平成11年度 研究報告 大分県産業科学技術センター

鉄道制輪子用金属基複合材料の実用化に向けた試作品開発と実証試験
一鉢ぐるみ法によるセラミックス分散合金鋳鉄制玲子の製造と特性評価の研究（第5報）一
高橋芳朗・園田正樹・江藤博明＊・清水一道＊＊・大城桂作＊＊＊・片岸庄史＊＊＊＊
材料開発部・＊企画・デザイン部・＊＊大分工業高等専門学校・＊＊＊九州大学・＊＊＊＊㈱八幡ハイキヤスト

Prototype Developments for the Practial Application and Braking Tests for

tbe R組1甘苦亀in Wbeelo！Compo8ite Materia18Ba8ed on Metal払r
Brake Sboe8 0f tbe Raikoad−AManufacturingMe沌・Od ofCeramic Filter／Fe−C・Si−Mn−P−Cr−V（qB）Alloy Composite

Brake Sも．oesin CastpInInsertion＄and Evaluations of FrictionalWear Characteristics
Ofでbem（5地Report）−
Yoshiro TAKAHASHI，MasakiSONODA，HiroakiETO＊，KazumichiSH王MIZU＊＊，Keisaku OGI＊＊＊andSyojiKATAGISHI＊＊＊＊
MaterialDevelopmentDivision，＊plaming＆DesignDivision，＊＊oitaNationalCollegeofTechnology，＊＊＊KyushuUniver＄ityand＊＊＊＊Yahata High・CastingCo Ltd．
要旨
我々は平成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・耐摩絶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と製品化を目標に研究を推進している．本研究では，これまでの結果1）〜4）をもとに，実用化に向けた試作品開発と（財）鉄道総合技術研究所保有の実機ブレーキ試験機を用いた実証試験を実施した．その結果，九州管内の第3セクター路線で使用されているJIS E7501に規定された2種相当のYHCl制輪子に比べて，同様の適用範囲で摩擦・摩耗特性を改善したYHC2およびYHC3制輪子を開発することに成功した．また，セラミックスを複合化することで，125km／hの高速走行に対応可能な1種B相当のSiC／YHC3制輪子を開発することに成功した∴特に，SiC／YHC3制輪子は摩擦・摩耗特性と製造コストおよびメンテナンス性などの経済面のバランスを考慮しても，十分に上記路線で適用が可能であることが分かった．
1．はじめに性，リサイクル性などに優れていることから，これらの長走行している鉄道車両を安全に停止させ，また減速さ所を生かしつつも高速での摩擦・摩耗特性を改善した材せることは重要なことである．現在の鉄道ブレーキは，動料開発がさらに求められている．また，九州管内の第3セ力ブレーキと摩擦ブレーキを組み合わせた機構が採用

クター路線では鋳鉄系制輪子を多く採用しているが，高されておりト摩擦ブレーキを構成する鉄道制輪子には，耐低差やカープの多い山間部を走行することから鉄道制摩耗性．安定した制動性，車輪への低攻撃性，耐熱亀裂性．

輪子の寿命も短く，耐摩耗性向上によるメンテナンス性軽量化，低コスト化などが求められている．

改善が特に求められている。

鉄道制輪子の機構には踏面方式とディスク方式があ

このような背景の中，大分県では地場企業のニーズにり，一部の高速車両を除いた在来線には跨面方式が採用

より時間，費用のかかる実機ブレーキ試験の予備試験用されている。また，鉄道制輪子の材質には鋳鉄系．レジンとして小型ブレーキ試験機の開発を大分工業高等専門系，焼結金属系があり，高速車両にはレジン系および焼結学校清水研究室と共同で行い，地場企業で納入実績のあ金属系が主に使われている．我々の開発目標とする鋳鉄る九州管内の第3セクター路線で使用されている鋳鉄系系制輪子は，（財）鉄道総合技術研究所が中心に研究開発

制輪子の摩擦・摩耗特性評価を行ってきた6）〜8）を行っている5）が、高速での摩擦・摩耗特性が他の材質にそこで，これらの結果6）〜8）をもとに，本研究プロジェク比べて劣ることから，高速車両への適用は過酷な湿潤条

トでは、鋳鉄系制輪子の摩耗の要因となる車輪との摩擦件下にある一部の地域のみである しかし，成形性，価格面付近の組織の歪みを抑制し，かつ黒鉛の晶出抑制q微細ー109−平成＝年度 研究報告 大分県産業科学技術センター

