レーザクラッディング表面機能化技術による次世代高速鉄道用ブレーキディスクの開発

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(1)24 特集辰巳，嵯峨，阿部，坂口，宮部，米山，松井：レーザクラッディング表面機能化技術による次世代高速鉄道用ブレーキディスクの開発. レーザプロジェクト最前線. 特集. レーザクラッディング表面機能化技術による次世代高速鉄道用ブレーキディスクの開発辰巳佳宏＊，嵯峨信一＊＊，阿部信行＊＊＊，坂口篤司＊＊＊＊，宮部成央＊＊＊＊，米山三樹男＊，松井祥司＊＊. 大阪富士工業株式会社技術センター（〒 660-0811 兵庫県尼崎市定光寺 1-9-1）鉄道総合技術研究所車両制御技術研究部ブレーキ制御研究室（〒 185-8540 東京都国分寺市光町 2-8-38）＊＊＊大阪大学接合科学研究所（〒 567-0047 大阪府茨木市美穂ヶ丘 11-1）＊＊＊＊新日鐵住金株式会社製鋼所輪軸製造部輪軸技術室（〒 554-0024 大阪府大阪市此花区島屋 5-1-109）. ＊＊. Development of Brake Disc for Next-Generation Ultra-high-speed Railway by Laser Cladding Surface Modification Technology TATSUMI Yoshihiro, SAGA Shinichi, ABE Nobuyuki, SAKAGUCHI Atsushi, MIYABE Naruo, YONEYAMA Mikio, MATSUI Shouji （Received November 7, 2017） Key words : Shinkansen, Brake disc, Laser cladding, Plasma arc, Heat affect, Sliding wear. 船舶などの主に耐摩耗を要する部材）がある．また，炭化. 1. 緒言. 物を多量に含有する金属を肉盛することも可能であること. 近年の高速鉄道の高速化に伴う熱負荷の増大で，現用の鋼製ブレーキディスクの適用は限界に近づきつつある．さ. から，同様に炭化物を多く含むブレーキ材の特性に似た肉盛層を生成することも可能である．一方，LMD は PTA に代って近年，各産業界での導入が. らに，将来計画されている時速 400 km 走行においては，摺動面が 1,000℃近く上昇するため，鋼製では熱亀裂や変. 進んでいる比較的新しい溶接法 2）で，レーザ源の電気−光. 形の問題が生じることから，高速対応ブレーキディスク開. 変換効率が高まったこと，ファイバ伝送が可能になったこ. 発は必須である．. とが実用化の背景にある．制御性の高いレーザを溶接対象. そのため，優れた耐熱性を有する特殊金属材料を鋼製. 部に照射し，その照射領域に金属粉末を噴射することによ. ディスクの摩擦摺動面にのみに付与することができる経済. り粉体肉盛を行う仕組みで，熱量をもたないレーザ光を用. 的な方法として，粉体肉盛プラズマアーク溶接法による肉. いることにより，PTA のアーク温度（約 1 万℃）に比べて. 盛ブレーキディスクの開発を行ったが，入熱が大きく溶込. 溶接対象物の温度影響（熱ひずみや変形）を低く抑えられ. み量も多いため，変形や熱亀裂が発生して健全な品質を得. るメリットがある．. るのが困難であった1）．. その他，溶接対象物の希釈率（肉盛材と母材の融合比. 本研究開発は，従来の紛体肉盛プラズマ法（Plasma. 率）が低減されること，肉盛厚さが 0.1∼2 mm の範囲で制. Transferred Arc，以下，PTA）に代わる高品質な溶接肉盛法. 御可能であることなどがあげられる．こうした優れた特. として，レーザクラッディング法（Laser Metal Deposition,. 長をもつ LMD 溶接機について，本研究ではディスクの. 以下，LMD）の適用検討を行い，新たなブレーキディスク. 摩擦摺動面積と溶接時間を考慮し，ドイツトルンプ社製. の開発を行った．. の TruDisk4006（レーザダイオード励起 YAG レーザ，出力. 2. 表面機能化処理の開発. 䝍䞁䜾䝇䝔䞁㟁ᴟ. 2.1 レーザクラッディング法. 䝟䜲䝻䝑䝖䜺䝇. 䝺䞊䝄. ෭༷Ỉ. ෭༷Ỉ. 溶接方法の概念図を Fig. 1 に示す．PTA は，電極と母材. ⁐ᮦ䠄⢊ᮎ䠅. ⁐ᮦ䠄⢊ᮎ䠅. 間にプラズマアークを発生させその中へ溶材である粉末を. 䝅䞊䝹䝗䜺䝇. 䝅䞊䝹䝗䜺䝇. キャリヤーガス（アルゴンガス）とともに供給して溶接を行う手法である．粉末を溶接材料として用いるため，溶け込みが浅く，平滑なビードが得られ，高能率で自動化が可能であることから，肉盛溶接に適した施工法として産業界で多くの実績（建設機械，製鉄機械，化工機械，火力発電所，. ― 24 ―. ⫗┒ᒙ ẕᮦ. （a）. （b）. Fig. 1 Welding method comparison.（a）PTA,（b）LMD.

