JP6022626B2 - Vehicle control device, friction material, and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、新規摩擦材料及びそれを用いた車両用制輪子、並びにこれらの製造方法に関する。 The present invention relates to a novel friction material, a vehicle brake using the friction material, and a manufacturing method thereof .
鉄道車両のブレーキ方式は、ディスク方式と踏面方式（制輪子）があり、一部の高速車両を除いた在来線には踏面方式が採用されている。この踏面方式に用いられる制輪子には、合金鋳鉄や、合成（フェノール樹脂系）や、焼結金属などの他、合金鋳鉄にセラミックスブロックを鋳込んだ制輪子（特許文献１）が挙げられる。鋳鉄制輪子は、車輪踏面を適度にあらすことにより、車輪／レール間の粘着力が安定して得られる。したがって、雨や雪の影響を受けにくく、更に、車輪への攻撃性（温度上昇や摩耗性）が低いことから、北海道などの雪の多い寒冷地で使用される。 There are two types of brake systems for railway vehicles: the disc method and the tread method (controls), and the tread method is adopted for conventional lines except for some high-speed vehicles. Examples of the brake used in the tread method include alloy cast iron, synthetic (phenolic resin), sintered metal, and the like (Patent Document 1) in which a ceramic block is cast into alloy cast iron. The cast iron control device can stably obtain the adhesive force between the wheels / rails by appropriately expressing the wheel tread. Therefore, it is not easily affected by rain and snow, and further has a low aggressiveness to wheels (temperature rise and wear), so it is used in cold regions with a lot of snow such as Hokkaido.
これまで、鋳鉄制輪子は、普通鋳鉄にリン、クロム、モリブデン、ニッケルなどの合金元素を添加することによって、摩擦特性及び耐摩耗性を改善した合金鋳鉄制輪子が開発され、高速化に対応してきた。合金鋳鉄制輪子の摩擦係数向上には、車輪との摩擦界面における炭化ケイ素セラミックスの介在が効果的であることが明らかにされている（文献１〜３、非特許文献１）。例えば、セラミックス粒子をあらかじめブロック状に成形して、鋳鉄制輪子に埋め込むことで、セラミックスブロックが、ブレーキ作動時に、セラミックス粒子を摩擦面に供給する働きをする、車両ブレーキ用制輪子が提案されている（特許文献１）。また、量産における歩留まり向上や、亀裂による欠け落ちの防止を目的として、セラミックス多孔質ブロックを使用することが提案されている（特許文献２〜３、非特許文献１、２）。 Up to now, cast iron brakes have been developed to improve friction characteristics and wear resistance by adding alloying elements such as phosphorus, chromium, molybdenum, and nickel to ordinary cast iron, and have responded to higher speeds. It was. It has been clarified that the intervention of silicon carbide ceramics at the frictional interface with the wheel is effective in improving the friction coefficient of the alloy cast iron brake (References 1 to 3, Non-Patent Reference 1). For example, a brake element for vehicle brakes has been proposed in which ceramic particles are molded into a block shape in advance and embedded in a cast iron brake, so that the ceramic block functions to supply ceramic particles to the friction surface during braking. (Patent Document 1). In addition, it has been proposed to use a ceramic porous block for the purpose of improving the yield in mass production and preventing chipping due to cracks (Patent Documents 2 to 3, Non-Patent Documents 1 and 2).
従来の鋳鉄制輪子に用いられる制動ブロックとしては炭化ケイ素セラミックスが用いられてきたが、当該セラミックスを用いた場合、高い摩擦特性が得られるものの、車輪への攻撃性（摩耗、熱負荷）が高くなるという問題があった。
本発明は、上記の問題を解決するために、摩擦特性が高く、更に、車輪への攻撃性の低い制動ブロック及び車両用制輪子を提供することを目的とする。
Silicon carbide ceramics have been used as brake blocks used in conventional cast iron brakes. However, when such ceramics are used, high frictional properties can be obtained, but aggressiveness to wheels (wear, thermal load) is high. There was a problem of becoming.
In order to solve the above-described problems, an object of the present invention is to provide a braking block and a vehicle brake member that have high friction characteristics and are less aggressive to wheels.
また、本発明の他の目的は、摩擦特性に優れた摩擦材料を提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a friction material having excellent friction characteristics.
本発明（１）は、制動摩擦面を有する鋳鉄製の制輪子本体と、
前記制輪子本体に埋め込まれており、一部が前記制動摩擦面に露出する制動ブロックとを有する、車両用制輪子において、
前記制動ブロックが、セラミックス及び炭素材料を含有し、
前記制動ブロックが、セラミックスを主成分とする骨格を有し、前記炭素材料が、前記骨格の中に分散し、
前記炭素材料が、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン、フラーレン、グラフェンからなる群より選択される少なくとも一種であることを特徴とする、車両用制輪子である。
The present invention (1) includes a cast iron brake body having a braking friction surface,
In the vehicle brake, which is embedded in the main body of the brake and has a braking block that is partially exposed to the braking friction surface.
The braking block contains a ceramic and a carbon material ,
The braking block has a skeleton mainly composed of ceramics, and the carbon material is dispersed in the skeleton.
The carbon material, carbon nanotubes, carbon nanofiber, carbon nanohorn, fullerene, and at least one Der wherein Rukoto selected from the group consisting of graphene, a vehicle system Waco.
本発明（２）は、前記セラミックスが、アルミナを含有することを特徴とする、前記発明（１）の車両用制輪子である。 The present invention (2) is the vehicle brake according to the invention (1), wherein the ceramic contains alumina.
本発明（３）は、前記鋳鉄が、合金鋳鉄であることを特徴とする、前記発明（１）又は（２）の車両用制輪子である。 The present invention ( 3 ) is the vehicle restrictor according to the invention (1) or ( 2 ), wherein the cast iron is alloy cast iron.
本発明（４）は、前記合金鋳鉄は、Ｍｏ含有量が０．３質量％以下、Ｎｉ含有量が０．３質量％以下であることを特徴とする、前記発明（３）の車両用制輪子である。ここで、Ｍｏ含有量はモリブデンの含有量を意味する。Ｎｉ含有量はニッケルの含有量を意味する。 The present invention ( 4 ) is characterized in that the alloy cast iron has a Mo content of 0.3% by mass or less and a Ni content of 0.3% by mass or less, according to the invention ( 3 ). It is a ring child. Here, Mo content means content of molybdenum. Ni content means the content of nickel.
本発明（５）は、前記合金鋳鉄は、Ｐ含有量が、０．３〜２．０質量％である、前記発明（３）又は（４）の車両用制輪子である。ここで、Ｐ含有量はリンの含有量を意味する。 The present invention ( 5 ) is the vehicle restrictor for the invention ( 3 ) or ( 4 ), wherein the alloy cast iron has a P content of 0.3 to 2.0 mass%. Here, the P content means the phosphorus content.
本発明（６）は、前記制動ブロックが、多孔質ブロックであることを特徴とする、前記発明（１）〜（５）のいずれか一つの車両用制輪子である。 The present invention ( 6 ) is the vehicle brake member according to any one of the inventions (1) to ( 5 ), wherein the braking block is a porous block.
本発明（７）は、セラミックス及び炭素材料を含有する骨格を有する多孔質ブロックであり、
前記多孔質ブロックが、セラミックスを主成分とする骨格を有し、
前記炭素材料が、前記骨格の中に分散し、
前記炭素材料が、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン、フラーレン、グラフェンからなる群より選択される少なくとも一種であることを特徴とする、摩擦材料である。
The present invention (7), Ri porous blocks der having a skeleton containing ceramic and carbon materials,
The porous block has a skeleton mainly composed of ceramics,
The carbon material is dispersed in the skeleton;
The carbon material, carbon nanotubes, carbon nanofibers, and at least one Der wherein Rukoto selected from the group consisting of carbon nanohorn, fullerene, graphene, a friction material.
本発明（８）は、前記セラミックスが、アルミナを含有することを特徴とする、前記発明（７）の摩擦材料である。 The present invention ( 8 ) is the friction material of the invention ( 7 ), characterized in that the ceramic contains alumina.
本発明（９）は、前記多孔質ブロックが、鋳型として用いる発泡高分子材料に対して、セラミックス及び炭素材料を含むスラリーを含浸し乾燥させて、当該発泡高分子を取り除く脱脂を行い、更に、セラミックスを焼結することにより得られることを特徴とする、前記発明（７）又は（８）の摩擦材料である。 In the present invention ( 9 ), the porous block performs degreasing to remove the foamed polymer by impregnating a slurry containing a ceramic and a carbon material with a foamed polymer material used as a mold and drying the slurry. The friction material according to the invention ( 7 ) or ( 8 ), which is obtained by sintering ceramics.