化と硬質炭化物の晶出促進による摩擦・摩耗特性向上を目的とした基地組織制御を行うため，網目状セラミック
ス構造体（ポリウレタン発泡体にセラミックスの泥蜂をコーティングして一定の厚みを確定後，乾燥・焼成してセラミックスを網目状に成形したもの）を溶融鋳鉄で鋳ぐ
るむ溶浸複合技術と各種合金元素を添加することで基地組織中に硬質炭化物を晶出させるin一如紬複合技術を組み合わせた凝固制御を行うことで，従来の鋳鉄系制輪子に比べて基地組織が微細制御された鉄道制輪子用金属基複合材料の開発と製品化を行うことを目標としている．本研究では，これまでの結果1〉〜4）をもとに，実用化に向けた試作品開発と（財）鉄道総合技術研究所保有の実機ブレーキ試験機を用いた実証試験を実施した，
2．実験方法
三．1実用化に向けた試作品開発
ぎ主g．ユに研究概念図を示す．これまでの結果1）、4〉をもと

Fig，i研究概念図に，九州管内の第3セクター路線で使用されている合金鋳鉄（Fe▼5．3mas＄％C。1．8mass％Si−1．5氾aSさ％M五嬬．35血流s
Tabl￠見合金鋳鉄制輪子の化学成分（mas鎧％）

S％㌘−0′37皿aSS％Cy・0．20mass％Ⅴ合金；Y冒Cl制輪子とす

制翰子名称る）をベースとしてチP添加量を約1，0皿aSS％前後に変化さ

C

Si、≦l

蚕 3．391．5＄

1．46 0。35P

せ，さらにBを微量添加して成分調整したP添加合金鋳鉄

YHCl

制拍子（以下，Y琵C2およぴYHC3制輪子とする）を製品形

YHC23．19

1．65

1．32 0．66

YHC33。241．76

1．34 1−14制輪子名称SCfⅤ

Y任Cl

0．（〉14 0．370．2（〉

Tab旦elに上記合金鋳鉄制鈴子の化学成分を示す．大城YHC2

0．わ15 0．43

0．11 0．05

らかりま鋳鉄の凝固過程におけるP，Bの挙動について調査

YHC30．014 0．43

0．11 0．り5状で試作した．また，YHC2およびY‡子C3制梅子と網目状セラミックス構造体（SiC系）を複合化させたP添加合金
鋳鉄／セラミックス複合利権子（以下，SiC／Y王子C2およぴY
HC3制輪子）を製品形状で試作した．

を行っているが，Pは大部分がF￠3Pとして，Bは大部分がFe3（CB）として晶出する報告している．また，PとBを同時に添加することで微細なステダイト10）ではなく，粗いF郎（CB）と微細なFe（α）＋FeきPの組み合わされた組織を形成すると報告している．さらに，Bの微量添加は粗い硬質炭化物を晶出させるのに効果があり，鋳鉄系制翰子の摩擦。
摩耗特性向上にも効果があることが確認されている8）
そこで．小型プレ仙キ試験機による予備評価で得られた選定材料をもとに．さらに改良を加えた合金鋳鉄をベースとした試作品を作製した。
2．2 実機ブレーキ試験機による実証試験
F主g。急に実機ブレーキ試験機を示すこれまでの研究開

yig．2 実機プレ叫キ寓験機

発は，実機ブレーキ試験機に供するための′卜型ブレーキ

耗特性改善が主な目的であった．そこで，これまでの成果試験機による材料選定試艶が中心であり，九州管内の第3を実用化に結びつけるため，（財〉鉄道総合技術研究所辻セクター路線で使用されている鋳鉄系制鳴子の摩擦・摩村研究室のご協力により，実機ブレーキ試験機による実一110B

平成11年度 研究報告 大分県産業科学技術センター

証試験を実施し，試作品の性能を確認した．ただし，試験条件は，J‡S E7501「鉄道車両一鋳鉄制輪子」に準じたものとし．以下に示すとおりである，（1）車輪径：￠860mm（2）慣性モーメント：1259kgm2（128．馳gfm卓立）（3）ブレーキ初速度：
YHC135，65，95，125km血YHC2およぴYHC3：払65，95，115，ま25km血
SiC／YHC2およびSiC／YHC3

