JP2007321225A - アルミニウム複合体、その製造方法及び装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】比較的廉価で加工性や生産性、放熱性の良いアルミニウム合金を本体とし、耐摩耗性、耐熱性、剥離強度、硬さ等に優れた結合層が形成されたアルミニウム複合体、その製造方法及び製造装置を提供する。
【解決手段】アルミニウム合金で成る本体上に耐摩耗性セラミック混合結合材料を摩擦熱及び押圧力で結合して成る結合層が形成されているアルミニウム複合体、特にディスクブレーキロータである。
【選択図】図１
【解決手段】アルミニウム合金で成る本体上に耐摩耗性セラミック混合結合材料を摩擦熱及び押圧力で結合して成る結合層が形成されているアルミニウム複合体、特にディスクブレーキロータである。
【選択図】図１
Description
本発明は、アルミニウム合金を本体とした耐摩耗性、硬さ、剥離強度、放熱性を向上させたアルミニウム複合体、その製造方法及び装置に関し、特に自動車等の輸送機の制動装置に使用されるディスクブレーキロータ（ブレーキ用ディスクロータ）、ディスクブレーキロータの製造方法及び装置に関する。
従来ディスクブレーキロータは、耐熱性や耐摩耗性に優れ、製造の容易性、コストの面等から鋳鉄製（ＦＣ２００、ＦＣ２５０等）が主流である。近年自動車の分野では軽量化が盛んに行われている。しかし、鋳鉄は材料自体の比重が大きく、大幅な軽量化は困難である。
このため、従来使用している鋳鉄に代えてアルミニウム等の軽量材料に代替することが幾つか提案されている。例えば特開２００２−１１５０１７号公報（特許文献１）には、補強材であるセラミックス繊維及びセラミックス粒子の少なくとも一方で形成されたプリフォームに対し、基材であるアルミニウム合金を浸透させたアルミニウム基複合材料が示されている。また、特開２００１−６５６１２号公報（特許文献２）には、ディスクロータの本体と摩擦材との摺動面に、耐摩耗性材による溶射層が形成され、溶射層が酸化物セラミックス材の溶射によって形成され、溶射層の厚さが０．０５〜１．００ｍｍに形成された車両用ディスクブレーキのディスクロータが開示されている。
更に、特開２００１−２６２２５８号公報（特許文献３）には、軽量で高温耐摩耗性が優れ、耐食性、耐熱性にも優れたＴｉＡｌ基合金が開示され、特開２００１−３１７５７３号公報（特許文献４）には、軽量で耐摩耗性が優れ、高温強度、耐食性にも優れたＴｉ及びＴｉ合金で成るロータ本体の表面に、溶射法によりＷＣ−Ｃｏ系サーメット又はＦｅ−Ｃｏ系材料のコーティングが施されたブレーキ用ディスクロータが開示されている。
特開２００２−１１５０１７号公報
特開２００１−６５６１２号公報
特開２００１−２６２２５８号公報
特開２００１−３１７５７３号公報
しかしながら、特許文献１に開示されたアルミニウム基複合材料は、切削及び研削加工が非常に困難であるという問題があり、特許文献２に開示された車両用ディスクブレーキのディスクロータは、ディスクロータの摺動部は溶射であるために摩擦熱で高温になったとき、摺動部のセラミック材と本体の熱膨張率が異なるために界面が剥離したり、表面層に割れが生じ易くなるという問題がある。
また、特許文献３に開示されたＴｉＡｌ基合金は、原材料が非常に高価であると共に、溶製技術並びに切削及び研削加工が非常に困難であるという問題があり、特許文献４に開示されたブレーキ用ディスクロータも溶製技術並びに切削及び研削加工が非常に困難であり、原材料が非常に高価であると共に、ディスクロータが摩擦熱で高温になったとき、界面が剥離したり、表面層に割れが生じ易くなるという問題がある。
更に従来、アルミニウム基複合材の製法として粉末冶金法、攪拌混合法、プリフォーム含浸法、鋳造法等が存在しているが、いずれも量産性が悪く、材料や設備投資でのコストが高く、切削加工も容易ではないといった問題がある。また、ディスクブレーキロータのブレーキパッド摺動面に対するセラミックス溶射の技術として、ＰＴＡ（プラズマアーク）法、ＥＢ（電子ビーム）法、レーザービーム法等が存在しているが、いずれも機械的接合のために剥離強度が低く、溶射膜内に欠陥が発生し易く、接合効果が低いといった問題があり、ＰＴＡ法では特に熱源（プラズマ発生装置）が高価になる欠点がある。
また、ＴｉＡｌ合金やＴｉ合金等のＴｉベース合金は高価であると共に、加工性や生産性が悪いという問題があり、比較的低廉で加工性や生産性、放熱性も良いアルミニウム合金を主体としたアルミニウム複合体（特にディスクブレーキロータ）の出現が望まれている。
