(57)【要約】  ２８０ｋｍ／時以上の高速域においても、優れた摩擦特性及び耐摩耗性を有する鉄道車両用の焼結摩擦材を提供する。鉄道車両用焼結摩擦材は、質量％で、Ｃｕ：５０．０〜７５．０％、黒鉛：５．０〜１５．０％、マグネシア、ジルコンサンド、シリカ、ジルコニア、ムライト及び窒化珪素からなる群から選択される１種以上：１．５〜１５．０％、Ｗ及びＭｏからなる群から選択される１種以上：３．０〜３０．０％、及び、フェロクロム、フェロタングステン、フェロモリブデン、及び、ステンレス鋼からなる群から選択される１種以上：２．０〜２０．０％、を含有し、残部は不純物からなる圧粉体の焼結材である。
2018101435.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
Ｃｕ：５０．０〜７５．０％、
黒鉛：５．０〜１５．０％、
マグネシア、ジルコンサンド、シリカ、ジルコニア、ムライト及び窒化珪素からなる群から選択される１種以上：１．５〜１５．０％、
Ｗ及びＭｏからなる群から選択される１種以上：３．０〜３０．０％、及び、
フェロクロム、フェロタングステン、フェロモリブデン、及び、ステンレス鋼からなる群から選択される１種以上：２．０〜２０．０％、
を含有し、残部は不純物からなる圧粉体の焼結材である、鉄道車両用焼結摩擦材。
【請求項２】
請求項１に記載の鉄道車両用焼結摩擦材であって、
前記圧粉体を８００〜１０００℃で加圧焼結して形成された焼結材である、鉄道車両用焼結摩擦材。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の鉄道車両用焼結摩擦材であって、
直径が４００ｍｍ、厚さが２０ｍｍであって、ＪＩＳ  Ｇ  ４０５３（２０１６）に規定のＳＣＭ４４０に相当する化学組成を有し、約１０００ＭＰａの引張強度を有するブレーキディスクと、前記ブレーキディスクを制動するキャリパとを準備し、前記キャリパの左右の内面の各々に、幅３８ｍｍ、長さ５５ｍｍ、高さ１５ｍｍの４つの前記焼結摩擦材を、ブレーキディスクの中心から半径１７０ｍｍの仮想円上に、前記ブレーキディスクの中心軸まわりに２５°ずつずらして一列に配列して、回転する前記ブレーキディスクに対して、前記キャリパの左右内面に取り付けられた焼結摩擦材を、一定の圧力２．２４ｋＮで前記ブレーキディスクの両面に押し付けるブレーキ試験を実施した場合、制動初速が３６５ｋｍ／時での前記焼結摩擦材の平均摩擦係数が０．２８０以上であり、かつ、前記ブレーキディスクの片面あたりの前記焼結摩擦材の平均摩擦量が、制動初速が３００ｋｍ／時において６．３０ｇ／片面以下であり、制動初速が３２５ｋｍ／時において６．５０ｇ／片面以下であり、制動初速が３６５ｋｍ／時において９．００ｇ／片面以下である、鉄道車両用焼結摩擦材。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の鉄道車両用焼結摩擦材であってさらに、
前記圧粉体は、Ｃｕの一部に代えて、
六方晶窒化硼素：３．０％以下、
二硫化モリブデン：３．０％以下、
マイカ：３．０％以下、及び、
硫化鉄、硫化銅及び銅マットから選択される１種以上：１０．０％以下、
バナジウム炭化物：５．０％以下、及び、
Ｆｅ：２０．０％以下、
からなる群から選択される１種又は２種以上を含有する、鉄道車両用焼結摩擦材。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の鉄道車両用焼結摩擦材の製造方法であって、混合粉末を冷間成形して前記圧粉体を製造する成形工程と、
前記圧粉体に対して８００〜１０００℃の焼結温度で加圧焼結を実施して、前記鉄道車両用焼結摩擦材を製造する加圧焼結工程とを備える、鉄道車両用焼結摩擦材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、焼結摩擦材及びその製造方法に関し、さらに詳しくは、鉄道に用いられる鉄道車両用焼結摩擦材及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄道車両用のブレーキライニングやディスクブレーキパッドには、金属粉粒体等を焼結して形成される焼結摩擦材が用いられている。これらの鉄道車両用焼結摩擦材では、優れた摩擦特性とともに、優れた耐摩耗性が要求される。【０００３】
特開平５−８６３５９号公報（特許文献１）、特開平１０−２２６８４２号公報（特許文献２）及び特開２０１２−２０７２８９号公報（特許文献３）は、焼結摩擦材の耐摩耗性を高める技術について提案している。【０００４】
