JP2001524167A

JP2001524167A - セラミック−金属複合体摩擦材料を有するブレーキ又はクランチ構成材

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Publication number: JP2001524167A
Application number: JP54814098A
Authority: JP
Inventors: アールジョーンズ，バート; アールジュニアプルニア，アーサー; ジェイピジック，アレクサンダー; ブイデシュムク，アディ
Original assignee: Dow Chemical Co
Current assignee: Dow Chemical Co
Priority date: 1997-05-05
Filing date: 1998-04-24
Publication date: 2001-11-27
Also published as: ATE235010T1; EP0980481B1; DE69812344D1; EP0980481A1; CA2289077A1; WO1998050712A1; US5957251A; DE69812344T2

Abstract

(57)【要約】金属基材の一表面の少なくとも１部上に積層した摩擦材料をもつ金属基材からなる制動用構成材であって、摩擦材料が金属相とセラミック相からなるセラミック−金属複合体からなり、セラミック相が複合体の少なくとも２０容量％の量で存在するブレーキパッド、ブレーキローター、ブレーキドラム又はクラッチディスクのような制動用構成材。特に、制動用構成材はアルミニウム等の金属基材とそれに積層した高い比熱と低い密度をもつ密な炭化ホウ素−アルミニウム複合体からなるセラミック−炭素複合体からなる。

Description

【発明の詳細な説明】セラミック−金属複合体摩擦材料を有するブレーキ又はクランチ構成材〔産業上の利用分野〕本発明は構成材の少なくとも１部がセラミック−金属複合体からなるブレーキ又はクランチ構成材に関する。〔従来の技術とその課題〕一般に、自動車のディスクブレーキではブレーキローターは車軸によって自動車に取りつけられている。自動車の走行につれブレーキローターが自動車の車輪と共に回転する。ブレーキキャリパアセンブリはブレーキピストンとブレーキパッドをもち、自動車のフレームに堅く取りつけられている。ブレーキペダルを作動させると、作動油がブレーキピストンをブレーキパッドに面したキャリパアセンブリ内のシリンダーから外方向に駆動してローターに働いて走行する自動車を停車させる摩擦ブレーキ力を生ずる。アスベストの毒性が判明してから、ピックアップトラックや自動車等の軽効率車両用のブレーキは、半金属質又は非アスベストの有機複合材パットをもつブレーキパッド又はシューに係合した注型鉄ローター又はドラムからつくられるようになっている。これらのブレーキは騒音、振動、パッド、ローター及びドラムの短寿命化といった問題を伴っている。ドラムとローターは半金属質パッドを用いた場合には熱の発生量が多いためゆがみが生ずる傾向もある。その結果自動車製造業者に過度の保証費用を課すことになり、北米ではその費用は自動車１台当り約８５ドルと推定されている。また現在のパッド又はシューは速かに消耗するため、ローター又はパッドと接触してパッドを押圧する油圧ブレーキピストンはブレーキパッド又はシューの消耗を補わないと長期走行できない（即ちパッドの厚さを速い消耗割合を補うよう厚くする必要がある）。長期走行にはより大きいキャリパアセンブリとより大きいピストンを必要とし、ブレーキに重量を付加することになる。現在のブレーキパッドの過度の消耗はまた車輪上にブレーキパッド粉が付着するといった美感上の問題も生ずる。また最近の炭素／炭素複合材等のブレーキは費用とデザイン上の理由で極めて特殊な分野（たとえばレースカーや軍の航空機）で用いられているにすぎない。それ故、より軽く、最近の軽効率（デューティ）車両ブレーキにみられる寿命の短期化、粉末生成及び修理費用を抑え、実用されている金属ブレーキと価格競争力のあるブレーキを開発することが望まれている。〔課題を解決するための手段〕本発明は第１に、金属基材の一表面の少なくとも１部上に積層した摩擦材料をもつ金属基材からなる制動用構成材であって、摩擦材料が金属相とセラミック相からなるセラミック−金属複合体からなり、セラミック相が複合体の少なくとも２０容量％の量で存在する制動用構成材である。本発明は第２に、上記本発明の第１の制動用構成材の少なくとも１をもつブレーキである。本発明の第３は、上記本発明の第１の制動用構成材の少なくとも１をもつクラッチである。本発明の制動用構成材はブレーキローター、ブレーキドラム、ブレーキシュー及ひブレーキパッド等の制動用構成材として用いうる。本発明の制動用構成材はまたクランチディスク又はフライホイールとしても用いうる。