JP6022626B2 - 車両用制輪子及び摩擦材料、並びにこれらの製造方法 - Google Patents

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。

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。

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）。

特開平７−１０３２６７号公報 特開平１０−３０６６１号公報 特開２００１−２４６４５５号公報

ＲＴＲＩ ＲＥＰＯＲＴ Ｖｏｌ．２２，Ｎｏ．４，Ａｐｒ．２００８ ｐ１７−２２．「摩擦特性に優れた鋳鉄複合化制輪子の開発」 T. Miyauchi, T. Tsujimura, K. Handa, J. Nakayama, K. Shimuzu, Influence of silicon carbide filters in cast iron composite brake blocks on brake performance and development of a production process Wear 267 (2009) 833-838

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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、ｓｐ^２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。

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。

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。

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。

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）は側面断面図である。 図２は、実施例において使用したカーボンナノチューブ−アルミナ多孔質ブロックの写真である。 図３は、実施例に係るカーボンナノチューブ−アルミナ多孔質ブロックのＳＥＭ写真である。 図４は、実施例に係るカーボンナノチューブ−アルミナ多孔質ブロックのＳＥＭ写真である。 図５は、実施例に係るカーボンナノチューブ−アルミナ多孔質ブロックのＳＥＭ写真である。 図６は、実施例に係るカーボンナノチューブ−アルミナ多孔質ブロックのＴＧＡの測定結果を示すグラフである。 図７は、実施例において使用した制輪子の写真である。 図８は、制動試験における各種評価項目の試験結果を示す図である。 図９は、制動試験における各種評価項目の試験結果を示す図である。 図１０は、制動試験後の制輪子の切断箇所及び観察箇所を説明する図である。 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。 図１３は、実施例２に係る制輪子の切断面のＳＥＭ像およびＥＤＸによる元素マップである。 図１４は、比較例３に係る制輪子の切断面のＳＥＭ像およびＥＤＸによる元素マップである。 図１５は、実施例２に係る制輪子の摩擦面のＳＥＭ像およびＥＤＸによる元素マップである。 図１６は、実施例２に係る制輪子の摩擦面のＳＥＭ像およびＥＤＸによる元素マップである。 図１７は、実施例２に係る制輪子の摩擦面のＳＥＭ像およびＥＤＸによる元素マップである。 図１８は、比較例３に係る制輪子の摩擦面のＳＥＭ像およびＥＤＸによる元素マップである。

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。

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）。

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）。

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。

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。

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。

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。

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＋Ｆｅ_３Ｃ＋Ｆｅ_３Ｐ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。

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Ｆｅ_３Ｐとしてγ＋Ｆｅ_３Ｃ＋Ｆｅ_３Ｐ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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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１．２〜２．５×１０^４ＭＰａ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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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・ＳｉＯ_２系やジルコン系塗型剤が挙げられる。

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。

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。

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。

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・ＳｉＯ_２系）｝を塗布した。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

（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。

（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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims (6)

1. 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。
2. 前記鋳鉄が、合金鋳鉄であり、
   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。
3. 前記合金鋳鉄は、Ｐ含有量が、０．３〜２．０質量％である、請求項１又は２記載の車両用制輪子。
4. 請求項１〜３いずれか一項記載の車両用制輪子の製造方法であって、
   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。
5. セラミックス及びカーボンナノチューブ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、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。
6. 請求項５記載の摩擦材料の製造方法であって、
   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。