特許文献１に開示された乾式摩擦材料は、Ｃｕ、又はＣｕとともにＳｎ，Ｚｎ，Ｎｉ，ＦｅおよびＣｏから選ばれた１種または２種以上を添加したものをマトリクス成分とし、金属酸化物，金属複合酸化物，金属窒化物，金属炭化物，金属炭窒化物，金属硼化物，金属間化合物およびモース硬度３．５以上の各種鉱物から選ばれた１種または２種以上を硬質粒子成分とし、黒鉛，コークス，ＢＮ，金属硫化物，ＣａＦ２，ＢａＦ２，ＰｂＯ，ＰｂおよびＢ２Ｏ３から選ばれた１種または２種以上を潤滑成分とし、Ｗ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｔａ，およびＺｒから選ばれた１種または２種以上を添加してこれらの成分が０．５〜３０ｖｏｌ％，硬質粒子成分が２〜３０ｖｏｌ％，潤滑成分が１０〜７０ｖｏｌ％で残りが１０〜７０ｖｏｌ％のマトリックス成分である。【０００５】
特許文献２に開示されたメタリック摩擦材は、金属材料をマトリクスとし、少なくとも摩擦調整材、固体潤滑材を加えて固相焼結してなる焼結摩擦材である。この焼結摩擦材において、マトリクスを形成する金属材料は、主要成分としてＣｕとＮｉとを含み、摩擦調整材及び固体潤滑材は、粒径が１０〜３００μｍの粉粒体であり、焼結摩擦材全体に対し合計量で１５〜５０％（重量％、以下同じ）含有されている。【０００６】
特許文献３に開示された高速鉄道用焼結摩擦材は、質量％で、７．５％以上のＦｅ、５０％以上のＣｕ、５〜１５％の黒鉛、０．３〜７％の二硫化モリブデンおよび０．５〜１０％のシリカを含有し、Ｆｅ／Ｃｕが０．１５〜０．４０である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平５−８６３５９号公報
【特許文献２】特開平１０−２２６８４２号公報
【特許文献３】特開２０１２−２０７２８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
日本の新幹線、ドイツのＩＣＥ（Ｉｎｔｅｒｃｉｔｙ−Ｅｘｐｒｅｓｓ）、フランスのＴＧＶ（Ｔｒａｉｎ  ａ  Ｇｒａｎｄｅ  Ｖｉｔｅｓｓｅ）等の高速鉄道車両の走行速度は、０〜７０ｋｍ／時の低速域、７０超〜１７０ｋｍ／時の中速域だけでなく、１７０ｋｍ／時を超え、さらに、２８０ｋｍ／時以上の高速域まで達する。したがって、鉄道車両用の焼結摩擦材では、低速域〜中速域だけでなく、高速域においても、優れた摩擦特性及び耐摩耗性が求められる。【０００９】
特許文献１及び２では、ブレーキ試験における制動初速が２２０ｋｍ／時以下であり、制動初速が２８０ｋｍ／時以上での検討がされていない。したがって、これらの文献に開示された焼結摩擦材では、高速域での摩擦特性及び耐摩耗性が低い可能性がある。【００１０】
特許文献３に開示された高速鉄道用焼結摩擦材では、高速域での摩擦特性及び耐摩耗性が検討されている。しかしながら、さらに優れた摩擦特性及び耐摩耗性が求められている。【００１１】
本開示の目的は、低速域、中速域だけでなく、２８０ｋｍ／時以上の高速域においても、優れた耐摩耗性を有し、十分な摩擦特性も得られる鉄道車両用の焼結摩擦材を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本開示による鉄道車両用焼結摩擦材は、質量％で、Ｃｕ：５０．０〜７５．０％、黒鉛：５．０〜１５．０％、マグネシア、ジルコンサンド、シリカ、ジルコニア、ムライト及び窒化珪素からなる群から選択される１種以上：１．５〜１５．０％、Ｗ及びＭｏからなる群から選択される１種以上：３．０〜３０．０％、及び、フェロクロム、フェロタングステン、フェロモリブデン、及び、ステンレス鋼からなる群から選択される１種以上：２．０〜２０．０％、を含有し、残部は不純物からなる圧粉体の焼結材である。【００１３】
本開示による鉄道車両用焼結摩擦材の製造方法は、上述の混合粉末を冷間成形して圧粉体を製造する成形工程と、圧粉体に対して８００〜１０００℃の焼結温度で加圧焼結を実施して、鉄道車両用焼結摩擦材を製造する加圧焼結工程とを備える。
【発明の効果】
【００１４】
本開示による鉄道車両用焼結摩擦材は、低速域、中速域だけでなく、２８０ｋｍ／時以上の高速域においても、優れた耐摩耗性を有し、十分な摩擦特性も得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、ブレーキ試験に用いられるベンチ試験機の模式図である。
【図２】図２は、実施例における制動初速（ｋｍ／時）と焼結摩擦材の平均摩擦係数（μ）との関係を示す図である。
【図３】図３は、実施例における制動初速（ｋｍ／時）と平均摩耗量（ｇ／片面）との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明者らは、低速域、中速域だけでなく、２８０ｋｍ／時以上の高速域での摩擦特性及び耐摩耗性について調査及び検討を行った。その結果、（１）マトリクス成分をＣｕとして、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｚｎを含有せず、（２）フェロクロム、フェロタングステン、フェロモリブデン、及び、ステンレス鋼からなる群から選択される１種以上と、（３）Ｗ及びＭｏからなる群から選択される１種以上とを含有した圧粉体を、周知の製造方法（加圧焼結法）を用いて周知の製造条件で焼結した焼結摩擦材では、低速域、中速域だけでなく、２８０ｋｍ／時以上の高速域においても優れた摩擦特性及び耐摩耗性が得られることを見出した。
