(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム合金粉末に、平均粒径が１〜２０μｍで、ビッカース硬さが５００以上の硬質粒子を、１種以上、５〜３０重量％添加した混合粉を、ホットプレスにより固化させると同時に、別なアルミニウム合金と接合させ、その後熱間鍛造を行うことを特徴とする鉄道車両用ブレーキディスク材の製造方法。
【請求項２】
アルミニウム合金粉末は、重量％で、Ｓｉが５〜１２％で、Ｃｕ，Ｍｇ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｚｎ又はＺｒの１種以上を合計で０．５％以上、４％以下含有し、残部はＡｌ及び不可避的不純物であることを特徴とする請求項１記載の鉄道車両用ブレーキディスク材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば鉄道車両用ディスクブレーキに使用されるブレーキディスク材を製造する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
鉄道車両用ディスクブレーキとして、現在は鋳鉄や鍛鋼が採用されているが、近年の鉄道の高速化、省エネルギ、乗り心地改善指向により、車両の軽量化が要求され、ブレーキディスクもその対象になっている。
【０００３】
ブレーキディスク材を軽量化するために、本出願人らは、粉末冶金法及びスプレーフォーミング法を利用して、軽量化を図りつつ、強度を向上させたブレーキディスク材を、特開平１０−１３７９２０号、特開平１０−１４０２７３号、特開平１０−１４０２７４号、特開平１０−１４０２７５号などで開示した。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記したブレーキディスク材を用いてブレーキディスクに加工する場合、鍛造性が悪いために高加工度を加えたニアネット形状への鍛造に制限がある。なお、鍛造割れを防止するために、鍛造性の良い外皮に覆って鍛造する方法を、本出願人は特開平１０−１４０２１３号で開示したが、この方法も、外皮が障害となってニアネット形状への鍛造には制限がある。
【０００５】
すなわち、本出願人らが先に提案した上記ブレーキディスク材を用いてブレーキディスクに加工する場合には、製品仕上げ加工をする際に、加工代が大きくなるという問題があった。加えて、素材全体が切削加工性の悪い複合材料であるために、加工時間が長くなり、加工コストが嵩むという問題もある。
【０００６】
本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたものであり、軽量化を図りつつ、ニアネット形状の鍛造と、良好な機械加工性を得ることができる鉄道車両用ブレーキディスク材の製造方法を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明に係る鉄道車両用ブレーキディスク材の製造方法は、アルミニウム合金粉末に、平均粒径が１〜２０μｍで、ビッカース硬さが５００以上の硬質粒子を、１種以上、５〜３０重量％添加した混合粉を、ホットプレスにより固化させると同時に、別なアルミニウム合金と接合させ、その後熱間鍛造を行うこととしている。そして、このようにすることで、鉄道車両用ディスクブレーキに加工するに際し、ニアネット形状の鍛造と、良好な機械加工性を得ることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明に係る鉄道車両用ブレーキディスク材の製造方法は、アルミニウム合金粉末に、平均粒径が１〜２０μｍで、ビッカース硬さが５００以上の硬質粒子を、１種以上、５〜３０重量％添加した混合粉を、ホットプレスにより固化させると同時に、別なアルミニウム合金と接合させ、その後熱間鍛造を行うもので、アルミニウム合金粉末は、重量％で、Ｓｉが５〜１２％で、Ｃｕ，Ｍｇ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｚｎ又はＺｒの１種以上を合計で０．５％以上、４％以下含有し、残部はＡｌ及び不可避的不純物であることが望ましい。
【０００９】
本発明に係る鉄道車両用ブレーキディスク材の製造方法において、アルミニウム合金粉末にビッカース硬さが５００以上の硬質粒子を添加するのは、この硬質粒子を添加することによって、ブレーキパットと摩擦したときの耐摩耗性、摩擦係数、耐焼付き性を高めるためである。硬質粒子は、ビッカース硬さが５００以上であれば、その種類は問わないが、例えばＳｉＣ，Ａｌ2 Ｏ3 ，ＡｌＮ，Ｓｉ3 Ｎ4 等のセラミックス粒子が採用される。
