JP2004308777A

JP2004308777A - 車両用ディスクブレーキのディスクロータ

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Publication number: JP2004308777A
Application number: JP2003102771A
Authority: JP
Inventors: Toru Noguchi; 徹野口; Shigeru Fukazawa; 茂深澤; Shuichi Shimizu; 修一清水; Hirofumi Kobayashi; 弘文小林
Original assignee: Nissin Kogyo Co Ltd
Current assignee: Nissin Kogyo Co Ltd
Priority date: 2003-04-07
Filing date: 2003-04-07
Publication date: 2004-11-04

Abstract

【課題】本発明は、剛性を維持したまま、軽量化した鉄または鉄合金製の車両用ディスクブレーキのディスクロータを提供する。
【解決手段】車両用ディスクブレーキのディスクロータは、平均直径が０．７〜５００ｎｍであって平均長さが０．０１〜１０００μｍであるカーボンナノファイバー及び球殻状炭素であるフラーレンの少なくとも一方を含有する鉄または鉄合金によって形成される。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車等に用いられる車両用ディスクブレーキのディスクロータに関するものである。
【０００２】
【背景技術】
自動車等に用いられる車両用ディスクブレーキは、キャリパボディに取り付けられたブレーキパッドをディスクロータに対して両側から押しつけることで摩擦力を得て、車両を制動させるものである。従来、車両用ディスクブレーキのディスクロータとしては、一般に鋳鉄やクロム系ステンレスが用いられている。しかしながら、ブレーキ特性例えば耐熱性、放熱性、耐摩耗性のさらなる向上及び軽量化が求められている。
【０００３】
そこで、ディスクロータとブレーキパッドの間の摺動面に酸化物セラミックス材を溶射させ、耐摩耗性を向上させた車両用ディスクブレーキのディスクロータが提案されている。また、この車両用ディスクブレーキのディスクロータは、母材をアルミニウムで形成し、軽量化している（特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−６５６１２号公報（第１−５頁、図１−３）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、鉄もしくは鉄合金製のディスクロータにおいては、アルミニウム製のディスクロータに比べて素材のコストメリットが高く、製造面においても容易であるため、剛性を維持したまま、さらなる軽量化が望まれている。
【０００６】
本発明は、剛性を維持しつつ軽量化が可能な車両用ディスクブレーキのディスクロータを提供することを目的とする。また、本発明は、耐熱性、放熱性及び耐摩耗性を向上させた車両用ディスクブレーキのディスクロータを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の第一の態様に係る車両用ディスクブレーキのディスクロータは、平均直径が０．７〜５００ｎｍであって平均長さが０．０１〜１０００μｍであるカーボンナノファイバー及び球殻状炭素であるフラーレンの少なくとも一方を含有する鉄または鉄合金によって形成される。
【０００８】
本発明の第一の態様によれば、カーボンナノファイバー及びフラーレンの少なくとも一方を含有する鉄または鉄合金によって形成することで、剛性、特に破壊靭性を向上させることができ、また剛性を維持しつつディスクロータを軽量化することができる。また、この態様によれば、耐熱性・放熱性や耐摩耗性を向上させることができる。特に、鉄または鉄合金製のディスクロータは、高温時における強度が低下するが、カーボンナノファイバーによる放熱性の向上によって、耐熱性も向上させることができる。
【０００９】
ここで、本発明の第一の態様に係る車両用ディスクブレーキのディスクロータにおいては、
前記カーボンナノファイバーは、イオン注入処理されていることができる。
【００１０】
