(57)【要約】【課題】鋳鉄材と不溶着で密着性に優れ、万一制輪子本体に亀裂が入っても鋼板までは届きにくい鋳鉄制輪子とその製造方法及びこれに用いる鋳ぐるみ用鋼板とコーティング剤を提供する。【解決手段】鋳ぐるみ用鋼板で構成されている背板２と、背板２の下面に積層されている鋳鉄制輪子本体４を含む鋳鉄制輪子１であって、背板２の少なくとも鋳鉄制輪子本体側表面には耐熱性無機微粒子を含む亀裂障壁層３が形成されている。耐熱性無機微粒子は、ジルコン（ＺｒＳｉＯ4）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）及びムライト（３Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2）  から選ばれる少なくとも一つが好ましい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋳ぐるみ用鋼板で構成されている背板と、前記背板の下面に積層されている鋳鉄制輪子本体を含む鋳鉄制輪子であって、
前記背板の少なくとも鋳鉄制輪子本体側表面には耐熱性無機微粒子を含むコーティング層が形成されており、前記コーティング層は亀裂障壁層であることを特徴とする鋳鉄制輪子。
【請求項２】
前記耐熱性無機微粒子は、ジルコン（ＺｒＳｉＯ4）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）及びムライト（３Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2）から選ばれる少なくとも一つである請求項１に記載の鋳鉄制輪子。
【請求項３】
前記亀裂障壁層の平均厚さは３０〜１５０μｍである請求項１又は２に記載の鋳鉄制輪子。
【請求項４】
前記亀裂障壁層を１００質量％としたとき、耐熱性無機微粒子は３０〜８０質量％（固形分）の範囲である請求項１〜３のいずれかに記載の鋳鉄制輪子。
【請求項５】
前記亀裂障壁層には、さらにシリカ粒子を含む請求項１〜４のいずれかに記載の鋳鉄制輪子。
【請求項６】
前記背板は、側面に複数の凹凸がある請求項１〜５のいずれかに記載の鋳鉄制輪子。
【請求項７】
前記複数の凹凸は、側面から内側に向かう切り欠き部及び溝部から選ばれる少なくとも一つである請求項６に記載の鋳鉄制輪子。
【請求項８】
前記鋳ぐるみ用鋼板は、高張力鋼及び構造用圧延鋼から選ばれる少なくとも一つである請求項１〜７のいずれかに記載の鋳鉄制輪子。
【請求項９】
前記鋳鉄は、含燐鋳鉄である請求項１〜８のいずれかに記載の鋳鉄制輪子。
【請求項１０】
鋳ぐるみ用鋼板にコーティング剤を塗布し、乾燥させ、鋳型に設置し、鋳鉄溶湯を鋳込んでインサート成形する請求項１〜９のいずれかに記載の鋳鉄制輪子の製造方法であって、
前記コーティング剤は、全体を１００質量％としたとき、平均粒径２５〜４５μｍの耐熱性無機微粒子を２０〜４５質量％、平均粒径３０μｍ以下のシリカ粒子を１０〜３０質量％、粘結材を２〜１０質量％及び水を３０〜６０質量％混合した懸濁液であることを特徴とする鋳鉄制輪子の製造方法。
【請求項１１】
請求項１〜９のいずれかに記載の鋳鉄制輪子に使用するための鋳ぐるみ用鋼板であって、
前記鋳ぐるみ用鋼板の表面には耐熱性無機微粒子を含む亀裂障壁層が形成されていることを特徴とする鋳ぐるみ用鋼板。
【請求項１２】
請求項１〜９のいずれかに記載の鋳鉄制輪子に使用するためのコーティング剤であって、
前記コーティング剤は、全体を１００質量％としたとき、平均粒径２５〜４５μｍの耐熱性無機微粒子を２０〜４５質量％、平均粒径３０μｍ以下のシリカ粒子を１０〜３０質量％、粘結材を２〜１０質量％及び水を３０〜６０質量％混合した懸濁液であることを特徴とするコーティング剤。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道車両等に組み込む鋳鉄制輪子とその製造方法及びこれに用いる鋳ぐるみ用鋼板とコーティング剤に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋳鉄制輪子は粘着力が高く、車輪を傷めないという利点があるが、重量が重いという問題があり、汎用性が低く、山岳地帯や積雪地域で主に使用されてきた。