【００１７】
以上の知見に基づいて完成した本実施形態による鉄道車両用焼結摩擦材は、質量％で、Ｃｕ：５０．０〜７５．０％、黒鉛：５．０〜１５．０％、マグネシア、ジルコンサンド、シリカ、ジルコニア、ムライト及び窒化珪素からなる群から選択される１種以上：１．５〜１５．０％、Ｗ及びＭｏからなる群から選択される１種以上：３．０〜３０．０％、及び、フェロクロム、フェロタングステン、フェロモリブデン、及び、ステンレス鋼からなる群から選択される１種以上：２．０〜２０．０％、を含有し、残部は不純物からなる圧粉体の焼結材である。
【００１８】
本実施形態の鉄道車両用焼結摩擦材はたとえば、圧粉体を８００〜１０００℃で加圧焼結して形成された焼結材である。
【００１９】
本実施形態の鉄道車両用焼結摩擦材はたとえば、直径が４００ｍｍ、厚さが２０ｍｍであって、ＪＩＳ  Ｇ  ４０５３（２０１６）に規定のＳＣＭ４４０に相当する化学組成を有し、約１０００ＭＰａの引張強度を有するブレーキディスクと、ブレーキディスクを制動するキャリパとを準備し、キャリパの左右の内面の各々に、幅３８ｍｍ、長さ５５ｍｍ、高さ１５ｍｍの４つの焼結摩擦材を、ブレーキディスク１０の中心から半径１７０ｍｍの仮想円上に、ブレーキディスクの中心軸まわりに２５°ずつずらして一列に配列して、回転するブレーキディスクに対して、キャリパの左右内面に取り付けられた焼結摩擦材を、一定の圧力２．２４ｋＮでブレーキディスクの両面に押し付けるブレーキ試験を実施した場合、制動初速が３６５ｋｍ／時での焼結摩擦材の平均摩擦係数が０．２８０以上であり、かつ、ブレーキディスクの片面あたりの焼結摩擦材の平均摩擦量が、制動初速が３００ｋｍ／時において６．３０ｇ／片面以下であり、制動初速が３２５ｋｍ／時において６．５０ｇ／片面以下であり、制動初速が３６５ｋｍ／時において９．００ｇ／片面以下である。ここで、ブレーキディスクの引張強度である「約１０００ＭＰａ」とは、１０００±２０ＭＰａの範囲を意味する。
【００２０】
なお、上述のとおり、本実施形態による鉄道車両用焼結摩擦材は焼結材である。焼結材自体の成分分析や、ネック太さ、粉末粒子同士の結合状態（融合状体）、焼結材内部の空孔の分散状況等の、焼結材の化学的構成（化学組成）及び物理的構成に対して、現時点の測定技術及び解析技術により数値限定等により規定することは極めて困難である。そのため、本実施形態の鉄道車両用焼結摩擦材は、上記のとおり、圧粉体の構成、加圧焼結時の焼結温度、焼結摩擦材の機械特性（平均摩擦係数、平均摩擦量）等により規定している。なお、後述するとおり、本実施形態に鉄道車両用焼結摩擦材の製造方法は、周知の方法である。つまり、本実施形態の鉄道車両用焼結摩擦材は、圧粉体の組成に特徴を有する。
【００２１】
本実施形態の鉄道車両用焼結摩擦材において、上記圧粉体は、Ｃｕの一部に代えて、六方晶窒化硼素：３．０％以下、二硫化モリブデン：３．０％以下、マイカ：３．０％以下、硫化鉄、硫化銅及び銅マットから選択される１種以上：１０．０％以下、バナジウム炭化物：５．０％以下、及び、Ｆｅ：２０．０％以下、からなる群から選択される１種又は２種以上を含有してもよい。
【００２２】
本実施形態による鉄道車両用焼結摩擦材の製造方法は、上述の混合粉末を冷間成形して圧粉体を製造する成形工程と、圧粉体に対して８００〜１０００℃の焼結温度で加圧焼結を実施して、鉄道車両用焼結摩擦材を製造する加圧焼結工程とを備える。
【００２３】
以下、本発明による鉄道車両用焼結摩擦材について詳述する。
【００２４】
［化学組成］
本発明による鉄道車両用焼結摩擦材は、上述のとおり、鉄道車両用のブレーキライニングやディスクブレーキパッドに利用される。焼結摩擦材の焼結前の圧粉体は、次の組成（マトリクス用粉粒体、分散剤）を含有する。ここで、圧粉体は、混合粉末をプレス機により冷間成形して形成されたものである。圧粉体の原料となる混合粉末の各粒子の粒径は特に限定されないが、一例としては１〜１０００μｍである。以下、圧粉体を構成する混合粉末の組成について説明する。なお、圧粉体を構成する混合粉末の組成に関する「％」は質量％を意味する。
【００２５】
［マトリクス（基材）用粉粒体］
Ｃｕ：５０．０〜７５．０％
銅（Ｃｕ）は、鉄道車両用焼結摩擦材のマトリクス（基材）として機能する。Ｃｕは高い熱伝導性を有する。そのため、ブレーキ時（摩擦時）における制動対象部材（ブレーキディスク等）と焼結摩擦材との界面温度の上昇を抑えることができ、過度の焼付き発生を抑制する。そのため、焼結摩擦材の耐摩耗性が高まる。マトリクスであるＣｕはさらに、マトリクス中に含有される後述の分散剤（潤滑材、硬質粒子）を保持する。混合粉末群中のＣｕ含有量が５０．０％未満であれば、上記効果が得られない。一方、Ｃｕ含有量が７５．０％を超えれば、摩擦係数が過剰に大きくなる。この場合、制動対象（たとえばブレーキディスク等）の摺動面に対する凝着による摩擦が過剰に発生して、焼結摩擦材の耐摩耗性が低下する。したがって、Ｃｕ含有量は５０．０〜７５．０％である。Ｃｕ含有量の好ましい下限は５２．０％であり、さらに好ましくは５３．０％である。Ｃｕ含有量の好ましい上限は７０．０％であり、さらに好ましくは、６７．０％である。