このような構成とすることで、イオン注入されたカーボンナノファイバーは、少なくともその表面の化学的な組成が変ることで、ディスクロータを構成する鉄または鉄合金とカーボンナノファイバーの接着性やヌレ性が改善され、ディスクロータの機械的強度をさらに向上させることができるとともに、カーボンナノファイバーのディスクロータ中における分散性が向上することで、全体に均質な性能を有することができる。
【００１１】
ここで、本発明の第一の態様に係る車両用ディスクブレーキのディスクロータにおいては、
前記カーボンナノファイバーは、スパッタエッチング処理されていることができる。
【００１２】
このような構成とすることで、スパッタエッチング処理されたカーボンナノファイバーは、その表面に微細な凹凸を形成されるため、ディスクロータを構成する鉄または鉄合金とカーボンナノファイバーの接着性やヌレ性が改善され、ディスクロータの機械的強度をさらに向上させることができるとともに、カーボンナノファイバーのディスクロータ中における分散性が向上することで、全体に均質な性能を有することができる。
【００１３】
ここで、本発明の第一の態様に係る車両用ディスクブレーキのディスクロータにおいては、
前記カーボンナノファイバーは、プラズマ処理されていることができる。
【００１４】
このような構成とすることで、プラズマ処理されたカーボンナノファイバーは、その表面に微細な凹凸を形成する等の表面改質されるため、ディスクロータを構成する鉄または鉄合金とカーボンナノファイバーの接着性やヌレ性が改善され、ディスクロータの機械的強度をさらに向上させることができるとともに、カーボンナノファイバーのディスクロータ中における分散性が向上することで、全体に均質な性能を有することができる。
【００１５】
ここで、本発明の第一の態様に係る車両用ディスクブレーキのディスクロータにおいては、
前記フラーレンは、カーボン６０とカーボン７０とを含み、
前記カーボン７０より前記カーボン６０が多く含有されていることができる。
【００１６】
このような構成とすることで、フラーレンの合成過程において、カーボン７０より多く合成されるカーボン６０を有効に利用することができる。フラーレンは、鉄または鉄合金中における分散性が高いため、ディスクロータ全体で均質な特性を得ることができることができる。
【００１７】
ここで、本発明の第一の態様に係る車両用ディスクブレーキのディスクロータにおいては、
前記鉄または鉄合金は、前記カーボンナノファイバー及び前記フラーレンの少なくとも一方の合成過程において得られる炭素及び炭素化合物を含有することができる。
【００１８】
このような構成とすることで、カーボンナノファイバー及びもしくはフラーレンの合成過程において、合成される不純物である炭素及び炭素化合物を有効に利用することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００２０】
図１は、本発明の一実施の形態に係る車両用ディスクブレーキ１０のディスクロータ１を説明する図である。図２は、ディスクブレーキ１０の断面図である。図３は、全方位型イオン注入装置の概略構成図であり、図４は、その回転テーブルの他の実施態様を示す一部断面図である。
【００２１】
自動車等の車両に用いられるディスクブレーキ１０の構造は、図２に示すように、油圧装置による油圧によってキャリパボディ１１の液圧室１４に伝えられてピストン１２を押圧し、その押圧する力によって、パッド２０の摩擦材を円板状のディスクロータ１に押圧して、車の運動エネルギーをその摩擦作用によって制動するものである。
【００２２】
図１に示すように、車両用ディスクブレーキ１０のディスクロータ１は、ディスクロータ１を図示せぬ車軸に固定するハブ６と、ハブ６と複数例えば６本の取付ボルト８で締結された円板状のロータ本体２と、を有している。円板状のロータ本体２の両面には、摩擦パッド２０が押し当てられる平滑な摺動面４、４が形成されている。図１においては、ディスクロータ１と摩擦パッド２０の配置関係を示すために、キャリパボディ１１を除いて摩擦パッド２０だけを示している。
【００２３】
本実施の形態において、ディスクロータ１のロータ本体２は、製造の容易さなどから鋳鉄例えば片状黒鉛鋳鉄を用いているが、鉄もしくは鉄合金であれば、他の鋳鉄例えば球状黒鉛鋳鉄でもよく、炭素鋼、ステンレス鋼などの鋼鉄などであってもよい。
【００２４】
