平成9年度 研究報告 大分県産業科学妓補センタ仙鋳鉄制輪子の摩擦。摩耗特性に及ぼすボロンの影響】摩擦い摩耗特性に優れた高機能鋳鉄材料の開発及びその評価に関する研究一高橋芳朗＊・江藤博明＊。吉浦洋之＊＊。清水一道＊＊＊・片岸庄史＊＊＊＊＊材料開発部・＊＊機械電子部・＊＊＊大分工業高等専門学校。＊＊＊＊棉八幡ハイキヤスト

Effects of−Boron on FrictionalWear Characteristics of CastIron Brake Shoes¶Development and Evaluation of High FunctionalCastIrons
Having Excellent FrictionaiWear Characteristics−
Yoshil・Oh TAIく；ⅦASIiI＊誹1roa主（iETOトi＊，HiroyukiYOSHIURA不＊，王｛azumichiS＝IMIZU＊＊＊and S〉▼OjlKATÅGISIlI＊＊＊＊＊MaterialDeveloplllentDivision．＊＊Mechanics＆Elec七ronicsDivision，＊＊＊oit aNationalCollege ofTechnology and＊＊＊＊YahataHighCasting Co・・Ltd・

要旨

我々は，平成7年安21テクノ研究開発事業で取り組んだ小型ブレーキ試験機の製作と予備実験で得た評価技
術1）をもとに，各錬道で実際に使用されている鋳鉄制輪子の摩耗特性について評価を行ってきた≡∴ その結果

鋳鉄刹綿子の摩耗は制動面付近の組織の歪みが原因であり，切り欠き効果により黒鉛組織の先端から起こることが分かった．また，各種合金元素の添加による炭化物の析出とそれに伴った黒鉛析出の抑制・微細化が，鋳鉄制輪子の耐摩耗性，制動性の向上に効果的であることも分かった。

そこで本研究では，鋳鉄制輪子の摩擦・摩耗特性に及ぼす合金元素個々の影響について調査するために，ボロン添加量のみを変化させた鋳鉄制輪子の作製と撃擦・摩耗特性の評価を行ったく その結果，鋳鉄制輪子の耐摩耗性，制動性はボロンの添加量増加に伴って向上し，ボロンを0・0741−1と1SS射許加することで耐摩耗性が約1・7倍，制動性が約1．1偏向上することが分かった．
1．緒言て（財）鉄道総合技術研究所，JR等では，鋳錬制輪子の錬道車両の高速化に伴って，動力ブレーキと摩擦ブ摩擦摩耗に及ぼす煽，クロム，チタン，バナジウムのレーキを併用したブレーキの安全性，制動性及び経済影響に関する研究3ノ、≡、r ；＼鋳鉄制輪子の摩擦摩耗に及ぼ性の向上が課題となっている。その中でも，摩擦ブレ

す炭素量，黒鉛形状の影響に関する研究1∴【吊），セラミーキを構成する制輪子には，耐摩耗性，安定した制動性，ック含有鋳鉄制斡子に関する研究3ノ，15ト17ノ等が行われて車輪への低攻撃性，耐熱亀裂性，軽量化，低コスト化いる．

等が要求される．一般的に鉄道用制輪子には鋳鉄系の一方大分県では，平成7年度より締八幡ハイキヤスト，ものが古くから用いられているが，近年はフェノール

大分工業高等専門学校と共同で，時間とコストのかか樹脂系（金属粉末，黒鉛粉末等含有）のものや焼結金属系

る実車試験の前試験用として独自に小型ブレーキ試験のものもあり，用途に応じた利用が行われているコ機の開発を行い．在来線で使用されている各種合金鋳鉄制輪子を中心とした摩擦■蜜耗特性の評価に関する研

鋳鉄系制梅子に関する研究開発は，欧米でかなり異なる発展をしてきたようである4究を行ってきた＝、、∑∴ その結果ノ鋳鉄制綿子の摩責毛は制米国では．互∴も．fモ．瓦卜拍1によるチルド鋳鉄 またはこれにクロム鋼を埋め込ん動面付近の組織の歪みが原因であり。切り欠き効果にだ硬質のものが主となっており，欧州ではしIC（国際鉄より黒鉛組織の先端から起こることが分かった。また−

道連合会）規格による高儀鋳鉄制輪子！ソ連のチタン入

各種合金元素の添加による炭化物の析出とそれに伴っり鋳鉄利輪子．その他血般にはブリネル硬さ200前後のた黒鉛析出の抑制・微細化が，鋳鉄制輪子の耐摩耗性，普通鋳鉄のものが使われてきた．

