鉄系焼結摩擦材及びそれを用いた鉄道車両用制輪子並びにそれらの製造方法

【課題】環境保護を考慮して、鉄又は鉄合金を主成分とし、ＰＲＴＲ法指定化学物質を一切使用していない鉄系焼結摩擦部材、及びそれを使用した鉄道用制輪子、並びにそれらの製造方法を提供する。
【解決手段】鉄又は鉄合金を主成分とした焼結摩擦部材１０，１０は、摩擦特性に優れた材料粉末が焼結されてなる第１層１１と、接着特性に優れた材料粉末が焼結されてなる第２層１２と、補強特性に優れた材料粉末が焼結されてなる第３層１３とを含む。焼結摩擦部材１０の各層は、鉄又は鉄合金を主成分としており、ＰＲＴＲ法指定化学物質を一切使用していないので、環境保護の点で優れている。また、摩擦材が鉄系材料であり、且つ補強板となる第３層１３が鉄系材料であるので、銅と鉄のような異種の金属を接合する際に必要とされるメッキ処理を省略することができる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ＰＲＴＲ法で定められる規制化学物質の使用を抑えた、又は使用しない鉄系焼結摩擦部材及びそれを用いた鉄道車両用の焼結制輪子、並びにそれらの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、鉄道車両用制輪子においては、摩擦材として、主に銅系焼結摩擦部材が使用されている。銅系制輪子は、銅系焼結摩擦部材とそれを支持する鋼板の台金とで構成されている。しかし、銅系焼結部材と鋼板製の台金の接合は容易でないため、プレス成形した鋼板に予め銅メッキを施して製作した補強板に銅系焼結摩擦部材を加圧焼結で接着し、台金と補強板の鋼板部分を溶接で接合している。銅系焼結摩擦部材の補強板への加圧焼結するに際しても、強度や接着性向上のため銅系焼結部材の配合成分を基に銅を多く添加した中間層を使用している。
【０００３】
銅系焼結摩擦部材を使用した鉄道車両用制輪子の製造方法が、図８に示されている。先ず、（ａ）予備成形工程として、予備成形機５において、銅系焼結摩擦部材４０と中間層４１とが重ねた状態で予備成形される。次に、（ｂ）組付け工程として、一側に銅メッキ４３を施した補強板４２を用意し、（ａ）で製作された銅系焼結摩擦部材４０と中間層４１とから成る予備成形体４４に対して、その中間層４１側に、銅メッキ４３を施した側を合わせて補強板４２の組付けを行う。次に、（ｃ）加圧焼結工程においては、焼結炉８内に、（ｂ）で得られた組付け体４５を加圧しながら接着焼結を行い、銅系焼結摩擦部材４０を補強板４２に接着する。最後に、（ｄ）溶接工程として、（ｃ）で得られた二つの接着焼結体４６，４６の補強板４２，４２と台金１４との鋼板部分を溶接４７で接合することにより、製品としての制輪子が製造される。
【０００４】
上記の銅系焼結摩擦部材を使用した鉄道車両用制輪子の製造方法は、台金に銅系焼結摩擦部材を溶接するために、図９に示すように、銅系焼結摩擦部材４８と中間層４９とから成るものに対して、図１０に示すように、中間層４９の外側に、銅メッキ５１が施された補強板５０が設けられている。銅系焼結摩擦部材４８を補強板５０に接着焼結するために、銅メッキ５１が施された補強板５０が必要である。そのため、使用材料や製造工程が多くなり製造コストも高くなる。
【０００５】
銅粉を主成分とし焼結により形成されるブレーキ用摩擦部材であって、ディスクと対向する摺動部分側に、摩擦特性に優れた材料粉末を重点分散配合して形成する第１の層と、この第１の層に積層し反摺動部分側となり、強度特性に優れた材料粉末を重点分散配合して形成する第２の層とを具備し、第２の層を直接押圧することで第１の層がディスク面に摺接するブレーキ用摩擦部材及びその製造方法が提案されている（特許文献１）。第２の層の表層には、低熱伝導性を有し、かつ硬質な材料粉末を主成分とする第３の層を形成することが開示されている。また、ブレーキ用摩擦部材の製造方法として、主材の銅粉末に摩擦特性に優れた材料粉末を混合・攪拌して得られる原材料、主材の銅粉末に、焼結を促進させ、かつ焼結後の強度向上に寄与する材料粉末を混合・攪拌して得られる原材料、及び低熱伝導性を有し、かつ硬質な特性を有する材料粉末の原材料を単一の予備成形金型に順次投入し、加圧成形後、予備成形品を焼結して所定の銅系摩擦部材を得る方法が提案されている。このブレーキ用摩擦部材によれば、裏金を省略することにより製造の簡単化が図られる。