しかし、近年はエンジンブレーキが発達し、低速域で制輪子を使用すれば済むようになってきたことから、粘着力が高く、車輪を傷めない鋳鉄制輪子が再び見直されてきている。鋳鉄制輪子は、鉄道車両の制動部品であり重要保安部品であることから、補強部品として鋼板が鋳（い）ぐるまれている場合が多い。このような鋼板入り鋳鉄制輪子の製造方法として、鋳鉄制輪子の鋳型内に鋼板をセットし、鋳ぐるむ方法が知られている。このような鋼板においては、例え、鋳鉄材に亀裂が発生進展しても鋳ぐるまれた鋼板で止まり、鋼板にまで進展しないために、鋳鉄材と鋳ぐるまれた鋼板が不溶着で、鋼板外周表面と鋳鉄材との密着性が高いこと重要である。従来、鋳ぐるまれる鋼板との密着性の高い鋳鉄制輪子を得るために以下のような方法が知られている。(1)鋳型や中子の砂の表面を溶湯の熱から保護し、鋳肌を改善する。(2)焼付を防止する目的で鋳型表面に塗布する塗型材料を転用使用する。一例として、黒鉛を混濁させた水性塗型材料を塗布する。
【０００３】
特許文献１〜２には、鋳鉄製摩擦材部の一部にセラミックス及び炭素繊維を含むブロックを埋め込むことが提案されている。本出願人は特許文献３において、銅系焼結制輪子を提案している。特許文献４には、鉄系焼結金属摩擦材と補強板を加圧接着焼結して制輪子とすることが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−１６５１６２号公報
【特許文献２】特開２０１２−１８９１７５号公報
【特許文献３】特開２０１４−２１８７２３号公報
【特許文献４】特開２００７−３０９３６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来の鋳鉄制輪子は、鋳鉄材と鋼板が溶着し一体化し、鋳鉄材と溶着した鋼板表面の組織が変態し脆性するため、例えば制輪子本体に亀裂が入ると鋼板まで亀裂が入ってしまい、補強材としての効果が十分に発揮しにくいという問題があった。
【０００６】
本発明は前記従来の問題を解決するため、鋳鉄材と不溶着で密着性に優れ、万一制輪子本体に亀裂が入っても鋼板までは届きにくい鋳鉄制輪子とその製造方法及びこれに用いる鋳ぐるみ用鋼板とコーティング剤を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の鋳鉄制輪子は、鋳ぐるみ用鋼板で構成されている背板と、前記背板の下面に積層されている鋳鉄制輪子本体を含む鋳鉄制輪子であって、前記背板の少なくとも鋳鉄制輪子本体側表面には耐熱性無機微粒子を含むコーティング層が形成されており、前記コーティング層は亀裂障壁層であることを特徴とする。
【０００８】
本発明の鋳鉄制輪子の製造方法は、鋳ぐるみ用鋼板にコーティング剤を塗布し、乾燥させ、鋳型に設置し、鋳鉄溶湯を鋳込んでインサート成形する前記鋳鉄制輪子の製造方法であって、前記コーティング剤は、全体を１００質量％としたとき、平均粒径２５〜４５μｍの耐熱性無機微粒子を２０〜４５質量％、平均粒径３０μｍ以下のシリカ粒子を１０〜３０質量％、粘結材を２〜１０質量％及び水を３０〜６０質量％混合した懸濁液であることを特徴とする。
【０００９】
本発明の鋳ぐるみ用鋼板は、前記の鋳鉄制輪子に使用するための鋳ぐるみ用鋼板であって、前記鋳ぐるみ用鋼板の表面には耐熱性無機微粒子を含む亀裂障壁層が形成されていることを特徴とする。
【００１０】
本発明のコーティング剤は、前記の鋳鉄制輪子に使用するためのコーティング剤であって、全体を１００質量％としたとき、平均粒径２５〜４５μｍの耐熱性無機微粒子を２０〜４５質量％、平均粒径３０μｍ以下のシリカ粒子を１０〜３０質量％、粘結材を２〜１０質量％及び水を３０〜６０質量％混合した懸濁液であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、鋳ぐるみ用鋼板からなる背板の表面には耐熱性無機微粒子を含む亀裂障壁層が形成されていることにより、鋳鉄材と不溶着で密着性に優れ、万一制輪子本体に亀裂が入っても背板までは届きにくい鋳鉄制輪子とその製造方法及びこれに用いる鋳ぐるみ用鋼板とコーティング剤を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は本発明の一実施形態における車両用制輪子の正面断面図である。