35，65，95，115，1望5，135km他（4）試験回数：各ブレーキ初速度において5回ずつ

Fig．3 網目状セラミックス構造体の鋳型内での固定（5）制翰子押付力：35〜12紘m几では2弛N両抱き
王35女m血では34kN両抱き（6）試験開始温度：基準車輪温度（車輪路面から10m粗リム部から40mmの位置）60℃以下（7）測定項目：ブレーキ初速度，ブレーキ距離ブレーキ
時軌瞬間摩擦係数，平均摩擦係数，制玲子および車輪の温度瀾蘭子摩耗量，制翰子および車輪摩擦面の状態観察他（8）備考：ブレーキ試験は制頼子摩擦面が車輪路面と約7（〉％以上馴染んだ状態から開始する．

3。実験結果及び考察

Fig．4 鉄道制玲子原型

3．1実用化に向けた試作品開発
これまでの小型ブレーキ試験機用試験片の作製私案
物大の簡易形状（直方体）からなる鋳造試験片より切出しを行っていた，しかし，最終的には実用化に向けた実機ブレーキ試験機による実証試験を行うため，製品形状での試作が要求されている．そこで，網目状セラミックス構造体の鋳型内での固定方法，鋳造方案等を検討した．

Fig．3に網目状セラミックス構造体の鋳型内での固定状態を示す．網目状セラミックス構造体を鋳型内で固定せずに溶融鋳鉄で鋳ぐるむ場合ブ網目状セラミックス構造体の比重が軽いことから注湯時に浮遊してしまい，冷F短．5 鉄道制輪子競作品倒却時の状態によってiま制動摩擦面にセラミックスを逐次定量的に供給することができない．また，注湯時に浮遊したバックメタルに一定間隔で取り付けられた．またはしないように鋳型内全体を網目状セラミックス構造体一定間隔で一体に突出形成されたブロック止めに固定で置き換えた場合，加圧鋳造せずに溶融鋳鉄で鋳ぐるむし，制動摩擦面形成部を含む上鋳型を下鋳型に衝合してのは困経であり，湯回り不良による鋳造欠陥ができる可制鳴子本体成形鋳型を作製した．そして−Fig．4に示すよ能性がある．また，仮に鋳ぐるみに成功したとしてもノト

うに制玲子本体成形鋳型内に予め成分調整した溶融鋳型ブレーキ試験機でほ得られなかった熱拡散や牽葡へ鉄を注湯しノミッタメタルと連通空隙内を含む網目状セの攻撃性が実機レぺ／レでは大きな問題になると考えらラミックス構造体全体を鋳ぐるんだ状態の制始子本体れる．そこで，これらの語間簿を考慮して，無数の遠退空を成形することに成功した．

隙を持つ網目状セラミックス構造体を溶融鋳鉄との比Fig．5に上述した製品化工程により試作された鉄道制重差により鋳型内で浮遊しないように下鋳型内に配置

輪子の試作品例を示す．目視による検査の結果プ溶融鋳鉄−111【平成11年度 研究報告 大分県産業科学技術センター

は網目状セラミック．ス構造体の連通空隙内に至るまで充填され．湯回り不良等による鋳造欠陥のない製品を試茄0

作することに成功した．そして，これらの試作品を後述す

Fig．6に試作制翰子のブレーキ初速慶Voと平均摩擦係数‰との関係を示す一ただし，平均摩擦係数㌫は†各ブレー係数㌫をさらに平均化したものである、また，平均摩擦係︒・1

キ初速度V8における5短】の試験により得られた平均摩擦〇㌔雇＼J厳謹厳螢質料

3．豊 実機ブレーキ試験機による実証試眉︒・2

る実機ブレーキ試験機を用いた実証試験に供した．

偲

数㌫は∂‡S E750ユに記載されるように，次式より算出している．

㌫＝0．0386×（！／R）×Ⅳ02／L・2P）（1）

害 毒 害 毒㍍：平均摩擦係数く皿ね2）

l：慣性モーメント（kgm皇）害毒

R：車輪径（m）

吐出l丘lク通l〇∈つく古か一eq

玲 ■■■l■【酌窓6 試作制頼子のブレーキ初速度Voと平均摩擦係数㌫

Ⅴり：ブレーキ初速度（km／叫との関係

L：実ブレーキ距離（m）

P：制輪子1個あたりの押付力（N）3500

摩詫体積ニの結果より，九州管内の第3セクター路線で使用されてⅤ／mmきいる最高速変域約9弛m蝕までは、P添加量の増加に従っ3000てP添加合金鋳鉄制輪子の摩擦性能が向上することが確2500認された．しかし、115km撤以上ではP添加量の違いによる摩擦健儲の差はあまり見られず、平均摩擦係数㍍は0．0