(2) レーザ加工学会誌 Vol. 25, No. 1 (2018) 25. 4,000 W）を用いて研究を進めた．. がみられ，LMD の母材熱影響部は PTA に比べて薄い領域. 2.2 肉盛材の溶接性比較. に限定されており，熱影響が小さく抑えられているのがわ. 肉盛マトリックス素材は従来の PTA で実績のあるニッ. かる．. ケル基合金のハステロイ C 系（Ni，Cr，Mo，W，Fe，C，. 2.3 肉盛材の高温強度. Mn，Si）を用いた．この素材は凝固組織をなしており，冷. 肉盛の有無による高温環境下での材料強度試験を実施し. 却過程で組織変態を生じない特性をもつ．また，ヤング率. た．温度条件は，室温から 1,200℃までとした．引張強さ. と線膨張係数がディスク母材とほぼ同等で溶接密着性（濡. および伸び測定の結果を Fig. 4 に示す．いずれの性質も溶. れ性）が良いこと，ディスク母材と上盛の熱応力に起因す. 接方法による違いは認められなかった．現用のディスク母. る剪断力を緩和する効果が期待できることから下盛材に適. 材は，600℃付近で引張強さが著しく低下する鉄系材料特. 用した．ライニングと摩擦摺動し，膨大な摩擦入熱を受け. 有の性質を示したのに対し，耐熱性の高いニッケル基合金. る上盛材も PTA で実績のあるニッケル基合金と高融点金. を用いた肉盛材では温度が高くなるにつれて低下傾向はみ. 属（W，Mo，Nb，Ta）を混合したものを用いた．. られるが，1,200℃の高温時においても高い強度を維持した．. 溶接方法の違いによるディスク母材への熱影響を評価. 伸び測定の結果では，ディスク母材が 600℃付近で著し. するにあたり，試験片の片面に PTA と LMD をそれぞ. い増加が生じている．肉盛材ではこれとは反対に，温度が. れ行い，溶接断面の観察を行った．ただし，予熱温度は. 高くなるにつれて伸びが減少する性質を示した．. 250℃，350℃の 2 種類とし，LMD は下盛 1 層，上盛 2 層. 高速サーモカメラの観察結果から，ブレーキ中のディス. とし，PTA は下盛 2 層，上盛 2 層の肉盛を各溶接法で行っ. ク摩擦摺動面の最高温度は約 1,000℃の高温状態であるこ. た．マイクロビッカース硬さを Fig. 2 に，予熱温度 250℃. とがわかっている．したがって，ブレーキ時の摩擦熱によっ. における断面観察の比較を Fig. 3 に示す．. てディスク母材は強度が低下し，さらに伸びが増大するこ. 硬度測定の結果をみると母材の熱影響層は下盛層からの距離が，PTA で 4 mm ，LMD で 2 mm であることがわかり，. とで熱き裂が発生しやすい状態になっているものと考えられる．. LMD の方がディスク母材に与える熱影響が低く抑えられ. 一方，肉盛材では高温環境下でも強度低下が抑えられ，. ていることがわかる．ディスク断面観察をみると，LMD. 加えて伸びが抑制されることから熱き裂が発生し難い状態. 上盛部のマトリックスには，高融点金属が溶解した析出物. になっている．また，肉盛層が緩衝領域となってディスク母材への直接的入熱を緩和する役割を果たし，母材の強度低下も低く抑えられることが期待できる． 2.4 肉盛マトリックスの組織分析肉盛溶接法の違いによる肉盛層の性質を比較するため，肉盛マトリックスの詳細な組織分析を実施した．分析用の試験片は，幅 60 mm × 長さ 150 mm × 厚さ 40 mm のディスク母材（特殊鍛鋼）に下盛 2 mm，上盛 3 mm の肉盛層を形成したものを用いた． 2.4.1 走査型電子顕微鏡による観察（SEM）各肉盛層の SEM 観察の結果を Fig. 5 に示す．下盛を比べると，LMD の方が微細化しており，強度が向上しているものと考えられる．一方，上盛については差異がみられ. Fig. 2 Hardness distribution comparison.. ＰＴＡ. なかった．. ＬＭＤ肉盛部. 肉盛部断面マクロ. 熱影響部熱影響部 5mm 5mm. 5mm 5mm 析出物. 上盛部ミクロ組織 100µm. 100µm. Fig. 3 Metallographic cross section comparison（preheat：250℃）.. Fig. 4 High temperature tensile test.（a）tensile strength,（b）tensile elongation. ― 25 ―.