制動性の向上に効果的であることも分かった。

また国内においては，そこで本研究では，鋳鉄制輪子の摩擦・蜜耗特性に及鋳鋼利輪子。鋳鉄に鋳鋼を入れたもの．球状黒鉛鋳鉄のものが言封放されてきた．近年の研究開発レトー）勤同とL

ぼす合金元素個々の影響について調査するために†ボ71−

平成9年度 研究報告 大分県産業科学技術センター

TablelChemicalComposition and Hardness of Specimen
SaIllple

ChemicalCoI叩OSition（mass％）
CC】

DE

Si

九Ill

Cl−

P

＼■1ckel、S Haエー（inessB

＼r

3．32

1．73

1．50

0．328 0．37

3．31

L77

1．49

0．314 0．37

0．09

0．008

0．09

3．34 1．79 1．49

0，333 0．37

3．33（GPa）

0．012

0．09 0．016

3．22

1．85

1．52

0．345 0．38

0．09

0．025

3．08

3．29 1．89

1．52

0．328 0．38

0．09

0．038

3．84

3．26

1．87

1．47

3．23

1．87

1．51

0．323 0．37
0．318 0．37

0．09
0．09

0．057
0，074

ロン添加量のみを変化させた鋳鉄制輪子の作製と啓掛・三凍摩耗特性の評価を行ったので以下に報告する．

2． 実験方法
2．1試験制輪子の作製
3tの低周波誘導電気炉を用いて，棟八幡ハイキヤス
トでボロン含有鋳鉄制輪子（350×80×65I11111）を溶解。鋳造した．そして，機械加工により，小型ブレーキ試験機用に30×30×27111I11の形状の試験制輪子を作製した。
ただし，車輪との接触面は車輪と同じ曲率（R＝140nⅢ1）とした．これらの試験制輪子の化学成分及び基地組織のマイクロピッカース硬さ（押付荷重4．903N）をTablelに示す．

本研究に用いた試験制輪子は，JIS（日本工業規格）のFC250相当鋳鉄をベースに，燭，クロム，マンガン，バナジウム等を合金元素として添加することで，実際に使用されている鋳鉄制輪子と同成分に調整している。そして，更にボロンを0．008〜0、074mass与も追添加することで基地組織を強化している．

試験制輪子の組織をFig．1に示す．組織中の片状の黒い部分は黒鉱 基地部分はパーライト（Fe，Fe。〔：の2元共晶組織）を示している。また，耐摩耗性，制動性の向上に効果的とされている共晶ステダイト（Fe，Fe。C，FeニPの3元共晶組織）∴ヒメンタイト（Fe。C）が一山部析
ト門愉鵬血」出している。これらの組織を比較すると，ボロンの添100〟−11

加量増加に伴って摩耗の要民となる黒鉛が減少瞳微細化

Fig．1肯1icrostrlユCtureS Of−Spe〔こimer）Sし，代わりにセメンタイトが増加している．また，ニれらの組織をもとに，黒鉛面積率，黒鉛拉数，黒鉛長ものである．制動荷重は49、ON刻みに49．0〜980．0＼の範さを未軋 ボロン添加量との関係を調べた．

囲で調整が可能である・また本試験機の動力部は，：∋．7kllr3相交流モータによりプーリ。いべルトを介した：き段

2．2 小型ブレーキ試験機によるブレーキ言式験

階の回転（514、1037、17201、1）lIl）が調整可能であり，ブレFig．2に小型ブレーキ試験機本体を示す．本試験機のーキ初速度を7．ノラ4，1jう．2ク25．2Ilし′′s（27．1，jヨ4．7．90．7kllし／′il）

制動機棉は，てこの原理により，重りを伺いて（つ280Ⅰ‖I11で−−一定に保つ壬）のである，作製した試験利輪子をそれぞれ小型ブレーキ試験機

Cリ車輪（、〕IS E5402SSlトQIS）に試験制相子を押し付ける

丁二平成9年度 研究報告 大分県産業科学技術センター

6︵邑旨膏巴叫紹 聖 和 超 豊 田 壷4200．020．0−10、060．08ehe和事caさGOn叩OS托さ0坤Ⅵa＄S％き紬rB
ドig．3王モel之Itionship betwe（？n Graphitc＾re乙l†Tr；1（：tioila！1d Cぎi用i（：alCo叩OSitiorlgOrlミFig．2 日rake Test桐achirle

