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JP3386322B2 - Method of manufacturing brake disk for railway vehicle - Google Patents
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JP3386322B2 - Method of manufacturing brake disk for railway vehicle - Google Patents

Method of manufacturing brake disk for railway vehicle

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JP3386322B2
JP3386322B2 JP29684996A JP29684996A JP3386322B2 JP 3386322 B2 JP3386322 B2 JP 3386322B2 JP 29684996 A JP29684996 A JP 29684996A JP 29684996 A JP29684996 A JP 29684996A JP 3386322 B2 JP3386322 B2 JP 3386322B2
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精市 古谷
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Sumitomo Light Metal Industries Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【発明の属する技術分野】本発明は、鉄道車両に用いら
れ摩擦によって機械的に制動力を得るディスクブレーキ
のディスクの製造方法に関し、さらに詳しくは、従来の
鋼製と同等の耐摩耗性、耐熱性、耐熱亀裂性を有するア
ルミ複合材製の鉄道車両用軽量ブレーキディスクの製造
方法に関する。 【0002】 【従来の技術】鉄道車両や自動車および自動二輪車など
の機械的制動方式には、ブロックブレーキ、ドラムブレ
ーキおよびディスクブレーキなどがあり、近年は車両の
高速化や大荷重化に伴い、ディスクブレーキが多用され
るようになってきた。このディスクブレーキとは、ブレ
ーキディスクとブレーキライニング(摩擦材)との摩擦
によって制動力を得る装置で、鉄道車両の場合を例に取
れば、ドーナツ形の円盤状の摺動面と、その摺動面を後
背部で支持し車輪などの回転部分に取りつける基部とに
よって構成され、走行時回転している摺動面にブレーキ
ライニングを押し付けることにより制動力を得る。この
摺動面を有する円盤形状の部品をブレーキディスクとい
う。 【0003】図1は、このブレーキディスクの構造を示
す例であり、ブレーキディスクの上面(1/4)および
断面(1/2)を示す図面である。同図から明らかなよ
うに、ブレーキディスクはブレーキライニング(摩擦
材)が押しつけられる摺動面と取り付けのためのボルト
穴が一体に構成されている。一般的に、ブレーキディス
クに用いられる材料は、制動時の摩擦による摩耗と、急
激な温度上昇があるため、耐摩耗性、耐熱性、耐熱亀裂
性が要求される。ここでいう熱亀裂とは、制動ごとに生
ずる熱応力の繰り返しによって発生する熱疲労亀裂を意
味している。 【0004】従来、ブレーキディスクには鋳鉄、鍛鋼、
ステンレス鋼などの一体のものが使用されてきた。しか
しながら、車両の高速化、地球環境を保護するための省
エネルギー化対策としての軽量化、バネ下重量の低減に
よる乗り心地改善、等の要求から、ブレーキディスクに
もアルミニウムやアルミニウム合金を使用する傾向があ
る。例えば、ブレーキディスクの軽量化を図りつつ、耐
摩耗性を向上させるために、セラミックス粒子を分散さ
せたアルミニウム基複合材料が自動車用ブレーキディス
クに用いられている。 【0005】通常、アルミニウム基複合材料の製造方法
として溶湯法と粉末法に大別できるが、工業的には溶湯
法が広く採用されており、なかでも、鋳造法が多用され
ている。ブレーキディスクの製造においても、既存の製
造設備が利用可能であることに加え、ニヤネットシェイ
プ(Near Net Shape)成形が容易であることから、鋳造
法によって製造されたアルミニウム基複合材料が多く用
いられている。しかし、上記の鋳造法によって製造され
たアルミニウム基複合材料によって構成されるブレーキ
ディスクでは、セラミックス粒子を均一に分散させるこ
とが困難であるため、ディスクの摩耗特性が安定しない
という問題がある。また、ブレーキディスクの強度は熱
処理によって向上され、所定の強度が確保されている。
このため、ブレーキディスクが自動車用として通常の条
件で使用されている場合には、耐熱性および耐熱亀裂性
は問題にならない。しかし、より高負荷でより長時間の
耐久性が要求される鉄道車両用ブレーキディスクとして
用いる場合には、過酷な条件で使用中に徐々に熱処理に
よる強度向上分が開放され、最終的に熱亀裂が発生する
という問題もある。さらに、強度を確保するため、鋳造
法によって製造された複合材料を鍛造加工する方法も検
討されるが、鍛造割れ等のトラブルが発生し採用できな
いものである。 【0006】上述の問題を解決するため、従来から多く
の方法が提案されている。例えば、特公平7-107415号公
報には、アルミニウム基複合材料の粉末を用いてブレー
キディスクを製造する方法が提案されている。この提案
の製造方法はアルミニウム基複合材料で構成されるブレ
ーキディスクのコスト低減を主目的としており、アルミ
ニウム基複合材料の原料粉末をアルミニウムまたはアル
ミニウム基合金の円筒容器に入れて軸方向に圧縮を施し
た後、軸に対して垂直に切断して複数の円板部材を形成
し、この円板部材を熱間でクロス圧延することとしてい
る(後述する図4参照)。 【0007】しかしながら、提案の方法で製造される複
合材料は冶金的に粒子同士の結合が不十分な圧粉体にす
ぎず、熱間で圧延する場合に圧下率を大きくすると圧粉
体に割れを生じ易い。このため、熱間クロス圧延ではそ
の圧下率を低くとらざるを得ず、前述の過酷な条件の下
で用いられる鉄道車両用ブレーキディスクに要求される
特性を満足することが困難である。また、鉄道車両用ブ
レーキディスクは複雑な形状を有すとともに、寸法的
にも大寸法のものが要求される。しかも、提案の方法で
製造される複合材料は難加工性であって、円板形状のデ
ィスクしか製造できないため、提案の方法ではクロス圧
延後の機械加工に多大なコストを生じるという問題もあ
る。 【0008】 【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来技術の
問題とされていた粉末法によるアルミニウム基複合材料
の製造方法の改良であり、鍛造割れを生じることなく
量化、高強度化はか、しかも従来の鋼製と同等の耐
摩耗性、耐熱性、耐熱亀裂性の特性を有するアルミニウ
ム基複合材料から構成されるブレーキディスクの製造方
法を提供することを目的としている。 【0009】 【課題を解決するための手段】鉄道車両用ブレーキディ
