JP2004340193A - ブレーキディスクの製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】安価で、十分な強度を付与することできるブレーキディスクの製造技術が提案されていない。
【解決手段】ＳＴ０１により基材の適量のＳｉ粉を混合する。ＳＴ０２〜ＳＴ０４により基材の曲げ強度及び耐酸化性を高める。ＳＴ０５でＣＭＣの必要部分にＳｉスラリーを塗布する。ＳＴ０６、ＳＴ０７によりＳｉスラリーを基材に含浸させるとともにＳｉＣ化することをブレーキディスクを得る。
【効果】ＳＴ０１におけるＳｉ粉の配合と、ＳＴ０５におけるスラリー塗布とにより安価で、十分な強度及び耐酸化性を備えるブレーキディスクを製造することができる。
【選択図】 図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は炭素系ブレーキディスク、特にセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）製ブレーキディスクの製造技術の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、炭素基材の表層部を強化する製造方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１０−２１２１８２号公報（第３頁）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１段落番号［００１１］第５行〜第８行に「・・・高強度用炭素基材の特性としては、嵩密度が１．７７ｇ／ｃｍ３以上、平均細孔半径が１．５μｍ以下、曲げ強度が４５０（ｋｇｆ／ｃｍ２）以上のものが望ましい。」と記載されている。
しかし、このような密度が大きく、曲げ強度の大きな高強度用炭素基材は、製造コストが嵩む。
【０００５】
また、本発明者らが検討したところでは、ブレーキディスクなどの過酷な条件で使用される部品は、曲げ強さが５５ＭＰａ（５６０ｋｇ／ｃｍ２）以上である必要があり、特許文献１で製造した高強度用炭素基材では強度が不足し、採用できない。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、安価で、十分な強度を付与することできるブレーキディスクの製造技術を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１は、炭素繊維、充填剤及び結合剤に１〜１０質量％のＳｉ粉を加えて混合、成形、熱処理することでＣＭＣを製造し、このＣＭＣの必要な部位にＳｉスラリーを塗布し、ヒートキュア処理及び高温熱処理を施して表層部にＳｉＣを生成させることにより、ＣＭＣ製ブレーキディスクを得ることを特徴とするブレーキディスクの製造方法である。
【０００８】
ブレーキディスクの基体は、炭素繊維、充填剤及び結合剤に１〜１０質量％のＳｉ粉を加えて製造する。Ｓｉが炭化処理によりＳｉＣ化し、基体の強度を高めることができる。添加するＳｉが１質量％未満では、耐酸化性能が不十分となる。また、添加するＳｉが１０質量％を超えると、強度が低下する。
そこで、Ｓｉ添加量を１〜１０質量％にすることにより、耐酸化性能と強度との両方を満足させる。
【０００９】
請求項２は、表層部におけるＳｉ量が２６〜５０質量％になるように、基材へのＳｉ添加量及び／又はスラリーの組成を調整したことを特徴とする。
表層部はブレーキディスクの摺動面となり、耐摩耗性が必要である。この摺動面に制動力が加わるため、ブレーキディスクに大きな曲げモーメントが発生する。表層部でのＳｉ量が２６質量％未満になると必要な耐摩耗性能が確保できない。また、表層部でのＳｉ量が５０質量％を超えると必要な曲げ強さが得られない。
