平成7年度 研究報告 大分県産業科学技術センター

制輪子材料の摩耗特性評価
高橋芳朗＊甘吉浦洋之＊・清水一道＊＊・片岸庄史＊＊＊＊材料開発部。＊＊国立大分工業高等専門学校・＊＊＊株式会社八幡ハイキヤスト

Evaluation of Wear CharacLerisしics oflil、ake Shoc MateTials−−oshiroh TAKA冒ÅS悶Ⅰ＊，HiroyukiYOSHIURA寧，Kaz㈹icわiSH‡㍍IZU＊＊and SyojiKÅTAG‡S冒Ⅰ＊＊＊＊鮎terialDivision，＊＊oita NationalCollege oぎTechnology and＊＊＊Y∂llata王iigh−Cast呈ng CoリLもd．

要旨
鉄道車両において，ブレーキの制動性，安全性は重要な課題である，そして，ブレーキを構成する制輪子には耐摩耗性が要求される．そこで我々は，燐を0〜1．Omass％添加して得られた片状黒鉛鋳鉄製軌輪子及びパーライ
ト基地球状黒鉛鋳鉄製制輪子を作製し辛 独自に作製した小型ブレーキ試験機を用いて摩耗特性評価を行った．その結果，り 観輪子の摩耗は摩擦による表面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撃 2）黒鉛形状が刺輪子の摩耗に影響を与えることヶ 3）燐を添加すると耐摩耗性，制動性が飛躍的に向上すること等の知見を得た．

−； 韓音

大量輸送機関である鉄道においてナ 車両の高速化に伴ったブレーキの制動性†安全性は重要な課題である．そこで，高速鉄道車両の多くでは，電気プレいキ等の動力ブレーキと踏面制輪子やディスクブレーキ等の摩擦ブレーキを併用して，安全性の向上と摩擦ブレーキに対する負担の軽辣を行っている．しかし上磯関車，貨物車，気動車等の中には，動力ブレーキを有しない車両もあるため，摩擦ブレーキに対する負担は大きくなる．
Fまg．1に摩擦ブレーキの機構を示す．摩擦ブレーキを構成する制輪子に要求されることは†車輪に影響を与え

urako sllO8Fig．】Bllaking mecha11isl丑ni い■ai【1ずに制動距離を短くし，かつ耐久性に優れていることである．一般的に，制輪子材料には引張強度250N／mm2以上2。実験方法の鋳鉄が用いられるが，摩耗が著しいため，燐，クロム等を添加した耐摩耗鋳鉄製制輪子の開発1）〜3），セラミ2．1試験割輪子の鰭幾ックプロヅクを鋳ぐるんだ耐摩耗鋳鉄製制輪子の開発4）

溶解には750kgの低周波誘導電気炉を使用し，外形寸等が行われている．しかし，制輪子の摩耗形態は非常に法65×65×200mmの試験片を鋳造した．その後，機械加複雑であり− 含有成分等で大きく変化することから．更工により30×30×26，紬tⅥの試験制輪子を作製し，車輪となる制輪子材料の開発とともに摩耗形態の解明が求めらの接触面を寮翰と同じ曲率（只＝ユ40脂m）にした・Fig，2れている．に試験観梅子の概略図を示す．

本研究では− コスト，時間等を要する実機プレーキ試

本研究ではや 燐を0〜ヱ．Omass％含む3段階の片扶桑鉛鋳験の代わりに，小型プレーキ試験機を独酌こ作製し争 葵

鉄製制輪子（以下；PO，PO．5？Pl）及びパーライト基地

験室レベルで燐を0〜1。伽ass％添加して得られた片状黒球状黒鉛鋳鉄製制輪子（パーライト率ま0％，以下；和り鉛鋳鉄製親輪子及びパーライト基地球状黒鉛鋳鉄製制輪を作製した．Table旦に試験制輪子の化学組成及びプリ子の摩耗特性評衝を行ったので報告する。

ネル硬さを示す．

ー≦裕一平成7年虔 研究報告 大分県産業科学技術センター
TablcIChcEbicalぐOmP（1Sition a［1d hardness of sppci【nenSSample

