特許 5718477 ネズミ鋳鉄合金及びネズミ鋳鉄合金を含むブレーキディスク

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5718477

(24)【登録日】2015年3月27日

(45)【発行日】2015年5月13日

(54)【発明の名称】ネズミ鋳鉄合金及びネズミ鋳鉄合金を含むブレーキディスク

(51)【国際特許分類】

   C22C 37/00 20060101AFI20150423BHJP

   B60T 1/06 20060101ALI20150423BHJP

【ＦＩ】

   C22C37/00 C

   B60T1/06 C

【請求項の数】12

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2013-541960(P2013-541960)

(86)(22)【出願日】2011年11月29日

(65)【公表番号】特表2014-500400(P2014-500400A)

(43)【公表日】2014年1月9日

(86)【国際出願番号】SE2011051441

(87)【国際公開番号】WO2012074470

(87)【国際公開日】20120607

【審査請求日】2013年7月30日

(31)【優先権主張番号】1051276-2

(32)【優先日】2010年12月2日

(33)【優先権主張国】SE

(73)【特許権者】

【識別番号】594097848

【氏名又は名称】スカニア シーブイ アクチボラグ

(74)【代理人】

【識別番号】100109726

【弁理士】

【氏名又は名称】園田 吉隆

(74)【代理人】

【識別番号】100101199

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 義教

(72)【発明者】

【氏名】スコグルンド， ペータ

(72)【発明者】

【氏名】エルハヴ， ドン

(72)【発明者】

【氏名】ステンフォーシュ， スヴェン−エリック

(72)【発明者】

【氏名】タンミネン， ヤルモ

(72)【発明者】

【氏名】ヴィルベルフォーシュ， フレードリク

(72)【発明者】

【氏名】ティブリン， アンデシュ

(72)【発明者】

【氏名】ハンメルストレーム， ラーシュ

【審査官】 鈴木 葉子

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００４−２５７４２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−１２３２４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１０／０７９１４６（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ２２Ｃ ３７／００−３７／１０

Ｆ１６Ｄ ４９／００−７１／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

Ｃ：≦４．２％
Ｓｉ：＜１．３０％
Ｍｎ：０．４−０．８％
Ｎｂ：０．０５−０．４％
Ｃｒ：≦０．４％
Ｃｕ：≦０．７％
Ｖ＋Ｔｉ＋Ｍｏ：≦０．４％
Ｐ：＜０．０５％
Ｓ：＜０．１％
をｗｔ％で含み、残りがＦｅと自然に生じる不純物であり、
％Ｃ／(４．２６−０．３１７*(％Ｓｉ)＋０．０２７(％Ｍｎ)−０．３(％Ｐ))で表される飽和度Ｓｃが＞１であり、
Ｃ含有量が３．９−４．１％であり、
Ｍｏ含有量が≦０．３％である、ネズミ鋳鉄合金。

【請求項2】

１−１．２５％のＳｉ含有量である請求項１に記載のネズミ鋳鉄合金。

【請求項3】

０．５−０．７％のＭｎ含有量である請求項１または２に記載のネズミ鋳鉄合金。

【請求項4】

０．１−０．４％のＮｂ含有量である請求項１から３の何れか一項に記載のネズミ鋳鉄合金。

【請求項5】

０．１５−０．３５％のＮｂ含有量である請求項１から４の何れか一項に記載のネズミ鋳鉄合金。

【請求項6】

０−０．２％のＣｒ含有量である請求項１から５の何れか一項に記載のネズミ鋳鉄合金。

【請求項7】

０．４−０．６％のＣｕ含有量である請求項１から６の何れか一項に記載のネズミ鋳鉄合金。

【請求項8】

≦０．２％のＶ含有量である請求項１から７の何れか一項に記載のネズミ鋳鉄合金。

【請求項9】

≦０．０５％のＴｉ含有量である請求項１から８の何れか一項に記載のネズミ鋳鉄合金。

【請求項10】

＜０．０８％のＳ含有量である請求項１から９の何れか一項に記載のネズミ鋳鉄合金。

【請求項11】

＜０．０２５％のＰ含有量である請求項１から１０の何れか一項に記載のネズミ鋳鉄合金。

【請求項12】

請求項１から９の何れか一項に記載のネズミ鋳鉄合金を含むブレーキディスク。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は請求項１の前段部に係るネズミ鋳鉄合金に関する。本発明はまた本発明に係るネズミ鋳鉄合金を含むブレーキディスクにも関する。

