高速鐵道用燒結(jié)摩擦材料的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供具有高制動力且制動力的高溫穩(wěn)定性優(yōu)異的燒結(jié)摩擦材料。本發(fā)明的燒結(jié)摩擦材料具有如下的化學(xué)組成：以質(zhì)量%計(jì)含有7.5%以上的Fe、50%以上的Cu、5～15%的石墨、0.3～7%的二硫化鉬和0.5～10%的二氧化硅，F(xiàn)e/Cu為0.15～0.40。
【專利說明】高速鐵道用燒結(jié)摩擦材料
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及作為高速鐵道車輛所使用的制動器襯片材料、盤式制動器襯墊材料有用的燒結(jié)摩擦材料。
【背景技術(shù)】
[0002]德國的ICE、法國TGV等世界上的高速鐵道具有超過300km/h的行駛速度正在成為常識。在日本國內(nèi)，也有JR各公司致力于新干線的速度提高。為了謀求速度提高，從高速也能可靠地停止的制動器是不可或缺的。尤其是，在地震等自然災(zāi)害的危險性高的日本，再生制動不工作時，用于可靠且以短距離使列車停止的制動器的性能、可靠性的提高是必需的。
[0003]作為制動器襯片材料、盤式制動器襯墊材料等所使用的材料，公開了各種燒結(jié)材料(參照專利文獻(xiàn)I-8)。由現(xiàn)有的金屬系燒結(jié)材料構(gòu)成的襯片大多添加硬質(zhì)顆粒(二氧化硅等陶瓷)等，產(chǎn)生機(jī)械作用(刮擦作用)，由此確保摩擦系數(shù)(μ )，也有一部分通過在襯片中添加Fe等元素來提高摩擦系數(shù)。
[0004]例如，專利文獻(xiàn)7中公開了一個技術(shù)方案，其涉及“一種銅系燒結(jié)摩擦材料，其特征在于，由組成為錫粉:0.5-15wt%、鋅粉:0.I-30wt%、鎳粉:5-25wt%、鐵粉:5-25wt%、不銹鋼粉:0.1-20wt%、銅粉:余量的基體金屬成分55-80wt%、潤滑材料、摩擦調(diào)節(jié)材料等填料成分20-45wt%的燒結(jié)體形成，(I)鐵粉與不銹鋼粉的總量為8-28wt%,
(2)鐵粉是在氫氣或氨氣氣氛中、在600-1200°C的溫度下熱處理過的粒徑范圍為40-150 μ m的電解鐵粉?！?。引用文獻(xiàn)7的技術(shù)方案中，組合使用電解鐵粉和不銹鋼粉時，鐵成分作為阻礙燒結(jié)性的成分發(fā)揮作用，在基體相的鐵成分的周邊產(chǎn)生空隙，產(chǎn)生與摩擦材料中的氣孔、磨削材料類似的作用，在高制動化時順利地發(fā)揮功能。
[0005]專利文獻(xiàn)8中記 載了一種技術(shù)方案，其涉及“一種燒結(jié)摩擦材料，其以金屬材料作為基體，包含磨削材料和潤滑材料，其中，作為前述基體的金屬材料，包含鑄鐵25-50體積％和銅I-7體積％?！薄＠墨I(xiàn)8的技術(shù)方案通過使用Fe系的燒結(jié)材料來代替現(xiàn)有的Cu系的燒結(jié)材料從而提高了高溫制動時的摩擦特性。
[0006]現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0007]專利文獻(xiàn)
[0008]專利文獻(xiàn)1:日本特開昭60-106932號公報
[0009]專利文獻(xiàn)2:日本特開昭63-109131號公報
[0010]專利文獻(xiàn)3:日本特開平2-10857號公報
[0011]專利文獻(xiàn)4:日本特開平3-68091號公報
[0012]專利文獻(xiàn)5:日本特開平6-45837號公報
[0013]專利文獻(xiàn)6:日本特開平7-65132號公報
[0014]專利文獻(xiàn)7:日本特開2006-16680號公報
[0015]專利文獻(xiàn)8:日本特開2007-126738號公報
【發(fā)明內(nèi)容】

[0016]發(fā)明要解決的問題