本発明は上述のような事情よりなされたものであり、本発明の目的は、比較的低廉で加工性や生産性、放熱性の良いアルミニウム合金を本体とし、耐摩耗性、耐熱性、剥離強度等に優れた結合層を形成されたアルミニウム複合体（特にディスクブレーキロータ）、その製造方法及び製造装置を提供することにある。
本発明はアルミニウム複合体に関し、本発明の上記目的は、アルミニウム合金で成る本体上に耐摩耗性セラミック混合結合材料を摩擦熱及び押圧力で結合して成る結合層を形成することにより達成され、前記耐摩耗性セラミック混合結合材料が粉体又は粒体であることにより、或いは前記粉体又は粒体の径が２０〜２００μｍの分布であることにより、或いは前記耐摩耗性セラミック混合結合材料がケイ素が１０〜３０重量％、鉄が３〜３０重量％、残部がアルミニウムの合金にセラミック１〜３０重量％を含むことにより、或いは前記結合層の厚さが１００〜２０００μｍであることにより、或いは前記アルミニウム合金で成る本体がアルミニウム合金鋳物又は展伸材であることにより、より効果的に達成される。
また、本発明はディスクブレーキロータに関し、本発明の上記目的は、円盤状アルミニウム合金で成る本体両面の表面に、耐摩耗性セラミック混合結合材料を摩擦熱及び押圧力で結合して成る結合層をそれぞれ形成することにより達成され、前記耐摩耗性セラミック混合結合材料が粉体又は粒体であることにより、或いは前記粉体又は粒体の径が２０〜２００μｍの分布であることにより、或いは前記耐摩耗性セラミック混合結合材料がケイ素が１０〜３０重量％、鉄が３〜３０重量％、残部がアルミニウムの合金にセラミック１〜３０重量％を含むことにより、或いは前記結合層の厚さが１００〜２０００μｍであることにより、或いは前記円盤状アルミニウム合金がアルミニウム合金鋳物又は展伸材であることにより、より効果的に達成される。
更に、本発明はアルミニウム複合体の製造方法に関し、本発明の上記目的は、アルミニウム合金で成る本体上に粉体又は粒体の耐摩耗性セラミック混合結合材料を載置し、前記耐摩耗性セラミック混合結合材料に対して押圧工具の回転及び押圧に基づく摩擦熱及び押圧力を与え、前記アルミニウム合金の表面に１００〜２０００μｍの結合層を形成することにより達成され、前記摩擦熱が２８０〜７００℃であり、前記押圧力が５０〜２５０ｋｇ／ｃｍ２であることにより、より効果的に達成される。
本発明はディスクブレーキロータの製造方法に関し、本発明の上記目的は、円盤状アルミニウム合金で成るディスクブレーキロータ本体のインナー面及びアウター面上に粉体又は粒体の耐摩耗性セラミック混合結合材料を載置し、前記インナー面及びアウター面上の耐摩耗性セラミック混合結合材料に対して超硬合金材で成る押圧工具を当接し、前記押圧工具を回転しながら押圧し、前記押圧工具と前記耐摩耗性セラミック混合結合材料との摩擦熱によって前記耐摩耗性セラミック混合結合材料及び前記ディスクブレーキロータ本体のインナー表面又はアウター表面を軟化若しくは塑性流動させ、前記ディスクブレーキロータ本体のインナー表面及びアウター表面に円環状の結合層を形成することにより達成され、前記耐摩耗性セラミック混合結合材料がケイ素が１０〜３０重量％、鉄が３〜３０重量％、残部がアルミニウムの合金にセラミック１〜３０重量％を含むことにより、或いは前記押圧力が５０〜２５０ｋｇ／ｃｍ２であり、前記摩擦熱が２８０〜７００℃であることにより、より効果的に達成される。
また、本発明はディスクブレーキロータの製造装置に関し、本発明の上記目的は、円筒状の押圧工具を有する回転押圧工具と、円盤状のディスクブレーキロータ本体を固定して前記押圧工具に対応した加工用隙間を有し、前記加工用隙間の前記ディスクブレーキロータ本体上に耐摩耗性セラミック混合結合材料を載置できる構造の固定部とを具備し、前記耐摩耗性セラミック混合結合材料を前記回転押圧工具で押圧しながら回転することにより前記ディスクブレーキロータ本体上に円環状の結合層を形成できるようにすることにより達成される。
本発明のアルミニウム複合体によれば、アルミニウム合金を本体（基材）としているので比較的廉価で放熱性が良く、加工性や生産性も良く、アルミニウム合金の表面に粉体又は粒体の耐摩耗性セラミック混合結合材料を載置して超硬合金材等で成る工具（回転押圧工具）で押圧して相対回転させることにより、摺動面の摩擦熱と押圧力でアルミニウム合金の表面及び耐摩耗性セラミック混合結合材料を軟化若しくは塑性流動させ、アルミニウム合金の酸化皮膜を破壊して結合層を形成するため、アルミニウム合金とセラミック混合結合材料とが完全な金属結合をして結合層が形成されるため、耐摩耗性、硬さ、耐熱性、剥離強度等に優れると共に、結合技術並びに切削及び研削加工が容易なアルミニウム複合体を製造することができる。剥離強度は、溶射では８００Ｎ位であるが、本発明では１２００Ｎ以上に改善された。
