JP2001504165A - 主として摩擦物体用の高い比率で金属間相を有する複合材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 加速装置又は減速装置、特に道路又は鉄道車両のブレーキ又はクラッチシステムにおける摩擦物体用金属鋳造工材は、鉄−アルミニウム−炭素の三元素群から工材が主として秩序だった結晶格子を有する金属間相中に存在し、その内部に、遊離炭素が層状、球状又は虫様の形で存在しているように製造される。合金アルミニウム含量は、２０〜２８重量％、有利に２４重量％である。工材の溶融及び鋳込みは大気中で行うことができる。相応する摩擦物体として、塊状又は内部通気されたブレーキディスクを記載してある。該摩擦物体は、従来公知の鉄工材よりも軽く、耐食性、耐磨耗性及び交互曲げ強度に少なくとも等しく、良好に加工できる。

Description

【発明の詳細な説明】 主として摩擦物体用の高い比率で 金属間相を有する複合材料 説明： 本発明の課題は、耐熱性、ヒートクラックの僅かな危険性、音響減衰及び配量 された注油のような従来の鋳工材の公知の利点を有し、低密度、少ない腐食の危 険性及びより高い硬度の場合に、公知技術水準により製造される工材よりも良好 に加工可能な摩擦物体用の鉄工材を製造することである。前記工材が有していな ければならない性質及び該工材の製造のために必要とされる手段は、請求項の特 徴部から明らかである。 本発明による種類の工材は、殊に陸上又は鉄道の交通システムの場合のブレー キディスク、ブレーキドラム又はクラッチ板への使用に適するものであるが、し かし、加速又は減速のために、２個の物体の間での動力伝達が必要となり、これ らのうちの少なくとも一方の物体から他方の物体に対し並進又は回転運動を行う 場所では一般にどこでも使用可能である。２つの摩擦面の間の摩擦係数は、構造 に応じて一定であるか又は変動する。 陸上又は鉄道の交通システム用のブレーキの場合、ドラムブレーキ、多板ブレ ーキ又はディスクブレーキ が使用されている。ディスクブレーキに使用されているディスクは、熱負荷に応 じて塊状又は内部通気されている。該ディスクの製造には、主としてＤＩＮ１５ ４３７により、ねずみ鋳鉄（例えばＧＧ２５）又は球状グラファイト（例えばＧ ＧＧ４０、ＧＧＧ５０又はＧＧＧ６０）、鋳鋼ＧＳ６０、構造用鋼Ｓｔ５２−３ 、まれにはまた調質鋼Ｃ４５又は４２ＣｒＭｏ４も使用される。ねずみ鋳鋼（Ｇ Ｇ２５）の使用が特に有利であると判明した。この場合に存在するグラファイト の圧延形は、望ましい高い熱伝導性を生じる。グラファイトの形成に必要とされ る遊離炭素は、銑鉄と珪素との合金により得られる。珪素は、鉄の熱伝導性を再 度小さくしてしまうので、珪素の含量をできるだけ少なくしようと努められてい る。その他の点では、非合金の高炭素鋳鉄工材が特に有利であることが判明した 。ヒートクラックによるブレーキディスクの損壊及びひずみによる大きさの変化 は、非合金鋳鉄の場合に、低合金又は鋳鋼の場合よりも少ない。損耗は、硬度が 低いにもかかわらず、僅かなものであり、ブレーキディスクは、振動及び摩擦の 傾向が少ない。例えばＧＧ２５から派生したＧＧ１５ＨＣの熱伝導性は、５０Ｗ ／ｍＫよりも小さい。これらの安価な工材は、付加的に切削性が良好である。 工材ＧＧ２０がブレーキディスクに使用されることも多い。以下の表１は、こ れらの化学組成を示してい る。元素 Ｆｅ Ｃ Ｓｉ Ｍｎ Ｐ Ｓ Ｃｕ 重量％ 残り 3.6 2.0 0.7 0.01 0.1 0.3 強度を増大させ、かつ真珠岩を安定させるために、僅少量のＭｏ、Ｃｒ及びＮ ｉを合金することもできる。ＧＧ２０は、ＤＩＮ１６９０によれば、使用のため に望ましい少なくとも１５０Ｎ／ｑｍｍの引張強度を上回る２００〜３００Ｎ／ ｑｍｍの引張強度を有している。工材のブリネル硬度は、１８０〜２２０ＨＢで ある。 しかし、これまでに公知の全ての摩擦物体用のねずみ鋳鋼工材の場合、小さす ぎる伸び率が不利である。従って、多くの使用のためには、殊に摩擦而上での昇 温が不均一である場合、即ち、いわゆるホットスポットが生じる場合には、ねず み鋳鋼と球状グラファイトもしくは鋳鋼又はまれな場合には調質鋼からなる合金 が使用される。