[0017]現(xiàn)有技術(shù)都沒有在掌握制動盤與襯片間的滑動機(jī)理的基礎(chǔ)上進(jìn)行襯片的成分/組織的設(shè)計(jì)，幾乎全都只不過是實(shí)驗(yàn)性的設(shè)計(jì)。另外，對于通過硬質(zhì)顆粒的刮擦作用以圖得到制動力的方式，可以預(yù)想到會難以應(yīng)對高速鐵道的進(jìn)一步高速化(350km/h以上)，存在安全方面的問題。另外，通過硬質(zhì)顆粒的刮擦作用以圖得到更高的制動力時，需要大量的昂貴的硬質(zhì)顆粒，因此，可預(yù)想到會明顯提高制造成本。
[0018]專利文獻(xiàn)7的技術(shù)方案中，例如，如實(shí)施例的表I等所示那樣，燒結(jié)材料整體中的Cu的含量少(至多41質(zhì)量％)，因此得不到充分的導(dǎo)熱性。專利文獻(xiàn)8的技術(shù)方案是Fe的含量多于Cu的Fe系的燒結(jié)材料,其是與像制動盤那樣的對偶材料(mating material)同樣的材料，因此，制動時的磨耗量極端地增多。
[0019]本發(fā)明為了解決這種現(xiàn)有技術(shù)的問題，目的在于提供對鋼制的對偶材料(例如，制動盤)具有高摩擦系數(shù)和優(yōu)異的耐磨耗性的高速鐵道用燒結(jié)摩擦材料。
[0020]用于解決問題的方案
[0021]本發(fā)明人等特別研究了構(gòu)成與鍛鋼制或鑄鋼制的圓盤配合使用的襯片的燒結(jié)摩擦材料。于是確認(rèn)到，使用在構(gòu)成燒結(jié)摩擦材料的金屬材料中添加了 Fe粉的襯片時，在制動時與對置的圓盤所含的Fe反應(yīng)，兩者的Fe彼此凝結(jié)而顯示出高摩擦系數(shù)。這種同種金屬間或共晶系等在滑動時熔接性增大的效果在摩擦學(xué)(tribology)領(lǐng)域作為“同質(zhì)合金效應(yīng)(same-metal phenomenon) ”而公知，出于發(fā)生燒熔等理由，作為機(jī)械部件被視為不優(yōu)選。另一方面，已知通過在金屬材料中添加Fe，盡管摩擦系數(shù)上升，但會產(chǎn)生在制動時溫度過度上升而耐磨耗性極端地降低的問題。
[0022]本發(fā)明人等為了解決上述問題而進(jìn)行了深入研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過在金屬相中添加適量的Fe使金屬相自身 具有提高摩擦系數(shù)的功能，并且以顯示高熱導(dǎo)率的Cu作為金屬相的基本成分來防止由Fe添加導(dǎo)致的過度的溫度上升，能夠提高制動力的高溫穩(wěn)定性。
[0023]圖1、圖2和圖3是整理在160km/h、325km/h和360km/h的各試驗(yàn)條件下平均摩擦系數(shù)與Fe/Cu的值的關(guān)系而得到的圖。圖中〇為在950°C下進(jìn)行了燒結(jié)的材料，?為在1000°C下進(jìn)行了燒結(jié)的材料、□為在1030°C下進(jìn)行了燒結(jié)的材料。各材料的化學(xué)組成示于后文的實(shí)施例的表I。
[0024]如圖1所示，在160km/h的試驗(yàn)中，存在Fe/Cu的值越大、平均摩擦系數(shù)也越大的傾向。但是，如圖2所示，在325km/h的試驗(yàn)中，存在Fe/Cu的值越大、平均摩擦系數(shù)全部降低的傾向。如圖3所示，尤其是在365km/h的試驗(yàn)中，在Fe/Cu大的區(qū)域，平均摩擦系數(shù)的降低顯著。由此可知，在160km/h左右的速度條件下，F(xiàn)e/Cu的值大會使平均摩擦系數(shù)上升，但在對于高速鐵道可預(yù)想的350km/h以上這樣的速度條件下，過度增大Fe/Cu時，反而平均摩擦系數(shù)降低，制動力降低。
[0025]本發(fā)明是基于上述見解而做出的，以下述(A)-(E)所示的燒結(jié)摩擦材料為要旨。
[0026](A) 一種高速鐵道用燒結(jié)摩擦材料，其以質(zhì)量％計(jì)含有7.5%以上的Fe、50%以上的Cu、5-15%的石墨、0.3-7%的二硫化鑰和0.5-10%的二氧化硅，F(xiàn)e/Cu為0.15-0.40。