そこで、表層部におけるＳｉ量が２６〜５０質量％になるように、基材へのＳｉ添加量及び／又はスラリーの組成を調整することで、ブレーキディスクの摺動面の強度を確保する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
図１は本発明のブレーキディスクを含むディスクブレーキ機構の斜視図であり、ディスクブレーキ機構１０は、ホイール取付板１１に固定した本発明のブレーキディスク２０と、このブレーキディスク２０を挟む位置に配置するキャリパー１３とからなり、キャリパー１３に内蔵するブレーキパッドと称する摩擦板をブレーキディスク２０に押付けることで制動状態にすることは、周知のとおりである。
【００１１】
図２は本発明に係るブレーキディスクの要部断面図であり、ブレーキディスク２０は、円板状の基材２１に表層部２２、２２を形成したものであって、一対のブレーキパッド１４、１４に臨む部位に、表層部２２、２２を形成したことを構造的な特徴とする。表層部２２、２２はブレーキディスクの摺動面となる。
【００１２】
なお、表層部２２は、後述するＳｉスラリーを塗布して、このＳｉスラリーに基材２１とともに熱処理や高温熱処理を施し、表層の余剰分を加工により除去することで形成する。このときにＳｉスラリーの一部は基材２１に滲入し、一体化する。
【００１３】
ＳｉスラリーはＳｉ量が極めて多く、基材２１はＳｉ量が少ないため、基材２１に滲入した部分２２ａは生成できるＳｉＣの量は少なくなり、一方、基材から遠い表面部分２２ｂは生成するＳｉＣ量が多くなる。
【００１４】
表層部２２は、滲入した部分２２ａと表面部分２２ｂを合わせたものであるが、外表面から基材２１に向かって徐々に生成ＳｉＣ量が変化する傾斜機能材料であるといえる。
【００１５】
基材２１及び表層部２２、２２とからなるブレーキディスク２０の製造方法を図３及び図４で説明する。
【００１６】
図３は本発明に係るブレーキディスクの製造フロー図（その１）であり、この図では製造方法の概念的な説明を行う（定量的な説明は図４で行う）。
（ａ）において、炭素繊維２４と、充填剤としての黒鉛粉２５と、結合剤としてのフェノール樹脂２６と、Ｓｉ粉２７とを準備する。
（ｂ）において、前記４種の材料をミキサー２８に掛けて十分に混合する。
【００１７】
（ｃ）において、混合した材料（成形用材料）を、ブレス機の金型２９に入れ、パンチ３１により圧縮して圧粉成形体３２を得る。
（ｄ）において、圧粉成形体３２を熱処理炉３３で加熱処理する。主に、バインダーとして混入させたフェノール樹脂の硬化を促進させる。これで、ＣＭＣ前駆体を得ることができる。
【００１８】
（ｅ）において、ＣＭＣ前駆体３４を、高温処理炉３７に入れて非酸化雰囲気下で高温で加熱処理する。これで、ＣＭＣ４０を得ることができる。
なお、高温処理炉３７は、ヒータ３８、真空ポンプ３９、必要により非酸化性ガス吹込み管４１を備え、大気中での高温処理、真空中での高温処理、非酸化雰囲気での高温処理の何れもが実施可能である。
（ｆ）において、ＣＭＣ４０に、塗装機３５により、Ｓｉスラリー３６、３６を塗布する。塗装法はスプレー、ローラ又は刷毛塗り又は同等方法の何れであってもよい。
【００１９】
（ｇ）において、ＣＭＣ４０を熱処理炉３３で加熱しヒートキュア処理する。
（ｈ）において、ＣＭＣ４０を、高温処理炉３７に入れて真空中又は非酸化雰囲気中で、高温熱処理を施す。
（ｉ）に、得られたＣＭＣ製のブレーキディスク２０を示す。このブレーキディスク２０は、必要部位に硬質の表層部２２、２２を有する。
【００２０】
図４は本発明に係るブレーキディスクの製造フロー図（その２）であり、ＳＴ××はステップ番号を示す。