【背景技術】

【0002】

ネズミ鋳鉄は、その構造が例えばパーライトマトリックス中にいわゆる層状グラファイトである黒鉛片が含まれるある種の鋳鉄である。この構造はネズミ鋳鉄に振動吸収や熱伝導に関して良好な特性を与え、それをブレーキディスクに好適な材料にしている。

【0003】

ブレーキディスクには、ブレーキをかけたときに車両の運動エネルギーがその内部で熱に転換されるときに大きな負荷がかかる。繰り返しのブレーキ操作は経時的にディスクにおける亀裂発生を生じさせ、ディスクはまた摩耗も受ける。亀裂発生を制御する機構はいわゆる熱機械的疲労である。ブレーキ操作中におけるディスクの繰り返しの温度上昇及び冷却は応力を生じさせ、これがそれらを塑性的に変形させ、最後にはその亀裂を生じさせる。

【0004】

ブレーキディスクの高温特性とよってその耐熱疲労性を改善する既知の方法は、ディスクが形成されているネズミ鋳鉄に様々な合金元素を添加することである。しかしながら、これらの合金元素、例えばモリブデンは高価であり、既知のブレーキディスクのトータルコストを高くしてしまう。欧州特許第１６４６７３２Ｂ１号はとりわけモリブデンで合金化されたブレーキディスクに言及している。

【0005】

本発明の目的はブレーキディスクの製作に好適な費用効率が高いネズミ鋳鉄合金を示すことである。本発明の更なる目的は費用効率の高いブレーキディスクを示すことである。

【発明の概要】

【0006】

本発明によれば、この目的は、
Ｃ：≦４．２％
Ｓｉ：＜１．３０％
Ｍｎ：０．４−０．８％
Ｎｂ：０．０５−０．４％
Ｃｒ：≦０．４％
Ｃｕ：≦０．７％
Ｖ＋Ｔｉ＋Ｍｏ：≦０．４％
Ｐ：＜０．０５％
Ｓ：＜０．１％
をｗｔ％で含み、残りがＦｅと自然に生じる不純物であり、
％Ｃ／（４．２６−０．３１７＊（％Ｓｉ）＋０．０２７（％Ｍｎ）−０．３（％Ｐ））で表される飽和度Ｓｃが＞１である、ネズミ鋳鉄合金によって達成される。

【0007】

合金物質の含有量を注意深くバランスさせることにより、非常に良好な高温特性と耐摩耗性を有するネズミ鋳鉄合金が得られる。これにより、ネズミ鋳鉄合金は、特にトラックのような大型車両のための、ブレーキディスク用材料として非常に適したものになる。

【0008】

本発明に係るネズミ鋳鉄合金を含むブレーキディスクは、良好な耐熱機械的疲労性と良好な耐摩耗性を有している。ディスクを構成するネズミ鋳鉄合金が比較的低コストで入手できるので、ブレーキディスクをまた低コストで製作することができる。

