平成10年度 研究朝告 大分県産業科学技術センタ】

鋳鉄系制玲子の摩擦払摩耗特性に及ぼす燐添加の影響
一鋳ぐるみ法によるセラミック分散合金鋳鉄制輪子の製造と特性評価の研究（第3報）一片岸庄史＊＊＊＊

高橋芳朗＊・江藤博明＊＊。清水一道＊＊＊虻
＊材料開発部・＊＊工業化学部。＊＊＊国立大分工業高等専門学校・＊＊＊＊㈱八幡ハイキヤスト

E動cもS OぞP血0爵phorⅦS亀洩洩i恵ion on恥ieもiのnalW■eay Cba雷ae七e暫is七ies o君
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一A ManⅥfactⅦying Metho護of SeveヱalCe柑mic Fil七eどS／ぎe−C−Si−Mn−CぎーⅤ−P・BÅ1loys
Composiもe Brake Shoes amd Evaluations oぎFぎictionallⅣeay C嵐aracteyis七ics of甘bem（3ぞd Repor七）−YoshiごOb TAⅨAHASHI＊，HiroakiETOH＊＊，Kaz㍑mi抽iSHIM‡ZU＊＊＊amd SyojiKATAG‡SHI＊＊＊＊＊MateTialDevelopment Division，＊＊IndustriaiChemicaiDivision、＊＊＊oitaNationalCollege ofTechnology
and＊＊＊＊Yahata High・Casting Co‥Ltd．
要旨
我々は平戒9年度より、九州大学を中心としたNEDO地域コンソーシアム研究開発事業「メゾスコピック複相組織制御耐熱・耐摩耗性金属基複合材料の研究開発」の分担課題である「溶浸複合材料の研究開発」の中で，鉄道制輪子用金属基複合材料の開発を目標に研究を行っている．本研究では昨年度の結果1）・2）をもとに，各種合金鋳鉄制輪子の組織及び摩擦。摩耗特性の中で，燐添加型合金鋳鉄制輪子の燐添加による制輪子組織及び摩擦■摩耗特性への影響について調査した．さらに，鉄道制輪子材料として材料設計の最適化を図るため、昨年度の結果と比較を行った．

その結果．燐添加型合金鋳鉄制輪子において，燐添加量の増加に従って摩擦・摩耗特性の向上に効果的とされているステダイト組織が増加することが分かった．また，耐摩耗性については約3．Omass％の燐添加が優れていたものの灘動特性については約1〜2mass％の燐添加が優れており、製造工程におけるコスト的試算も考慮した製品開発が今後の課題となることが分かった．さらに，昨年度実験を行ったボロン添加型合金鋳鉄制輪子に比べて燐添加型合金鋳鉄制輪子の方が摩擦・摩耗特性に優れており、セラミックとの複合化による摩擦卜嘩耗特性の向上が今後さらに期待されることが分かった．

耗特性に劣ることから、メンテナンスフリーを目的とし

1．緒言

鉄道車両の高速化に伴って∫電気的に制動力を得る動た牽擦・摩眉毛特性の向上が求められている3）．

力ブレーキと機械的に制動力を得る摩擦ブレーキを併

鋳鉄系制輪子に関する研究開発は．国内では（財）鉄道用したブレーキの安全性満り動性及び経済性の向上が課総合技術研究所が精力的に行っており3卜16）、海外でもい題となっている。その中でも，摩擦ブレーキを構成する制ろいろな取り組みがなされてきた17）．一方大分県では．平輪子にはノ耐摩耗性∫安定した制動性，車輪への低攻撃性，

成7年度より地元企業のニーズにより試験時間、コストの耐熱亀裂性．軽量化∫低コスト化などが要求されている．

かかる実車試験の前試験用として小型ブレーキ試験機

・・一般的に鉄道制輪子には踏面型のものとディスク型の開発を国立大分工業高等専門学校清水研究室と共同のものがあり，我々の開発目標とする路面型制輪子にはで行いご九州管内のローカル線（松浦鉄道．島原鉄道，高千鋳鉄系のものが古くから用いられている．鋳鉄系制輪子