クラッチの例としては自動車の動力伝達系路クラッチ、エアコンディショナークラッチ及び冷蔵庫のコンプレッサクラッチ等がある。本発明の制動用構成材は現在ブレーキに用いられている金属より低い融点をもつより軽い金属でつくることができる。それ故この制動用構成材は軽効率車両ブレーキを重量感のないものにする。またこの制動用構成材の使用により現在のブレーキよりも摩耗を減少させうる。クラッチでも同様の補強効果が得られる。制動用構成材制動用構成材は対向する構成材と接触したとき制動力又は摩擦力を生ずる適宜の構成材てある。特に制動用構成材はその制動用構成材と相関して動いている対応する構成材と接触してこれら２つの構成材の相対的な動きをとめるものである。制動用構成材の例としてはブレーキパッド、ブレーキシュー、ブレーキローター、ブレーキドラム、クラッチディスク、フライホイール及び遠心チャック等がある。制動用構成材は一面の少なくとも１部に積層した摩擦材料をもつ金属基材からなっている。通常、金属基材は摩擦材料を支持し、制動用構成材の形状を形成しまたブレーキ等の大きな機構に制動用構成材をとりつけた部分の形状を形成する。金属基材は、大きな機構にとりつけられると、摩擦材料によって生じた摩擦力を大きな機構に移動させ自動車を止める等の作用をもたらす。金属基材としてはブレーキ、クラッチ又は構造金属構成材の製造に用いられている公知の適宜の金属を用いうる。これら金属の例としては鉄系金属（たとえば鋼、鋳鉄）、アルミニウム、アルミニウム合金、チタン、チタン合金、マグネシウム、マグネシウム合金等がある。好ましい金属基材用金属は鉄系金属、アルミニウム又はアルミニウム合金である。より好ましい金属はアルミニウム又はその合金である。摩擦金属は、通常の操作条件下に、対向する構成材と接触する制動用構成材の部分を構成して摩擦力を与えるように金属基材の一面の少なくとも１部に積層される。たとえば、制動用構成材がブレーキローターの場合、制動運動時にブレーキパッドに接触しそれによって掃引される領域に相当する金属ローター（即ち金属基材）の制動面に摩擦材料を積層する。摩擦材料は分割して金属基材に積層してもよいし連続して積層してもよい。つまり摩擦材料が、通常の操作条件下に対向する構成材と接触して摩擦力を生ずる限り、金属基材に積層したＣＭＣ間にギャップがあってもよい。その例の一つとして金属ブレーキローターの制動面の周りに均一に分布し且つ積層している摩擦材料のパッドをもつブレーキがある。通常摩擦材料は面の１０〜１００％を覆う。摩擦材料は、用いる制動用構成材（たとえばトラックブレーキ対乗用車ブレーキ）、構成材の所望の寿命、制動用構成材が作動する環境の過酷度等によって適宜の厚さをとりうる。セラミック−金属複合体（ＣＭＣ）摩擦材料はセラミック相と金属相が相互に分散してなるセラミック−金属複合体（ＣＭＣ）である。ここでＣＭＣは樹脂状バインダー（たとえばフェノール− ホルムアルデヒド樹脂）を本質的には含有しないものであるが、「制動用構成材の製造」に記載されている接着剤を用いて金属基材に接触させるときＣＭＣの開口を浸透しうるものは含有してもよい。又は本質的に非樹脂状バインダーがＣＭＣ本体中の微量に対応する量存在しうる。ＣＭＣの金属相は周期律表の２、４−１１、１３および１４族の金属又はその合金から選ばれうる。上記の族はＣＲＣＨａｎｄｂｏｏｋｏｆＣｈｅｍｉｓｔｒｙａｎｄＰｈｙｓｉｃｓ７１ｓｔＥｄ．１９９０−９１の１− １０頁に記載されている新ＩＵＰＡＣ命名法による。好ましい金属の例としてはケイ素、マグネシウム、アルミニウム、チタン、バナジウム、クロム、鉄、銅、ニッケル、コバルト、タンタル、タングステン、モリブデン、ジルコニウム、ニオブ又はそれらの混合物又はそれらの合金がある。より好ましい金属はアルミニウム及びアルミニウムの合金であり、合金成分としてはＣｕ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ及びＺｎの１以上からなるものがあげられる。アルミニウム合金の例としてはＡｌ−Ｃｕ、Ａｌ−Ｍｇ、Ａｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｍｎ−Ｍｇ及びＡｌ−Ｃｕ− Ｍｇ−Ｃｒ−Ｚｎがある。アルミニウム合金の更なる具体例としては６０６１合金、７０７５合金及び１３５０合金があり、これらはペンシルバニア州ピッツバーグのザ・アルミナム・カンパニー・オブ・アメリカから市販されている。ＣＭＣのセラミック相の例としてはホウ化物、酸化物、炭化物、窒化物、ケイ化物又はそれらの組合せがある。組合せの例としては炭化ホウ素、オキシ窒化物、オキシ炭化物及び炭窒化物がある。通常、セラミック相の少なくとも約４５容量％が少なくとも約１４００℃の融点又は分解温度をもつ。好ましくはセラミック相の少なくとも約６０容量％、より好ましくは少なくとも約８０容量％、最も好ましくは少なくとも約２０容量％が少なくとも約１４００℃の融点又は分解温度をもつ。