2000

8〜0．09皿／毎2前後を示した．JiS E750iでは鋳鉄系制鈴1500子の適用範囲を各ブレーキ初速度Voにおける平均摩擦係数㌫から1穫A〜（ブおよぴ2〜4種に分類しているが．上1000

述した摩擦性能の結果から今回評価を行ったP添加合金
鋳鉄利格子は望種相当の製品であることが分かった・それに対し，網目状セラミックス構造体をP添加合金鋳鉄で複合化したP添加合金鋳鉄′セラミックス複合削輪子はP貞

竜 董 卓，蜜 」∈ ぷ j± ．雀 ．鴇
i缶 蛭 ゆ め l缶 l￠ eう￠￠−朋亡り

添加合金鋳鉄制輪子に比べて，低速樹（35〜95km′あ）での盛卓∈∈

摩廃位健の向上とともに，11鈍m／あ以上での高速摩擦性

Fig．7 試作制鳴子のブレーキ初速度Voと摩耗体積Ⅴとの能も改善され，Si（二ⅣHくニ2制翰子は11地nl他の平均摩擦関係

係数‰がわ．1まⅢ／s2を示すことから1種（】に相当する製品であることが分かった．また．SiCⅣ冒C3制翰子はSi（ニⅣH最高約1023Kである皇）のに対し．それ以上のブレーキ初C2制頼子に比べてさらに摩擦性能が改善されており．12速度Ⅴ。では約i273K以上の瞬間摩擦熱Tが発生している

5k感量lの平均摩擦係数‰が軋㍑孤催せ示すことから1種と推測されるため，これに起因してステダイトが溶融し蔓選に相当する製品であることが分かったて摩擦性能を急激に低下させるものと考えられる。よっ以上のことから．鋳鉄系制輪子の95女m蝕までの摩擦性て，セラミックスを複合化することで高速での摩擦性能能向上にはP添加が効果的であり、それ以上の高速でのの低下は抑制されるものの，後述する耐摩耗性の向上と摩擦性能向上にはセラミックスを複合化することが効

ともにさらに摩擦性能を向上させるためには，基地組織果的であることが分かった．このことは．P添加によってそのものの耐熱性向上が課題となることが分かった。

晶出したステダイトが軟化して摩擦性能を向上させる

Fig．7に試作制輪子のブレーキ初速度Ⅴ￠と摩耗体積Ⅴことと関係Lておりト約9抽血相における瞬間摩擦熱Tがとの関係を示す．ただし摩耗体積Ⅴは次式より算出して

−112−

∈∈

∈

∈

平成＝年度 研究報告 大分県産業科学技術センター
いる．

Ⅴ＝W／h＝×（100−Rv）／100十／J2×Rv／100i（1）

Ⅴ：摩耗体積（mm3），W：摩耗量（g）
pl：鋳鉄の比重（g／mmさ）
メ）2：セラミックスの比重（g／mm3〉

Rv：網目状セラミックス構造体の体積比（％）
ニの結果より，P添加合金鋳鉄制輪子において，9弛m蝕ま

では実用制輪子であるY抒Cl制輪子に比べてYHC2およびYHC3制輪子の方が耐摩耗性に優れていることが分かった．また，Y鴇C3制輪子は35，65km撒の低速では最も耐摩耗性に優れているものの，95km仙以上の高遠城では逆F主g．8 ほ5k皿血より制動させた後のSiCⅣHC3制翰子摩に劣っている．これは，前述したように基地組厳に比べて擦面の様子