ここで本明細書において使用される各種用語の意味を説明する。「摩擦材料」とは、摩擦面に配されて使用される材料の形状及び素材の組成に係るものを意味する。本明細書における摩擦材料は、そのまま制輪子用の制動ブロックとして使用可能であるが、ディスク板やライニング材など、他の用途の制動ブロックに用いられることも想定される。「セラミックス」とは、基本成分が無機化合物である材料を意味する。ここで「基本成分が無機化合物である材料」とは、成分中５０質量％以上が無機化合物である材料を意味する。「炭素材料」とは、ｓｐ２混成軌道を有する炭素原子が、π結合を介して六角形又は五角形の格子状に配されている材料を意味する。 Here, the meaning of various terms used in this specification will be described. The “friction material” means a material related to the shape of the material used on the friction surface and the composition of the material. Although the friction material in this specification can be used as it is as a brake block for a brake, it is also assumed that the friction material is used for a brake block for other purposes such as a disk plate or a lining material. “Ceramics” means a material whose basic component is an inorganic compound. Here, the “material in which the basic component is an inorganic compound” means a material in which 50% by mass or more of the component is an inorganic compound. The “carbon material” means a material in which carbon atoms having sp 2 hybrid orbitals are arranged in a hexagonal or pentagonal lattice via π bonds.
本発明に係る制輪子によれば、セラミックスを含有する制動ブロックに、炭素材料（特にカーボンナノチューブ）が添加されることによって、制動性の向上や、車輪攻撃性の低下といった効果を奏する。より詳細には、本発明に係る制輪子によれば、特に高速域で、優れた制動性を発揮するという性質を有する。また、本発明に係る制輪子によれば、車輪温度の上昇を抑制することができるので、車輪の耐熱亀裂性の向上に寄与するという効果を奏する。 According to the control device of the present invention, by adding a carbon material (particularly, carbon nanotube) to the braking block containing ceramics, there are effects such as improvement in braking performance and reduction in wheel attack performance. More specifically, the control device according to the present invention has a property of exhibiting excellent braking performance particularly in a high speed range. In addition, according to the control device according to the present invention, an increase in the wheel temperature can be suppressed, so that an effect of contributing to an improvement in the thermal crack resistance of the wheel is achieved.
合金鋳鉄を用いる場合には、従来、合金鋳鉄中にリンやクロムなどを添加することにより、これに由来する硬質相（ステダイトやセメンタイト）を生成し摩擦係数を向上させることが行なわれてきた。しかし、リン等の添加による多量の硬質相の存在は材質を脆くさせ熱亀裂が発生しやすくなるため、合金鋳鉄の基地（パーライト）を緻密化させるために、モリブデンやニッケルといったレアメタルが使用されてきた。これに対して、本発明に係る制輪子によれば、摩擦係数の向上効果を有するため、合金鋳鉄中に添加するリンの量を減らすことが可能となり、これに伴って前記レアメタルの添加量も減らすことができるので、低価格の制輪子を得ることが可能となる。上記の他、モリブデン、クロム、マンガンは遊離炭化物としてのセメンタイトを促進する効果があり、低い融点で溶け出すステダイトに替わる高温域での硬質相として摩擦特性を安定化するものとされる。本発明ではステダイト相の溶出を防げることから遊離炭化物そのものの析出を低減できるので、モリブデンやクロムの添加量を抑制できる。 In the case of using an alloy cast iron, conventionally, phosphorus, chromium, or the like is added to the alloy cast iron, thereby generating a hard phase (steadite or cementite) derived therefrom and improving the friction coefficient. However, the presence of a large amount of hard phase due to the addition of phosphorus or the like makes the material brittle and easily causes thermal cracks, so rare metals such as molybdenum and nickel have been used to densify the cast iron base (pearlite). It was. On the other hand, according to the control device according to the present invention, since it has an effect of improving the friction coefficient, it is possible to reduce the amount of phosphorus added to the alloy cast iron, and accordingly, the amount of the rare metal added is also increased. Since it can be reduced, it becomes possible to obtain a low-cost control device. In addition to the above, molybdenum, chromium, and manganese have an effect of promoting cementite as a free carbide, and stabilize the friction characteristics as a hard phase in a high temperature range that replaces steadite that dissolves at a low melting point. In the present invention, since the elution of the steadite phase can be prevented, the precipitation of free carbide itself can be reduced, so that the amount of molybdenum or chromium added can be suppressed.
本発明に係る摩擦材料は、多孔質であることによって、制輪子内に埋め込んだ場合に、適度に制動摩擦面に露出するため、適度にセラミックス粒子が脱落し、制動摩擦面に供給される。更に、強度の観点からも、セラミックスの多孔質ブロック自体は脆いが、空孔部にマトリックスとなる合金鋳鉄が進入し補強されるため、大きな脱落が無くなる。 Since the friction material according to the present invention is porous, it is appropriately exposed to the braking friction surface when embedded in the brake, so that the ceramic particles are appropriately dropped and supplied to the braking friction surface. Further, from the viewpoint of strength, the ceramic porous block itself is fragile, but since the alloy cast iron as a matrix enters the pores and is reinforced, there is no significant dropout.
本発明に係る制輪子は、制動摩擦面を有する鋳鉄製の制輪子本体と、前記制輪子本体に埋め込まれており、一部が前記制動摩擦面に露出する制動ブロックとを有する。更に本発明は、前記制動ブロックが、セラミックス及び炭素材料を含有することを特徴とする。すなわち、制動ブロックとしてセラミックス及び炭素材料の組合せを選択することにより、制動性の向上に寄与するといった効果を奏し、更に、摩擦により発生する熱を吸収し易く、車輪温度の低下に寄与する摩擦材料となる。 The brake according to the present invention includes a cast iron brake main body having a braking friction surface, and a braking block embedded in the brake main body and partially exposed to the braking friction surface. Furthermore, the present invention is characterized in that the braking block contains a ceramic and a carbon material. That is, by selecting a combination of ceramics and carbon material as a braking block, there is an effect that contributes to improvement of braking performance, and furthermore, a friction material that easily absorbs heat generated by friction and contributes to a decrease in wheel temperature. It becomes.
このようにセラミックス及び炭素材料の組合せによって相乗効果が得られる推定理由を説明する。実施例に示すように、相乗効果が得られる理由を詳細に検討するために、制動試験後の制輪子の制動摩擦面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像及びエネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ）による元素マップにより観察した（図１３〜１８）。この結果、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を含有しないアルミナの制動ブロックの場合、アルミナは制動摩擦面における鋳鉄の領域においてはほとんど観察されない（図１８）。これに対して、制動ブロックとしての摩擦材料内にカーボンナノチューブが含まれる場合には、アルミナ等のセラミックスが鋳鉄の領域を含めて、制輪子表面に多く供給されていることがわかった（図１５〜１７）。 Thus, the presumed reason for which a synergistic effect is acquired by the combination of ceramics and a carbon material is demonstrated. As shown in the examples, in order to examine in detail why the synergistic effect is obtained, the braking friction surface of the control wheel after the braking test is scanned with a scanning electron microscope (SEM) image and energy dispersive X-ray analysis (EDX). (FIGS. 13 to 18). As a result, in the case of an alumina braking block that does not contain carbon nanotubes (CNT), alumina is hardly observed in the cast iron region on the braking friction surface (FIG. 18). On the other hand, when the carbon nanotube is contained in the friction material as the braking block, it was found that a large amount of ceramics such as alumina was supplied to the surface of the control wheel including the cast iron region (FIG. 15). To 17).
すなわち上記の結果から、制動ブロックがアルミナを含有する制輪子（以下、単に「アルミナ制輪子」とする）の摩擦表面には摩耗粒子の凝集は認められないが、制動ブロックがアルミナとカーボンナノチューブを含有する制輪子（以下、単に「ＣＮＴ制輪子」とする）の摩擦表面には、摩耗粒子の凝集部分が認められた。このように摩耗粒子の凝集部分が存在することによって、高い制動性を発揮しているものと考えられる。合金鋳鉄制輪子は、高速からのブレーキにより、制輪子の摩擦表面が熱で溶融し、低速からのブレーキと比較して摩擦係数が低下する。高速域からのブレーキにおいて、制輪子鋳鉄部の摩擦表面層の軟化・溶融が起こり、セラミックス多孔体からは摩耗粒子が排出される。制輪子中のセラミックス多孔体が制輪子の温度上昇を抑え、耐熱性の高いセラミックス硬質摩耗粒子が車輪と制輪子間の摩擦表面に埋め込まれることによって、制輪子の摩擦表面が溶融による摩擦係数の低下を防ぐと考えられる。合金鋳鉄制輪子にセラミックスを複合させると、高速からのブレーキ時に発生するセラミックスの摩耗粒子が車輪と制輪子間に介在し、そのことにより高速での摩擦係数の低下を抑えることが報告されている（非特許文献２）。 That is, from the above results, no agglomeration of wear particles is observed on the friction surface of the brake block containing alumina (hereinafter simply referred to as “alumina brake ring”), but the brake block contains alumina and carbon nanotubes. Aggregated portions of wear particles were observed on the friction surface of the contained control (hereinafter simply referred to as “CNT control”). Thus, it is considered that the presence of the agglomerated portion of the wear particles exhibits high braking performance. In the alloy cast iron brake, the friction surface of the brake is melted by heat due to braking from a high speed, and the coefficient of friction is lower than that from braking from low speed. During braking from a high speed region, the friction surface layer of the iron cast iron part softens and melts, and wear particles are discharged from the ceramic porous body. The ceramic porous body in the control restrains the temperature rise of the control, and the hard wear particles of ceramics with high heat resistance are embedded in the friction surface between the wheel and the control, so that the friction surface of the control has a coefficient of friction due to melting. It is thought to prevent the decline. It has been reported that when ceramics are combined with an alloy cast iron brake, ceramic wear particles generated during braking from high speed are interposed between the wheel and the brake, thereby suppressing a decrease in friction coefficient at high speed. (Non-patent document 2).