車輪を血走速度で60秒間回転さセ㍉、モータのスイッチ停止と同時に制動荷重をかけた．この試験をいつの条件iこつき20回行い，試験制輪子の摩耗量を1回毎に算出し■U丁た．さらに，制動時間も＝司毎に計測した．また試験後

08

選温昏票P愛琶暑に取り付け，制動荷重980N（面庄約川P之l），ブレーキ初速度25．2【lり／sの条件で試験を行った− 今回の試験では，の制絹子を切断して，鏡面研軌 ナイタールによるエッチングの後，金属顕微鏡による断面組織観察を行っ00．020．040．060．08

J．▲

Chemきc8写cor叩￠S宮地n宅ma＄S％）雷orB／こ．

Fまば．4Relatior呈S量Iip bctveen Number or Grapを呈iLe
and C喜ie打宣まc㍑1Co叩OSitionl■0Ⅰ、B

3．実験結果及び考察
さとボロン添加量との関係
ドig∴3に黒鉛面積率とポlコン添加量との関係を示す．
また，ド亘g．4に黒鉛拉致とボロン添加量との閲係を示す。

これら〝J結果より乍 ボロンの添加量増加に伴って黒鉛面積率9 黒鉛拉数ともに減少することが分かった暮 こ

れはドjg．且に示したように，ボロンの添加により基地組織中のセメンタイトが増加することと深く関係している．

首宣言高窓忘薯魯誌轟選空夢攫

3．1試験制絹子の黒鉛面積率，黒鉛紙数及び黒鉛長

大城ら1ろ）は鋳鉄の凝固過程におけろ燐，ボロンの挙動について調査を行っているが、燐は大部分がF吋）と0

して．ボlJンi：主大部分がぎTe。棚）として晶出すると報告0．020．01

0．06

0、08

Cllem王cがcol†叩OS州0∩（IⅥaSS瑚†orBしている．また，燭とボしコンを同時に添加することでFig．5貞ミ（）iatioflSIlip bくラtⅦe倶l柚一朗1‖1と五k（ラGr坤‡lilJ（：

微細な共晶ステダイトげeげeナ＝Teさ長つ）組織ではなく白邑ノer唱t圭呈 之1！！（j Cll（）lⅥi（：ai（Jo岬OSil．ioH foltl．i

組い‡Te。（（二Lミ）と微細如e（γ）＋トリーの組み合わされた組
析出が影響していると考えられる．

織を形成すると報告している．本研究における試料組

また，卜痛．引こ黒鉛長さとボロン添加量との閲係を示織においても．ボーコンの添加により粗い宣Te。（CB）の析出が確認された．

す．この結果より，ボロンの添加により黒鉛虜さが短よって，黒鉛組織の減少は．ド（三。（（二竜，削〕ー 73 】

平成9年度 研究域告 大分県産業科学技揃センタ鵬
3．S〈なりタ 微細化されることが分かったp以上の結果から9 ポ1プンの添加は摩層状要因となる

3ぐ空ssO ﹂ 呈 官 吏

黒鉛組織を減少凋鋸潤化するため，鋳鉄制輪子の耐摩耗性手 刷軌性（r日石りこに効果的であることが予想される，

3．2 試篤実制絹子の摩耗量（摩耗割合）と試験回数。ボ

ロン添加量との関係

2．S

21．5

言丁まg」右こ試験制輪子（／〕摩純量と試験恒j数と〝J閲係をホす

この結果より，試験制輪子の摩耗遷烏言郎勘旦数に増加とともに一定の割合で増加していることから，試010520†5験制綺子は定常探粍の状態にあると考えられる。そこ

酌画地欄ほ坤涌脚涌牒細鱒で巧 試験i回当たりの摩耗墨を摩耗割合として算出し，

ドig．（i†モel乙山ons呈Ii茎）b（）tVe（∋！lWeig童il′J」OSS 乙もぎ】（iボロン添加量との関係を調査した．

Nl川1卜t11− いj■ドヽいし、1・inlr＝1

富子まg．7に試験制輪子の度粍割合とボロン添加量との綴︐0係をホす．この結果上り，オ㌦ン添加量の増加に伴っとで耐摩柁性が約呈．7倍向上することが分かった
上述したように。鋳鉄制輸子Cリ摩耗は制動面付近（ノJ

