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1、(10)申请公布号 CN 103459626 A (43)申请公布日 2013.12.18 C N 1 0 3 4 5 9 6 2 6 A *CN103459626A* (21)申请号 201280016413.8 (22)申请日 2012.03.28 2011-075343 2011.03.30 JP C22C 9/00(2006.01) C22C 1/05(2006.01) C22C 32/00(2006.01) F16D 69/02(2006.01) (71)申请人新日铁住金株式会社 地址日本东京都 (72)发明人石本史雄 香月太 阿佐部和孝 神田修 (74)专利代理机构北京林达刘知识产。
2、权代理事 务所(普通合伙) 11277 代理人刘新宇 李茂家 (54) 发明名称 高速铁道用烧结摩擦材料 (57) 摘要 本发明提供具有高制动力且制动力的高温稳 定性优异的烧结摩擦材料。本发明的烧结摩擦材 料具有如下的化学组成：以质量%计含有7.5%以 上的Fe、50%以上的Cu、515%的石墨、0.37% 的二硫化钼和0.510%的二氧化硅，Fe/Cu为 0.150.40。 (30)优先权数据 (85)PCT申请进入国家阶段日 2013.09.29 (86)PCT申请的申请数据 PCT/JP2012/058102 2012.03.28 (87)PCT申请的公布数据 WO2012/133513。
3、 JA 2012.10.04 (51)Int.Cl. 权利要求书1页 说明书8页 附图4页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书8页 附图4页 (10)申请公布号 CN 103459626 A CN 103459626 A 1/1页 2 1.一种高速铁道用烧结摩擦材料，其特征在于，以质量%计含有7.5%以上的Fe、50%以 上的Cu、515%的石墨、0.37%的二硫化钼和0.510%的二氧化硅，Fe/Cu为0.15 0.40。 2.一种高速铁道用烧结摩擦材料，其特征在于，由如下的磨耗试验求出的烧结摩擦材 料的平均磨耗量M与平均摩擦系数F的关系满足M。
4、38.2F+0.345的关系， 所述磨耗试验中，准备由具有权利要求1所示的化学组成的烧结摩擦材料形成的、具 有长度55mm、宽度38mm、厚度15mm的尺寸的四对衬片，将这些衬片绕着制动盘的转轴等间 隔配置于外径400mm、厚度20mm的锻钢制制动盘的半径170mm的位置，通过从制动盘的两面 以2.24kN的压力按压而将初速度365km/h的车轮制动。 3.根据权利要求1或2所述的高速铁道用烧结摩擦材料，其特征在于，作为Fe粉，使用 轧钢皮粉。 4.根据权利要求13中任一项所述的高速铁道用烧结摩擦材料，其特征在于，密度为 4.6以上。 5.根据权利要求14中任一项所述的高速铁道用烧结摩擦材料，。
5、其特征在于，在 1000以上的温度下进行了烧结。 权 利 要 求 书CN 103459626 A 1/8页 3 高速铁道用烧结摩擦材料 技术领域 0001 本发明涉及作为高速铁道车辆所使用的制动器衬片材料、盘式制动器衬垫材料有 用的烧结摩擦材料。 背景技术 0002 德国的ICE、法国TGV等世界上的高速铁道具有超过300km/h的行驶速度正在成为 常识。在日本国内，也有JR各公司致力于新干线的速度提高。为了谋求速度提高，从高速也 能可靠地停止的制动器是不可或缺的。尤其是，在地震等自然灾害的危险性高的日本，再生 制动不工作时，用于可靠且以短距离使列车停止的制动器的性能、可靠性的提高是必需的。 。
6、0003 作为制动器衬片材料、盘式制动器衬垫材料等所使用的材料，公开了各种烧结材 料(参照专利文献18)。由现有的金属系烧结材料构成的衬片大多添加硬质颗粒(二氧 化硅等陶瓷)等，产生机械作用(刮擦作用)，由此确保摩擦系数()，也有一部分通过在 衬片中添加Fe等元素来提高摩擦系数。 0004 例如，专利文献7中公开了一个技术方案，其涉及“一种铜系烧结摩擦材料，其 特征在于，由组成为锡粉：0.515wt%、锌粉：0.130wt%、镍粉：525wt%、铁粉：5 25wt%、不锈钢粉：0.120wt%、铜粉：余量的基体金属成分5580wt%、润滑材料、摩擦调 节材料等填料成分2045wt%的烧结体形成。