ＥＤＸにより、ＣＮＴ制輪子の摩擦表面には、凝集したＣＮＴによるものと考えられる摩耗粒子も認められる。これが摩耗粒子を捕捉する効果を有するためセラミックスの摩耗粒子が車輪と制輪子間に留まり、ＣＮＴ制輪子の摩擦係数の低下を防ぐことができたと考えられる。 As a result of EDX, wear particles that are thought to be due to agglomerated CNTs are also observed on the friction surface of the CNT control wheel. Since this has an effect of trapping the wear particles, it is considered that the wear particles of the ceramic stayed between the wheel and the control wheel, and it was possible to prevent the friction coefficient of the CNT control device from being lowered.
制輪子
図１は、本発明に係る制輪子の概略構成図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面断面図を示す。制輪子１００は、制動摩擦面１１１を有する鋳鉄製の制輪子本体１１０と、一部が前記制動摩擦面に露出する制動ブロック１２０とを有する。制輪子本体１１０は、円弧状の曲面形状を有し、円弧の内面側が制動摩擦面１１１である。一方、外面側にはコッタ部１１３が設けられている。
Brake shoes Figure 1 is a schematic configuration diagram of a brake shoe according to the present invention, (a) is a front view, (b) shows a side cross-sectional view. The brake member 100 includes a cast iron brake wheel main body 110 having a braking friction surface 111 and a braking block 120 that is partially exposed to the braking friction surface. The brake body 110 has an arcuate curved shape, and the inner surface side of the arc is a braking friction surface 111. On the other hand, a cotter portion 113 is provided on the outer surface side.
制輪子本体１１０内には、前記制動ブロックの後方に位置して当該制輪子本体に鋳ぐるまれたバックメタル１３０が設けられている。バックメタル１３０は、制輪子本体と同程度の曲率を有する板状体１３１と、コッタ部に位置する連結体１３２を有する。バックメタルは、鋳鉄製制輪子本体１１０の亀裂破損防止のために設けられる。また、後述する制輪子の製造方法において、制動ブロックガイドの固定のために用いられる。 A back metal 130 is provided in the restrictor body 110 so as to be located behind the brake block and cast into the restrictor body. The back metal 130 includes a plate-like body 131 having a curvature similar to that of the main body of the brake control body and a connecting body 132 positioned in the cotter portion. The back metal is provided to prevent crack breakage of the cast iron control ring main body 110. Further, it is used for fixing a brake block guide in a method for manufacturing a brake device described later.
制輪子本体１１０の材料としては、特に限定されないが、耐熱性、耐摩耗性等を考慮して、普通鋳鉄にリン、クロム、モリブデン、ニッケルなどの合金元素を添加した合金鋳鉄が挙げられる。 The material of the brake control body 110 is not particularly limited, but may include alloy cast iron obtained by adding alloy elements such as phosphorus, chromium, molybdenum, and nickel to normal cast iron in consideration of heat resistance, wear resistance, and the like.
本発明における合金鋳鉄は、パーライト基地と片状黒鉛の組み合せに、ステダイト（Ｆｅ＋Ｆｅ３Ｃ＋Ｆｅ３Ｐの三元共晶組織）やセメンタイトなど遊離炭化物を分散析出させたものを使用することが好適である。ここで、片状黒鉛は潤滑材としての役割を担う。 The alloy cast iron in the present invention is preferably a combination of pearlite matrix and flake graphite, in which free carbides such as steadite (ternary eutectic structure of Fe + Fe 3 C + Fe 3 P) and cementite are dispersed and precipitated. . Here, flake graphite plays a role as a lubricant.
当該パーライト基地に対して、上述の合金元素を添加することが好適である。これらの合金元素の中でも、リンを添加することが好適である。リンを添加することにより、合金鋳鉄中に硬質物質であるステダイトを生成させることができる。またリン（Ｐ）の含有量は、合金鋳鉄中、０．３〜２．０質量％が好適であり、１．５〜２．０質量％がより好適である。このように、リンの含有量を高めに添加した合金鋳鉄は、耐摩耗性に優れる。当該鋳鉄中のリン（Ｐ）の大部分は凝固においてＦｅ３Ｐとしてγ＋Ｆｅ３Ｃ＋Ｆｅ３Ｐ三元共晶ステダイト中に晶出する。高リン鋳鉄が耐摩耗性に優れる原因として、基地組織中に晶出したステダイトの硬度が高いことが挙げられる。一方、ステダイトは基地部に比べて融点が低いことから、高リン鋳鉄は高速摩擦により表層部が一部軟化若しくは溶融して車輪に溶着し、摩擦性能を高めると云われる。しかし、車輪への溶着が多いと踏面が凹凸となり、有効接触面積が変動し、摩擦係数の低下を招く。この解消のため本発明に係る制動ブロックを用いてセラミックス粒子を供給させて踏面を平滑化する。すなわち、上記の高リン合金鋳鉄と、本発明に係る制動ブロックを組み合わせることによって、更に優れた耐摩耗性を有し、更に、摩擦係数を維持することのできる制輪子が得られる。 It is preferable to add the above alloy elements to the perlite base. Among these alloy elements, it is preferable to add phosphorus. By adding phosphorus, steadite, which is a hard substance, can be generated in the alloy cast iron. Moreover, 0.3-2.0 mass% is suitable for content of phosphorus (P) in alloy cast iron, and 1.5-2.0 mass% is more suitable. Thus, the alloy cast iron added with a high phosphorus content is excellent in wear resistance. Most of the phosphorus of the in cast iron (P) is crystallized in Fe 3 γ + Fe 3 C + Fe 3 in P ternary eutectic steadite as P in the coagulation. The reason why high phosphorus cast iron has excellent wear resistance is that the steadite crystallized in the base structure has a high hardness. On the other hand, because Steadite has a lower melting point than the base part, it is said that high-phosphorus cast iron partially softens or melts the surface layer part due to high-speed friction and is welded to the wheel to improve the friction performance. However, if there is a lot of welding on the wheels, the tread surface becomes uneven, the effective contact area varies, and the friction coefficient decreases. To solve this problem, ceramic particles are supplied using the braking block according to the present invention to smooth the tread. That is, by combining the above-described high phosphorus alloy cast iron and the braking block according to the present invention, it is possible to obtain a brake device that has further excellent wear resistance and can maintain a friction coefficient.
その他、モリブデン（Ｍｏ）や、ニッケル（Ｎｉ）を添加することが好適であり、これらのレアメタルを添加することにより、パーライト基地を緻密化することができる。しかし、本発明の制動ブロックを用いることにより、制輪子を脆くしてしまう硬質相を多く発生させる必要がないので、これらのレアメタルの添加量を減らすことができる。 In addition, it is preferable to add molybdenum (Mo) or nickel (Ni). By adding these rare metals, the pearlite matrix can be densified. However, by using the braking block of the present invention, it is not necessary to generate a large amount of a hard phase that makes the control wheel brittle, so the amount of these rare metals added can be reduced.
尚、合金鋳鉄は、鉄（Ｆｅ）を含む合金である。当該鋳鉄の組成については、特に限定されないが、炭素（Ｃ）の含有量は２．５〜４．０質量％（より好適には、２．８〜３．５質量％）が好適であり、ケイ素（Ｓｉ）の含有量は１．０〜３．０質量％（より好適には、１．５〜２．３質量％）が好適であり、マンガン（Ｍｎ）の含有量は０．０１〜２．２質量％（より好適には０．３〜１．８質量％）が好適であり、リン（Ｐ）の含有量は０．０１〜２．５質量％（より好適には０．３〜２．０質量％）が好適であり、硫黄（Ｓ）の含有量は０．０００１〜１．０質量％（より好適には０．０１〜０．１５質量％）が好適である。 The alloy cast iron is an alloy containing iron (Fe). Although it does not specifically limit about the composition of the said cast iron, 2.5-4.0 mass% (more preferably 2.8-3.5 mass%) is suitable for content of carbon (C), The silicon (Si) content is preferably 1.0 to 3.0% by mass (more preferably, 1.5 to 2.3% by mass), and the manganese (Mn) content is 0.01 to 3.0% by mass. 2.2% by mass (more preferably 0.3-1.8% by mass) is preferable, and the phosphorus (P) content is 0.01-2.5% by mass (more preferably 0.3%). -2.0 mass%) is preferable, and the content of sulfur (S) is preferably 0.0001-1.0 mass% (more preferably 0.01-0.15 mass%).