【００１０】
また、本発明に係る鉄道車両用ブレーキディスク材の製造方法において、添加する硬質粒子の粒径を１〜２０μｍとしたのは、１μｍ未満の粒子は凝集を起こしやすく材料欠陥となるからである。一方、２０μｍを超えると材料の切削性が著しく低下して機械加工が困難になると共に、摩擦の相手となるブレーキパットを損傷させるからである。
【００１１】
また、本発明に係る鉄道車両用ブレーキディスク材の製造方法において、硬質粒子の添加量を、５〜３０重量％としたのは、５重量％未満では十分な耐摩耗性と耐焼付き性が得られず、一方、３０重量％を超えると鍛造加工性及び切削加工性が低下するからである。
【００１２】
また、本発明に係る鉄道車両用ブレーキディスク材の製造方法において、アルミニウム合金粉末に５〜１２重量％のＳｉを含有させるのは以下の理由による。アルミニウムにＳｉを含有させたＡｌ−Ｓｉ合金は、耐摩耗性に優れているので、アルミニウム合金基複合材のマトリクスとして用いることによって、より高い耐摩耗性を得ることができる。また、Ａｌ−Ｓｉ合金は、ヤング率が大きく、線膨張係数が小さいことから、熱疲労性に優れ、ブレーキ材用複合材のマトリクスに適した成分である。しかも、ホットプレスのみで粉末同士の結合が十分に起こる合金である。しかし、含有量が５重量％未満では、耐摩耗性や熱疲労特性が低下し、一方、１２重量％を超えると、鍛造性が低下する。そこで、本発明では、５〜１２重量％とした。
【００１３】
また、本発明に係る鉄道車両用ブレーキディスク材の製造方法において、アルミニウム合金粉末にＣｕ，Ｍｇ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｚｎ又はＺｒを添加するのは、合金の強度及び高温に曝されたときの耐軟化性を増加させるためである。しかしながら、添加量が０．５重量％未満では、強度及び耐軟化の増加は認められず、一方、４重量％を超えると、熱伝導率が増加し、鍛造性の低下が問題となってくる。そこで、本発明では、０．５〜４重量％とした。
【００１４】
【実施例】
以下、本発明に係る鉄道車両用ブレーキディスク材の製造方法を図１及び図２に示す実施例に基づいて説明する。
図１は本発明に係る鉄道車両用ブレーキディスク材の製造方法を順を追って説明する図、図２は本発明に係る鉄道車両用ブレーキディスク材の製造方法に使用するアルミニウム合金基複合材の他の製造方法を説明する図である。
【００１５】
本発明では、例えばアトマイズ法によって製造した急冷凝固アルミニウム合金粉末と、ＳｉＣ粒子等の硬質粒子を混合し、これをホットプレスを用いて固化させるのと同時に、鍛造性の良い別なアルミニウム合金と接合することで、鉄道車両用ブレーキディスク材を製造する。なお、このようにして製造されたブレーキディスク材は、この後、熱間鍛造によりニアネット形状に加工され、機械加工によってブレーキディスクに仕上げられる。以下詳細に説明する。
【００１６】
先ず、アルミニウム合金基複合材のマトリクスとなる、アルミニウム合金粉末を用意する。このアルミニウム合金粉末は、必要な化学成分に配合したアルミニウム合金溶湯を空気或いは窒素等の不活性ガスによるアトマイズ法等を利用して製造する。このアルミニウム合金粉末の成分は、特に限定されるものではないが、Ｓｉが５〜１２重量％で、Ｃｕ，Ｍｇ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｚｎ又はＺｒの１種以上を合計で０．５重量％以上、４重量％以下含有し、残部はＡｌ及び不可避的不純物であることが望ましい。また、このアルミニウム合金粉末の粒度も、特に限定されるものではないが、高強度と高靱性を得るためにも、また、硬質粒子を均一に分散させるためにも、微細であることが望ましい。
【００１７】
次に、このアルミニウム合金粉末に、所定の硬質粒子、すなわち、平均粒径が１〜２０μｍで、ビッカース硬さが５００以上の、例えばセラミックス粒子を１種以上、５〜３０重量％添加して、各種の攪拌式混合機によって均一に混合する。この後、図１（ａ）に示すように、アルミニウム容器１内に、接合すべきアルミニウム合金２と、前記アルミニウム合金粉末と硬質粒子との混合粉３を充填した後、図１（ｂ）に示すように、脱気管４ａを設けた蓋４をして、前記アルミニウム合金２と混合粉３を４００〜５００℃に加熱しながら脱気管４ａから真空引きし、混合粉３の間に存在する空気と、アルミニウム合金粉末の表面に吸着している水分やガスが、製品に残留しないように除去する。なお、アルミニウム容器１に充填する混合粉３は、粉末状態でも、ＣＩＰなどで予備圧縮した成形体でも良い。