織の先端から起こる．よって，ボuンぴ〕添加による試nV

験制輸子の緊鉛組織の減少絹針細化が，耐摩粍他の向上

O

組織の歪みが原因であり9 切り欠き効果により黒鉛組n▼︑︑い川・ごぶこ∵・一＼ヾナ㌦．Jい∴∫−∵∴て摩耗割合が減少し，ポlコンを0．07紬；モSS獅斎加するこに影響すろと考えらかる．また，ポープンを添加することにより．抱いn早点りと微細な首Te（γ）＋雷TeコF）の組み合わされた組織を形成するため，耐摩耗性が「句上すろと0考えられろ．

0．02

e．0（I O、06

0，08

ClleiれicaIcoinPOSiliori（mass？も）†or日
豊γig．7 首モモ！j；ll二joI星S豊富1亘j を）（？鉦廿‖ 据涙雨明＝汀軌…r 制（旦α削雨＝貢〔0冨岬OSまtioflfor呈ミ

3．3 試篤実削絢子の制動時問（平均制動時閤）と試験回数9 ボロン添加量との関係
m針酎1試験制垢子び．川根裾】新開と謬沌机計数と什川副等を示す．この結果より。試験紳椅子（／j制動時聞は試験且数に閑係なくほ※仁一定であることが分かった8 そこで今
試験汗妊当たりの制閥時間を平控描l摘鋸痺聞守して算出し，h．・∵申⁚ぐ∵∵・ハ・−∴1∴−．

ボロン添加量ト〃閲孫を調査した。
ドig．鋸こ訊湖錮甘輪子（／ノ平均言iilj動時間とボiブン添加義士の関係を示す。こ犯結果上り雫 ボロン添加量び一）増加に伴って平川雄り鰍i貪聞が減少し。ポrJンを0．07∠皇附こiSSq痛≒ノ軒ヲ￣ろこと∵川神勅性が釣上摘神山二すろことが分か∴」た
上述した上う「∴ き掛鉄制凝子牲制動性の向上は腎 基
地組織中に析出したステダイトが効果的である。、メ、つ。

ボロンの添加による試験制輪子の朋㈲他の向．．ユニ乱基地紺髄に析旧したステダイトが粗いドe＝．脚力で強化さ051く）

15rjこ：∴、￣ご‥：●一ニーJ三．さ√・．・・・、‥ニ こ∴・・1‥lれることに野望されると考えられる．

＝針8紆再舶㍑IISili旦夕i）（モ1ノ椚モ（†ぎ盲 SiノOg叩jl‡g「茎、宣旨l腔椚沈

3．4 芸朗薬剤娘子の断面組織観察

軋蘭血r びf軋叩 与酢甘茎Tig。艮0にブレーキ試験後の試働制磯子〃断面組織宣742〔‡平成9年度 研究撮告 大分県産業科学技術センタ】】
3t．
プー

えられる。

︻ー4．緒言▲↓b・

小型ブレーキ試験機を用いてす 鋳鉄制種子JJ摩擦凋至t

純特性に及ぼサボて〇コンCrJ影響について調査した．以卜

5、 そCリ結果をまとめる．
−

り・∴∵∵∵⁚⁚・ さ 1 ︑ ・ ． ・ ∴ ∵ ∴ ∴LJ︑けるポtJン添加量；ま0．07′鉦は摘録度が適当であご）と考∧U

川磯暦朝椅子〔′邦締鉦描膵臓汗は沌埴瀾溝摩藩が原匪iであり，切り欠き効償により黒鉛組織わ先璃から起J−、q︶

ウ0．持2

0．0童

￠．P6

ウ．8∂

（2）鋳鉄純綿子Cリ耐攣粍性．制動性は，ボロンの添加量

し−；い．・・∴∵∴、∵一・、ざ＼・●ii−、・・．いiミ、∴・ニ・増加に伴って向上する．持主∴：ボロンを0．071…i星ニiSSり○ドig．9鮎拍‖淵油津b両駅朝川臨捌封明廟両＝抽e

添加することでタ耐摩耗性が約1ゝ7倍 制動性が約i。i

姐官主d C宣言（うmi（：組員 CG弼農）OSi七io富主 for妻う

倍向上した，ニのことは。ボロンの添加による炭化物の析出とそれに伴った累鉛析出の抑制・微細化による効果と考えられる。
（3）ポープンの添加は鋳鉄制磯子け酢摩耗性，制動性欄向i二に効果的であるが，過剰の添加はプレ州キ機構への取り付け部のチル化を招く危険性があカー よ／Jて弓
ボロン鋸最適添加量はむ、07∠抽㍑蛸程度てせ沃．

