(57)【要約】【課題】ＰＴＡ溶接よりも安価で品質の高い粉体肉盛レーザ溶接によって形成された肉盛層により、走行時のブレーキ時の摩擦熱によるディスク母材への焼き入れを抑制して、耐熱性と耐熱亀裂性の双方を付与することができるとともに、製造時にディスク母材の肉薄化及び肉盛層の強度、溶接不良による機能性低下を防止できるブレーキディスク及びその製造方法を提供する。【解決手段】表面にブレーキパッドが押圧されることにより車軸の回転を制動するブレーキディスクであって、車軸と一体的に回転する車輪に取り付けられるディスク母材１３３と、該ディスク母材１３３の表面に複数層に渡って積層された肉盛層１３４と、を備え，該肉盛層１３４が、粉体肉盛レーザ溶接（ＬＭＤ溶接）によりディスク母材１３３の表面に積層される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面にブレーキパッドが押圧されることにより車軸の回転を制動するブレーキディスクであって、
前記車軸と一体的に回転する回転体に取り付けられるディスク母材と、該ディスク母材の表面に複数層に渡って積層された肉盛層と、を備え，
前記肉盛層が、粉体肉盛レーザ溶接により前記ディスク母材の表面に積層されることを特徴とするブレーキディスク。
【請求項２】
前記肉盛層が、前記ディスク母材の表面に二層以上に渡って積層されたニッケル基合金からなる積層体により構成され、
前記積層体は、前記ディスク母材上に積層されてかつ前記ディスク母材より融点の高い高融点金属の粒子を含有しない内層と、該内層上に形成された前記高融点金属の粒子を含有する外層とからなることを特徴とする請求項１に記載のブレーキディスク。
【請求項３】
前記高融点金属として、モリブデン、タングステン、ニオブ、タンタルのうちいずれか１種以上を含むことを特徴とする請求項２に記載のブレーキディスク。
【請求項４】
前記肉盛層の外層は、５０％以下の重量比で硬質セラミックス粒子であるアルミナを含有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のブレーキディスク。
【請求項５】
表面にブレーキパッドが押圧されることにより車軸の回転を制動するブレーキディスクの製造方法であって、
前記車軸と一体的に回転する回転体に取り付けられるディスク母材の表面に、粉体肉盛レーザ溶接により肉盛層を積層させる工程を含むことを特徴とするブレーキディスクの製造方法。
【請求項６】
前記肉盛層が、前記ディスク母材の表面に二層以上に渡って積層されたニッケル基合金からなる積層体により構成され、
前記積層体は、前記ディスク母材上に積層されてかつ前記ディスク母材より融点の高い高融点金属の粒子を含有しない内層と、該内層上に形成された前記高融点金属の粒子を含有する外層とからなることを特徴とする請求項５に記載のブレーキディスクの製造方法。
【請求項７】
前記高融点金属として、モリブデン、タングステン、ニオブ、タンタルのうちいずれか１種以上を含むことを特徴とする請求項５又は６のいずれか１項に記載のブレーキディスクの製造方法。
【請求項８】
前記肉盛層の外層は、５０％以下の重量比で硬質セラミックス粒子であるアルミナを含有することを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載のブレーキディスクの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ブレーキパッドが押し付けられる摩擦面を有するブレーキディスクにおいて、溶接時に発生する熱歪及びそれによる変形を防止することが可能なブレーキディスク及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
新幹線等の鉄道車両の車輪や車軸には、ブレーキパッドを押し付けることによって制動力を得るためのブレーキディスクが設けられる。ここで、このブレーキディスクには、ブレーキ時に発生する熱の影響によって亀裂や変形が生じる問題がある。そこで、ディスク母材の表面を耐熱性に優れた素材で被覆することにより、ブレーキ熱による亀裂や変形の発生を抑制し得るブレーキディスクが提唱されている。
【０００３】
例えば、特許文献１では、まずディスク母材の表面にブラスト処理を施すことにより、すなわち無機質素材からなる粒子を所定の圧力で噴射することにより、凹凸状の粗面化処理層が形成される。そして、この粗面化処理層の上に、金属結合層を介して耐熱性被覆層が形成される。この耐熱性被覆層は、耐熱性及び靭性に優れたジルコニアなどのセラミックスが金属結合層の表面に溶射されたものである。このような構成によれば、ブレーキ時に発生する熱のディスク母材への伝達が耐熱性被覆層によって低減されるため、ディスク母材に亀裂や変形が発生することが抑制される。
