずしも十分でなかった。
【０００３】
そこで、本出願人は耐熱亀裂性に優れた片状黒鉛鋳鉄の「ブレーキディスク材の製造方法」を発明して、特許（第2676456号）を取得している。以下、同特許に係るブレーキディスク材を、先行技術２ともいう。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の片状黒鉛鋳鉄のブレーキディスク材（先行技術２）についても、次のような点で改良の余地がある。すなわち、片状黒鉛鋳鉄は機械強度的にＣＶ黒鉛鋳鉄に比べて劣っており、このため、機械強度が高く、しかも耐熱亀裂性に優れた車両用ブレーキディスク材の開発が求められた。
【０００５】
本発明は上述の点に鑑みなされたもので、機械強度の高いＣＶ黒鉛鋳鉄製の車両用ブレーキディスク材において耐熱亀裂性を改善し、耐久性を向上することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために本発明に係る車両用ブレーキディスク材は、化学組成が、Ｃ（炭素）：３．６〜４．２重量％，Ｓｉ（ケイ素）：１．８〜２．４重量％、Ｍｎ（マンガン）：０．５〜０．７重量％、Ｐ（燐）：０．０３重量％以下、Ｓ（硫黄）：０．０３重量％以下、Ｍｇ（マグネシウム）：０．００４〜０．０１５重量％を含有し、残部は鉄および不可避的不純物からなるＣＶ黒鉛鋳鉄製の車両用ブレーキディスク材であって、さらにＮｉ（ニッケル）：１．０〜３．０重量％およびＭｏ（モリブデン）：０．３〜０．７重量％を含有させ、Ｃｒ（クロム）およびＣｕ（銅）を合計した含有率を０．０３重量％以下にしたうえ、所定の熱処理を行うことによってフェライト率が７０％を超えるように基地組織をフェライト化している。
【０００７】
本発明に係る車両用ブレーキディスク材によれば、上記した先行技術１に係るＣＶ黒鉛鋳鉄製ブレーキディスク材に比べて、次のような特徴がある。
【０００８】
▲１▼  黒鉛形状は機械強度の高いＣＶ黒鉛のままとし、Ｃ（炭素）量を増やしたことにより遊離炭素量が増えて熱伝導性が高まった。
【０００９】
▲２▼  基地組織のフェライト化を促進する熱処理を施し、フェライト率を７０％を超えるようにしたので、パーライト割合の高い先行技術１の基地組織に比べて延伸性に富み、耐熱亀裂性が向上した。
【００１０】
▲３▼  Ｍｏ（モリブデン）量を増やしたことにより、耐熱亀裂性が向上した。
【００１１】
これらの結果、ブレーキディスク材の使用中に微細な熱亀裂が発生することはあってもその微細な亀裂は大きな亀裂には進展せず、また摺動部では摩耗することによって発生した微細な亀裂が消滅する。したがって、ブレーキディスク材としての機械強度が高く、耐熱亀裂性に優れている。
【００１２】
請求項２に記載のように、前記熱処理として、８００℃〜９２０℃の範囲内、例えば９００℃で所定時間加熱したのち６８０℃〜７５０℃の範囲内の適切温度例えば７００℃まで冷却したのち７００℃に保って所定時間加熱し、徐々に冷却するところの２段焼きなましを行うことが望ましい。
【００１３】
請求項２記載のブレーキディスク材は、基地組織中にパーライトが多く含まれている場合であっても、２段焼きなましを行うことによって基地組織中のフェライト化が促進され、フェライト率が７０％を超える（通常は９０％前後）ようにできるから、延性が高められて耐熱亀裂性が向上し、また熱歪みも低減される。
【００１４】
請求項３に記載のように、前記熱処理として、５５０℃〜７５０℃の範囲内の例えば６４０℃で所定時間加熱したのち徐々に冷却するところの歪取り焼鈍（ＳＲ焼鈍ともいう）を行うこともできる。
【００１５】
請求項３記載のブレーキディスク材は、基地組織中のフェライト率がもともと高い場合には、ＳＲ焼鈍を行ってもフェライト率が７０％を超えるようにでき、熱歪みの低減が図られる。