本発明では、工具（回転押圧部材）の摺動回転と押圧に基づく摩擦熱により温度を上げて金属結合を行い、アルミニウム合金の表面に結合層を形成するようにしているので、金属材料を加熱するための熱源を別個に設ける必要がなく、製造方法及び装置が簡易となる。
また、本発明のアルミニウム複合体を制動装置のディスクブレーキロータに適用した場合には、車両軽量化の要請に適合した軽量さを有すると共に、低廉、耐摩耗性、耐熱性、剥離強度等に優れたディスクブレーキロータを提供することができる。
本発明は、アルミニウム合金（基材）の表面にセラミック混合結合材料を熱源で溶融して結合層を形成するものではなく、超硬合金材（ＷＣ焼結合金等）等で成る工具（回転押圧工具）の摺動及び押圧に基づく摩擦熱により温度を上げて塑性変形抵抗を下げ、原子同士の反応により結合させること（結合させようとする原子にエネルギーを与えて原子同士を結合できる距離に近づけること）で金属結合を行い、アルミニウム合金（本体）の表面に結合層を形成することを特徴とする。表面に結合層を形成されたアルミニウム複合体は、車両等の制動装置に使用されるディスクブレーキロータ、ミッション部に使用されるシフトフォーク等の特に耐摩耗性が要求される部材として最適である。
先ず本発明の基本原理を図１に示して説明する。
図１（Ａ）に示すように、アルミニウム合金鋳物（又は展伸材）のアルミニウム合金で成る本体１上に粉体若しくは粒体（例えば粒径２０〜２００μｍ）の耐摩耗性セラミック混合結合材料２を所定の厚さ（例えば２ｍｍ）に載置し、図１（Ｂ）に示すように載置された耐摩耗性セラミック混合結合材料２の上方に超硬合金材等で成る回転押圧工具３を配置し、図１（Ｃ）に示すように回転押圧工具３を回転すると共に、Ａ方向に押圧力を付加して本体１との間の耐摩耗性セラミック混合結合材料２を押圧する。耐摩耗性セラミック混合結合材料２はケイ素（Ｓｉ）が１０〜３０重量％、鉄（Ｆｅ）が３〜３０重量％、残部がアルミニウムの合金にセラミック１〜３０重量％を含んでいる。回転押圧工具３の回転と押圧力によって高温の摩擦熱が発生し、その摩擦熱と押圧力とが相俟って原子同士が反応し、本体１の表面及び耐摩耗性セラミック混合結合材料２が軟化若しくは塑性流動（２’）させられ、図１（Ｄ）に示すように本体１内に結合層４が徐々に形成される。所定時間上記動作を継続することにより図１（Ｅ）に示すような所定深さ（例えば１００〜２０００μｍ）の結合層４が形成される。
アルミニウム合金で成る本体１の表面に載置されている粉体又は粒体の耐摩耗性セラミック混合結合材料２を超硬合金材で成る回転押圧工具３で押圧して相対回転させることにより、摺動面の摩擦熱（２８０〜７００℃）と押圧力（５０〜２５０ｋｇ／ｃｍ２）とで本体１表面及び耐摩耗性セラミック混合結合材料２が軟化若しくは塑性流動させられ、本体１表面の酸化皮膜が破壊されて結合層４が徐々に形成される。その際、適宜上下振動を与えるようにしても良い。原子同士の反応であるため、本体１とセラミック混合結合材料２とが完全な金属結合をして結合層４が形成され、これにより耐摩耗性、耐熱性、剥離強度等に優れると共に、結合技術並びに切削及び研削加工が容易な結合層４を備えたアルミニウム複合体を製造することができる。
次に、アルミニウム複合体の具体例として、車両等の制動装置としてブレーキパッドに挟持されて作用するディスクブレーキロータの構造及び製造方法、製造装置を説明する。
図２（Ａ）は本発明に係るディスクブレーキロータ１０の原型を示す平面図（アウター面）であり、図２（Ｂ）はそのＡ−Ａ’断面図である。ディスクブレーキロータ本体１０Ａは断面円形の凹凸部を有する円盤構造であり、アウター側の中央部が凸状に突起し、インナー側の中央部が逆に凹状に同形陥没しており、中央部に同心円状の開口部１１が設けられ、円周外縁には鍔状のブレーキ作動板１２が設けられている。ディスクブレーキロータ本体１０Ａは軽量で放熱性の良い金属であるアルミニウム合金鋳物（砂型鋳物、金型鋳物、低圧鋳物、ダイカスト鋳物等）、或いはアルミニウム合金展伸材（板材、押し出し材、鍛造材等）等のアルミニウム合金を使用することができ、ディスクブレーキロータ本体１０Ａの原型製造方法は特に限定されるものではない。