本発明に係る摩擦材料を用いた場合には、特にＭｏやＮｉの含有量を減らすことができる。Ｎｉ含有量は０．４質量％以下（より好適には０．３質量％以下）が好適である。Ｍｏ含有量は０．８質量％以下（より好適には０．３質量％以下）が好適である。このような範囲の含有量である鋳鉄と、セラミック（特にアルミナ）との組合せによって、相乗効果を発揮して、特に高い制動性を発揮する制輪子を得ることができる。 When the friction material according to the present invention is used, the content of Mo or Ni can be particularly reduced. The Ni content is preferably 0.4% by mass or less (more preferably 0.3% by mass or less). The Mo content is preferably 0.8% by mass or less (more preferably 0.3% by mass or less). A combination of cast iron having a content in such a range and ceramic (particularly alumina) exhibits a synergistic effect, and a brake member that exhibits particularly high braking performance can be obtained.
制動ブロック１２０は、一部が前記制動摩擦面に露出するように制輪子本体１１０内に埋め込まれている。制動ブロックとして、多孔質ブロックを使用することが好適であり、当該多孔質ブロックは、その空隙内も含めて全体を制輪子本体によって鋳ぐるむことにより一体化させることが好適である。多孔質ブロック１２０の形状は特に限定されないが、例えば、円柱状に形成されていることが好適である。これにより、後述する製造時に、型内に溶融鋳鉄を流し込んでブロックが浮上する時、型枠を壊さないという効果を奏する。本発明に係る制動ブロックは、以下の摩擦材料を用いることが好適である。 The brake block 120 is embedded in the brake body 110 so that a part of the brake block 120 is exposed to the braking friction surface. It is preferable to use a porous block as the braking block, and it is preferable that the porous block is integrated by casting the entire block including the inside of the gap by the control body. Although the shape of the porous block 120 is not specifically limited, For example, it is suitable that it is formed in the column shape. Thereby, at the time of manufacture mentioned later, when molten cast iron is poured into a model and a block floats, there is an effect that a formwork is not broken. The brake block according to the present invention preferably uses the following friction material.
摩擦材料
本発明に用いられる摩擦材料は、セラミックス及び炭素材料を含有する。本発明に係る摩擦材料は、多孔質ブロックであることが好適であり、より詳細には多孔質ブロックを形成する骨格の主成分がアルミナであることが好適である。尚、ここで主成分とは、５０質量％以上を含有する成分を意味する。多孔質ブロックを用いることにより、当該孔内に合金鋳鉄などの他の材料を充填することができ、前記材料と当該ブロックとを一体化することができる。したがって、摩擦面が削れて消耗することによって、摺動面において均一に分散した状態で露出するため、セラミックス及び炭素材料が摩擦境界面に定量的に供給される。
Friction material The friction material used in the present invention contains a ceramic and a carbon material. The friction material according to the present invention is preferably a porous block, and more preferably, the main component of the skeleton forming the porous block is alumina. In addition, a main component means the component containing 50 mass% or more here. By using the porous block, the hole can be filled with another material such as alloy cast iron, and the material and the block can be integrated. Therefore, since the friction surface is scraped and consumed, it is exposed in a uniformly dispersed state on the sliding surface, so that the ceramic and the carbon material are quantitatively supplied to the friction boundary surface.
本発明において使用されるセラミックスは、特に限定されないが、例えば、アルミナ、シリカ、炭化珪素、ムライト、ジルコニア等が挙げられる。これらの中でも特にアルミナを使用することが好適である。 The ceramic used in the present invention is not particularly limited, and examples thereof include alumina, silica, silicon carbide, mullite, zirconia and the like. Among these, it is particularly preferable to use alumina.
本発明に係る摩擦材料において使用されるアルミナは、特に限定されないが、例えば、αアルミナを使用することができる。また、易焼結性アルミナを使用することが好適である。ここで、易焼結性アルミナとしては、低ソーダアルミナであることが好適である。ここで低ソーダアルミナとは、アルミナに対してソーダ分が０．１０質量％以下のアルミナを意味する。ここで、ソーダ分の測定方法はＪＩＳ Ｒ９３０１‐３‐９：１９９９による。アルミナは、ソーダ分が多く含まれると焼結の際の結晶成長が不均一になり、焼結嵩密度に悪影響を与える。 The alumina used in the friction material according to the present invention is not particularly limited. For example, α-alumina can be used. It is also preferable to use easily sinterable alumina. Here, it is preferable that the easily sinterable alumina is low soda alumina. Here, low soda alumina means alumina having a soda content of 0.10% by mass or less with respect to alumina. Here, the measuring method for the soda is according to JIS R9301-9-9: 1999. When alumina contains a large amount of soda, crystal growth during sintering becomes non-uniform, which adversely affects the sintered bulk density.
アルミナの熱伝導率は、１５〜４０Ｊ／ｍ・ｓｅｃ・℃が好適である。尚、熱伝導率はＪＩＳ Ｒ１６１１に規定されている方法により測定する。アルミナの熱膨張係数は５．０〜９．０×１０−６／℃が好適である。尚、熱膨張係数はＪＩＳ Ｒ１６１８に規定されている方法により測定する。また、アルミナのビッカース硬さは１．２〜２．５×１０４ＭＰａであることが好適である。ビッカース硬さは、ＪＩＳ Ｃ２１４１により測定する。 The thermal conductivity of alumina is preferably 15 to 40 J / m · sec · ° C. The thermal conductivity is measured by the method specified in JIS R1611. The thermal expansion coefficient of alumina is preferably 5.0 to 9.0 × 10 −6 / ° C. The thermal expansion coefficient is measured by the method specified in JIS R1618. Moreover, it is suitable that the Vickers hardness of alumina is 1.2 to 2.5 × 10 4 MPa. Vickers hardness is measured according to JIS C2141.
本発明に係る摩擦材料においては、炭素材料を含有することが好適である。炭素材料（特にカーボンナノチューブ）とセラミックス（特にアルミナ）の組合せによって、制動性が向上すると共に、熱伝導率が高くなり車輪温度を低く保つことができるため、車輪への攻撃性が低くなる。また、炭素材料を含有することにより、熱伝導率の均一性が高まるため、ヒートスポットが発生しにくくなる。 The friction material according to the present invention preferably contains a carbon material. The combination of the carbon material (especially carbon nanotube) and ceramics (especially alumina) improves the braking performance, increases the thermal conductivity and keeps the wheel temperature low, and therefore reduces the aggressiveness to the wheel. Moreover, since the uniformity of thermal conductivity increases by containing a carbon material, it becomes difficult to generate a heat spot.
炭素材料としては、カーボンブラック、グラファイト、炭素繊維、ナノカーボンなどが挙げられる。これらの炭素材料の中でもナノカーボンが好適であり、ナノカーボンの中でもカーボンナノチューブが好適である。「ナノカーボン」とは、その材料の形状において、少なくとも一辺が１０００ｎｍ以下（好適には５００ｎｍ以下）の大きさを有するカーボンを意味し、例えば、カーボンナノチューブ（単層・二層・多層タイプ、カップスタック型）、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン、フラーレン、グラフェンを挙げることができる。ナノカーボンとして使用可能なカーボンナノチューブは、シングルウォールカーボンナノチューブ（ＳＷＣＮＴ）であっても、マルチウォールカーボンナノチューブ（ＭＷＣＮＴ）であってもよい。カーボンナノチューブの長さは、０．１〜１００μｍが好適であり、０．１〜５０μｍがより好適であり、０．１〜２０μｍが更に好適である。カーボンナノチューブの直径は、５〜２００ｎｍが好適であり、８〜１６０ｎｍがより好適であり、９〜１２０ｎｍが更に好適である。尚、当該チューブの長さ、直径は、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）を用いて、所定範囲内に存在する１００個以上の構造体について測定し、９０％以上の個数が入る範囲とする。 Examples of the carbon material include carbon black, graphite, carbon fiber, and nanocarbon. Among these carbon materials, nanocarbon is preferable, and among the nanocarbons, carbon nanotubes are preferable. “Nanocarbon” means carbon having a size of at least one side of 1000 nm or less (preferably 500 nm or less) in the shape of the material. For example, carbon nanotube (single-walled / double-walled / multi-layered type, cup Stack type), carbon nanofiber, carbon nanohorn, fullerene, and graphene. The carbon nanotube that can be used as the nanocarbon may be a single wall carbon nanotube (SWCNT) or a multi-wall carbon nanotube (MWCNT). The length of the carbon nanotube is preferably from 0.1 to 100 μm, more preferably from 0.1 to 50 μm, and further preferably from 0.1 to 20 μm. The diameter of the carbon nanotube is preferably 5 to 200 nm, more preferably 8 to 160 nm, and still more preferably 9 to 120 nm. In addition, the length and diameter of the tube are measured with respect to 100 or more structures existing within a predetermined range using an AFM (atomic force microscope), and set to a range in which 90% or more are included.