スクに用いられるアルミニウム基複合材料の製造方法と
して粉末法を採用すると、要求される高い強度レベルを
確保することが前提となるが、材料特性として粒子の分
散は均一であり、他の特性においても鋳造法によって製
造されたアルミニウム基複合材料より改善されることが
期待される。本発明はこのような着眼に基づいて完成さ
れたものであり、その要旨は、下記の鉄道車両用ブレー
キディスクの製造方法にある。 【0010】すなわち、アルミニウム合金とセラミッ
クスとの混合粉末を密閉缶に入し高温プレス処理して
のち鍛造して製造されるアルミニウム基複合材料から構
成される鉄道車両用ブレーキディスクの製造方法であっ
て、前記密閉缶は高温プレス処理後取り除かれることな
く、前記混合粉末を封入したままの状態で40%以上の
圧下率で鍛造されることを特徴とする鉄道車両用ブレー
キディスクの製造方法である。 【0011】 【発明の実施の形態】本発明方法の特徴である、鉄道車
両用として用いられるブレーキディスク構成材料、すな
わち、アルミニウム基複合材料およびその製造方法につ
いて説明する。 【0012】(1)ブレーキディスク構成材料 ブレーキディスク構成材料は、マトリックス材であるア
ルミニウム合金に粒子状または繊維状のセラミックスを
分散させたものである。分散させるセラミックスの体積
率は、低すぎると耐摩耗性が十分満足されないし、高す
ぎるとじん性を低下させる要因となり、機械加工性を悪
化させるので、5〜30%の範囲にするのが望ましい。特
に、セラミックスの体積率は10〜20%の範囲にするのが
さらに望ましい。 【0013】セラミックス材料としてはSiC、Al
などがあげられるが、セラミックス材の硬さ、熱伝
導性等の特性からブレーキディスクとしてはSiCが
最も適している。さらに、その形状は粒子状、または繊
維状いずれでもよいが、複合材料の異方性を少なくする
ことから粒子状が望ましい。 【0014】ブレーキディスクのマトリックス材となる
アルミニウム合金は、JIS-H-4140にて規定されるような
鍛造用アルミニウム合金から選定すればよい。このと
き、鋳造材として用いる場合には、マトリックス材であ
るアルミニウム合金中のSi量が多くなければ(例えば、1
0%以上)、鋳造前の溶解時に強化材であるSiC粒子がマト
リックス中に溶融してしまうという恐れがある。しか
し、本発明方法のように、粉末法を採用する場合には、
SiC粒子がマトリックス材に溶融するような状況を考慮
する必要はなく、このような材料成分上の制約は特にな
い。ところが、実際のブレーキ制動状態ではディスク温
度は高温になるため、高温強度の高い材料(例えば、Al-
Mg系アルミニウム合金など)を用いるのが望ましい。 【0015】(2)製造方法 図2は、後述する実施例で説明する本発明のブレーキデ
ィスク製造方法のフローチャートを示す図で、本発明の
製造方法の一例を示すものである。同図に示すように、
マトリックス材であるアルミニウム合金粉末とセラミッ
クス粒子または繊維を混合した粉末は、密閉缶に入さ
れ、その後高温プレス処理されて、アルミニウム基複合
材料となる。次いで、複合材料の強度をさらに上昇させ
るために、混合粉末を封入した密閉缶を取り除くことな
く、混合粉末、すなわち複合材料を封入したままの状態
40%以上の圧下率で鍛造が行われる。 【0016】上記の高温プレス処理によって、混合粉末
の充填率が増加するとともに、粒子表面の酸化皮膜が破
砕されるために、粒子間の結合が強固となる。この結
果、製造されたアルミニウム基複合材料の鍛造性は、あ
る程度向上する。しかし、十分な強度、所要のディスク
形状を得るためには、さらに鍛造加工を施す必要があ
り、しかも、このときの鍛造における圧下率は40%以上
確保する必要がある。一方、高温プレス処理後に複合材
料を封入した缶を取り除いて鍛造を行うと、鍛造割れが
発生し易くなり、40%の圧下率を確保できない。これに
対し、複合材料を缶に封入した状態で鍛造を行うと、こ
の様な問題は解消され、圧下率を40%以上にしても十分
鍛造できる。 【0017】高温プレス処理には種々の方法があるが、
一般にHIP処理が多用されている。このHIP処理を行う場
合には、処理圧力が低いと成形される材料の充填率、強
度が不足となり好ましくない。一方、一定以上の処理圧
力を加えてもその効果が飽和するので、処理圧力は500
〜1200kgf/cm2の範囲にするのがよい。また、HIP処理で
の処理温度が低いと前記の効果が望めず、逆に高いと混
合粉末が溶融して、セラミックス粒子または繊維の分布
が不均一となるおそれがあるので、350〜550℃の処理温
度とするのがよい。さらに、HIP処理の時間は、短時間
であると効果は低く、一定時間以上にしても効果が飽和
するので、30分〜2時間の範囲にするのがよい。 【0018】高温プレス処理として、他の処理方法を採
用することが有効な場合がある。すなわち、鉄道車両に
用いられるブレーキディスクの寸法は直径700mm程度で
あり、鍛造前においても素材は直径500mm程度の大きさ
を確保する必要があるが、この寸法の素材をHIP処理す
るために要する設備コストや製造コストは多大なものと
なる。このため、上記の図2に示すように、高温プレス
処理としてCIP処理によって粉末の充填率を上げた後、
ホットプレスを行う方法が有効である。CIP処理を採用
する場合には、処理圧力が500 kgf/cm2未満では成形さ
れる材料の充填率が低く、一方、処理圧力が2000 kgf/c
m2を超えても効果は飽和するので、500〜2000kgf/cm2
範囲とするのがよい。特に、1200〜1800kgf/cm2の圧力
範囲でCIP処理するのが望ましい。 【0019】CIP処理ののちホットプレスを行う場合、圧
力が低いとホットプレスの効果は低く、高いと金型が破
損するおそれがあるので、その処理圧力は1500〜3500kg
f/cm2の範囲とするのがよく、特に、2700〜3200kgf/cm2
の範囲が望ましい。ホットプレスの加熱温度は、低いと
効果が低く、高いと混合粉末が溶融してセラミックス粒
子または繊維の分布が不均一となるおそれがあるので、
350〜550℃の範囲とするのがよい。 【0020】本発明の製造方法では、混合粉末を密閉缶
入し高温プレス処理してのち、この密閉缶は高温プ
レス処理後も取り除かれることなく、混合粉末を入し
た状態で40%以上の圧下率で鍛造されることを特徴と
している。前述の通り、鍛造時において、成形された材
料を密閉缶から取り除いて鍛造すると鍛造割れが発生し
易く、圧下率を一定以上に上げることができず、複合材
料の強度を十分に上昇させることが困難になる。このた
め、密閉缶を取り除くことなく、材料を封入した状態で
鍛造を行う。このときの密閉缶の厚さは薄いと鍛造時に
割れが生じ、厚いと鍛造時に缶のみが鍛造される状態に
なるので、缶の厚さは6〜40mmにするのがよい。特
に、11〜30mmにするのが望ましい。密閉缶の材質
としては、JIS−H−4140に規定されている鍛造
用のアルミニウム合金から選択すればよく、例えば、A
6061、A6063合金等はじん性、延性に優れてい
ることから特に望ましい。 【0021】前述の通り、製造されたアルミニウム基複
合材料で十分な強度を有し、所要のディスク形状を得る
