(57)【要約】【課題】複雑な製造工程を必要とせず、しかもコスト的にも有利な銅系焼結摩擦材を提供する。【解決手段】銅およびスズを含む銅系焼結摩擦材において、フェロマンガンを２〜２０質量％含有することを特徴とする。この銅系焼結摩擦材は、鉄道車両用制輪子や増粘着研摩子等にも適用可能である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅およびスズを含む銅系焼結摩擦材において、
フェロマンガンを２〜２０質量％含有することを特徴とする、銅系焼結摩擦材。
【請求項２】
前記銅の含有量は５５〜６７質量％、前記スズの含有量は５〜７質量％である、請求項１に記載の銅系焼結摩擦材。
【請求項３】
鉄、硫酸バリウム、黒鉛およびムライトからなる群から選ばれた１種または２種以上の成分を含有する、請求項１または２に記載の銅系焼結摩擦材。
【請求項４】
燐、硫黄、二硫化モリブデンおよびチタン酸カリウムからなる群から選ばれた１種または２種以上の成分を含有する、請求項１〜３のいずれかに記載の銅系焼結摩擦材。
【請求項５】
鉄を５〜７質量％、硫酸バリウムを２〜３質量％、黒鉛を７〜１０質量％およびムライトを３〜５質量％含有する、請求項１または２に記載の銅系焼結摩擦材。
【請求項６】
チタンを０．１〜１．５質量％含有する、請求項１〜５のいずれかに記載の銅系焼結摩擦材。
【請求項７】
鋼製台金と、この鋼製台金に溶接によって固定された鋼製補強板と、銅およびスズを含み、前記鋼製補強板上に加圧焼結によって接合した銅系焼結摩擦材とを備えた鉄道車両用制輪子において、
前記銅系焼結摩擦材は、フェロマンガンを２〜２０質量％含有することを特徴とする、鉄道車両用制輪子。
【請求項８】
前記銅系焼結摩擦材中の銅の含有量は５５〜６７質量％、スズの含有量は５〜７質量％である、請求項７に記載の鉄道車両用制輪子。
【請求項９】
前記銅系焼結摩擦材は、鉄を５〜７質量％、硫酸バリウムを２〜３質量％、黒鉛を７〜１０質量％およびムライトを３〜５質量％含有する、請求項７または８に記載の鉄道車両用制輪子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、銅系焼結摩擦材およびそれを用いた鉄道車両用制輪子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特開２００７−３０９３６８号公報（特許文献１）は、鉄道車両用制輪子においては、主として銅系焼結摩擦材が使用されることを記載している。鉄道車両用制輪子は、銅系焼結摩擦材と、それを支持する鋼板の台金とで構成されている。
【０００３】
銅系焼結摩擦材として要求される特性は、耐摩耗性が良好であること、相手材に対する攻撃性が緩やかであること、およびブレーキ時の制動距離を比較的短くできることである。このような特性の向上を目指して、従来から、摩擦材中に、黒鉛、アルミナ、シリカ、二硫化モリブデン、鉛、ビスマス等の種々の物質を分散させることが試みられている。
【０００４】
これらの物質の中で、黒鉛は摩擦係数を安定させ、摩擦材自体の摩耗および対面材料の摩耗を少なくし得るが、銅や銅合金との濡れ性が悪く、多量に含有させるとブレーキ制動時に摩擦材本体から脱落し易くなる可能性がある。アルミナやシリカは、摩擦材自体の耐摩耗性を向上させることに寄与するが、相手材に対する攻撃性がより強くなる。二硫化モリブデンは、多量に含有させると、摩擦材自体の強度を低下させるおそれがある。鉛やビスマスは、環境問題を考慮して、その使用が制限されている。
【０００５】
特開平９−６０６７３号公報（特許文献２）は、ブレーキライニング等に使用される銅系焼結摩擦材において、耐摩耗性が良好で対面材料に対する攻撃性を緩やかにするために、充填材としてチタンを０．２〜５．０体積％、黒鉛粉末を５〜１５体積％含ませ、黒鉛粉末の一部または全部の表面をチタンにより被覆させることを提案している。この公報には、チタンは、黒鉛および銅の両方と濡れ性が良いので、チタンを黒鉛粉末の表面に付着させれば黒鉛が摩擦材本体から脱落しにくくなるという作用効果が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−３０９３６８号公報
