ブレーキディスク及びその製造方法
【課題】高速走行時におけるブレーキ環境下においても、亀裂や変形が生じることなくディスク母材との密着強度を十分に確保することを可能にする手段を提供する。
【解決手段】本発明に係るブレーキディスク１３は、表面にブレーキパッドが押圧されることにより車軸の回転を制動するものであって、車軸と一体的に回転する車輪に取り付けられるディスク母材１３３と、ディスク母材１３３の表面に複数層に渡って積層され、ディスク母材１３３より融点の高い高融点金属１３７の粒子がマトリクス材１３６中に分散してなる肉盛層１３４と、を備えるものである。
【解決手段】本発明に係るブレーキディスク１３は、表面にブレーキパッドが押圧されることにより車軸の回転を制動するものであって、車軸と一体的に回転する車輪に取り付けられるディスク母材１３３と、ディスク母材１３３の表面に複数層に渡って積層され、ディスク母材１３３より融点の高い高融点金属１３７の粒子がマトリクス材１３６中に分散してなる肉盛層１３４と、を備えるものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ブレーキパッドが押し付けられる摩擦面を有するブレーキディスクにおいて、ブレーキ時に発生する熱によって摩擦面に亀裂や変形が生じるのを抑制することが可能なブレーキディスク及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
新幹線等の鉄道車両の車輪や車軸には、ブレーキパッドを押し付けることによって制動力を得るためのブレーキディスクが設けられる。ここで、このブレーキディスクには、ブレーキ時に発生する熱の影響によって亀裂や変形が生じる問題がある。そこで、ディスク母材の表面を耐熱性に優れた素材で被覆することにより、ブレーキ熱による亀裂や変形の発生を抑制し得るブレーキディスクが従来提唱されている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００３】
特許文献１では、まずディスク母材の表面にブラスト処理を施すことにより、すなわち無機質素材からなる粒子を所定の圧力で噴射することにより、凹凸状の粗面化処理層が形成される。そして、この粗面化処理層の上に、金属結合層を介して耐熱性被覆層が形成される。この耐熱性被覆層は、耐熱性及び靭性に優れたジルコニアなどのセラミックスが金属結合層の表面に溶射されたものである。このような構成によれば、ブレーキ時に発生する熱のディスク母材への伝達が耐熱性被覆層によって低減されるため、ディスク母材に亀裂や変形が発生することが抑制される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−６３０７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１に記載の従来のブレーキディスクでは、高速走行時におけるブレーキ環境下において、ディスク母材と耐熱性被覆層との密着強度が不足する恐れがある。すなわち、ディスク母材の表面にブラスト処理を施すことにより、金属結合層や耐熱性被覆層のディスク母材に対する密着強度はある程度向上する。しかし、高速走行時におけるブレーキ環境下（高速回転，高い振動負荷、高温）においても、亀裂や変形が生じることなくディスク母材との密着強度が十分に確保される耐熱性被覆層が必要とされる。
【０００６】
本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、高速走行時におけるブレーキ環境下においても、亀裂や変形が生じることなくディスク母材との密着強度を十分に確保することを可能にする手段を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用している。すなわち、本発明に係るブレーキディスクは、表面にブレーキパッドが押圧されることにより車軸の回転を制動するブレーキディスクであって、前記車軸と一体的に回転する回転体に取り付けられるディスク母材と、前記ディスク母材の表面に複数層に渡って積層され、前記ディスク母材より融点の高い高融点金属の粒子がマトリクス材中に分散してなる肉盛層と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
このような構成によれば、ディスク母材の表面に高融点金属を含んだ肉盛層が積層されるので、ブレーキディスクに対してブレーキパッドが押圧されることによって生じる熱は、肉盛層の存在によってディスク母材への伝達が低減される。従って、このブレーキ時の熱の影響によって、ディスク母材の表面に亀裂や変形が生じるのを抑制することができる。
【０００９】
また、本発明に係るブレーキディスクは、前記肉盛層が、粉体肉盛プラズマアーク溶接により前記ディスク母材の表面に積層されたことを特徴とする。
【００１０】
このような構成によれば、肉盛層が粉体肉盛プラズマアーク溶接によりディスク母材の表面に積層されるので、肉盛層とディスク母材の表面との界面においては、溶融結合により両者の十分な密着強度が確保される。
【００１１】
また、本発明に係るブレーキディスクは、前記肉盛層が、前記ディスク母材の表面に２層以上に渡って積層されたことを特徴とする。
【００１２】
このような構成によれば、粉体肉盛プラズマアーク溶接によってディスク母材の表面に１層目の肉盛層を積層すると、溶接時の高い熱によって焼き入れ層が生成されることにより、ディスク母材が硬化する。しかし、続いて２層目、３層目の肉盛層を積層する際には、溶接時の熱は１層目及び２層目の肉盛層を介してディスク母材に伝達するため、伝達する熱量が緩和される。従って、１層目の肉盛層の積層時に生成された焼き入れ層が、２層目及び３層目の肉盛層の積層時に加わる熱によって焼き戻されることにより、硬化したディスク母材に靭性が付与される。これにより、ディスク母材に亀裂や変形が発生するのを抑制することができる。
【００１３】
また、本発明に係るブレーキディスクは、前記高融点金属が、モリブデン、タングステン、ニオブ、タンタルのうちいずれか１種以上を含むことを特徴とする。
【００１４】
このような構成によれば、高融点金属は、その高い融点のため溶接後も金属粒子として残存し、ディスク母材に高い耐熱性を付与する。
【００１５】
また、本発明に係るブレーキディスクは、前記肉盛層は、５０％以上８０％以下の重量比で前記高融点金属を含有することを特徴とする。
【００１６】
このような構成によれば、高融点金属が溶接後に適度な量だけ金属粒子として残存し、ディスク母材に高い耐熱性を付与する。
【００１７】
また、本発明に係るブレーキディスクは、前記高融点金属は、平均粒径が７５μｍ以上１００μｍ以下の粒子が全粒子数の７０％以上８０％以下を占めるとともに、平均粒径が１０μｍ以上４５μｍ以下の粒子が残りを占めることを特徴とする。
【００１８】
このような構成によれば、高融点金属が金属粒子として残存してディスク母材に高い耐熱性を付与するとともに、溶接後の肉盛層に亀裂が生じにくい。
【００１９】
また、本発明に係るブレーキディスクは、前記マトリクス材が、ニッケル基合金からなることを特徴とする。
【００２０】
このような構成によれば、ニッケル基合金からなるマトリクス材が高融点金属を均質に結合することにより、肉盛層中において高融点金属が均一に分布する。これにより、ブレーキ時の熱により、高融点金属の分布が低くなっている箇所で肉盛層に亀裂や変形が生じることを未然に防止することができる。
【００２１】
また、本発明に係るブレーキディスクは、表面にブレーキパッドが押圧されることにより車軸の回転を制動するブレーキディスクの製造方法であって、前記車軸と一体的に回転する回転体に取り付けられるディスク母材の表面に、前記ディスク母材より融点の高い高融点金属の粒子がマトリクス材中に分散してなる溶材を、粉体肉盛プラズマアーク溶接により複数層に渡って積層させる工程を含むことを特徴とする。
【００２２】