図２に示すディスクブレーキロータの原型に対して、本発明に係るディスクブレーキロータ１０は図３（Ａ）平面図及びそのＢ−Ｂ’断面図である図３（Ｂ）に示すように、ディスクブレーキロータ本体１０Ａのインナー側のブレーキ作動板１２の表面及びアウター側のブレーキ作動板１２の表面に、それぞれ酸化皮膜がない円環状の結合層１３及び１４が形成されている。結合層１３及び１４は、ディスクブレーキロータ本体１０Ａと粉体又は粒体の耐摩耗性セラミック混合結合材料２０とを後述する回転押圧工具３０を用いて相対回転させながら押圧し、摩擦熱によって軟化若しくは塑性流動を起こし、セラミック混合結合材料２０が載置されているブレーキ作動板１２の両面表面に酸化皮膜のない結合層１３及び１４を円環状に形成している。結合層１３及び１４の幅は、制動装置で使用するブレーキパッドの大きさに対応している。
結合層１３及び１４を形成されたディスクブレーキロータ１０を制動装置で使用する場合には、図４に示すように車輪を取り付ける車軸１５にディスクブレーキロータ１０を、インナーを内側にして開口部１１に嵌合して取り付け、インナー側結合層１４とアウター側結合層１３をブレーキパッド１６及び１７で同一箇所で内外で挟持するような機構で配設し、ブレーキをかけるときにブレーキパッド１６及び１７を両側より強く締め付ける。この締め付けでブレーキパッド１６及び１７が結合層１４及び１３上に圧接されてブレーキが作動する。本発明のディスクブレーキロータ１０は、アルミニウム合金とセラミック混合結合材料２０とが金属結合した結合層１３及び１４が形成されており、この結合層１３及び１４上にブレーキパッド１７及び１６が当接するため、耐摩耗性、硬さ、耐熱性、剥離強度等が要求される。
次に、上述したディスクブレーキロータ１０を製造するための製造装置の例を説明する。図３に示すように、ディスクブレーキロータ１０はアウターとインナーでは構造が相違しているため、アウター面の周縁のブレーキ作動板に結合層１３を形成する製造装置とインナー面の周縁のブレーキ作動板に結合層１４を形成する製造装置では構造が異なる。ここでは先ずアウター面の周縁に結合層１３を形成するディスクブレーキロータ製造装置１００を説明し、その後でインナー面の周縁に結合層１４を形成するディスクブレーキロータ製造装置２００を説明するが、結合層１３及び１４の形成順序は逆であっても良い。また、アウター面の周縁のブレーキ作動板１２に結合層１３を形成する原理と、インナー面の周縁のブレーキ作動板１２に結合層１４を形成する原理とは共通であり、アウター面とインナー面の形状が同一（例えば円形平盤）であれば当然同一装置で結合層を両面に形成することができる。
図５は、ディスクブレーキロータ本体１０Ａのアウター面に結合層１３を形成するディスクブレーキロータ製造装置１００の断面構造を示しており、図５のＣ−Ｃ’視野の平面図が図６である。
矩形板状の基台１０１はネジ１０２〜１０５で固定部（ベース）に固定されており、基台１０１上の中心円形凹部１０１Ａに階段円柱状のガイド部材１１０の底部が嵌合されている。ガイド部材１１０の階段形状はディスクブレーキロータ本体１０Ａのインナー側形状と対応しており、ガイド部材１１０にディスクブレーキロータ本体１０Ａがアウター面を上にしてかつディスクブレーキロータ本体１０Ａの開口部１１がガイド部材１１０の頂部に嵌合して載置され、ディスクブレーキロータ本体１０Ａの上には更に内部に凹部を有する円筒状の内側固定部材１２０が配設されている。内側固定部材１２０の底部はディスクブレーキロータ本体１０Ａのアウター側のブレーキ作動板１２面上に当接し、凹部内径面がディスクブレーキロータ本体１０Ａの中央突起部の外径面との間に若干の隙間を形成している。ガイド部材１１０の中央部にはネジ穴１１１が設けられており、内側固定部材１２０の上側よりネジ１２１を介してディスクブレーキロータ本体１０Ａをガイド部材１１０との挟持で固定している。
また、内側固定部材１２０の外周外側には、中央に円形開口部を有して円筒状の加工用隙間１２２を形成する外側固定部材１３０が同心円状に配設されており、外側固定部材１３０の底部の一部（内側）はディスクブレーキロータ本体１０Ａのアウター周縁に当接され、外側固定部材１３０はネジ１３１〜１３４で基台１０１に固定されている。