ためには、鍛造における圧下率は40%以上確保する必要
がある。特に、鍛造時の圧下率が60%以上であれば十分
な強度が確保できるので、さらに望ましい。また、鍛造
加工でのひずみ速度は遅いと生産性が悪くなり、逆にひ
ずみ速度が速すぎると鍛造時に割れが発生し易くなるの
で、10-2〜101s-1の範囲にするのがよい。特に、10-1
100-1程度のひずみ速度で鍛造するのが望ましい。
鍛造時の加熱温度は、低いと鍛造性が悪化し割れが発生
し易くなり、高いと材料が溶融して、セラミックス粒子
または繊維の分布が不均一となり、割れが発生するおそ
れがあるので、350〜550℃の範囲にするのが望ましい。
特に、450℃前後の加熱温度で鍛造するのが望ましい。 【0022】鍛造加工されたアルミニウム基複合材料
は、必要に応じて機械加工が行われ、所要の形状に加工
される。このとき、密閉缶として使用されたアルミニウ
ム合金は、ブレーキディスクの摺動面以外なら残留して
いても問題ない。 【0023】 【実施例】本発明方法の効果を、本発明例と比較例とを
対比して説明する。 【0024】(本発明例)図2は、本発明例が採用した
ブレーキディスクの製造方法のフローチャートを示す図
である。本発明例では、上記の製造方法によって図1に
示す形状の鉄道車両用ブレーキディスクを製造した。 【0025】複合材料のマトリックス材には、試料1〜
3の3種類のアルミニウム合金を用いた。それぞれ、試
料1はAl-Mg系であるJIS A5083アルミニウム合金、試料
2は8重量%のSiと1重量%のCuを添加したAl8Si1Cu、さ
らに試料3は8重量%のFeと1重量%のVを添加したAl8Fe
1Vとした。強化材として平均粒径5μmのSiC粒子を用
い、その体積率は10%とした。試料1〜3をマトリック
ス材として、図2に示す製造方法で製造されたアルミニ
ウム基複合材料を実施例1〜3とし、その一般的な特徴
を表1に示す。 【0026】 【表1】 【0027】複合材料の製造過程において、種々の実験
を行った。まず、3種のアルミニウム合金粉末とSiC
粒子とをそれぞれ混合し、厚さ30mm、直径500m
m、材質A6063のアルミニウム合金で製作された密
閉缶に封入し、真空脱気処理を行った。次いでCIP処
理およびホットプレスを行った後、鍛造加工を施した。
このとき、CIP処理は圧力1530kgf/cm
で、ホットプレスは温度450℃、圧力3055kgf
/cm の条件で行った。また、鍛造加工は加熱温度
450℃、ひずみ速度10−1−1の条件で行った。
このCIP処理およびホットプレスにより混合粉末の充
填率は、それぞれCIP処理で約80%、ホットプレス
で99%以上となり、鍛造前の素材の形状は直径500
mm、厚さ260mmの円板とした。その後鍛造加工に
より、例えば、圧下率約60%で直径約750mm、厚
さ約105mmの円板に加工した。 【0028】上記の鍛造加工において、密閉缶の厚さと
鍛造性との関係を調査した。表2は、実施例1(試料1
+SiC粒子)を鍛造加工する場合の実験結果を示してい
る。同表から明らかなように、缶に封入したまま鍛造を
行うと、鍛造割れが生じることなく良好な鍛造性が得ら
れる。特に、密閉缶の厚さは11〜30mmの範囲にするの
が望ましい。また、同表で缶の厚さ0mmとするのは、ホ
ットプレス後に缶を取り除いて鍛造加工する場合の結果
を示している。この場合、圧下率30%で鍛造割れを発生
した。その他の加工では、実施例2では圧下率35%で、
実施例3では圧下率20%で鍛造割れが生じ、鍛造加工が
できなかった。 【0029】 【表2】 【0030】図3は、実施例1における鍛造加工におけ
る圧下率と引張強度の関係を示す図である。圧下率50%
を加えることによって、引張り強さが350MPaと高い強度
レベルが得られ、しかも伸びは14%程度であった。した
がって、この後、機械加工でブレーキディスクを製作す
ることによって、耐磨耗性に優れたものが得られること
が分かる。 【0031】(比較例)比較のため、粉末法および鋳造
法によって、複合材料のマトリックス材に前記試料1の
Al-Mg系の合金またはAl-Si系合金を用いて、本発明例と
同様に、図1に示すブレーキディスクを製造した。 【0032】粉末法としては、図4に示す前記特公平7-
107415号公報で提案された製造方法を採用した。すなわ
ち、試料1のアルミニウム合金の粉末とSiC粒子とをそ
れぞれ混合し、アルミニウム合金で製作された円筒容器
に入れ、軸方向に圧縮を施した後、軸に対して垂直に切
断して複数の円板部材を形成し、この円板部材を熱間で
クロス圧延した。このとき、クロス圧延で圧下率を20%
とすると、ディスク(圧粉体)に割れが生じたので、クロ
ス圧延では圧下率は10%とした。その後、機械加工によ
ってブレーキディスクを製作し、比較例1とした。比較
例1では圧下率が低く、引張り強さは200MPa程度に留ま
り、耐磨耗性は本発明例より劣る。 【0033】次に鋳造法では、試料1のようなAl-Mg系
の合金をマトリックス材として複合材料を製造すること
は困難であるため、Al-Si系合金をマトリックス材とし
て10%SiC粒子を分散させた複合材料を用いて砂型鋳造
後、機械加工してブレーキディスクを製作し、比較例2
とした。比較例2の強度は、引張り強さで約140MPa、伸
びで約0.8%であり、本発明例に比べ、耐磨耗性は著しく
て低下することが分かる。 【0034】本発明例および比較例で製作されたブレー
キディスクのブレーキ試験の結果を表3に示す。 【0035】 【表3】 【0036】本発明例(実施例)1〜3、比較例1〜2
のブレーキディスクを新幹線に相当する台上ブレーキ試
験を行い、耐久性を評価した。ブレーキ初速度350km/h
に相当するブレーキを繰返し負荷したところ、比較例2
では2回、比較例1では6回の繰返しブレーキで、ボル
ト穴縁に亀裂割れが生じた。これに対し、本発明例1〜
3は、200回の繰返しブレーキを負荷しても、何らの割
れ等の損傷は生じず、良好な性能が得られた。 【0037】 【発明の効果】本発明の製造方法によれば、鍛造割れを
生じることなく軽量化、高強度化はか、しかも従来
の鋼製と同等の耐摩耗性、耐熱性、耐熱亀裂性の特性を
有するアルミニウム基複合材料から構成されるブレーキ