このような構成によれば、ディスク母材の表面に高融点金属を含んだ肉盛層が積層されるので、ブレーキディスクに対してブレーキパッドが押圧されることによって生じる熱は、肉盛層の存在によってディスク母材への伝達が低減される。従って、このブレーキ時の熱の影響によって、ディスク母材の表面に亀裂や変形が生じるのを抑制することができる。また、肉盛層は粉体肉盛プラズマアーク溶接によりディスク母材の表面に積層されるので、肉盛層とディスク母材の表面との界面においては、溶融結合により両者の十分な密着強度が確保される。
【００２３】
また、本発明に係るブレーキディスクは、前記溶材は、全体に占める前記高融点金属の重量比が略８０％であることを特徴とする。
【００２４】
このような構成によれば、ディスク母材の表面には、全体に占める高融点金属の重量比が略３０％の肉盛層が積層される。これにより、高融点金属が溶接後に適度な量だけ金属粒子として残存し、ディスク母材に高い耐熱性を付与する。
【発明の効果】
【００２５】
本発明に係るブレーキディスクによれば、高速走行時におけるブレーキ環境下においても、ディスク母材に亀裂や変形が生じるのを確実に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施形態に係るブレーキディスクを備えた新幹線用制動装置の外観を示す概略正面図である。
【図２】図１におけるＡ−Ａ線断面を示す概略断面図である。
【図３】ブレーキディスクの表面近傍を示す概略断面図である。
【図４】ディスク母材の各位置でのビッカース硬さを示すグラフである。
【図５】溶接装置の構成を示す概略断面図である。
【図６】本実施形態に係るブレーキディスクの製造工程を示すフローチャートである。
【図７】溶材及び鍛鋼について、温度変化に伴う熱伝導率の変化を示すグラフである。
【図８】本発明の変形例に係るブレーキディスクを備えた新幹線用制動装置の外観を示す概略正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、図面を参照し、本発明の実施の形態の一例について説明する。まず、本発明の実施形態に係るブレーキディスクの構成について説明する。図１は、本実施形態に係るブレーキディスクを備えた新幹線用制動装置１０の外観を示す概略正面図である。また図２は、図１におけるＡ−Ａ線断面を示す概略断面図である。
【００２８】
新幹線用制動装置１０は、図１に示すように、側面視で略円形の車輪１１（回転体）と、この車輪１１に挿通された車軸１２と、車輪１１の端面に取り付けられたブレーキディスク１３と、このブレーキディスク１３に近接して配置されたブレーキパッド１４とを備えるものである。
【００２９】
車輪１１は、図１及び図２に示すように、軸方向に一定の厚みを有する平板部１１１と、この平板部１１１の径方向外縁部が軸方向に突出してなるリム部１１２と、平板部１１１の径方向中心部が軸方向に突出してなるボス部１１３と、このボス部１１３を貫通して形成された軸挿通孔１１４とを有している。
【００３０】
車軸１２は、図１及び図２に示すように、車輪１１の軸挿通孔１１４に挿通されて固定されている。そして、この車軸１２が不図示のモータ等によって回転駆動されることにより、車軸１２の回転に伴って車輪１１が一体的に回転するようになっている。
【００３１】
ブレーキディスク１３は、ブレーキパッド１４が押圧されることで制動力を得る役割を果たすものである。このブレーキディスク１３は、図１に示すように、側面視で略円環形状を有する平板部材であって、その外径は車輪１１のリム部１１２の内径より若干小さく形成され、その内径は車輪１１のボス部１１３の外径より大きく形成されている。また、図２に示すように、ブレーキディスク１３の厚みは、車輪１１の平板部１１１に対するリム部１１２の突出高さと略等しい大きさに形成されている。更に、図１及び図２に示すように、ブレーキディスク１３には周方向に沿って所定間隔で複数のボルト挿通孔１３１が形成されている。
【００３２】
ここで、図３は、ブレーキディスク１３の表面近傍を示す概略断面図である。ブレーキディスク１３は、ディスク母材１３３と、粉体肉盛プラズマアーク溶接（以下、「ＰＴＡ溶接」と略す）によってディスク母材１３３の表面に３層に渡って積層された肉盛層１３４とを備えている。尚、肉盛層１３４の積層数は複数であれば足り、本実施形態の３層に限定されず、２層や４層以上として構成してもよい。
【００３３】
ディスク母材１３３は、鍛造用の鋼材である鍛鋼からなるものである。尚、ディスク母材１３３の材質は鍛鋼に限られず、ＰＴＡ溶接を耐熱性等の観点から施工することが可能な任意の材料を適用することができる。例えば、熱伝導性や耐磨耗性に優れたパーライト鋳鉄でディスク母材１３３を形成してもよい。
【００３４】
肉盛層１３４は、ディスク母材１３３の表面に溶融結合して積層された第一肉盛層１３４Ａと、この第一肉盛層１３４Ａの表面に溶融結合して積層された第二肉盛層１３４Ｂと、この第二肉盛層１３４Ｂの表面に溶融結合して積層された第三肉盛層１３４Ｃと、を有している。そして、最上部に位置する第三肉盛層１３４Ｃの表面が、ブレーキパッド１４を押圧するべき摩擦面１３５として構成される。尚、図３に示すように、各肉盛層間は、溶接による溶融結合のため、組織変化のない均一な一体化組織となる。
【００３５】
第一肉盛層１３４Ａは、図３に示すように、マトリクス材１３６と、このマトリクス材１３６中に分散した高融点金属１３７と、を有するものである。そして、このマトリクス材１３６は、そのビッカース硬さが２２０[Ｈｖ]以上２７０[Ｈｖ]以下程度である。このように構成される第一肉盛層１３４Ａは、ディスク母材１３３の表面に、１〜５ｍｍ程度の厚みに積層されている。尚、第二肉盛層１３４Ｂ及び第三肉盛層１３４Ｃは、それぞれ第一肉盛層１３４Ａと同じ構成であるため、ここではその説明を省略する。
【００３６】
マトリクス材１３６は、高融点金属１３７を均質に結合させる役割を果たすものである。このマトリクス材１３６はニッケル基合金からなるものであり、このニッケル基合金としては、例えばハステロイ（登録商標）Ｃ合金が挙げられる。ここで、ハステロイＣ合金とは、その概略成分が、クロム（Ｃｒ）を１５％、モリブデン（Ｍｏ）を１６％、タングステン（Ｗ）を４％、ニッケル（Ｎｉ）を残部としてそれぞれ含有する素材である。尚、マトリクス材１３６としては、ニッケル基合金の他に、銅及びアルミ青銅をはじめとする銅合金や、銀及び銀合金や、アルミニウム及びアルミニウム合金などの熱伝導率が高い材料を用いることもできる。
【００３７】
高融点金属１３７は、ディスク母材１３３に高い耐熱性を付与する役割を果たすものである。この高融点金属１３７は、ディスク母材１３３と比較して融点の高い金属の粒子であって、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ニオブ（Ｎｂ）、及びタンタル（Ｔａ）のうちいずれか１種以上を含んで構成される。そして、このように構成される高融点金属１３７は、第一肉盛層１３４Ａの全体に占める重量比が５０％以上８０％以下となっている。
【００３８】
また、高融点金属１３７を構成する金属粒子は、平均粒径が７５μｍ以上１００μｍ以下の粒子が全粒子数の７０％以上８０％以下を占めるとともに、平均粒径が１０μｍ以上４５μｍ以下の粒子が残りを占める粒度分布となっている。
【００３９】
以上のように構成されるブレーキディスク１３は、図２に示すように、切欠き部１３２が形成された側を車輪１１の側に向けた状態で平板部１１１に配置され、ボルト挿通孔１３１を挿通された固定ボルト１６によって車輪１１に固定される。
【００４０】
また、ブレーキディスク１３は、前述のようにその外径がリム部１１２の内径より若干小さく形成されるとともに、その内径がボス部１１３の外径より大きく形成されている。従って、図２に示すように、ブレーキディスク１３を車輪１１の平板部１１１に固定した状態で、ブレーキディスク１３とボス部１１３との間には所定幅の隙間１７が形成されている。
【００４１】
ブレーキパッド１４は、図１に示すように、車輪１１の径方向に向かってブレーキディスク１３に対応する位置に設けられている。そしてこのブレーキパッド１４は、図に詳細は示さないが、車輪１１の軸方向に移動可能に設けられ、ブレーキパッド１４の摩擦面１３５に押圧されることによってそれと一体的に回転する車軸１２の回転を制動するとともに、ブレーキパッド１４から離間することによって車軸１２の回転を許容するものとなっている。
【００４２】