【００２６】
なお、本発明による鉄道車両用焼結摩擦材は、マトリクスとしてＮｉ、Ｚｎ及びＳｎを原則含有しない。ここで「原則含有しない」とは、Ｎｉ、Ｚｒ、Ｓｎを積極添加しないという意味であり、Ｎｉ、Ｚｎ及びＳｎは不純物であることを意味する。
【００２７】
ＮｉはＣｕに固溶して、焼結摩擦材のマトリクスが制動対象（ブレーキディスク等）の摺動面に凝着しやすくなり、耐摩耗性が低下する。Ｚｎ及びＳｎは、マトリクスの耐熱性を低下し、フェードを発生させやすくする。したがって、焼結摩擦材のマトリクスにＮｉ、Ｚｎ及びＳｎを原則含有しない。
【００２８】
［分散剤］
上記圧粉体はさらに、次の（１）〜（４）の分散剤を含有する。
【００２９】
（１）黒鉛：５．０〜１５．０％
本明細書でいう黒鉛は、天然黒鉛及び／又は人工黒鉛を含む。加圧焼結後の焼結摩擦材において、黒鉛は粒子としてマトリクス中に含有される。黒鉛は、潤滑材として機能し、焼結摩擦材の摩擦係数を安定化し、焼結摩擦材の摩耗量を低減する。黒鉛含有量が５．０％未満であれば、上記効果が得られない。一方、黒鉛含有量が１５．０％を超えれば、加圧焼結時に混合粉末が十分に焼結されず、その結果、焼結摩擦材の耐摩耗性が低下する。したがって、黒鉛含有量は５．０〜１５．０％である。黒鉛含有量の好ましい下限は８．０％であり、さらに好ましくは９．０％である。黒鉛含有量の好ましい上限は１３．０％であり、さらに好ましくは１２．０％である。
【００３０】
（２）マグネシア、ジルコンサンド、シリカ、ジルコニア、ムライト及び窒化珪素からなる群から選択される１種以上：１．５〜１５．０％
マグネシア（ＭｇＯ）、ジルコンサンド（ＺｒＳｉＯ４）、シリカ（ＳｉＯ２）、ジルコニア（ＺｒＯ２）、ムライト（３Ａｌ２０３・２ＳｉＯ２〜２Ａｌ２０３・ＳｉＯ２）、及び窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）はいずれも、硬質粒子として機能する。加圧焼結後の焼結摩擦材において、これらのセラミックスは、粒子としてマトリクス中に含有される。これらのセラミックスはいずれも、制動対象（ブレーキディスク等）の摺動面を引掻くことにより、摺動面に生成される酸化膜を除去し、凝着を安定的に発生させる。これにより、焼結摩擦材の制動対象（ブレーキディスク等）に対する摩擦係数の低下を抑制でき、優れた摩擦特性が得られる。これらのセラミックスからなる群から選択される１種以上の合計含有量が１．５％未満であれば、優れた摩擦特性が得られない。一方、これらのセラミックスからなる群から選択される１種以上の合計含有量が１５．０％を超えれば、焼結摩擦材の焼結性が低下する。この場合、焼結摩擦材の耐摩耗性が低下する。したがって、これらのセラミックスからなる群から選択される１種以上の合計含有量は１．５〜１５．０％である。これらのセラミックス群から選択される１種以上の合計含有量の好ましい下限は２．０％であり、さらに好ましくは４．０％である。これらのセラミックス群から選択される１種以上の合計含有量の好ましい上限は１２．０％であり、さらに好ましくは１０．０％である。
【００３１】
（３）Ｗ及びＭｏからなる群から選択される１種以上：３．０〜３０．０％
タングステン（Ｗ）及びモリブデン（Ｍｏ）はいずれも、硬質粒子として機能する。Ｗ及びＭｏは、マトリクスのＣｕに固溶せずに、粒子としてマトリクス中に含有される。Ｗ及びＭｏはいずれも、後述のＦｅ系合金粒子とともに含有されることにより、焼結摩擦材の耐摩耗性を高める。Ｗ及びＭｏからなる群から選択される１種以上の合計含有量が３．０％未満であれば、この効果が得られない。一方、Ｗ及びＭｏからなる群から選択される１種以上の合計含有量が３０．０％を超えれば、焼結摩擦材の焼結性が低下する。この場合、焼結摩擦材の耐摩耗性が低下する。したがって、Ｗ及びＭｏからなる群から選択される１種以上の合計含有量は３．０〜３０．０％である。Ｗ及びＭｏからなる群から選択される１種以上の合計含有量の好ましい下限は３．５％であり、さらに好ましくは４．０％である。Ｗ及びＭｏからなる群から選択される１種以上の合計含有量の好ましい上限は２５．０％であり、さらに好ましくは２０．０％である。
【００３２】
（４）フェロクロム、フェロタングステン、フェロモリブデン、及び、ステンレス鋼からなる群から選択される１種以上：２．０〜２０．０％
フェロクロム（ＦｅＣｒ）、フェロタングステン（ＦｅＷ）、フェロモリブデン（ＦｅＭｏ）及びステンレス鋼はいずれも、マトリクス中に固溶せずに、粒子としてマトリクス中に含有される。本明細書において、フェロクロム、フェロタングステン、フェロモリブデン、及び、ステンレス鋼を総称してＦｅ系合金粒子という。これらのＦｅ系合金粒子はいずれも、焼結摩擦材の耐摩耗性を高める。その理由は定かではないが、次の理由が考えられる。