Chemica且 composiもion（mass％〉

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PS

3．59 2．03 仇321 0．0103 0．0218 0．8427
4．2呈 1．99 0．317 （）．0267 0．0137

PO．5PlSi豊富ardness−3．76 1．80 0．303 0．0240 0．498

3．56 l．73 1）．321 0．02ヰ9 1，52163
154．．．．．；

212

〝ニノー〝

Fig．2lmage of test piecp

2．2 小型プレ・−キ賦験機の作製
従来チ 親輪子材料の摩耗特性辞儀は実機ブレーキ試験を中心に行われているが− コスト，時間等で多くの制約を受けることになる．また，市販の摩擦試験機等による制韓子材料の摩耗韓性評怒では− 実機プレ山キ試験とのFig．3 Braki【lg teSt【aaChin（・比較評衝はできるものの◆ 制輪子本来の摩耗現象を解明するには至らない．そこで我々は†これらの開腹点を解2．ヰ ブレーキ試験決するため，独自に小型ブレーキ試験機を作製した．小試験制輪子として作製したPD‡，PO9 PO。5サ Pユをそれ型プレーキ試験機本棒を賢まg．3に示す． 名
木試験機の制動機構は，てこの原理により，分銅を用ぞれ小型ブレーキ試験機に取り付け字 摩擦速度を7。54，
ま5∈29 25．2m／s（27iユ9 54．7ヶ 90t7k澗／h）の3通りに分いてゆ280mの車輪に試験制輪子を押し付けるものであけて試験した．また†PD互の討j勧荷重は4909 735，9鋸川軋」紺動静塵は舶．05即刻みに娘05〜98l−ONの範囲で諦の3通りに分け，PO− PO。5y Pまの制動荷重は735N一定と整が可餞である．またヶ 本試験機の動力部は†3。7k耶紹

して試験した．

交流モータによりプ山リサ 官ベルトを介した3段階の回転

今回の試験では腎 車輪を一定速度で糾秒間回転させヶ￣・・−．・・ 一．・−−．−：・．・い†′．−モータのスイッチ停止と同時に楓勧荷重をかけた．このを7。5凌ぎ 且5．2．25．2翔／s ほ7￠ま争 54．㌔ 9軋郡㈲≠ で一耗験を三つの条件につき2り同行い9 試験制翰子の摩耗艶定に保つものであるい紅糎撼濫算出した さらに伝 説巨勧時間もま回転に計親し
たで

2．3 覇撒錆額寧詫験制玲子の金属線繚観察は9 鏡面研磨，ナイタール

3．実験鰻果及び考察液によるエッチンダの後冒 光学顕微鏡により行った．また，ブレーキ試験彼の試験縦線予の金属線織観察は9 摩

31試験糾精子の金環揺縛

耗面断面から行った，さらに9 プレーキ試験により生じFig，4に試験制輪子の金属線織を示す．PD三組織中のた摩耗粉を採取し，その形状等の観察を走査型電子顕微

球状の黒い部分は黒鉛，その回りの白い部分はフェライ鏡により行った．

ト，その他の部分はパーライトである．黒鉛の球状化は−97−平成7年度 研究報告 大分県産業科学技術センター

片昧黒鉛鋳鉄にマグネシウムを添加することにより得ら

査型電子顕微鏡によりその形状等を観察した．しかし，

れる5）が，制輪子材料としては一般的にあまり使われてPDIについては各種条件による大きな違いは観察できないない．しかし．今回は黒鉛形状の違いによる摩耗特性

かった．関．KerridceとJ．K．Lancasterは実線と鋼の摩耗を観察するため、予備実験材料として使用した．

現象の研究において6），真簸のピンは摩擦通産で接触部

また，PO，PO．5ナ Pl組織中の片状の黒い部分は黒鉛†

が鋼ディスク面に移著し9 移着物が破壊または剥離してその他の縛分はパーライトである．燐を添加すると白い摩耗粉が形成されると報告している．よって，本試験でコントラストで識別される共晶ステダイト くFe，Fe3C，も同様な生成機構で制輪子表面層が車輪との摩擦面に移Fe3Pの3元共晶組織）が晶出しヶ燐添加量の増加に従い

香し 移着物が破壊または剥離して摩耗粉が形成された

その晶出量が増加することが観察できる．また，燐を添と考えられる．

加したものほど黒鉛が微細化しナ その割合も減少していることが観察できる．

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ati【lilialbraking speed of 7．54，】5．：3nd
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3．2 パーライト基地球状黒鉛錨鉄製制輪子のブレー
キ試験
3．2．1摩耗面の微視的観専
制動荷重を735N一定としてナ 摩擦速度を7．54，15−2，25．2恥／s（27．1．54。79 90 7km／h）と変化させてプレーキ試験を行った．Fig上5にPDIの摩耗面断面の組織を示す．この結果よりナ 摩擦速度が25．2m／sと高速の時†摩」鵬」

耗面付近の黒鉛がかなり引き伸ばされていることが観察

l川l二J廿

できる．また，表面に析出した黒鉛部分から剥離が生じ

Fig．6し：ross section or PDIai ter braking testていることが観察できる．

at brdkingload ofノh沌，735and9SON：initial

さらに，摩擦速度を25．2m／s一定として，制動荷重をbrakimg speed of25．2闇／s

490，735，980Nと変化させてブレーキ試験を行った。
Fig．6にPDIの摩耗画餅面の組織を示す．この結果より，制動荷重が980Nと高い時，摩耗面付近の黒鉛は押しつぶ