次に、本発明の実施形態に係るブレーキディスク１３の作用効果について説明する。本実施形態に係るブレーキディスク１３は、その肉盛層１３４が、ＰＴＡ溶接によってディスク母材１３３の表面に積層されている。従って、ディスク母材１３３と肉盛層１３４との界面においては、溶融結合によって両者の十分な密着強度が確保される。これにより、高速走行時におけるブレーキ環境下において、肉盛層１３４がディスク母材１３３の表面から剥離することが防止される。
【００４３】
また、肉盛層１３４が、５０％以上８０％以下の重量比で高融点金属１３７を含有している。従って、ＰＴＡ溶接後に高融点金属１３７が適度な量だけ金属粒子として残存することにより、ディスク母材１３３に高い耐熱性が付与される。
【００４４】
また、肉盛層１３４は、そのマトリクス材１３６のビッカース硬さが２２０[Ｈｖ]以上２７０[Ｈｖ]以下程度である。この肉盛層１３４のビッカース硬さは、一般的に亀裂が発生及び進展するか否かの目安とされるビッカース硬さである３５０[Ｈｖ]を下回っている。これにより、高速走行時におけるブレーキ環境下においても、肉盛層１３４では亀裂や変形が生じにくくなっている。
【００４５】
また、ディスク母材１３３は、その製造時における熱処理によって焼き入れ層が生成されるが、第一肉盛層１３４Ａの積層時にＰＴＡ溶接による熱が加わると、再度焼き入れ層（不図示）が生成されることによって硬化する。しかし、続いて第二肉盛層１３４Ｂを積層する際には、ＰＴＡ溶接による熱は第一肉盛層１３４Ａを介してディスク母材１３３に伝達するため、伝達する熱量が緩和される。従って、第一肉盛層１３４Ａの積層時に再度生成された焼き入れ層が、第二肉盛層１３４Ｂの積層時に加わる熱によって焼き戻される。これにより、硬化したディスク母材１３３に靭性が付与される。更に、第三肉盛層１３４Ｃを積層する際にも、ＰＴＡ溶接による熱は第二肉盛層１３４Ｂ及び第一肉盛層１３４Ａを介してディスク母材１３３に伝達するため、伝達する熱量は一層緩和される。従って、前述と同様に焼き戻されることにより、ディスク母材１３３に一層の靭性が付与される。以上により、高速走行時におけるブレーキ環境下においても、ディスク母材１３３に亀裂や変形が生じにくくなっている。尚、このディスク母材１３３に生成された焼き入れ層は、ブレーキディスク１３の使用を開始した後に、ブレーキ時に発生する熱によって更に焼き戻されるため、ディスク母材１３３の耐亀裂性が一層向上する。
【００４６】
ここで、図４は、ディスク母材１３３の各位置でのビッカース硬さを示すグラフであって、横軸がディスク母材１３３の表面から厚み方向への距離を、縦軸がビッカース硬さをそれぞれ示している。尚、図における黒菱形のプロットは、ディスク母材１３３を予熱することなく第一肉盛層１３４Ａを積層した場合を、白四角のプロットは、ディスク母材１３３を２５０℃に予熱してから第一肉盛層１３４Ａを積層した場合を、黒丸のプロットは、ディスク母材１３３を２５０℃に予熱してから第一肉盛層１３４Ａ及び第二肉盛層１３４Ｂを順に積層した場合を、白三角のプロットは、ディスク母材１３３を２５０℃に予熱してから第一肉盛層１３４Ａから第三肉盛層１３４Ｃまで順に積層した場合をそれぞれ示している。また、図４において、ディスク母材１３３の表面から略２．８ｍｍの深さまでの範囲である「溶接熱影響部」とは、ディスク母材１３３においてＰＴＡ溶接時の熱の影響が及ぶ範囲を意味し、２．８ｍｍを越えて深い範囲である「母材原質部」とは、ディスク母材１３３においてＰＴＡ溶接時の熱の影響が及ばない範囲を意味している。
【００４７】
図４において黒菱形のプロットと白四角のプロットとを比較すると、溶接熱影響部の領域では、黒菱形プロットの方が白四角プロットと比較してビッカース硬さが上回っている。これは、黒菱形のプロットでは、ディスク母材１３３を予熱しない分だけディスク母材１３３がＰＴＡ溶接後に急速に冷却されるため、焼き入れ層の生成が一層促進されて硬化が進むからである。
【００４８】
図４において白四角プロットの溶接熱影響部と母材原質部とを比較すると、溶接熱影響部の方が母材原質部と比較してビッカース硬さが上回っている。これは、溶接熱影響部では第一肉盛層１３４ＡをＰＴＡ溶接する際の熱によってディスク母材１３３に焼き入れ層が生成され、これによりディスク母材１３３が硬化するためである。
【００４９】
図４において白四角プロットと黒丸プロットと白三角プロットとを比較すると、溶接熱影響部の領域では、白四角プロットの方が黒丸プロットや白三角プロットと比較してビッカース硬さが上回っている。これは、白四角プロットでは第一肉盛層１３４Ａだけしか積層しないため、ディスク母材１３３に焼き入れ層が生成されたままであるのに対し、黒丸プロットや白三角プロットでは第一肉盛層１３４Ａの積層時に生成された焼き入れ層が、第二肉盛層１３４Ｂ及び第三肉盛層１３４Ｃの積層時に焼き戻されることにより、ディスク母材１３３に対して靭性が付与されるためである。そして、黒丸プロットや白三角プロットのビッカース硬さは、一般的に亀裂が発生及び進展するか否かの目安とされる３５０[Ｈｖ]を下回っている。これにより、ディスク母材１３３では亀裂や変形が生じにくくなっている。
【００５０】
次に、ＰＴＡ溶接に使用する溶接装置について説明する。図５は、溶接装置２０の構成を示す概略断面図である。溶接装置２０は、図５に示すように、ガン２１と、ガン２１の中心部に挿入されたタングステン電極２２と、タングステン電極２２及びディスク母材１３３に接続されたメイン電源２３と、タングステン電極２２及びガン２１に接続されたパイロット電源２４と、を備えるものである。
【００５１】
ガン２１は、図５に示すように、その中心部に電極穴２１１が形成されるとともに、この電極穴２１１の周囲に内側から外側に向かって第一流路２１２、第二流路２１３、及び第三流路２１４がそれぞれ形成されている。そして、電極穴２１１にはタングステン電極２２が挿入されるとともに、パイロットガスＰＧが供給される。また、第一流路２１２には冷却水ＲＷが、第二流路２１３には溶材２５及びキャリアガスＣＧが、第三流路２１４にはシールドガスＳＧがそれぞれ供給される。尚、溶材２５とは、マトリクス材の粒子と高融点金属の粒子とが混合したものを意味する。
【００５２】
このように構成される溶接装置２０によれば、パイロット電源２４がタングステン電極２２とガン２１との間に電圧を印加することにより、タングステン電極２２からアークを飛ばし、パイロットガスＰＧをプラズマ化させる。そして、このプラズマガスは、第一流路２１２に供給された冷却水ＲＷによって冷却されると、いわゆるサーマルピンチ効果によって細く絞られることにより、エネルギー密度の高いプラズマアークＰＡとしてディスク母材１３３に向かって噴射する。このプラズマアークＰＡがディスク母材１３３に到達すると、メイン電源２３がタングステン電極２２とディスク母材１３３との間に電圧を印加することにより、図に詳細は示さないが、ディスク母材１３３中にアーク電流が流れるようになり、ディスク母材１３３の表面に溶融池が形成される。一方、第二流路２１３に供給された溶材２５は、キャリアガスＣＧに圧送されてプラズマアークＰＡ中に送り込まれ、溶融した状態でディスク母材１３３上の溶融池に投入されることにより、肉盛層１３４を形成する。尚、ディスク母材１３３及び肉盛層１３４は、第三流路２１４に供給されたシールドガスＳＧによってその酸化が防止される。
【００５３】
次に、本発明の実施形態に係るブレーキディスク１３の製造方法の手順について順を追って説明する。図６は、本実施形態に係るブレーキディスク１３の製造工程を示すフローチャートである。ブレーキディスク１３を製造しようとする作業者は、まず母材作製工程を行う（Ｓ１）。すなわち作業者は、所望組成のインゴットを鍛造、圧延、または鋳造することにより、ディスク母材１３３を作製する。
【００５４】
次に作業者は、必要に応じて熱処理工程を行う（Ｓ２）。すなわち作業者は、作製したディスク母材１３３の必要特性を得るために、組織の調整を行う。
【００５５】