【特許文献２】特開平９−６０６７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特開平９−６０６７３号公報（特許文献２）に開示された摩擦材を得るためには、黒鉛粉末表面にチタンを被覆させるための造粒法または複合化法を行なうことが必要である。造粒方法として、転動造粒、流動層造粒、撹拌造粒、押出造粒、砕解造粒、溶解造粒等が例示されている。また、複合化法として、メカノフージョン処理、クリプトロン処理、ハイブリダイゼーション処理等が例示されている。このような造粒法または複合化法は、摩擦材の製造工程を複雑にするとともに、摩擦材の製造コストを引き上げてしまう。また、チタンは高価であり、多く含ませれば、摩擦材のコストアップを招く。
【０００８】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、複雑な製造工程を必要とせず、しかもコスト的にも有利な銅系焼結摩擦材を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に従った銅系焼結摩擦材は銅およびスズを含むものであり、フェロマンガンを２〜２０質量％含有することを特徴とする。
【００１０】
好ましい実施形態においては、銅系焼結摩擦材中の銅の含有量は５５〜６７質量％、スズの含有量は５〜７質量％である。
【００１１】
さらに、好ましくは、銅系焼結摩擦材は、さらに、鉄、硫酸バリウム、黒鉛およびムライトからなる群から選ばれた１種または２種以上の成分を含有する。一つの実施形態では、銅系焼結摩擦材は、鉄を５〜７質量％、硫酸バリウムを２〜３質量％、黒鉛を７〜１０質量％およびムライトを３〜５質量％含有する。
【００１２】
銅系焼結摩擦材は、さらに、燐、硫黄、二硫化モリブデンおよびチタン酸カリウムからなる群から選ばれた１種または２種以上の成分を含有しても良い。
【００１３】
銅系焼結摩擦材は、チタンを０．１〜１．５質量％含有しても良い。
【００１４】
この発明に従った鉄道車両用制輪子は、鋼製台金と、この鋼製台金に溶接によって固定された鋼製補強板と、銅およびスズを含み、上記鋼製補強板上に加圧焼結によって接合した銅系焼結摩擦材とを備える。ここで、銅系焼結摩擦材は、フェロマンガンを２〜２０質量％含有することを特徴とする。
【００１５】
好ましい実施形態では、銅系焼結摩擦材中の銅の含有量は５５〜６７質量％、スズの含有量は５〜７質量％である。
【００１６】
さらに、好ましくは、銅系焼結摩擦材は、鉄を５〜７質量％、硫酸バリウムを２〜３質量％、黒鉛を７〜１０質量％およびムライトを３〜５質量％含有する。
【発明の効果】
【００１７】
フェロマンガンは比較的安価であり、入手し易い材料である。このフェロマンガンの適量を銅系焼結摩擦材中に含ませることにより、摩擦材自体の耐摩耗性を向上させつつ、相手攻撃性を緩和し、さらにブレーキ時の制動距離を比較的短くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の適用例である鉄道車両用制輪子を示す図である。
【図２】銅系焼結摩擦材の性能を評価するための試験機を示す図である。
【図３】車輪の摩耗量を測定するための方法を図解的に示す図である。
【図４】ＦｅＭｎ含有量と制動距離（停止距離）との関係を示す図である。
【図５】ＦｅＭｎ含有量と摩擦材摩耗量との関係を示す図である。
【図６】ＦｅＭｎ含有量と車輪摩耗量との関係を示す図である。
【図７】Ｃｕの重量部数と摩擦材摩耗量との関係を示す図である。
【図８】Ｃｕの重量部数と車輪摩耗量との関係を示す図である。
【図９】Ｃｕの重量部数と停止距離（制動距離）との関係を示す図である。
