本发明涉及新干线等高速铁路车辆所使用的烧结摩擦材料及其制造方法。
背景技术：
新干线等高速铁路车辆的每个车辆的重量超过40t，以超过300km/h的行驶速度运行。因此，必不可少的是能将这样的高速运行的车辆可靠地停止的制动器。特别是，希望一种在紧急情况时，能安全且以短距离停止的制动器。
以往，作为高速铁路车辆用制动器，一般而言并用：将马达作为发电机使用从而施加制动的电力制动器；将摩擦材料按压在与车轴一起旋转的制动器转子从而施加制动的基础制动器(盘式制动器)。其中，构成盘式制动器的摩擦材料通常是在铜、铁等基体材料添加摩擦调整材料、抛光材料和润滑剂等而制造的。
例如，日本特开2006-16680号公报公开了铜类烧结摩擦材料，其特征在于，包括0.5wt％～15wt％的锡粉末、0.1wt％～30wt％的锌粉末、5wt％～25wt％的镍粉末、5wt％～25wt％的铁粉末、0.1wt％～20wt％的不锈钢粉末、剩余部分为铜粉末的基质金属成分为55wt％～80wt％；润滑剂、摩擦调整材料等填充物成分为20wt％～45wt％的烧结体，(1)铁粉末和不锈钢粉末的合计量为8wt％～28wt％，(2)铁粉末在氢气或者氨气气氛下以600℃～1200℃的温度热处理的粒径范围为40μm～150μm的电解铁粉末。
另外，日本特开2007-126738号公报公开的烧结摩擦材料在以金属材料为基质，包含磨削材料和润滑剂的烧结摩擦材料中，作为基质的金属材料，包含铸铁25体积％～50体积％、铜1体积％～7体积％。
然而，这些文献所记载的烧结摩擦材料在高速域的摩擦系数、耐磨性方面存在问题。具体而言，日本特开2006-16680号公报所记载的烧结摩擦材料由于通过并用电解铁粉末和不锈钢粉末，从而利用阻碍铁成分烧结的作用，在摩擦材料中产生空隙，利用该空隙带来的磨削作用来确保摩擦系数，因此，不能对应高速铁路车辆的进一步高速化(350km/h以上)。另一方面，日本特开2007-126738号公报所记载的技术由于基体材料使用铁类合金，因此具有的问题是：与铜类烧结摩擦材料相比，热传导性较差，在减速时会伴随急剧的温度上升。另外，具有的问题是：由于与对方材料(制动器转子)的关系，减速时的磨损量大，难以确保充分的耐磨性。
对于这些烧结摩擦材料，日本特开2012-207289号公报公开了高速铁路车辆用烧结摩擦材料，其特征在于，含有7.5质量％以上的fe、50质量％以上的cu、5质量％～15质量％的石墨、0.3质量％～7质量％的二硫化钼和0.5质量％～10质量％的二氧化硅，fe/cu为0.15～0.40。该烧结摩擦材料的添加在铜类烧结摩擦材料的fe与对方材料所包含的fe反应，两者附着从而实现高的摩擦系数。另外，基体材料使用热传导性较好的铜，防止减速时的急剧的温度上升。
然而，即使是这样的烧结摩擦材料，由于在减速时产生的摩擦热，其表面会成为超过1000℃的高温。因此，若作为摩擦调整材料添加的fe会氧化，在烧结摩擦材料的表面形成氧化铁层，则不能发挥充分的附着力。所以，在该文献所记载的技术中，难以长期稳定维持高的摩擦系数。
此外，日本特开昭60-200932号公报记载了通过在铜类烧结摩擦材料添加1质量％～20质量％的fecr，从而提高耐热褪色特性和防水褪色特性，特别改善高温域的摩擦系数和耐磨性的技术。
然而，该文献所记载的烧结摩擦材料是以两轮车为对象的，并不是以高速铁路车辆为对象。即，该文献所记载的技术是利用二氧化硅、氧化铝等金属氧化物的刮擦作用来确保摩擦系数，fecr只是为了防止基体材料的熔敷(附着)、塑性流动，提高耐磨性而添加的。所以，在该文献所记载的技术中，与上述的日本特开2006-16680号公报所记载的技术同样，对应高速铁路车辆的进一步高速化是极为困难的。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2006-16680号公报