【図２】図２は同制輪子の背板から見た平面図である。
【図３】図３は図１のII−II線断面図である。
【図４】図４は図１のIII−III線断面図である。
【図５】図５は同制輪子の斜視図である。
【図６】図６Ａは同制輪子本体に亀裂が入ることを説明する模式的断面図、図６Ｂは従来例の亀裂説明図である。
【図７】図７は本発明の別の実施形態における車両用制輪子の正面断面図である。
【図８】図８は同制輪子の背板から見た平面図である。
【図９】図９は図７のIV−IV線断面図である。
【図１０】図１０は図７のV−V線断面図である。
【図１１】図１１は同制輪子の斜視図である。
【図１２】図１２Ａ−Ｂは、実施例１の鋼板を用いて鋳鉄材を鋳造して得た鋳鉄制輪子の境界部分における顕微鏡写真（倍率１００倍）である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の鋳鉄制輪子は、鋳ぐるみ用鋼板で構成されている背板と、前記背板の下面に積層されている鋳鉄制輪子本体を含む鋳鉄制輪子であり、前記背板の少なくとも鋳鉄制輪子本体側表面には耐熱性無機微粒子を含む亀裂障壁層が形成されている。前記亀裂障壁層は鋳鉄制輪子本体側表面に全体にわたり形成されていてもよいし、部分的に形成されていてもよい。部分的に形成する場合は、７０％の面積が好ましく、より好ましくは８０％以上の面積であり、さらに好ましくは９０％以上の面積である。本発明において、無機微粒子の耐熱性は鋳造温度（溶湯温度）１４００℃より高いことが好ましい。好ましい耐熱性無機微粒子は、ジルコン（ＺｒＳｉＯ4：融点２７００℃）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3：融点２０７２℃）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ：融点１８５０℃）又はムライト（３Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2：融点２８５２℃）等である。この中でもジルコンは扱いやすく、亀裂障壁効果が高いことから好ましい。
【００１４】
亀裂障壁層の平均厚さは３０〜１５０μｍが好ましい。この範囲内とすることにより、背板の鋼板と鋳鉄材の密着性を強固にすることができる。亀裂障壁層の平均厚さが３０μｍ未満では、鋼板と鋳鉄材の密着性が維持できず溶着する傾向となる。また、亀裂障壁層の平均厚さが１５０μｍを超えると、鋼板と鋳鉄材との間に空隙が生じ、密着性に劣る傾向となるうえ、鋼板が鋳鉄材から外れることも懸念される。より好ましい平均厚さは４０〜１２５μｍであり、さらに好ましくは５０〜１００μｍである。
【００１５】
亀裂障壁層を１００質量％としたとき、前記耐熱性微粒子は４０〜８０質量％（固形分）の範囲が好ましく、より好ましくは４５〜７５質量％であり、さらに好ましくは５０〜７０質量％である。これにより、鋳鉄材と不溶着で密着性に優れ、万一制輪子本体に亀裂が入っても鋼板までは届きにくい効果をより発揮できる。亀裂障壁層には、さらにシリカを含むことが好ましい。これにより均一な亀裂障壁層が得られる。
【００１６】
背板は、側面に複数の凹凸があることが好ましい。これにより、鋳鉄材とより堅牢な密着が達成できる。また、前記複数の凹凸は、側面から内側に向かう切り欠き部及び溝部から選ばれる少なくとも一つであるのが好ましい。切り欠き部は、内側に向かう湾曲形状の切り欠き部がより好ましい。切欠き部や溝部を形成させると、より効果的に鋳鉄材と堅牢な密着が達成できる。
【００１７】
鋳ぐるみ用鋼板（背板）は、高張力鋼及び構造用圧延鋼から選ばれる少なくとも一つが好ましい。高張力鋼又は構造用圧延鋼は強度が高く弾性も高いことから、背板に適している。背板の大きさは、長さ２００〜３５０ｍｍ、  幅２５〜９０ｍｍ、厚さ４．５〜９．０ｍｍが好ましい。
【００１８】
鋳鉄は含燐鋳鉄が好ましい。含燐鋳鉄は耐摩耗性が高いからである。燐の割合は０．１〜３．５質量％が好ましい。鋳鉄制輪子本体の大きさは、一例として、長さ２５０〜４００ｍｍ、幅７０〜１３０ｍｍ、厚さ４０〜８０ｍｍが好ましい。