ＳＴ０１：（解繊工程）：４０〜５０質量％の炭素繊維と、４０〜５０質量％の黒鉛粉と、１〜１０質量％のＳｉ粉（ただし、炭素繊維＋黒鉛粉＋Ｓｉ粉＋フェノール樹脂＝１００質量％）とを、ミキサーにより十分に混合する（図３（ｂ）参照）。これで成形用材料を得ることができる。
【００２１】
充填剤（フィラー）としては、樹脂粉、黒鉛粉、セラミックス粉などが採用できる。
【００２２】
ＳＴ０２：（高圧成形工程）：得られた成形用材料を、温度１６０℃、成形圧力２００ｋｇ／ｃｍ２、１０分間の条件で所望の形状に成形する。これで、ＣＦＲＰを得ることができる。
【００２３】
ＳＴ０３：（熱処理工程）：ＣＦＲＰを、温度２００℃、大気圧、８時間の条件で熱処理を施す。これで、ＣＭＣ前駆体を得ることができる。
ＳＴ０４：（高温処理工程）：さらに、ＣＭＣ前駆体を、非参加雰囲気中、１６００℃の条件で２時間熱処理し、ＣＭＣ（セラミックマトリックス複合材）を得る。
【００２４】
ＳＴ０５：（スラリー塗布工程）：ＣＭＣの必要部分にＳｉスラリーを塗布する。Ｓｉスラリーは、Ｓｉ粉に、炭化硼素（Ｂ４Ｃ）粉と樹脂（例えばポリアミドイミド樹脂）と添加してスラリー化させたものである。
【００２５】
ＳＴ０６：（ヒートキュア処理工程）：スラリーを塗布したＣＭＣを、温度３００℃、大気雰囲気、９０分の条件でヒートキュア処理を実施する。
ＳＴ０７：（高温熱処理工程）：さらに、ＣＭＣを、真空中で昇温速度１℃／分の条件で２６時間かけて、１６００℃まで昇温し、１６００℃で３０分キープする。これで、ブレーキディスクを得ることができる。
【００２６】
図４のＳＴ０１におけるＳｉ粉、黒鉛粉などの混合割合を種々調整して、Ｓｉ量の異なる基材（図２の符号２１に相当）を製造し、それの評価を行ったので、その結果をグラフで説明する。
【００２７】
図５は基材の耐酸化性を示すグラフであり、横軸は基材に含まれるＳｉ量、縦軸は５％減量温度を示す。５％減量温度は、空気中でサンプルを昇温速度１０℃／分で１０００℃まで上昇させたときに５％減量したときの温度である。
０〜２質量％まではＳｉ量の増加に比例して５％減量温度が高まり、２質量％以上では５％減量温度はそれ程変化しない。
【００２８】
サンプルがブレーキディスクであれば、ブレーキディスクは制動時に高温になるため、高温耐久性が求められ、５％減量温度が高いほど望ましい。５％減量温度が低ければ、ブレーキディスクが冷却しされやすい構造にするなどの対策が必要になるからである。
【００２９】
本発明らの経験では、自動車（四輪車）の通常のブレーキディスクでは、６７５℃が要求温度となる。縦軸の６７５℃から横線を引き、曲線との交点を求めると、基材Ｓｉ量は、１．０質量％以上にする必要がある。
【００３０】
図６は基材の曲げ強さを示すグラフであり、横軸は基材に含まれるＳｉ量、縦軸は曲げ強さを示す。
０〜５質量％まではＳｉ量の増加に比例して曲げ強さが高まり、５質量％以上では曲げ強さは低下することが認められた。
【００３１】
この理由は次の２つが考えられる。
Ｓｉ＋Ｃ→ＳｉＣの反応により、密度が増加し、体積は減少するが、全体の体積が変化しない場合、気孔率が増加し、強度が低下する。
【００３２】
また、出発材料の炭素繊維は、繊維中のＣがＳｉと結合してＳｉＣ化するに伴って繊維としての強度が低下する。そのために曲げ強さが低下する。
以上の２つの要因が複合して、一定値を超えたＳｉ量が増加すると、曲げ強さが低下すると推定する。
【００３３】
ブレーキディスクは制動時にキャリパーで大きな力が加わる。この力はブレーキディスクに曲げ応力を発生させる。具体的には、回転中心を支点としてキャリバーが加重作用点となる曲げモーメントに起因する。
【００３４】
制動力を高めるには曲げ強さは大きいほどよい。
本発明らの経験では、自動車の通常のブレーキディスクでは、５５ＭＰａが要求曲げ強さである。縦軸の５５ＭＰａから横線を引き、曲線との交点を求めると、基材Ｓｉ量は、１０質量％以下にする必要がある。