炭素材料の含有量としては、セラミックス１００質量部に対して、０．０１〜３０質量部が好適であり、０．０５〜２０質量部がより好適であり、０．１〜１０質量部が更に好適である。 As content of a carbon material, 0.01-30 mass parts is suitable with respect to 100 mass parts of ceramics, 0.05-20 mass parts is more suitable, 0.1-10 mass parts is further Is preferred.
その他、任意成分として、タルク、蛙目粘土等の粘土、リン酸アルミニウムが含まれていてもよい。タルクの含有量としては、特に限定されないがセラミックス１００質量部に対して、０．１〜１０質量部が好適である。粘土の含有量としては、セラミックス１００質量部に対して０．１〜１０質量部が好適である。リン酸アルミニウムの含有量としては、特に限定されないがセラミックス１００質量部に対して、２〜２０質量部が好適であり、５〜１５質量部がより好適であり、７〜１３質量部が更に好適である。 In addition, as optional components, clays such as talc and clay, and aluminum phosphate may be included. Although it does not specifically limit as content of talc, 0.1-10 mass parts is suitable with respect to 100 mass parts of ceramics. As content of clay, 0.1-10 mass parts is suitable with respect to 100 mass parts of ceramics. Although it does not specifically limit as content of aluminum phosphate, 2-20 mass parts is suitable with respect to 100 mass parts of ceramics, 5-15 mass parts is more suitable, and 7-13 mass parts is still more suitable. It is.
本発明に係る摩擦材料は、多孔質ブロックであることが好適である。また、当該多孔質ブロックは連通気泡を有することが好適である。多孔質ブロックの空孔率は、５〜３０ｐｐｉが好適であり、７〜２５ｐｐｉがより好適であり、１０〜２０ｐｐｉが更に好適である。 The friction material according to the present invention is preferably a porous block. The porous block preferably has open air bubbles. 5-30 ppi is suitable for the porosity of a porous block, 7-25 ppi is more suitable, and 10-20 ppi is still more suitable.
ここで多孔質ブロックの製造方法は、特に限定されないが、例えば、含浸工程と、乾燥工程と、脱脂工程と、焼結工程を経て製造することができる。 Although the manufacturing method of a porous block is not specifically limited here, For example, it can manufacture through an impregnation process, a drying process, a degreasing process, and a sintering process.
含浸工程とは、多孔質ブロックの骨格を形成するセラミックス及び炭素材料を分散又は溶解したスラリーを有機多孔体に含浸させる工程である。当該工程において有機多孔体としてポリウレタン発泡体を使用することが好適である。 The impregnation step is a step of impregnating the organic porous body with a slurry in which ceramics and carbon materials forming the skeleton of the porous block are dispersed or dissolved. In this process, it is preferable to use a polyurethane foam as the organic porous body.
乾燥工程では、前記含浸工程後、含浸させたスラリーの溶媒を除去する。ここで、セラミックス材料スラリーの有機多孔体に対する添着量は、有機多孔体１００質量部に対して、１０００〜２５００質量部程度が好適である。 In the drying step, after the impregnation step, the solvent of the impregnated slurry is removed. Here, the adhering amount of the ceramic material slurry to the organic porous body is preferably about 1000 to 2500 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the organic porous body.
脱脂工程では、乾燥工程後、材料が被覆された有機多孔体を加熱して、当該有機多孔体の骨格を除去して、セラミックスの多孔質ブロックとする。 In the degreasing step, after the drying step, the organic porous body coated with the material is heated to remove the skeleton of the organic porous body to obtain a porous block of ceramic.
最後に、焼結工程では、前記脱脂工程後の多孔質材料を焼結し、本発明に係るセラミックス多孔質ブロックを得る。尚、焼結工程は、前記脱脂工程と連続的に行なわれてもよい。 Finally, in the sintering step, the porous material after the degreasing step is sintered to obtain the ceramic porous block according to the present invention. In addition, a sintering process may be performed continuously with the said degreasing process.
続いて、本発明に係る制輪子の製造方法について説明する。本発明に係る制輪子は、上鋳型と下鋳型とからなる型を用いて製造することができる。まず、下鋳型にブロックガイドを有するバックメタルを、前記ブロックガイドを上面に向けて載置し、当該ブロックガイドに制動ブロックを固定する。ここで、ブロックガイドとは、例えば、バックメタルから制動摩擦面側に突き出た棒状の突起である。また、当該棒状突起の形状にあわせてガイドを通すための孔が制動ブロックの中心に設けられていてもよい。次に下鋳型に対して上鋳型を衝合して、この鋳型内に溶融鋳鉄を注湯する。すると、溶融鋳鉄との比重差によって各制動ブロックは浮き上がり、その一側面が制動摩擦面に当接した状態になる。制動ブロックとしてセラミックス多孔質ブロックを用いた場合には、この状態で溶融鋳鉄は当該多孔質ブロックの気孔内に流入し、多孔質ブロックと鋳鉄とが一体化する。そして、溶融鋳鉄を冷却することにより、バックメタルおよび制動ブロックを鋳ぐるんだ制輪子本体が固化形成され、本発明に係る制輪子が製造される。 Then, the manufacturing method of the control device concerning this invention is demonstrated. The control device according to the present invention can be manufactured using a mold composed of an upper mold and a lower mold. First, a back metal having a block guide in a lower mold is placed with the block guide facing the upper surface, and the braking block is fixed to the block guide. Here, the block guide is, for example, a rod-shaped protrusion protruding from the back metal toward the braking friction surface. Moreover, the hole for letting a guide pass along the shape of the said rod-shaped protrusion may be provided in the center of the braking block. Next, the upper mold is brought into contact with the lower mold, and molten cast iron is poured into the mold. Then, each braking block floats due to the difference in specific gravity from the molten cast iron, and one side surface thereof comes into contact with the braking friction surface. When a ceramic porous block is used as the braking block, the molten cast iron flows into the pores of the porous block in this state, and the porous block and the cast iron are integrated. Then, by cooling the molten cast iron, the main body of the brake member in which the back metal and the braking block are cast is solidified, and the brake member according to the present invention is manufactured.
当該制動ブロックとして前記多孔質ブロックを用いる場合、溶融鋳鉄を流し込む前に、当該多孔質ブロックに塗型剤が塗布されていてもよい。塗型剤を塗布することにより、多孔質ブロックが崩壊するのを防ぐことができる。ここで塗型剤としては、鋳鉄用塗型剤であれば特に限定されないが、例えば、ＭｇＯ・ＳｉＯ２系やジルコン系塗型剤が挙げられる。 When the porous block is used as the braking block, a coating agent may be applied to the porous block before pouring molten cast iron. By applying the coating agent, the porous block can be prevented from collapsing. Here, the coating agent is not particularly limited as long as it is a cast iron coating agent, and examples thereof include MgO.SiO 2 and zircon coating agents.
本発明に係る制輪子は、鉄道などの車両用制輪子として使用することができ、当該制輪子の制動摩擦面を、車輪に押し当てて車両を制動する。本発明に係る制輪子は上述した構成からなり、また上記の製造方法により製造することによって、セラミックス多孔質ブロックを用いた場合には各気孔内に鋳鉄が充填された状態で当該ブロックとを制輪子本体とを一体化することができる。従って、制輪子の制動摩擦面にはセラミックス多孔質ブロックが鋳鉄と一体化した状態で実質的に均一に分散した状態で露出するから、制輪子が車輪に押圧された場合、セラミックス多孔質ブロックは車輪に平均に圧接することができ、セラミックスは車輪との摩擦境界面に逐次定量的に供給される。 The control device according to the present invention can be used as a control device for a vehicle such as a railway, and the braking friction surface of the control device is pressed against a wheel to brake the vehicle. The control device according to the present invention has the above-described configuration, and is manufactured by the above-described manufacturing method, so that when the ceramic porous block is used, the block is controlled in a state where each pore is filled with cast iron. The wheel body can be integrated. Therefore, since the ceramic porous block is exposed to the braking friction surface of the control member in a state of being uniformly dispersed in a state of being integrated with cast iron, when the control member is pressed against the wheel, the ceramic porous block is The wheel can be pressed against the wheel on average, and ceramics are sequentially and quantitatively supplied to the frictional interface with the wheel.