高硬度かつ低融点のステダイトの晶出鼻Rscが多いことから低速側では耐摩耗性が高いものの，9馳皿撒以上ではステダイトが軟化もしくは溶融することで著しく耐摩耗性を低下させるものと考えられる．また、Y壬iC2制玲子
はY‡苫Cl制輪子に比べてステダイトの晶出量毘scが多いものの，Y胃CB制韓子のようにステダイトを含む硬質相中のステダイトの割合が多くないために−その他の硬質相の影響を受けることから酎摩耗性に優れた傾向を示している4〉．それに対し，網目状セラミックス構造体をP添
加合金鋳鉄で複合化したP添加合金鋳鉄／セラミックス
複合制諭子札特にSiCⅣH（：3制輪子が95k皿／b以上におFig．9135k皿蝕より制動させた後の寮輪踏面の様子いて摩耗体積Voが著しく少ないことが分かった．また，P添加合金鋳鉄とセラミックスとの複合化は，35，65km他の低速ではあまり酎摩耗性に差がないものの，9純血撤以成功した．また，セラミックスを複合化することで，12貼上では著しく耐摩耗性を改善することが分かった．このm他の高速走行に対応可能な1種B相当のSiCⅣHC3制輪ことは，セラミックスの持つ耐熱性に大きく関係してお子を開発することに成功した。特に，SiCⅣH（：3制輪子はり，さらに耐摩耗性を改善するためには基地組織そのも摩擦一摩耗特性と製造コストおよぴメンテナンス性などのの耐熱性を向上させることが重要になると考えられの経済面のバランスを考慮しても，十分に上記路線で適る．

用が可能であることが分かった▲

Fig．8に135もmぬから制動させた後のSiC／YHC3制輪
4．まとめ子摩擦面の様子を示す．また牒ig，引こ13馳m撒から制動

今回の実験より，以下の結果が得られた．

きせた後の車輪路面の様子を示す，この結果より∴制輪子
摩擦面は摩寮熱Tにより変色しているもののセラミック（ユ）網目状セラミックス構造体の鋳型内での固定方法，スの大きな欠落もなくナセラミックスと基地組織との接鋳造方案等を検討し，鉄道制輪子用金属基複合材料の倉性も良好であることが確認できた．また，合金鋳鉄制輪製品形状での試作に成功した，

子中へのセラミックスの分散は車輪路面への攻撃性が（2）九州管内の第3セクター路線で使用されている才王S懸念されたが，前述したようにセラミックスの固定方法

E7501に境定された望種相当のY㌍C且制翰子に比べを検討したことでほとんど影響がないことが観察されて，同様の適用範囲で摩磯針摩耗特性を改善したYH
C2およぴYHC3制輪子を開発することに成功した．

た．

（3）セラミックスを複合化することで，125kmノhの高速以上のことを総合すると，九州管内の第3セクター路線で使用されているJ‡S E7501に規定された2種相当のY走行に対応可能なま種B相当のS豆CプYHC3制翰子を開H（コ1削輪子に比べて，同様の適用範囲で摩擦。摩耗特性発することに成功した。特に，SiC／Y琵C3制輸子は摩擦を改善したY吾まC2およぴYHC3制輪子を開登することに・摩耗特性と製造コストおよぴメンテナンス性など−113−平成＝年度 研究報告 大分県産業科学技術センタ】の経済面のバランスを考慮しても，十分に九州管内の第3セクタ｝路線で適用が可能であることが分かった．

謝辞
本研究の遂行にあた町費重なご助言を頂きました九
州工業技術研究所・北原晃部長ならびにメゾスコピック複合材料1ⅣG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脾北九州テクノセンター屯突田芳宏氏ならびに松田弘道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（財）錬道総合技術研究所￠辻村太郎氏ならびに宮内瞳儲氏、藤原夏義民，河村拓哉氏に心より感謝の意を表します。

参萄究献1〉 高橋芳郎他：平成9年度大分県産業科学技術センタ
ー研究報告Pヶ35〜P。40

2）高橋芳郎他：平成10年慶大分県産業科学技術セン
ター研究報告P，129〜P．且3∠皇3）高層芳朗他：平成10年慶大分県産業科学技術セン
ター研究報告P，135〜P。139
4）高橋芳朗他：平成11年度大分県産業化学技術セン
ター研究報告別途掲載予定
5）辻村太郎：金属Vol．70（2000）No．2，P．33〜P．41
6）高橋芳朗他：平成7年度大分県産業科学技術センタ
ー研究報告P．96〜P．101
7）高橋芳朗他：平成8年慶大分県産業科学技術センタ
ー研究報告P．44〜P．49
8）高橋芳朗他：平成9年慶大分県産業科学技術センタ
ー研究報告P。71〜P．76

9）大城桂作他：日本鋳造工学会九州支部平成9年度講演概要集P．9〜P．15
10）鋳物のすべり摩耗ク（財）総合鋳物センターP．111

ー114一