JP2009503396A - ブレーキディスクおよびクラッチディスクの改良またはブレーキディスクおよびクラッチディスクに関連する改良 - Google Patents

Abstract

極めて効果的な炭素繊維強化セラミック自動車ブレーキディスクおよびクラッチディスクが、単一の段階の比較的短期間（たとえば７〜１４日間）の気相含浸工程によって製造された、緻密化処理が完全にはなされていない炭素−炭素繊維プリフォームを珪化処理することによって製造されている。

Description

本発明は、原動機付き陸上車両用のブレーキディスクおよびクラッチディスクの製造方法、ならびに、この方法によって得られる新規のブレーキディスクおよびクラッチディスクに関するものである。さらに詳細には、たとえば、強化炭素繊維の周りに炭素マトリックスを含浸させ、その後この炭素マトリックスを溶融珪素に含浸させる化学気相含浸法を用いて得ることができる、炭素繊維強化セラミック材料から構成されたブレーキディスクおよびクラッチディスクに関するものである。

炭素繊維強化セラミックブレーキディスクの使用、特に珪化処理された炭素−炭素繊維複合材の使用には多くの関心が示されている。なぜなら、これらの高い強度、高い動作温度でも優れた物理的特性および摩擦特性を維持する能力、および、従来の金属ディスクに比べて軽量、たとえば、標準的な鋳鉄ディスクと比較して５０％〜６０％の軽量化が可能であるためである。このような軽量化は性能および燃費節約の向上において重要である。なぜなら、車両のばね下重量を低減することによって、ロードホールディング、ハンドリングおよび車両の快適性をも向上させることができるからである。同様に、自動車両にとっても、クラッチディスクにこのような軽量高摩擦材料を使用することは有益である。

既存の市販の珪化処理された炭素繊維強化セラミックブレーキディスクはすべて、強化炭素繊維および炭化可能な樹脂（たとえば、ピッチまたはフェノール樹脂など）を略所望の形状に一体熱間成形し、得られた成形プリフォームを炭素化処理し（たとえば、不活性雰囲気下または真空内で約１０００℃まで加熱することによって）、場合によっては黒鉛化する（たとえば、２０００℃以上に加熱することによって）、「レジン・チャー」法で調製されている。次に、得られたグリーン体を必要に応じて成形および/または一体接合し、たとえば、少なくとも部分的に溶融珪素槽に浸漬することによって、または真空排気された容器内に過剰珪素と共に封入し、次いで高温および等方加圧処理を施す熱間等方加圧処理によって珪化処理する。

レジン・チャー法の手順は操作が比較的簡単であるという利点を有するが、複数の欠点もある。上述のように、通常、モールド型にはランダム配向している炭素短繊維が充填され、その平均長は典型的には３０ｍｍ未満、さらに一般的には２５ｍｍ未満である。この繊維は、たとえば、樹脂で予め含浸されたマッチ棒状の炭素繊維集合体から細断されている。これに代えて、フェルトの如き炭素繊維織物から細断された乾燥繊維が用いられる場合もあるが、この場合、樹脂はモールド型内に別々に射出される。いうまでもなく、炭素短繊維がランダム配向していることによって、レジン・チャー法の手順を用いて得られた製品の複製精度は制限されざるを得ない。

他の欠点は、樹脂が炭化中にいくらかの炭素繊維分から収縮し、それらを露出させる傾向があることである。このような露出した繊維の完全性は、次に続く珪化工程における珪素との反応によって損なわれる場合がある。

さらに、モールド型を使用する必要性があることによって、所望による製品形状の変更には高額な費用のかかる可能性がある設備の一新が必要となるため、この方法の手順には実用上の制限が加えられる。