実施例１（アルミナ−カーボンナノチューブ多孔質ブロックの製造）
下記の表１の配合比に従って、アルミナ（大明化学工業（株）製、ＴＭ‐ＤＡＲ）とカーボンナノチューブ（ナノカーボンテクノロジーズ製、（ＭＷＮＴ７）、チューブ径４０〜９０ｎｍ）が３質量％分散された水分散液とを混ぜ合わせこれにより得られたスラリーをサンプルサイズΦ７５ｍｍ、厚み２５mmのポリウレタンフォーム（イノアックコーポレーション製、ＭＦ−７）たてスキサンプルへ含浸させた。ここで、添着量は１個のサンプルあたり、５０ｇであった。続いて５０℃にて乾燥した後、酸化雰囲気にて２５〜４００℃、２０℃／ｈの昇温スピードで加熱した後、４００℃で３．５ｈ保持し、窒素雰囲気にて４００〜１４５０℃、２００℃／ｈの昇温スピードで加熱して、１４５０℃で一時間保持することにより酸素雰囲気下で脱脂及び焼結工程を行なった。その後、自然冷却によって、常温に戻した。これにより、アルミナ−カーボンナノチューブ多孔質ブロックを得ることができた。得られたアルミナ−カーボンナノチューブ多孔質ブロックの写真を図２に示した。また、得られた多孔質ブロックの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を図３〜図５に示した。これらの写真から、カーボンナノチューブが均一に分散している様子が観測された。
Example 1 (Production of alumina-carbon nanotube porous block)
According to the blending ratio in Table 1 below, water in which 3% by mass of alumina (manufactured by Daimei Chemical Co., Ltd., TM-DAR) and carbon nanotubes (manufactured by Nanocarbon Technologies, (MWNT7), tube diameter: 40 to 90 nm) is dispersed. The slurry obtained by mixing with the dispersion was impregnated into a ski sample using a polyurethane foam (MF-7, manufactured by Inoac Corporation) having a sample size of Φ75 mm and a thickness of 25 mm. Here, the amount of attachment was 50 g per sample. Subsequently, after drying at 50 ° C., heating in an oxidizing atmosphere at 25 to 400 ° C. and a heating rate of 20 ° C./h, holding at 400 ° C. for 3.5 h, and 400 to 1450 ° C. in a nitrogen atmosphere, The degreasing and sintering steps were performed in an oxygen atmosphere by heating at a heating rate of 200 ° C./h and holding at 1450 ° C. for 1 hour. Then, it returned to normal temperature by natural cooling. Thereby, the alumina-carbon nanotube porous block was able to be obtained. A photograph of the resulting alumina-carbon nanotube porous block is shown in FIG. Moreover, the scanning electron microscope (SEM) photograph of the obtained porous block was shown in FIGS. From these photographs, it was observed that the carbon nanotubes were uniformly dispersed.
ここで、得られたアルミナ−カーボンナノチューブ多孔質ブロックの空隙率は、１０ｐｐｉであった。また、得られたアルミナ−カーボンナノチューブ多孔質ブロックの熱重量分析（ＴＧＡ）によりカーボンナノチューブの含有量を測定し、そこに含まれる全炭素量をカーボンナノチューブ量と見做した（図６）。結果、カーボンナノチューブの含有量は、０．４〜０．６ｗｔ％であることがわかった。 Here, the porosity of the obtained alumina-carbon nanotube porous block was 10 ppi. Further, the content of carbon nanotubes was measured by thermogravimetric analysis (TGA) of the obtained alumina-carbon nanotube porous block, and the total carbon content contained therein was regarded as the carbon nanotube content (FIG. 6). As a result, it was found that the content of carbon nanotubes was 0.4 to 0.6 wt%.
また、製造後、制輪子の製造のため、得られたカーボンナノチューブ−アルミナ多孔質ブロックに塗型剤｛オカスーパー７５０Ｂ（ＭｇＯ・ＳｉＯ２系）｝を塗布した。 In addition, after the production, a coating agent {Okasuper 750B (MgO · SiO 2 system)} was applied to the obtained carbon nanotube-alumina porous block for production of the control wheel.
実施例２（制輪子の製造）
実施例１のアルミナ−カーボンナノチューブ多孔質ブロックを２個鋳ぐるんだ合金鋳鉄制輪子を製造した。ここで使用した合金鋳鉄の組成は、表２の合金鋳鉄に示した。以下、当該組成の合金鋳鉄を単に「合金鋳鉄」とする。製造した合金鋳鉄制輪子の写真を図７に示した。
Example 2 (Manufacture of a control wheel)
An alloy cast iron control ring in which two alumina-carbon nanotube porous blocks of Example 1 were cast was manufactured. The composition of the alloy cast iron used here is shown in Table 2 for alloy cast iron. Hereinafter, the alloy cast iron having the composition is simply referred to as “alloy cast iron”. A photograph of the manufactured alloy cast iron brake is shown in FIG.
尚、後述する制動試験におけるセラミックス多孔質ブロックを含まない合金鋳鉄制輪子（比較例１）と、アルミナ多孔質ブロックを鋳ぐるんだ合金制輪子（比較例３）も同じ成分の合金鋳鉄を使用した。 In addition, the alloy cast iron control device (Comparative Example 1) that does not include the ceramic porous block in the braking test described later and the alloy control device (Comparative Example 3) that casts the alumina porous block use the same alloy cast iron. did.
実施例３（制輪子の製造）
制輪子に用いた合金鋳鉄の組成を、表２の低合金鋳鉄に示したものに変更した以外は、実施例２と同様の方法で低合金鋳鉄制輪子を製造した。以下、表２の低合金鋳鉄の組成の合金鋳鉄を、「低合金鋳鉄」とする。尚、ここで、低合金鋳鉄とは、Cr、Ｍｏ及びＮｉなどのレアメタルの含有率が低い合金鋳鉄を意味する。
Example 3 (Manufacture of a control wheel)
A low alloy cast iron brake was produced in the same manner as in Example 2 except that the composition of the alloy cast iron used for the brake was changed to that shown in Table 2 for the low alloy cast iron. Hereinafter, the alloy cast iron having the composition of the low alloy cast iron shown in Table 2 is referred to as “low alloy cast iron”. Here, the low alloy cast iron means an alloy cast iron having a low content of rare metals such as Cr, Mo and Ni.
尚、後述する制動試験におけるセラミックス多孔質ブロックを含まない低合金鋳鉄制輪子（比較例２）と、アルミナ多孔質ブロックを鋳ぐるんだ低合金制輪子（比較例４）も同じ成分の低合金鋳鉄を使用した。 In addition, the low alloy cast iron control device (Comparative Example 2) that does not include a ceramic porous block in a braking test described later and the low alloy control device (Comparative Example 4) in which an alumina porous block is casted are also low alloys having the same components. Cast iron was used.
制動試験
上記当該鋳鉄制輪子について実物大ブレーキ試験を行った。この試験機では、実際の車両と同等の慣性モーメントを持った車輪が所定の速度で回転しているところに左右から2個の制輪子を押しつけ、停止するまでの各種性質を所定のブレーキ初速度毎に５回測定した。試験条件を表３に示す。尚、試験は、「ＪＩＳ Ｅ ７５０１鉄道車両用鋳鉄制輪子の性能試験及び検査方法」の手順に一部準拠して行った。
It was carried out full-scale brake tested for braking test above the cast iron system Waco. In this test machine, the two brake elements are pressed from the left and right when a wheel with a moment of inertia equivalent to that of an actual vehicle is rotating at a predetermined speed, and various properties are measured until the brake stops. Each measurement was performed 5 times. Table 3 shows the test conditions. Note that the test was performed in part according to the procedure of “JIS E 7501 Performance Test and Inspection Method for Cast Iron Controls for Railway Vehicles”.
上記実施例２、３の制輪子と、セラミックス多孔質ブロックを含まない合金鋳鉄制輪子（比較例１）と、同じくセラミックス多孔質ブロックを含まない表２の低合金鋳鉄からなる低合金鋳鉄制輪子（比較例２）と、カーボンナノチューブを含まないアルミナ多孔質ブロックを鋳ぐるんだ合金鋳鉄制輪子（比較例３）と、カーボンナノチューブを含まないアルミナ多孔質ブロックを鋳ぐるんだ低合金鋳鉄制輪子（比較例４）と、を準備し、制動試験を行なった。図７は使用した各制輪子の写真である。図８は、初速度１３５ｋｍ／ｈの条件における実験結果５回の平均結果を（ａ）制動距離、（ｂ）制輪子の摩耗量、（ｃ）各回における車輪最高温度の平均値である平均車輪最高温度、（ｄ）各回における制輪子最高温度の平均値である平均制輪子最高温度をグラフ化して図８に示した。図９は、初速度１３５ｋｍ／ｈの条件における各実験結果をまとめたグラフである。また、各条件において得られた実験値をまとめて表４に示した。なお、各評価項目の測定条件は以下に詳細を記載する。 A low alloy cast iron brake comprising the brake of Examples 2 and 3, an alloy cast iron brake (Comparative Example 1) that does not include a ceramic porous block, and a low alloy cast iron of Table 2 that also does not include a ceramic porous block. (Comparative Example 2), an alloy cast iron control ring (Comparative Example 3) in which an alumina porous block not containing carbon nanotubes is cast, and a low alloy cast iron control in which an alumina porous block not containing carbon nanotubes is cast A wheel ring (Comparative Example 4) was prepared and a braking test was performed. FIG. 7 is a photograph of each control used. FIG. 8 shows average results of five experimental results under the condition of an initial speed of 135 km / h: (a) braking distance, (b) wear amount of the control wheel, and (c) average wheel that is the average value of the maximum wheel temperature at each time. FIG. 8 is a graph showing the maximum temperature and (d) the average maximum temperature of the control, which is the average value of the maximum control temperature at each time. FIG. 9 is a graph summarizing the results of each experiment under conditions of an initial speed of 135 km / h. The experimental values obtained under each condition are summarized in Table 4. The measurement conditions for each evaluation item are described in detail below.