专利文献2：日本特开2007-126738号公报
专利文献3：日本特开2012-207289号公报
专利文献4：日本特开昭60-200932号公报
技术实现要素：
本发明欲解决的问题
本发明的目的在于提供一种即使在超过300km/h的高速域中，也能够稳定维持高摩擦系数的高速铁路车辆用烧结摩擦材料。另外，本发明的目的在于提供一种在工业规模的制造中能容易制造这样的高速铁路车辆用烧结摩擦材料的方法。
用于解决问题的方案
本发明的高速铁路车辆用烧结摩擦材料的特征在于，以cu为基体材料，包含1体积％～20体积％的fecr、5体积％～20体积％的金属氧化物、30体积％～60体积％的润滑剂。
优选的是包含20体积％以上的所述cu。
更优选的是所述金属氧化物是从mgo、zro2和al2o3选择的1种以上，优选的是mgo、zro2和al2o3这3种。在该情况下，进一步优选的是mgo、zro2和al2o3的体积比为mgo：zro2：al2o3＝1.5～2.5：1.5～2.5：1.0。
此外，本发明的高速铁路车辆用烧结摩擦材料可以进一步包含15体积％以下的sn和zn中的至少1个。
另外，本发明的高速铁路车辆用烧结摩擦材料的制造方法的特征在于，包括：在基体材料的cu粉末中混合1体积％～20体积％的fecr粉末；5体积％～20体积％的金属氧化物粉末；30体积％～60体积％的润滑剂从而得到混合粉末的混合工序；将所述混合粉末放入到成型模具，加压成型从而得到预成型体的成型工序；将所述预成型体与压力板重叠并烧成，从而得到烧结体的烧结工序。
优选的是还包括加工工序，在将所述烧结体在常温、50mpa～90mpa下定径2秒～5秒后，抛光为预定厚度。
优选的是作为所述金属氧化物，使用从mgo、zro2和al2o3中选择的1种以上，更优选的是使用mgo、zro2和al2o3这3种。在该情况下，更优选的是mgo、zro2和al2o3的体积比为mgo：zro2：al2o3＝1.5～2.5：1.5～2.5：1.0。
在所述混合工序中，可以进一步混合15体积％以下的sn和zn中的至少1个。
作为所述fecr粉末，优选的是使用平均粒径为10μm～300μm的fecr粉末。另外，作为所述金属氧化物粉末，优选的是使用平均粒径为50μm～400μm的金属氧化物粉末。
发明的效果
根据本发明，能够提供一种即使在超过300km/h的高速域中，也能够稳定维持高摩擦系数的高速铁路车辆用烧结摩擦材料。另外，能够提供一种在工业规模的制造中能容易制造这样的高速铁路车辆用烧结摩擦材料的方法。因此，本发明的工业意义极大。
附图说明
图1是示出本发明的高速铁路车辆用烧结摩擦材料的一个实施方式的概要平面图。
附图标记的说明
1：制动片
具体实施方式
如上所述，虽然已知烧结摩擦材料中的铬铁(fecr)有防止在从高速域减速时的基体材料附着的效果，但与作为摩擦调整材料的铁不同，一般认为其自身并没有直接提高摩擦系数的效果。
本发明人对于这一点进行反复研究的结果，发现在使重量远远高过汽车、两轮车的高速铁路车辆从超过300km/h的高速域减速的情况下，由于烧结摩擦材料的表面温度高达超过1000℃的高温，因此，fecr会与对方材料附着，能够发挥高的摩擦系数。另外，发现由于fecr的抗氧化性较好，因此，即使暴露在这样的高温的情况下，在烧结摩擦材料的表面也不会形成氧化铁层。