次に作業者は、機械加工工程を行う（Ｓ３）。すなわち作業者は、図に詳細は示さないが、後述のＰＴＡ溶接工程にてディスク母材１３３に生じる歪み量を見込んで、溶接後の肉盛層１３４が適切な状態となるように、ディスク母材１３３の表面を一部切り欠いて予め所定角度の開先部を形成しておく。尚、本実施形態では、ディスク母材１３３のビッカース固さは、図４の母材原質部として示すように、一般的に機械加工が可能とされる４００［Ｈｖ］を下回っている。従って、ディスク母材１３３の機械加工を容易に行うことができる。
【００５６】
次に作業者は、第一ＰＴＡ溶接工程を行う（Ｓ４）。すなわち作業者は、前述の溶接装置２０を用いて所定の溶材２５を溶接することにより、ディスク母材１３３の表面に第一肉盛層１３４Ａを積層する。ここで、溶材２５の組成は、例えばニッケル基合金からなるマトリクス材１３６中に高融点金属１３７の粒子を分散させたものであって、溶材２５の全体に占める高融点金属１３７の重量比が略８０％となっている。しかしこの高融点金属１３７は、溶接時にディスク母材１３３を溶融することによる希釈を受けて、ディスク母材１３３の表面に積層される第一肉盛層１３４Ａは、その全体に占める高融点金属１３７の重量比が５０％以上８０％以下となる。また、この第一ＰＴＡ溶接工程において、ディスク母材１３３には焼き入れ層が生成される。
【００５７】
また、この溶材２５は、ディスク母材１３３の原料である鍛鋼と比較して、熱伝導率が高い特性を有している。図７は、溶材２５及び鍛鋼について、温度変化に伴う熱伝導率の変化を示すグラフであって、黒菱形のプロットが鍛鋼を、白丸のプロットが溶材２５をそれぞれ意味している。この図に示すように、６００℃を超える高温な領域、すなわち高速走行時におけるブレーキ環境下においては、溶材２５の熱伝導率は鍛鋼の熱伝導率と比較して８０％程度高くなっている。これにより、第一肉盛層１３４Ａの内部で熱応力が発生し、これに起因して第一肉盛層１３４Ａに亀裂や変形が生じることが、鍛鋼と比較して低減されている。
【００５８】
次に作業者は、第二ＰＴＡ溶接工程を行う（Ｓ５）。すなわち作業者は、第一ＰＴＡ溶接工程にて積層した第一肉盛層１３４Ａの上に、前述と同様にして溶材２５を溶接することにより、第二肉盛層１３４Ｂを積層する。そして、この第二ＰＴＡ溶接工程において、第一ＰＴＡ溶接工程において生成した焼き入れ層が焼き戻される。
【００５９】
次に作業者は、第三ＰＴＡ溶接工程を行う（Ｓ６）。すなわち作業者は、第二ＰＴＡ溶接工程にて積層した第二肉盛層１３４Ｂの上に、前述と同様にして溶材２５を溶接することにより、第三肉盛層１３４Ｃを積層する。そして、この第三ＰＴＡ溶接工程において、第一ＰＴＡ溶接工程において生成した焼き入れ層が更に焼き戻される。
【００６０】
次に作業者は、機械加工工程を行う（Ｓ７）。すなわち作業者は、ディスク母材１３３に肉盛層１３４を積層してなるブレーキディスク１３を、切削加工等によって所望の外形に整える。
【００６１】
最後に作業者は、仕上げ工程を行う（Ｓ８）。すなわち作業者は、ブレーキディスク１３の摩擦面１３５、本実施形態では第三肉盛層１３４Ｃの表面を研磨等することによって平滑な面に仕上げる。以上により、ブレーキディスク１３が完成し、ブレーキディスク１３の製造工程が終了する。
【００６２】
以上説明したようなブレーキディスク１３の製造方法によれば、第一ＰＴＡ溶接工程（Ｓ６）の施工時にディスク母材１３３に焼き入れ層が生成されるとともに、第二ＰＴＡ溶接工程（Ｓ７）及び第三ＰＴＡ溶接工程（Ｓ８）の施工時に焼き入れ層が焼き戻される。従って、ＰＴＡ溶接工程とは別に焼き入れや焼き戻し等の熱処理工程を別途施工する必要がないので、ブレーキディスク１３の製造工程を簡略化することができるという利点がある。
【００６３】
尚、本実施形態ではＰＴＡ溶接工程を３回繰り返しているが、肉盛層１３４の積層数に応じて、ＰＴＡ溶接工程を施工する回数は適宜変更することができる。
【００６４】
また、本実施形態では、ブレーキディスク１３を新幹線用制動装置１０に適用する場合を例に説明したが、これに限られず、新幹線以外の他の鉄道車両の制動装置にも適用することができる。また、鉄道車両以外の他の車両の制動装置に適用することも可能である。また、本発明に係る回転体は、車輪１１に限られず、車軸１２に固定された不図示のハブであってもよい。
【００６５】
尚、上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ、或いは動作手順等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【００６６】
例えば、図１に示す本実施形態のブレーキディスク１３は、その径方向中央部が固定ボルト１６を介して車輪１１に固定される、いわゆる中央締結方式と呼ばれるものである。しかし、これに代えて、図８に示すように、その径方向内周部が固定ボルト１６を介して車輪１１に固定される、いわゆる内周締結方式と呼ばれるブレーキディスク１３として構成することも可能である。
【符号の説明】
【００６７】
１０ 新幹線用制動装置
１１ 車輪
１２ 車軸
１３ ブレーキディスク
１４ ブレーキパッド
１６ 固定ボルト
１７ 隙間
２０ 溶接装置
２１ ガン
２２ タングステン電極
２３ メイン電源
２４ パイロット電源
２５ 溶材
１１１ 平板部
１１２ リム部
１１３ ボス部
１１４ 軸挿通孔
１３１ ボルト挿通孔
１３２ 切欠き部
１３３ ディスク母材
１３４ 肉盛層
１３５ 摩擦面
１３６ マトリクス材
１３７ 高融点金属
２１１ 電極穴
２１２ 第一流路
２１３ 第二流路
２１４ 第三流路
１３４Ａ 第一肉盛層
１３４Ｂ 第二肉盛層
１３４Ｃ 第三肉盛層
ＣＧ キャリアガス
ＰＡ プラズマアーク
ＰＧ パイロットガス
ＲＷ 冷却水
ＳＧ シールドガス
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ブレーキパッドが押し付けられる摩擦面を有するブレーキディスクにおいて、ブレーキ時に発生する熱によって摩擦面に亀裂や変形が生じるのを抑制することが可能なブレーキディスク及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
新幹線等の鉄道車両の車輪や車軸には、ブレーキパッドを押し付けることによって制動力を得るためのブレーキディスクが設けられる。ここで、このブレーキディスクには、ブレーキ時に発生する熱の影響によって亀裂や変形が生じる問題がある。そこで、ディスク母材の表面を耐熱性に優れた素材で被覆することにより、ブレーキ熱による亀裂や変形の発生を抑制し得るブレーキディスクが従来提唱されている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００３】
特許文献１では、まずディスク母材の表面にブラスト処理を施すことにより、すなわち無機質素材からなる粒子を所定の圧力で噴射することにより、凹凸状の粗面化処理層が形成される。そして、この粗面化処理層の上に、金属結合層を介して耐熱性被覆層が形成される。この耐熱性被覆層は、耐熱性及び靭性に優れたジルコニアなどのセラミックスが金属結合層の表面に溶射されたものである。このような構成によれば、ブレーキ時に発生する熱のディスク母材への伝達が耐熱性被覆層によって低減されるため、ディスク母材に亀裂や変形が発生することが抑制される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−６３０７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１に記載の従来のブレーキディスクでは、高速走行時におけるブレーキ環境下において、ディスク母材と耐熱性被覆層との密着強度が不足する恐れがある。すなわち、ディスク母材の表面にブラスト処理を施すことにより、金属結合層や耐熱性被覆層のディスク母材に対する密着強度はある程度向上する。しかし、高速走行時におけるブレーキ環境下（高速回転，高い振動負荷、高温）においても、亀裂や変形が生じることなくディスク母材との密着強度が十分に確保される耐熱性被覆層が必要とされる。
【０００６】