【００１６】
請求項４に記載のように、前記化学組成において、Ｃ：３．８％，Ｓｉ：２．０重量％、Ｍｎ：０．６重量％、Ｐ：０．０３重量％以下、Ｓ：０．０３重量％以下、Ｍｇ：０．００６重量％を含有し、さらにＮｉ：２．５重量％およびＭｏ：０．６重量％を含有させ、ＣｒおよびＣｕを合計した含有率を０．０３重量％以下にし、フェライト率を９０％前後もしくはそれ以上にすることが望ましい。
【００１７】
請求項４記載のブレーキディスク材は、化学組成が最良で熱伝導性が高く、フェライト率が９０％前後もしくはそれ以上と極めて高くて耐熱亀裂性に優れ、耐久性が大幅に向上して長期間安定して使用できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の車両用ブレーキディスク材について実施の形態を説明する。
【００１９】
−実施例１−
本例のブレーキディスク材１は、表１に示す化学組成の溶湯にＭｇを添加して処理したのち、ブレーキディスク鋳型に注入して鋳造により形成したものである。
【００２０】
表１
成分     Ｃ    Ｓｉ    Ｍｎ   Ｐ，Ｓ    Ｎｉ    Ｍｏ    Ｍｇ   Ｃｒ,Ｃｕ
含有率   3.25   2.2    0.7    ＜0.02    2.38    0.42    0.007   ＜0.03
(重量％)
【００２１】
上記の各成分の数値は重量％である。溶湯へのＭｇの添加によるＣＶ化処理において、Ｍｇを一般的なＣＶ黒鉛鋳鉄のほぼ半分の０．００７重量％（以下、単に％とも表示する）に抑えたことにより、基本的な黒鉛形状はＣＶ黒鉛のままで、黒鉛の球状化率が３０％前後になっている。そして、Ｃ（炭素）の含有量を増やしたので、遊離炭素が増えて熱伝導率が高まった。またＣｕの添加率を０．０３％以下（必ずしも添加しなくてもよい、Ｃｒは些少ではあるが本来含有されている）に抑えてパーライト率を下げたので、基地組織のフェライト化が促進された。さらに型ばらし後に図３に示すように加熱炉内に入れて９００℃まで徐々に（６時間かけて）温度を上げ、加熱温度を９００℃に保って一定時間（３時間）加熱したのち、炉内で１時間かけて７００℃まで冷却したのち、同温度（７００℃）に保って４時間加熱し、さらに５時間かけて１８０℃まで炉内で冷却した。つまり、２段熱処理（２段焼きなまし）を行ったが、これも基地組織のフェライト化を促進するためである。
【００２２】
この結果、本例のブレーキディスク材１のフェライト率は９０％前後まで促進された。図１に示す組織の拡大図はブレーキディスク材１のリブ芯部を１００倍に拡大して撮影した顕微鏡写真を図面化したもので、パーライト（網状部分）３が僅かに残っているが、残りの白色部分２はフェライトで、図１からもフェライト化が促進されていることが認められる。なお、図１中の黒色部分４はＣＶ黒鉛である。
【００２３】
−実施例２−
本例のブレーキディスク材が上記実施例１と相違するところは、熱処理だけである。すなわち、表１に示した化学組成からなるブレーキディスク材を、型ばらし後に図４に示すように加熱炉に入れて徐々に（４時間かけて）６４０℃まで温度を上げ、同温度に保って一定時間（２時間３０分）加熱したのち、５時間かけて１８０℃まで炉内で冷却し、歪取り焼鈍した。つまり、熱処理によるフェライト化の促進は積極的に行わなかった。このため、本例のブレーキディスク材ではフェライト率が８０％を割ったが、７０％は超えていた。
【００２４】
−実施例３−
本例のブレーキディスク材１’は、表２に示す化学組成の溶湯にＭｇを添加してＣＶ化処理したのち、ブレーキディスク鋳型に注入して鋳造により形成したものである。
【００２５】
表２