另一方面，在利用烧结摩擦材料与对方材料的附着力来确保高的摩擦系数的情况下，会产生在对方材料的表面产生转移附着物、反应生成物的问题。特别是，在高速铁路车辆的用途中，由于在减速时需要的能量巨大，因此，这些转移附着物、反应生成物的影响大，有的情况下难以长期稳定维持高的摩擦系数。本发明人基于这一点，进行进一步研究的结果发现，通过使作为摩擦调整材料添加的磨削材料和润滑剂的添加量、种类等最优化，能够有效排除转移附着物、反应生成物的影响。本发明是基于这些发现而完成的。
下面，关于本发明的高速铁路车辆用烧结摩擦材料(以下记作“烧结摩擦材料”)，分为“1.高速铁路车辆用烧结摩擦材料”和“2.高速铁路车辆用烧结摩擦材料的制造方法”来进行说明。此外，本发明的烧结摩擦材料的形状、尺寸没有限制，但下面例举如图1所示的厚度为15mm～55mm，短边方向的长度为100mm～200mm，长边方向的长度为350mm～550mm的范围的制动片为例来进行说明。
1.高速铁路车辆用烧结摩擦材料
(1)组成
本发明的烧结摩擦材料的特征在于，以cu为基体材料，包含1体积％～20体积％的铬铁(fecr)、5体积％～20体积％的金属氧化物、30体积％～60体积％的石墨。
[基体材料]
在本发明的烧结摩擦材料中，使用cu作为基体材料。这是因为由于cu的热传导性较好，因此与将fe、fe合金作为基体材料的烧结摩擦材料相比，能够防止表面温度的急剧上升。
cu的含有量没有特别限制，只要是能构成成为烧结摩擦材料的基础的基质的程度即可。具体而言，优选的是cu的含有量为20体积％以上，更优选的是为30体积％以上。在cu的含有量小于20体积％时，由于与其他构成成分的关系，不仅烧结摩擦材料的成型性、强度下降，有的情况下不能确保充分的热传导性。另一方面，cu的含有量的上限应该根据与后述摩擦调整材料、磨削材料等添加成分的关系来决定，但大致优选的是为50体积％以下，更优选的是为45体积％以下。
此外，在本发明的烧结摩擦材料中，也可以是在cu中作为烧结辅助剂添加微量的锡(sn)和锌(zn)中的至少1个，利用cu-sn合金、cu-zn合金或者cu-sn-zn合金构成基体材料。通过用这些cu合金来构成基体材料，能够进行烧结摩擦材料的低温烧结。但是，这些烧结辅助剂的含有量优选的是为15体积％以下。若烧结辅助剂的含有量超过15体积％，则液相温度有可能下降，烧结摩擦材料的耐热温度有可能下降。
[摩擦调整材料]
在本发明中，使用铬铁(fecr)作为摩擦调整材料。fecr的熔点为1400℃～1500℃的范围，比cu的熔点(1083℃)高。因此，在使高速铁路车辆从超过300km/h的高速域减速时，即使在摩擦材料的表面为超过1000℃的高温的情况下，也能够与对方材料进行附着，发挥高的摩擦系数。而且，由于fecr的抗氧化性较好，在减速时不会因为产生的摩擦热而氧化，因此，能够稳定维持这样的高摩擦系数。
此外，作为fecr，可以使用高碳fecr、中碳fecr和低碳fecr的任意一种，但从fecr的耐热温度的观点而言，优选的是使用低碳fecr。
fecr的含有量需要是1体积％～20体积％，优选的是2体积％～10体积％，更优选的是4体积％～8体积％。在fecr的含有量小于1体积％时，不能得到其添加效果。另一方面，由于fecr在固体状态下的硬度高，因此若其含有量超过20体积％，则对方材料的磨损量会显著增加。
[磨削材料]
磨削材料是为了提高摩擦系数，并且利用其磨削作用刮去在对方材料(盘式转子)的摩擦面产生的转移附着物、反应生成物，将摩擦面保持洁净的状态而添加的成分。在本发明的烧结摩擦材料中，由于为了确保高速域的高摩擦系数而利用与对方材料的附着力，因此，这样的磨削材料和后述的润滑剂的含有量、种类的选择也是重要的。