3，2．2 摩擦適度と摩耗畳，制動時閤との関係
制動荷重を735N一定として，摩擦速度を7．54，15．2，されている烏ことが観察できる．また，表面iこ析出した黒25．2m／s（27．1†54．7，90．7kni／h）と変化させてプレーー鉛部分から剥離が生じていることが観察できる．よって，

キ試験を行った．Fig。7に摩擦速度と摩耗量との関係を，この黒鉛形状の変形による黒鉛の細線化は，摩耗の起こ

Fig．引こ摩擦速度と制動時間との関係を示す・る一つの形態であると考えられる．

また，ブレーキ試験により生じた摩耗粉を採取し，走…98w

この結果より†試験回数が増えると摩耗量は一定の割合で増加し，制動時間は試験回数に関係なくほぼ一定で平成ア年度 研究報告 大分県産業科学技術センタ柵あることが分かった．また，摩擦速度が高いほど摩耗量，制動時間は増加することが分かった．

PD宣同様†制動荷重を735N一定として，摩擦速度を7，5軋 ユ5．2，25．2m／′s（27．1†54．7，90，7km／とl）と変化させてブレーキ試験を行った．Fig．L＝こ摩擦速度7，543．2．3 制動荷重と摩耗重，駒動時間との関係

m／sの時のPO，F｝0，5，Plの摩耗面断面の組織を，Fig．旦2

摩擦速度を25，2m／s一定として9 制動荷重を490，735，に摩擦速度15．2柑／sの時のPO予 PO．5，Plの摩耗面断面の980Nと変化させてブレーキ試験を行った．Fig，引こ制動組織を．Fig，13に摩擦速度25．2m／sの時のPO，PO．5，Pi

荷重と姪耗量との関係を．F呈g．摘に制動荷重と制動時の摩耗面断面の組織を示す．
これら結果より†摩擦速度7±5触／sと低速の時．巨JOラ閤との関係を示す．

この結果より，試験回数が増えると摩耗量は一定の割PO．5亨 Plはどれもほとんど摩耗していないが字 摩擦速度合で増加し，機動時間は試験回数に関係なくほぼ一定でが高くなるに従ってPOの摩耗は目立ち始軋 摩擦速度あることが分かった，また，摩耗畳は制動荷重が舶0†25．2脂／sと高速になるとPO．5も摩耗していることが観察735Nの場合には大差ないが†9鋸弼になると増加することできる，しかし9 Pユは摩擦速度25．2氾／sの高速時にもほが分かっだ・これは†聯j動荷重が980Nと高い時に摩耗面とんど摩耗していなかった。

相近の黒鉛形状が変形し争 黒鉛の細線化が起こることに起因すると考えられる，さらに，制動時間は制動荷重が高いほど短くなることが分かった▲

Pまが耐摩耗性に優れている理由として腎 燐を添加することにより析出する共晶ステダイトが†基地組織を強化していることが考えられる．共晶ステダイトは基地組織に．比べて非常に硬い組織であるが容 赦点が約ま220K7）と3．3 鳴禽有給状農鉛鋳鉄製嘲輪子のプレ仙キ醗験

低い．￥．Zhangらの含燐鋳鉄製制輪子に関する研究8）で3士3。頂 摩鏡面の聴視約観察

はゥ 鋳鉄中の共晶ステダイトが低融点のた軋 摩擦面に

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おいて溶融または軟化することで摩擦面に燐の多い流動3。3．2 姪練達度と摩耗量，制動時間との関係層が形成されて真実接触面積が増大し，摩擦係数〃が高PDI同様，制動荷重を735N一定として，摩擦速度をくなるとも報告されている．また9 表面に析出した黒鉛

7．54，15．2，25．2m／s（27．1，54．7ナ 90．7km／h）と変化部分から剥離が生じていることから，摩耗機構として，させてブレーキ試験を行った．Fig．15に摩擦速度と摩摩擦により表面組織に歪みが生じ，切り欠き効果により耗量との関係を，Fig．16に摩擦速度と制動時間との関基地組織よりも硬い黒鉛組織の先端から破壊，剥離が起係を示す．

こることが考えられる．

この結果より．摩擦速度と摩耗量との関係は，摩擦速度7，5触／sと低速の時にPOや POe59 Plの摩耗量に大差はさらにサ ブレーキ試験により生じた摩耗粉を採取し辛走査型電子顕微鏡によりその形状等を観察した．Fig．14

ないが†摩擦速度が高くなるとPOの摩耗量が二次曲線的に摩擦速度25量2m／sの時のPO，PO．5．Plの摩耗粉の形状に増加することが分かった．しかし，摩擦速度が高くなを示す．この結果より．POは摩擦面で相互に移著して練ってもPO．5，Pユの摩耗量に大差はなく†直線的にわずかられた様相はなく，剥離した状態がそのまま維持されてに増加する線度である．