この特許文献１に示される耐熱亀裂を向上させる表面処理技術では、無機質素材粒子を摩擦面に所定の圧力で噴射するショットピーニング処理による硬化させるものであり、ディスク母材との密着強度は、従来の溶射やめっきに比べて向上しているが、高速走行時におけるブレーキ環境（高速回転、振動負荷、高温）においては未だ十分とは言えない。
【０００４】
ところで、ブレーキディスクの摩擦面を冷却し、発生する熱亀裂を抑制する技術としては、ディスク母材の摩擦面に鋳鉄材を鋳着させる形態（クラッドディスク）が従来より存在するが、ディスク母材との密着強度に問題があった。また、現行の鍛鋼製ブレーキディスクは耐熱性・耐亀裂性の材質であるが、これまでのところ表面処理を行っておらず、これを原因とする熱影響の問題が発生するという問題があった。
【０００５】
そして、このような熱影響の問題を解決するために特許文献２に示されるディスクブレーキの製造方法が提供されている。
このディスクブレーキの製造方法は、溶接による表面処理手法を行い、熱亀裂に代表される熱影響の緩和を提供する例としてディスク母材の摩擦面に粉体肉盛プラズマアーク溶接（ＰＴＡ溶接）を行うものである。
具体的には、特許文献２では、車軸と一体的に回転する回転体に取り付けられるディスク母材の表面に、該ディスク母材より融点の高い高融点金属の粒子がマトリクス材中に分散してなる溶材を、粉体肉盛プラズマアーク溶接を用いて複数層に渡って積層させることにより、ディスクブレーキを製造している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−６３０７２号公報
【特許文献２】特開２０１２−２３３５３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、特許文献２に示される粉体肉盛プラズマアーク溶接（ＰＴＡ溶接）では、溶接に際して予熱を必要とし、かつディスク母材が非常に高温になり熱ひずみが生じて変形するために、溶接施工前に該ディスク母材を逆テーパー状にするなどの前加工が必要となるという問題がある。
また、特許文献２に示される粉体肉盛プラズマアーク溶接では、溶接する対象物が大型あるいは長尺であるほど熱変形が増大し、ディスク母材を薄肉化することが困難であった。
また、高温のプラズマによってディスク母材が肉盛層内に溶け出し（溶け込み量１０〜２０％）、肉盛層の強度や機能性を低下させることや不定なビード形状やブローホール、ピットといった溶接不良が生じるという新たな問題が発生している。
また、ＰＴＡ溶接によりディスク母材上に肉盛層を形成するためには、高温のアーク放電を必要とするなど多くのランニングコストが掛かり、この点において改善が必要とされていた。
【０００８】
この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、粉体肉盛プラズマアーク溶接（ＰＴＡ溶接）よりも安価で品質の高い粉体肉盛レーザ溶接（ＬＭＤ溶接）によって形成された肉盛層により、走行時のブレーキ時の摩擦熱によるディスク母材への焼き入れを抑制して、耐熱性と耐熱亀裂性の双方を付与することができるとともに、製造時にディスク母材の肉薄化及び肉盛層の強度、溶接不良による機能性低下を防止できるブレーキディスク及びその製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明は、表面にブレーキパッドが押圧されることにより車軸の回転を制動するブレーキディスクであって、前記車軸と一体的に回転する回転体に取り付けられるディスク母材と、該ディスク母材の表面に複数層に渡って積層された肉盛層と、を備え，前記肉盛層が、粉体肉盛レーザ溶接（ＬＭＤ溶接）により前記ディスク母材の表面に積層されることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明は、表面にブレーキパッドが押圧されることにより車軸の回転を制動するブレーキディスクの製造方法であって、前記車軸と一体的に回転する回転体に取り付けられるディスク母材の表面に、粉体肉盛レーザ溶接（ＬＭＤ溶接）により肉盛層を積層させる工程を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、車軸と一体的に回転する回転体に取り付けられるディスク母材の表面に、該ディスク母材より融点の高い高融点金属の粒子を分散させた溶材を、粉体肉盛レーザ溶接（以下、ＬＭＤ溶接という）により積層させるようにした。そして、ＬＭＤ溶接を用いてディスク母材上に形成された肉盛層により、走行時のブレーキ時の摩擦熱によるディスク母材への焼き入れを抑制して、ディスク母材の表面に亀裂や変形が生じるのを抑制することができ、ブレーキディスクにおいて耐熱性と耐熱亀裂性の双方を付与することができる。