一方、内側固定部材１２０及び外側固定部材１３０の上方には、上部が駆動機構（図示せず）に連結される円柱状の機械支持部３１で成り、下部が円筒状の工具支持部３２で成る回転押圧工具３０が配設され、回転押圧工具３０は駆動機構によって高速回転されると共に昇降するようになっている。そして、回転押圧工具３０が下降したときに、工具支持部３２は内側固定部材１２０の外周面１２３及び外側固定部材１３０の開口部の内周面１３５で形成されている加工用隙間１２２に余裕をもって挿入する厚さを有しており、工具支持部３２が最下部に達したときには、押圧工具３２Ａの底部３２Ｂがディスクブレーキロータ本体１０Ａのアウター表面を強く押圧する機構となっている。
また、工具支持部３２の下部の押圧工具３２Ａ（底部３２Ｂ）は直接加工する部分であり、摩耗しない超硬合金材（ＷＣ焼結合金等）で形成されている。回転押圧工具３０の他部分の構成材料は、例えば機械構造用炭素鋼（ＳｘｘＣ）や一般構造用圧延鋼材（ＳＳｘｘｘ）で良い。
なお、図５及び図６はディスクブレーキロータ１０を製造するためにセットアップした状態を示しており、最初基台１０１にはガイド部材１１０のみが固定されており、その状態でディスクブレーキロータ１０を製造するためのディスクブレーキロータ本体１０Ａをガイド部材１１０に被せて載置し、その上に内側固定部材１２０を載置してネジ１２１で固定し、更に外側固定部材１３０を載置して位置決めしてネジ１３１〜１３５で固定する。
このような構造において、図５の状態のように回転押圧工具３０を上方に上昇させ、内側固定部材１２０及び外側固定部材１３０で形成されている加工用隙間１２２のディスクブレーキロータ表面上に、粉体又は粒体のセラミック混合結合材料２０を載置し、できるだけ均一となるように攪拌棒等で攪拌する。セラミック混合結合材料２０は加工用隙間１２２内に溜められ、隙間の外側にはセラミック混合結合材料２０が外部に洩れない構造であり、必要以上の量を載置する必要はない。セラミック混合結合材料２０はケイ素（Ｓｉ）１０〜３０重量％、鉄（Ｆｅ）３〜３０重量％、残部がアルミニウムの合金にセラミック１〜３０重量％を含んでいる。セラミック混合結合材料２０の載置量は特に限定されないが、結合層１３及び１４の厚さが１００〜２０００μｍとなるようにセラミック混合結合材料２０を攪拌して載置することが好ましい。このような厚さにすることにより、耐熱性、耐摩耗性、強剥離性、硬さ等に優れたディスクブレーキロータ１０を得ることができる。
セラミック混合結合材料２０は粉体若しくは粒体によって構成されるが、混在していても良い。セラミック混合結合材料２０を粉体又は粒体とすることにより、均一な結合層１３及び１４を形成することができ、結合層１３及び１４の金属組成も容易に変更することができる。粉体又は粒体の径は２０〜２００μｍが好ましく、２０μｍ未満であると飛散してしまう恐れがあり、径が２００μｍを超えると摩擦熱による軟化若しくは塑性流動が起りにくくなる。
その後、回転押圧工具３０を下方に下降させて図７に示す状態にすると共に、回転押圧工具３０を高速回転（１０００〜３０００ｒｐｍ）させて押圧（５０〜２５０ｋｇ／ｃｍ２）する。これにより、回転押圧工具３０の押圧工具３２Ａ（底部３２Ｂ）が載置されているセラミック混合結合材料２０を全接触面で同一に押圧し、その回転と押圧力によって全接触面において摩擦熱が発生し、その摩擦熱と押圧力とが相俟って原子同士が反応し、アウターのディスクブレーキロータ表面に全接触面において均一でかつ完全な結合層１３が形成される。
即ち、押圧工具３２Ａの底部３２Ｂとセラミック混合結合材料２０との間に生じる摩擦熱と押圧力によって、セラミック混合結合材料２０は軟化しつつ非溶融状態で塑性流動化し、粉体若しくは粒体であったセラミック混合結合材料２０は金属結合によってディスクブレーキロータ本体１０Ａと一体化し、ディスクブレーキロータ本体１０Ａの表面（ブレーキ作動板１２の表面）に円環状の結合層１３を形成する。このとき、摩擦熱が２８０〜７００℃となるように回転押圧工具３０を相対回転させることが好ましい。摩擦熱が２８０℃未満であるとセラミック混合結合材料２０が効率良く軟化せず、塑性流動を起こさない。そのため、結合層１３を形成することができなくなる。摩擦熱が７００℃を超えた場合には、本体が溶融する。また、回転押圧工具３０の押圧力が５０〜２５０ｋｇ／ｃｍ２となるように回転押圧工具３０を押圧することが好ましく、押圧力が５０ｋｇ／ｃｍ２未満であるとセラミック混合結合材料２０が軟化若しくは塑性流動せず、押圧力が２５０ｋｇ／ｃｍ２を超えてしまうと回転に要する力が大きくなって不経済である。