本発明のディスクロータ１のロータ本体２の成形方法としては、特に限定されないが、鍛造、鋳造、粉末冶金、メタルインジェクションモールディング（ＭＩＭ）などで製造することができる。本実施の形態においては、金属溶湯（例えば鉄溶湯）にカーボンナノファイバー及びフラーレンの少なくとも一方を混入し、金型によって形成されたキャビティ内に金属溶湯（鉄溶湯）を充填し、加圧する。溶湯が固化した後、ディスクロータ１のロータ本体２をキャビティから取りだし、所望の切削加工を施して最終製品であるディスクロータ１のロータ本体２を得る。なお、この切削加工によって、ディスクロータ１の摺動面４にスリットや孔などを適宜加工してもよい。
【００２５】
ディスクロータ１のロータ本体２において、カーボンナノファイバーおよびフラーレンを合わせて０．０１〜５０重量％含むことが好ましい。カーボンナノファイバーおよびフラーレンの割合が５０重量％を超えると成形性の点で好ましくなく、０．０１重量％未満であると、機械的強度を十分向上することができない場合がある。なお、上記重量割合は、カーボンナノファイバーおよびフラーレンをそれぞれ単独で含有する場合は、カーボンナノファイバーおよびフラーレン単独の重量％である。
【００２６】
また、例えば鋳鉄に混入させるカーボンナノファイバーは、平均直径が０．７ｎｍ〜５００ｎｍであって、平均長さが０．０１〜１０００μｍのカーボンナノファイバーを用いることが好ましい。また、カーボンナノファイバーの配合量は、成形時の流動性、得られるディスクロータの強度などの観点から、ディスクロータ１のロータ本体２の鋳鉄中に０．０１〜５０重量％の範囲で含まれていることが好ましい。このようなカーボンナノファイバーは、炭素六角網面のグラフェンシートが円筒状に閉じた単層構造あるいはこれらの円筒構造が入れ子状に配置された多層構造をしたいわゆるカーボンナノチューブなどである。カーボンナノチューブは、単層構造のみから構成されていても多層構造のみから構成されていても良く、単層構造と多層構造が混在していてもかまわない。また、部分的にカーボンナノチューブの構造を有している炭素材料も使用することができる。なお、カーボンナノチューブという名称の他にグラファイトフィブリルナノチューブといった名称で称されることもある。
【００２７】
単層カーボンナノチューブもしくは多層カーボンナノチューブは、アーク放電法、レーザーアブレーション法、気相成長法などによって望ましいサイズに製造される。
【００２８】
アーク放電法は、大気圧よりもやや低い圧力のアルゴンや水素雰囲気下で、炭素棒でできた電極材料の間にアーク放電を行うことで、陰極に堆積した多層カーボンナノチューブを得るものである。また、単層カーボンナノチューブは、前記炭素棒中にニッケル／コバルトなどの触媒を混ぜてアーク放電を行い、処理容器の内側面に付着するすすから得られる。
【００２９】
レーザーアブレーション法は、希ガス（例えばアルゴン）中で、ターゲットであるニッケル／コバルトなどの触媒を混ぜた炭素表面にＹＡＧレーザーの強いパルスレーザー光を照射することによって炭素表面が溶融・蒸発し、単層カーボンナノチューブを得るものである。
【００３０】
気相成長法は、ベンゼンやトルエン等の炭化水素を気相で熱分解し、カーボンナノチューブを合成するもので、流動触媒法やゼオライト担持触媒法などがある。
【００３１】
カーボンナノファイバーは、鉄、例えば鋳鉄に混入する前に、あらかじめ表面処理例えば、イオン注入処理、スパッタエッチング処理、プラズマ処理などを行うことによって、鋳鉄との接着性やぬれ性を改善することができる。
【００３２】
（イオン注入処理）
イオン注入処理（ｉｏｎｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ）は、イオン源によってイオン化された元素例えば酸素などに加速器によって必要なエネルギーを与え、真空ポンプによって高真空状態に保たれた真空チャンバにあるカーボンナノファイバーの表面内にイオンを打ちこむものである。
【００３３】
本発明の一実施の形態のイオン注入処理について、図３に示す全方位型イオン注入装置の概略構成図を用いて説明する。全方位型イオン注入装置５０は、真空ポンプ５７に接続された例えばステンレス製の真空チャンバー５１内にイオン注入処理を施す試料（例えばカーボンナノファイバー５２）を置く回転テーブル５３が回転自在に配置されている。回転テーブル５３は、パルスバイアス電源５４に接続され、真空チャンバー５１との間は絶縁体５５によって絶縁されている。真空チャンバー５１は、プロセスガス供給装置５８と、高周波電源５９に接続されたコイル６０と、アーク式蒸発源６１と、真空チャンバー５１内温度を測定する赤外線放射温度計６２と接続されている。