【図１０】Ｔｉの含有量と摩擦材摩耗量との関係を示す図である。
【図１１】Ｔｉの含有量と車輪摩耗量との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１は、本発明の一つの適用例である鉄道車両用制輪子を示している。まず、図１を参照して、鉄道車両用制輪子の構造を説明する。
【００２０】
鉄道車両用制輪子１０は、円弧状に形成された鋼製台金１１と、鋼製台金１１に溶接によって固定された鋼製補強板１３と、補強板１３上に加圧焼結によって接合した銅系焼結摩擦材１４とを備える。鋼製台金１１は、車両側に取り付けられた制輪子頭の凹部に遊嵌される取付部１２を有する。
【００２１】
銅系焼結摩擦材１４は、主成分として銅およびスズを含むものである。本発明の特徴とするところは、銅系焼結摩擦材１４が、所定量のフェロマンガンを含むことにある。フェロマンガンは、チタン等に比べて低価格であり、入手し易い材料である。本願発明者は、実験を通して、所定量のフェロマンガンを含有すれば、銅系焼結摩擦材の特性を向上させ得ることを見出した。以下に、この点を詳細に説明する。
【００２２】
［フェロマンガン］
フェロマンガン（ＦｅＭｎ）はマンガンと鉄の合金であり、様々な種類のものがある。ＪＩＳ  Ｇ２３０１「フェロマンガン」には、以下の種類のものが記載されている。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
本願発明者は、以下に記載する実験では高炭素フェロマンガンを使用したが、中炭素フェロマンガンおよび低炭素フェロマンガンを使用しても同様な効果が見込まれる。
【００２５】
［成分材料および配合割合］
以下の表２に示す成分材料および配合割合の試料番号１〜１８を準備した。試料番号１〜１１は、銅、スズ、鉄、硫酸バリウム、黒鉛、ムライトの各重量部を一定にし、フェロマンガン（ＦｅＭｎ）の添加量を０〜３０重量部の間で徐々に変化させたものである。試料番号１２〜１６は、銅、スズ、鉄、硫酸バリウム、黒鉛、ムライトの各重量部を一定にし、チタン（Ｔｉ）の含有量を０．１〜２の間で徐々に変化させたものである。試料番号１７および１８は、スズ、鉄、硫酸バリウム、黒鉛、ムライトおよびフェロンマンガンの各重量部を一定にし、銅の含有量を６０重量部および８０重量部にしたものである。
【００２６】
【表２】
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【００２７】
表２は重量部数で含有量を表したものである。以下の表３は、表２の含有量を質量％で表したものである。
【００２８】
【表３】
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【００２９】
［銅系焼結摩擦材の製造］
出発材料の混合は、以下の条件で行なった。
【００３０】
ａ）混合機
Ｖ型ミキサーを使用した。
【００３１】
ｂ）混合時間
出発材料粉体をＶ型ミキサーに投入し、約２０分間混合した。
【００３２】
ｃ）圧粉条件
成形物寸法：１００ｍｍｘ３７ｍｍの長方形底面で、高さが４０ｍｍ。
【００３３】
成形圧：４ｔｏｎ／ｃｍ２
成形ｔｏｎ数：１４８ｔｏｎ
加圧時間：１０秒
【００３４】
ｄ）焼結条件
真空焼結炉内で３５０℃に昇温、この温度で３０分間保持してオイルを除去した。その後、３０分かけて９００℃に昇温（昇温速度１８．３℃／ｍｉｎ）し、この温度で６０分間保持した。その後、５０℃まで降温した。
【００３５】
［試験機および試験条件］
図２に示す試験機を用いて、銅系焼結摩擦材の性能を評価した。試験機は、車輪１と、摩擦材２（銅系焼結摩擦材）と、押付装置３と、舟体４と、ロードセル５と、慣性体６と、モータ７とを備える。
【００３６】
試験条件は、以下のとおりである。
【００３７】
制動初速度：７０ｋｍ／ｈ
車輪径：４００ｍｍ
摩擦材押付力：３．８ｋＮ
等価慣性モーメント：３９．２ｋｇ・ｍ２
試験回数：５０回