好ましいセラミックの例としてはＳｉＣ、Ｂ₄Ｃ、Ｓｉ₃Ｎ₄、Ａｌ₂Ｏ₃ 、ＴｉＢ₂、ＳｉＢ₆、ＳｉＢ₄、ＡｌＮ、ＺｒＣ、ＺｒＢ、上記セラミックの少なくとも２種の反応生成物又は上記セラミックの少なくとも１種とＣＭＣの金属との反応生成物がある。最も好ましいセラミックは炭化ホウ素である。セラミック−金属複合体の例としてはＢ₄Ｃ／Ａｌ、ＳｉＣ／Ａｌ、ＡｌＮ／Ａｌ、ＴｉＢ₂／Ａｌ、Ａｌ₂Ｏ₃／Ａｌ、ＳｉＢ_x／Ａｌ、Ｓｉ₃Ｎ₄／Ａｌ、ＳｉＣ／Ｍｇ、ＳｉＣ／Ｔｉ、ＳｉＣ／Ｍｇ−Ａｌ、ＳｉＢ_x／Ｔｉ、Ｂ₄Ｃ／Ｎｉ、Ｂ₄Ｃ／Ｔｉ、Ｂ₄Ｃ／Ｃｕ、Ａｌ₂Ｏ₃／Ｍｇ、Ａｌ₂Ｏ₃／Ｔｉ、ＴｉＮ／Ａｌ、ＴｉＣ／Ａｌ、ＺｒＢ₂／Ａｌ、ＺｒＣ／Ａｌ、ＡｌＢ₁₂／Ａｌ、ＡｌＢ₂ ／Ａｌ、ＡｌＢ₂₄Ｃ₄／Ａｌ、ＡｌＢ₁₂／Ｔｉ、ＡｌＢ₂₄Ｃ₄／Ｔｉ、ＴｉＮ／Ｔｉ、ＴｉＣ／Ｔｉ、ＺｒＯ₂／Ｔｉ、ＴｉＢ₂／Ｂ₄Ｃ／Ａｌ、ＳｉＣ／ＴｉＢ₂／Ａｌ、ＴｉＣ／Ｍｏ／Ｃｏ、ＺｒＣ／ＺｒＣ／ＺｒＢ₂／Ｚｒ、ＴｉＢ₂／Ｎｉ、ＴｉＢ₂／Ｃｕ、ＴｉＣ／Ｍｏ／Ｎｉ、ＳｉＣ／Ｍｏ、ＴｉＢ₂／ＴｉＣ／Ａｌ、ＴｌＢ₂／ＴｉＣ／Ｔｉ、ＷＣ／Ｃｏ及びＷＣ／Ｃｏ／Ｎｉがある。下付き記号「ｘ」はその部分が形成されうる異なるケイ素ホウ化物相を示す。金属とセラミックのより好ましい例にはＢ₄Ｃ／Ａｌ、ＳｉＣ／Ａｌ、ＳｉＢ₆／Ａｌ、ＴｉＢ₂ ／Ａｌ及びＳｉＣ／Ｍｇがある。最も好ましいＳＭＣはアルミニウム−炭化ホウ素又はアルミニウム合金−炭化ホウ素等の化学反応性の系からなるものである。化学反応性の系では、金属成分がＣＭＣの形成中セラミックと反応して新しいセラミック相を形成しうる。この新しい相は複合体の硬度や高温強度等の性質を改質しうる。最も好ましい化学反応性の系はＢ₄Ｃ／Ａｌであり、ここでは金属相がアルミニウム又はアルミニウム合金であり、セラミック相がＢ₄Ｃ、ＡｌＢ₂ 、Ａｌ₄ＢＣ、Ａｌ₃Ｂ₄₈Ｃ₂、ＡｌＢ₁₂及びＡｌＢ₂₄Ｃ₄からなる群から選ばれる少なくとも２種のセラミックからなっている。たとえば十分な摩耗抵抗性を付与するために、ＣＭＣのセラミック相はＣＭＣの少なくとも約２０容量％をしめる。しかしＣＭＣ中のセラミック相の量はそれほど多くない方がよく、多すぎるとＣＭＣが金属基材に正確に結合するのが困難になる。セラミック相はＣＭＣの好ましくは少なくとも５０容量％、より好ましくは少なくとも約７５容量％、最も好ましくは少なくとも約８５容量％存在する。ＣＭＣの好ましい態様において、金属相はセラミック相に不連続に分散しており、セラミック相が連続している。この好ましい態様では、金属相は好ましくは約３０ミクロン以下、より好ましくは約１０ミクロン以下、最も好ましくは約５ミクロン以下、そして好ましくは約０．２５ミクロン以上、より好ましくは約０．５ミクロン以上、最も好ましくは約１ミクロン以上の平均等価直径をもつ領域からなっている。好ましくは最大の金属領域は約１００ミクロン以下、より好ましくは約７５ミクロン以下、最も好ましくは約５０ミクロン以下の直径を有する。また金属領域は同軸的で且つ長手方向のセラミックの粒界とは反対にセラミック −セラミック粒子トリプル点を占めていることが好ましい。これはＫ．Ｊ．Ｋｕｒｚｙｄｔｏｗｓｋｉ及びＢ．Ｒａｌｐｈ著ＴｈｅＱｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅＤｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎｏｆＴｈｅＭｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓ，ＣＲＣＰｒｅｓｓ，ＢｏｃａＲａｔｏｎ，１９９５に記載されている研磨試料から光学定量ステレオロジーによって求められる。ＣＭＣは、たとえばブレーキやクランチの操作中、十分な摩耗抵抗性、熱放散性及び強度をもたらす限りは多孔質でもよい。多孔度は金属基材に積層したＣＭＣの厚さによって異なりうる。たとえば金属基材に積層したＣＭＣの面は対向する構成材と接触する面よりより多孔性でありうる。この多孔性は金属基材の熱遮へい性を高め、また基材へのＣＭＣの結合を助ける。通常、ＣＭＣの理論密度の％て示される多孔度は理論値の好ましくは約９０％以上、より好ましくは約９５％以上、最も好ましくは約９８％以上である。ここで理論密度は、１９７６年にニューヨーク州のＪｏｈｎＷｉｌｅｙａｎｄＳｏｎｓが発行したＷ．Ｄ．Ｋｉｎｇｅｒｙ等のＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｔｏＣｅｒａｍｉｃｓ２編の５３０頁に記載されている理論密度である。ＣＭＣは、たとえばクランチやブレーキの操作中、十分な摩耗抵抗性、熱放散性及び強度をもたらす限りは適宜の密度をもちうる。ブレーキにとってはできるだけ軽いことが望ましいのでＣＭＣは、好ましくは約６ｇ／ｃｃ以下、より好ましくは約４ｇ／ｃｃ以下、さらに好ましくは約３ｇ／ｃｃ以下から、好ましくは約０．