【００１２】
また、本願発明では、従来の粉体肉盛プラズマアーク溶接（以下、ＰＴＡ溶接という）より低温のＬＭＤ溶接を用いて、ディスク母材上に肉盛層を積層させるようにしたので、これまでのＰＴＡ溶接のように、予熱を必要とせずかつ溶接時に熱ひずみが生じて変形することもなく、ディスク母材の肉薄化を実現することができる。
また、低温のＬＭＤ溶接を用いることにより、ディスク母材が肉盛層内に溶け出すことも防止でき、肉盛層の強度や機能性低下や、不定なビード形状やブローホール、ピットといった溶接不良による強度低下も防止可能となる。
また、本願発明では、従来のＰＴＡ溶接より低温のＬＭＤ溶接を用いて、ディスク母材上に肉盛層を積層させるようにしたので、肉盛層内に分散させる粒子に比較的融点が低いアルミナなどの硬質セラミックス粒子（例えば、アルミナ）も使用することができる。
【００１３】
また、ディスク母材上の肉盛層の中で、ディスク母材上に積層された内層（一層目）を、高融点金属の粒子を含有しないニッケル基合金層とすることで、当該肉盛層がディスク母材との密着性を高めることができる。また、肉盛層の外層（二層目、三層目）に含まれる高融点金属は、溶接後も金属粒子として残存することにより、ディスク母材に高い耐熱性を付与することができ、溶接後の肉盛層に亀裂が生じることを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態に係るブレーキディスクを備えた新幹線用制動装置の外観を示す概略正面図である。
【図２】図１におけるＡ−Ａ線断面を示す概略断面図である。
【図３】ブレーキディスクの表面近傍を示す概略断面図である。
【図４】（Ａ）本発明に係るＬＭＤ溶接装置、（Ｂ）比較例として示したＰＴＡ溶接装置である。
【図５】本発明に係るＬＭＤ溶接装置の溶接条件を示す表である。
【図６】本発明に係るＬＭＤ溶接、比較例に係るＰＴＡ溶接及びプラズマ溶射の特性比較を示す表である。
【図７】表層からの各位置でのビッカース硬さを示すグラフである。
【図８】（Ａ）肉盛層を上方から見た外観写真、（Ｂ）肉盛層の断面ミクロ写真である。
【図９】（Ａ）肉盛層の表面の外観写真、（Ｂ）肉盛層の表面の浸透探傷写真である。
【図１０】本発明の実施形態に係るブレーキディスクの製造方法を示す工程図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図1〜図１０を参照して、本発明の実施形態に係るブレーキディスクの構成について説明する。
図１は、本実施形態に係るブレーキディスクを備えた新幹線用制動装置１０の外観を示す概略正面図である。また図２は、図１におけるＡ−Ａ線断面を示す概略断面図である。
【００１６】
新幹線用制動装置１０は、図１に示すように、側面視で略円形の車輪１１（回転体）と、この車輪１１に挿通された車軸１２と、車輪１１の端面に取り付けられたブレーキディスク１３と、このブレーキディスク１３に近接して配置されたブレーキパッド１４とを備えるものである。
【００１７】
車輪１１は、図１及び図２に示すように、軸方向に一定の厚みを有する平板部１１１と、この平板部１１１の径方向外縁部が軸方向に突出してなるリム部１１２と、平板部１１１の径方向中心部が軸方向に突出してなるボス部１１３と、このボス部１１３を貫通して形成された軸挿通孔１１４とを有している。
【００１８】
車軸１２は、図１及び図２に示すように、車輪１１の軸挿通孔１１４に挿通されて固定されている。そして、この車軸１２が不図示のモータ等によって回転駆動されることにより、車軸１２の回転に伴って車輪１１が一体的に回転するようになっている。
【００１９】
ブレーキディスク１３は、ブレーキパッド１４が押圧されることで制動力を得る役割を果たすものである。このブレーキディスク１３は、図１に示すように、側面視で略円環形状を有する平板部材であって、その外径は車輪１１のリム部１１２の内径より若干小さく形成され、その内径は車輪１１のボス部１１３の外径より大きく形成されている。また、図２に示すように、ブレーキディスク１３の厚みは、車輪１１の平板部１１１に対するリム部１１２の突出高さと略等しい大きさに形成されている。更に、図１及び図２に示すように、ブレーキディスク１３には周方向に沿って所定間隔で複数のボルト挿通孔１３１が形成されている。
【００２０】