【００３３】
Ｆｅ系合金粒子の硬さは、マトリクス（Ｃｕ）よりも高い。Ｆｅ系合金粒子はさらに、上述のセラミックス（マグネシア、ジルコンサンド、シリカ、ジルコニア、ムライト及び窒化珪素）と比較して、マトリクスとの親和性が高く、マトリクスから剥離しにくい。そのため、Ｆｅ系合金粒子は焼結摩擦材の耐摩耗性を高める。この効果は、Ｗ及びＭｏからなる群から選択される１種以上とともにマトリクス中に含有されることで、さらに高まる。Ｆｅ系合金粒子が特に低速域〜中速域での耐摩耗性を高め、Ｗ及びＭｏが特に高速域での耐摩耗性を高めると考えられる。
【００３４】
Ｆｅ系合金粒子の合計含有量が２．０％未満であれば、焼結摩擦材の耐摩耗性が低下する。一方、Ｆｅ系合金粒子の合計含有量が２０．０％を超えれば、焼結摩擦材の焼結性が低下する。この場合、焼結摩擦材の耐摩耗性が低下する。したがって、Ｆｅ系合金粒子の合計含有量は２．０〜２０．０％である。Ｆｅ系合金粒子の好ましい下限は３．０％であり、さらに好ましくは４．０％である。Ｆｅ系合金粒子の好ましい上限は１８．０％であり、さらに好ましくは１６．０％である。
【００３５】
本明細書において、フェロクロムは、ＪＩＳ  Ｇ  ２３０３（１９９８）に規定された高炭素フェロクロム（ＦＣｒＨ０、ＦＣｒＨ１、ＦＣｒＨ２、ＦＣｒＨ３、ＦＣｒＨ４、及び、ＦＣｒＨ５）、中炭素フェロクロム（ＦＣｒＭ３、ＦＣｒＭ４）、及び低炭素フェロクロム（ＦＣｒＬ１、ＦＣｒＬ２、ＦＣｒＬ３、及び、ＦＣｒＬ４）からなる群から選択される１種以上を含む。
【００３６】
本明細書において、フェロタングステンは、ＪＩＳ  Ｇ  ２３０６（１９９８）に規定された化学組成を有するフェロタングステン（ＦＷ）を意味する。
【００３７】
本明細書において、フェロモリブデンは、ＪＩＳ  Ｇ  ２３０７（１９９８）に規定された高炭素フェロモリブデン（ＦＭｏＨ）及び低炭素フェロモリブデン（ＦＭｏＬ）からなる群から選択される１種以上を含む。
【００３８】
本明細書において、ステンレス鋼は、５０質量％以上のＦｅと１０．５％以上のクロムを含有する合金鋼を意味する。より好ましくは、本明細書におけるステンレス鋼は、ＪＩＳ  Ｇ  ４３０３（２０１２）、ＪＩＳ  Ｇ  ４３０４（２０１２）、ＪＩＳ  Ｇ  ４３０４（２０１５）、ＪＩＳ  Ｇ  ４３０５（２０１２）、ＪＩＳ  Ｇ  ４３０５（２０１５）、ＪＩＳ  Ｇ  ４３０８（２０１３）及びＪＩＳ  Ｇ  ４３０９（２０１３）に規定されたステンレス鋼を意味する。本明細書におけるステンレス鋼は、たとえば、上記ＪＩＳ  Ｇ  ４３０４（２０１２）に規定されたマルテンサイト系ステンレス鋼であってもよいし、フェライト系ステンレス鋼であってもよいし、オーステナイト系ステンレス鋼であってもよいし、二相系（オーステナイト・フェライト系）ステンレス鋼であってもよいし、析出硬化系ステンレス鋼であってもよい。
【００３９】
マルテンサイト系ステンレス鋼はたとえば、上記ＪＩＳ規格に規定されたＳＵＳ４０３、ＳＵＳ４１０、ＳＵＳ４１０Ｓ、ＳＵＳ４２０（ＳＵＳ４２０Ｊ１、ＳＵＳ４２０Ｊ２）、ＳＵＳ４４０Ａ等である。
【００４０】
フェライト系ステンレス鋼はたとえば、上記ＪＩＳ規格に規定されたＳＵＳ４０５、ＳＵＳ４１０Ｌ、ＳＵＳ４２９、ＳＵＳ４３０、ＳＵＳ４３０ＬＸ、ＳＵＳ４３０Ｊ１Ｌ、ＳＵＳ４３４、ＳＵＳ４３６Ｌ、ＳＵＳ４３６Ｊ１Ｌ、ＳＵＳ４４３Ｊ１、ＳＵＳ４４４、ＳＵＳ４４５Ｊ１、ＳＵＳ４４５Ｊ２、ＳＵＳ４４７Ｊ１、ＳＵＳＸＭ２７等である。
【００４１】
オーステナイト系ステンレス鋼はたとえば、上記ＪＩＳ規格に規定されたＳＵＳ３０１、ＳＵＳ３０１Ｌ、ＳＵＳ３０１Ｊ１、ＳＵＳ３０２Ｂ、ＳＵＳ３０３、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０４Ｃｕ、ＳＵＳ３０４Ｌ、ＳＵＳ３０４Ｎ１、ＳＵＳ３０４Ｎ２、ＳＵＳ３０４ＬＮ、ＳＵＳ３０４Ｊ１、ＳＵＳ３０４Ｊ２、ＳＵＳ３０５、ＳＵＳ３０９Ｓ、ＳＵＳ３１０Ｓ、ＳＵＳ３１２Ｌ、ＳＵＳ３１５Ｊ１、ＳＵＳ３１５Ｊ２、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌ、ＳＵＳ３１６Ｎ、ＳＵＳ３１６ＬＮ、ＳＵＳ３１６Ｔｉ、ＳＵＳ３１６Ｊ１、ＳＵＳ３１６Ｊ１Ｌ、ＳＵＳ３１７、ＳＵＳ３１７Ｌ、ＳＵＳ３１７ＬＮ、ＳＵＳ３１７Ｊ１、ＳＵＳ３１７Ｊ２、ＳＵＳ８３６Ｌ、ＳＵＳ８９０Ｌ、ＳＵＳ３２１、ＳＵＳ３４７、ＳＵＳＸＭ７、ＳＵＳＸＭ１５Ｊ１等である。
【００４２】
二相系（オーステナイト・フェライト系）ステンレス鋼はたとえば、上記ＪＩＳ規格に規定されたＳＵＳ８２１Ｌ１、ＳＵＳ３２３Ｌ、ＳＵＳ３２９Ｊ１、ＳＵＳ３２９Ｊ３Ｌ、ＳＵＳ３２９Ｊ４Ｌ、ＳＵＳ３２７Ｌ１等である。
【００４３】
析出硬化系ステンレス鋼はたとえば、上記ＪＩＳ規格に規定されたＳＵＳ６３０、ＳＵ６３１等である。
【００４４】