当業者には公知であるが、炭素−炭素繊維複合材を形成するために、レジン・チャー法による処理に代えて化学気相含浸法を用いてもよいが、航空機用の炭素−炭素繊維複合材ブレーキディスクの製造の如き高度に特殊な用途用よりも、さらに極度に複雑で費用がかかり過ぎると一般的に考えられている。一般的に、このようなディスクの製造は、まず炭素繊維プリフォームを生成し、次いでこのプリフォームを、たとえば熱分解炭素の供給源としてメタンを用いた一連の化学気相含浸処理工程に供することを含む。一連の処理工程は、含浸炭素が強化繊維間の気孔を閉塞させることによって炭素吸収を停止させる傾向があるために必要である。一般的に、１０日〜１４日後に初期飽和が生じ、この時までにプリフォームは約１．４ｇ/cm³〜１．５ｇ/cm³の密度を有しているが、ブレーキディスクと
して用いるにはまだ充分な強度または完全性を有してはいない。したがって、通常は部分的に緻密化されたプリフォームを炉から取り出し、閉塞された気孔を再開口するためにその表面を機械加工するのが慣例であり、その後化学気相含浸処理を再開する場合がある。許容可能な密度約１．８ｇ/cm³〜１．９ｇ/cm³を有するディスクを得るためには、通常少
なくとも１つのさらなる機械加工工程および第三の化学気相含浸処理段階が必要となり、合計処理時間は一般的に約１５０日程度である。米国特許第６，８７８，３３１号では、所望の密度を達成するまでに化学気相含浸処理を一般的に３回〜５回繰り返さねばならないと記載している。

この方法によって得られるディスクは珪化処理をされておらず、航空機用ブレーキとして機能する。しかしながら、これらのディスクは周囲温度において質の悪い摩擦特性を示すので、不定期的に軽くブレーキをかけることができないため、陸上車両での使用には不適切である。

従来は、珪化処理を施す予定で化学気相含浸処理によって生成されたディスクであっても、少なくとも二段階の含浸処理を施す必要があると考えられてきた。したがって、米国特許第６，０３０，９１３号では、もし化学気相含浸処理を一工程につき一度しか用いない場合、沈積された熱分解炭素層に微細クラックが残存し、珪化処理中に望ましくない珪素の浸透をもたらすことになると指摘している。この問題を克服するための多段階における含浸処理は非常に費用がかかると述べられている。

一方、米国特許第６，１１０，５３５号では、化学気相含浸処理を用いる緻密化によって得られる炭素繊維複合材料の多孔質基材の中に、溶融珪素組成物を吐出する技術を記載しているが、これは通常、二段階緻密化処理の第一工程であり、続いて化学気相含浸処理後に残存している余剰孔隙の気孔内にコークス粒子を形成するために、レジン・チャー法による緻密化処理が行われる。

本発明は、化学気相含浸緻密化工程を一度経ただけの不完全に緻密化されたプリフォームの珪化処理によって、極めて有効な珪化処理された炭素−炭素繊維複合材ブレーキディスクおよびクラッチディスクが事実上製造できるという、予期しなかった結果に基づくものである。したがって、化学気相含浸処理時間を約１５０日間からたとえば７日間、またはそれ未満に短縮することが可能であり、レジン・チャー法による処理を用いる工程にかかる費用に比べて大幅に処理操作コストを削減し、極めて有利な特性を有するブレーキディスクおよびクラッチディスクの製造が可能となる。操作コストの削減によって、公道走行用およびレース用車両ならびにオートバイを含む原動機付き陸上車両用途として、さらには小型トラック、大型トラック、バスおよび長距離バス、軍用車両および鉄道機関車、客車および貨車用途としてこの製品の市販が可能となる。

以上のように、本発明の一つの態様によれば、原動機付き陸上車両用の炭素繊維強化セラミックブレーキディスクまたはクラッチディスクの製造方法が提供されており、この方法は、所望のディスク寸法と略一致する寸法を有している炭素繊維プリフォームを調製することと、単一段階化学気相含浸工程において炭素を用いて該プリフォームを緻密化処理することと、該緻密化されたプリフォームを溶融珪素との反応によって珪化処理することとを含んでいる。

本発明の方法の主要な利点は、モールド型の使用を避けることによって、炭素繊維プリフォームの形状に最小限の制約しか与えられないので、大幅な設備一新を必要とすることなく必要に応じて形状を変更することができ、このことによって製造工程が非常に汎用性の高いものになることにある。