ディスクを容易に提供することができる。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of manufacturing a disk of a disk brake used in a railway vehicle and mechanically obtaining a braking force by friction, and more particularly to a conventional method. The present invention relates to a method for manufacturing a lightweight brake disc for a railway vehicle made of an aluminum composite material having the same wear resistance, heat resistance, and heat crack resistance as steel. [0002] Mechanical braking systems for railway vehicles, automobiles and motorcycles include block brakes, drum brakes, and disk brakes. Brakes have come to be used heavily. This disc brake is a device that obtains a braking force by friction between a brake disc and a brake lining (friction material). For example, in the case of a railway vehicle, a donut-shaped disk-shaped sliding surface and its sliding surface are used. A base is mounted on a rotating part such as a wheel while supporting the surface at a rear portion, and a braking force is obtained by pressing a brake lining against a sliding surface that is rotating during traveling. A disc-shaped component having this sliding surface is called a brake disc. FIG. 1 shows an example of the structure of the brake disk, and shows the upper surface (1/4) and the cross section (1/2) of the brake disk. As is clear from the figure, the brake disc is integrally formed with a sliding surface against which a brake lining (friction material) is pressed and a bolt hole for attachment. In general, a material used for a brake disk is required to have abrasion resistance, heat resistance, and heat crack resistance because of abrasion due to friction during braking and a rapid temperature rise. The term "thermal crack" as used herein means a thermal fatigue crack generated by repetition of thermal stress generated at each braking. Conventionally, brake disks include cast iron, forged steel,
One piece, such as stainless steel, has been used. However, due to demands for higher vehicle speeds, lighter weight as an energy saving measure to protect the global environment, and improved riding comfort by reducing unsprung weight, there is a tendency to use aluminum and aluminum alloys for brake discs. is there. For example, an aluminum-based composite material in which ceramic particles are dispersed has been used for an automobile brake disk in order to improve the wear resistance while reducing the weight of the brake disk. [0005] Usually, the method of producing an aluminum-based composite material can be roughly classified into a molten metal method and a powder method, but the molten metal method is widely used industrially, and among them, a casting method is frequently used. In the manufacture of brake discs, aluminum-based composite materials manufactured by the casting method are often used because the existing manufacturing equipment is available and the Near Net Shape molding is easy. ing. However, in a brake disk made of the aluminum-based composite material manufactured by the above-described casting method, it is difficult to uniformly disperse the ceramic particles, and thus there is a problem that the wear characteristics of the disk are not stable. Further, the strength of the brake disk is improved by the heat treatment, and a predetermined strength is secured.