ここで、図３は、ブレーキディスク１３の表面近傍を示す概略断面図である。ブレーキディスク１３は、ディスク母材１３３と、ＬＭＤ溶接（粉体肉盛レーザ溶接）によってディスク母材１３３の表面に３層に渡って積層された肉盛層１３４とを備えている。なお、肉盛層１３４の積層数は複数であれば足り、本実施形態の３層に限定されず、２層や４層以上として構成してもよい。
【００２１】
ディスク母材１３３は、鍛造用の鋼材である鍛鋼からなるものである。なお、ディスク母材１３３の材質は鍛綱に限られず、コスト性に優れた炭素鋼あるいは熱伝導性や耐磨耗性に優れたパーライト鋳鉄でディスク母材１３３を形成してもよい。
【００２２】
肉盛層１３４は、ディスク母材１３３の表面に溶融結合して積層された第一肉盛層１３４Ａと、この第一肉盛層１３４Ａの表面に溶融結合して積層された第二肉盛層１３４Ｂと、この第二肉盛層１３４Ｂの表面に溶融結合して積層された第三肉盛層１３４Ｃと、からなる積層体により構成されている。
なお、ディスク母材１３３上の肉盛層１３４（１３４Ａ〜１３４Ｃ）の中で、第一肉盛層１３４Ａにより内層が形成され、第二肉盛層１３４Ｂ及び第三肉盛層１３４Ｃにより外層が形成される。
そして、最上部に位置する第三肉盛層１３４Ｃの表面が、ブレーキパッド１４を押圧するべき摩擦面１３５として構成される。なお、図３に示すように、各肉盛層１３４Ａ〜１３４Ｃ間は、溶接による溶融結合のため、組織変化のない均一な一体化組織となる。
【００２３】
第一肉盛層１３４Ａは、図３に示すように、マトリクス材１３６により構成されるものであって、該マトリクス材１３６のビッカース硬さが２２０［Ｈｖ］以上２７０［Ｈｖ］以下程度に設けられている。このように構成される第一肉盛層１３４Ａは、ディスク母材１３３の表面に、１〜５ｍｍ程度の厚みに積層されている。
このマトリクス材１３６はニッケル基合金からなるものであり、このニッケル基合金としては、例えばハステロイ（登録商標）Ｃ合金が挙げられる。ここで、ハステロイＣ合金とは、その概略成分が、クロム（Ｃｒ）を１５％、モリブデン（Ｍｏ）を１６％、タングステン（Ｗ）を４％、ニッケル（Ｎｉ）を残部としてそれぞれ含有する素材である。なお、マトリクス材１３６としては、ニッケル基合金の他に、銅及びアルミ青銅をはじめとする銅合金や、銀及び銀合金や、アルミニウム及びアルミニウム合金などの熱伝導率が高い材料を用いることもできる。
そして、ディスク母材１３３上の肉盛層１３４の中で、ディスク母材１３３上に積層された第一肉盛層１３４Ａを、高融点金属（後述する）の粒子を含有しないニッケル基合金層とすることで、当該第一肉盛層１３４Ａがディスク母材１３３との密着性を高めることができる。
【００２４】
第二肉盛層１３４Ｂ及び第三肉盛層１３４Ｃは、図３に示すように、マトリクス材１３６と、このマトリクス材１３６中に分散した高融点金属１３７と、を有するものであって、ここでのマトリクス材１３６は、高融点金属１３７を均質に結合させる役割を果たし、そのビッカース硬さが２２０［Ｈｖ］以上２７０［Ｈｖ］以下程度に設けられている。ここで、第二肉盛層１３４Ｂ及び第三肉盛層１３４Ｃは、マトリクス材１３６中に高融点金属１３７のみを分散させても良いが、本実施形態では、高融点金属１３７とともに、５０％以下の重量比で硬質セラミックス粒子１３８であるアルミナを含有しても良い。
このように構成される第二肉盛層１３４Ｂは第一肉盛層１３４Ａの表面に、また、第三肉盛層１３４Ｃは第二肉盛層１３４Ｂの表面にそれぞれ１〜５ｍｍ程度の厚みに積層されている。なお、第三肉盛層１３４Ｃは、基本的には、第二肉盛層１３４Ｂと同様の構成である。
【００２５】
高融点金属１３７は、ディスク母材１３３に高い耐熱性を付与する役割を果たすものである。この高融点金属１３７は、ディスク母材１３３と比較して融点の高い金属の粒子であって、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ニオブ（Ｎｂ）、及びタンタル（Ｔａ）のうちいずれか１種以上を含んで構成される。
そして、このように構成される高融点金属１３７は、第二肉盛層１３４Ｂ及び第三肉盛層１３４Ｃにおいて、硬質セラミックス粒子１３８であるアルミナを含んだ上で、全体に占める重量比が８０％以下に設定されている。
また、高融点金属１３７は、平均粒径が７５μｍ以上１００μｍ以下の粒子が全粒子数の７０％以上８０％以下を占めるとともに、平均粒径が１０μｍ以上４５μｍ以下の粒子が残りを占めている。
【００２６】
また、高融点金属１３７を構成する金属粒子は、平均粒径が７５μｍ以上１００μｍ以下の粒子が全粒子数の７０％以上８０％以下を占めるとともに、平均粒径が１０μｍ以上４５μｍ以下の粒子が残りを占める粒度分布となっている。
【００２７】