謝辞
本研究の遂膏にあたり，ご協力頂いた大分工業高等専門学校制御情郭工学科清水研究室の皆さんに深く感謝の意を表します．またき 試験制輪子の加工にご協力

宮Tig。且O C㌻OSS Sモ誉i：もio一色Og S追招妄ラ1駐さÅai色d S臨mple G

頂いた藤原夏義氏。実験補助とし−てご協力j勘／、、た橋本を凰㌻琶．er 抗で之1kくモ ′葛、（モSせ賢二氏に深く感謝の意を来しよす．
示す．試料Åは耐摩耗性う 制動性ともに最も劣った試験
言！iF」輪子びJ断面組織を手 話料鈷描離銅糾弘 パ」動性ともに参考文献最も優れた試凝確灘子の断面紐瀦を示す。これらCリ結りうに成7′隼度大分県産業科学技研センター研究報告巨肝果より，試料 鶏は黒鉛組織が粗大化していることが分か

2）平成8年度大分県産業科学技術センター研究報告仁購った，また。プレ州血キ時に受りた摩擦により制動振付

3）（社う巨▼］本紙物協会研究書fま餅う9。旦h）．iG7

近♂J組織が歪みて 素面に析出した黒鉛部分から剥離が封鋳蘭状すべり摩耗、（財）総合鋳物センター。宣ノj．ト＝生じていることが分かった。しかL。試料（；は黒鉛組織

鉦結胴乱滴れ酢酢鋳働㍍け押頂げ．頼うが微細化しておりき 炭化物亮多数に折損していること

甘酢抽乱辻村太郎他：鋳造二王一．学㍍り欄一）．う）1呈、屋）。8瞞

から制動南村近の紹織びj歪み妄）少ない。

7）高沢克恥辻村太i軋巨圭津に鼎＝刺新和黒牒が＝．引用
鋸辻村太郎∵窪鍋修二瀾膵雄倶用射出、5）．（j8

上述したようにモ各種合金元素の添加による炭化灘軌

封新井欄㍉喜子水純雄．「一本鋳物牒美溜汗錆回全国謂骨大会

析ま言」とそれに伴った黒鉛析妄t5♂′J抑糾邑微細化が，鋳鉄瀞j
紙子〔′り耐摩耗軋 制動他の軋上に効巣的であろ。よっ吉葦演概要集、亘）−5：主用＝封軸超損」辛け太郎他∴≡！本鋳物協会芳江H回全国講てモ ボロンの添加に」二る炭化物ヤパ斤揖とそれに伴／二）た黒鉛析欄常朝痛打微細化ガ＼討欄制約子の耐摩耗性。制演大会講演概要集イ．射さけ膵津摘紺毒．辻村二透こ郎他：至再凋徽憫美第㍑鍾拍沌儲動性び．）向上に影響していると考えられる．しかしモ ボ

演大会清演概要舅‡．星つ．5′呈ーごンを0・（〕7ご呈腑SSりe以u亘二流如した場合，プレ血キ機構ノ＼の取り仁一け部がチ′叫ヒLて披くなる危険帖がぁる書 よけ持押測鋸㌫辻村女郎他：ぎ！ふ鋳造i∴キ会第iン）鋸！ラ一全EⅥi三！

講演大会講演概磯雄＝上狛って，ブレーキの宏づ丹！fから考慮すると9 本朝闇黒藻＝）

平成9年度 研究報告 大分県産業科学技術センター
13）宮内瞳苗、辻村太郎他：日本鋳造工学会第130回全国講演大会講演概要集，P．86
14）宮内瞳乱辻村太郎：日本鋳造工学会第1ニう1回全軍講演大会講演概要集，P．107
15）辻村太郎、宮内瞳責イ也二日本鋳物協会第12射亘全国講演大会講演概要集♪P．25
16）中山淳一、辻村太郎他：日本鋳造工学会第127回全国講演大会講演概要集，P．10
17）高梨智昭，辻村太郎他：日本鋳造工学会第131［司全国講演大会講演概要集，P．108
18）若杉孝三、大城桂作：日本鋳造工学会九州支部平成9年安講演概要集P．9− 76 一