Therefore, when the brake disk is used under normal conditions for an automobile, heat resistance and heat crack resistance do not matter. However, when used as a brake disk for railway vehicles that require higher load and longer durability, the strength improvement by heat treatment is gradually released during use under severe conditions, and finally thermal cracks there is also a problem that to occur. Further, in order to secure the strength, a method of forging a composite material manufactured by a casting method is also considered. However, such a method cannot be adopted because a trouble such as a forging crack occurs. [0006] In order to solve the above problems, many methods have been proposed in the past. For example, Japanese Patent Publication No. 7-07415 proposes a method of manufacturing a brake disk using powder of an aluminum-based composite material. The main purpose of this proposed manufacturing method is to reduce the cost of a brake disc composed of an aluminum-based composite material. After that, a plurality of disc members are formed by cutting perpendicularly to the axis, and the disc members are hot-cross-rolled (see FIG. 4 described later). [0007] However, the composite material produced by the proposed method is only a compact having insufficient bonding between particles in a metallurgical manner. Tends to occur. For this reason, in hot cross rolling, the rolling reduction must be kept low, and it is difficult to satisfy the characteristics required for the railway vehicle brake disc used under the severe conditions described above. Also, with that the brake disk for rail vehicles having a complex shape, having a large size is required to dimensionally. In addition, since the composite material manufactured by the proposed method is difficult to process and can produce only a disk-shaped disk, there is a problem that the proposed method requires a large cost for machining after cross rolling. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is an improvement of a method for producing an aluminum-based composite material by a powder method, which has been regarded as a problem of the prior art, and is light without causing forging cracks. capacity, high strength is worn, moreover conventional steel equivalent wear resistance, heat resistance, and to provide a method for manufacturing a composed brake disc from the aluminum-based composite material having a thermal crack properties The purpose is. When a powder method is used as a method of manufacturing an aluminum-based composite material used for a brake disk for a railway vehicle, it is premised that a required high strength level is secured. As a material property, the dispersion of the particles is uniform, and it is expected that other properties are improved as compared with the aluminum-based composite material manufactured by the casting method. The present invention has been completed based on such an aspect, and its gist lies in the following method for manufacturing a brake disk for a railway vehicle. [0010] That is, the "aluminum alloy and method for producing a railway vehicle brake disc constituted a mixed powder of an aluminum-based composite material produced by forging later by sealing entering City hot pressing in a sealed can of the ceramic In addition, the sealed can is not removed after the high-temperature press treatment, and the mixed powder is kept in a sealed state of 40% or more in a state where the mixed powder is sealed .