図５及び図６から、基材の耐酸化性並びに強度を高めるには基材中のＳｉ量を１〜１０質量％に制御することが望ましい。
【００３５】
以上で基材の検討が終ったので、次に図２で示す表層部２２（表層部２２は滲入した部分２２ａと表面部分２２ｂとからなる。）の検討を行う。
図４のＳＴ０５で説明したとおりに、本発明ではＣＭＣの必要部位にＳｉスラリーを塗布し、表層部をＳｉＣ化して強化することを特徴とする。従って、表層部のＳｉ量を計量すること及びＳｉ量を制御することが重要になる。
【００３６】
図７は基材へのＳｉ添加量と基材の気孔率の関係を示すグラフであり、基材中のＳｉがＣと結合するとＳｉが抜けた部位に気孔が残ると考えられる。そのため、基材へのＳｉ添加量が増加するに連れて基材の気孔率が増加する。
【００３７】
図８は基材の気孔率と表層部のＳｉ量の関係を示すグラフであり、塗布してスラリーは基材に気孔があれば、この気孔へ滲入し、所定の処理後に周囲のＣと結合してＳｉＣになる。気孔率が大きいほどスラリーの滲入が盛んとなり、結果として滲入した部分を含む表層部は、Ｓｉ量が増加すると推定できる。
【００３８】
図９は基材へのＳｉ添加量と表層部のＳｉ量の関係を示す合成グラフである。
エリアＢで示した三角形の斜辺は、ｙ＝ｘの一次関数曲線であり、スラリーが存在しないときは、基材へＳｉを添加した分だけ表層部のＳｉが増加することから描くことができる。
【００３９】
次に、図７に戻って同図で例えば横軸目盛り１０から線を立ち上げ縦軸の目盛りを読むと（２１）となる。すなわち、基材へのＳｉ添加量が１０質量％のときには、基材の気孔率は２１％となる。
続いて、図８において、横軸目盛り（２１）から線を立ち上げ縦軸の目盛りを読むと（２６）となる。すなわち、基材の気孔率が２１％のときには、表層部のＳｉ量は２６質量％となる。
【００４０】
図９に戻って、横軸目盛り１０において、エリアＢに（２６）を積み上げる。同様の手順を図７、図８、図９で繰り返すことにより、図９の曲線Ｃを得ることができる。
【００４１】
以上のとおりに基材へのＳｉ添加量を制御することにより、表層部のＳｉ量を制御することができる。その他、表層部のＳｉ量は、スラリー中のＢ４Ｃの量でも制御することができる。
【００４２】
このようにして表層部のＳｉ量を調整し、Ｓｉ量の異なる表層部（図２の符号２２に相当）を製造し、それの評価を行ったので、その結果をグラフで説明する。
【００４３】
図１０は表層部の曲げ強さを示すグラフであり、横軸は表層部に含まれるＳｉ量、縦軸は曲げ強さを示す。
０〜３０質量％まではＳｉ量の増加に比例して曲げ強さが高まり、３０質量％以上では曲げ強さは低下する。この理由は表層部のうち、滲入した部分２２ａ（図２参照）で、炭素繊維がＳｉＣ化により脆弱化したことによると考えられる。
【００４４】
本発明らの経験では、自動車の通常のブレーキディスクでは、５５ＭＰａが要求曲げ強さである。縦軸の５５ＭＰａから横線を引き、曲線との交点を求めると、基材Ｓｉ量は、５０質量％以下にする必要がある。
【００４５】
図１１は表層部の耐摩耗性能を示すグラフであり、横軸は表層部に含まれるＳｉ量、縦軸は摩耗量を示す。
摩耗量は、ＪＡＳＯ Ｃ４０６「乗用車ブレーキ装置ダイナモメーター試験法」に準拠し、１５インチサイズのブレーキディスクを試験材とし、慣性力５．５ｋｇｍ／ｓ２の条件でデータを収録した。
Ｓｉ量はＳｉＣ量に比例する。ＳｉＣは硬質材であるため、この量が多いほど摩耗量を抑えることができる。そして、縦軸を横軸から下方へ延ばすことにより、右上がりの曲線を描くことができた。
【００４６】