焼結摩擦材用の圧粉体の残部は不純物である。ここで、不純物とは、圧粉体を工業的に製造する際に、原料又は製造環境などから混入されるものであって、本実施形態の焼結摩擦材に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。
【００４５】
［任意添加材について］
上記圧粉体はさらに、Ｃｕの一部に代えて、次の（５）〜（７）からなる群から選択される１種以上の分散剤を含有してもよい。
【００４６】
（５）下記（ａ）〜（ｄ）からなる群から選択される１種以上
（ａ）六方晶窒化硼素：３．０％以下、
（ｂ）二硫化モリブデン：３．０％以下、
（ｃ）マイカ：３．０％以下、及び、
（ｄ）硫化鉄、硫化銅及び銅マットから選択される１種以上：１０．０％以下
六方晶窒化硼素（ｈ−ＢＮ）、二硫化モリブデン（ＭｏＳ２）、マイカ（雲母）及び、硫化鉄、硫化銅及び銅マットから選択される１種以上はいずれも、潤滑材として機能する。これらの潤滑材は、黒鉛と同様に、焼結摩擦材の摩擦係数を安定化し、優れた摩擦特性が得られる。しかしながら、これらの各潤滑材の含有量が３．０％を超えれば、焼結摩擦材の焼結性が低下して、耐摩耗性が低下する。したがって、六方晶窒化硼素の含有量は３．０％以下であり、二硫化モリブデンの含有量は３．０％以下であり、マイカの含有量は３．０％以下であり、硫化鉄、硫化銅及び銅マットから選択される１種以上の合計含有量は１０．０％以下である。
【００４７】
銅マットはＪＩＳ  Ｈ  ０５００（１９９８）の伸銅品用語  番号５４００に記載されているものであり、主として硫化鉄と硫化銅とからなる。硫化鉄、硫化銅はそれぞれ単独で潤滑剤として作用する。また、硫化鉄と硫化銅を混合して使用してもよい。上述の銅マットは硫化鉄と硫化銅との混合物として使用でき、かつ安価であることから経済的な観点で有利である。
【００４８】
（６）バナジウム炭化物：５．０％以下
バナジウム炭化物（ＶＣ）は、硬質粒子であり、マトリクス中に粒子として含有される。バナジウム炭化物は、Ｗとの相乗効果により、焼結摩擦材の耐摩耗性をさらに高める。しかしながら、バナジウム炭化物の含有量が高すぎれば、焼結摩擦材の焼結性が低下して、耐摩耗性が低下する。したがって、バナジウム炭化物の含有量は５．０％以下である。バナジウム炭化物の含有量の好ましい下限は０．２％であり、さらに好ましくは０．５％である。バナジウム炭化物の含有量の好ましい上限は４．０％であり、さらに好ましくは３．０％である。
【００４９】
（７）Ｆｅ：２０．０％以下
鉄（Ｆｅ）は、焼結摩擦材のマトリクス中に粒子又は凝集体として焼結摩擦材に含有される。Ｆｅはマトリクスの強度を高め、焼結摩擦材の耐摩耗性を高める。Ｆｅはさらに、焼付きにより焼結摩擦材の摩擦係数を高める。しかしながら、Ｆｅ含有量が高すぎれば、凝着が発生しやすくなり、焼結摩擦材の耐摩耗性が低下する。したがって、Ｆｅ含有量は２０．０％以下である。Ｆｅ含有量の好ましい下限は０．５％であり、さらに好ましくは４．０％である。Ｆｅ含有量の好ましい上限は１５．０％であり、さらに好ましくは１２．０％である。
【００５０】
［焼結摩擦材について］
本実施形態による焼結摩擦材は、上述の圧粉体を周知の加圧焼結法により周知の加圧焼結条件で加圧焼結して形成される。より具体的には、本実施形態による焼結摩擦材は、上述の圧粉体を８００〜１０００℃で加圧焼結して形成される。本実施形態による焼結摩擦材は、Ｃｕからなるマトリクスに、特に上記（１）〜（４）を含有し、任意で（５）〜（７）の少なくとも１種又は２種以上を含有することにより、十分な摩擦特性を有しつつ、優れた耐摩耗性を有し、特に、２８０ｋｍ／時以上の高速域での耐摩耗性に優れる。
【００５１】
より具体的には、本実施形態による焼結摩擦材は、直径が４００ｍｍ、厚さが２０ｍｍであって、ＪＩＳ  Ｇ  ４０５３（２０１６）に規定のＳＣＭ４４０に相当する化学組成を有し、約１０００ＭＰａの引張強度を有するブレーキディスクと、ブレーキディスクを制動するキャリパとを準備し、キャリパの左右の内面の各々に、幅３８ｍｍ、長さ５５ｍｍ、高さ１５ｍｍの４つの焼結摩擦材を、ブレーキディスク１０の中心から半径１７０ｍｍの仮想円上に、ブレーキディスク１０の中心軸まわりに２５°ずつずらして一列に配列して、回転するブレーキディスクに対してキャリパの左右内面に取り付けられた焼結摩擦材を、一定の圧力２．２４ｋＮでブレーキディスクの両面に押し付けるブレーキ試験を実施した場合、制動初速が３６５ｋｍ／時での焼結摩擦材の平均摩擦係数が０．２８０以上であり、かつ、ブレーキディスクの片面あたりの焼結摩擦材の平均摩擦量が、制動初速が３００ｋｍ／時において６．３０ｇ／片面以下であり、制動初速が３２５ｋｍ／時において６．５０ｇ／片面以下であり、制動初速が３６５ｋｍ／時において９．００ｇ／片面以下である。
【００５２】
好ましくは、本実施形態の焼結摩擦材において、上記ブレーキ試験を実施した場合、制動初速が３６５ｋｍ／時での好ましい平均摩擦係数は０．２８５以上であり、さらに好ましくは０．２９０以上であり、さらに好ましくは０．３００以上である。