本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、高速走行時におけるブレーキ環境下においても、亀裂や変形が生じることなくディスク母材との密着強度を十分に確保することを可能にする手段を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用している。すなわち、本発明に係るブレーキディスクは、表面にブレーキパッドが押圧されることにより車軸の回転を制動するブレーキディスクであって、前記車軸と一体的に回転する回転体に取り付けられるディスク母材と、前記ディスク母材の表面に複数層に渡って積層され、前記ディスク母材より融点の高い高融点金属の粒子がマトリクス材中に分散してなる肉盛層と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
このような構成によれば、ディスク母材の表面に高融点金属を含んだ肉盛層が積層されるので、ブレーキディスクに対してブレーキパッドが押圧されることによって生じる熱は、肉盛層の存在によってディスク母材への伝達が低減される。従って、このブレーキ時の熱の影響によって、ディスク母材の表面に亀裂や変形が生じるのを抑制することができる。
【０００９】
また、本発明に係るブレーキディスクは、前記肉盛層が、粉体肉盛プラズマアーク溶接により前記ディスク母材の表面に積層されたことを特徴とする。
【００１０】
このような構成によれば、肉盛層が粉体肉盛プラズマアーク溶接によりディスク母材の表面に積層されるので、肉盛層とディスク母材の表面との界面においては、溶融結合により両者の十分な密着強度が確保される。
【００１１】
また、本発明に係るブレーキディスクは、前記肉盛層が、前記ディスク母材の表面に２層以上に渡って積層されたことを特徴とする。
【００１２】
このような構成によれば、粉体肉盛プラズマアーク溶接によってディスク母材の表面に１層目の肉盛層を積層すると、溶接時の高い熱によって焼き入れ層が生成されることにより、ディスク母材が硬化する。しかし、続いて２層目、３層目の肉盛層を積層する際には、溶接時の熱は１層目及び２層目の肉盛層を介してディスク母材に伝達するため、伝達する熱量が緩和される。従って、１層目の肉盛層の積層時に生成された焼き入れ層が、２層目及び３層目の肉盛層の積層時に加わる熱によって焼き戻されることにより、硬化したディスク母材に靭性が付与される。これにより、ディスク母材に亀裂や変形が発生するのを抑制することができる。
【００１３】
また、本発明に係るブレーキディスクは、前記高融点金属が、モリブデン、タングステン、ニオブ、タンタルのうちいずれか１種以上を含むことを特徴とする。
【００１４】
このような構成によれば、高融点金属は、その高い融点のため溶接後も金属粒子として残存し、ディスク母材に高い耐熱性を付与する。
【００１５】
また、本発明に係るブレーキディスクは、前記肉盛層は、５０％以上８０％以下の重量比で前記高融点金属を含有することを特徴とする。
【００１６】
このような構成によれば、高融点金属が溶接後に適度な量だけ金属粒子として残存し、ディスク母材に高い耐熱性を付与する。
【００１７】
また、本発明に係るブレーキディスクは、前記高融点金属は、平均粒径が７５μｍ以上１００μｍ以下の粒子が全粒子数の７０％以上８０％以下を占めるとともに、平均粒径が１０μｍ以上４５μｍ以下の粒子が残りを占めることを特徴とする。
【００１８】
このような構成によれば、高融点金属が金属粒子として残存してディスク母材に高い耐熱性を付与するとともに、溶接後の肉盛層に亀裂が生じにくい。
【００１９】
また、本発明に係るブレーキディスクは、前記マトリクス材が、ニッケル基合金からなることを特徴とする。
【００２０】
このような構成によれば、ニッケル基合金からなるマトリクス材が高融点金属を均質に結合することにより、肉盛層中において高融点金属が均一に分布する。これにより、ブレーキ時の熱により、高融点金属の分布が低くなっている箇所で肉盛層に亀裂や変形が生じることを未然に防止することができる。
【００２１】
また、本発明に係るブレーキディスクは、表面にブレーキパッドが押圧されることにより車軸の回転を制動するブレーキディスクの製造方法であって、前記車軸と一体的に回転する回転体に取り付けられるディスク母材の表面に、前記ディスク母材より融点の高い高融点金属の粒子がマトリクス材中に分散してなる溶材を、粉体肉盛プラズマアーク溶接により複数層に渡って積層させる工程を含むことを特徴とする。
【００２２】
このような構成によれば、ディスク母材の表面に高融点金属を含んだ肉盛層が積層されるので、ブレーキディスクに対してブレーキパッドが押圧されることによって生じる熱は、肉盛層の存在によってディスク母材への伝達が低減される。従って、このブレーキ時の熱の影響によって、ディスク母材の表面に亀裂や変形が生じるのを抑制することができる。また、肉盛層は粉体肉盛プラズマアーク溶接によりディスク母材の表面に積層されるので、肉盛層とディスク母材の表面との界面においては、溶融結合により両者の十分な密着強度が確保される。
【００２３】
また、本発明に係るブレーキディスクは、前記溶材は、全体に占める前記高融点金属の重量比が略８０％であることを特徴とする。
【００２４】
このような構成によれば、ディスク母材の表面には、全体に占める高融点金属の重量比が略３０％の肉盛層が積層される。これにより、高融点金属が溶接後に適度な量だけ金属粒子として残存し、ディスク母材に高い耐熱性を付与する。
【発明の効果】
【００２５】
本発明に係るブレーキディスクによれば、高速走行時におけるブレーキ環境下においても、ディスク母材に亀裂や変形が生じるのを確実に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施形態に係るブレーキディスクを備えた新幹線用制動装置の外観を示す概略正面図である。
【図２】図１におけるＡ−Ａ線断面を示す概略断面図である。
【図３】ブレーキディスクの表面近傍を示す概略断面図である。
【図４】ディスク母材の各位置でのビッカース硬さを示すグラフである。
【図５】溶接装置の構成を示す概略断面図である。
【図６】本実施形態に係るブレーキディスクの製造工程を示すフローチャートである。
【図７】溶材及び鍛鋼について、温度変化に伴う熱伝導率の変化を示すグラフである。
【図８】本発明の変形例に係るブレーキディスクを備えた新幹線用制動装置の外観を示す概略正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、図面を参照し、本発明の実施の形態の一例について説明する。まず、本発明の実施形態に係るブレーキディスクの構成について説明する。図１は、本実施形態に係るブレーキディスクを備えた新幹線用制動装置１０の外観を示す概略正面図である。また図２は、図１におけるＡ−Ａ線断面を示す概略断面図である。
【００２８】
新幹線用制動装置１０は、図１に示すように、側面視で略円形の車輪１１（回転体）と、この車輪１１に挿通された車軸１２と、車輪１１の端面に取り付けられたブレーキディスク１３と、このブレーキディスク１３に近接して配置されたブレーキパッド１４とを備えるものである。
【００２９】
車輪１１は、図１及び図２に示すように、軸方向に一定の厚みを有する平板部１１１と、この平板部１１１の径方向外縁部が軸方向に突出してなるリム部１１２と、平板部１１１の径方向中心部が軸方向に突出してなるボス部１１３と、このボス部１１３を貫通して形成された軸挿通孔１１４とを有している。
【００３０】
車軸１２は、図１及び図２に示すように、車輪１１の軸挿通孔１１４に挿通されて固定されている。そして、この車軸１２が不図示のモータ等によって回転駆動されることにより、車軸１２の回転に伴って車輪１１が一体的に回転するようになっている。
【００３１】
ブレーキディスク１３は、ブレーキパッド１４が押圧されることで制動力を得る役割を果たすものである。このブレーキディスク１３は、図１に示すように、側面視で略円環形状を有する平板部材であって、その外径は車輪１１のリム部１１２の内径より若干小さく形成され、その内径は車輪１１のボス部１１３の外径より大きく形成されている。また、図２に示すように、ブレーキディスク１３の厚みは、車輪１１の平板部１１１に対するリム部１１２の突出高さと略等しい大きさに形成されている。更に、図１及び図２に示すように、ブレーキディスク１３には周方向に沿って所定間隔で複数のボルト挿通孔１３１が形成されている。