通常の自動車の保守マニュアルでは、ブレーキディスクは１ｍｍの摩耗量が発生したら交換をすると定められている。この１ｍｍの摩耗量は、上記試験での摩耗量１０μｍに相当する。そこで、縦軸の１０μｍから横線を引き、曲線との交点を調べると、Ｓｉは２６質量％以上にする必要がある。
【００４７】
表層部は、耐摩耗性能と曲げ強さの両方を条件とすれば、図１０、１１に示すとおりＳｉ量を２６〜５０質量％の範囲に管理する必要がある。
【００４８】
この管理は、上述したとおりに、基材へのＳｉ添加量を制御すること並びにスラリー中のＢ４Ｃなどの量を制御することで実施できる。
すなわち、本発明の一つは、表層部におけるＳｉ量が２６〜５０質量％になるように、基材へのＳｉ添加量及び／又はスラリーの組成を調整したことを特徴とする。
【００４９】
尚、図３に示した製造装置は一例を示しただけであり、変更することは差し支えない。また、図４に示した製造条件は一例を示しただけであり、変更することは差し支えない。
【００５０】
【発明の効果】
本発明は上記構成により次の効果を発揮する。
請求項１では、ブレーキディスクの基体は、炭素繊維、充填剤及び結合剤に１〜１０質量％のＳｉ粉を加えて製造する。Ｓｉが炭化処理によりＳｉＣ化し、基体の強度を高めることができる。添加するＳｉが１質量％未満では、耐酸化性能が不十分となる。また、添加するＳｉが１０質量％を超えると、強度が低下する。
そこで、Ｓｉ添加量を１〜１０質量％にすることにより、耐酸化性能と強度との両方を満足させる。
【００５１】
請求項２は、表層部におけるＳｉ量が２６〜５０質量％になるように、基材へのＳｉ添加量及び／又はスラリーの組成を調整したことを特徴とする。
表層部はブレーキディスクの摺動面となり、耐摩耗性が必要である。この摺動面に制動力が加わるため、ブレーキディスクに大きな曲げモーメントが発生する。表層部でのＳｉ量が２６質量％未満になると必要な耐摩耗性能が確保できない。また、表層部でのＳｉ量が５０質量％を超えると必要な曲げ強さが得られない。
そこで、表層部におけるＳｉ量が２６〜５０質量％になるように、基材へのＳｉ添加量及び／又はスラリーの組成を調整することで、ブレーキディスクの摺動面の強度を確保する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のブレーキディスクを含むディスクブレーキ機構の斜視図
【図２】本発明に係るブレーキディスクの要部断面図
【図３】本発明に係るブレーキディスクの製造フロー図（その１）
【図４】本発明に係るブレーキディスクの製造フロー図（その２）
【図５】基材の耐酸化性を示すグラフ
【図６】基材の曲げ強さを示すグラフ
【図７】基材へのＳｉ添加量と基材の気孔率の関係を示すグラフ
【図８】基材の気孔率と表層部のＳｉ量の関係を示すグラフ
【図９】基材へのＳｉ添加量と表層部のＳｉ量の関係を示す合成グラフ
【図１０】表層部の曲げ強さを示すグラフ
【図１１】表層部の耐摩耗性能を示すグラフ
【符号の説明】
２０…ブレーキディスク、２１…基材、２２…表層部、２４…炭素繊維、２５…充填剤としての黒鉛粉、２６…結合剤としてのフェノール樹脂、２７…Ｓｉ粉、３４…ＣＭＣ前駆体、３６…Ｓｉスラリー、４０…ＣＭＣ。

Claims (2)

  1. 炭素繊維、充填剤及び結合剤に１〜１０質量％のＳｉ粉を加えて混合、成形、熱処理することでＣＭＣを製造し、このＣＭＣの必要な部位にＳｉスラリーを塗布し、ヒートキュア処理及び高温熱処理を施して表層部にＳｉＣを生成させることにより、ＣＭＣ製ブレーキディスクを得ることを特徴とするブレーキディスクの製造方法。
  2. 前記表層部におけるＳｉ量が２６〜５０質量％になるように、基材へのＳｉ添加量及び／又はスラリーの組成を調整したことを特徴とする請求項１記載のブレーキディスクの製造方法。
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