【００５３】
好ましくは、本実施形態の焼結摩擦材において、上記ブレーキ試験を実施した場合、制動初速が３００ｋｍ／時における好ましい平均摩擦量が５．５０ｇ／片面以下であり、さらに好ましくは５．００ｇ／片面以下である。制動初速が３２５ｋｍ／時における好ましい平均摩擦量が５．７０ｇ／片面以下であり、さらに好ましくは５．２０ｇ／片面以下である。制動初速が３６５ｋｍ／時における好ましい平均摩擦量が８．５０ｇ／片面以下であり、さらに好ましくは８．００ｇ／片面以下である。
【００５４】
［製造方法］
本発明の焼結摩擦材の製造方法の一例を説明する。本発明の焼結摩擦材の製造方法の一例は、混合粉末製造工程と、成形工程と、加圧焼結工程とを含む。以下、各工程について説明する。
【００５５】
［混合粉末製造工程］
上述の（１）〜（４）の粉粒体、さらに、必要に応じて（５）〜（７）の粉粒体を準備する。準備された粉粒体を、周知の混合機を用いて混合（ミキシング）して、混合粉末を製造する。周知の混合機はたとえば、ボールミルやＶ型混合機である。
【００５６】
［成形工程］
製造された混合粉末を所定の形状に冷間成形して圧粉体を製造する。混合粉末の成形には、周知の成形法を適用すればよい。たとえば、プレス成形法により、上記圧粉体を製造する。具体的には、所定の形状を成形するための金型（ダイ）を準備する。金型内に混合粉末を充填する。金型に充填された粉粒体はプレス機により周知の圧力で加圧され、圧粉体に冷間成形される。冷間成形であるため、圧粉体は通常、常温で成形される。プレス機での圧力はたとえば、１８０Ｎ／ｍｍ２以上であり、好ましくは、１９６Ｎ／ｍｍ２以上である。プレス機での圧力の上限はたとえば、１０００Ｎ／ｍｍ２である。成形は大気中で行えば足りる。
【００５７】
［加圧焼結工程］
製造された圧粉体に対して周知の加圧焼結法を実施して、焼結摩擦材を製造する。たとえば、加圧焼結装置内の黒鉛板上に圧粉体を配置する。その後、内周面に高周波加熱コイルが配置された筐体状のフレーム内に、圧粉体が配置された黒鉛板を段積みにして格納する。その後、最上段の黒鉛板に圧力を付与して圧粉体を加圧しながら、焼結雰囲気中で所定の焼結温度で焼結する。
【００５８】
加圧焼結は、周知の条件で実施すれば足りる。なお、加圧焼結時の焼結温度はたとえば、８００〜１０００℃である。焼結温度の好ましい下限は８２０℃であり、さらに好ましくは８３０℃であり、さらに好ましくは８４０℃である。焼結温度の好ましい上限は９８０℃であり、さらに好ましくは９７０℃であり、さらに好ましくは９６０℃である。
【００５９】
加圧焼結時に圧粉体に付与する圧力はたとえば、０．２〜５．０Ｎ／ｍｍ２である。加圧焼結時に圧粉体に付与する圧力の好ましい下限は０．３Ｎ／ｍｍ２であり、さらに好ましくは０．４Ｎ／ｍｍ２であり、さらに好ましくは０．５Ｎ／ｍｍ２である。加圧焼結時に圧粉体に付与する圧力の好ましい上限は４．０Ｎ／ｍｍ２であり、さらに好ましくは３．０Ｎ／ｍｍ２であり、さらに好ましくは１．５Ｎ／ｍｍ２である。
【００６０】
加圧焼結時の上記焼結温度での保持時間は１０〜１２０分である。好ましい保持時間の下限は２０分であり、さらに好ましくは６０分である。好ましい保持時間の上限は１１０分であり、さらに好ましくは１００分である。
【００６１】
加圧焼結時の雰囲気はたとえば、不活性ガス及び不純物からなる、又は不活性ガス及びＨ２ガスを含有し、残部は不純物からなる。Ｈ２ガスを含有する場合、好ましいＨ２ガスの含有量は５〜２０％である。不活性ガスはたとえば、Ｎ２ガスや、Ａｒガスである。加圧焼結時の好ましい雰囲気は、５〜２０％のＨ２ガスを含有し、残部はＮ２及び不純物からなる。又は、加圧焼結時の好ましい雰囲気は、Ａｒガス及び不純物からなる。
【００６２】
上記加圧焼結により、圧粉体内の粉粒体の接触部にネックが形成され、上述の焼結摩擦材が製造される。
【００６３】
［その他の工程］
上記製造工程はさらに、周知のコイニング工程及び／又は周知の切削加工工程を含んでもよい。
【００６４】
［コイニング工程］
コイニング工程を加圧焼結工程後に実施してもよい。コイニング工程では、加圧焼結工程後の焼結摩擦材を冷間で加圧して、焼結摩擦材の形状を整える。
【００６５】
［切削加工工程］
切削加工工程を、加圧焼結工程後又はコイニング工程後に実施してもよい。切削加工工程では、焼結摩擦材を切削加工して、所望の形状とする。
【００６６】
以上の製造工程により本発明による鉄道車両用の焼結摩擦材が製造される。鉄道車両用の焼結摩擦材がブレーキラインニングである場合、取付板部材に１又は複数の焼結摩擦材が固定され、鉄道車両に取り付けられる。
【実施例】
【００６７】
表１示す粉粒体を含有する混合粉末を製造した。【００６８】
【表１】
2018101435.tif 000003
【００６９】
具体的には、原料を、Ｖ型混合機に投入した後、回転速度２０〜４０ｒｐｍで２０〜１００分ミキシングして、各試験番号の混合粉末を製造した。【００７０】