【００３２】
ここで、図３は、ブレーキディスク１３の表面近傍を示す概略断面図である。ブレーキディスク１３は、ディスク母材１３３と、粉体肉盛プラズマアーク溶接（以下、「ＰＴＡ溶接」と略す）によってディスク母材１３３の表面に３層に渡って積層された肉盛層１３４とを備えている。尚、肉盛層１３４の積層数は複数であれば足り、本実施形態の３層に限定されず、２層や４層以上として構成してもよい。
【００３３】
ディスク母材１３３は、鍛造用の鋼材である鍛鋼からなるものである。尚、ディスク母材１３３の材質は鍛鋼に限られず、ＰＴＡ溶接を耐熱性等の観点から施工することが可能な任意の材料を適用することができる。例えば、熱伝導性や耐磨耗性に優れたパーライト鋳鉄でディスク母材１３３を形成してもよい。
【００３４】
肉盛層１３４は、ディスク母材１３３の表面に溶融結合して積層された第一肉盛層１３４Ａと、この第一肉盛層１３４Ａの表面に溶融結合して積層された第二肉盛層１３４Ｂと、この第二肉盛層１３４Ｂの表面に溶融結合して積層された第三肉盛層１３４Ｃと、を有している。そして、最上部に位置する第三肉盛層１３４Ｃの表面が、ブレーキパッド１４を押圧するべき摩擦面１３５として構成される。尚、図３に示すように、各肉盛層間は、溶接による溶融結合のため、組織変化のない均一な一体化組織となる。
【００３５】
第一肉盛層１３４Ａは、図３に示すように、マトリクス材１３６と、このマトリクス材１３６中に分散した高融点金属１３７と、を有するものである。そして、このマトリクス材１３６は、そのビッカース硬さが２２０[Ｈｖ]以上２７０[Ｈｖ]以下程度である。このように構成される第一肉盛層１３４Ａは、ディスク母材１３３の表面に、１〜５ｍｍ程度の厚みに積層されている。尚、第二肉盛層１３４Ｂ及び第三肉盛層１３４Ｃは、それぞれ第一肉盛層１３４Ａと同じ構成であるため、ここではその説明を省略する。
【００３６】
マトリクス材１３６は、高融点金属１３７を均質に結合させる役割を果たすものである。このマトリクス材１３６はニッケル基合金からなるものであり、このニッケル基合金としては、例えばハステロイ（登録商標）Ｃ合金が挙げられる。ここで、ハステロイＣ合金とは、その概略成分が、クロム（Ｃｒ）を１５％、モリブデン（Ｍｏ）を１６％、タングステン（Ｗ）を４％、ニッケル（Ｎｉ）を残部としてそれぞれ含有する素材である。尚、マトリクス材１３６としては、ニッケル基合金の他に、銅及びアルミ青銅をはじめとする銅合金や、銀及び銀合金や、アルミニウム及びアルミニウム合金などの熱伝導率が高い材料を用いることもできる。
【００３７】
高融点金属１３７は、ディスク母材１３３に高い耐熱性を付与する役割を果たすものである。この高融点金属１３７は、ディスク母材１３３と比較して融点の高い金属の粒子であって、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ニオブ（Ｎｂ）、及びタンタル（Ｔａ）のうちいずれか１種以上を含んで構成される。そして、このように構成される高融点金属１３７は、第一肉盛層１３４Ａの全体に占める重量比が５０％以上８０％以下となっている。
【００３８】
また、高融点金属１３７を構成する金属粒子は、平均粒径が７５μｍ以上１００μｍ以下の粒子が全粒子数の７０％以上８０％以下を占めるとともに、平均粒径が１０μｍ以上４５μｍ以下の粒子が残りを占める粒度分布となっている。
【００３９】
以上のように構成されるブレーキディスク１３は、図２に示すように、切欠き部１３２が形成された側を車輪１１の側に向けた状態で平板部１１１に配置され、ボルト挿通孔１３１を挿通された固定ボルト１６によって車輪１１に固定される。
【００４０】
また、ブレーキディスク１３は、前述のようにその外径がリム部１１２の内径より若干小さく形成されるとともに、その内径がボス部１１３の外径より大きく形成されている。従って、図２に示すように、ブレーキディスク１３を車輪１１の平板部１１１に固定した状態で、ブレーキディスク１３とボス部１１３との間には所定幅の隙間１７が形成されている。
【００４１】
ブレーキパッド１４は、図１に示すように、車輪１１の径方向に向かってブレーキディスク１３に対応する位置に設けられている。そしてこのブレーキパッド１４は、図に詳細は示さないが、車輪１１の軸方向に移動可能に設けられ、ブレーキパッド１４の摩擦面１３５に押圧されることによってそれと一体的に回転する車軸１２の回転を制動するとともに、ブレーキパッド１４から離間することによって車軸１２の回転を許容するものとなっている。
【００４２】
次に、本発明の実施形態に係るブレーキディスク１３の作用効果について説明する。本実施形態に係るブレーキディスク１３は、その肉盛層１３４が、ＰＴＡ溶接によってディスク母材１３３の表面に積層されている。従って、ディスク母材１３３と肉盛層１３４との界面においては、溶融結合によって両者の十分な密着強度が確保される。これにより、高速走行時におけるブレーキ環境下において、肉盛層１３４がディスク母材１３３の表面から剥離することが防止される。
【００４３】
また、肉盛層１３４が、５０％以上８０％以下の重量比で高融点金属１３７を含有している。従って、ＰＴＡ溶接後に高融点金属１３７が適度な量だけ金属粒子として残存することにより、ディスク母材１３３に高い耐熱性が付与される。
【００４４】
また、肉盛層１３４は、そのマトリクス材１３６のビッカース硬さが２２０[Ｈｖ]以上２７０[Ｈｖ]以下程度である。この肉盛層１３４のビッカース硬さは、一般的に亀裂が発生及び進展するか否かの目安とされるビッカース硬さである３５０[Ｈｖ]を下回っている。これにより、高速走行時におけるブレーキ環境下においても、肉盛層１３４では亀裂や変形が生じにくくなっている。
【００４５】
また、ディスク母材１３３は、その製造時における熱処理によって焼き入れ層が生成されるが、第一肉盛層１３４Ａの積層時にＰＴＡ溶接による熱が加わると、再度焼き入れ層（不図示）が生成されることによって硬化する。しかし、続いて第二肉盛層１３４Ｂを積層する際には、ＰＴＡ溶接による熱は第一肉盛層１３４Ａを介してディスク母材１３３に伝達するため、伝達する熱量が緩和される。従って、第一肉盛層１３４Ａの積層時に再度生成された焼き入れ層が、第二肉盛層１３４Ｂの積層時に加わる熱によって焼き戻される。これにより、硬化したディスク母材１３３に靭性が付与される。更に、第三肉盛層１３４Ｃを積層する際にも、ＰＴＡ溶接による熱は第二肉盛層１３４Ｂ及び第一肉盛層１３４Ａを介してディスク母材１３３に伝達するため、伝達する熱量は一層緩和される。従って、前述と同様に焼き戻されることにより、ディスク母材１３３に一層の靭性が付与される。以上により、高速走行時におけるブレーキ環境下においても、ディスク母材１３３に亀裂や変形が生じにくくなっている。尚、このディスク母材１３３に生成された焼き入れ層は、ブレーキディスク１３の使用を開始した後に、ブレーキ時に発生する熱によって更に焼き戻されるため、ディスク母材１３３の耐亀裂性が一層向上する。
【００４６】
ここで、図４は、ディスク母材１３３の各位置でのビッカース硬さを示すグラフであって、横軸がディスク母材１３３の表面から厚み方向への距離を、縦軸がビッカース硬さをそれぞれ示している。尚、図における黒菱形のプロットは、ディスク母材１３３を予熱することなく第一肉盛層１３４Ａを積層した場合を、白四角のプロットは、ディスク母材１３３を２５０℃に予熱してから第一肉盛層１３４Ａを積層した場合を、黒丸のプロットは、ディスク母材１３３を２５０℃に予熱してから第一肉盛層１３４Ａ及び第二肉盛層１３４Ｂを順に積層した場合を、白三角のプロットは、ディスク母材１３３を２５０℃に予熱してから第一肉盛層１３４Ａから第三肉盛層１３４Ｃまで順に積層した場合をそれぞれ示している。また、図４において、ディスク母材１３３の表面から略２．８ｍｍの深さまでの範囲である「溶接熱影響部」とは、ディスク母材１３３においてＰＴＡ溶接時の熱の影響が及ぶ範囲を意味し、２．８ｍｍを越えて深い範囲である「母材原質部」とは、ディスク母材１３３においてＰＴＡ溶接時の熱の影響が及ばない範囲を意味している。
【００４７】