５ｇ／ｃｃ以上、より好ましくは約１．０ｇ／ｃｃ以上、さらに好ましくは約１．５ｇ／ｃｃ以上の密度をもつ。ある成分からなるＣＭＣか別の成分からなるＣＭＣと接触しているときの動的摩擦係数は操作条件下でブレーキやクラッチを操作するに十分な摩擦力をもたらすべきであるが、過度の摩耗や熱が発生するほど高くないものであるべきである。より具体的には、互に作動中の別のＣＭＣと接触下にあるＣＭＣの動的摩擦係数は約０．２以上であることが望ましい。動的摩擦係数はＡＳＴＭＧ−９９に記載されまたＡｍ．Ｓｏｃ．Ｅｎｇ．１９８７の６７３−６８７頁の「材料の摩耗」にＭ．Ａ．Ｍｏｏｒｅが記載しているように、１ポンドの負荷を用いるピン・オン・ディスク法で測定しうる。ＣＭＣの摩擦係数は好ましくは約０．３以上、より好ましくは約０．４以上、さらに好ましくは約０．６以上、最も好ましくは約０．８以上で、約５以下が好ましい。それ自身に対するＣＭＣの摩耗抵抗は鋳鉄に対するＣＭＣより長い寿命（即ち大きい摩耗抵抗）を与えるに十分な量であることが望ましい。例えば前記したピン・オン・ディスク法で測定して、好ましくは約５ｍｍ以下、より好ましくは約１．５ｍｍ以下、最も好ましくは約１ｍｍ以下の摩耗直径をもつことが好ましい。ＣＭＣのタフネスはブレーキやクランチの操作条件下にＣＭＣの破壊を防ぐに十分なものであるべきである。好ましいタフネスは約５．０ＭＰａｍ^1/2以上である。より好ましいＣＭＣタフネスは５．５以上、さらに好ましくは６以上、最も好ましくは約６．５以上（いずれもＭＰａｍ^1/2）で、好ましくは約２５ＭＰａｍ^1/2以下である。これらはＥＤ．Ｊ．Ｈ．Ｕｎｄｅｒｗｏｏｄ等Ａｍｅｒ．Ｓｏｃ．ｆｏｒＴｅｓｔｉｎｇａｎｄＭａｔｌ．，ＰＡ，１９８４の１７７−１９２頁、ＳＴＰ８５５の「シェブロンノッチ付スペシメンズ：テスト及びストレス分析」に記載されているシェブロンノッチ法で測定される。ＣＭＣの熱伝導性は、ＣＭＣ（特に対向するＣＭＣ表面と接触しているＣＭＣ表面）が過度の熱で損傷しないよう、操作中発生する熱を消失させるに足る大きさであるべきである。（ブレーキ等の）操作中に発生する熱を消失させるにはＣＭＣは約５Ｗ／ｍ−Ｋ以上の熱伝導度をもつことが好ましい。これはＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ，３２，〔９〕，１６７９−１６８４頁のＷ．Ｊ．Ｐａｒｋｅｒ等の「熱分散度、熱容量及び熱伝導度の測定法」に詳しく記載されているレーザーフラッシュ法で測定される。より好ましい熱伝導度は約１０以上、さらに好ましくは約２０以上、最も好ましくは約２５以上（いずれもＷ／ｍ−Ｋ）である。しかし熱伝導度は過度の熱によって金属基材が損傷をうけるほど大きくないことが好ましい。たとえばＣＭＣは約１５０Ｗ／ｍ− Ｋ以下の熱伝導度をもつことが好ましい。ＣＭＣは、対向する構成材との接触中に到達する温度がＣＭＣ、金属基材又はフルーキやクラッチのようなより大きな機構を形成する他の金属成分のいずれかを損傷するに十分な温度よりは低いような比熱をもつべきである。好ましい比熱は示差走査熱分析で測定して室温で約０．４Ｊ／ｇ℃以上である。より好ましくは約０．６以上、さらに好ましくは約０．８以上、最も好ましくは約１以上（いすれもＪ／ｇ℃）で、好ましくはそれぞれのＣＭＣで理論上可能な最大値以下である。たとえば１０００℃での比熱は室温での比熱の２倍以上が好ましい。ＣＭＣの曲げ強度は操作条件下のＣＭＣの破壊を防ぐに十分なものであるべきてある。たとえばＣＭＣの曲げ強度はＡＳＴＭＣ１１６１で測定して、室温で、約１５０ＭＰａ以上であるべきである。好ましい同強度は約２００ＭＰａ以上、より好ましくは約３００ＭＰａ以上、最も好ましくは約４００ＭＰａ以上で、好ましくは約１５００ＭＰａ以下である。より好ましくはＣＭＣは上記強度を約５００℃で、好ましくは約７００℃で、最も好ましくは約９００℃でもつ。クラッチ及びブレーキ本発明のブレーキ又はクラッチは本発明の第１の態様の少なくとも１の制動用構成材をもつ。少なくとも１の制動用構成材をもつブレーキの具体例としてはブレーキローター又はブレーキパッドのいずれかが本発明の制動用構成材であるディスクブレーキがある。より好ましくは、停止運動用の摩擦力を付与するブレーキ又はクラッチの各構成材が本発明の第１の態様の制動用構成材からなる。より好ましくは、これらの制動用構成材の各々が同じ材料の摩擦材料をもつ（即ち各制動用構成材の摩擦材料が同じセラミック−金属複合体からなる）。これらの具体例として、ローターのブレーキ作用面に積層したアルミニウム−炭化ホウ素複合摩擦材料をもつアルミニウム合金ブレーキローターとアルミニウム合金基材とその上に積層したアルミニウム−炭化ホウ素摩擦材料をもつブレーキパッドをもつディスクブレーキがある。