（制動距離）
初速度１３５ｋｍ／ｈのブレーキ初速度から押付圧力４０ｋＮの条件で制輪子によりブレーキをかけて車両が停止するまでの距離を測定した。初速度１２５ｋｍ／ｈで押付圧力４０ｋＮの条件、初速度９５ｋｍ／ｈで押付圧力２５ｋＮの条件に変更して前記の制動距離試験を行った。
(Braking distance)
The distance from the initial brake speed of 135 km / h to the stop of the vehicle after applying the brake with the restrictor under the condition of the pressing pressure of 40 kN was measured. The above-mentioned braking distance test was conducted by changing the conditions to an initial speed of 125 km / h and a pressing pressure of 40 kN, and an initial speed of 95 km / h to a pressing pressure of 25 kN.
（摩耗量）
上記制動距離試験において車両を停止させる動作一回あたりに対して、単位制輪子あたりの制輪子摩耗量を測定した。
（車輪温度）
上記制動距離試験において車両を停止させた際の車輪温度を測定した。車輪温度は、外側面（反フランジ側）から１０mm、４０ｍｍ、７０mm、踏面から深さ１０ｍｍの位置で測定した。
(Abrasion amount)
In the above braking distance test, the amount of wear of the control wheel per unit control wheel was measured for each operation of stopping the vehicle.
(Wheel temperature)
The wheel temperature when the vehicle was stopped in the braking distance test was measured. The wheel temperature was measured at a position of 10 mm, 40 mm, 70 mm from the outer surface (on the opposite flange side) and a depth of 10 mm from the tread surface.
（制輪子温度）
上記制動距離試験において車両を停止させた際の左右２個の制輪子の温度を測定した。温度の測定点は、制輪子の進入端面からの距離を４０ｍｍ、摩擦面からの深さ１０ｍｍとした。
(Controlling temperature)
In the braking distance test, the temperatures of the two left and right control members when the vehicle was stopped were measured. The temperature was measured at a distance of 40 mm from the approach end face of the control wheel and a depth of 10 mm from the friction surface.
表４、図８を参照すれば、制動ブロックとして、アルミナとカーボンナノチューブを含有するブロックを用いた場合（実施例２，３）には、アルミナ単体のブロックを用いた場合（比較例３，４）と比較して、制動距離が短くなり、高性能な制動性を発揮した（特に初速度１３５ｋｍ／ｈにおいて）。また、車輪温度についても、実施例２，３の場合には、比較例３，４と比較して、最高温度が顕著に低くなる。車輪最高温度は、ブロックなしの場合（比較例１，２）と比較して、セラミックスブロックを使用した場合（比較例３，４、実施例２，３）には高くなったが、車輪へ影響を与えない程度の３５０℃以下であった。また、アルミナとカーボンナノチューブを含有するブロックを用いた場合（実施例２，３）には、（平均）制輪子最高温度は同程度であった。 Referring to Table 4 and FIG. 8, when a block containing alumina and carbon nanotubes is used as a braking block (Examples 2 and 3), a block of alumina alone is used (Comparative Examples 3 and 4). ), The braking distance was shortened and high performance braking performance was exhibited (particularly at an initial speed of 135 km / h). As for the wheel temperature, in the case of Examples 2 and 3, the maximum temperature is significantly lower than in Comparative Examples 3 and 4. The maximum wheel temperature was higher when the ceramic block was used (Comparative Examples 3 and 4 and Examples 2 and 3) compared to the case without the block (Comparative Examples 1 and 2), but it affected the wheel. The temperature was 350 ° C. or less. When the block containing alumina and carbon nanotubes was used (Examples 2 and 3), the (average) maximum temperature of the control wheel was about the same.
図８を参照すれば、制動ブロックを使用しない比較例１と比較例２での比較において、低合金鋳鉄を用いた場合（比較例２）には、制動距離が顕著に長くなる。これに対して低合金鋳鉄にセラミックスブロックを導入することにより、合金鋳鉄にセラミックスブロックを導入した場合と同程度の制動距離となる（比較例３，４、実施例２，３）。特に図９に示すように、制動ブロックを使用しない「なし」（比較例１，２）における制動距離を１００％とした場合、低合金鋳鉄の場合にはセラミック導入による制動距離の短縮効果が顕著になる。また、カーボンナノチューブを導入することによって、制動距離は更に短くなる。特に、制輪子の摩耗量に関しては、セラミックスブロックの導入によって、顕著に低減している。このように、低合金鋳鉄と、セラミックスブロックの組合せにおいては、相乗効果を発揮する。 Referring to FIG. 8, in the comparison between Comparative Example 1 and Comparative Example 2 in which no braking block is used, the braking distance becomes significantly longer when low alloy cast iron is used (Comparative Example 2). On the other hand, by introducing the ceramic block into the low alloy cast iron, the braking distance is comparable to that when the ceramic block is introduced into the alloy cast iron (Comparative Examples 3 and 4, Examples 2 and 3). In particular, as shown in FIG. 9, when the braking distance in “None” (Comparative Examples 1 and 2) in which no braking block is used is 100%, in the case of low alloy cast iron, the braking distance shortening effect by introducing the ceramic is remarkable. become. Moreover, the braking distance is further shortened by introducing carbon nanotubes. In particular, the amount of wear on the brake is significantly reduced by the introduction of ceramic blocks. Thus, the combination of the low alloy cast iron and the ceramic block exhibits a synergistic effect.
（制動試験後の摩擦面の観察）
１３５ｋｍ／ｈからのブレーキ試験に用いた、比較例３に係る制動ブロックがアルミナを含有する制輪子（以下、単に「アルミナ制輪子」とする）と、実施例２に係る制動ブロックとしてアルミナとカーボンナノチューブを含有する制輪子（以下、単にＣＮＴ制輪子とする）を調査対象とした。ブレーキ試験は両抱きのため、試験には制輪子を２個使用したが、左側に取り付けられていた制輪子のみを調査した。調査位置を図１０に示す。
(Observation of friction surface after braking test)
The brake block according to Comparative Example 3 used for the brake test from 135 km / h contains a brake containing alumina (hereinafter, simply referred to as “alumina brake”), and alumina and carbon as the brake block according to Example 2. A control ring containing nanotubes (hereinafter simply referred to as a CNT control ring) was investigated. Since the brake test is for both hugs, two control wheels were used in the test, but only the control wheel mounted on the left side was investigated. The survey position is shown in FIG.
調査対象となる制輪子の摩擦表面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察し、合わせてエネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ）による元素マッピングも実施した。
これらの結果を図１１〜１８に示した。尚、これらの写真は全て、左から右への方向が摩擦方向である。
The friction surface of the control wheel to be investigated was observed with a scanning electron microscope (SEM), and element mapping was also performed by energy dispersive X-ray analysis (EDX).
These results are shown in FIGS. In all these photographs, the direction from left to right is the direction of friction.
アルミナ制輪子と、ＣＮＴ制輪子の摩擦側面を金属顕微鏡像にて観察した。図１１は、実施例２に係る制輪子の摩擦面付近の切断面の金属顕微鏡像である。図１２は比較例３に係る制輪子の摩擦面付近の切断面の金属顕微鏡像である。実施例２のＣＮＴ制輪子では、摩擦表面近傍にアルミナ粒子が残っている。 The friction side surfaces of the alumina control wheel and the CNT control wheel were observed with a metallographic microscope image. FIG. 11 is a metallographic microscope image of a cut surface in the vicinity of the friction surface of the control wheel according to the second embodiment. FIG. 12 is a metallographic microscope image of a cut surface in the vicinity of the friction surface of the control device according to Comparative Example 3. In the CNT control wheel of Example 2, alumina particles remain in the vicinity of the friction surface.