[0027](B) 一種高速鐵道用燒結(jié)摩擦材料，其特征在于，通過如下的磨耗試驗(yàn)而求出的燒結(jié)摩擦材料的平均磨耗量M與平均摩擦系數(shù)F的關(guān)系滿足M <38.2XF+0.345的關(guān)系，所述磨耗試驗(yàn)中，準(zhǔn)備由具有上述(A)所示的化學(xué)組成的燒結(jié)摩擦材料形成的、具有長度55mm、寬度38_、厚度15_的尺寸的四對襯片，將這些襯片繞著制動盤的轉(zhuǎn)軸等間隔配置于外徑400mm、厚度20mm的鍛鋼制制動盤的半徑170mm的位置，通過從制動盤的兩面以2.24kN的壓力按壓而將初速度365km/h的車輪制動。
[0028](C)根據(jù)上述(A)或(B)的高速鐵道用燒結(jié)摩擦材料，其特征在于，作為Fe粉，使用軋鋼皮粉(mill scale powder)。
[0029](D)根據(jù)上述(A)-(C)中任一項(xiàng)的高速鐵道用燒結(jié)摩擦材料，其特征在于，密度為4.6以上。
[0030](E)根據(jù)上述㈧-⑶中任一項(xiàng)的高速鐵道用燒結(jié)摩擦材料，其特征在于，在IOOO0C以上的溫度下進(jìn)行了燒結(jié)。
[0031]發(fā)明的效果
[0032]本發(fā)明的高速鐵道用燒結(jié)摩擦材料具有高制動力，而且制動力的高溫穩(wěn)定性優(yōu)異。因此，本發(fā)明的高速鐵道用燒結(jié)摩擦材料例如適于用作在交通運(yùn)輸車輛中對制動力要求最聞的聞速鐵道的制動器襯片。 【專利附圖】

【附圖說明】
[0033]圖1是整理160km/h的試驗(yàn)中的平均摩擦系數(shù)與Fe/Cu的值的關(guān)系而得到的圖。
[0034]圖2是整理325km/h的試驗(yàn)中的平均摩擦系數(shù)與Fe/Cu的值的關(guān)系而得到的圖。
[0035]圖3是整理365km/h的試驗(yàn)中的平均摩擦系數(shù)與Fe/Cu的值的關(guān)系而得到的圖。
[0036]圖4是整理160km/h的試驗(yàn)中的平均磨耗量與Fe/Cu的值的關(guān)系而得到的圖。
[0037]圖5是整理325km/h的試驗(yàn)中的平均磨耗量與Fe/Cu的值的關(guān)系而得到的圖。
[0038]圖6是整理365km/h的試驗(yàn)中的平均磨耗量與Fe/Cu的值的關(guān)系而得到的圖。
[0039]圖7是整理365km/h的試驗(yàn)中的平均磨耗量與平均摩擦系數(shù)的關(guān)系而得到的圖。
【具體實(shí)施方式】
[0040]以下，主要以將本發(fā)明的燒結(jié)摩擦材料用于襯片的情況為例來說明本發(fā)明的實(shí)施方式。燒結(jié)摩擦材料所含的各成分相互關(guān)聯(lián)并影響作為摩擦材料的特性，因此，分別針對各成分討論限定理由不一定恰當(dāng)，但是仍對大致的限定理由進(jìn)行說明。在以下的說明中，各成分的“％”意味著“質(zhì)量％”。
[0041]1.關(guān)于金屬材料
[0042]Cu:50% 以上
[0043]Cu是具有高導(dǎo)熱性的元素，本發(fā)明中形成燒結(jié)摩擦材料的基質(zhì)。為了得到該Cu主體的燒結(jié)體，需要含有50%以上的Cu。Cu的含量的上限根據(jù)與添加成分的均衡來確定即可，沒有特別限定，但優(yōu)選設(shè)為67%以下。
[0044]Fe:7.5% 以上
[0045]Fe是對于鋼制的圓盤而言共金效應(yīng)最大的元素。為了得到該效果，需要將Fe的含量設(shè)為7.5%以上。對Fe含量的上限沒有特別限定，但Fe含量過多時，根據(jù)燒結(jié)溫度，有時耐磨耗性降低。因此，F(xiàn)e的含量優(yōu)選設(shè)為36%以下。[0046]在與Cu含量的關(guān)系中Fe含量過少時,有時摩擦系數(shù)不足,或產(chǎn)生耐磨耗性的問題。因此，F(xiàn)e和Cu的質(zhì)量比(Fe/Cu)需要設(shè)為0.15以上。另一方面，F(xiàn)e/Cu過度增大時，F(xiàn)e顆粒變得容易脫落，反而使摩擦系數(shù)降低。因此，F(xiàn)e/Cu設(shè)為0.40以下。Fe/Cu優(yōu)選設(shè)為0.36以下。