【００１８】
脱ガス処理後は、図１（ｃ）に示すように、脱気管４ａを閉じてアルミニウム容器１内部を真空保持する。その後、３５０〜５００℃で、かつ、面圧が２０ｋｇｆ／ｍｍ2 以上でホットプレスして、混合粉３を相対密度が９９％以上となるように緻密化させる（図１（ｄ）参照）。そして、この時、混合粉３の緻密化と同時にアルミニウム合金２と固化した混合粉３が接合する。この接合時における接合強度を十分得られるようにするためには、混合粉３と接するアルミニウム合金２の面は、汚れのない状態を維持する必要がある。
【００１９】
アルミニウム合金２と混合粉３を接合した後は、アルミニウム容器１を例えば切削除去し（図１（ｅ）参照）、最後に、ニアネット形状に熱間鍛造し、仕上げ加工を施してブレーキディスク製品となる。なお、アルミニウム合金２と混合粉３を接合した後、アルミニウム容器１から出さずに、アルミニウム容器１を一緒に鍛造しても良いが、この場合、アルミニウム容器１が製品内に残らないようにするためには、仕上げ加工代を大きくした鍛造にならざるを得ないので、材料費や仕上げ加工費が嵩むことになる。
【００２０】
本発明方法において、アルミニウム合金２と混合粉３の接合は、図１に示した実施例に限らないことは言うまでもない。例えば、図２（ａ）に示すように、アルミニウム容器１の真中に混合粉３を充填し、接合後は真中から２つに分けて２つの素材を同時に製造したり、また、図２（ｂ）に示すように、２枚のアルミニウム合金２で混合粉３を挟み、混合粉３の部分のみを覆って接合し、接合後は真中から２つに分けて２つの素材を同時に製造したり、また、図２（ｃ）に示すように、アルミニウム容器１の上下に混合粉３を充填し、接合後は真中から２つに分けて２つの素材を同時に製造したり、また、図２（ｄ）に示すように、図２（ｃ）に示したように充填した混合粉３のさらに外側にアルミニウム合金２を配置し、接合後は４つに分けて４つの素材を同時に製造することもできる。
【００２１】
次に、本発明に係る鉄道車両用ブレーキディスク材の製造方法の効果を確認するために行った実験例について説明する。
（実験例１）
始めに、下記表１に示すＮｏ．１〜Ｎｏ．６のアルミニウム合金粉末をエアーアトマイズ法によって製造し、これを１５０μｍ以下に分級した。これと、表１に示したＳｉＣ粒子等の硬質粒子を強制攪拌羽根付きクロスロータリーミキサーにより１５分間混合し、各２．５ｋｇの混合粉を用意した。また、外径が１５０ｍｍの４０３２合金の連続鋳造棒を、長さ約１００ｍｍに切断し、片方の端面を旋盤仕上げした。
【００２２】
次に、外径が１５９ｍｍ、内径が１５１ｍｍ、高さが２００ｍｍのアルミニウム容器の中に、旋盤仕上げ面を上にして前記４０３２合金を挿入し、その上に混合粉を充填し、蓋をした。そして、この後、４８０℃にて１時間の真空脱ガス処理をして封缶した。これを、内径が１６０ｍｍの金型に装填し、温度４３０℃、荷重８００トン（面圧４０ｋｇｆ／ｍｍ2 ）、荷重保持時間３０秒のホットプレスを行った。
【００２３】
ホットプレス材から、４０３２合金と複合材（混合粉）との境界部分が試験部位に存在するように引張試験片を取出し、常温にて試験した。また、複合材料の部分がホットプレスで緻密になっているかどうかを調査した。光学顕微鏡で空隙が存在するかどうかを観察し、存在する場合にはその面積率から相対密度を得た。その結果を下記表１に示す。
【００２４】
【表１】
0004144100.tif 000002
【００２５】
上記表１より明らかなように、発明材であるＮｏ. １〜Ｎｏ. ３における接合部の強さは４０３２合金以上であり、ブレーキ材として十分な強度を持っていることが判る。また、複合材の相対密度も１００％であった。
【００２６】
一方、比較材であるＮｏ．４はマトリクスが純アルミニウムであるために、強度が低かった。また、Ｎｏ．５はマトリクスがＡｌ−Ｓｉ系であるものの、Ｆｅを多量に含んだ合金であるために、ホットプレスでは４０３２合金と高い接合強度が得られず、接合界面で破断した。複合部の相対密度も１００％にならなかった。また、Ｎｏ．６はマトリクスがＡｌ−Ｆｅ系であるために、ホットプレスでは４０３２合金と高い接合強度が得られず、接合界面で破断した。複合部の相対密度も１００％にならなかった。
【００２７】
（実験例２）
実験例１の発明材Ｎｏ．１〜Ｎｏ．３から直径が１００ｍｍで、高さが１２０ｍｍ（複合材の厚さ３０ｍｍ、４０３２合金の厚さ９０ｍｍ）の円柱材を削り出した。これを４５０℃に加熱した後、油圧プレスを用いて２ｍｍ／秒の圧下速度で高さが４５ｍｍになるまで鍛造加工した。鍛造加工中に複合材と４０３２合金の界面には剪断力が作用するが、発明材Ｎｏ．１〜３は、いずれも界面の剥離やポアの発生は認められなかった。発明材Ｎｏ．１の鍛造後における境界部の組織を図３に示すが、図３より境界部は完全に密着していることが判る。