【0009】

ネズミ鋳鉄合金の炭素含有量は好ましくは３．９−４．１％である。

【0010】

ネズミ鋳鉄合金の珪素含有量は好ましくは１−１．２５％である。

【0011】

ネズミ鋳鉄合金のマンガン含有量は好ましくは０．５−０．７％である。

【0012】

ネズミ鋳鉄合金のニオブ含有量は好ましくは０．１−０．４％である。

【0013】

より好ましくは、ネズミ鋳鉄合金のニオブ含有量は０．１５−０．３５％である。

【0014】

ネズミ鋳鉄合金のクロム含有量は好ましくは０．２％以下である。

【0015】

ネズミ鋳鉄合金の銅含有量は好ましくは０．４−０．６％である。

【0016】

別態様では、ネズミ鋳鉄合金は、≦０．２％のバナジウム含有量を有している。

【0017】

別態様では、ネズミ鋳鉄合金は、≦０．０５％のチタン含有量を有している。

【0018】

別態様では、ネズミ鋳鉄合金は、≦０．３％のモリブデン含有量を有している。

【0019】

硫黄含有量は好ましくは０．０８％以下である。

【0020】

リン含有量は好ましくは０．０２５％以下である。

【0021】

本発明はまた上に示されたネズミ鋳鉄合金を含むブレーキディスクにも関する。

【発明を実施するための形態】

【0022】

例えば本発明に係るネズミ鋳鉄合金から作製されたブレーキディスクのような鋳造品は、パーライトマトリックス中の層状グラファイトの主構造を有している。層状グラファイト構造は鋳造品に良好な熱伝導性を付与し、パーライトマトリックスは良好な強度及び耐摩耗性を確保する。

【0023】

次の合金物質が本発明に係るネズミ鋳鉄合金に含有させられる：
炭素（Ｃ）
ネズミ鋳鉄合金の炭素含有量は、合金が凝固するときに析出する層状グラファイトの割合に影響を及ぼす。従って、本発明に係るネズミ鋳鉄合金の炭素含有量が多いことが、それから製作されるブレーキディスクが高い割合の層状グラファイトを有し、熱伝導度が高く、よって熱的に誘発される応力が低いので、重要である。しかしながら、炭素含有量が多すぎると、グラファイトの一次析出を生じ、生じた浮遊がネズミ鋳鉄に非均一構造を生じ特性を劣ったものにする。従って、本発明に係る合金の炭素含有量は、４．２ｗｔ％以下でなければならない。好ましくは、高く均一な熱伝導性を確保するには３．９から４．１ｗｔ％にすべきである。

【0024】

珪素（Ｓｉ）
珪素は、ネズミ鋳鉄合金に、その鋳造性を改善し、白銑化を防止するために導入される。このためには、珪素含有量は１ｗｔ％以上である必要がある。しかしながら、珪素は合金のパーライトマトリックスの崩壊を促進するので、高珪素含有量は、特に高温での、合金の安定性を減じる。従って、珪素含有量は１．３０ｗｔ％以下に制限されなければならない。好ましくは、ネズミ鋳鉄合金においてパーライトマトリックスを確保するために１から１．２５ｗｔ％の間でなければならない。

【0025】

リン（Ｐ）
リンは凝固した合金中に脆いリン介在物を生じうるネズミ鋳鉄中の不純物である。従って、リンは０．０５ｗｔ％以下、好ましくは０．０２５ｗｔ％以下に制限されなければならない。

【0026】

硫黄（Ｓ）
硫黄は硫化物を生じうるネズミ鋳鉄中の不純物である。従って、硫黄は０．１ｗｔ％以下、好ましくは０．０８ｗｔ％以下に制限されなければならない。

【0027】

マンガン（Ｍｎ）
マンガンは硫黄に結合してネズミ鋳鉄の機械加工性を改善するために添加される。マンガンはまたパーライト相を安定にする。しかしながら、マンガン含有量が多すぎると、最終製品の機械加工をより困難にしうる炭化物が生じる危険性が増大する。マンガン含有量とマンガン／硫黄の比はまた核精製とグラファイトの生長にとりわけ影響を及ぼすので、安定な特性を達成するという観点からは狭い範囲が望ましい。このため、本発明に係る合金のマンガン含有量０．４から０．８ｗｔ％の間、好ましくは０．５から０．７ｗｔ％の間でなければならない。