穂鉄道、球磨川鉄道など）で使用されている鋳鉄系制輪子の長所としては、溶解 鋳造法を用いるために成形性に優の摩擦d摩耗特性の評価を行ってきた18）〉19）

このような背景の中，本研究では網目状セラミック構れていることフ価格的に安価であること、リサイクル性に優れていること、黒鉛による潤滑効果が優れていること

造体（ポリウレタン発泡体にセラミックの泥柴をコーテなどが挙げられる．しかし，近年台頭してきたフェノール

ィングして一定の厚みを確定後，乾燥・焼成してセラミッ

樹脂系制輪子や焼結金属系制輪子などに比べて摩擦・摩クを網巨状に成形したもの）を溶融鋳鉄で鋳ぐるむ溶浸−135−平成10年度 研究報告 大分県産菓科学技術センター

複合技術を用いた凝固制御を行い，さらに各種合金元素

ク組織の体積比，摩耗量より算出し．また制動距離は制動を添加することで従来の鋳鉄系制輪子に比べて基地組時間及びブレーキ初速度90．7km／hより算出した．

WR＝Wv／Sp・SD織が微細鞭御された摩擦。摩耗特性に優れたセラミック（1）

分散合金鋳鉄制輪子の開発を行うことを目標としていⅦR：比摩耗畳（mm2／N），勒7：摩耗体積（mm3）る．本報告では昨年度の結果1）ト2）をもとに．合金鋳鉄制輪

Sp：制動荷重（N），SD：制動距離（mm）

子の組織及び摩擦d摩耗特性の中で．燐添加型合金鋳鉄制輪子の燐添加による利輪子組織及び摩擦色摩耗特性への影響について調査した．さらにj鉄道制輪子材料として材料設計の最適化を回るため，昨年度の結果と比較を行っ「ら・ ノ、u．

2．実験方法
2．1試験制輪子の作製
本研究では，鋳鉄系制輪子の組織及び摩擦・摩耗特性に及ぼす燐添加の影響を調査するために，九州管内のローカル線で現在使用されているFe・3．3mass％Cdl．8mass％

Sト1．5mass％Mn・0．35mass％P−0．37mass％Cr・0．20mas＄
Fig．1‡mage of Brake7test Macbine％Ⅴ合金の燐添加量を0．35，0．56，0．97，1．8，3，Omass％と変化させた燐添加型合金鋳鉄制輪子を試作した（以下，0．35％P，0．56％PJO．97％Pき1．8％P，3−0％P制輪子とする）．そし

3．実験結果及び考察て，これらの燐添加型合金鋳鉄制輪子の組織観療，硬さ測

3．1燐添加による剰鴇子組織への影響定などを行った．またノト型ブレーキ試験機用試験片の形

Fig、2に0．35％P，0．56％P，0．97％P，】．．8％Pj3．0％P制輪子

状は30Ⅹ30Ⅹ27mmとし、車輪との接触面は車輪と同じ曲の顕微鏡組織を示す．この結果より，燐添加型合金鋳鉄制率R＝140mmに機械加工を施した．

輸子は，灰色で示されるパーライト組織，白色で示される硬質炭化物組織，黒色で示される片状黒鉛組織で構成さ2．2 小型ブレーキ試験機によるプレ鵬キ試験れていることが分かった．また，燐添加量の増加に伴ってFまg．1に小型ブレーキ試験機の概略図を示す′本試験機

灰色で示されるパーライト組織中及び白色で示されるの制動機棉はてこの原理により，錘を用いて￠280mm

硬質炭化物組織中に，鉄道制輪子の摩擦・摩耗特性向上にの車輪（才王S E5402SSWRQIS）に試験制輪子を押し付け効果的とされているステダイト組織（Fe（α）＋Fe3C＋Fe3Pるものである．制動荷重はJ49．ON刻みに49．0〜980．ONのの三元共晶組織）恥4〉動17）が析出。増加していることが分範囲で調整が可能である．また，本試験機の動力部は，3．7かった．

kW3相交流モータによりプーリ，Ⅴベルトを介した3段階大城ら20）は鋳鉄の凝固過程における燐，ボロンの挙動の回転（514．1037，1720rp皿）が調整可能でありブレーキについて調査を行っているが，燐は大部分がFe3Pとして，初速度を27．ユ♪54．7ク90．7km／ヱ1で一定に保つものである．