It is a manufacturing method of a brake for rail vehicles disks ", characterized in that it is forged at a reduction rate. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A description will now be given of a brake disk constituting material used for a railway vehicle, that is, an aluminum-based composite material and a method of manufacturing the same, which are features of the method of the present invention. (1) Material for Brake Disc The material for the brake disc is a material in which particulate or fibrous ceramics are dispersed in an aluminum alloy as a matrix material. If the volume ratio of the ceramic to be dispersed is too low, the wear resistance is not sufficiently satisfied, and if it is too high, the toughness is reduced, and the machinability is deteriorated, so it is preferable to be in the range of 5 to 30%. . In particular, the volume ratio of the ceramic is more desirably in the range of 10 to 20%. As ceramic materials, SiC, Al 2
Although such O 3 and the like, the hardness of the ceramic material, SiC is most appropriate to the characteristics of thermal conductivity such as brake discs. Further, the shape may be either particulate or fibrous, but particulate is desirable in order to reduce the anisotropy of the composite material. The aluminum alloy used as the matrix material of the brake disc may be selected from aluminum alloys for forging as specified in JIS-H-4140. At this time, when used as a casting material, if the amount of Si in the aluminum alloy as the matrix material is not large (for example, 1
(0% or more), there is a possibility that SiC particles as a reinforcing material may be melted in the matrix during melting before casting. However, when the powder method is adopted as in the method of the present invention,
It is not necessary to consider the situation where the SiC particles are melted in the matrix material, and there is no particular restriction on such material components. However, since the disk temperature becomes high in the actual brake braking state, a material having high high-temperature strength (for example, Al-
It is desirable to use an Mg-based aluminum alloy). [0015] (2) Manufacturing Method FIG 2 is a diagram showing a flowchart of a brake disc production process of the present invention described in Examples below, shows one example of a manufacturing method of the present invention. As shown in the figure,
Powder mixed aluminum alloy powder and ceramic particles or fibers is a matrix material is sealed entry into the hermetically sealed housing, is then hot pressing, the aluminum-based composite material. Next, in order to further increase the strength of the composite material , forging is performed at a rolling reduction of 40% or more in a state where the mixed powder, that is, the composite material is sealed, without removing the sealed can enclosing the mixed powder. [0016] The high-temperature press treatment increases the filling ratio of the mixed powder and crushes the oxide film on the surface of the particles, so that the bonding between the particles is strengthened. As a result, the forgeability of the manufactured aluminum-based composite material is improved to some extent. However, in order to obtain sufficient strength and a required disk shape, it is necessary to further perform forging, and it is necessary to secure a reduction ratio of 40% or more in forging at this time. On the other hand, if forging is performed after removing the can enclosing the composite material after the high-temperature press treatment, forging cracks are likely to occur, and a rolling reduction of 40% cannot be secured. On the other hand, when forging is performed in a state where the composite material is sealed in a can, such a problem is solved, and forging can be sufficiently performed even when the rolling reduction is 40% or more. There are various methods for high-temperature pressing.
Generally, HIP processing is frequently used. When performing the HIP treatment, if the treatment pressure is low, the filling rate and strength of the material to be molded become insufficient, which is not preferable. On the other hand, the effect is saturated even if a certain processing pressure is applied.
It is preferable in the range of ~1200kgf / cm 2. Further, if the treatment temperature in the HIP treatment is low, the above effect cannot be expected.On the other hand, if the treatment temperature is high, the mixed powder is melted, and the distribution of the ceramic particles or fibers may become non-uniform. It is preferable to set the processing temperature. Furthermore, the effect of the HIP processing is short if the time is short, and the effect is saturated even if the time is longer than a certain time. Therefore, the time is preferably in the range of 30 minutes to 2 hours. In some cases, it is effective to employ another processing method as the high-temperature pressing. In other words, the size of the brake disc used in railway vehicles is about 700 mm in diameter, and it is necessary to ensure that the material has a size of about 500 mm before forging, but equipment required for HIP processing of this size of material Costs and manufacturing costs are enormous. For this reason, as shown in FIG. 2 described above, after increasing the powder filling rate by CIP processing as a high-temperature pressing processing,
A method of performing hot pressing is effective. When employing the CIP process, the filling rate of the material processing pressure to be molded is less than 500 kgf / cm 2 is low, whereas, the process pressure is 2000 kgf / c
Since effect exceed m 2 is saturated, it is in the range of 500~2000kgf / cm 2. In particular, it is desirable to perform CIP treatment in a pressure range of 1200 to 1800 kgf / cm 2 . When hot pressing is performed after the CIP treatment, if the pressure is low, the effect of the hot press is low, and if the pressure is high, the mold may be damaged. Therefore, the processing pressure is 1500 to 3500 kg.
f / cm 2 , especially 2700-3200 kgf / cm 2
Is desirable. If the heating temperature of the hot press is low, the effect is low, and if it is high, the mixed powder may melt and the distribution of ceramic particles or fibers may become uneven,
The temperature should be in the range of 350 to 550 ° C. [0020] In the production method of the present invention, later mixed powder was sealed entrance City hot pressing in sealed cans, after the sealed can is hot pressing Without being removed, 40% a mixed powder in a sealed off to the state It is characterized by being forged at the above reduction ratio . As described above, during forging, when the molded material is removed from the sealed can and forging occurs, forging cracks are likely to occur, the reduction rate cannot be increased to a certain level or more, and the strength of the composite material can be sufficiently increased. It becomes difficult. For this reason, forging is performed in a state where the material is sealed without removing the sealed can. At this time, if the thickness of the sealed can is thin, cracks occur during forging, and if it is thick, only the can is forged during forging. Therefore, the thickness of the can is preferably 6 to 40 mm. In particular, it is desirable to set it to 11 to 30 mm. The material of the sealed can may be selected from aluminum alloys for forging specified in JIS-H-4140.