なお、加工用隙間１２２のブレーキ作動板１２上にセラミック混合結合材料２０を載置して後、回転押圧工具３０の工具支持部３２を加工用隙間１２２に相対回転させつつ挿入しながら、加工用隙間１２２内に含まれているガスを除去する工程を行う。加工用隙間１２２内にはガスを抜くための排気機構（図示せず）が設けられており、この排気機構はガスを抜き、載置されたセラミック混合結合材料２０を外部に排出することはない。ガスを除去することにより、塑性流動化した結合金属が部分的に未結合を生じることもなくなり、均一で高品質な結合層を形成することができる。
このようにしてアウターのディスクブレーキロータ表面上に結合層１３が形成されると、回転押圧工具３０を図５に示すように上昇させると共に、外側固定部材１３０を外し、更にネジ１２１を緩めて内側固定部材１２０を外す。これにより、アウター表面に結合層１３が形成されたディスクブレーキロータ本体１０Ａを取り出すことができ、その後、インナー側に結合層１４を形成する。
インナー側への結合層１４の形成は、図８及び図９に示すディスクブレーキロータ製造装置２００で行われる。
矩形板状の基台２０１はネジ２０２〜２０５で固定部（ベース）に固定されており、基台２０１上の中心部には円環状の突起部２０６が設けられると共に、同心円に形成された円形凹部２０１Ａに階段円柱状のガイド部材２１０の底部が嵌合されている。ガイド部材２１０の階段形状はディスクブレーキロータ本体１０Ａのアウター側形状と対応しており、ガイド部材２１０にディスクブレーキロータ本体１０Ａがインナー面を上にしてかつディスクブレーキロータ本体１０Ａの開口部１１がガイド部材２１０の段差部２１１に嵌合して突起部２０６の頂部に載置され、ディスクブレーキロータ本体１０Ａの上には更に内部に凹部を有する円筒状の内側固定部材２２０が配設されている。内側固定部材２２０の底部はディスクブレーキロータ本体１０Ａのインナー面の円周内側面に当接し、内側固定部材２２０の凹部中央部にはネジ穴２１２が設けられており、内側固定部材２２０の外側よりネジ２２１を介してディスクブレーキロータ本体１０Ａをガイド部材２１０との挟持で固定している。
また、内側固定部材２２０の外周外側には、中央に円形開口部を有して円筒状の加工用隙間２２２を形成する外側固定部材２３０が同心円状に配設されており、外側固定部材２３０の底部の一部（内側）はディスクブレーキロータ本体１０Ａのインナー周縁に当接され、外側固定部材２３０はネジ２３１〜２３４で基台２０１に固定されている。そして、内側固定部材２２０の外周面２２３と外側固定部材２３０の開口部の内周面２３５との間に所定幅の加工用隙間２２２が設けられている。
一方、内側固定部材２２０及び外側固定部材２３０の上方には、図４で示したと同様の回転押圧工具０が配設され、回転押圧工具３０は図示しない駆動機構によって高速回転されると共に昇降し、降下したときに工具支持部３２は加工用隙間２２２に余裕をもって挿入する厚さを有しており、工具支持部３２（底部３２Ｂ）が最下部に達したときにはディスクブレーキロータ本体１０Ａのインナー表面を強く押圧する機構となっている。
なお、図８及び図９はディスクブレーキロータ１０を製造するためにセットアップした状態を示しており、最初基台２０１にはガイド部材２１０のみが固定されており、その状態でディスクブレーキロータ１０を製造するためのディスクブレーキロータ本体１０Ａをガイド部材２１０に被せて突起部２０６の頂部に載置し、その上に内側固定部材２２０を載置してネジ２２１で固定し、更に外側固定部材２３０を載置して位置決めしてネジ２３１〜２３４で固定する。
このような構造において、回転押圧工具３０を上方に上昇させ、内側固定部材２２０及び外側固定部材２３０で形成されている加工用隙間２２２のディスクブレーキロータ表面上にセラミック混合結合材料２０を載置し、できるだけ均一となるように攪拌する。セラミック混合結合材料２０や載置等は、アウター加工の場合と全く同一である。
その後、回転押圧工具３０を下方に下降させて図１０に示す状態にすると共に、回転押圧工具３０を高速回転させて押圧する。これにより、押圧工具３２Ａの回転と押圧力によって摩擦熱が発生し、その摩擦熱と押圧力とが相俟って原子同士が反応し、インナーのディスクブレーキロータ表面に結合層１４が形成される。
このようにしてインナーのディスクブレーキロータ表面に結合層１４が形成されると、回転押圧工具３０を上昇させると共に、外側固定部材２３０を外し、更にネジ２２１を緩めて内側固定部材２２０を外す。これにより、インナー表面に結合層１４が形成されたディスクブレーキロータ１０を取り出すことができる。