図４において黒菱形のプロットと白四角のプロットとを比較すると、溶接熱影響部の領域では、黒菱形プロットの方が白四角プロットと比較してビッカース硬さが上回っている。これは、黒菱形のプロットでは、ディスク母材１３３を予熱しない分だけディスク母材１３３がＰＴＡ溶接後に急速に冷却されるため、焼き入れ層の生成が一層促進されて硬化が進むからである。
【００４８】
図４において白四角プロットの溶接熱影響部と母材原質部とを比較すると、溶接熱影響部の方が母材原質部と比較してビッカース硬さが上回っている。これは、溶接熱影響部では第一肉盛層１３４ＡをＰＴＡ溶接する際の熱によってディスク母材１３３に焼き入れ層が生成され、これによりディスク母材１３３が硬化するためである。
【００４９】
図４において白四角プロットと黒丸プロットと白三角プロットとを比較すると、溶接熱影響部の領域では、白四角プロットの方が黒丸プロットや白三角プロットと比較してビッカース硬さが上回っている。これは、白四角プロットでは第一肉盛層１３４Ａだけしか積層しないため、ディスク母材１３３に焼き入れ層が生成されたままであるのに対し、黒丸プロットや白三角プロットでは第一肉盛層１３４Ａの積層時に生成された焼き入れ層が、第二肉盛層１３４Ｂ及び第三肉盛層１３４Ｃの積層時に焼き戻されることにより、ディスク母材１３３に対して靭性が付与されるためである。そして、黒丸プロットや白三角プロットのビッカース硬さは、一般的に亀裂が発生及び進展するか否かの目安とされる３５０[Ｈｖ]を下回っている。これにより、ディスク母材１３３では亀裂や変形が生じにくくなっている。
【００５０】
次に、ＰＴＡ溶接に使用する溶接装置について説明する。図５は、溶接装置２０の構成を示す概略断面図である。溶接装置２０は、図５に示すように、ガン２１と、ガン２１の中心部に挿入されたタングステン電極２２と、タングステン電極２２及びディスク母材１３３に接続されたメイン電源２３と、タングステン電極２２及びガン２１に接続されたパイロット電源２４と、を備えるものである。
【００５１】
ガン２１は、図５に示すように、その中心部に電極穴２１１が形成されるとともに、この電極穴２１１の周囲に内側から外側に向かって第一流路２１２、第二流路２１３、及び第三流路２１４がそれぞれ形成されている。そして、電極穴２１１にはタングステン電極２２が挿入されるとともに、パイロットガスＰＧが供給される。また、第一流路２１２には冷却水ＲＷが、第二流路２１３には溶材２５及びキャリアガスＣＧが、第三流路２１４にはシールドガスＳＧがそれぞれ供給される。尚、溶材２５とは、マトリクス材の粒子と高融点金属の粒子とが混合したものを意味する。
【００５２】
このように構成される溶接装置２０によれば、パイロット電源２４がタングステン電極２２とガン２１との間に電圧を印加することにより、タングステン電極２２からアークを飛ばし、パイロットガスＰＧをプラズマ化させる。そして、このプラズマガスは、第一流路２１２に供給された冷却水ＲＷによって冷却されると、いわゆるサーマルピンチ効果によって細く絞られることにより、エネルギー密度の高いプラズマアークＰＡとしてディスク母材１３３に向かって噴射する。このプラズマアークＰＡがディスク母材１３３に到達すると、メイン電源２３がタングステン電極２２とディスク母材１３３との間に電圧を印加することにより、図に詳細は示さないが、ディスク母材１３３中にアーク電流が流れるようになり、ディスク母材１３３の表面に溶融池が形成される。一方、第二流路２１３に供給された溶材２５は、キャリアガスＣＧに圧送されてプラズマアークＰＡ中に送り込まれ、溶融した状態でディスク母材１３３上の溶融池に投入されることにより、肉盛層１３４を形成する。尚、ディスク母材１３３及び肉盛層１３４は、第三流路２１４に供給されたシールドガスＳＧによってその酸化が防止される。
【００５３】
次に、本発明の実施形態に係るブレーキディスク１３の製造方法の手順について順を追って説明する。図６は、本実施形態に係るブレーキディスク１３の製造工程を示すフローチャートである。ブレーキディスク１３を製造しようとする作業者は、まず母材作製工程を行う（Ｓ１）。すなわち作業者は、所望組成のインゴットを鍛造、圧延、または鋳造することにより、ディスク母材１３３を作製する。
【００５４】
次に作業者は、必要に応じて熱処理工程を行う（Ｓ２）。すなわち作業者は、作製したディスク母材１３３の必要特性を得るために、組織の調整を行う。
【００５５】
次に作業者は、機械加工工程を行う（Ｓ３）。すなわち作業者は、図に詳細は示さないが、後述のＰＴＡ溶接工程にてディスク母材１３３に生じる歪み量を見込んで、溶接後の肉盛層１３４が適切な状態となるように、ディスク母材１３３の表面を一部切り欠いて予め所定角度の開先部を形成しておく。尚、本実施形態では、ディスク母材１３３のビッカース固さは、図４の母材原質部として示すように、一般的に機械加工が可能とされる４００［Ｈｖ］を下回っている。従って、ディスク母材１３３の機械加工を容易に行うことができる。
【００５６】
次に作業者は、第一ＰＴＡ溶接工程を行う（Ｓ４）。すなわち作業者は、前述の溶接装置２０を用いて所定の溶材２５を溶接することにより、ディスク母材１３３の表面に第一肉盛層１３４Ａを積層する。ここで、溶材２５の組成は、例えばニッケル基合金からなるマトリクス材１３６中に高融点金属１３７の粒子を分散させたものであって、溶材２５の全体に占める高融点金属１３７の重量比が略８０％となっている。しかしこの高融点金属１３７は、溶接時にディスク母材１３３を溶融することによる希釈を受けて、ディスク母材１３３の表面に積層される第一肉盛層１３４Ａは、その全体に占める高融点金属１３７の重量比が５０％以上８０％以下となる。また、この第一ＰＴＡ溶接工程において、ディスク母材１３３には焼き入れ層が生成される。
【００５７】
また、この溶材２５は、ディスク母材１３３の原料である鍛鋼と比較して、熱伝導率が高い特性を有している。図７は、溶材２５及び鍛鋼について、温度変化に伴う熱伝導率の変化を示すグラフであって、黒菱形のプロットが鍛鋼を、白丸のプロットが溶材２５をそれぞれ意味している。この図に示すように、６００℃を超える高温な領域、すなわち高速走行時におけるブレーキ環境下においては、溶材２５の熱伝導率は鍛鋼の熱伝導率と比較して８０％程度高くなっている。これにより、第一肉盛層１３４Ａの内部で熱応力が発生し、これに起因して第一肉盛層１３４Ａに亀裂や変形が生じることが、鍛鋼と比較して低減されている。
【００５８】
次に作業者は、第二ＰＴＡ溶接工程を行う（Ｓ５）。すなわち作業者は、第一ＰＴＡ溶接工程にて積層した第一肉盛層１３４Ａの上に、前述と同様にして溶材２５を溶接することにより、第二肉盛層１３４Ｂを積層する。そして、この第二ＰＴＡ溶接工程において、第一ＰＴＡ溶接工程において生成した焼き入れ層が焼き戻される。
【００５９】
次に作業者は、第三ＰＴＡ溶接工程を行う（Ｓ６）。すなわち作業者は、第二ＰＴＡ溶接工程にて積層した第二肉盛層１３４Ｂの上に、前述と同様にして溶材２５を溶接することにより、第三肉盛層１３４Ｃを積層する。そして、この第三ＰＴＡ溶接工程において、第一ＰＴＡ溶接工程において生成した焼き入れ層が更に焼き戻される。
【００６０】
次に作業者は、機械加工工程を行う（Ｓ７）。すなわち作業者は、ディスク母材１３３に肉盛層１３４を積層してなるブレーキディスク１３を、切削加工等によって所望の外形に整える。
【００６１】
最後に作業者は、仕上げ工程を行う（Ｓ８）。すなわち作業者は、ブレーキディスク１３の摩擦面１３５、本実施形態では第三肉盛層１３４Ｃの表面を研磨等することによって平滑な面に仕上げる。以上により、ブレーキディスク１３が完成し、ブレーキディスク１３の製造工程が終了する。
【００６２】
以上説明したようなブレーキディスク１３の製造方法によれば、第一ＰＴＡ溶接工程（Ｓ６）の施工時にディスク母材１３３に焼き入れ層が生成されるとともに、第二ＰＴＡ溶接工程（Ｓ７）及び第三ＰＴＡ溶接工程（Ｓ８）の施工時に焼き入れ層が焼き戻される。従って、ＰＴＡ溶接工程とは別に焼き入れや焼き戻し等の熱処理工程を別途施工する必要がないので、ブレーキディスク１３の製造工程を簡略化することができるという利点がある。
【００６３】
尚、本実施形態ではＰＴＡ溶接工程を３回繰り返しているが、肉盛層１３４の積層数に応じて、ＰＴＡ溶接工程を施工する回数は適宜変更することができる。