以上のように構成されるブレーキディスク１３は、図２に示すように、切欠部１３２が形成された側を車輪１１の側に向けた状態で平板部１１１に配置され、ボルト挿通孔１３１を挿通された固定ボルト１６によって車輪１１に固定される。
【００２８】
また、ブレーキディスク１３は、前述のようにその外径がリム部１１２の内径より若干小さく形成されるとともに、その内径がボス部１１３の外径より大きく形成されている。従って、図２に示すように、ブレーキディスク１３を車輪１１の平板部１１１に固定した状態で、ブレーキディスク１３とボス部１１３との間には所定幅の隙間１７が形成されている。
【００２９】
ブレーキパッド１４は、図１に示すように、車輪１１の径方向に向かってブレーキディスク１３に対応する位置に設けられている。そしてこのブレーキパッド１４は、図に詳細は示さないが、車輪１１の軸方向に移動可能に設けられ、ブレーキパッド１４の摩擦面１３５に押圧されることによってそれと一体的に回転する車軸１２の回転を制動するとともに、ブレーキパッド１４から離間することによって車軸１２の回転を許容するものとなっている。
【００３０】
次に、本発明の実施形態に係るブレーキディスク１３の作用効果について説明する。本実施形態に係るブレーキディスク１３は、その肉盛層１３４が、ＬＭＤ溶接によってディスク母材１３３の表面に積層されている。従って、ディスク母材１３３と肉盛層１３４との界面においては、溶融結合によって両者の十分な密着強度が確保される。これにより、高速走行時におけるブレーキ環境下において、肉盛層１３４がディスク母材１３３の表面から剥離することが防止される。
【００３１】
また、肉盛層１３４は、そのマトリクス材１３６のビッカース硬さが２２０［Ｈｖ］以上２７０［Ｈｖ］以下程度である。この肉盛層１３４のビッカース硬さは、一般的に亀裂が発生及び進展するか否かの目安とされるビッカース硬さである３５０［Ｈｖ］を下回っている。これにより、高速走行時におけるブレーキ環境下においても、肉盛層１３４では亀裂や変形が生じ難くなっている。
【００３２】
また、ディスク母材１３３は、その製造時における熱処理によって高い靱性が付与されている。第一肉盛層１３４Ａの積層時にＬＭＤ溶接による熱（レーザ光が母材に当たる際に発生する熱）が加わると、焼き入れ層（図示せず）が生成されることによって硬化する。
しかし、続いて第二肉盛層１３４Ｂを積層する際には、ＬＭＤ溶接による熱は第一肉盛層１３４Ａを介してディスク母材１３３に伝達するため、伝達する熱量が緩和される。従って、第一肉盛層１３４Ａの積層時に生成された焼き入れ層が、第二肉盛層１３４Ｂの積層時に加わる熱によって焼き戻される。これにより、硬化したディスク母材１３３に靭性が付与される。
更に、第三肉盛層１３４Ｃを積層する際にも、ＬＭＤ溶接による熱は第二肉盛層１３４Ｂ及び第一肉盛層１３４Ａを介してディスク母材１３３に伝達するため、伝達する熱量は一層緩和される。従って、前述と同様に焼き戻されることにより、ディスク母材１３３に一層の靭性が付与される。以上により、高速走行時におけるブレーキ環境下においても、ディスク母材１３３に亀裂や変形が生じ難くなっている。
なお、このディスク母材１３３に生成された焼き入れ層は、ブレーキディスク１３の使用を開始した後に、ブレーキ時に発生する熱によって更に焼き戻されるため、ディスク母材１３３の耐亀裂性が一層向上する。
【００３３】
次に、図４（Ａ）及び（Ｂ）を参照して、ディスク母材上に肉盛層を溶接するための溶接装置について説明する。
なお、これらの図において、図４（Ａ）は本発明に係るＬＭＤ溶接装置の正断面図、図４（Ｂ）は比較例に係るＰＴＡ溶接装置の正断面図である。
【００３４】
一方、図４（Ａ）に示す本発明に係るＬＭＤ溶接に係る溶接装置２０は、溶接トーチ２１と、溶接トーチ２１の中心部に形成されてレーザ発振器（図示略）から供給されるレーザ光Ｌが通過する中心孔２２と、該中心孔２２の周囲に同心円状に形成された冷却水供給路２３、シールドガス供給路２４、溶接材料供給路２５と、を備えるものである。
【００３５】
冷却水供給路２３は、中心孔２２の外側に位置するものであって、冷却水ＲＷが供給される。
シールドガス供給路２４及び溶接材料供給路２５は、冷却水供給路２３の外側に隣接するように配置されるものであって、シールドガスＳＧ及び溶材２６がそれぞれ供給されて、かつ先端に位置するノズル２７からディスク母材１３３表面に向けて噴射される。
なお、溶材２６とは、マトリクス材１３６の粒子、又はマトリクス材１３６、高融点金属１３７、硬質セラミックス１３８の粒子の混合物を意味するものであって、同一経路を流れるキャリアガスＣＧにより運搬される。
また、キャリアガスＣＧとしては、アルゴンガス、ヘリウムガス等の不活性ガスが使用される。また、ディスク母材１３３及び肉盛層１３４は、シールドガス供給路２４に供給されたシールドガスＳＧによってその酸化が防止される。