7、，(1)铁粉与不锈钢粉的总量为828wt%， (2)铁粉是在氢气或氨气气氛中、在6001200的温度下热处理过的粒径范围为40 150m的电解铁粉。”。引用文献7的技术方案中，组合使用电解铁粉和不锈钢粉时，铁成分 作为阻碍烧结性的成分发挥作用，在基体相的铁成分的周边产生空隙，产生与摩擦材料中 的气孔、磨削材料类似的作用，在高制动化时顺利地发挥功能。 0005 专利文献8中记载了一种技术方案，其涉及“一种烧结摩擦材料，其以金属材料作 为基体，包含磨削材料和润滑材料，其中，作为前述基体的金属材料，包含铸铁2550体 积%和铜17体积%。”。专利文献8的技术方案通过使用Fe系的烧结材料来代替现有的 。
8、Cu系的烧结材料从而提高了高温制动时的摩擦特性。 0006 现有技术文献 0007 专利文献 0008 专利文献1：日本特开昭60-106932号公报 0009 专利文献2：日本特开昭63-109131号公报 0010 专利文献3：日本特开平2-10857号公报 0011 专利文献4：日本特开平3-68091号公报 0012 专利文献5：日本特开平6-45837号公报 0013 专利文献6：日本特开平7-65132号公报 0014 专利文献7：日本特开2006-16680号公报 0015 专利文献8：日本特开2007-126738号公报 说 明 书CN 103459626 A 2/8页 4 发。
9、明内容 0016 发明要解决的问题 0017 现有技术都没有在掌握制动盘与衬片间的滑动机理的基础上进行衬片的成分/ 组织的设计，几乎全都只不过是实验性的设计。另外，对于通过硬质颗粒的刮擦作用以图得 到制动力的方式，可以预想到会难以应对高速铁道的进一步高速化(350km/h以上)，存在 安全方面的问题。另外，通过硬质颗粒的刮擦作用以图得到更高的制动力时，需要大量的昂 贵的硬质颗粒，因此，可预想到会明显提高制造成本。 0018 专利文献7的技术方案中，例如，如实施例的表1等所示那样，烧结材料整体中的 Cu的含量少(至多41质量%)，因此得不到充分的导热性。专利文献8的技术方案是Fe的 含量多于Cu。
10、的Fe系的烧结材料，其是与像制动盘那样的对偶材料(mating material)同 样的材料，因此，制动时的磨耗量极端地增多。 0019 本发明为了解决这种现有技术的问题，目的在于提供对钢制的对偶材料(例如， 制动盘)具有高摩擦系数和优异的耐磨耗性的高速铁道用烧结摩擦材料。 0020 用于解决问题的方案 0021 本发明人等特别研究了构成与锻钢制或铸钢制的圆盘配合使用的衬片的烧结摩 擦材料。于是确认到，使用在构成烧结摩擦材料的金属材料中添加了Fe粉的衬片时，在制 动时与对置的圆盘所含的Fe反应，两者的Fe彼此凝结而显示出高摩擦系数。这种同种金 属间或共晶系等在滑动时熔接性增大的效果在摩擦学(。
11、tribology)领域作为“同质合金效 应(same-metal phenomenon)”而公知，出于发生烧熔等理由，作为机械部件被视为不优选。 另一方面，已知通过在金属材料中添加Fe，尽管摩擦系数上升，但会产生在制动时温度过度 上升而耐磨耗性极端地降低的问题。 0022 本发明人等为了解决上述问题而进行了深入研究，结果发现，通过在金属相中添 加适量的Fe使金属相自身具有提高摩擦系数的功能，并且以显示高热导率的Cu作为金属 相的基本成分来防止由Fe添加导致的过度的温度上升，能够提高制动力的高温稳定性。 0023 图1、图2和图3是整理在160km/h、325km/h和360km/h的各试验条。