しかしながらこれにより、工材が相対的に腐食感受性が高いとい った別の欠点を改善すると言うことはできない。最終的には、前記の工材から製 造された摩擦物体の高い密度、殊に貨物用トラック又は鉄道車両のような大型物 体の制動時に顕著な、急速な磨耗及び高価な合金元素のための費用が付加的な欠 点であると記載されねばならない。 今日のＦｅベースの摩擦物体工材の性質改善には、多くの手段が続けられるこ ともある。腐食性質を改善 するためには、合金元素が問題となる。勿論、高価な合金元素は、材料費を高す ぎるものにしてしまう。重量節減は、第一により計量の合金を用いて達成するこ とができる。アルミニウムをベースとして使用する場合には、確かに腐食性は改 善されるが、しかし摩擦特性は急激に悪化し、使用温度も制限されてしまう。 マトリクスが、フェライト又はパーライト又はマルテンサイトであることが多 いＦｅーＣをベースとする混合結晶体からなるので、全ての前記の欠点は、本質 的には工材の構造の結果である。前記混合結晶体にとっては、金属原子のランダ ムな配置が特徴的である。該金属原子間のほぼ全ての金属結合形式が存在してい る。これに対して、良好な選択肢としては、金属間化合物との合金が考えられる 。金属間化合物は、高い割合でイオン結合又は共有結合を有する秩序だった結晶 格子を有している。これらは、金属原子からなるにすぎないにもかかわらず、セ ラミック酸化物、セラミック炭化物又はセラミック窒化物の性質を有しており、 高い融点及び極めて良好な耐食性によって顕著である。従って、金属間化合物の 使用によって、摩擦物体の性質を本質的に改善できるということも考えられる。 この場合就中、望ましい重量節減のために、鉄及びアルミニウムをベースとする 金属間化合物が該当する。 しかしながら、鉄／アルミニウム化合物と比べて、一般に製造するのが今案で あり、脆弱で、かつ加工す るのが困難であると見なされていたので、著しい留保条件が存在していた。これ については今日の公知技術 報告書No.1105/1（１９６８年第９版中に見られる）を指摘しておく。低アルミ ニウム含量（Ａｌ４〜７％）を有するアルミニウム合金した鋳鉄は、衝撃曲げ強 度が低く及び加工可能性が僅かであると評価され、Ａｌ２２〜３０％の高アルミ ニウム含量を有するものは同様に衝撃曲げ強度が低く、それ以上に加工可能性が 劣っていると評価されている。使用例としては、炉用、硫黄蒸留装置用及び硫化 ナトリウムの製造装置用の部材、るつぼ、熱板及び抵抗パッケージについて言及 しているが、しかし、機械的に負荷された構造部材についてはなにも言及してい ない。刊行物の複数の箇所には、良好な耐酸化性を生じるが、しかし、欠点は、 製造するのが困難であること、しばしば劣った加工可能性及び脆弱性であること と指摘している。 しかしながらこれとは異なり、本発明の基礎となる試験の場合には、理論的推 測の結果に応じて、前記の欠点が入り込まないことを示している。著しく高い耐 食性が観察された。衝撃曲げ強度は、少なくとも従来の工材に匹敵するものであ ったが、加工可能性はむしろ改善していた。 提起された課題を解決することになる所望の物質の性質にとっては、できるだ け均一かつ微細に形成され た層状に形成された炭素の存在が重要である。鉄−炭素−冶金におけるこのため の通常の方法は、鉄−アルミニウム系では適用できない。殊に、より大きな規模 での珪素の添加は、珪素が金属間相の結晶格子中で、アルミニウムを配置してお かなければならない位置を占めるので望ましくない。従って、鉄とアルミニウム との混合比の変動によって、例えば炭素分離に影響を及ぼすことができるかどう かを、意図的に試験した。図１及び図２中に記載されている二元系及び三元系の Ｆｅ−ＡｌもしくはＦｅ−Ａｌ−Ｃの金属格子構造のを観察することにより相応 する考察につながった。図中では、鉄原子の格子位置は黒色であり、アルミニウ ム原子の格子位置は白抜きの円として記載してある。図２中の斜線の入った円は 炭素の位置を示している。 実施した試験により、物質構造の以下の本質的な変化が判明した：４重量％ま でのアルミニウムの合金含量の場合、得られた物質は、炭素分離に関連して、ほ ぼ鋳鉄と同様に挙動し、即ち、微細層状グラファイトを得るために珪素の意図さ れた添加を必要としている。