上述ではアルミニウム複合体として車両の制動装置として使用されるディスクブレーキロータを説明したが、特に耐摩耗性が必要とされる車両のミッション部におけるシフトフォーク、油圧ポンプ等の摺動部等にも利用できる。
回転押圧工具の回転はセラミック混合結合材料（被結合材）に対して相対回転であれば良く、回転押圧工具を回転させず、セラミック混合結合材料（被結合材）側を回転することも可能である。また、ディスクブレーキロータを製造する場合、アウターからインナーに結合層を設けても、逆の順序であっても良い。結合層の形成部は平坦であっても、必要に応じて周方向に沿って円環状の溝が形成されていても良い。
図３に示すような実験用１／２スケールのディスクブレーキロータ１０を以下のように製造した。
先ず、ディスクブレーキロータ本体１０Ａのアウター面に結合層１３を以下のようにして形成した。図５に示されているように、内側固定部材１２０の外径を７９ｍｍ、外側固定部材１３０の開口部の内径を１０５ｍｍとし、本例では結合層１３の形成部に深さ０．５ｍｍ、幅１０ｍｍの溝を設けた。そして、回転押圧工具３０の工具支持部３２の内径を８０ｍｍ、外径を１０４ｍｍとし、結合材料２０は、Ｓｉ２０重量％、Ｃｕ３．５重量％、Ｍｇ１．２重量％、Ｆｅ５重量％、残部Ａｌの高Ｓｉアルミニウム合金にセラミック２０重量％を含むセラミック混合結合材料とした。また、ディスクブレーキロータ本体１０Ａは、アルミニウム合金展伸材２０１７（ジュラルミン）とした。
このような条件において、回転押圧工具３０の工具支持部３２を加工用隙間１２２内に挿入し、回転数１６００ｒｐｍで回転（底部３２Ｂとセラミック混合結合材料２０との相対速度は５００ｍ／ｍｉｎ）させながら、ディスクブレーキロータ本体１０Ａへ向けて押圧しながら加工用隙間１２２内のガスを抜き、接触面温度を４５０℃〜６００℃にし、この状態を維持した。押圧面のディスクブレーキロータ本体１０Ａに対する圧力は、２３０ｋｇ/ｃｍ２であった。
摺動部に形成された結合層１３の組織図は図１１に示すものであり、（Ａ）は１００倍組織図、（Ｂ）は４００倍組織図である。
このような方法によりブレーキパッド摺動面に結合層を有するディスクブレーキロータを製造することができ、結合材料に高Ｓｉアルミニウム合金にセラミックを混合した耐摩耗性に優れた材料を使用しており、また、ディスクブレーキロータ本体と塑性流動化により結合層を形成しているため、ディスクブレーキロータ本体と結合材料との間に酸化皮膜がなく、耐摩耗性、耐熱性、剥離強度、硬さ等に優れたディスクブレーキロータを得ることができた。
１ 本体
２、２０ 耐摩耗性セラミック混合結合材料
３ 回転押圧工具
４ 結合層
１０ ディスクブレーキロータ
１０Ａ ディスクブレーキロータ本体
１１ 開口部
１２ ブレーキ作動板
１３、１４ 結合層
１５ 車軸
１６、１７ ブレーキパッド
３０ 回転押圧工具
３１ 機械支持部
３２ 工具支持部
３２Ａ 押圧工具
１００、２００ ディスクブレーキロータ製造装置
１０１ 基台
１０２〜１０５、１２１ ネジ
１１０ ガイド部材
１２０ 内側固定部材
１２２ 加工用隙間
１３０ 外側固定部材
１３１〜１３４ ネジ
２０１ 基台
２０２〜２０５、２２１ ネジ
２１０ ガイド部材
２２０ 内側固定部材
２２２ 加工用隙間
２３０ 外側固定部材
２３１〜２３４ ネジ
２、２０ 耐摩耗性セラミック混合結合材料
３ 回転押圧工具
４ 結合層
１０ ディスクブレーキロータ
１０Ａ ディスクブレーキロータ本体
１１ 開口部
１２ ブレーキ作動板
１３、１４ 結合層
１５ 車軸
１６、１７ ブレーキパッド
３０ 回転押圧工具
３１ 機械支持部
３２ 工具支持部
３２Ａ 押圧工具
１００、２００ ディスクブレーキロータ製造装置
１０１ 基台
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１１０ ガイド部材
１２０ 内側固定部材
１２２ 加工用隙間
１３０ 外側固定部材
１３１〜１３４ ネジ
２０１ 基台
２０２〜２０５、２２１ ネジ
２１０ ガイド部材
２２０ 内側固定部材
２２２ 加工用隙間
２３０ 外側固定部材
２３１〜２３４ ネジ
Claims (19)
- アルミニウム合金で成る本体上に耐摩耗性セラミック混合結合材料を摩擦熱及び押圧力で結合して成る結合層が形成されていることを特徴とするアルミニウム複合体。
- 前記耐摩耗性セラミック混合結合材料が粉体又は粒体である請求項１に記載のアルミニウム複合体。
- 前記粉体又は粒体の径が２０〜２００μｍの分布である請求項２に記載のアルミニウム複合体。