金属基材の製造金属基材は周知又は公知の方法たとえば、鋳型、鍛造、ローリング、粉末金属化、単一点加工、固定研磨、自由研磨、磨き加工又はそれらの組合せ等によって製造できる。これらの技術は１９９２年ニューヨークのＡｄｄｉｓｏｎ−ＷｅｓｌｅｙＰｕｂｌｉｓｈｉｎｇＣｏ．発行のＳ．ＫａｌｐａｋｊｉａｎによるＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ２編に記載されている。たとえば鋳型等の周知の金属成形方法とその後の仕上げ加工によってつくった金属ブレーキローターにおいてＣＭＣをこれに接合する例等がある。セラミック−金属複合体（ＣＭＣ）の製造制動用構成材のＣＭＣ部分は周知又は公知の粉末化金属又はセラミックの加工技術を用いて製造しうる。成形体を適宜の一体化手段でつくり所望により仕上げ加工して最終成形体とする。本発明のＣＭＣの形成に有用な一体化手段の典型例としては（１）多孔質のセラミック粒子体（グリーンウエア）に金属を溶浸させる方法及び（２）金属とセラミック粒子を含有する多孔質粒子体（グリーンウエア）をしめ固める方法がある。侵入させるか又はしめ固めた成形体を、ダイアモンド研磨、レーザー加工及び放電加工等の加工技術が仕上げ加工する。成形体を熱処理して一体化した複合体のミクロ構造をかえることもできる。好ましくは溶浸法によって複合体がつくられる。ＣＭＣのセラミック又は金属粉末は典型的には約５０μ以下、好ましくは約１５μ以下、より好ましくは約１０μ以下、最も好ましくは約５μ以下の平均粒子径をもつ。これら粒子はペレットの形体でもまた棒や同軸的なグレインの形体でもよい。セラミック粉末の粒子は好ましくは０．１〜１０μの範囲内の粒子直径をもつ。溶浸又はしめ固め用にグリーンウエア（粒子からつくった多孔体）を形成する成形方法としてはスリップ又は圧力注型、押圧及びプラスチック成形方法（たとえば射出及び押出し）等の適宜の公知の方法がある。これらの成形法は、セラミック粉末、金属粉末、分散剤、バインダー、溶媒等の成分を混合し、必要に応じグリーンウエアの成形後に溶媒や分散剤、バインダー等の有機添加剤を除去するといった工程を有しうる。これらの方法は１９８８年ニューヨークのＪ．ＷｉｌｌｙａｎｄＳｏｎｓが発行したＪ．ＲｅｅｄのＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｔｏＴｈｅＰｒｉｎｃｉｐｌｅｓｏｆＣｅｒａｍｉｃＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇにより詳しく記載されている。金属−セラミック粒子グリーンウエアは、グリーンウエアを所望の密度、通常は理論密度の約９０％以上の密度をもつＣＭＣにしめ固めるに十分な時間、雰囲気、温度及び圧力条件下にしめ固められる。温度は典型的には金属の溶融温度（℃）の約７５％以上で金属の実質的な蒸発が起こる温度より低い温度である。時間は短いほど好ましい。好ましい時間は約２４時間以内、より好ましくは約２時間以内、最も好ましくは約１時間以内である。圧力は好ましくは大気圧である。雰囲気はＣＭＣのしめ固め又は化学に悪影響を与えないものが好ましい。好ましくはＣＭＣは多孔質セラミック体を金属で溶浸して複合体を形成することによって製造される。溶浸に適するセラミック−金属の組合せは前記したとおりである。溶浸した成形体は上記した方法でさらに一体化されうる。より好ましくは、金属を溶浸したセラミックのセラミックが金属と反応してしめ固めた複合体中に新しいセラミック相を形成する（即ち化学反応性のある系）。化学反応系の好ましい態様としては炭化ホウ素のアルミニウム又はその合金での溶浸があり、これは下記及び米国特許第５，５０８，１２０；５，５２１，０１６及び５，３９４，９２９に記載されている。溶浸はスリップ注型（即ち液体中のセラミック粉末分散体の注型）や押圧（即ち熱をかけずに粉末に圧力を加える）等の前記した方法でセラミック粉末から多孔質セラミックプリフォーム（即ちグリーンウエア）をつくり、次いでこのプリフォームの孔中に液状の金属を浸入させることを包含する。溶浸は液状金属を金属と接触しているプリフォームの孔中に充てんする方法である。この方法は均一に分散し本質的に十分に密な（即ち理論値の約９８％以上の密度）セラミック− 金属複合体を形成しうる。多孔質プリフォームの溶浸は真空溶浸、加圧溶浸、重量／加熱溶浸等のプリフォーム体に金属を溶浸させる適宜の公知の方法で行いうる。溶浸の例は米国特許第４，７０２，７７０及び４，８３４，９３８に記載されている。溶浸の温度は溶浸に用いる金属に依存する。溶浸は好ましくは金属の融点以下で金属が急速に蒸発する温度より低い温度で行われる。たとえばアルミニウム又はその合金をセラミックプリフォームに溶浸するときの温度は好ましくは約７５０℃以上、より好ましくは約９００℃．以上である。溶浸時間は所望のＣＭＣをもたらすに十分な適宜の時間である。雰囲気は金属の溶浸又はＣＭＣの形成に悪影響を与えない適宜の雰囲気である。