【００２８】
さらに、鍛造後、複合部の部分から直径が６０ｍｍ、厚さが５ｍｍのディスクを作成して、ピン−ディスク式摩耗試験を行った。試験条件は、面圧が１ＭＰａ、摩擦速度が５ｍ／秒、潤滑はなしで、相手のピン材は銅系のブレーキパット材を使用し、３０分間摩擦することによって行った。評価は、表面形状測定装置によって、ディスクの摩耗部における摩耗深さを測定することにより行った。その結果を下記表２に示すが、発明材は非常に小さい摩耗しか示さず、良好な耐摩耗性を有していた。また、発明材は焼付きも発生しなかった。
【００２９】
【表２】
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【００３０】
（実験例３）
図４に示す形状のブレーキディスク５を得るために、１５０μｍ以下に分級したＡｌ−８Ｓｉ−１Ｃｕ組成のエアーアトマイズ粉末に、平均粒径が５μｍのＳｉＣ粒子を１０重量％添加した混合粉を用意した。次に、混合粉３と５０８３合金２ａを図５（ａ）に示すような、内径が５００ｍｍで、高さが２６０ｍｍのアルミニウム容器１に充填し、４８０℃で３時間保持しながら真空引きする脱ガス処理を行った。
【００３１】
続いて、これを４５０℃に加熱して内径が５６０ｍｍの円筒形の金型に挿入し、６０００トンで１５秒間のホットプレスを行った。その後、アルミニウム容器１を削り取り、さらに、図５（ｂ）に示すように、上下に２分割して外径が５４０ｍｍで、高さが８０ｍｍのブレーキディスク用素材を２個作成した。
【００３２】
次に、このブレーキディスク用素材を４５０℃にて型鍛造して、図５（ｃ）に示すような、ブレーキ摺動面のみに複合材料が使用されているニアネット形状の素材を得ることができた。
【００３３】
得られた素材は、接合界面の剥離もなかった。また、この素材を仕上げ加工した後、新幹線の緊急ブレーキ相当の、台上のブレーキ耐久試験を実施したところ、３５０ｋｍ／時間からの急停車を１００回負荷させても、ブレーキ材の破壊、界面剥離、過度の摩耗等の損傷は認められず、良好なブレーキ性能が確認できた。
比較用として、全体を、Ａｌ−８Ｓｉ−１Ｃｕ組成のエアーアトマイズ粉末に、平均粒径が５μｍのＳｉＣ粒子を１０重量％添加した複合材料のみで、外径が５４０ｍｍで、高さが８０ｍｍのブレーキディスク用素材を、同様に型鍛造したが、この場合には、最外周部と下部の張出し部の先端（内側と外側の両方）に微小な鍛造割れが多数発生した。
【００３４】
本実施例では、鉄道車両用ブレーキディスク材に適用したものについて説明したが、本発明方法によって製造した素材は、乗用車、トラック、バスなどの自動車用ブレーキディスク材としても使用可能であることは言うまでもない。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る鉄道車両用ブレーキディスク材の製造方法は、アルミニウム合金粉末に、所定の硬質粒子を所定量添加した混合粉を、ホットプレスにより固化させると同時に、別なアルミニウム合金と接合させ、その後熱間鍛造を行うので、アルミニウム合金化により軽量化を図りつつ、アルミニウム複合部材単体に比べてニアネット形状の鍛造と、良好な機械加工性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）〜（ｅ）は本発明に係る鉄道車両用ブレーキディスク材の製造方法を順を追って説明する図である。
【図２】（ａ）〜（ｄ）は本発明に係る鉄道車両用ブレーキディスク材の製造方法に使用するアルミニウム合金基複合材料の他の製造方法を説明する図である。
【図３】（ａ）（ｂ）はそれぞれ発明材Ｎｏ．１の鍛造後における境界部の組織を示す顕微鏡写真を示した図で、（ｂ）は（ａ）の一部を５倍に拡大したものである。
【図４】本発明方法によって製造したブレーキディスクの形状を示す図で、（ａ）は上半分を平面から見た図、（ｂ）は断面図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は本発明方法によって実際にブレーキディスクを製造した際の工程の概略を説明した図である。
【符号の説明】
２    アルミニウム合金
３    混合粉
【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】
0004144100.tif 000008