【0028】

ニオブ（Ｎｂ）
ニオブはネズミ鋳鉄合金における合金物質として一般的に使用されているモリブデンに全体的に又は部分的に置き換わりうる比較的低コストで入手可能な合金物質である。ニオブはグラファイトの析出を促進するので、合金の熱伝導性、よって熱機械特性に対して正の効果を持つ。ニオブはまた合金の黒鉛片を囲むパーライト相における層間間隔を低減させ、それによって合金強度に好影響を及ぼす。ニオブはまたパーライト相の崩壊が防がれるように合金を安定化させる。ニオブはまた耐摩耗性を増加させる硬質炭化ニオブを形成する。しかしながら、余りに高いニオブ含有量は鋳造品の機械加工性を劣悪なものにする。よって、ニオブの量は０．０５から０．４ｗｔ％、好ましくは０．１から０．４ｗｔ％、より好ましくは０．１５から０．３５ｗｔ％でなければならない。

【0029】

クロム（Ｃｒ）
クロムはネズミ鋳鉄合金の作製に使用される最初の材料中にしばしば存在する合金物質である。クロムは、パーライト安定化というネズミ鋳鉄合金に対する正の効果を有しているが、高クロム含有量は白銑化を生じるので、クロム含有量は０．４ｗｔ％以下でなければならない。クロムは好ましくは０から０．２ｗｔ％でなければならない。

【0030】

銅（Ｃｕ）
同派ネズミ鋳鉄合金のための初期材料の一部を形成しうる合金物質である。銅はネズミ鋳鉄のパーライト相に対して安定化効果を有しているが、この効果はマトリックスがパーライトになると低減するので、銅は０．７ｗｔ％以下、好ましくは０．４から０．６ｗｔ％に制限される必要がある。

【0031】

バナジウム（Ｖ）
バナジウムはネズミ鋳鉄合金の耐摩耗性を改善する硬質炭化バナジウムを形成するが、バナジウム含有量が多いと、白銑化の危険性を増大させ、鋳造材料の機械加工をより困難にする。よって、材料中のバナジウムの量は０．２ｗｔ％を越えてはならない。

【0032】

チタン（Ｔｉ）
チタンはネズミ鋳鉄合金のための初期材料の一部であり得、耐摩耗特性に有利な炭化チタンを形成するが、鋳造材料の機械加工をより困難なものする。よって、チタン含有量は０．０５ｗｔ％以下でなければならない。

【0033】

モリブデン（Ｍｏ）
モリブデンはネズミ鋳鉄合金の高温疲労特性に有利な効果を有している。従って、所定の用途ではネズミ鋳鉄合金は０．３ ｗｔ％までのモリブデンを含んでいることが適切な場合がある。しかしながら、モリブデンは高価な合金物質であるので、本発明に係るネズミ鋳鉄合金においてはモリブデンが低含有量であることが望ましい。従って、ネズミ鋳鉄合金のモリブデン含有量は０から０．３ｗｔ％でなければならない。多くの用途では、モリブデンはネズミ鋳鉄合金から完全に省かれうる。よって、本発明に係るネズミ鋳鉄合金では、モリブデン含有量は０ｗｔ％でありうる。

【0034】

バナジウム（Ｖ）＋チタン（Ｔｉ）＋モリブデン（Ｍｏ）
耐摩耗性及び高温疲労に関する特性をそのコスト及び機械加工性に対してバランスさせるために、ネズミ鋳鉄合金におけるバナジウム、チタン及びモリブデンの組み合わせ量は０．４ｗｔ％を越えてはいけない。

【0035】

飽和度（Ｓｃ）
％Ｃ／(４．２６−０．３１７*(％Ｓｉ)＋０．０２７(％Ｍｎ)−０．３(％Ｐ))
として表されるネズミ鋳鉄合金の飽和度Ｓｃは１より多くなければならない。

【0036】

飽和度はネズミ鋳鉄合金中に含まれる炭素の全量と溶湯の共晶炭素含有量の比であり、上記のＳｉ、Ｍｎ及びＰ含有量に基づいて計算されうる。１未満の比は、溶湯中の炭素の量が共晶より少ない（亜共晶）であることを意味し、１の比は溶湯に含まれる炭素の量が共晶にあることを意味し、１より多い比は溶湯に含まれる炭素の量が共晶より上（過共晶）であることを意味する。含有炭素と共晶炭素量の比は凝固ネズミ鋳鉄合金の最終構造に対して非常に重要である。溶湯の組成が亜共晶であれば、凝固した溶湯は高含有量のオーステナイトを有し、ネズミ鋳鉄合金の熱伝導性に悪影響を及ぼす。溶湯が過共晶であれば、そこに含まれる炭素が溶湯の凝固中に黒鉛片の形態で分離し、ブレーキディスクに好ましい構造をネズミ鋳鉄合金に与える。しかしながら、溶湯のＳｃ値が高すぎると、黒鉛の一次析出とその結果の黒鉛浮遊（graphite flotation）の危険性がある。