プリフォームは、化学反応系の場合、セラミックフィラー物質をプリフォーム全重量当り０．１〜５０重量％含有しうる。フィラーは炭化ホウ素−アルミニウム系における、炭化ケイ素のような化学反応性のあるセラミックよりも溶浸用金属との反応性が影響に小さいか又は反応性がない。たとえば炭化ホウ素プリフォームがフィラーを含有する場合そのプリフォームは好ましくはＢ₄Ｃを７０〜９５重量％、セラミックフィラーを５〜３０重量％含有する。％は全プリフォーム重量に基く。たとえば炭化ホウ素−アルミニウム系の場合、セラミックフィラーとしてはジホウ化チタン、炭化チタン、ホウ化ケイ素、酸化アルミニウム、炭化ケイ素が例示される。溶浸によって最も好ましいＣＭＣ（炭化ホウ素−アルミニウム系）をつくる場合、好ましくは多孔質炭化ホウ素プリフォームを溶浸前に１４００℃以上で焼成する。焼成は通常１５分以上、好ましくは３０分以上、より好ましくは２時間以上行う。焼成した多孔質炭化ホウ素プリフォームを前記した通常の方法でアルミニウム又はその合金で溶浸する。ＣＭＣは追加の（後溶浸）熱処理に供して強度を改善しうる。例示として炭化ホウ素−アルミニウム溶浸複合体は６６０−１２５０℃の範囲、好ましくは６６０−１１００℃、より好ましくは８００−９５０℃で空気又は他の酸素含有雰囲気の存在下、残存未反応金属とＢ、Ｃ又はＢ−Ａｌ−Ｃ反応生成物又はそれら両者のすみやかな反応を行うに十分な時間、行われる。この反応は遊離（未反応）金属の反応と均一ミクロ構造の形成を促進する。後溶浸熱処理は典型的には１−１００時間、好ましくは１−７５時間、より好ましくは２５−７５時間の所要時間をもつ。セラミックフィラー物質が炭化ホウ素−アルミニウムＣＭＣ中に存在する場合、フィラーは典型的にはＣＭＣ中に、分離したグレインとして又はＢ₄Ｃグレインのクラスターの一部として存在する。セラミックフィラー物質の量は典型的には全組成物容積当り１〜２５容量％である。制動用構成材の製造ＣＭＣは、ＣＭＣが操作中基材に積層された状態を保持するように、ＣＭＣを金属に接着するに十分な適宜の公知の方法で金属基材に積層しうる。これらの方法の例としてはろう付け、溶接、リベット打ち、直前拡散接合等がある。ＣＭＣは金属基材をＣＭＣと接触させてこの接触基材とＣＭＣをＣＭＣが金属基材に接合するに十分な温度に加熱することによって金属基材に積層しうる。ＣＭＣはまたＣＭＣを金属基材に接合する接着剤を用いて積層しうる。適当な接着剤の例としては１９８５年、ニュージャージー、パークリッジのＮｏｙｅｓＰｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓ発行のＨ．ＬａｎｄｒｏｃｋのＡｄｈｅｓｉｖｅｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＨａｎｄｂｏｏｋに記載されている。好ましい接着剤は熱的にキュアする熱硬化型接着剤である。好ましい例としては操作温度に耐える十分な熱安定性をもつフェノール系、ポリイミド系、ポリスルフィド系、エポキシ系樹脂がある。ニトリル−フェノール系、ネオプレン−フェノール系、ニトリル−エポキシ、ナイロン−エポキシ、スルフィド−エポキシといった好ましい接着剤の複合系も好ましい。接着剤は液体、ペースト、フィルム、粉末等ＣＭＣを金属基材に積層するに有用な適宜の形体でありうる。接着剤は当該分野で知られた２部分を接合する適宜の方法で用いうる。その例としては（１）溶媒−又は水系接着剤調合物をＣＭＣと金属基材の表面に付与し、（２）ＣＭＣと金属基材を付与した接着剤調合物の溶媒は除去する条件下で加熱し、（３）ＣＭＣと金属基材を接触させ、（４）接触させたＣＭＣと金属基材を上記（２）工程より過酷な条件（たとえばより高温）で加熱してＣＭＣ上と基材上の接着剤を接合（たとえば架橋）させ、それによってＣＭＣを基材に接着させる。ＣＭＣを金属基材に積層する前に、金属基材とＣＭＣをそれらの結合力を強めるための処理に供してもよい。これらの処理例としては溶媒洗浄、エマルジョン洗浄、アルカリ洗浄、酸洗浄、塩浴処理、超音波洗浄、粗面化（たとえば摩擦的噴射、バレル加工、研磨、化学エッチング、電気エッチング等）があり、これらは１９９１年ニューヨークのＭｃｇｒａｎＨｉｌｌ，Ｉｎｃ発行のＢ．Ｂｈｕｓｈａｎ及びＢ．Ｋ．ＧｕｐｔａのＨａｎｄｂｏｏｋｏｆＴｒｉｂｏｌｏｇｙ，Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ＣｏａｔｉｎｇａｎｄＳｕｒｆａｃｅＴｒｅａｔｍｅｎｔｓ、７章に記載されている。積層前にＣＭＣ、金属基材又は両者に中間層を付与しうる。中間層（膜）はそれがない場合に比しＣＭＣと金属基材間の接合力を増大する。中間層は好ましくは積層に用いる金属基材及びＣＭＣのｌ以上の元素、金属及び化合物とは独立の層を形成するために合金化又は反応する物質（ここでは中間層物質と称する）である。