制動初速度７０ｋｍ／ｈから摩擦材を押し当て、停止（車輪回転停止）までを１サイクルとして、各試料に対して５０回の試験を実施した。
【００３８】
［特性測定方法］
摩擦材（銅系焼結摩擦材）摩耗量：試験前後の質量差分にて算出した。
【００３９】
車輪摩耗量：小型粗さ測定器（小坂研究所製ｓｕｒｆ−ｃｏｒｄｅｒ  ＳＥ５００）を用いて測定した。具体的には、以下の手順で行った。図３に測定方法を図解的に示す。
【００４０】
１）試験前の車輪軸方向の断面曲線を取得。
【００４１】
２）試験後の車輪軸方向の断面曲線を取得。
【００４２】
３）上記の２曲線を重ね合わせ、形状の差分を図示。
【００４３】
４）差分を等間隔にて読み取った。
【００４４】
制動距離：試験機計測システムにて、πｘ車輪径ｘ車輪回転数を計測した。車輪回転数は、ブレーキ開始から停止までの累計である。
【００４５】
[ＦｅＭｎ含有率による特性比較]
フェロマンガン（ＦｅＭｎ）の含有率を０〜３０重量部まで変化させた試料番号１〜１１の摩擦材特性を以下の表４に示す。
【００４６】
【表４】
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【００４７】
ＦｅＭｎ含有量と制動距離（停止距離）との関係を図４に示し、ＦｅＭｎ含有量と摩擦材摩耗量との関係を図５に示し、ＦｅＭｎ含有量と車輪摩耗量との関係を図６に示す。
【００４８】
図４に示すように、ＦｅＭｎの含有量が０〜２５重量部までは停止距離が２５０ｍ前後であまり大差は無いが、３０重量部になると停止距離が３５０ｍ近くまでとなって制動性能の低下が見られた。制動性能の観点からすると、ＦｅＭｎの含有量は２５重量部以下が好ましい。
【００４９】
図５に示すように、ＦｅＭｎの含有量が０〜１重量部までは１．５０ｇを超える摩擦材摩耗量であったが、３重量部以上になると摩擦材摩耗量が急激に低下し、約１．００ｇ以下となった。銅系焼結摩擦材の耐摩耗性の観点からすると、ＦｅＭｎの含有量は３重量部以上が好ましい。
【００５０】
図６に示すように、ＦｅＭｎの含有量が０だと、車輪の摩耗量が１．５μｍと大きく、相手攻撃性が活発であることが認められる。ＦｅＭｎの含有量が０．５重量部以上になると、車輪摩耗量が０．８μｍ以下と小さくなり、相手攻撃性が緩和されていることが認められる。
【００５１】
以上の結果から、銅系焼結摩擦材の特性をバランスよく向上させるためのＦｅＭｎの好ましい含有量は、３〜２５重量部であると認められる。この重量部を質量％で換算すると、２．９〜１９．７質量％となる。したがって、好ましいＦｅＭｎの含有量は、銅系焼結摩擦材全体に対して２〜２０質量％である。
【００５２】
［ＦｅＭｎ７重量部におけるＣｕの重量部数変化の特性比較］
ＦｅＭｎを７重量部にし、Ｃｕの含有量を６０重量部（試料番号１７）、７０重量部（試料番号６）、８０重量部（試料番号１８）にした場合の摩擦材特性を比較した。その結果を以下の表５に示す。
【００５３】
【表５】
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【００５４】
Ｃｕの重量部数と摩擦材摩耗量との関係を図７に示し、Ｃｕの重量部数と車輪摩耗量との関係を図８に示し、Ｃｕの重量部数と停止距離（制動距離）との関係を図９に示す。
【００５５】
図７に示すように、Ｃｕの重量部数が７０以下であれば、摩擦材摩耗量が０．７０ｇ程度と小さいが、８０重量部になると摩擦材摩耗量が１．２０ｇ程度に上昇していることが認められる。銅系焼結摩擦材の耐摩耗性の観点からすると、Ｃｕの重量部数は７５以下であることが望ましい。
【００５６】
図８に示すように、Ｃｕの重量部数が６０〜８０であれば、車輪摩耗量が約０．４０μｍと低く維持されることが認められる。
【００５７】
図９に示すように、停止距離（制動距離）に関しては、Ｃｕの重量部数が７０以下であれば３００ｍ以下であるが、８０重量部になると４００ｍ近くになり制動性能の低下をもたらす。制動性能の観点からすると、Ｃｕの重量部数は７５以下であることが望ましい。