【0037】

本発明に係るネズミ鋳鉄合金はブレーキディスクに適していなければならないので、黒鉛片がブレーキディスク中における熱伝導を促進するので溶湯の凝固中に多量の層状黒鉛が分離されることが重要である。従って、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ及びＰ含有量は飽和度が１より多くなるように適合させなければならない。Ｓｃの最大上限は合金が使用される特定の部品に依存する。ブレーキディスクに適した本発明に係るネズミ鋳鉄合金では、Ｓｃは１．０７よりも低くなければならない。

【0038】

本発明に係るネズミ鋳鉄合金の残りは鉄と可能な不可避不純物を含む。これらの不純物は、自然に生じる不純物とも呼ぶが、例えばネズミ鋳鉄合金の初期材料として使用される金属スクラップから又は用いられる製造方法から生じうる。

【図面の簡単な説明】

【0039】

【図1】本発明に係る合金及び比較合金の組成の表。

【実施例】

【0040】

本発明に係る合金を具体的な実施例を元にして以下に記載する。
第一の工程として、「合金１」及び「合金２」と呼ぶ本発明に係る２種の合金を作製した。比較の目的で、「比較合金３」及び「比較合金４」と呼ぶブレーキディスク用材料として現在市販されている２種の合金をまた作製した。表１は各合金１−４の組成を与える。表１は、本発明に係る合金が少量の不可避不純物のスズを含んでいることを示している。

【0041】

「比較合金３」は車両製造者によれば非常に長い寿命を持つブレーキディスクに使用されている。「比較合金４」は車両製造者によれば良好な寿命を持つブレーキディスクに使用されている合金である。

【0042】

合金は連続製造に適した方法によって一般的な工業的方法で作製した。

【0043】

ブレーキディスクは一般的な方法で合金から作製された。サンプルはその摩擦面から採取した。

【0044】

硬度は、本発明に係るネズミ鋳鉄合金から作製したブレーキディスクから採られたサンプルについてＨＢＷ１０／３０００で室温で測定した。合金１は１５５ＨＢＷ１０／３０００の硬度を有しており、合金２は１６９ＨＢＷ１０／３０００の硬度を有していた。過去の経験では、測定された硬度は、本発明に係る合金がブレーキディスク用材料として適しているように十分に良好な耐摩耗性を有していることを示している。

【0045】

ついで、本発明に係る合金から作製したブレーキディスクと比較合金から作製したものから採られたサンプルについて熱伝導性を試験した。

【0046】

ネズミ鋳鉄合金の熱伝導性は、それから作製されたブレーキディスクが操作中の熱機械的疲労に如何に耐えるかの非常に重要な指標である。これは、ブレーキディスク中における熱伝導が大きくなればなる程、ブレーキ操作中にそこに生じる熱エネルギーがより速やかにかつ均一に逃がされるためである。これにより、ブレーキ操作中のディスク内の応力が小さくなり、よってその内部における亀裂形成の危険性が少なくなる。

【0047】

ブレーキサイクル中の熱伝導率をチャート化するために多くの温度の点で「レーザフラッシュ」法によって各合金の熱伝導率をW/mKで測定した。 様々な合金の熱伝導率を表２に示す。

【0048】

【0049】

表２は測定された各温度における本発明に係る合金の熱伝導率が比較合金４のものよりも有意に大きいが比較合金３のものと同様であることを示している。よって、換言すれば、比較合金のものと比較した本発明に係る合金の測定した熱伝導率は、本発明に係る合金がブレーキディスクに使用するのに非常に適していることを示している。

【図1】