【００１９】
本発明の鋳鉄制輪子の製造方法は、鋳ぐるみ用鋼板にコーティング剤を塗布し、乾燥させ、鋳型に設置し、鋳鉄溶湯を鋳込んでインサート成形する方法において、コーティング剤として、全体を１００質量％としたとき、平均粒径２５〜４５μｍの耐熱性微粒子を２０〜４５質量％、平均粒径３０μｍ以下のシリカ粒子（シリカフラワー）を１０〜３０質量％、粘結材を２〜１０質量％及び水を３０〜６０質量％混合した懸濁液を使用する。耐熱性微粒子としてはジルコンフラワーが好ましい。ジルコンフラワーはケイ酸ジルコニウム（ＺｒＳｉＯ4）粒子のことであり、シリカフラワーはシリカヒューム粒子のことである。
【００２０】
鋳ぐるみ用コーティング剤には、溶湯が鋳ぐるみ材へ焼き付く（溶着する）のを防止する役目と、適正な材質を得るために冷却速度を制御する断熱材の役目が要求される。一例としてジルコンフラワー、シリカフラワーはコーティング剤の基材となるもので、本発明で使用されるコーティング剤においては、ジルコンフラワーの平均粒径が表面粗さを決める要素となり、シリカフラワーは亀裂障壁層の均一性を得る役割を果たす。また、粘結剤はそれらをつなぎ合わせ塗型材の強度を確保する役割を果たし、本発明で用いられる粘結剤としては、ベントナイト、でん粉等が挙げられる。
【００２１】
そして、水量は表面厚さを均一に調整する役割がある。本発明においては、上記各成分を特定の割合で混合して使用することにより、均一な表面厚さを得ることができる。また、表面厚さの最大厚さは、ジルコンフラワーとシリカフラワーの混合比により決まる。すなわち、ジルコンフラワーの比率が高いほど表面厚さが厚くなる。
【００２２】
本発明においては、例えば、ジルコンフラワーとシリカフラワーの比が一定の場合、ジルコンフラワーの平均粒径が４５μｍｍ超であるとコーティング厚さが過大となり、２５μｍ未満であると厚さが過小となるため好ましくない。また、粘結剤の配合量が２質量％未満であると厚さが過大となり、１０質量％超であると厚さが過小となるため好ましくない。また、シリカフラワーが１０質量％未満であると塗型が不均一になり、３０質量％超であるとコーティング厚さが過小となるため好ましくない。粒子径の測定はレーザー回折光散乱法により測定し、メディアン径（ｄ50）を平均粒子径とする。この測定器としては、例えば堀場製作所製社製のレーザー回折／散乱式粒子分布測定装置ＬＡ−９５０Ｓ２がある。
【００２３】
本発明の鋼板の製造方法は、鋳型内にコーティング材を塗布した鋼板を乾燥させた後、この鋳型内に鋳鉄溶湯を鋳込んで成形する。コーティング方法は、浸漬、スプレー塗装、刷毛塗り、ローラー塗装等いかなる方法でもよい。
【００２４】
以下図面を用いて説明する。以下の図面において、同一符号は同一部品又は同一物を示す。図１は本発明の一実施形態における車両用鋳鉄制輪子１の正面断面図（図２のＩ−Ｉ線断面図）、図５は同制輪子の斜視図である。この鋳鉄制輪子１は、背板２の下面に亀裂障壁層３が形成され、その下に鋳鉄制輪子本体４が鋳込まれている。５は車輪と接触する摩擦面である。背板２の下面に亀裂障壁層３が形成されていると、図６Ａに示すように、何らかの原因により制輪子本体４に亀裂１１が入っても、亀裂障壁層３で止まり、背板２までは届かないか又は届きにくい。これにより背板２の損傷を防ぎ、大きな事故を防ぐことができる。これに対して亀裂障壁層３が無い図６Ｂの従来例では制輪子本体４に亀裂１２が入ると背板２まで亀裂が入ってしまうおそれがあった。
【００２５】
図２は同制輪子の背板２から見た平面図である。背板２の側面には、内側に向かう湾曲形状の切り欠き部７が複数（この例では８個）形成されている。鋳鉄制輪子本体は背板２の上面と面一になるように鋳込まれているので、複数の切り欠き部７により、背板２と鋳鉄制輪子本体４との堅牢な密着が達成できる。背板２の中央には取り付け部６が形成されている。鋳鉄制輪子本体４の反フランジ側の側面８はストレートである。鋳鉄制輪子本体４のフランジ側の側面９は、中央はストレートであるが、両端は耳部１０ａ，１０ｂが形成されている。
【００２６】
図３は図１のＩ−Ｉ線断面図、図４は図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。図３〜４から明らかなように、背板２の上面と面一になるように鋳鉄制輪子本体４が鋳込まれている。