【００３４】
イオン注入処理は、真空ポンプ５７によって適当な真空状態とされた真空チャンバー５１内に、プロセスガス供給装置５８からガスが供給され、高周波電源５９によってコイル６０の周りにプラズマを発生させる。これによってイオン化されたガスが、パルスバイアス電源５４の負極に接続されている試料例えばカーボンナノファイバー５２に引き込まれ、注入される。また、真空チャンバー５１に接続されたアーク式蒸発源６１によって、金属イオンを試料例えばカーボンナノファイバー５２に注入させることができる。この場合、アーク式蒸発源６１内の金属蒸発源は、図示せぬ直流アーク電源に接続され、アーク放電によって蒸発させられる。このとき、回転テーブル５３及び試料例えばカーボンナノファイバー５２は、スイッチ６３によって切りかえられた負の直流バイアス電源５６により印加されているので、金属イオンが試料例えばカーボンナノファイバー５２に注入される。
【００３５】
また、全方位型イオン注入装置５０の回転テーブル５３を図４に示すような攪拌羽５３ａ及び容器５３ｂを有する構造としてもよい。容器５３ｂは、広口の開口部を上方に有し、容器５３ｂ中には試料例えばカーボンナノファイバー５２を配置できる。イオン注入処理の間、カーボンナノファイバー５２のような粉体の試料は、攪拌羽５３ａの回転によって攪拌されることで、全体にまんべんなくイオン注入処理を受けることができる。攪拌翼５３ａの回転速度は、カーボンナノファイバー５２の量や、イオン注入処理時間などによって適宜調整することができる。
【００３６】
イオン注入処理されたカーボンナノファイバーは、その表面が化学的に改質され、ディスクロータ１のロータ本体２の鉄、例えば鋳鉄に対するぬれ性や接着性などが改善され、ディスクロータ１のロータ本体２の破壊靭性や耐摩耗性の向上が得られる。
【００３７】
イオン注入処理に用いられる元素は、例えば、酸素（Ｏ）、窒素（Ｎ）、塩素（Ｃｌ）、クロム（Ｃｒ）、炭素（Ｃ）、ホウ素（Ｂ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、リン（Ｐ）、アルミニウム（Ａｌ）等、ディスクロータ１のロータ本体２の鉄、例えば鋳鉄との相性によって適宜選択することができる。
【００３８】
（スパッタエッチング処理）
ドライエッチング方式のスパッタエッチング処理は、真空ポンプによって高真空状態に保たれた真空チャンバ内にエッチングガス、極低圧不活性ガス雰囲気例えばアルゴン（Ａｒ）中で、交流を印加してグロー放電を行わせ、かつグロー放電によって生じたプラズマ中に露出される電極と接触したカーボンナノファイバーの表面にイオンを衝突させることで、エッチングするものである。
【００３９】
スパッタエッチング処理されたカーボンナノファイバーの表面は、物理的にエッチングされることで、微細（ナノサイズ）な凹凸が形成される。このカーボンナノファイバーの表面の凹凸が、ディスクロータ１のロータ本体２の鉄、例えば鋳鉄との接触面積を増大させることとなり、鋳鉄とカーボンナノファイバーとの接着強度を向上させることができる。鋳鉄にカーボンナノファイバーを混入させ製造したディスクロータ１のロータ本体２における破壊靭性や耐摩耗性の向上が得られる。
【００４０】
（プラズマ処理）
プラズマ処理は、プラズマをカーボンナノファイバーに照射することによって表面を改質させるものである。プラズマ処理は、一般的なグロー放電処理やコロナ放電処理などを採用することができる。
【００４１】
例えばプラズマは、相対向する放電極と対向電極との間に、パルス生成回路によって生成された高電圧・高頻度のパルス電圧を印加し、両電極間にコロナ放電を惹起して空気中にプラズマを発生させるようにしている。そして、被処理物は、両電極間に静止状態又は移動状態で配置され、その表面にプラズマ処理が施される。
【００４２】
プラズマの作り方には、２枚の平行平板電極に数百から数千ボルトの電圧をかけて放電する二極放電タイプ、熱陰極から発した大量の電子が陽極に入るまでに気体分子と衝突しプラズマを作る熱電子放電タイプ、磁場を使って高真空で放電するマグネトロン放電タイプ、高周波電磁誘導によりプラズマを発生させる無電極放電タイプ、磁場のある共振室へマイクロ波を送りこみ電子を共振させるＥＣＲ（ＥｌｅｃｔｒｏｎＣｙｃｌｏｔｒｏｎＲｅｓｏｎａｎｃｅ）放電タイプなどがあり、適宜選択することができる。
【００４３】