同様に、使用される炭素繊維長にも制限はない。したがって、プリフォームは、長繊維が製品の強度および完全性を高めるため、たとえば少なくとも５０ｍｍ、好ましくは少なくとも７５ｍｍ、１００ｍｍ、１２５ｍｍまたは１５０ｍｍの平均長を有した長繊維により実質的になっていることが効果的である。理論的考察によって拘束されるわけではないが、本製品が前述の一段階化学気相含浸処理によって生成される従来技術による製品とは対照的に、長繊維の存在は微細クラックの如き構造的欠陥が発生しないことを確実にするために有効である。

強化炭素繊維は実質的に連続的であること、すなわち、平均繊維長がディスクの内周と外周との間の半径方向の距離と等しいまたは超える長さであることが特に好ましい。連続繊維プリフォームなどを調製する特に単純な方法は、異なる角度、たとえば０°および９０°に置かれた炭素繊維の交互層から成る、たとえば織布または不織フェルトの炭素繊維布の連続シート材または円筒材から裁断することである。-
化学気相含浸処理は、それ公知の方法で適切な炉内で行われてもよく、加熱コストをできる限り低く抑えることができるように断熱性が高くしてあることが好ましい。メタン、プロパン、ブタンまたはこれらのガスの混合物の如き低分子量炭化水素を、たとえば熱分解炭素源として用いてもよく、また、窒素の如きキャリアガスと共に使用してもよい。費用上の理由から、メタンを用いることが好ましい。この処理は、一例として、約１１００℃、たとえば１１００℃±５０℃で、最長２１日間、好ましくは７日〜１４日間で行われてもよく、一般的にこの期間中にプリフォームの密度は初期密度０．３ｇ/ｃm³〜０．６
ｇ/ｃm³から１．０ｇ/ｃm³〜１．５ｇ/ｃm³の範囲の数値に増加する。

いうまでもなく、操作温度および操作圧力を適切に調整することによって、レジン・チャー法を用いる方法では不可能であった方法で、化学気相含浸処理中に積層された炭素マトリックスの形態を変更できる。このようにして、マトリックスの反応度を修正することができ、最終生成物の構造特性および摩擦特性を最適化するために、珪化処理されたマトリックスの炭素、珪素および炭化珪素の相対的な含有量の「微調整」が可能となる。

所望の場合、珪化処理に先立って、部分的に緻密化されたプリフォームを、たとえば約２０００℃以上２４００℃以下の温度で、たとえばアルゴンの如き不活性ガス雰囲気下または真空内の非酸化条件下で、たとえばピーク温度で約９６時間加熱処理することによって黒鉛化（ｇｒａｐｈｉｔｉｓｅｄ）してもよい。

珪化処理は当業者に周知の適切ないかなる方法で達成されてもよい。操作性の容易性の視点からは、適宜に黒鉛化され、部分的に緻密化されたプリフォームを少なくとも部分的に溶融珪素槽に浸漬する滴下処理または熱間等方加圧処理が好ましい。

本製品は、珪化処理の前または後において所望の最終寸法に機械加工されてもよい。珪化処理前中間生成物は、珪化処理された最終生成物よりも柔らかく、それ故容易に機械加工できるため、前者の方が好ましい。

本発明の方法によって得られる炭素繊維強化セラミックブレーキディスクおよびクラッチディスクは、新規かつ有用な製品であり、それ自体が本発明の要素を構成している。従来のレジン・チャー法による処理を用いて得られた製品とは違って、本発明品の炭素マトリックスは強化繊維への特に高いレベルの接着性を示している。したがって、この繊維は珪化処理中の望ましくない珪素との反応から十分に保護されており、また本製品は従来技術による製品に比べて実質的により高い強度と完全性を示している。

従来技術のレジン・チャー法による製品の炭素マトリックスが主に非結晶性ガラス状炭素で構成されているのに対し、本発明品のマトリックス炭素の組成は、比較的より規則正しく、一般的に等方性のある、粗い層形状または滑らかな層形状である。このことは、珪化処理中により均一かつ制御された珪素との相互作用が可能となり、より均質かつ複製精度の高い製品の製造が可能になるという点で有利である。