【００３６】
そして、以上のように構成された粉体肉盛レーザ溶接（ＬＭＤ溶接）に係る溶接装置２０では、肉盛りすべきディスク母材１３３の表面上に、溶接材料供給路２５を通じて、溶材２６をキャリアガスＣＧにより供給すると共に、レーザ発振器（図示略）によって発振されたレーザ光Ｌを、溶材２６の供給箇所（図４（Ａ）に符号Ｐで示す位置）に照射する。
ここで照射されたレーザ光Ｌにより、溶材２６は溶融しそして凝固するとともに、溶接トーチ２１を共に一定速度で移動させることにより、ディスク母材１３３の表面上に、一定厚さの肉盛層１３４を形成することができる。このようにして、ディスク母材１３３の表面上に形成される肉盛層１３４は、複数往復させることにより、重ね合わせ形成することが可能であり、また、必要に応じて２層以上の多層盛りに形成することができる。
【００３７】
なお、上記粉体肉盛レーザ溶接（ＬＭＤ溶接）に係る溶接装置２０では、ディスク母材１３３に対する入熱が少なく、レーザ発振器（図示略）から供給されるレーザ光Ｌがディスク母材１３３に当たることによって熱を発生するが、このときある程度の溶け込みが得られるようにするためには、該レーザ光Ｌのレーザ光径を適切に定めると共に、レーザ光Ｌの移動速度を適正にすることが必要である。
【００３８】
ここで、上記粉体肉盛レーザ溶接（ＬＭＤ溶接）に係る溶接装置２０の溶接条件について、図５を参照して説明する。
図５に示されるように、粉体肉盛レーザ溶接（ＬＭＤ溶接）に係る溶接条件は、レーザ光Ｌの焦点径がφ５．４［ｍｍ］、ＭＦＯ（Ｍａｎｕａｌ Ｆｏｃｕｓｉｎｇ Ｏｐｔｉｃｓ）が０．５４［Ｖ］、出力が２７００［Ｗ］であり、紛体供給時のノズルガス（シールドガスＳＧ）が１５［Ｌ／ｍｉｎ］、トーチ回転数が１０［ｒｐｍ］、キャリアガスＣＧが４［Ｌ／ｍｉｎ］であり、溶接速度及びピッチ幅がそれぞれ５００［ｍｍ／ｍｉｎ］、２．３［ｍｍ］にそれぞれ設定されている。
【００３９】
一方、比較例として上げた図４（Ｂ）に示すＰＴＡ溶接に係る溶接装置３０は、溶接トーチ３１と、溶接トーチ３１の中心部に挿入されたタングステン電極３２と、タングステン電極３２及びディスク母材１３３に接続されたメイン電源３３と、タングステン電極３２及び溶接トーチ３１に接続されたパイロット電源３４と、を備えるものである。
【００４０】
溶接トーチ３１は、図４（Ｂ）に示すように、その中心部に電極穴３１１が形成されるとともに、この電極穴３１１の周囲に内側から外側に向かって第一流路３１２、第二流路３１３、及び第三流路３１４がそれぞれ形成されている。そして、電極穴３１１にはタングステン電極３２が挿入されるとともに、パイロットガスＰＧが供給される。また、第一流路３１２には冷却水ＲＷが、第二流路３１３には溶材３５及びキャリアガスＣＧが、第三流路３１４にはシールドガスＳＧがそれぞれ供給される。なお、溶材３５とは、マトリクス材の粒子と高融点金属の粒子とが混合したものを意味する。
【００４１】
このように構成されるＰＴＡ溶接装置３０によれば、パイロット電源３４がタングステン電極３２と溶接トーチ３１との間に電圧を印加することにより、タングステン電極３２からアークを飛ばし、パイロットガスＰＧをプラズマ化させる。そして、このプラズマガスは、第一流路３１２に供給された冷却水ＲＷによって冷却されると、いわゆるサーマルピンチ効果によって細く絞られることにより、エネルギー密度の高いプラズマアークＰＡとしてディスク母材１３３に向かって噴射する。このプラズマアークＰＡがディスク母材１３３に到達すると、メイン電源３３がタングステン電極３２とディスク母材１３３との間に電圧を印加することにより、図に詳細は示さないが、ディスク母材１３３中にアーク電流が流れるようになり、ディスク母材１３３の表面に溶融池が形成される。一方、第二流路３１３に供給された溶材３５は、キャリアガスＣＧに圧送されてプラズマアークＰＡ中に送り込まれ、溶融した状態でディスク母材１３３上の溶融池に投入されることにより、肉盛層１３４´を形成する。
【００４２】
ここで、図４（Ａ）に示した本発明に係る「ＬＭＤ溶接」（表の中央に記載）、図４（Ｂ）に示した比較例に係る「ＰＴＡ溶接」、及びさらに比較例として示した「プラズマ溶射」（表の左右に記載）の特性比較を、図６に示す。
図６の比較結果を参照して分かるように、本発明に係るＬＭＤ溶接は、ＰＴＡ溶接と比較して肉盛厚及び肉盛量が小さいものの、熱負荷が低いために、ディスク母材からの炭素溶け込み量が小さい一方で、プラズマ溶射より高い密着力を有していることが明らかになっている。