ボロンは大部分がFe3（C玉章）として晶出する報告している．
また，燐とボロンを同時に添加することで微細なステダ

今回のブレーキ試験では，車輪を一定速度90．7km撒で60秒間回転させ，モ山夕のスイッチ停止と同時に試験制

イト組織ではなく，粗いFe3（CB）と微細なFe（α）＋Fe3Pの輪子に980N（面圧約1MPa）の荷重を負荷した。この試験組み合わされた組織を形成すると報告している．本研究を1条件につき繰り返し20回行い，試験制輪子の摩耗量

では，ボロンの添加を行っていないため粗いFe3（C‡∋）のを1回毎に算出した．さらに瀾」動時間もi回毎に計測した

析出は確認できないが，燐添加量の増加に伴ってFe3Pがまた，20回の試験における平均値を平均摩耗量，平均制動析出・増加していることが確認された．

また′Fig．3に0．35％P〉0。56％P，0．97％P，1，8％P，3．0％P時間として算出した．さらに，セラミック分散率の異なる
各種鋳鉄系制輪子との摩耗現象の絶対的な比較を行う

制輪子のブリネル硬さを比較した．この結果より，燐添加ため，次式より比摩耗量を算出した．ただし，各種鋳鉄茶量が約1mass％までの範囲では硬さが約220〜225とあま

利輸子の摩耗体積は鋳鉄及びセラミック各々の比重，網り差がないものの，1．8mass％を超えると約240〜250の硬目状セラミック構造体の気孔率，鋳鉄組織及びセラミッさを示すことが分かった．上述したように，ステダイト組−136−平成10年度 研究報告 大分県産業科学技術センター

織は基地組織に比べて高硬度（Hv約0．8GPa）かつ低融点

制輪子が燐添加量約0−35mass％の0．35％P制輪子に比べ（約1223K）のため／鉄道制輪子の摩擦・摩耗特性向上に効て約2．2倍と最も優れているものの，燐添加量約ト2mass果的とされている．よって，基地組織中にステダイト組織％の範囲にある0．97％P及び1．8％P制輪子では0．35％P制が析出・分散することで，制輪子組織全体の硬さが向上し輪子に比べて約0．6〜0．7倍に低下していることが分かったものと考えられる．この硬さの向上が燐添加型合金鋳た一また，制動特性は燐添加量の増加に伴って向上し，燐鉄制輪子の耐摩耗性向上に効果を発揮するものと期待

添加量約1．8mass％の1．8％P制輪子が燐添加量約0．35ma

されクステダイト組織の析出による制動特性の向上と組ss％の0．35％P制輪子に比べて約1．6倍と最も優れている

み合わされた高性能制輪子の開発につながるものと期ものの，燐添加量約3．Omass％の3．0％P制輪子では1．8％P待される．

制輪子に比べて約0．9備に低下していることが分かった．
ただし，0．97％P，1，8％P，3．0％P制輪子については，初期段階のブレーキ試験では車輪と制輪子との摩擦・摩耗特性

3．2 燐添加による摩擦一座耗特性への影響Fig。4及びFig．5に0．35％P，0．56％P，0．97％P，1．8％P，3．の関係が成り立っものの，繰り返しブレーキ試験を行う
0％P制輪子の平均比摩耗量及び平均制動距離を比較しために制輪子組織中のステダイト組織が一部溶融してた．この結果より、耐摩耗性は燐

車輪に凝着することから，寮輪と制輪子との摩擦・摩耗特Omass％の3．0性の関係というよりも凝着したステダイト組織と制輪子との摩擦。摩耗特性の関係となっている．
燐添加型合金鋳鉄制輪子の摩擦。摩耗特性は，燐添加量約3，Omass％の3．0％P制輪子が基地組織硬度もブリネル
硬さ248と高く，耐摩耗性に最も優れているものの，制動特性は制輪子組織中のステダイト組織が多いために車輪への凝着層も増え若干低下するようである．それに対3．0％pl。8％p

O．97％p
O．56％p
O．36％P0且234

Me乳nWea∫Raも￠／Ⅹ10一再mm2／N

Fig．2Micro如rucもure oでSpecimens

Fig．4Mean WeaでRate oぎBr革ke Shoes
乱0％P
3．0％P
l．8％P
l．8％p

O．97％p
O．97％P
O．56％P
O．66％P
O．35％P
O．36％P200 210 220 230 240 250 260
召出nell王‡急rdne開01002（10300