在本发明的烧结摩擦材料中，作为磨削材料，可以使用金属氧化物，其含有量需要为5体积％～20体积％，优选的是6体积％～15体积％，更优选的是7体积％～13体积％。在金属氧化物的含有量小于5体积％时，不能充分发挥上述的功能。另一方面，若金属氧化物的含有量超过20体积％，则相对于对方材料的攻击性过大。
作为这样的金属氧化物，可以根据烧结摩擦材料所要求的性能来选择各种要素。然而，在本发明这样的高速铁路车辆的用途中，从确保对方材料即盘式转子的寿命的观点而言，优选的是使用从氧化镁(mgo)、氧化锆(zro2)和氧化铝(al2o3)中选择的1种以上，更优选的是将这3种金属氧化物组合使用。
在使用mgo、zro2和al2o3作为金属氧化物的情况下，优选的是使其体积比为mgo：zro2：al2o3＝1.5～2.5：1.5～2.5：1.0，更优选的是1.8～2.3：1.8～2.3：1.0，进一步优选的是2：2：1。由此，对烧结摩擦材料赋予适当的磨削作用，能够使从高速域减速时的摩擦系数更稳定。
[润滑剂]
润滑剂是为了防止与对方材料烧结，并且提高烧结摩擦材料的寿命(耐久性)而添加的成分。在本发明的烧结摩擦材料中，作为这样的润滑剂，与现有技术同样，可以使用从石墨、二硫化钼(mos2)、二硫化钨(ws2)、氟化钙(caf2)等选择的至少1种。这些当中，优选的是使用对环境的负载少的石墨。
在使用石墨作为润滑剂的情况下，除了天然石墨之外，也可以使用膨胀石墨、人造石墨，但这些当中优选的是使用天然石墨、人造石墨，更优选的是将天然石墨和人造石墨组合使用。此外，作为天然石墨，优选的是使用鳞状石墨。
在将鳞状石墨和人造石墨组合使用的情况下，优选的是使鳞状石墨和人造石墨的体积比为2.5～3.5：1.0，更优选的是为2.8～3.2：1.0。由此，能够改善从高速域减速时的耐磨性。
润滑剂的含有量合计需要为30体积％～60体积％，优选的是35体积％～50体积％，更优选的是37体积％～48体积％。在润滑剂的含有量小于30体积％时，不能充分得到其添加效果。另一方面，在润滑剂的含有量超过60体积％时，不能充分确保烧结摩擦材料的强度。
(2)特性
[摩擦系数]
如上所述，本发明的烧结摩擦材料由于使用fecr作为摩擦调整材料，因此，在高速域中也能够发挥高的摩擦系数。另外，由于不会因为减速时产生的摩擦热而形成氧化铁层，且适当限制磨削材料、润滑剂的含有量和种类，从而能够去除在对方材料的表面产生的转移附着物、反应生成物，因此能够长期稳定维持这样的高的摩擦系数。
具体而言，在使用本发明的烧结摩擦材料，在以下的条件下进行发电机测试(相当于紧急制动)的情况下，可以使365km/h下的摩擦系数的平均值(平均摩擦系数)μave为0.30以上，优选的是为0.33以上。另外，可以使该速度下的瞬间的摩擦系数的最小值(最小摩擦系数)μmin为0.25以上，优选的是为0.30以上。
(发电机测试的条件)
转动惯量：121kg·m2
初始速度：365km·h-1
试验次数：3次
对方材料：新干线用锻钢盘式转子
[磨损量]
如上所述，由于fecr在固体状态下是硬质，因此其含有量越多，烧结摩擦材料的攻击性越高，对方材料的磨损量有可能越大。对于这样的问题，在本发明的烧结摩擦材料中，通过适当调整fecr的含有量，能够在维持高的摩擦系数下，抑制对方材料的磨损量。此外，对方材料的磨损量例如能够使用截面测定机来测定。
2.高速铁路车辆用烧结摩擦材料的制造方法