【０００６】
焼結合金製の摩擦材ブロックを合金に取付けてなる制輪子において、摩擦材ブロックと台金との間に弾性体層を介在させ、かつ摩擦材ブロックの台金側の基部の周縁を外側に張出した突出部を、一端部を台金にリベット接合した押え板で係止したことから成る焼結合金制輪子が提案されている（特許文献２）。摩擦材ブロックを台金に取付ける際に溶接しないので部材の熱による変形が全く無く、形状精度の良好な製品が得られている。
【０００７】
また、銅または銅合金をマトリックス成分とする銅基金属系の乾式摩擦材料と鋼のバックプレートを接着する乾式摩擦材料の接着方法として、乾式摩擦材料と鋼のバックプレートの間に接着強度を高めるため、摩擦材料本体より銅基金属の含有量の多い材料からなる中間層を設けることで、銅基金属系摩擦材料と鉄系バックプレートの接着強度向上を図ることが提案されている（特許文献３）。
【特許文献１】特開平１０−１７８５４号公報
【特許文献２】実用新案登録第２５２２００３号公報
【特許文献３】特開平９−２６３８０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、近年、環境保護の観点からＰＲＴＲ法が制定され、使用する材料も環境保護を考慮して用いることが要求されるようになってきた。そこで、環境保護を考慮して、鉄又は鉄合金を主成分とし、ＰＲＴＲ法で定められる指定化学物質を一切使用していない鉄系焼結摩擦部材、及びそれを使用した鉄道用制輪子、並びにそれらの製造方法を得る点で解決すべき課題がある。
【０００９】
この発明の目的は、銅系焼結摩擦部材に代わる鉄系焼結摩擦部材、及びそれを使用した鉄道用制輪子、並びにそれらの製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するため、この発明による焼結摩擦部材は、鉄又は鉄合金を主成分とした複数の層から成り、前記層は、相手材との摩擦係合に適合可能な第１層と、接着特性に優れた第２層と、補強特性に優れた第３層とがこの順に積層されていることから成っている。この焼結摩擦部材は、第１層〜第３層のどの層も鉄又は鉄合金を主成分としており、ＰＲＴＲ法で定められる指定化学物質を一切使用していないので、環境保護の点で優れている。また、摩擦部材が鉄系材料から成り且つ補強板も鉄系材料から成るので、銅と鉄のような異種の金属を接合する際に必要とされるメッキ処理を省略することができる。
【００１１】
この焼結摩擦部材において、前記第２層に含まれる前記鉄又は鉄合金の融点は前記第３層に含まれる前記鉄又は鉄合金の融点よりも低くすることができる。第２層に使用する鉄系材料を還元鉄材よりも融点が低い鋳鉄粉にすることで、接着性を向上させることができる。また、前記第１層には、還元鉄、アルミニウム、アルミナ、マグネシア及び黒鉛を含むことができ、第２層には、鋳鉄、アルミニウム、アルミナ、マグネシア及び黒鉛を含むことができ、第３層は還元鉄から形成することができる。
【００１２】
また、この発明による鉄系焼結制輪子は、上記の焼結摩擦部材と台金をプロジェクション溶接によって固定されて成っている。銅系焼結摩擦部材に代えて鉄系焼結摩擦部材を用いることで、鉄道車両用制輪子は、重量に関しては軽量化することが可能である。
【００１３】
また、この発明による焼結摩擦部材の製造方法は、鉄又は鉄合金を主成分とした材料で複数の層を形成して成り、前記層は、相手材と摩擦係合可能な摩擦材を構成する材料を混合・攪拌して得られる第１原材料層と、接着特性に優れた材料を混合・攪拌して得られる第２原材料層と、補強特性に優れた材料を混合・攪拌して得られる第３原材料層とを単一の成形金型に当該層順に重ねた状態で予備成形し、当該予備成形体を加圧焼結して所定の焼結摩擦部材としたことから成っている。この焼結摩擦部材によれば、第１層と第２層と第３層（銅系焼結材の場合の補強板に相当）を一度の予備成形と加圧焼結により同時に作製が可能であり、製造工程を短縮することができ、製造コストを低減することができる。
【００１４】