また、本発明に係るＬＭＤ溶接は、プラズマ溶射と比較して歩留りが高く、かつプラズマ溶射で１〜３％あったポロシティ（溶接欠陥）が０であることも確認されている。
【００４３】
次に、図７を参照して、表層からの距離［ｍｍ］とビッカース硬さ［Ｈｖ］との関係について説明する。なお、図７では、幅５０［ｍｍ］、長さ１５０［ｍｍ］、厚さ１９［ｍｍ］の試験片により、ビッカース硬さを試験している。
【００４４】
図７は、表層からの各位置でのビッカース硬さを示すグラフであって、横軸が表面から厚み方向への距離を、縦軸がビッカース硬さをそれぞれ示している。
なお、図における丸形のプロット（○）は、本発明に係るＬＭＤ溶接によってディスク母材上に第一肉盛層を積層した場合を示している。また、四角形のプロット（□）は、ディスク母材を予熱することなくＰＴＡ溶接により第一肉盛層を積層した比較例を示し、菱形のプロット（◇）は、ディスク母材を２５０℃に予熱してからＰＴＡ溶接により第一肉盛層を積層した比較例を示している。
また、図７において、「熱影響部」とは、ディスク母材の表面から略２．８ｍｍの深さまでの溶接時の熱の影響が及ぶ範囲を意味している。また、「母材原質部」とは、ディスク母材の厚さ方向全体を意味している。
【００４５】
そして、図７において、比較例に係るＰＴＡ溶接により肉盛層を形成した四角形のプロット（□）及び菱形のプロット（◇）と、本発明に係るＬＭＤ溶接により肉盛層を形成した丸形のプロット（○）とを比較すると、熱影響部の領域では、ＰＴＡ溶接により肉盛層を形成した四角形のプロット（□）及び菱形のプロット（◇）の方が、ＬＭＤ溶接により肉盛層を形成した丸形のプロット（○）と比較してビッカース硬さが上回っている。
これは、四角形のプロット（□）及び菱形のプロット（◇）では、ＰＴＡ溶接による非常に高い熱的影響によりディスク母材に焼き入れ層が生成されて該ディスク母材に対して高い硬度が付与されるためであり、これに対し、丸形のプロット（○）では、ＬＭＤ溶接による熱的影響が少なく、ディスク母材に適度な範囲しか熱的影響が及ばないためである。従って、高い靱性を維持している。
そして、丸形のプロット（○）で示されるビッカース硬さは、一般的に亀裂が発生及び進展するか否かの目安とされる３５０［Ｈｖ］を下回っており、これによりディスク母材では亀裂や変形が生じ難くなることが確認されている。
【００４６】
ここで、本発明に係るＬＭＤ溶接で製造したブレーキディスク１３の肉盛層１３４した写真を、図８及び図９に示す。なお、図８（Ａ）（Ｂ）は肉盛層１３４を上方から見た外観写真及び断面ミクロ写真をそれぞれ示し、図９（Ａ）（Ｂ）は表面の外観写真及び浸透探傷をそれぞれ示している。
そして、これらの写真の中で、特に、図８（Ｂ）の断面ミクロ写真、及び図９（Ｂ）の浸透探傷を参照して分かるように、ＬＭＤ溶接で製造したブレーキディスク１３では、肉盛層１３４の断面及び表層が、ＬＭＤ溶接による溶融結合のために、組織変化のない均一な一体化組織となることが確認されている。
【００４７】
次に、本発明の実施形態に係るブレーキディスク１３の製造方法の手順について順を追って説明する。
図１０は、本実施形態に係るブレーキディスク１３の製造工程を示すフローチャートである。ブレーキディスク１３を製造しようとする作業者は、まず母材作製工程を行う（Ｓ１）。すなわち作業者は、所望組成のインゴットを鍛造、圧延、または鋳造することにより、ディスク母材１３３を作製する。
【００４８】
次に作業者は、必要に応じて熱処理工程を行う（Ｓ２）。すなわち作業者は、作製したディスク母材１３３の必要特性を得るために、組織の調整を行う。
【００４９】
次に作業者は、機械加工工程を行う（Ｓ３）。ここで、作業者は、ＰＴＡ溶接とは異なり、ＬＭＤ溶接ではディスク母材１３３に対する熱的影響が少ないので、ディスク母材１３３に生じる歪み量を見込んで、溶接後の肉盛層１３４が適切な状態となるように、ディスク母材１３３の表面を一部切り欠いて予め所定角度の開先部を形成する必要がない。
【００５０】
次に作業者は、第一ＬＭＤ溶接工程を行う（Ｓ４）。すなわち作業者は、前述の溶接装置２０を用いて所定の溶材２６を溶接することにより、ディスク母材１３３の表面に第一肉盛層１３４Ａを積層する。
ここでの溶材２６の組成は、ニッケル基合金からなるマトリクス材１３６が主成分となる。
【００５１】
次に作業者は、第二ＬＭＤ溶接工程を行う（Ｓ５）。すなわち作業者は、第一ＬＭＤ溶接工程にて積層した第一肉盛層１３４Ａの上に、溶材２６を溶接することにより、第二肉盛層１３４Ｂを積層する。
ここでの溶材２６の組成は、二ッケル基合金からなるマトリクス材１３６の粒子に、硬質セラミックス粒子１３８であるアルミナ及び高融点金属１３７を分散させたものである。
【００５２】