【００５８】
以上の結果から、フェロマンガンを７重量部含む銅系焼結摩擦材中の銅の含有量は７５重量部程度以下であることが望ましいと認められる。
【００５９】
［Ｔｉ含有率に関する特性比較］
フェロマンガンを含有せずに、チタン（Ｔｉ）を含有させた場合の銅系焼結摩擦材の特性を評価した。Ｔｉを０〜２重量部の間で徐々に変化させた試料番号１、１２〜１６の摩擦材特性を表６に示す。
【００６０】
【表６】
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【００６１】
Ｔｉの含有量（重量部数）と摩擦材摩耗量との関係を図１０に示し、Ｔｉの含有量（重量部数）と車輪摩耗量との関係を図１１に示す。
【００６２】
図１０に示すように、Ｔｉを含まない試料番号１の摩擦材摩耗量は２ｇ程度であり、耐摩耗性が劣っていることが認められる。Ｔｉの含有量が０．１〜１重量部であれば、摩擦材摩耗量が１．５ｇ以下であり、耐摩耗性が向上している。Ｔｉの含有量が２重量部になると、摩擦材摩耗量が１．５ｇを超えるようになり、耐摩耗性が低下する。
【００６３】
図１１に示すように、Ｔｉの含有量が０の場合、車輪摩耗量が１．５μｍであり、相手攻撃性が活発であることが認められる。Ｔｉの含有量が０．１重量部以上であれば、車輪摩耗量が１μｍ以下となり、相手攻撃性が緩和していることが認められる。
【００６４】
図１０および図１１に示す結果から、好ましいＴｉの含有量は０．１〜１．５重量部であると認められる。重量部を質量％で換算すると、好ましいＴｉ含有量は０．１〜１．５質量％である。
【００６５】
［好ましい成分物質およびその量］
銅系焼結摩擦材の特性を向上させるために、所定量のフェロマンガンを含有させることに加えて、他の物質を含有させるようにしても良い。上述したように、０．１〜１．５質量％のチタンの含有は、摩擦材の耐摩耗性を向上させるとともに、相手攻撃性を緩和する。したがって、フェロマンガンと共にチタンを含有させることにより、銅系焼結摩擦材の特性を向上させることができる。
【００６６】
試料番号２〜１１で示したように、銅系焼結摩擦材は、銅、スズ、フェロマンガンに加えて、鉄、硫酸バリウム、黒鉛およびムライトからなる群から選ばれた１種または２種以上の成分を含有してもよい。試料番号２〜１１は、これらの全ての物質を含有している。好ましい含有量は、鉄５〜７質量％、硫酸バリウム２〜３質量％、黒鉛７〜１０質量％、ムライト３〜５質量％である。
【００６７】
鉄は、摩擦材の摩擦力向上および耐摩耗性向上に寄与する。硫酸バリウムは、摩擦材の耐熱性向上およびコスト低減に寄与する。黒鉛は、摩擦材の潤滑性向上および相手攻撃性緩和に寄与する。ムライトは、摩擦材の耐摩耗性向上に寄与する。
【００６８】
上記以外の成分として、燐、硫黄、二硫化モリブデンおよびチタン酸カリウムからなる群から選ばれた１種または２種以上の成分を含有するようにしても良い。燐は、摩擦材の物性値向上に寄与する。硫黄は、摩擦材の潤滑性向上に寄与する。二硫化モリブデンは、摩擦材の潤滑性向上に寄与する。チタン酸カリウムは、摩擦材の耐摩耗性向上および相手攻撃性緩和に寄与する。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明は、銅系焼結摩擦材およびそれを使用した鉄道車両用制輪子として有利に利用され得る。さらに、本発明は、増粘着研摩子等にも適用可能である。
【符号の説明】
【００７０】
１  車輪、２  摩擦材、３  押付装置、４  舟体、５  ロードセル、６  慣性体、７  モータ、１０  鉄道車両用制輪子、１１  鋼製台金、１２  取付部、１３  鋼製補強板、１４  銅系焼結摩擦材。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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