上記の焼結摩擦部材の製造方法において、前記加圧焼結は、放電プラズマ焼結、ホットプレスによって行われ、焼結後の相対密度を８０％以上とすることができる。焼結後の相対密度（焼結体密度／真密度の百分率）が８０％以上であるので、鉄系材料間の焼結力が強く、強度、耐摩耗性に優れた焼結摩擦部材が製造可能である。
【００１５】
また、この発明による鉄系焼結制輪子の製造方法は、上記の製造方法で得られた前記焼結摩擦部材を、プロジェクション溶接で台金に固定することから成っている。溶接の方法として従来、アーク溶接があるが、本発明ではプロジェクション溶接を用いることにより、溶接に要する時間の短縮が可能である。
【発明の効果】
【００１６】
この発明による焼結摩擦部材は、上記のように相手材との摩擦係合に適合可能な摩擦層を始めとして各層を成形する材料として鉄系焼結材料を用いている。したがって、従来の銅系焼結摩擦部材は摩擦材と中間層で予備成形を行い銅メッキした補強板を加圧焼結で接着しているのに対して、本発明では第１層、第２層及び第３層となる鉄粉が同時に予備成形され、しかも一度の加圧焼結で台金に溶接するための補強層が付与された焼結摩擦部材（傾斜焼結部材）が得られる。その結果、補強板・メッキ処理の省略により製造工程の簡略化ができ、焼結摩擦部材の製造コストを大幅に低減することができる。また、焼結摩擦部材の主成分を銅粉（比重：８．９６ｇ／ｃｍ３）から鉄粉（比重：７．８７ｇ／ｃｍ３）にすることで、焼結摩擦部材の軽量化が可能となり、鉄道車両用制輪子に適用した場合、車両の軽量化に繋がる。
【００１７】
また、制輪子を製造する際には、台金に焼結摩擦部材を溶接して構成されるが、従来の銅系焼結摩擦部材は図８に示されているように台金１４に溶接する補強板４２に摩擦材を接着焼結（Ｃ）させる際、接着性を高める目的で補強板４２の焼結摩擦部材側に銅メッキ処理を行う必要がある。しかし、この発明である鉄系焼結制輪子では、摩擦材を鉄系焼結摩擦部材にすることで、補強層は同じ鉄系材料であるため、高接着性目的のための銅メッキ処理を行う必要がない。また、焼結摩擦部材の台金への溶接をプロジェクション溶接によって行うことができるので、溶接時間の短縮化が可能になり、製造コストの一層の低減に寄与することができる。
【００１８】
また、第２層に使用する鉄系材料を、純鉄に近い融点である還元鉄粉に代えて炭素含有量が多く融点が純鉄よりも約２００℃低い鋳鉄粉にすることにより、焼結材と補強板の密着性が向上する。
【００１９】
本発明品である鉄系焼結摩擦部材、及びそれを用いた制輪子は、主成分が鉄系材料であり、他の配合材としては、鉄の同種摩擦を防ぐためのアルミニウム、研削材等のセラミックス、潤滑材の黒鉛、基地組織をフェライトにするためのアルミニウム及び／又は珪素及び／又はチタンが使用されており、ＰＲＴＲ法の指定化学物質を全く使用していないので、環境保護の点で好ましい。
【００２０】
鉄系焼結摩擦部材の台金への溶接には放電プラズマ焼結やホットプレス等の加圧焼結法が用いられ、焼結温度と圧力とが調整されるので、焼結後の相対密度（焼結体密度／真密度の百分率）が８０％以上で鉄系材料間の結合力が強く、強度、耐摩耗性に優れている制輪子用焼結材を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、添付した図面に基づいて、この発明による鉄系焼結摩擦部材及びそれを用いた鉄道車両用制輪子並びにそれらの製造方法の実施例を説明する。図１は、この発明による鉄系焼結摩擦部材及びそれを用いた鉄道車両用制輪子の製造方法の一例を示す工程図である。図２は、この発明による鉄系焼結摩擦部材を製造する際に成形される予備成形体の概要を示す説明図である。図３は、図２に示された鉄系焼結摩擦部材を台金に組み付けて製造された鉄道車両用制輪子の側面図であり、図４は図３に示す鉄道車両用制輪子の平面図である。
【００２２】
鉄系焼結摩擦部材の製造に先立って、原材料として平均粒径約１６０μｍの還元鉄粉末と、平均粒径約８５μｍの鋳鉄粉末（ＦＣ２５０を粉砕、篩別した粉末）と、平均粒径約２０μｍのアルミニウム粉末と、平均粒径約１９０μｍのマグネシア粉末と、平均粒径約１２μｍと平均粒径約１μｍの２種類のアルミナ粉末と、平均粒径約１７０μｍの天然黒鉛粉末と、平均粒径約２４０μｍの人造黒鉛とが用意される。