成分     Ｃ    Ｓｉ    Ｍｎ    Ｐ，Ｓ    Ｎｉ    Ｍｏ    Ｍｇ  Ｃｒ,Ｃｕ
含有率   4.11   2.4    0.7    ＜0.02    2.36    0.58    0.008   ＜0.03
(重量％)
【００２６】
上記の各成分の数値は重量％である。溶湯のＭｇの添加によるＣＶ化処理において、Ｍｇを一般的なＣＶ黒鉛鋳鉄の半分よりはやや多めの０．００８重量％に抑えており、基本的黒鉛形状は実施例１と同様にＣＶ黒鉛からなり、黒鉛の球状化率が３０％前後になったが、実施例１よりもさらにＣ（炭素）量を増やして熱伝導率を高めている。またＣｕの添加率は、実施例１と同様に０．０３％以下に抑えてパーライト率を下げ、フェライト化を促進している。さらに型ばらし後に図３に示すように加熱炉内に入れて９００℃まで徐々に（６時間かけて）温度を上げ、同温度に保って一定時間（３時間）加熱したのち、炉内で１時間かけて７００℃まで冷却したのち、同温度（７００℃）に保って４時間加熱し、さらに５時間かけて１８０℃まで炉内で冷却した。つまり、２段熱処理（２段焼きなまし）を行ったが、これも基地組織をフェライト化するためである。この結果、本例のブレーキディスク材１’のフェライト率も９０％前後まで促進された。図２に示す組織の拡大図はブレーキディスク材１’のリブ芯部を１００倍に拡大して撮影した顕微鏡写真を図面化したもので、網状のパーライト３が僅かに残っているが、残りの白色部分２はフェライト、黒色部分４がＣＶ黒鉛である。図１に比べて白色部分（フェライト部分）２が多いように見えるが、これは切断箇所が異なるもので、切断箇所によってばらつきがあるためである。
【００２７】
−実施例４−
本例のブレーキディスク材が上記実施例３と相違するところは、熱処理だけである。すなわち、表２に示した化学組成からなるブレーキディスク材を、型ばらし後に図４に示すように加熱炉に入れて徐々に（４時間かけて）６４０℃まで温度を上げ、同温度に保って一定時間（２時間３０分）加熱し、さらに５時間かけて１８０℃まで炉内で冷却し、歪取り焼鈍した。つまり、熱処理によるフェライト化の促進は行わなかった。このため、本例のブレーキディスク材もフェライト率が８０％を割ったが、７０％は超えていた（７５％前後であった）。
【００２８】
−比較例１−
先行技術１に記載のブレーキディスク材で化学組成は表３に記載の内容からなり、表３の成分からなる溶湯にＭｇを０．００７重量％添加してＣＶ化処理し、黒鉛の球状化率を３０％前後にしている。それから、型ばらし後に歪取り焼鈍を施し、基地組織を制御してフェライト率を６０％にしている。
【００２９】
表３
成分     Ｃ    Ｓｉ    Ｍｎ    Ｐ     Ｓ    Ｎｉ   Ｍｏ    Ｍｇ    Ｃｕ
含有率   3.6   2.0     0.6     0.03  0.01   2.5    0.4     0.007   0.5
(重量％)
【００３０】
−比較例２−
先行技術２に記載のブレーキディスク材で化学組成は表４に記載の内容からなり、表４の成分からなる溶湯を鋳型に入れて鋳造し、型ばらししたのち、６４０℃で歪取り焼鈍している。
【００３１】
表４
成分     Ｃ    Ｓｉ   Ｍｎ    Ｐ    Ｓ     Ｎｉ    Ｍｏ    Ｃｒ   Ｃｕ
含有率   3.55  1.37   0.69   0.18   0.28   2.43    0.38    0.30   0.57
(重量％)
【００３２】
ここで、上記した本発明の実施例１および実施例２のブレーキディスク材、上記した実施例３および実施例４のブレーキディスク材ならびに比較例１および比較例２のブレーキディスク材について引張試験および硬度試験等に関する機械的性質（ならびに熱伝導率）の比較データを表５に示す。