このようにプラズマ処理されたカーボンナノファイバーの表面は、ディスクロータ１のロータ本体２の鉄、例えば鋳鉄との接着性やぬれ性が改善し、鋳鉄にカーボンナノファイバーを混入させて製造したディスクロータ１における破壊靭性や耐摩耗性の向上が得られる。
【００４４】
本実施の形態に用いられるフラーレンは、球殻状炭素例えばカーボン６０（以下Ｃ６０とする）、Ｃ７０、Ｃ７４、Ｃ７６、Ｃ７８、Ｃ８２、Ｃ８４、Ｃ７２０、Ｃ８６０などのフラーレン類などが挙げられるが、Ｃ６０を主成分とすることが好ましい。また、Ｃ６０を主成分として、Ｃ７０がＣ６０よりも少量含まれるフラーレンを用いることが好ましい。さらに、Ｃ６０を主成分として、他のフラーレン類を含んでもよいし、フラーレン以外のフラーレン生成時に同時に生成された他の炭素及び炭素化合物を含んでもよい。フラーレン類の形態は、例えば、サッカーボール状、バッキーボール状などであってもよい。
【００４５】
また、フラーレン類は置換基の導入などにより修飾されていてもよい。修飾方法は、特に限定されず、例えば、フラーレン類の反応性に富む炭素５員環部を化学的に修飾できる。置換基の種類は、特に限定されず、例えば、アルキル基、アリール基、アラルキル基、ジオキソラン単位、ハロゲン又は酸素原子などが例示でき、液晶ポリマー、色素類、ポリエチレンオキシドなどの導入により修飾してもよい。フラーレン類の修飾により、選択された鉄、例えば鋳鉄との親和性の改善、フラーレン類の分散を可能にする。
【００４６】
Ｃ６０フラーレンは、黒鉛電極を用い、ヘリウム雰囲気でアーク放電し、得られたススをベンゼンで抽出し、得られたＣ６０混合物を、塩基性活性アルミナを担体とし、ヘキサンを展開溶媒として、カラム分離精製することにより調製した。フラーレンを得る方法は、このアーク放電法に限らず、他の手法でもよい。
【００４７】
このようにディスクロータ１のロータ本体２の鉄、例えば鋳鉄にフラーレンを混入させて製造したディスクロータ１のロータ本体２における耐熱性や耐摩耗性の向上が得られる。
【００４８】
なお、本発明は、本実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の形態に変形可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る車両用ディスクブレーキのディスクロータの正面図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係るディスクブレーキの断面図である。
【図３】本発明の一実施の形態に用いられる全方位型イオン注入装置の概略説明図である。
【図４】全方位型イオン注入装置の回転テーブルの他の実施態様を示す一部断面図である。
【符号の説明】
１ディスクロータ
２本体
４摺動面
１０ディスクブレーキ
１１キャリパボディ
１２ピストン
１４液圧室
５０全方位型イオン注入装置
５３回転テーブル
５３ａ攪拌羽
５３ｂ容器

Claims

車両用ディスクブレーキのディスクロータにおいて、
平均直径が０．７〜５００ｎｍであって平均長さが０．０１〜１０００μｍであるカーボンナノファイバー及び球殻状炭素であるフラーレンの少なくとも一方を含有する鉄または鉄合金によって形成される、車両用ディスクブレーキのディスクロータ。
請求項１記載の車両用ディスクブレーキのディスクロータのいずれかにおいて、
前記カーボンナノファイバーは、イオン注入処理されている、車両用ディスクブレーキのディスクロータ。
請求項１記載の車両用ディスクブレーキのディスクロータのいずれかにおいて、
前記カーボンナノファイバーは、スパッタエッチング処理されている、車両用ディスクブレーキのディスクロータ。
請求項１記載の車両用ディスクブレーキのディスクロータのいずれかにおいて、
前記カーボンナノファイバーは、プラズマ処理されている、車両用ディスクブレーキのディスクロータ。
請求項１〜４記載の車両用ディスクブレーキのディスクロータのいずれかにおいて、
前記フラーレンは、カーボン６０とカーボン７０とを含み、
前記カーボン７０より前記カーボン６０が多く含有されている、車両用ディスクブレーキのディスクロータ。
請求項１〜５記載の車両用ディスクブレーキのディスクロータのいずれかにおいて、
前記鉄または鉄合金は、前記カーボンナノファイバー及び前記フラーレンの少なくとも一方の合成過程において得られる炭素及び炭素化合物を含有する、車両用ディスクブレーキのディスクロータ。