次に作業者は、第三ＬＭＤ溶接工程を行う（Ｓ６）。すなわち作業者は、第二ＬＭＤ溶接工程にて積層した第二肉盛層１３４Ｂの上に、前述と同様にして溶材２６を溶接することにより、第三肉盛層１３４Ｃを積層する。
ここでの溶材２６の組成は、第二肉盛層１３４Ｂと同様、ニッケル基合金からなるマトリクス材１３６の粒子に、硬質セラミックス粒子１３８であるアルミナ及び高融点金属１３７を分散させたものであるが、表面がブレーキパッドと直接接するために、高融点金属１３７の割合を高くする。
【００５３】
次に作業者は、機械加工工程を行う（Ｓ７）。すなわち作業者は、ディスク母材１３３に肉盛層１３４を積層してなるブレーキディスク１３を、切削加工等によって所望の外形に整える。
【００５４】
最後に作業者は、仕上げ工程を行う（Ｓ８）。すなわち作業者は、ブレーキディスク１３の摩擦面１３５、本実施形態では第三肉盛層１３４Ｃの表面を研磨等することによって平滑な面に仕上げる。以上により、ブレーキディスク１３が完成し、ブレーキディスク１３の製造工程が終了する。
【００５５】
以上詳細に説明したように実施形態に示されるブレーキディスク１３及びその製造方法によれば、車軸と一体的に回転する車輪１１（回転体）に取り付けられるディスク母材１３３の表面に、該ディスク母材１３３より融点の高い高融点金属１３７の粒子を分散させた溶材２６を、ＬＭＤ溶接により積層させるようにした。そして、ＬＭＤ溶接を用いてディスク母材１３３上に形成された肉盛層１３４により、走行時のブレーキ時の摩擦熱によるディスク母材１３３への焼き入れを抑制して、ディスク母材１３３の表面に亀裂や変形が生じるのを抑制することができ、ブレーキディスクにおいて耐熱性と耐熱亀裂性の双方を付与することができる。
【００５６】
また、実施形態に示されるブレーキディスク１３及びその製造方法では、従来のＰＴＡ溶接より低温のＬＭＤ溶接を用いて、ディスク母材１３３上に肉盛層１３４を積層させるようにしたので、これまでのＰＴＡ溶接のように、予熱を必要とせずかつ溶接時に熱ひずみが生じて変形することもなく、ディスク母材１３３の肉薄化を実現することができる。
また、低温のＬＭＤ溶接を用いることにより、ディスク母材１３３が肉盛層１３４内に溶け出すことも防止でき、肉盛層１３４の強度や機能性低下や、不定なビード形状やブローホール、ピットといった溶接不良による強度低下も防止可能となる。
また、本実施形態では、従来の粉体肉盛プラズマアーク溶接（ＰＴＡ溶接）より低温のＬＭＤ溶接を用いて、ディスク母材１３３上に肉盛層１３４を積層させるようにしたので、肉盛層１３４内に分散させる粒子に融点が比較的低いセラミックス（例えば、アルミナ）も使用することができる。
【００５７】
また、ディスク母材１３３上の肉盛層１３４の中で、ディスク母材１３３上に積層された内層（第一肉盛層１３４Ａ）を、高融点金属１３７の粒子を含有しないニッケル基合金層とすることで、当該肉盛層１３４がディスク母材１３３との密着性を高めることができる。また、肉盛層１３４の外層（第二肉盛層１３４Ｂ、第三肉盛層１３４Ｃ）に含まれる高融点金属１３７は、その高い融点のため溶接後も金属粒子として残存し、ディスク母材１３３に高い耐熱性を付与することができ、溶接後の肉盛層１３４に亀裂が生じることを防止できる。
【００５８】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明は、ブレーキパッドが押し付けられる摩擦面を有するブレーキディスクにおいて、溶接時に発生する熱歪及びそれによる変形を防止することが可能なブレーキディスク及びその製造方法に関する。
【符号の説明】
【００６０】
１０ 新幹線用制動装置
１１ 車輪
１２ 車軸
１３ ブレーキディスク
１４ ブレーキパッド
２０ ＬＭＤ溶接装置
２１ 溶接トーチ
２２ 中心孔
２３ 冷却水供給路
２４ シールドガス供給路
２５ 溶接材料供給路
２６  溶材
１３３ ディスク母材
１３４ 肉盛層
１３４Ａ  第一肉盛層（内層）
１３４Ｂ  第二肉盛層（外層）
１３４Ｃ  第三肉盛層（外層）
１３５ 摩擦面
１３６ マトリクス材
１３７  高融点金属
１３８  硬質セラミックス
Ｌ  レーザ光
【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１０】
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【図８】
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【図９】
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