【００３３】
【表５】
0003730044.tif 000002
【００３４】
上記の比較データから明らかなように、フェライト率が９０％前後に達した実施例１および実施例３のブレーキディスク材は、伸びが５.２％、４.６％と、比較例１および２に比べてかなり高いことが認められる。伸びが４.５％を超えると耐熱亀裂性は改善される。また、熱伝導率は３００℃の場合の測定値であるが、これも非常に高い数値であり、熱伝導性が極めて優れている。さらに、フェライト率が７５〜７８％前後の実施例２および実施例４のブレーキディスク材についても、伸びが４.３％、３.４％と、比較例１および２に比べてかなり高く、耐熱亀裂性は向上している。一方、０.２％耐力、引張強さ、ブルネル硬さなどの機械的強度は比較例１の方が勝っているが、比較例１および比較例２ともに伸びが非常に低いことから、耐熱亀裂性が劣ることがわかる。また、比較例２は片状黒鉛鋳鉄のブレーキディスク材であり、ブルネル硬さは２２９ＨＢと実施例に比べて硬いが、０.２％耐力、引張強さおよび弾性係数の各値が非常に低くなっており、総合的に機械強度が劣ていることがわかる。
【００３５】
次に、耐熱亀裂性の優劣を試験するために熱衝撃試験を行ったので、その結果を図５〜図７のグラフに基づいて説明する。
【００３６】
熱衝撃試験は、実施例１、比較例１および比較例２の各試作ディスクから直径２０ｍｍ（×厚さ２０ｍｍ）の試験片を加工し、これらの試験片を６００℃で１０分間加熱したのち水冷するというサイクルを、１００回ほど繰り返した。そして、この状態で、亀裂発生状況を測定した。図５は本発明の実施例１のブレーキディスク材についての亀裂発生状況を、図６は比較例１のブレーキディスク材についての亀裂発生状況を、図７は比較例２のブレーキディスク材についての亀裂発生状況を、それぞれ表している。これらの図面から判断して、比較例１および比較例２のブレーキディスク材については、亀裂長さが１０ｍｍ以上に達したものが存在することから、大きな亀裂へ進展するおそれがあることが認められる。一方、本発明の実施例１のブレーキディスク材については、亀裂長さは最大でも５ｍｍ程度であり、微細な亀裂は発生するが、大きな亀裂への進展が抑制されていることが確認される。
【００３７】
上記に本発明の幾つかの実施例について説明したが、上記の実施例に限定されるものではないことは言うまでもない。すなわち、化学組成は、Ｃ:３.６〜４.２％、Ｓｉ:１.８〜２.４％、Ｍｎ:０.５〜０.７％、Ｐ:０.０３％以下、Ｓ:０.０３％以下、Ｍｇ:０.００４〜０.０１５％、Ｎｉ:１.０〜３.０％およびＭｏ：０.３〜０.７％の範囲内で含有させ、ＣｒおよびＣｕの含有率を０.０３％以下にし、所定の熱処理（２段焼きなまし又はＳＲ焼鈍）を行うことによりフェライト率が７０％を超えるように基地組織をフェライト化したことを特徴とするものである。なお、繰り返しになるが、本発明の特徴部分について説明する。すなわち、
▲１▼  パーライトおよびフェライトを有する基地組織のフェライト化率を７０％を超えるようにした。基地組織のフェライト率を上げると柔らかくなるので、延びが良くなる。このために、ＭｏやＣｕの添加量を変えている。つまり、Ｃｕの添加量を減らすかゼロにすることにより、パーライト化が抑制されフェライト量が増加するとともに、Ｍｏの含有量を増やすことにより耐熱亀裂性が改善されるからである。
【００３８】
▲２▼  熱処理で基地組織を制御してフェライト化を促進した。つまり、従来はＳＲ焼鈍が一般的であるが、基地組織中にもともとフェライト化の多いものはＳＲ焼鈍で、フェライト率を７０％よりも多くできるが、基地組織中のパーライトの割合が高いものについては、２段焼きなましによってフェライト化を促進する必要がある。