ＣＮＴ制輪子の摩擦表面付近の切断面のＳＥＭ像およびＥＤＸによる元素マップを図１３に示す。アルミナ制輪子の摩擦表面付近の切断面のＳＥＭ像及びＥＤＸによる元素マップを図１４に示す。これらの結果によれば、アルミナ制輪子の結果よりも、ＣＮＴ制輪子では、摩擦表面近傍にアルミナ粒子が残っている。 FIG. 13 shows an SEM image of the cut surface near the friction surface of the CNT control wheel and an element map by EDX. FIG. 14 shows an SEM image of the cut surface near the friction surface of the alumina control wheel and an element map by EDX. According to these results, alumina particles remain in the vicinity of the friction surface in the CNT control wheel, rather than the result of the alumina control wheel.
ＣＮＴ制輪子の摩擦表面のＳＥＭ像およびＥＤＸによる元素マップを図１５〜図１７に示す。図１５には、摩擦表面に炭素が凝集している様子が観測され、これはＣＮＴと考えられる。また、アルミ成分及び酸素成分が鋳鉄の領域を含めて全体に観察されている。図１６は、図１５を拡大したものである。この像から凝集体の主成分は炭素であることがわかり、ＣＮＴが凝集していると考えられる。図１７は、摩擦表面に摩耗粉が凝集している箇所である。摩擦面には炭素が検出されており、ＣＮＴを含む物質が摩耗粒子をトラップしていると考えられる。 15 to 17 show SEM images of the friction surface of the CNT control wheel and element maps by EDX. In FIG. 15, it is observed that carbon is agglomerated on the friction surface, which is considered to be CNT. Moreover, the aluminum component and the oxygen component are observed as a whole including the cast iron region. FIG. 16 is an enlarged view of FIG. From this image, it can be seen that the main component of the aggregate is carbon, and it is considered that the CNTs are aggregated. FIG. 17 shows a location where wear powder is agglomerated on the friction surface. Carbon is detected on the friction surface, and it is considered that a substance containing CNT traps wear particles.
アルミナ制輪子の摩擦表面のＳＥＭ像およびＥＤＸによる元素マップを図１８に示す。この図の摩擦表面にそれほどアルミナ粒子が残っていないことが観察される。 FIG. 18 shows an SEM image of the friction surface of the alumina control wheel and an element map by EDX. It is observed that not much alumina particles remain on the friction surface in this figure.
１３５ｋｍ／ｈからのブレーキ試験後のアルミナ制輪子およびＣＮＴ制輪子の摩擦側面および摩擦表面の金属顕微鏡および走査型電子顕微鏡による観察およびエネルギー分散型Ｘ線分析を実施した結果、アルミナ制輪子の摩擦表面には摩耗粒子の凝集は認められなかったが、ＣＮＴ制輪子の摩擦表面には、摩耗粒子の凝集部分が認められた。 Friction surface of alumina control wheel as a result of observation by metal microscope and scanning electron microscope and energy dispersive X-ray analysis of friction side and friction surface of alumina control wheel and CNT control wheel after brake test from 135 km / h Although no agglomeration of the wear particles was observed, the agglomerated portion of the wear particles was observed on the friction surface of the CNT control wheel.
合金鋳鉄制輪子は、高速からのブレーキにより、制輪子の摩擦表面が熱で溶融し、低速からのブレーキと比較して摩擦係数が低下する。合金鋳鉄制輪子にセラミックスを複合させると、高速からのブレーキ時に発生するセラミックスの摩耗粒子が車輪と制輪子間に介在し、そのことにより高速での摩擦係数の低下を抑えることが報告されている（非特許文献２）。ＣＮＴ制輪子の摩擦表面には、凝集したＣＮＴによるものと考えられる摩耗粒子が認められ、このことにより、ＣＮＴ制輪子の摩擦係数が、アルミナ制輪子より高くなったと考えられる。 In the alloy cast iron brake, the friction surface of the brake is melted by heat due to braking from a high speed, and the coefficient of friction is lower than that from braking from low speed. It has been reported that when ceramics are combined with an alloy cast iron brake, ceramic wear particles generated during braking from high speed are interposed between the wheel and the brake, thereby suppressing a decrease in friction coefficient at high speed. (Non-patent document 2). Wear particles that are thought to be due to agglomerated CNTs were observed on the friction surface of the CNT control wheel, and it is considered that the coefficient of friction of the CNT control device was higher than that of the alumina control wheel.
１００：制輪子
１１０：制輪子本体
１１１：制動摩擦面
１１３：コッタ部
１２０：制動ブロック
１３０：バックメタル
１３１：板状体
１３２：連結体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100: Control wheel 110: Control wheel main body 111: Braking friction surface 113: Cotter part 120: Braking block 130: Back metal 131: Plate-shaped body 132: Connection body
Claims (6)
前記制輪子本体に埋め込まれており、一部が前記制動摩擦面に露出する制動ブロックとを有する、車両用制輪子において、
前記制動ブロックが、セラミックス及びカーボンナノチューブを含有し、
前記制動ブロックが、焼結したセラミックスを主成分とし、前記カーボンナノチューブを含む、多孔質ブロックである骨格を有し、
前記カーボンナノチューブが、前記骨格の中に分散し、
前記セラミックスが、アルミナを含有し、
前記多孔質ブロックの気孔内に鋳鉄が充填されており、
前記多孔質ブロックの気孔が、連通されており、
前記多孔質ブロックの空孔率が５〜３０ｐｐｉであることを特徴とする、車両用制輪子。 A control body made of cast iron having a braking friction surface;
In the vehicle brake, which is embedded in the main body of the brake and has a braking block that is partially exposed to the braking friction surface.
The braking block contains ceramics and carbon nanotubes;
The braking block has a skeleton that is a porous block, which is mainly composed of sintered ceramics and includes the carbon nanotubes,
The carbon nanotubes are dispersed in the skeleton;
The ceramic contains alumina,
Cast iron is filled in the pores of the porous block,
The pores of the porous block are communicated,
The vehicle control device according to claim 1, wherein the porosity of the porous block is 5 to 30 ppi.
前記合金鋳鉄は、Ｍｏ含有量が０．３質量％以下、Ｎｉ含有量が０．３質量％以下であることを特徴とする、請求項１記載の車両用制輪子。 The cast iron is alloy cast iron,
The vehicle alloy according to claim 1, wherein the alloy cast iron has a Mo content of 0.3 mass% or less and a Ni content of 0.3 mass% or less.
前記多孔質ブロックが移動可能に配置された鋳型内に、溶融鋳鉄を注湯する注湯工程と、
前記多孔質ブロックと前記溶融鋳鉄との比重差によって前記制動ブロックを移動させて前記多孔質ブロックの一部を前記制動摩擦面から露出させる工程と、を有し、
前記多孔質ブロックが、鋳型として用いる発泡高分子材料に対して、セラミックス及びカーボンナノチューブを含むスラリーを含浸し乾燥させて、当該発泡高分子材料を取り除く脱脂を行い、更に、前記セラミックスを焼結することにより得ることを特徴とする、車両用制輪子の製造方法。 It is a manufacturing method of the control device for vehicles according to any one of claims 1 to 3 ,
A pouring step of pouring molten cast iron into a mold in which the porous block is movably disposed;
A step of moving the braking block by a specific gravity difference between the porous block and the molten cast iron to expose a part of the porous block from the braking friction surface,
The porous block is impregnated with a slurry containing ceramics and carbon nanotubes for the foamed polymer material used as a mold, dried to remove the foamed polymer material, and further sintered with the ceramic. A method of manufacturing a vehicle brake member, characterized by being obtained by
前記多孔質ブロックが、焼結したセラミックスを主成分とし、前記カーボンナノチューブを含む骨格を有し、
前記カーボンナノチューブが、前記骨格の中に分散し、
前記セラミックスが、アルミナを含有し、
前記多孔質ブロックの気孔が、連通されており、
前記多孔質ブロックの空孔率が５〜３０ｐｐｉであることを特徴とする、摩擦材料。 A porous block having a skeleton containing ceramics and carbon nanotubes;
The porous block is mainly composed of sintered ceramics and has a skeleton containing the carbon nanotubes,
The carbon nanotubes are dispersed in the skeleton;
The ceramic contains alumina,
The pores of the porous block are communicated,
A friction material, wherein the porosity of the porous block is 5 to 30 ppi.
鋳型として用いる発泡高分子材料に対して、セラミックス及びカーボンナノチューブを含むスラリーを含浸させる含浸工程と、
前記含浸工程後に前記スラリーを乾燥させる乾燥工程と、
前記乾燥工程後に、前記発泡高分子材料を取り除く脱脂工程及びセラミックスを焼結する焼結工程と
を含む工程により前記多孔質ブロックを得ることを特徴とする、摩擦材料の製造方法。 A method for producing a friction material according to claim 5 ,
An impregnation step of impregnating a foamed polymer material used as a mold with a slurry containing ceramics and carbon nanotubes;
A drying step of drying the slurry after the impregnation step;
After the said drying process, the said porous block is obtained by the process including the degreasing process which removes the said foaming polymeric material, and the sintering process which sinters ceramics, The manufacturing method of the friction material characterized by the above-mentioned.
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