(3) 26 特集辰巳，嵯峨，阿部，坂口，宮部，米山，松井：レーザクラッディング表面機能化技術による次世代高速鉄道用ブレーキディスクの開発. (a). (b) ᚤ⣽໬㻌 500μm㻌. (c). 500μm㻌. (d). 500μm㻌. 500μm㻌. Fig. 5 SEM Image comparison. （a）PTA underlaying,（b）LMD underlaying （c）PTA overlaying,（d）LMD overlaying. Fig. 7 EDX Analysis（PTA, LMD）.. （a）. （b）. Fig. 8 XDR Analysis（PTA, LMD）.. 池（モルテンプール）に吹き付ける肉盛粉体（主成分は Ni， Cr）がより多く溶け込んだ結果と考えられる．上盛ではいずれの溶接法も差異はみられなかった．これ. Fig. 6 Hardness difference of each phase（PTA, LMD）.. らの傾向は電子線マイクロアナライザー（EPMA）の分析結果とも一致した． 2.4.4 X 線結晶構造解析（XRD）. 一般に，高硬度下での結晶粒界破壊を防ぐためにはオーステナイト結晶粒の微細化による結晶粒界強度の向上が有. X 線結晶構造解析の結果を Fig. 8 に示す．下盛では Cr-. 効と言われていることから，LMD においても高融点金属. Ni-Fe-C のオーステナイト組織である回折角 50 deg および. との粒界をなす肉盛層の強度が PTA に比べて向上してい. 60 deg にピークがみられ，LMD は PTA の半値程度である. るものと考えられる．. ことから，結晶方位性（試料座標系に対する原子の並びの. 2.4.2 マイクロビッカース硬さ. 向き）が異なる可能性が高いと考えられる．一方，上盛で. 下盛，上盛のニッケル合金マトリックス部，上盛の高融. はいずれの溶接法も差異は認められなかった．. 点金属部について，マイクロビッカース硬さの平均値を測. 3. 実物大台上試験. 定した結果を Fig. 6 に示す．高融点金属粒子はいずれの溶接法も同等の硬さであったのに対し，下盛マトリックスお. 3.1 性能試験および耐久試験の概要. よび上盛マトリックス硬さは LMD の方が PTA よりも約 1.2. 現用の実物大中央締結型ディスクの摩擦摺動面に，LMD を用いて下盛層（厚さ 2 mm）と上盛層（厚さ 3 mm）を形成. 倍高い値を示し，強度が向上していると考えられる． 2.4.3. エネルギ分散型 X 線分析（EDX）および電子線マ. して耐熱性を向上したディスクを試作し，台上試験による. イクロアナライザー（EPMA）. 基本性能を確認した．ただし，締結ボルト孔周りは下盛材. エネルギ分散型 X 線分析の結果を Fig. 7 に示す．PTA. で肉盛溶接を施し，耐き裂性を向上した．性能試験では最. の下盛では Fe 成分の強度が顕著であり，ディスク母材成. 高速度 400 km/h まで，耐久試験では初速度 300 km/h でそ. 分が溶接時に肉盛層内へ巻き上げられたことが原因と考. れぞれ実施した．. えられる．一方，LMD の下盛では Ni と Cr 成分の強度が. ディスク形状は中央締結型，ライニング形状は等面圧型. 高い傾向を示した．これは，LMD では PTA に比べて溶融. とした．ディスクおよびライニングの外観を Fig. 9 に，供. ― 26 ―.