いることが観察できる．しかし，PO．5，Plは板状に成長

また，摩擦速度と制動時間との関係は，摩擦速度7。54した様相を示しており，移着成長9）を示唆している．こm／sと低速の時にPO，PO．5，Plの制動時間に大差はないのことは，高速摩擦による摩擦面での発熱により，低融が，摩擦速度が高くなるとPl†PO．5，POの順に制動時間点の共晶ステダイトを含む摩耗粒子の移着が促進されるが増加することが分かった．さらに，前出Fig．15よりことに起因する2）と考えられる．

PO．5テ Plの摩耗量は摩擦速度が高くなっても大差はないがサ 制動時間はPlに比べPO．5の方が増加していることが分かった．これは，PO．5に比べPlの方が低融点の共晶ス
テダイトが多く析出していることから†摩擦係数ぶが高くなることに起因する2）と考えられる．

Fjg．i】〔r（つSS SeCii（川 OF Ptl．PO．5 and Plar†er
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4．結音′ト型ブレーキ試験機を用いて，パーライト基地球状黒︵盟ssO﹂芸∽届違

鉛鋳鉄製制輪子及び燐含有片状黒鉛鋳鉄製制輪子のブレーキ試験を行い，摩耗特性評解を行った．以下にその結果をまとめる．

1）摩擦速度が高いほど制椅子の摩耗量，制動時間は増加する．
2）制動荷重が高いほど制輪子の摩耗量は増加し．制動時間は減少する．

OS＝11520？5JO
IJl舶盲brak￠SPeedgm／SきFig．15IlelatioltShip bel▼eell▼eiglttloss 811d3）制輪子の摩耗は摩擦による表面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．
4〉制輪子の摩耗が黒鉛組織の先端から起こることから，

itlilialbrake speed or elPeri【■eltL：PU．「U．5

球状で黒鉛組織の大きいPDIはPO− PO．5，Plに比べ摩alldlリ

耗が大きい．

5）燐を添加すると共晶ステダイトが析出し，制輪子の耐摩耗性を飛躍的に向上させる．
d﹁6）共晶ステダイトの析出が制動時間を短くし，析出急が−Z
dV

互高屋ヒぎ息賢頗

多いと制動性を飛躍的に向上させる．
本研究の遂行にあたり争 小型ブレーキ試験機の製作を魚V担当して頂いた藤原夏義民，実験にご協力頂いた国立大分工業高等専門学校制御情緒工学科清水研究室卒研生の皆さん，㈱工藤製作所の皆さん並びに新日本非破壊検査

05t（I 15拍

2530㈱の下郡資久氏に深く感謝の意を表します．

ln‖81818koSp08d（m／3I
Fig．1tj ReLationship beいIeen SLopping Lime 3nd

参考文献

inilialbrake speed or eIPerilIe‖l；PU，「U．5訓tdl）1

1）高沢克朗，辻村太郎，由利三郎：鋳物57（1985）8，P．516
2）新井浩，清泉保雄：鋳物67（1995）6，P．403

以上のことから9 燐を添加すると耐摩耗性，制働性が飛躍的に向上することが分かった．

3）新井浩，辻村太郎，清水保雄：鋳物67（199））11，P．808

4）中山淳一，辻村太郎，青山俊彦：鋳物第127回全国講演大会講演概要集，P。10

3．4 制捕手の摩耗に及ぼす黒鉛形状

5）大平五郎，井川克也＝鋳造工学，日本金属学会，P．137

先に述べたPD王，PO，PO．5，Pユの摩耗は．摩擦による 皇6）賊．Ke汀idce ＆J．軋Lancaster：Proc．Roy，Soc。

表面組織の歪みが原因であり，切り欠き効果により黒鉛組繊の先端から起こると考えられる．前出のFig．7，
Fまg．且5より，制動荷重735N9 摩擦速度25．2m／sの時のPD‡，PO．PO．5，Pまの摩耗盈を比較すると，約16．5，7。49 2．6，2．6gと明らかにPDIの摩耗量が大きいことが分かった．この結果は，PD王がPO，PO．59 Plに比べ黒鉛（Lorldon）A236（1956）2507）岡本正三依田連字＝金属材料組織解説鋳鉄縞，養賢監
ド．158）Y．Zhamg，Y．Chem封e∂頂d8．Shen：Wear166（ユ993〉
1799〉笹田直二日本機械学会誌ア6（1972）90が大きく球状であることからも推測できる．摩擦速度
7．54†15．2m／sの暗も同様の傾向が見られることから9黒鉛の形状は観輪子の摩耗に大きく影響すると考えられる．

ー101−