一霊00

MeflnStoppiDgDi8tanCe／m

Fig．3王もelat宣onship beもween‡∋rineilHardness

Fig．5MeaヱIStopping D主sta‡且Ce OぎBrake Shoes

and PhosphoぎⅥS Adはiもion Quantity−137−04332ウ︼lユ

平成10年度 研究朝告 大分県産業科学技術センター

AO．038％B △0．057％黒●◇托0．074％B
田0．B5％P
ロ0．66％P・0・97％P︵UハU
50とともに，製造工程におけるコスト的試算も考慮した製人Oを兼ね備えた鉄道制輪子用金属基複合材料を開発する▲。．。25％B

O性の関係を常に保つことで優れた耐摩眉毛性と制動特性

出［］Oとと凝着層を削りながら車輪と制輪子との摩擦・摩妾毛特○（！．016％B︵U合化により，摩擦面付近の制輪子組織の剛性を上げるこ0値であると考えられる．よって，今後はセラミックとの複0百＼むUqβの叫日加月 d d O 責 閂 d む 害

し，燐添加量約1．8mass％のi．8％圭）制輪子が制動特性iこ最も優れており牒添加による制動特性向上のための適性

屋rO

品開発が期待される．

O02461085

MeanⅥre紺R邑te／又108mm2／NFig。6Relaもions‡1ip betwee‡1Mean Wear Rate

昨年度実験を行ったFe・3．3mass％C・1，8mass％Si・1．5

amd Mean Stopping Distance∩︶

3．3 各種合金鋳鉄制輪子の摩擦・摩耗特性の比較

5

結果より／鉄道制輪子の摩擦・摩耗特性向上という面から，だU O −D n︶0．433り〟21γ1

ボロンの添加より燐の添加が優れた傾向を示すことが00mass％Mn・0．32mass％P・0．37masき％Cr−0，09mass％Ⅴ・00．008mass％B合金のボロン添加量を0．008，0。012，0．0】6，U。26。（1，／＼0OA28鍾C250（2）OA28SN仔C250（1）0叩）

0△Z33SN／アC250□SiC仔C250（1）ロSiC仔C250（2）口SiCN仔C250（1）00

摩耗特性の比較を行った．Fig．6にその結果を示す．この

0と0．35％P，0．56％P，0．97％妄）、1，8％P，3．0％P制輪子の摩擦瞳

00．025％B，0．038％B，0．057％B，0．074％B制輸子とする）2）

日︑む0日雲書白地月監0︸S白雲芸

0．025．0．038，0．057，0、074mass％と変化させたボロン添加型合金鋳鉄制輪子（以下，0．008％B，0．012％B，0．016％玖

P

0分かった．また，耐摩敵性及び制動時性向上の両立という0EU面から，0．97％P，1。8％P，3．0％P制輪子が全体的にバラン

口SiCN／FC260（2〉610 152025

MeanWe紺Rate／Ⅹ10■吊mm2／N

スが良く優れていることが分かった．よって，今後はこれF主g．7Reiationsbip between Mean Wear Rate

らの材料を中心に，セラミックとの複合化による摩擦・摩and Mean Stopping Distance耗特性のさらなる向上を図ることが期待される．
4．緒言王Tig．7は．昨年度の実験より摩擦。摩耗特性に優れた結果を示したÅ1203・28mass％SiO2，ZrO2・33mass％SiO2，

今回の実験より，以下の結果が得られた．

（1）燐添加型合金鋳鉄制輸子において，燐添加量の増加

SiCセラミック分散鼠鋳鉄制輪子（以下，Å28S（N）／FC250、Z33S（N）／FC250，SiC（N）／FC250制輪子とする）1）と燐添加に伴って摩擦・摩耗特性に効果的とされている共晶型合金鋳鉄制輪子の中で摩擦・摩耗特性に優れた結果をステダイト組織が増加する．

示した0．97％El．8％P，3．0％P制輪子の摩擦・摩耗特性を（2）耐摩耗性はJ解析加量的3．Omass％の3．0％P制輪子が比較したものである．この結果より，耐摩耗性については，