12、件下平均摩 擦系数与Fe/Cu的值的关系而得到的图。图中为在950下进行了烧结的材料，为在 1000下进行了烧结的材料、为在1030下进行了烧结的材料。各材料的化学组成示于 后文的实施例的表1。 0024 如图1所示，在160km/h的试验中，存在Fe/Cu的值越大、平均摩擦系数也越大的 倾向。但是，如图2所示，在325km/h的试验中，存在Fe/Cu的值越大、平均摩擦系数全部降 低的倾向。如图3所示，尤其是在365km/h的试验中，在Fe/Cu大的区域，平均摩擦系数的 降低显著。由此可知，在160km/h左右的速度条件下，Fe/Cu的值大会使平均摩擦系数上升， 但在对于高速铁道可预想的350。
13、km/h以上这样的速度条件下，过度增大Fe/Cu时，反而平均 摩擦系数降低，制动力降低。 0025 本发明是基于上述见解而做出的，以下述(A)(E)所示的烧结摩擦材料为要旨。 0026 (A)一种高速铁道用烧结摩擦材料，其以质量%计含有7.5%以上的Fe、50%以上 的Cu、515%的石墨、0.37%的二硫化钼和0.510%的二氧化硅，Fe/Cu为0.15 0.40。 0027 (B)一种高速铁道用烧结摩擦材料，其特征在于，通过如下的磨耗试验而求出的烧 说 明 书CN 103459626 A 3/8页 5 结摩擦材料的平均磨耗量M与平均摩擦系数F的关系满足M38.2F+0.345的关系，所述 。
14、磨耗试验中，准备由具有上述(A)所示的化学组成的烧结摩擦材料形成的、具有长度55mm、 宽度38mm、厚度15mm的尺寸的四对衬片，将这些衬片绕着制动盘的转轴等间隔配置于外径 400mm、厚度20mm的锻钢制制动盘的半径170mm的位置，通过从制动盘的两面以2.24kN的 压力按压而将初速度365km/h的车轮制动。 0028 (C)根据上述(A)或(B)的高速铁道用烧结摩擦材料，其特征在于，作为Fe粉，使 用轧钢皮粉(mill scale powder)。 0029 (D)根据上述(A)(C)中任一项的高速铁道用烧结摩擦材料，其特征在于，密度 为4.6以上。 0030 (E)根据上述(A)(。
15、D)中任一项的高速铁道用烧结摩擦材料，其特征在于，在 1000以上的温度下进行了烧结。 0031 发明的效果 0032 本发明的高速铁道用烧结摩擦材料具有高制动力，而且制动力的高温稳定性优 异。因此，本发明的高速铁道用烧结摩擦材料例如适于用作在交通运输车辆中对制动力要 求最高的高速铁道的制动器衬片。 附图说明 0033 图1是整理160km/h的试验中的平均摩擦系数与Fe/Cu的值的关系而得到的图。 0034 图2是整理325km/h的试验中的平均摩擦系数与Fe/Cu的值的关系而得到的图。 0035 图3是整理365km/h的试验中的平均摩擦系数与Fe/Cu的值的关系而得到的图。 0036 图。
16、4是整理160km/h的试验中的平均磨耗量与Fe/Cu的值的关系而得到的图。 0037 图5是整理325km/h的试验中的平均磨耗量与Fe/Cu的值的关系而得到的图。 0038 图6是整理365km/h的试验中的平均磨耗量与Fe/Cu的值的关系而得到的图。 0039 图7是整理365km/h的试验中的平均磨耗量与平均摩擦系数的关系而得到的图。 具体实施方式 0040 以下，主要以将本发明的烧结摩擦材料用于衬片的情况为例来说明本发明的实施 方式。烧结摩擦材料所含的各成分相互关联并影响作为摩擦材料的特性，因此，分别针对各 成分讨论限定理由不一定恰当，但是仍对大致的限定理由进行说明。在以下的说明中，。
17、各成 分的“%”意味着“质量%”。 0041 1.关于金属材料 0042 Cu：50%以上 0043 Cu是具有高导热性的元素，本发明中形成烧结摩擦材料的基质。为了得到该Cu主 体的烧结体，需要含有50%以上的Cu。Cu的含量的上限根据与添加成分的均衡来确定即可， 没有特别限定，但优选设为67%以下。 0044 Fe：7.5%以上 0045 Fe是对于钢制的圆盘而言共金效应最大的元素。为了得到该效果，需要将Fe的含 量设为7.5%以上。对Fe含量的上限没有特别限定，但Fe含量过多时，根据烧结温度，有时 耐磨耗性降低。因此，Fe的含量优选设为36%以下。 说 明 书CN 103459626 A 。