好ましい中間層物質は金属である。この金属はＣＭＣ及び金属基材用として前記したものと同様の物質でありうる。特に好ましいのはＣＭＣが鋳鉄金属基材に接合したアルミニウム炭化ホウ素系である場合である。中間層はＣＭＣの金属基材への接着を強化するに十分な適宜の厚さでありうるが、積層すべきＣＭＣの厚さの約１０％以下が好ましい。中間層はたとえば０．１〜１００μの厚さをもつ。中間層は、プラズマスプレー、スパッタリング、物理的蒸着、化学的蒸着、無電解めっき及びそれらの組合せから選ばれる方法で積層すべき金属基材又はＣＭＣに付与しうる。これらの方法は１９９１年にニューヨークのＭｃＧｒａｗＨｉｌｌ，Ｉｎｃが発行したＢ．ＢｈｕｓｈａｎとＢ．Ｋ．ＧｕｐｔａのＨａｎｄｂｏｏｋｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ＣｏａｔｉｎｇａｎｄＳｕｒｆａｃｅＴｒｅａｔｍｅｎｔｓに詳しく記載されている。ＣＭＣを加熱（即ち拡散接合）によって金属基材に積層する場合、加熱温度はＣＭＣを適切に接着するに十分な適宜の温度である。しかし積層すべき金属基材及びＣＭＣの破壊や変形をもたらすほどの高温は避けるべきであり、また溶融物質が形成される以上の温度も避けるべきである。好ましい加熱温度はＣＭＣ又は金属基材に存在する化合物又は金属が溶融又は分解を開始する最低温度（℃）の約５０％−約９８％である。より好ましい加熱温度は前記温度の約７５％〜約９５％である。加熱によって、ＣＭＣを金属基材に積層するときの温度での時間は積層すべき金属基材、ＣＭＣ及び両者の接合に用いる温度及び圧力に依存する。この時間はＣＭＣを金属基材に適切に接着又は接合するに十分な適宜の時間である。実用しうる範囲で短いことが好ましい。典型的には数分から数時間である。好ましくは約１０秒以上、より好ましくは約２分以上、さらに好ましくは約５分以上、最も好ましくは約１０分以上で、好ましくは約１０時間以下、より好ましくは約５時間以下、さらに好ましくは約２時間以下、最も好ましくは約１時間以下である。加熱によってＣＭＣを金属基材に積層する場合、加熱中加圧することが好ましい。圧力はＣＭＣの金属への接着を促進し積層すべき金属基材又はＣＭＣのいずれかの変形や破壊を起こさない適宜の圧力が用いられる。圧力は各ＣＭＣが均一に金属基材に接着するように、金属基材に接触している各ＣＭＣの面全体に垂直方向に均一に付与することが好ましい。通常この圧力は０．１ｐｓｉから２５０，０００ｐｓｉの範囲である。好ましい圧力は約１０００ｐｓｉ以下、より好ましくは約１００ｐｓｉ以下、さらに好ましくは約１０ｐｓｉ以下、最も好ましくは約５ｐｓｉ以下である。積層中、環境は金属基材及びそれに積層するＣＭＣに実質上不活性であるべきである。実質上不活性な環境は、金属基材とそれに積層するＣＭＣが、たとえば金属が金属基材に不適切に接着する程度には、反応しないようなものである。勿論、たとえは金属基材、中間層及び積層するＣＭＣの１以上の元素、金属及び化合物間に独立の分離相を形成する反応のような、ＣＭＣと金属基材との接着を促進する化合物を形成する金属基材とＣＭＣの反応は起こりうる。クラッディング中の環境は気体と固体を含有しうる。有用な気体の例には貴ガス及び窒素がある。適当な固体の例には金属基材と積層するＣＭＣが反応しないたとえば窒化ホウ素等の固体がある。ＣＭＣの金属基材への積層は真空下にも行いうる。

【手続補正書】【提出日】平成１２年１月１１日（２０００．１．１１）【補正内容】請求の範囲 1. 金属基材の一表面の少なくとも１部上に積層した摩擦材料をもつ金属基材からなる制動用構成材であって、摩擦材料が金属相とセラミック相からなるセラミック−金属複合体からなり、セラミック相が複合体の少なくとも２０容量％の量で存在することを特徴とする制動用構成材。 2. セラミック相の量が複合体の少なくとも５０容量％である請求項１の制動用構成材。 3. セラミック相の量がセラミック−金属複合体の８５〜９８容量％である請求項２の制動用構成材。 4. セラミック相がホウ化物、酸化物、炭化物、窒化物、ケイ化物及びそれらの組合せから選ばれるセラミックである請求項１の制動用構成材。 5. セラミック相がＳｉＣ；Ｂ₄Ｃ；Ｓｉ₃Ｎ₄；Ａｌ₂Ｏ₃；ＴｉＢ₂；ＳｉＢ₆；ＳｉＢ₄；ＡｌＮ；ＺｒＣ；ＺｒＢ；少なくとも２種の該セラミックの反応生成物及び少なくとも１種の該セラミックと金属相の反応生成物から選ばれる請求項４の制動用構成材。 6. セラミック−金属複合体がアルミニウム又はその合金である金属相を含有し、そしてセラミック相が（ａ）Ｂ₄Ｃ、（ｂ）ＡｌＢ₂、（ｃ）Ａｌ₄ＢＣ、（ｄ）Ａｌ₃Ｂ₄₈Ｃ₂、（ｅ）ＡｌＢ₁₂及び（ｆ）ＡｌＢ₂₄Ｃ₄から選ばれる少なくとも２種からなる請求項５の制動用構成材。 7. セラミック−金属複合体の金属相がアルミニウム；ジルコニウム；チタン；銅；ケイ素；マグネシウム及びそれらの合金から選ばれる少なくとも１種の金属を含有する請求項３の制動用構成材。 