(4) レーザ加工学会誌 Vol. 25, No. 1 (2018) 27. 試体の諸元を Table 1 に，設定トルクを Fig. 10 に，ブレー. 動する非常ブレーキ向上（以下，EB 向上）の 2 種類，ブレー. キ条件を Table 2 にそれぞれ示す．性能試験のブレーキ種. キ初速度は ATC 各速度段とし，試験回数は各条件 3 回と. 別は，列車分離や故障時に作動する非常ブレーキ（以下，. した．耐久試験では，初速度 300 km/h からの非常ブレー. EB）と，ブレーキ力を EB の 1.4 倍増大させた地震時に作. キを 105 回繰り返す条件とした．ライニングの押付制御は通常の押付力制御とした．. （a）. 3.2 試験結果. （b）. ㌴㍯. 3.2.1 摩擦係数および停止距離. 䝤䝺䞊䜻䝕䜱䝇䜽. 平均摩擦係数（距離基準）の平均値を Fig. 11 に，停止距離の平均値を Fig. 12 に示す．平均摩擦係数は，0.25∼0.35. 䝷䜲䝙䞁䜾. の範囲にあり，おおむね想定値と近く，400 km/h の EB 向 ཯䝣䝷䞁䝆ഃ. ⫗┒㒊. 上においても摩擦係数の大幅な低下は生じなかった．その結果，停止距離についてもおおむね想定値を満足した． 3.2.2 各種温度ディスク最高温度の平均値を Fig. 13 に，ライニング最高温度の平均値を Fig. 14 に示す．いずれの条件においても，ディスク温度は目安値の 700℃を下回り，ライニング. Fig. 9 Test material before brake test.（a）disk,（b）Lining. 温度は目安値の 1,050℃を下回った． 3.2.3 ディスクの耐摩耗性耐久試験後の供試体外観を Fig. 15 に示す．ディスクの. Table 1 Design specification of test material. 㡯┠. 摩擦摺動面には目立ったき裂および荒損もなく，良好な状. ㅖ್ ㌴୧㔜㔞. 529 kN㸦54 tonf 㸧. ័ᛶಸ⋡. 5%. ㌴㍯ᚄ. 860 mm. ヨ㦂ᶵ ័ᛶ࣮࣓ࣔࣥࢺ. 1322 kgm2 㸦54.5 tonf 㸧. ᙧ≧. ୰ኸ⥾⤖ᆺ㸦┤ᚄ720 mm㸪ᦾືᖜ125 mm 㸧 ୖ┒㸦Ni ᇶྜ㔠㸩㧗⼥Ⅼ㔠ᒓ⢏㸧㸸⫗┒ཌ 3 mm. ᮦ㉁. ୗ┒㸦Niᇶྜ㔠㸧㸸 ⫗┒ཌ 2 mm. ⥾⤖࣎ࣝࢺᙉᗘ. チᐜ್100 kN㸪17 kN㸦200୓ᅇࡢ᫬㛫ᙉᗘ㸧. ┠Ᏻ ᗘ. 700Υ㸦ᦶ᧿ᦾື㠃6 mmୗ㸧. ࢹ࢕ࢫࢡ. 㸩ẕᮦ㸦≉Ṧ୍య㘫㗰㸧. ࢟ࣕࣜࣃ. ᪉ᘧ. ✵ᅽࢸࢥᘧ. ᮦ㉁. ↓㖄㖡⣔↝⤖ྜ㔠. ᙧ≧. ➼㠃ᅽ. ᝿ᐃᦶ᧿ಀᩘ. 0.3㸦EB㸧㸪 0.28㸦EBྥୖ㸧. ┠Ᏻ ᗘ. 1050Υ. ࣛ࢖ࢽࣥࢢ. Fig. 11 Average value of average coefficient friction.. Fig. 10 Specified torque. Table2 Brake test condition. ヨ㦂௳ ᛶ⬟ヨ㦂 ⪏ஂヨ㦂. ✀ู EB EBྥୖ EB. ึ㏿ᗘ㸦km/h㸧 70，118，169，210，260，300，320，360，400 70䠈118䠈169䠈210䠈260䠈300䠈320䠈360䠈400 300. ᅇᩘ 各3回各3回 105ᅇ. Fig. 12 Average value of slip distance for brake.. ― 27 ―.