18、4/8页 6 0046 在与Cu含量的关系中Fe含量过少时，有时摩擦系数不足，或产生耐磨耗性的问 题。因此，Fe和Cu的质量比(Fe/Cu)需要设为0.15以上。另一方面，Fe/Cu过度增大时， Fe颗粒变得容易脱落，反而使摩擦系数降低。因此，Fe/Cu设为0.40以下。Fe/Cu优选设 为0.36以下。 0047 为了得到良好的烧结性、或者为了使控制摩擦力的Fe均匀分散，作为烧结摩擦材 料的原料而添加的Fe粉优选使用粒径为45m以下的Fe粉。另外，粒径过小时，每单位 体积的表面积增大，变得容易聚集，烧结性、均匀分散性都降低，因此其粒径优选为5m以 上。 0048 此外，专利文献7所述的技术方。
19、案中，使用预先在氢气或氨气气氛中热处理过的 Fe粉，但这种实施过热处理的Fe粉如专利文献7也记载那样地阻碍烧结性。因此，作为烧 结摩擦材料的原料而添加的Fe粉优选使用轧钢皮粉而非这种实施过处理的Fe粉。 0049 烧结摩擦材料中的金属基体的成分包含规定量的Fe和Cu即可。例如，除了由Fe 和Cu形成之外，在这些元素的基础上，为了提高强度，还可以含有Cr、Mo等元素。 0050 2.关于其它添加物 0051 石墨：515% 0052 石墨通过夹杂在圆盘与衬片之间而抑制圆盘与衬片的凝结，对摩擦系数的稳定化 和耐磨耗性的提高是有用的。该效果在其含量不足5%时无法充分发挥。另一方面，其含量 超过15%。
20、时，烧结体的材料强度降低。 0053 二硫化钼：0.37% 0054 二硫化钼(MoS 2 )与石墨同样对摩擦系数的稳定化和耐磨耗性的提高是有用的，而 且具有防止所谓“摩擦音”的效果，进而在高载荷时具有赋予润滑性的效果。该效果在不足 0.3%时无法发挥，超过7%时，烧结体的材料强度明显降低，耐磨耗性受损。 0055 二氧化硅：0.510% 0056 二氧化硅(SiO 2 )通过所谓“掘出效果”去除在作为对偶材料的圆盘表面所产生的 氧化皮膜，使圆盘与衬片之间发生的Fe彼此的凝结稳定地产生，对确保摩擦力是有效的。 然而，不足0.5%时，不产生掘出效果，另一方面，超过10%时，使圆盘表面粗糙损耗。 。
21、0057 烧结摩擦材料中，包含上述各种成分即可。除上述成分之外，也可以含有通常添加 于烧结摩擦材料的各种成分。例如，可以含有二硫化钨、铋、锑等润滑成分，氧化铝、富铝红 柱石、氮化硅、锆砂等化合物。本发明的烧结摩擦材料为了得到充分的强度，密度优选为4.6 以上。 0058 3.关于烧结摩擦材料的制造方法 0059 本发明的烧结摩擦材料可以通过一般的制造方法来制造，例如，在Cu粉中混合Fe 粉、各种添加物等，成形后，进行烧结，从而制造。另外，对于作为原料使用的Cu粉末，也可 以在通过雾化等制造粉末时使用预先含有Fe的原料粉末。 0060 但是，在Cu粉末中添加Fe粉末时，担心摩擦时的温度上升的Fe。
22、相被包含于显示 出高热导率的Cu相，可以提高制动器的高温稳定性，并且将Cu相强化，故而耐磨耗性提高。 0061 高速铁道用衬片由于制动时的摩擦热而成为表面熔融了的状态。这意味着，制动 时被加热至构成衬片的颗粒中熔点最低的Cu的熔点(1083)程度。此时，烧结体的磨 耗受到烧结体的烧结颈强度的影响，烧结颈在结合颗粒的热膨胀差异大时因其应变而断 说 明 书CN 103459626 A 5/8页 7 裂。本发明中，使用热膨胀差异大的Fe颗粒和Cu颗粒(关于室温下的热膨胀系数，Fe为 11.710 -6 /，Cu为16.510 -6 /)。因此，关于烧结温度，尽可能地在Cu的熔点附近的 温度下烧结是有。
23、效的，优选设为1000以上。由此可以将烧结体结构制成可耐受制动时由 热造成的膨胀导致的应变的结构，可以提高耐磨耗性。另一方面，即使在太高的高温下进行 烧结，也得不到与成本相符的效果。因此，烧结温度优选以Cu的熔点以下的1083作为上 限。 0062 得到的烧结体通过通常的放电加工等切出规定的尺寸，安装于制动器系统，由此 可作为制动器衬片使用。 0063 实施例1 0064 混合表1所示的原料粉末后，通过表2所示的制造工艺制作烧结摩擦材料。对得到 的烧结摩擦材料通过下述方法测定强度、硬度和密度。将其结果一并记载于表1。其中，原 料粉末中，Cu使用福田金属箔粉公司CE-15(电解铜粉，最大粒径75。