8. セラミック−金属複合体の金属相が０．２５ミクロンと３０ミクロンの間の平均等価直径をもつ分離した金属領域として存在する請求項３の制動用構成材。 9. 制動用構成材がブレーキローター、ブレーキドラム、ブレーキパッド、ブレーキシュー、クランチディスク又はフライホイールである請求項１の制動用構成材。 10．金属基材が鉄、鉄合金、アルミニウム、アルミニウム合金、チタン、チタン合金、マグネシウム、マグネシウム合金及びそれらの組合せから選ばれる金属である請求項９の制動用構成材。 11．金属基材がアルミニウム又はその合金である請求項１０の制動用構成材。 12．請求項１の少なくとも１種の制動用構成材をもつブレーキ。 13．停止運動のための摩擦力をもたらすブレーキの各構成材が請求項１の制動用構成材である請求項１２のブレーキ。 14．セラミック−金属複合体がアルミニウム−炭化ホウ素複合体である請求項１３のブレーキ。 15．金属基材がアルミニウム、アルミニウム合金、鉄又は鉄合金である請求項１４のブレーキ。 16．請求項１の少なくとも１種の制動用構成材をもつクラッチ。 17．停止運動のための摩擦力をもたらすクラッチの各構成材が請求項１の制動用構成材である請求項１６のクラッチ。 18．セラミック−金属複合体がアルミニウム−炭化ホウ素複合体である請求項１７のクラッチ。 19．金属基材がアルミニウム、アルミニウム合金、鉄又は鉄合金である請求項１８のクラッチ。 20．金属基材が鉄又は鉄合金でありそしてＣＭＣが銅中間層を介して金属基材に接合している請求項６の制動用構成材。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者デシュムク，アディブイアメリカ合衆国ミシガン州 48640 ミドランドアンバーウッドコート 5014

Claims

【特許請求の範囲】 1. 金属基材の一表面の少なくとも１部上に積層した摩擦材料をもつ金属基材からなる制動用構成材であって、摩擦材料が金属相とセラミック相からなるセラミック−金属複合体からなり、セラミック相が複合体の少なくとも２０容量％の量で存在することを特徴とする制動用構成材。 2. セラミック相の量が複合体の少なくとも５０容量％である請求項１の制動用構成材。 3. セラミック相の量がセラミック−金属複合体の８５〜９８容量％である請求項２の制動用構成材。 4. セラミック相がホウ化物、酸化物、炭化物、窒化物、ケイ化物及びそれらの組合せから選ばれるセラミックである請求項１の制動用構成材。 5. セラミック相がＳｉＣ；Ｂ₄Ｃ；Ｓｉ₃Ｎ₄；Ａｌ₂Ｏ₃；ＴｉＢ₂；ＳｉＢ₆；ＳｉＢ₄；ＡｌＢ；ＺｒＣ；ＺｒＢ；少なくとも２種の該セラミックの反応生成物及び少なくとも１種の該セラミックと金属相の反応生成物から選ばれる請求項４の制動用構成材。 6. セラミック−金属複合体がアルミニウム又はその合金である金属相を含有し、そしてセラミック相が（ａ）Ｂ₄Ｃ、（ｂ）ＡｌＢ₂、（ｃ）Ａｌ₄ＢＣ、（ｄ）Ａｌ₃Ｂ₄₈Ｃ₂、（ｅ）ＡｌＢ₁₂及び（ｆ）ＡｌＢ₂₄Ｃ₄から選ばれる少なくとも２種からなる請求項５の制動用構成材。 7. セラミック−金属複合体の金属相がアルミニウム；ジルコニウム；チタン；銅；ケイ素；マグネシウム及びそれらの合金から選ばれる少なくとも１種の金属を含有する請求項３の制動用構成材。 8. セラミック−金属複合体の金属相が０．２５ミクロンと３０ミクロンの間の平均等価直径をもつ分離した金属領域として存在する請求項３の制動用構成材。 9. 制動用構成材がブレーキローター、ブレーキドラム、ブレーキパッド、ブレーキシュー、クランチディスク又はフライホイールである請求項１の制動用構成材。 10．金属基材が鉄、鉄合金、アルミニウム、アルミニウム合金、チタン、チタン合金、マグネシウム、マグネシウム合金及びそれらの組合せから選ばれる金属である請求項９の制動用構成材。 11．金属基材がアルミニウム又はその合金である請求項１０の制動用構成材。 12．請求項１の少なくとも１種の制動用構成材をもつブレーキ。 13．停止運動のための摩擦力をもたらすブレーキの各構成材が請求項１の制動用構成材である請求項１２のブレーキ。 14．セラミック−金属複合体がアルミニウム−炭化ホウ素複合体である請求項１３のブレーキ。 15．金属基材がアルミニウム、アルミニウム合金、鉄又は鉄合金である請求項１４のブレーキ。 16．請求項１の少なくとも１種の制動用構成材をもつクラッチ。 17．停止運動のための摩擦力をもたらすクラッチの各構成材が請求項１の制動用構成材である請求項１６のクラッチ。 18．セラミック−金属複合体がアルミニウム−炭化ホウ素複合体である請求項１７のクラッチ。 19．金属基材がアルミニウム、アルミニウム合金、鉄又は鉄合金である請求項１８のクラッチ。 20．金属基材が鉄又は鉄合金でありそしてＣＭＣが銅中間層を介して金属基材に接合している請求項６の制動用構成材。