Alloys 6061 and A6063 are particularly desirable because of their excellent toughness and ductility. As described above, in order to have sufficient strength with the manufactured aluminum-based composite material and obtain a required disk shape, it is necessary to secure a rolling reduction in forging of 40% or more. In particular, if the rolling reduction during forging is 60% or more, sufficient strength can be ensured, so that it is more desirable. Also, if the strain rate in the forging process is low, the productivity will deteriorate, and if the strain rate is too high, cracks will easily occur during forging, so it should be in the range of 10 -2 to 10 1 s -1. Good. In particular, 10 -1
10 0 is preferable to forge at s -1 of about strain rate.
If the heating temperature during forging is low, the forgeability deteriorates and cracks easily occur.If the heating temperature is high, the material is melted, the distribution of ceramic particles or fibers becomes uneven, and cracks may occur. Desirably, it is in the range of 〜550 ° C.
In particular, it is desirable to forge at a heating temperature of about 450 ° C. The forged aluminum-based composite material is machined as required to be processed into a required shape. At this time, there is no problem even if the aluminum alloy used as the sealed can remains except for the sliding surface of the brake disk. EXAMPLES The effects of the method of the present invention will be described in comparison with examples of the present invention and comparative examples. (Example of the Present Invention) FIG. 2 is a flowchart showing a method of manufacturing a brake disk employed in an example of the present invention. In the example of the present invention, a brake disk for a railway vehicle having the shape shown in FIG. 1 was manufactured by the above manufacturing method. The matrix material of the composite material includes samples 1 to
Three types of aluminum alloys 3 were used. Sample 1 is an Al-Mg JIS A5083 aluminum alloy, Sample 2 is Al8Si1Cu to which 8% by weight of Si and 1% by weight of Cu are added, and Sample 3 is 8% by weight of Fe and 1% by weight of V Added Al8Fe
1V. SiC particles having an average particle size of 5 μm were used as the reinforcing material, and the volume ratio was 10%. Using samples 1 to 3 as matrix materials and aluminum-based composite materials manufactured by the manufacturing method shown in FIG. 2 as examples 1 to 3, their general characteristics are shown in Table 1. [Table 1] Various experiments were conducted during the production of the composite material. First, three kinds of aluminum alloy powder and SiC
Particles, each having a thickness of 30 mm and a diameter of 500 m.
m, sealed in a sealed can made of an aluminum alloy of material A6063, and subjected to vacuum degassing. Next, after performing CIP processing and hot pressing, forging was performed.
At this time, the CIP treatment is performed at a pressure of 1530 kgf / cm 2.
The hot press is 450 ° C and the pressure is 3055kgf
/ Cm 2 . The forging was performed under the conditions of a heating temperature of 450 ° C. and a strain rate of 10 −1 s −1 .
By the CIP process and the hot pressing, the filling ratio of the mixed powder is about 80% in the CIP process and 99% or more in the hot press, respectively, and the material before forging has a diameter of 500%.
mm and a disk having a thickness of 260 mm. Thereafter, by forging, for example, a disc having a diameter of about 750 mm and a thickness of about 105 mm was formed at a draft of about 60% . In the above-mentioned forging, the relationship between the thickness of the sealed can and the forgeability was investigated. Table 2 shows Example 1 (sample 1).
+ SiC particles) are shown. As is clear from the table, when forging is performed while being sealed in a can, good forgeability can be obtained without forging cracks. In particular, the thickness of the sealed can is desirably in the range of 11 to 30 mm. In the table, the case where the thickness of the can is set to 0 mm indicates the result when the can is removed after hot pressing and forging is performed. In this case, forging cracks occurred at a rolling reduction of 30%. In other processing, in Example 2, the rolling reduction was 35%.
In Example 3, forging cracks occurred at a rolling reduction of 20%, and forging could not be performed. [Table 2] FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the rolling reduction and the tensile strength in forging in Example 1. Reduction rate 50%
By adding, a high strength level with a tensile strength of 350 MPa was obtained, and the elongation was about 14%. Therefore, it can be seen that thereafter, by manufacturing the brake disk by machining, a disk having excellent wear resistance can be obtained. (Comparative Example) For comparison, the sample 1 was mixed with a matrix material of a composite material by a powder method and a casting method.
A brake disk shown in FIG. 1 was manufactured using an Al-Mg alloy or an Al-Si alloy in the same manner as in the example of the present invention. As for the powder method, the above-mentioned Japanese Patent Publication No.
The manufacturing method proposed in Japanese Patent No. 107415 was adopted. That is, the powder of the aluminum alloy of Sample 1 and the SiC particles were mixed, placed in a cylindrical container made of an aluminum alloy, compressed in the axial direction, and then cut perpendicularly to the axis to obtain a plurality of circles. A plate member was formed, and the disk member was hot-rolled cross-rolled. At this time, the rolling reduction is 20% by cross rolling.