【００２７】
図７は本発明の別の実施形態における車両用制輪子１３の正面断面図（図８のVI−VI線断面図）、図８は同制輪子１３の背板から見た平面図、図９は図７のIV−IV線断面図、図１０は図７のV−V線断面図、図１１は同制輪子１３の斜視図である。図１〜５の制輪子１と比べて相違する点は、耳部１０ａ，１０ｂが無い点である。その他の点は同一である。
【実施例】
【００２８】
以下実施例を用いて本発明を説明する。本発明は以下の実施例に限定して解釈されるものではない。
【００２９】
各実施例において、鋳鉄は含燐鋳鉄（０．５質量％燐）を用いた。鋳ぐるみ用鋼板（背板）は高張力鋼板を使用し、鋼板厚さ６ｍｍとした。
下記表１に示す組成の各コーティング剤を用いて、各鋳鉄制輪子を製造した。具体的には、鋼板の表面に各コーティング剤を平均厚さが５０〜１５０μｍとなるようにスプレー塗装、乾燥させた後、鋳型内に設置し、鋳鉄溶湯を鋳型に注ぎ鋳込み成形を行った。鋳鉄制輪子形状は図７〜１１（耳なし）とし、鋳造条件は、溶湯温度を１４００℃、鋳込時間２５secとした。各コーティング剤の内容を表１に示す。
【００３０】
【表１】
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【００３１】
（実施例１〜１７）
鋳鉄制輪子において、上記コーティング剤１〜４をスプレー塗装方法によってコーティングして亀裂障壁層とした鋼板と鋳鉄材の密着性を調べた。密着性の評価は、鋳造後の、鋼板が鋳ぐるまれた鋳鉄制輪子を小さく切断し、鋼板と鋳鉄材が１０ｍｍ角まで剥離しないものをＡ、２０ｍｍ角まで剥離しないものをＢ、それ以上のサイズで剥離するものをＣ、溶着しているものをＤとして評価した。結果を表２に示す。
【００３２】
【表２】
2019148310.tif 000004
【００３３】
表２から、コーティング層の平均厚さが５０〜１５０μｍの範囲内であれば良好な密着性が得られることが分かる。また、図１２Ａ−Ｂには、実施例１の鋼板を用いて鋳鉄材を鋳造して得た鋳鉄制輪子の上記境界部分における顕微鏡写真（倍率１００倍）を示す。図１２Ａ−Ｂにおいて、鋼板１４と鋳鉄１６の間にコーティング層からなる亀裂障壁層１５が介在し、亀裂障壁層１５の平均厚さＬ１，Ｌ２はいずれも５０μｍであった。実施例１の鋼板を用いた場合には、鋳鉄材と不溶着で高い密着性に優れていることがわかる。
【００３４】
（比較例１）
亀裂障壁層を設けない以外は実施例１と同様に実施した。得られた鋳鉄制輪子の密着性評価はＤであり、溶着していた。
【００３５】
（参考例１）
亀裂障壁層の平均厚さを２０μｍとした以外は実施例１と同様に実施した。得られた鋳鉄制輪子の密着性評価はＣであった。
【００３６】
以上説明したように、本発明の各実施例によれば、鋳鉄材に鋼板を鋳ぐるみ鋳造する際に、鋳鉄材と不溶着で高い密着性を有するので、両者の接合強度、鋼板の鋳物材との界面組織変化の抑制に優れた鋳ぐるみ製品を得ることができる。したがって、例えば、鋳鉄制輪子の場合、鋼板と鋳鉄材とが不溶着で強固に密着していることで、摺動面からの亀裂進展を鋼板直前で抑制することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明の車両用制輪子は、製造コストが安いことから、高速鉄道や通常の鉄道車両に好適なほか、地下鉄車両や路面電車車両などにも好適である。
【符号の説明】
【００３８】
１，１３  鋳鉄制輪子
２  背板
３，１５  亀裂障壁層
４  鋳鉄制輪子本体
５  車輪と接触する摩擦面
６  取り付け部
７  切り欠き部
８  鋳鉄制輪子本体の反フランジ側の側面
９  鋳鉄制輪子本体のフランジ側の側面
１０ａ，１０ｂ  耳部
１１，１２  亀裂
１４  鋼板
１６  鋳鉄
【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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【図１２】
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