24、m)，Fe使用 公司ASC300(轧钢皮，还原，最大粒径45m)，Cr使用高纯度化学公司CRE03PB(最大粒径 63m)，Mo使用高纯度化学公司MOE02PB(最大粒径63m)，石墨使用SEC公司SGP-100(扁 平状人造石墨，平均粒径120m)，MoS 2 使用Kishida Chemical Co.,Ltd.010-51125，SiO 2 使用高纯度化学公司SIO08PB(平均粒径4m)。 0065 0066 强度根据JIS R1601：2008制作“5.试验片”的“5.1试验片的形状和尺寸”的图 2所示的试验片，使用“4.装置和器具”的“4.2试验夹具”的图1a所示的旋转形3点n弯 。
25、曲试验夹具进行测定。 0067 0068 硬度测定显微维氏硬度(载荷50g，MHv50)。其中，未对No.2、4测定硬度。 0069 0070 密度通过阿基米德法测定。 0071 将各自的结果示于表2。 0072 0073 说 明 书CN 103459626 A 6/8页 8 0074 说 明 书CN 103459626 A 7/8页 9 0075 0076 接着，对各烧结摩擦材料根据下述方法测定摩擦系数和磨耗量。 0077 0078 利用使用了实体(新干线)的1/2尺寸的制动盘(外径400mm，厚度20mm，锻钢 制)的3号台架试验机(bench tester)，实施将制动(brake)初速。
26、度设为160km/h、325km/ h和365km/h的试验各3次。分别将单面4个、总计8个的从各烧结摩擦材料切出的衬片材 料(38mm55mm15mm)刚性固定(非等压结构)到卡钳，将衬片材料以2.24kN(恒定)的 压力按压到圆盘两面的半径170mm的位置，测定此时的扭矩，算出摩擦系数()，将3次试 验的平均值示于表3。另外，由试验前后的衬片材料的质量变化测定磨耗量(g/单侧)，将 三次试验的平均值示于表3。另外，评价了365km/h的试验中的平均磨耗量与平均摩擦系数 的关系。将其结果一并记载于表3。将对这些结果与Fe/Cu的值进行整理而得到的图示于 图1图7。 0079 需要说明的是，将。
27、制动(brake)初速度设为365km/h的试验中的平均摩擦系 数的目标值为0.28以上。另外，该试验中的平均磨耗量以与平均摩擦系数的关系满足 M38.2F+0.345(其中，M为平均磨耗量，F为平均摩擦系数。)的关系为目标。满足该 关系时评价为“”，不满足时评价为“”。平均磨耗量的目标值是以如下的标准求出的： 即使平均摩擦系数小，在平均磨耗量小的情况下，通过提高按压压力，也能够确保充分的制 动力，另一方面，即使平均磨耗量大，如果平均摩擦系数大，即便降低按压压力也能确保充 说 明 书CN 103459626 A 8/8页 10 分的制动力。 0080 0081 0082 如表3和图1图7所示，。
28、本发明例(No.24、7、8和11)中，即使在365km/h的 条件下也均得到高平均摩擦系数，而且在与平均摩擦系数的关系中得到充分低的平均磨耗 量，得到对于用作高速铁道用烧结摩擦材料而言良好的性能。另一方面，比较例(1、5、6、9、 10和12)中，平均摩擦系数过低(No.1、5和12)或平均磨耗量过大(No.6、9和10)，因此无 法用作高速铁道用烧结摩擦材料。 0083 产业上的可利用性 0084 本发明的烧结摩擦材料具有高制动力，而且制动力的高温稳定性优异。因此，本发 明的烧结摩擦材料例如适于用作交通运输车辆中对制动力要求最高的高速铁道的制动器 衬片。 说 明 书CN 103459626 A 10 1/4页 11 图1 图2 说 明 书 附 图CN 103459626 A 11 2/4页 12 图3 图4 说 明 书 附 图CN 103459626 A 12 3/4页 13 图5 图6 说 明 书 附 图CN 103459626 A 13 4/4页 14 图7 说 明 书 附 图CN 103459626 A 14 。