Then, the disk (compact) cracked, so the rolling reduction was set to 10% in the cross rolling. After that, a brake disk was manufactured by machining, and Comparative Example 1 was obtained. In Comparative Example 1, the rolling reduction was low, the tensile strength was only about 200 MPa, and the abrasion resistance was inferior to those of the present invention. Next, in the casting method, since it is difficult to produce a composite material using an Al-Mg-based alloy such as Sample 1 as a matrix material, 10% SiC particles are produced using an Al-Si-based alloy as a matrix material. After sand-casting using the dispersed composite material, machining was performed to produce a brake disc, and Comparative Example 2
And The strength of Comparative Example 2 was about 140 MPa in tensile strength and about 0.8% in elongation, and it can be seen that the abrasion resistance was significantly lower than that of the inventive example. Table 3 shows the results of the brake test of the brake disks manufactured in the present invention and the comparative example. [Table 3] Examples of the present invention (Examples) 1 to 3, Comparative Examples 1 and 2
A brake test on a brake disk equivalent to that of a Shinkansen was performed on the brake disk to evaluate its durability. Brake initial speed 350km / h
Comparative Example 2 when the brake corresponding to
In Comparative Example 1, cracks occurred in the bolt hole edge after repeated braking twice and in Comparative Example 1 six times. In contrast, inventive examples 1 to
In No. 3, even when the brake was repeatedly applied 200 times, no damage such as cracks occurred and good performance was obtained. According to the manufacturing method of the present invention, forging cracks are
Weight without producing a high strength is worn, moreover conventional steel equivalent wear resistance, heat resistance, brake <br/> disc composed of an aluminum-based composite material having a thermal crack properties it is possible to easily provide a click.

【図面の簡単な説明】 【図1】ブレーキディスクの構造を示す例であり、ブレ
ーキディスクの上面(1/4)および断面(1/2)を
示す図面である。 【図2】本発明例が採用したブレーキディスクの製造方
法のフローチャートを示す図である。 【図3】実施例1における鍛造加工における圧下率と引
張強度の関係を示す図である。 【図4】従来技術で提案されたブレーキディスクの製造
方法のフローチャートを示す図である。
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is an example showing a structure of a brake disk, showing an upper surface (1/4) and a cross section (1/2) of the brake disk. FIG. 2 is a view showing a flowchart of a method of manufacturing a brake disk employed by an example of the present invention. FIG. 3 is a view showing a relationship between a draft and a tensile strength in forging in Example 1. FIG. 4 is a view showing a flowchart of a method of manufacturing a brake disk proposed in the prior art.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI F16D 65/12 F16D 65/12 E (72)発明者 東口 洋史 大阪府大阪市此花区島屋5丁目1番109 号住友金属工業株式会社関西製造所製鋼 品事業所内 (72)発明者 古谷 精市 大阪府大阪市此花区島屋5丁目1番109 号住友金属工業株式会社関西製造所製鋼 品事業所内 (72)発明者 大久保 喜正 東京都港区新橋五丁目11番3号住友軽金 属工業株式会社内 (72)発明者 江崎 宏樹 東京都港区新橋五丁目11番3号住友軽金 属工業株式会社内 (72)発明者 時実 直樹 東京都港区新橋五丁目11番3号住友軽金 属工業株式会社内 (72)発明者 菊地 昭雄 東京都港区新橋五丁目11番3号住友軽金 属工業株式会社内 (56)参考文献 特開 平6−147240(JP,A) 特開 昭63−169340(JP,A) 特開 平9−125179(JP,A) 特開 平9−184037(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B22F 3/14,3/15 B22F 3/17,5/00 C22C 1/05 F16D 65/12 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI F16D 65/12 F16D 65/12 E (72) Inventor Hiroshi Higashiguchi 5-1-1109 Shimaya, Konohana-ku, Osaka-shi, Osaka Sumitomo Metal Industries Kansai Works Co., Ltd. Steel Works (72) Inventor Sei Furuya 5-1-1109 Shimaya, Konohana-ku, Osaka City, Osaka Prefecture Sumitomo Metal Industries, Ltd.Kansai Works Steel Works Co., Ltd. (72) Inventor Yoshimasa Okubo Tokyo 5-11-3, Shimbashi, Minato-ku, Tokyo Sumitomo Light Metal Industries Co., Ltd. (72) Inventor Hiroki Ezaki Inventor, 5--11-3, Shimbashi, Minato-ku, Tokyo Sumitomo Light Metal Industries Co., Ltd. (72) Naoki Minami 5-1-1-3 Shimbashi, Minato-ku, Tokyo Sumitomo Light Metal Industries Co., Ltd. (72) Inventor Akio Kikuchi 5-1-1-3, Shimbashi, Minato-ku Tokyo, Sumitomo Light Metal Industries Co., Ltd. (56) References JP-A-6-147240 (JP, A) JP-A-63-169340 (JP, A) JP-A-9-125179 (JP, A) JP-A 9-184037 (JP, A) (58) Survey Field (Int.Cl. 7 , DB name) B22F 3 / 14,3 / 15 B22F 3 / 17,5 / 00 C22C 1/05 F16D 65/12

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】 【請求項1】アルミニウム合金とセラミックスとの混合
粉末を密閉缶に入し高温プレス処理してのち鍛造して
製造されるアルミニウム基複合材料から構成される鉄道
車両用ブレーキディスクの製造方法であって、前記密閉
缶は高温プレス処理後取り除かれることなく、前記混合
粉末を封入したままの状態で40%以上の圧下率で鍛造
されることを特徴とする鉄道車両用ブレーキディスクの
製造方法。
(57) Rail consists Patent Claims 1 aluminum alloy and aluminum-based composite material produced by forging later mixed powder was sealed entrance City hot pressing in a sealed can of the ceramic a method of manufacturing a vehicle brake disc, the sealed can is without being removed after the high-temperature pressing, train, characterized in that it is forged at more than 40% of reduction ratio while still encapsulating the powder mixture A method for manufacturing a brake disc for a vehicle.
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