[0047]為了得到良好的燒結(jié)性、或者為了使控制摩擦力的Fe均勻分散，作為燒結(jié)摩擦材料的原料而添加的Fe粉優(yōu)選使用粒徑為45 μ m以下的Fe粉。另外，粒徑過小時，每單位體積的表面積增大，變得容易聚集，燒結(jié)性、均勻分散性都降低，因此其粒徑優(yōu)選為5 μ m以上。
[0048]此外，專利文獻(xiàn)7所述的技術(shù)方案中，使用預(yù)先在氫氣或氨氣氣氛中熱處理過的Fe粉，但這種實(shí)施過熱處理的Fe粉如專利文獻(xiàn)7也記載那樣地阻礙燒結(jié)性。因此，作為燒結(jié)摩擦材料的原料而添加的Fe粉優(yōu)選使用軋鋼皮粉而非這種實(shí)施過處理的Fe粉。
[0049]燒結(jié)摩擦材料中的金屬基體的成分包含規(guī)定量的Fe和Cu即可。例如，除了由Fe和Cu形成之外，在這些元素的基礎(chǔ)上，為了提高強(qiáng)度，還可以含有Cr、Mo等元素。
[0050]2.關(guān)于其它添加物
[0051]石墨:5-15%
[0052]石墨通過夾雜在圓盤與襯片之間而抑制圓盤與襯片的凝結(jié)，對摩擦系數(shù)的穩(wěn)定化和耐磨耗性的提高是有用的。該效果在其含量不足5%時無法充分發(fā)揮。另一方面，其含量超過15%時，燒結(jié)體的材料強(qiáng)度降低。
[0053]二硫化鑰:0.3 -7%
[0054]二硫化鑰(MoS2)與石墨同樣對摩擦系數(shù)的穩(wěn)定化和耐磨耗性的提高是有用的，而且具有防止所謂“摩擦音”的效果，進(jìn)而在高載荷時具有賦予潤滑性的效果。該效果在不足
0.3%時無法發(fā)揮，超過7%時，燒結(jié)體的材料強(qiáng)度明顯降低，耐磨耗性受損。
[0055]二氧化硅:0.5 -10%
[0056]二氧化硅(SiO2)通過所謂“掘出效果”去除在作為對偶材料的圓盤表面所產(chǎn)生的氧化皮膜，使圓盤與襯片之間發(fā)生的Fe彼此的凝結(jié)穩(wěn)定地產(chǎn)生，對確保摩擦力是有效的。然而，不足0.5%時，不產(chǎn)生掘出效果，另一方面，超過10%時，使圓盤表面粗糙損耗。
[0057]燒結(jié)摩擦材料中，包含上述各種成分即可。除上述成分之外，也可以含有通常添加于燒結(jié)摩擦材料的各種成分。例如，可以含有二硫化鎢、鉍、銻等潤滑成分，氧化鋁、富鋁紅柱石、氮化硅、鋯砂等化合物。本發(fā)明的燒結(jié)摩擦材料為了得到充分的強(qiáng)度，密度優(yōu)選為4.6以上。
[0058]3.關(guān)于燒結(jié)摩擦材料的制造方法
[0059]本發(fā)明的燒結(jié)摩擦材料可以通過一般的制造方法來制造，例如，在Cu粉中混合Fe粉、各種添加物等，成形后，進(jìn)行燒結(jié)，從而制造。另外，對于作為原料使用的Cu粉末，也可以在通過霧化等制造粉末時使用預(yù)先含有Fe的原料粉末。
[0060]但是，在Cu粉末中添加Fe粉末時，擔(dān)心摩擦?xí)r的溫度上升的Fe相被包含于顯示出聞熱導(dǎo)率的Cu相，可以提聞制動器的聞溫穩(wěn)定性，并且將Cu相強(qiáng)化，故而耐磨耗性提聞。
[0061]高速鐵道用襯片由于制動時的摩擦熱而成為表面熔融了的狀態(tài)。這意味著，制動時被加熱至構(gòu)成襯片的顆粒中熔點(diǎn)最低的Cu的熔點(diǎn)(1083°C )程度。此時，燒結(jié)體的磨耗受到燒結(jié)體的燒結(jié)頸強(qiáng)度的影響，燒結(jié)頸在結(jié)合顆粒的熱膨脹差異大時因其應(yīng)變而斷裂。本發(fā)明中，使用熱膨脹差異大的Fe顆粒和Cu顆粒(關(guān)于室溫下的熱膨脹系數(shù)，F(xiàn)e為
11.7 X 10-6/°C, Cu為16.5X10_6/°C )。因此，關(guān)于燒結(jié)溫度，盡可能地在Cu的熔點(diǎn)附近的溫度下燒結(jié)是有效的，優(yōu)選設(shè)為1000°C以上。由此可以將燒結(jié)體結(jié)構(gòu)制成可耐受制動時由熱造成的膨脹導(dǎo)致的應(yīng)變的結(jié)構(gòu)，可以提高耐磨耗性。另一方面，即使在太高的高溫下進(jìn)行燒結(jié)，也得不到與成本相符的效果。因此，燒結(jié)溫度優(yōu)選以Cu的熔點(diǎn)以下的1083°C作為上限。