各試験番号の混合粉末を用いて、冷間成形加工により圧粉体を製造した。成形加工では、超硬合金からなる金型に混合粉末を充填した後、１９６〜５８８Ｎ／ｍｍ２で加圧して、常温（２５℃）にて圧粉体を成形した。【００７１】
圧粉体を加圧焼結法により加圧焼結し、焼結摩擦材を形成した。具体的には、黒鉛板上に圧粉体を配置した。その後、内周面に高周波加熱コイルが配置された筐体状のフレーム内に、圧粉体が配置された黒鉛板を段積みして格納した。８５０〜９５０℃で６０分加熱し、圧粉体を０．５〜１．０Ｎ／ｍｍ２で加圧して圧粉体を焼結し、焼結摩擦材を製造した。加圧焼結中のフレーム内の雰囲気は、５〜１０％のＨ２ガスと、Ｎ２ガスとからなる混合ガスとした。以上の製造工程により、焼結摩擦材を製造した。【００７２】
［ブレーキ試験］
製造された焼結摩擦材を用いて、ブレーキ試験を実施した。具体的には、図１に示すベンチ試験機１を準備した。ベンチ試験機１は、制動対象材であるブレーキディスク１０と、フライホイール１１と、モータ１２と、キャリパ１３とを備えた。ブレーキディスク１０は、シャフト１４を介して、フライホイール１１及びモータ１２と連結された。ブレーキディスク１０は、新幹線で用いられるブレーキディスクの１／２のサイズであり、直径が４００ｍｍ、厚さが２０ｍｍであった。制動対象材であるブレーキディスクの化学組成は、ＪＩＳ  Ｇ  ４０５３（２０１６）に規定のＳＣＭ４４０に相当した。ブレーキディスクは、焼入れ及び焼戻しを実施して、ブレーキディスクの引張強度を１０００ＭＰａに調整した。【００７３】
４つの焼結摩擦材１５（ライニング材）を取付板１６に取り付けた。４つの焼結摩擦材１５（ライニング材）が取り付けられた取付板１６を２セット用意し、この取付板１６を各々キャリパ１３の左右の内面に取り付けた。各焼結摩擦材１５は直方体であり、幅３８ｍｍ、長さ５５ｍｍ、高さ１５ｍｍであった。各４つの焼結摩擦材は、ブレーキディスク１０の中心から半径１７０ｍｍの仮想円上に、ブレーキディスク１０の中心軸まわりに２５°ずつずらして一列に配列した。【００７４】
［ブレーキ試験での摩擦係数測定］
焼結摩擦材１５（ライニング材）が取り付けられた取付板１６をキャリパ１３に取り付けた後、ブレーキ試験を実施した。具体的には、回転する制動対象材であるブレーキディスクに対して、キャリパ１３の左右内面に取り付けられた焼結摩擦材１５を、一定の圧力２．２４ｋＮでブレーキディスクの両面に押し付けて（ブレーキをかけて）、トルクを測定し、摩擦係数（μ）を求めた。【００７５】
ブレーキをかけ始めるときのディスクブレーキの速度（制動初速）を、１６０、２４０、３００、３２５、３６５ｋｍ／時として、それぞれの制動初速で摩擦係数を求めた。各制動初速において３回ブレーキをかけて摩擦係数を求め、３回の摩擦係数の平均値を、その制動初速での平均摩擦係数と定義した。【００７６】
［ブレーキ試験での摩耗量］
上述の各制動初速でのブレーキ試験の前後での、焼結摩擦材の質量差を求め、得られた質量差から、１回のブレーキ試験でのブレーキディスクの片面あたりの焼結摩擦材の平均摩耗量（ｇ／片面）を求めた。具体的には、焼結摩擦材１５が取付板１６に取り付けられた状態で全体の質量を試験前に測定し、３回のブレーキ後に同じ状態で全体の質量を測定し、その質量差を１セットずつ求めた。そして、左右２セットの質量差を合計した後に、ブレーキ回数の３で除し、さらにセット数の２で除した値を、その制動速度での平均摩耗量（ｇ／片面）と定義した。【００７７】
［試験結果］
試験番号１〜８の試験結果を表２に示す。また、試験番号１〜３での制動初速（ｋｍ／時）と摩擦係数（μ）との関係を図２に示す。さらに、試験番号１〜３での制動初速（ｋｍ／時）と平均摩耗量（ｇ／片面）との関係を図３に示す。【００７８】
【表２】
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【００７９】
表２及び図２を参照して、いずれの制動初速においても、０．２８０以上の高い平均摩擦係数が得られた。【００８０】
さらに、表２及び図３を参照して、Ｆｅ系合金粒子及びＷを共に含有した試験番号２〜８では、Ｗ及びＦｅ系合金粒子を共に含有しない試験番号１と比較して、いずれの制動初速においても、平均摩耗量（ｇ／片面）が低かった。また、試験番号２〜８を比較して、Ｗ含有量が高い試験番号３は、試験番号３よりもＷ含有量が低い他の試験番号と比較して、摩擦係数が比較的高く、かつ、平均摩耗量が比較的低かった。【００８１】
以上、本発明の実施の形態を説明した。しかしながら、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。したがって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変更して実施することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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