アルミニウム含量が増大するにつれて、結晶格子の 空間中心部で炭素とともに而心立方化しているペロブスキー結晶としての炭化物 が形成されている。これについては、図２を参照のこと。約１７重量％のアルミ ニウム含量から、結晶構造は、アルミニウムによって極めて緊密に充填されるの で、炭素の貯蔵量が著しく 減少し、また、これにより炭化物含量が減少し、かつ遊離炭素が分離する。珪素 の適量の存在の場合には（１重量％まで）、層状の炭素が形成される。最終的に 約２４重量％のアルミニウム含量で、所望の目的に最適な構造が生じるが、この 構造の中で、八面体ギャッ 挿入された炭素原子が分離する。図３は、得られた構造を示すものであるが、そ の中で、白色の領域は、図１によるＦｅＡｌからなるものであり、図２からの元 素状の炭素（黒色）と区別されている。こうして得られた物質を、以下ＦＥＬＡ ＭＣＡＬと呼称するが、これは、熱伝導性、注油性、ヒートクラックからの解法 、室温での延性、切削可能性及び耐腐食性並びにより軽い重量の点で全ての望ま しい利点を有している。鉄−アルミニウム合金の熱伝導性及びその硬度推移につ いては、確認値を図４及び図５中に記載してある。図４は、アルミニウム含量の 関数としての熱伝導性を示すものであり、図５は、硬度推移を示すものである。 詳説した物質の品質を基礎づける冶金学的関連事項をより詳細に説明するため に、付加的に図６（鉄−アルミニウムの二元系の図）を提示しておく。アルミニ ウム２４重量％ないし４０Ａｔ％での垂直線Ａ−Ａは、ＦＥＬＡＭＣＡＬの発生 領域を示している。 ＦＥＬＡＭＣＡＬからの摩擦物体の製造法は、アルミニウム２４重量％を有す る合金について以下に例示 的に記載してある： 溶融液の鉄分は、銑鉄、低合金鋼屑又はねずみ鋳鉄からなる返り材又は球状グ ラファイトを有するねずみ鋳鉄から溶融されている。溶融は、キュポラ又は大気 中にさらされた電気炉中で行われる。出発材料の選択の場合、０．５％を下回る 少ない銅含量に注意しなければならない。溶融液のアルミニウム含量は、純アル ミニウム地金又はアルミニウム屑から得られるが、この場合、最大１％の僅かな 珪素含量に注意しなければならない。合金は酸性ライニングした炉中で、液状鋳 鉄中への固体アルミニウムの添加によって行われる。これによって、望ましくな い酸素吸収が効果的に回避される。合金形成の間に、発熱反応が生じる。 溶融液は、１６００℃にまで加熱され、鋳込みの前に、約１５４０℃の温度を 有しており、かつスラグの下から鋳造する。均一の流れを生じ、かつ通常の製造 法により仕上げられた砂型を完全に充填する。冷却は、同様に従来の方法で、特 別な手段、例えば冷却速度の減速又は加速等を用いずに行われる。また、完全な 空気の排除は、不要である。その結果、この方法は、僅かな付加的な手段のみを 用いて従来の鋳造の場合に使用することができる。 別の金属間化合物に関して更に追求した考察は、より有用な結果に至らなかっ た。確かに理論的には、鉄−銅もしくは鉄−ニッケルをベースとする金属間化合 物を製造することを考えることができる。しかしながら、これらは、就中、その 方法の欠点（毒物による作業員への危険）もしくは高い経費のために、更に考察 することから除外されている。また、これらを用いた場合、望ましい重量削減は 達成されなかったであろう。 過剰量の炭素が合金中に分離する形の影響に対する相応する公知の冶金学的方 法の適用の場合（例えばマグネシウムの合金）、球状（球状グラファイト鋳鉄） 又は虫様炭素を有する鉄−アルミニウム−炭素系の金属間化合物を製造すること も考えられる。この種の製造された物体の使用分野は、例えばエンジンケーシン グ、タービン及び化学装置用の機械部材である。 更に、ＦＥＬＡＭＣＡＬは、例えば鋳鉄工材のように、磨耗強度を更に改善す るかもしくは冷間摩擦値を調節するために意図的に炭化物又は酸化物を添加する のに適していることが判明した。公知のように、このためには、炭化物形成物質 、例えばモリブデン、クロム、ハフニウム、チタン又はタンタルもしくはエルビ ウム又はジルコンの酸化物が、それぞれ５重量％を下回る割合で合金される。 