【００２３】
次に、上記の各原材料を秤量後に、相手材との摩擦係合に適合可能な摩擦層と成る材料粉末を混合・攪拌して得られる第１原材料層１と、及び鉄系焼結摩擦部材と鋳鉄粉を配合した中間層として、接着特性に優れた材料粉末を混合・攪拌して得られる第２原材料層２と、補強特性に優れた材料粉末を混合・攪拌して得られる第３原材料層としての補強層４ａとが重ねられて、図１の予備成形工程（ａ）に示す予備成形機５の成形金型６内において、予備成形体７に成形される。これらの各原料層は、別々に攪拌らい潰機（石川工場製）を用いて、混合時の偏析を防ぐため混合物に４％メタノールを添加して各々混合することにより混合粉末として作製され、単一の成形金型６内に重ねた状態で予備形成される。
【００２４】
第１層〜第３層の各層は、好ましくは、以下の材料をそれぞれの体積割合で混合・攪拌して得られている。即ち、第１層には、焼結して得られた摩擦層が相手材との間で優れた摩擦係合特性を示すために、平均粒径約１６０μｍの還元鉄を３３ｖｏｌ％、平均粒径約２０μｍのアルミニウムを３ｖｏｌ％、平均粒径約１９０μｍのマグネシアを３ｖｏｌ％、平均粒径１２μｍのアルミナを７ｖｏｌ％、平均粒径１μｍのアルミナを１１ｖｏｌ％、平均粒径１７０μｍの天然黒鉛を９ｖｏｌ％、平均粒径２４０μｍの人造黒鉛を３４ｖｏｌ％使用している。また、第２層には、平均粒径約８５μｍの鋳鉄を６０ｖｏｌ％、平均粒径約２０μｍのアルミニウムを２ｖｏｌ％、平均粒径約１９０μｍのマグネシアを２ｖｏｌ％、平均粒径１２μｍのアルミナを４ｖｏｌ％、平均粒径１μｍのアルミナを７ｖｏｌ％、平均粒径１７０μｍの天然黒鉛を５ｖｏｌ％、平均粒径２４０μｍの人造黒鉛を２０ｖｏｌ％使用している。更に、第３層には、平均粒径約１６０μｍの還元鉄を１００ｖｏｌ％使用している。
【００２５】
上記のようにして成形された予備成形体７は、図１に示す加圧焼結工程（ｂ）において、焼結炉８内で加圧焼結が施されて所定の焼結摩擦部材１０に成形される。焼結摩擦部材１０によれば、図２に示すように、第１原材料層１が焼結され、相手材と摩擦係合可能な摩擦材層と成る第１層１１と、第２原材料層２を構成していた接着特性に優れた材料粉末が焼結されて成る第２層１２と、第３原材料層４ａを構成していた補強特性に優れた材料粉末が焼結されて成る第３層１３とが、互いの隣り合う側で焼結により一体化されて成形される。第１層１１が摩擦係合する相手材としては、制輪子の場合には、ブレーキディスクや鉄道車輪の踏面となるが、一般のブレーキの場合には、ブレーキドラムやディスクロータ等であってもよい。
【００２６】
予備成形体７は、放電プラズマ焼結装置（住友石炭鉱業製、型式ＳＰＳ−３．２０ＭＫ−ＩＶ）を用い、圧力１４ＭＰａ、昇温速度１００℃／ｍｉｎ、焼結温度１０５０℃の条件で焼結を行うことで焼結晶が得られる。焼結摩擦部材１０は、鉄又は鉄合金を主成分としており、ＰＲＴＲ法指定化学物質を一切使用していないので、環境保護の点で優れている。また、摩擦材から成る第１層１１が鉄系材料であり、且つ補強板と成っている第３層１３は鉄系材料であるので、銅と鉄のような異種の金属を接合する際に必要とされるメッキ処理が不要であり、焼結によって一体化された焼結摩擦部材１０が得られる。
【００２７】
図１の溶接工程（ｃ）に示すように、加圧焼結をして形成された二つの焼結摩擦部材１０，１０は、車輪の踏面に摩擦係合するように並べられて、台金１４と溶接されて鉄系の鉄道車両用制輪子２０として組付けられる。焼結摩擦部材１０，１０と台金１４との溶接は、アーク溶接１５で行われる。摩擦材である第１層１１と中間層である第２層１２と補強層（銅系焼結材の場合の補強板に相当）である第３層１３とを一度の予備成形と加圧焼結により連続して作製が可能であり、製造工程を短縮し、製造コストを低減することができる。溶接が完了した鉄道車両用制輪子２０が、図３及び図４に示されている。
【００２８】