(5) 28 特集辰巳，嵯峨，阿部，坂口，宮部，米山，松井：レーザクラッディング表面機能化技術による次世代高速鉄道用ブレーキディスクの開発. Fig. 16 Dsik Shape of after brake test.. Fig. 13 Average value of maximum disc temperature.. Fig. 17 Abrasion loss compared of after brake test.. 約 7 倍，現用の鍛鋼製ディスク比で約 3 倍，耐摩耗性が大幅に向上した．これは，肉盛層の硬度が 1.2 倍に向上していること，結晶粒の微細化により粒界強度が向上していることなどの肉盛層の耐摩耗性向上に加え，ライニング材がディスク摩擦摺動面へ移着して自己潤滑層を形成し，ディ Fig. 14 Average value of maximum lining temperature.. スク摩擦摺動面が保護されたことが理由として考えられる．事実，73 回目のディスク形状は耐久試験前よりも摩耗状態が改善されている．この性質は現用の鍛鋼製ディスクではみられないことから，LMD を適用したことによる特質の一つと言える． 4. まとめ現用の鍛鋼製ディスクの耐熱性を向上する目的で，ディスクの摩擦摺動面に耐熱肉盛層を形成する手法の深度化を進めた．従来の粉体肉盛プラズマアーク溶接法に代り，より強固な肉盛層形成が期待できるレーザクラッディング法. （a）. を新たにディスクの摩擦摺動面へ適用し，実物大台上試験. （b）. により各種性能を評価した．得られた成果をまとめると以. Fig. 15 Test material after endurance test.（a）Disk,（b）Lining. 下の通りである．（1）肉盛性能を比較した結果，レーザクラッディング法. 態であった．また，ライニング外観も同様の結果であった．. は従来の粉体肉盛プラズマアーク溶接法に比べて，. 耐久試験後のディスクを解体した後，摩擦摺動面の浸透探. ディスク母材への熱影響が低く抑えられることがわ. 傷試験を行った結果，摩擦摺動面のき裂は認められなかっ. かった．. た．. （2）肉盛の有無による高温強度を比較した結果，現用の. 最も摩耗形状が顕著であったフランジ側のディスク形状. ディスク母材が 600℃付近で著しい強度低下を示した. を Fig. 16，17 に示す．LMD ディスクは従来の PTA 比で. のに対し，肉盛材では 1,200℃の高い温度においても. ― 28 ―.

(6) レーザ加工学会誌 Vol. 25, No. 1 (2018) 29. ディスク母材よりも高い強度を維持し，2 種類の肉盛. こと，ディスクの耐摩耗性が従来の粉体肉盛プラズ. 溶接方法による差異はみられないことがわかった．. マアーク溶接法に比べて約 7 倍，現用の鍛鋼製ディスクと比べて約 3 倍に向上することを確認した．. （3）肉盛層の詳細な組織分析を実施した結果，レーザクラッディング法の組織は従来の粉体肉盛プラズマ. （6）台上試験後のディスクを割断調査した結果，内部組. アーク溶接法に比べて微細化していること，硬度が. 織にき裂等の異常はみられないこと，ディスク母材. 約 1.2 倍に向上していること，結晶方位性が異なるこ. への熱影響が小さく抑えられていることがわかった．. とがわかり，強度向上が図られた．. 本報告書には，中小企業庁戦略的基盤技術高度化支援. （4）レーザクラッディング法を摩擦摺動面に適用した実. 事業による成果が含まれている．. 物大ディスクを試作し，最高速度 400 km/h までの台. 参考文献. 上試験を実施した．その結果，停止距離やディスク温度およびライニング温度等は基本ブレーキ性能を満足することを確認した．（5）初速度 300 km/h からの非常ブレーキを 105 回掛けた耐久試験後の摩擦面に熱き裂等の損傷が発生しない. 1）嵯峨信一，狩野泰：粉体肉盛溶接を適用したブレーキディスクの開発，鉄道総研報告，28-7,（2014）． 2）片山聖二：レーザ溶接技術開発の最新動向，溶接学会誌， 80-7,（2011）11-17．. ― 29 ―.

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