【００３９】
▲３▼  Ｃの含有量を増やすことによって遊離カーボン量が多くなって、熱伝導率が高まる。
【００４０】
▲４▼  耐熱亀裂性を向上したから、引張強度は多少低く（３４０−４００Ｎ/mm2）ても、耐久性が向上し、長期間安定してブレーキディスク材を使用できるようになる。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明に係るブレーキディスク材には、次のような優れた効果がある。
【００４２】
(1) 請求項１に記載の発明によれば、先行技術１のＣＶ黒鉛鋳鉄製ブレーキディスク材に比べて、
▲１▼黒鉛形状は機械強度の高いＣＶ黒鉛のままとし、Ｃ（炭素）量を増やしたことにより遊離炭素量が増えて熱伝導性が高まった、
▲２▼基地組織のフェライト化を促進する熱処理を施し、フェライト率を７０％を超えるようにしたので、パーライト割合の高い先行技術１の基地組織に比べて延伸性が高まって耐熱亀裂性が向上した、
▲３▼Ｍｏ（モリブデン）量を増やしたことにより、耐熱亀裂性が向上した−
したがって、ブレーキディスク材の使用中に微細な熱亀裂が発生することはあってもその微細な亀裂は大きな亀裂には進展せず、また摺動部では摩耗することによって発生した微細な亀裂が消滅するので、寿命が延びて長期使用が可能になる。
【００４３】
(2) 請求項２に記載の発明では、基地組織中にパーライトが多く含まれている場合であっても、２段焼きなましを行うことによって基地組織中のフェライト化が促進され、フェライト率が７０％を超えるようになるから、延性が高められて耐熱亀裂性が向上し、また熱歪みが低減する。
【００４４】
(3) 請求項３に記載の発明は基地組織中のフェライト率がもともと高い場合に適用されるもので、ＳＲ焼鈍によってもフェライト率が７０％を超えて耐熱亀裂性が向上し、熱歪みの低減も図られる。
【００４５】
(4) 請求項４に記載の発明は、化学組成が最良で熱伝導性が高く、フェライト率が極めて高くて耐熱亀裂性に優れ、耐久性が大幅に向上するから、ブレーキディスク材を長期間安定して使用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１に係るブレーキディスク材のリブ芯部を顕微鏡で１００倍に拡大して撮影した顕微鏡写真を図面化して現したものである。
【図２】本発明の実施例３に係るブレーキディスク材のリブ芯部を顕微鏡で１００倍に拡大して撮影した顕微鏡写真を図面化して現したものである。
【図３】本発明のブレーキディスク材の製造過程で使用する２段焼きなまし熱処理における温度と時間の関係を示す線図である。
【図４】本発明のブレーキディスク材の製造過程で使用するＳＲ焼鈍の熱処理における温度と時間の関係を示す線図である。
【図５】本発明の実施例１に係るブレーキディスク材の熱衝撃試験結果を示すもので、亀裂開口幅と亀裂長さの関係を表す線図である。
【図６】比較例１（先行技術１）に係るブレーキディスク材の熱衝撃試験結果を示すもので、亀裂開口幅と亀裂長さの関係を表す線図である。
【図７】比較例２（先行技術２）に係るブレーキディスク材の熱衝撃試験結果を示すもので、亀裂開口幅と亀裂長さの関係を表す線図である。
【符号の説明】
１・１’  ブレーキディスク材
２  フェライト
３  パーライト
４  ＣＶ黒鉛
【図１】
0003730044.tif 000003
【図２】
0003730044.tif 000004
【図３】
0003730044.tif 000005
【図４】
0003730044.tif 000006
【図５】
0003730044.tif 000007
【図６】
0003730044.tif 000008
【図７】
0003730044.tif 000009