燐添加量約0．35mass％の0．35％P制輪子に比べて約0，97％‡），1．8％PJ3，0％P及びÅ28S（N）／FC250制輪子が比2．2倍と最も優れているものの，燐添加量約卜2mass

較的に優れており，その中でも3．0％P制輪子が最も優れ％の範囲にある0．97％P及び1．8％P制輪子では0。35％ていることが分かった．制動特性については0．97％Pユ1．8

P制斡子に比べて約0．6〜0．7倍に低下していることが％P，Å28S（N）ノFC250及びSiC（N）／FC250制輪子が比較的分かった．に優れていることが分かった，よって，鋳鉄茶利輪子の摩（3）制動特性は。燐添加量の増加に伴って向上し，燐添加擦・摩耗特性向上にはA1203血28mass％SiO2セラミックと量約1．8mass％の1′8％P制輪子が燐添加量約0．35masの複合化と適量の燐添加が優れており）これらを組み合s％の0．35％P制輪子に比べて約1．6倍と最も優れてい

わせた鋳鉄系制輪子の複相組織制御を行うことで摩擦・るものの，燐添加量約3，Omass％の3．0％P制輪子では摩耗特性に優れた制輪子材料の開発が可能になるもの

1．8％P制輪子に比べて約0．9倍に低￣Fしていることがと考えられる．また，製造工程におけるコスト的試算も考分かった．

慮した製品開発が今後の課題になるものと考えられる．

（4）鉄道制輪子の摩擦▲摩耗特性向上という面から，ボロンの添加より燐の添加が優れた傾向を示すことが分−138−平成10年度 研究親告 大分県産業科学技術センター

かった．また，耐摩耗性及び制動特性向上の両立といセンター研究報告P．96

う面から，わ．97％P，1．8％P，3．0％P制輪子が全体的にバ19）高≠軋江藤，吉浦，晴れ片岸：平成8年度大分県産業科学

ランスが良く優れていることが分かった．

技術センター研究報告P．44（5）鋳鉄系制輪子の牽擦・摩耗特性向上にはAi203・28ma20）若杉．大城：日本鋳造工学会九州支部平成9年度講演概

SS％SiO2セラミックとの複合化と適量の燐添加が優要集P．9

れており〕これらを組み合わせた鋳鉄系制輪子の複相組織制御を行うことで摩擦・摩耗特性に優れた制輪子材料の開発が可能になるものと考えられる．また′製造工程におけるコスト的試算も考慮した製品開発が今後の課題になるものと考えられる．

謝辞
本研究の遂行にあたり，貴重なご助言を頂きました九州大学▲大域桂作教授，工業技術院九州工業技術研究所・北原晃部長並びにメゾスコピック複合材料WG会議の皆様に心より感謝の意を表します．また，事業全体の取りまとめにご尽力頂きました㈱北九州テクノセンターの田中洋征氏フ突田芳宏氏に深く感謝の意を表します．また，実験にご協力頂きました工業化学部■後藤文治主幹研究鼠佐藤壱主幹研究員フ国立大分工業高等専門学校制御情報工学科清水研究室の皆様、藤原夏義民，山本親志氏に心より感謝の意を表します．

参考文献
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2）高橋，江藤バ青水，片岸他：平成9年度大分県産業科学技術センター研究報告P．71
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7）辻札真鍋二鋳物60（1988）2JP．98
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9）宮内、辻村他：日本鋳物協会第125回講演概要集P．86
10）宮軋辻村他：日本鋳物協会第126回講演概要集P．54
11）宮内，辻村他：日本鋳造工学会第128回講演概要集P．9512）宮内∫辻村他：日本鋳造工学会第130回講演概要集P．8613）宮内，辻村：日本鋳造工学会第131回講演概要集P．10714）辻村，宮内他：日本鋳物協会第124回講演概要集P．2515）中山辻村他：日本鋳造工学会第127回講演概要集P．1016）高梨，辻村他：日本鋳造工学会第131回講演概要集
P．108

17）鋳物のすべり摩耗（（財）総合鋳物センター）P．11118）高橋，吉浦バ青水フ片岸：平成7年度大分県産業科学技術ユ39−