本发明的烧结摩擦材料的制造方法的特征在于，包括：在基体材料的cu粉末中混合1体积％～20体积％的fecr粉末；5体积％～20体积％的金属氧化物粉末；30体积％～60体积％的润滑剂从而得到混合粉末的混合工序；将该混合粉末放入到成型模具，加压成型从而得到预成型体的成型工序；使该预成型体与压力板重叠并烧成，从而得到烧结体的烧结工序。下面，按照每个工序，说明本发明的烧结摩擦材料的制造方法。
(1)混合工序
混合工序是在基体材料的cu粉末中混合1体积％～20体积％的fecr粉末、5体积％～20体积％的金属氧化物粉末、30体积％～60体积％的润滑剂，从而得到混合粉末的工序。
a)原料粉末
在本发明的制造方法中能够使用的原料粉末没有特别限制，但优选的是使用以下说明的要素。此外，关于各原料粉末的混合比；作为金属氧化物粉末使用mgo粉末、zro2粉末和al2o3粉末的情况下的体积比等由于与上述的烧结摩擦材料的组成比同样，因此，此处的说明省略。
[cu粉末]
作为cu粉末，优选的是使用平均粒径为10μm～200μm的粉末，更优选的是使用30μm～100μm的粉末。由此，在混合工序中，能够使各原料粉末在混合粉末中均一分散，能够使得到的烧结摩擦材料为均一的组成。
此外，在使用sn、zn等烧结辅助剂的情况下，优选的是使用平均粒径为5μm～100μm的粉末，更优选的是使用10μm～80μm的粉末。
另外，在本发明的制造方法中，也可以代替cu粉末，使用cu-sn合金粉末、cu-zn合金粉末或者cu-sn-zn合金粉末等cu合金粉末。在该情况下，作为cu合金粉末，优选的是使用平均粒径为5μm～100μm的粉末，更优选的是使用10μm～80μm的粉末。
[fecr粉末]
作为fecr粉末，优选的是使用平均粒径为10μm～300μm的粉末，更优选的是使用30μm～100μm的粉末。在fecr粉末的平均粒径小于10μm时，在烧结摩擦材料的表面露出的fecr的比例减少，摩擦性能有可能下降。另一方面，在fecr粉末的平均粒径超过300μm时，由于在烧结摩擦材料的表面露出的fecr会偏向一侧，有可能局部地形成高摩擦区域。
[金属氧化物粉末]
作为金属氧化物粉末，优选的是使用平均粒径为50μm～400μm的粉末。在金属氧化物粉末的平均粒径小于50μm时，有的情况下相对于盘式转子的摩擦面的清洁性不足。另一方面，在金属氧化物粉末的平均粒径超过400μm时，由于在烧结摩擦材料的表面露出的金属氧化物会偏向一侧，因此，有可能局部地形成高摩擦区域。
此外，在本发明中，cu粉末、fecr粉末和金属氧化物粉末的平均粒径是指由激光衍射式粒度分布计测定的值(中位直径)。
[润滑剂]
在使用石墨粉末作为润滑剂的情况下，优选的是使用平均粒径为10μm～2000μm的粉末。但是，在使用人造石墨作为石墨粉末的情况下，优选的是将平均粒径为500μm以上2000μm以下的范围的大粒径的人造石墨(cl)、平均粒径为50μm以上且小于500μm的范围的小粒径的人造石墨(cs)以1.5～2.5的体积比(cl/cs)混合使用，更优选的是以1.8～2.4体积比混合使用。由此，不仅润滑特性好，而且在比较多地包含石墨的情况下，也能够得到高强度的烧结摩擦材料。
此外，在本发明中，石墨的平均粒径是指利用筛分法、激光衍射式粒度分布计测定的值(中位直径)。
b)混合方法
混合方法只要是将上述的原料粉末均一混合即可，没有特别限制，可以利用已知的方法。具体而言，可以利用在上述的原料粉末添加适量的有机溶剂，使这些原料粉末均一分散地使用旋转混合机等进行湿法混合的方法。
(2)成型工序