[0062]得到的燒結(jié)體通過通常的放電加工等切出規(guī)定的尺寸，安裝于制動器系統(tǒng)，由此可作為制動器襯片使用。
[0063]實(shí)施例1
[0064]混合表I所示的原料粉末后，通過表2所示的制造工藝制作燒結(jié)摩擦材料。對得到的燒結(jié)摩擦材料通過下述方法測定強(qiáng)度、硬度和密度。將其結(jié)果一并記載于表I。其中，原料粉末中，Cu使用福田金屬箔粉公司CE-15 (電解銅粉，最大粒徑75 μ m)，F(xiàn)e使用HdganSs公司ASC300 (軋鋼皮，還原，最大粒徑45 μ m)，Cr使用高純度化學(xué)公司CRE03PB (最大粒徑63 μ m)，Mo使用高純度化學(xué)公司M0E02PB (最大粒徑63 μ m)，石墨使用SEC公司SGP-100 (扁平狀人造石墨，平均粒徑 120 μ m)，MoS2 使用 Kishida Chemical C0.，Ltd.010-51125，SiO2使用高純度化學(xué)公司S1008PB (平均粒徑4 μ m)。
[0065]< 強(qiáng)度 >
[0066]強(qiáng)度根據(jù)JIS R1601:200 8制作“5.試驗(yàn)片”的“5.1試驗(yàn)片的形狀和尺寸”的圖2所示的試驗(yàn)片，使用“4.裝置和器具”的“4.2試驗(yàn)夾具”的圖1a所示的旋轉(zhuǎn)形3點(diǎn)η彎曲試驗(yàn)夾具進(jìn)行測定。
[0067]< 硬度 >
[0068]硬度測定顯微維氏硬度(載荷50g，MHv50)。其中，未對N0.2、4測定硬度。
[0069]〈密度〉
[0070]密度通過阿基米德法測定。
[0071]將各自的結(jié)果示于表2。
[0072]
[0073]
【權(quán)利要求】
1.一種高速鐵道用燒結(jié)摩擦材料，其特征在于，以質(zhì)量％計(jì)含有7.5%以上的Fe、50%以上的Cu、5-15%的石墨、0.3-7%的二硫化鑰和0.5-10%的二氧化硅，F(xiàn)e/Cu為0.15-0.40。
2.一種高速鐵道用燒結(jié)摩擦材料,其特征在于，由如下的磨耗試驗(yàn)求出的燒結(jié)摩擦材料的平均磨耗量M與平均摩擦系數(shù)F的關(guān)系滿足M≤38.2XF+0.345的關(guān)系， 所述磨耗試驗(yàn)中，準(zhǔn)備由具有權(quán)利要求1所示的化學(xué)組成的燒結(jié)摩擦材料形成的、具有長度55mm、寬度38mm、厚度15mm的尺寸的四對襯片,將這些襯片繞著制動盤的轉(zhuǎn)軸等間隔配置于外徑400mm、厚度20mm的鍛鋼制制動盤的半徑170mm的位置,通過從制動盤的兩面以2.24kN的壓力按壓而將初速度365km/h的車輪制動。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高速鐵道用燒結(jié)摩擦材料，其特征在于，作為Fe粉，使用軋鋼皮粉。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的高速鐵道用燒結(jié)摩擦材料，其特征在于，密度為4.6以上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的高速鐵道用燒結(jié)摩擦材料，其特征在于，在10000C以上的溫度下進(jìn)行了燒結(jié)。
【文檔編號】F16D69/02GK103459626SQ201280016413
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2012年3月28日 優(yōu)先權(quán)日:2011年3月30日
【發(fā)明者】石本史雄, 香月太, 阿佐部和孝, 神田修 申請人:新日鐵住金株式會社