図１の焼結摩擦部材１０，１０と台金１４との溶接をアーク溶接１５に代えてプロジェクション溶接を用いることにより、溶接時間の短縮化を実現でき、製造コストの一層の低減に寄与することができる。プロジェクション溶接で溶接された鉄道車両用制輪子３０の一例が図５〜図７に示されている。図５に示すように、焼結摩擦部材１０ａにおいて、補強板となっている第３層１３の表面には、径φが８ｍｍ、高さＨが２ｍｍの突起１６が複数個形成されている。図６及び図７に示すように、第３層１３の突起１６が形成されている表面側に台金１４が押し当てられて、台金１４と突起１６とがプロジェクション溶接１７されて、台金１４が固定される。溶接条件は、電流が６０Ａ、圧力４トン、面積約４００ｍｍ２である。
【００２９】
図２の第２層１２に使用する鉄系材料を純鉄に近い融点である還元鉄粉から炭素含有量が多く融点が純鉄よりも約２００℃低い鋳鉄粉にする場合には、焼結材と補強板となる第３層１３の密着性が向上する。表１に焼結材と補強板（第３層１３）の剪断強度の比較を示す。
【表１】

表１の記載から、本発明である鉄系焼結摩擦部材は、従来の銅系焼結摩擦部材と比較して、剪断強度が向上していることが判る。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】この発明による鉄系焼結摩擦部材及びそれを用いた鉄系制輪子の製造方法の一例を示す工程図である。
【図２】この発明による鉄系焼結摩擦部材を製造する際に成形される予備成形体の概要を示す説明図である。
【図３】図２に示された鉄系焼結摩擦部材を台金に組み付けて製造された鉄道車両用制輪子の側面図である。
【図４】図３に示す鉄道車両用制輪子の平面図である。
【図５】この発明による鉄系焼結摩擦部材の別の例を示す斜視図である。
【図６】図５に示す鉄系焼結摩擦部材を用いた鉄道車両用制輪子の側面図である。
【図７】図６に示す鉄道車両用制輪子の平面図である。
【図８】銅系制輪子の製造方法の概略を示す工程図である。
【図９】従来の銅系焼結摩擦部材の一例を示す側面図である。
【図１０】従来の銅系焼結摩擦部材の一例を示す側面図である。
【符号の説明】
【００３１】
１第１原材料層２第２原材料層
４ａ第３原材料層
５予備成形機６成形金型
７予備成形体８焼結炉
１０，１０ａ焼結摩擦部材１１第１層
１２第２層１３第３層
１４台金１５アーク溶接
１６突起１７プロジェクション溶接
２０，３０鉄道車両用制輪子

【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄又は鉄合金を主成分とした複数の層から成る焼結摩擦部材において、
相手材との摩擦係合に適合可能な第１層と、接着特性に優れた第２層と、補強特性に優れた第３層とがこの順に積層されていることから成る焼結摩擦部材。
【請求項２】
前記第２層に含まれる前記鉄又は鉄合金は、前記第３層に含まれる前記鉄又は鉄合金の融点よりも低い融点を持つ鉄又は鉄合金を含むことから成る請求項１の焼結摩擦部材。
【請求項３】
前記第１層は、還元鉄、アルミニウム、アルミナ、マグネシア及び黒鉛を含むことから成る請求項１又は２に記載の焼結摩擦部材。
【請求項４】
前記第２層は、鋳鉄、アルミニウム、アルミナ、マグネシア及び黒鉛を含むことから成る請求項１又は２に記載の焼結摩擦部材。
【請求項５】
前記第３層は、還元鉄から成る請求項１又は２に記載の焼結摩擦部材。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の前記焼結摩擦部材が台金にプロジェクション溶接によって固定されて成る焼結制輪子。
【請求項７】
鉄又は鉄合金を主成分とした材料で複数の層を形成して成り、前記層は、相手材と摩擦係合可能な摩擦材を構成する材料を混合・攪拌して得られる第１原材料層と、接着特性に優れた材料を混合・攪拌して得られる第２原材料層と、補強特性に優れた材料を混合・攪拌して得られる第３原材料層とを単一の成形金型に当該層順に重ねた状態で予備成形し、当該予備成形体を加圧焼結して所定の焼結摩擦部材としたことから成る焼結摩擦部材の製造方法。
【請求項８】
前記加圧焼結は、放電プラズマ焼結又はホットプレスにより行われ、焼結後の相対密度が８０％以上であることから成る請求項７に記載の焼結摩擦部材の製造方法。
【請求項９】
請求項７又は８で得られた前記焼結摩擦部材をプロジェクション溶接により台金に固定することから成る焼結制輪子の製造方法。

【図１】