成型工序是将混合工序中得到的混合粉末放入到成型模具，通过加压成型而得到预成型体的工序。此外，在成型工序中，不需要加热成型模具，在常温(15℃～25℃左右)下加压成型。
成型工序的加压力优选的是250mpa～350mpa。另外，加压时间优选的是2秒～5秒。通过在这样的条件下加压成型，从而能够有效得到成型密度充分高的预成型体。
(3)烧成工序
烧成工序是将成型工序中得到的预成型体与压力板重叠并烧成，从而得到烧结体的工序。
此时，烧结温度优选的是800℃～1000℃。另外，加压力优选的是0.1mpa～2.0mpa。并且，烧成时间(烧成温度的保持时间)优选的是10分钟～400分钟。通过在这样的条件下烧成，从而能够提高烧结摩擦材料的机械强度，能够提高对制动时产生的切线力的耐性。
(4)加工工序
烧成工序中得到的烧结体经过加工工序，被调整为预定的尺寸。此时，烧结体的加工方法没有特别限制，但例如优选的是将烧结体在常温下以50mpa～90mpa、定径2秒～5秒后，抛光为预定厚度的方法。由此，不仅能够将烧结体矫正为预定尺寸，而且能够进一步改善其机械强度。
实施例
下面，使用实施例和比较例来具体说明本发明。
[烧结摩擦材料]
作为原料粉末准备表1所示的要素，将这些原料粉末如表2所示混合从而得到混合粉末。将该混合粉末放入到成型模具，在常温下以300mpa加压成型3秒，从而得到预成型体。接下来，将该预成型体与镀铜的金属板(压力板)重叠，之后，放入到烧结炉，以800℃～1000℃、1mpa烧成60分钟，得到烧结体。将该烧结体冷却到室温，在常温、70mpa下定径3秒后，将烧结体的表面抛光，得到厚度为20mm、外形为60mm的烧结摩擦材料。之后，用铆钉安装在力矩承受板，得到图1所示的制动片1。
[摩擦材料的评价]
使用如上得到的制动片，在以下的条件下实施发电机测试(相当于紧急制动)。其结果是，平均摩擦系数μave为0.33以上且最小摩擦系数μmin为0.30以上的要素评价为“优(◎)”；μave为0.30以上且μmin为0.25以上的要素(但是，除了μave为0.33以上且μmin为0.30以上的要素)评价为“良(○)”；μave小于0.30或者μmin小于0.25的要素评价为“不良(×)”。表3示出以上的结果。
另外，在发电机测试后，使用截面测定机(株式会社小坂研究所制造的sp-46d)，测定对方材料的磨损量。其结果是，对方材料的磨损量小于10μm的要素评价为“优(◎)”，10μm以上且小于30μm的要素评价为“良(○)”，30μm以上的要素评价为“不良(×)”。表3示出以上的结果。
(发电机测试的条件)
转动惯量：121kg·m2
初始速度：365km·h-1
试验次数：3次
对方材料：新干线用锻钢盘式转子
[表1]
[表2]
(单位，体积％)
[表3]
[综合评价]
根据表1～3，能够确认实施例1～5的烧结摩擦材料能够使高速域的平均摩擦系数μave为0.30以上，且磨损量小于30μm。特别是，能够确认实施例2和3的烧结摩擦材料能够抑制对方材料的磨损量，并且发挥出高的摩擦特性。
与之相对，能够确认使用fe作为摩擦调整材料的比较例2～5的烧结摩擦材料的高速域的平均摩擦系数μave下降。可以认为，这是因为fe由于从高速域减速时产生的热量而氧化，在烧结摩擦材料的表面形成氧化铁层，故摩擦力下降。
详细地而且参照特定的实施方式说明了本发明，但在不脱离本发明的精神和范围内能够施加各种变更、修正对于本领域技术人员而言是不言自明的。本申请基于2015年5月28日申请的日本专利申请(日本特愿2015-109214)，其内容作为参照并入本文。