上記の方法により得られた溶融液は、有利に摩擦物体仕上げのために使用され ているような従来の高炭化鋳鉄よりも高い粘度を有している。従って、鋳型中に より大きな切断面が必要とされている。鋳型の上流部 からのそれぞれの摩擦物体への中央の鋳込みが特に有利であることが判明した。 ＦＡＬＭＡＣＡＬを、前記のように、有利に公知の摩擦工材の改善された代用 品として詳説した。これは、この種の製品にこの物質の使用を制限するものでは ないことは明らかである。これは、容易に加工可能な鋳造工材として重要な付加 的な設備又は処理工程を用いずに製造でき、かつ有利な製造コストを示すので、 前記の性質が重要であるところであればどこでも適用できる。 ＦＥＬＡＭＣＡＬのための製造法としては、勿論別のプロセス、例えば固形で 存在する出発金属の共同溶融又は鋳造専門家にとって従来の公知の他の方法を選 択することもできる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マンフレート ハインリッツ ドイツ連邦共和国 アーレン シェリング シュトラーセ 98／１

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 陸上又は鉄道車両の殊にブレーキシステム又はクラッチシステムにおける 加速装置又は減速装置中での動力伝達のための摩擦物体用の金属性鋳造工材にお いて、該鋳造工材が、鉄−アルミニウム−炭素の三元素群の合金であることを特 徴とする、金属性鋳造工材。 ２． 合金が主として秩序だった結晶格子構造を有する金属間相中に存在し、該 金属間相中に遊離炭素が層状の形で存在している、請求項１に記載の金属性鋳造 工材。 ３． 工材が、鉄とともに、アルミニウム２０〜２８重量％、有利に２４重量％ 、珪素１重量％まで及び炭素３重量％までを有している、請求項２に記載の金属 性鋳造工材。 ４． 遊離炭素が球形で存在している、請求項２に記載の金属性鋳造工材。 ５． 遊離炭素が虫様の形で存在している、請求項２に記載の金属性鋳造工材。 ６． 工材に、炭化物形成元素、例えばモリブデン、クロム、ハフニウム、チタ ン又はタンタルを、５重量％を下回る割合で合金する、請求項１から５までのい ずれか１項に記載の金属性鋳造工材。 ７． 工材に、酸化物形成元素、例えばエルビウム、 ジルコンを、５重量％を下回る割合で合金する、請求項１から５までのいずれか １項に記載の金属性鋳造工材。 ８． 陸上又は鉄道車両の殊にブレーキシステム又はクラッチシステムにおける 加速装置又は減速装置中での動力伝達のための、金属性鋳造工材からなる摩擦物 体において、該鋳造工材が、請求項１から７までのいずれか１項に記載の合金で あることを特徴とする、摩擦物体。 ９． 溶射、ローラー、摩擦溶接又は比較可能な方法で摩擦層を施与してある、 陸上又は鉄道車両の殊にブレーキシステム又はクラッチシステムにおける加速装 置又は減速装置中での動力伝達のための、金属性又はセラミック性の基体からな る摩擦物体において、該摩擦層が、請求項１から７までのいずれか１項に記載の 金属性鋳造工材であることを特徴とする、摩擦物体。 １０．陸上又は鉄道車両の殊にブレーキシステム又はクラッチシステムにおける 加速装置又は減速装置中での動力伝達のための摩擦物体のための請求項１に記載 の金属性鋳造工材の製造法において、固体アルミニウムを液状の鉄に添加するこ とを特徴とする、請求項１に記載の金属性鋳造工材の製造法。 １１．工材の溶錬及び鋳込みをしばしば空気中で行う請求項１０に記載の方法。 １２．工材の溶錬を酸性ライニングした炉中で行う、請求項１０に記載の方法。 １３．摩擦物体がブレーキディスクである、請求項８又は９に記載の摩擦物体。 １４．ブレーキディスクが内部通気されている、請求項１３に記載のブレーキデ ィスク。 １５．摩擦物体がブレーキドラムである、請求項８又は９に記載の摩擦物体。 １６．請求項１から１５までのいずれか１項に記載の摩擦物体、有利にブレーキ ディスク又はブレーキドラムの製造法において、個々の摩擦物体の鋳型が、上流 からの注入によって中央で充填されている、請求項１から１５までのいずれか１ 項に記載の摩擦物体、有利にブレーキディスク又はブレーキドラムの製造法。