- 前記耐摩耗性セラミック混合結合材料はケイ素が１０〜３０重量％、鉄が３〜３０重量％、残部がアルミニウムの合金にセラミック１〜３０重量％を含む請求項１乃至３のいずれかに記載のアルミニウム複合体。
- 前記結合層の厚さが１００〜２０００μｍである請求項１乃至４のいずれかに記載のアルミニウム複合体。
- 前記アルミニウム合金で成る本体がアルミニウム合金鋳物又は展伸材である請求項１乃至５のいずれかに記載のアルミニウム複合体。
- 円盤状アルミニウム合金で成る本体両面の表面に、耐摩耗性セラミック混合結合材料を摩擦熱及び押圧力で結合して成る結合層がそれぞれ形成されていることを特徴とするディスクブレーキロータ。
- 前記耐摩耗性セラミック混合結合材料が粉体又は粒体である請求項７に記載のディスクブレーキロータ。
- 前記粉体又は粒体の径が２０〜２００μｍの分布である請求項８に記載のディスクブレーキロータ。
- 前記耐摩耗性セラミック混合結合材料はケイ素が１０〜３０重量％、鉄が３〜３０重量％、残部がアルミニウムの合金にセラミック１〜３０重量％を含む請求項７乃至９のいずれかに記載のディスクブレーキロータ。
- 前記結合層の厚さが１００〜２０００μｍである請求項７乃至１０のいずれかに記載のディスクブレーキロータ。
- 前記円盤状アルミニウム合金がアルミニウム合金鋳物又は展伸材である請求項７乃至１１のいずれかに記載のディスクブレーキロータ。
- アルミニウム合金で成る本体上に粉体又は粒体の耐摩耗性セラミック混合結合材料を載置し、前記耐摩耗性セラミック混合結合材料に対して押圧工具の回転及び押圧に基づく摩擦熱及び押圧力を与え、前記アルミニウム合金の表面に１００〜２０００μｍの結合層を形成することを特徴とするアルミニウム複合体の製造方法。
- 前記摩擦熱が２８０〜７００℃であり、前記押圧力が５０〜２５０ｋｇ／ｃｍ２である請求項１３に記載のアルミニウム複合体の製造方法。
- 円盤状アルミニウム合金で成るディスクブレーキロータ本体のインナー面及びアウター面上に粉体又は粒体の耐摩耗性セラミック混合結合材料を載置し、前記インナー面及びアウター面上の耐摩耗性セラミック混合結合材料に対して超硬合金材で成る押圧工具を当接し、前記押圧工具を回転しながら押圧し、前記押圧工具と前記耐摩耗性セラミック混合結合材料との摩擦熱によって前記耐摩耗性セラミック混合結合材料及び前記ディスクブレーキロータ本体のインナー表面又はアウター表面を軟化若しくは塑性流動させ、前記ディスクブレーキロータ本体のインナー表面及びアウター表面に円環状の結合層を形成することを特徴とするディスクブレーキロータの製造方法。
- 前記耐摩耗性セラミック混合結合材料がケイ素１０〜３０重量％、鉄３〜３０重量％、残部がアルミニウムの合金にセラミック１〜３０重量％を含む請求項１５に記載のディスクブレーキロータの製造方法。
- 前記押圧力が５０〜２５０ｋｇ／ｃｍ２であり、前記摩擦熱が２８０〜７００℃である請求項１５又は１６に記載のディスクブレーキロータの製造方法。
- 円筒状の押圧工具を有する回転押圧工具と、円盤状のディスクブレーキロータ本体を固定して前記押圧工具に対応した加工用隙間を有し、前記加工用隙間の前記ディスクブレーキロータ本体上に耐摩耗性セラミック混合結合材料を載置できる構造の固定部とを具備し、前記耐摩耗性セラミック混合結合材料を前記回転押圧工具で押圧しながら回転することにより前記ディスクブレーキロータ本体上に円環状の結合層を形成できるようになっていることを特徴とするディスクブレーキロータの製造装置。
- 前記押圧工具の底部が超硬合金材で成っている請求項１８に記載のディスクブレーキロータの製造装置。
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Legal Events
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Effective date: 20071011 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 |
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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20101026 |
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