【００６４】
また、本実施形態では、ブレーキディスク１３を新幹線用制動装置１０に適用する場合を例に説明したが、これに限られず、新幹線以外の他の鉄道車両の制動装置にも適用することができる。また、鉄道車両以外の他の車両の制動装置に適用することも可能である。また、本発明に係る回転体は、車輪１１に限られず、車軸１２に固定された不図示のハブであってもよい。
【００６５】
尚、上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ、或いは動作手順等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【００６６】
例えば、図１に示す本実施形態のブレーキディスク１３は、その径方向中央部が固定ボルト１６を介して車輪１１に固定される、いわゆる中央締結方式と呼ばれるものである。しかし、これに代えて、図８に示すように、その径方向内周部が固定ボルト１６を介して車輪１１に固定される、いわゆる内周締結方式と呼ばれるブレーキディスク１３として構成することも可能である。
【符号の説明】
【００６７】
１０ 新幹線用制動装置
１１ 車輪
１２ 車軸
１３ ブレーキディスク
１４ ブレーキパッド
１６ 固定ボルト
１７ 隙間
２０ 溶接装置
２１ ガン
２２ タングステン電極
２３ メイン電源
２４ パイロット電源
２５ 溶材
１１１ 平板部
１１２ リム部
１１３ ボス部
１１４ 軸挿通孔
１３１ ボルト挿通孔
１３２ 切欠き部
１３３ ディスク母材
１３４ 肉盛層
１３５ 摩擦面
１３６ マトリクス材
１３７ 高融点金属
２１１ 電極穴
２１２ 第一流路
２１３ 第二流路
２１４ 第三流路
１３４Ａ 第一肉盛層
１３４Ｂ 第二肉盛層
１３４Ｃ 第三肉盛層
ＣＧ キャリアガス
ＰＡ プラズマアーク
ＰＧ パイロットガス
ＲＷ 冷却水
ＳＧ シールドガス
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面にブレーキパッドが押圧されることにより車軸の回転を制動するブレーキディスクであって、
前記車軸と一体的に回転する回転体に取り付けられるディスク母材と、
前記ディスク母材の表面に複数層に渡って積層され、前記ディスク母材より融点の高い高融点金属の粒子がマトリクス材中に分散してなる肉盛層と、
を備えることを特徴とするブレーキディスク。
【請求項２】
前記肉盛層が、粉体肉盛プラズマアーク溶接により前記ディスク母材の表面に積層されたことを特徴とする請求項１に記載のブレーキディスク。
【請求項３】
前記肉盛層が、前記ディスク母材の表面に２層以上に渡って積層されたことを特徴とする請求項１又は２に記載のブレーキディスク。
【請求項４】
前記高融点金属が、モリブデン、タングステン、ニオブ、タンタルのうちいずれか１種以上を含むことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のブレーキディスク。
【請求項５】
前記肉盛層は、５０％以上８０％以下の重量比で前記高融点金属を含有することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のブレーキディスク。
【請求項６】
前記高融点金属は、平均粒径が７５μｍ以上１００μｍ以下の粒子が全粒子数の７０％以上８０％以下を占めるとともに、平均粒径が１０μｍ以上４５μｍ以下の粒子が残りを占めることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のブレーキディスク。
【請求項７】
前記マトリクス材が、ニッケル基合金からなることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のブレーキディスク。
【請求項８】
表面にブレーキパッドが押圧されることにより車軸の回転を制動するブレーキディスクの製造方法であって、
前記車軸と一体的に回転する回転体に取り付けられるディスク母材の表面に、前記ディスク母材より融点の高い高融点金属の粒子がマトリクス材中に分散してなる溶材を、粉体肉盛プラズマアーク溶接により複数層に渡って積層させる工程を含むことを特徴とするブレーキディスクの製造方法。
【請求項９】
前記溶材は、全体に占める前記高融点金属の重量比が略８０％であることを特徴とする請求項８に記載のブレーキディスクの製造方法。
【請求項１】
表面にブレーキパッドが押圧されることにより車軸の回転を制動するブレーキディスクであって、
前記車軸と一体的に回転する回転体に取り付けられるディスク母材と、
前記ディスク母材の表面に複数層に渡って積層され、前記ディスク母材より融点の高い高融点金属の粒子がマトリクス材中に分散してなる肉盛層と、
を備えることを特徴とするブレーキディスク。
【請求項２】
前記肉盛層が、粉体肉盛プラズマアーク溶接により前記ディスク母材の表面に積層されたことを特徴とする請求項１に記載のブレーキディスク。
【請求項３】
前記肉盛層が、前記ディスク母材の表面に２層以上に渡って積層されたことを特徴とする請求項１又は２に記載のブレーキディスク。
【請求項４】
前記高融点金属が、モリブデン、タングステン、ニオブ、タンタルのうちいずれか１種以上を含むことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のブレーキディスク。
【請求項５】
前記肉盛層は、５０％以上８０％以下の重量比で前記高融点金属を含有することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のブレーキディスク。
【請求項６】
前記高融点金属は、平均粒径が７５μｍ以上１００μｍ以下の粒子が全粒子数の７０％以上８０％以下を占めるとともに、平均粒径が１０μｍ以上４５μｍ以下の粒子が残りを占めることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のブレーキディスク。
【請求項７】
前記マトリクス材が、ニッケル基合金からなることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のブレーキディスク。
【請求項８】
表面にブレーキパッドが押圧されることにより車軸の回転を制動するブレーキディスクの製造方法であって、
前記車軸と一体的に回転する回転体に取り付けられるディスク母材の表面に、前記ディスク母材より融点の高い高融点金属の粒子がマトリクス材中に分散してなる溶材を、粉体肉盛プラズマアーク溶接により複数層に渡って積層させる工程を含むことを特徴とするブレーキディスクの製造方法。
【請求項９】
前記溶材は、全体に占める前記高融点金属の重量比が略８０％であることを特徴とする請求項８に記載のブレーキディスクの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−２３３５３０（Ｐ２０１２−２３３５３０Ａ）
【公開日】平成２４年１１月２９日（２０１２．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１０２０８９（Ｐ２０１１−１０２０８９）
【出願日】平成２３年４月２８日（２０１１．４．２８）
【出願人】（０００１７３７８４）公益財団法人鉄道総合技術研究所 (1,666)
【出願人】（０００００２１１８）住友金属工業株式会社 (2,544)
【出願人】（３９０００１８０１）大阪富士工業株式会社 (12)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月２９日（２０１２．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月２８日（２０１１．４．２８）
【出願人】（０００１７３７８４）公益財団法人鉄道総合技術研究所 (1,666)
【出願人】（０００００２１１８）住友金属工業株式会社 (2,544)
【出願人】（３９０００１８０１）大阪富士工業株式会社 (12)
【Ｆターム（参考）】
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