長繊維含有製品は、このような補強材料によって付与された強度および完全性から、本発明にかかる特に有利な実施形態である。したがって、本発明のさらなる形態によれば、原動機付き陸上車両用の炭素繊維強化セラミックブレーキディスクまたはクラッチディスクは、少なくとも５０ｍｍの平均繊維長を有し、等方性のある粗い層形状または滑らかな層形状の珪化炭素混合物内に実質的に完全に封入されている強化炭素繊維網から実質的に構成されている。

先の場合と同様に、本発明にかかる実施形態では、強化繊維の平均長がディスクの内周と外周との間の半径方向の距離と等しいまたはそれを超える長さであることが好ましい。

本発明の実施形態にかかる好ましい製品は、たとえば、炭素（複合化されたマトリックスおよび強化繊維）：炭化珪素：遊離珪素の相対的な含有量が、５０重量％〜６５重量％：３０重量％〜４５重量％：１重量％〜１０重量％の範囲であり、さらに好ましくは５５重量％〜６０重量％：３５重量％〜４０重量％：２重量％〜６重量％の範囲であることを特徴としている。

Claims (17)

1. 原動機付き陸上車両用の炭素繊維強化セラミックブレーキディスクまたはクラッチディスクを製造する方法であって、
   所望のディスクの寸法と略一致する寸法を有している炭素繊維プリフォームを調製することと、
   単一段階化学気相含浸工程において、炭素を用いて前記プリフォームを緻密化処理することと、
   緻密化された前記プリフォームを溶融珪素との反応によって珪化処理することと
   を含む、方法。
2. 前記プリフォーム内の前記炭素繊維の平均長が少なくとも５０ｍｍである、請求項１記載の方法。
3. 前記プリフォーム内の前記炭素繊維の平均長が、前記ディスクの内周と外周との間の半径方向の距離と等しいまたは超える長さである、請求項１記載の方法。
4. 前記プリフォームが、炭素繊維布の連続シート材または円筒材から裁断される、請求項１乃至３のうちのいずれか一つに記載の方法。
5. 前記連続シート材が不織フェルトである、請求項４記載の方法。
6. 初期の前記プリフォームが０．３ｇ/ｃm³〜０．６ｇ/ｃm³の密度を有する、請求項１
   乃至５のうちのいずれか一つに記載の方法。
7. 前記緻密化されたプリフォームが１．０ｇ/ｃm³〜１．５ｇ/ｃm³の密度を有する、請
   求項１乃至６のうちのいずれか一つに記載の方法。
8. 前記単一段階化学気相含浸工程が合計で最長２１日の間実施される、請求項１乃至７のうちのいずれか一つに記載の方法。
9. 前記含浸工程が合計で７日〜１４日の間実施される、請求項８記載の方法。
10. 前記緻密化されたプリフォームが、前記溶融珪素との反応前に前記所望のディスクの寸法に機械加工される、請求項１乃至９のうちのいずれか一つに記載の方法。
11. 前記溶融珪素との反応が、前記緻密化されたプリフォームを溶融珪素槽に少なくとも部分的に浸漬することにより、または、真空排気された容器内に過剰珪素と共に封入し高温および等方圧力に晒すことによって行われる、請求項１乃至１０のうちのいずれか一つに記載の方法。
12. 珪化処理され、緻密化された前記プリフォームが、前記所望のディスクの寸法に機械加工される、請求項１乃至１１のうちのいずれか一つに記載の方法。
13. 請求項１乃至１２のうちのいずれか一つに記載の方法により得られる炭素繊維強化セラミックブレーキディスクまたはクラッチディスク。
14. 原動機付き陸上車両用の炭素繊維強化セラミックブレーキディスクまたはクラッチディスクであって、
    少なくとも５０ｍｍの平均繊維長を有しているとともに、等方性のある粗い層形状または滑らかな層形状の珪化炭素マトリクス内に実質的に完全に封入されている強化炭素繊維網から実質的に構成されてなる、原動機付き陸上車両用の炭素繊維強化セラミックブレーキディスクまたはクラッチディスク。
15. 前記炭素繊維の前記平均長が、前記ディスクの内周と外周との間の半径方向の距離を超える長さである、請求項１３または１４記載のブレーキディスクまたはクラッチディスク。
16. 炭素：炭化珪素：遊離珪素の相対的な含有量比が、それぞれ対応して、５０重量％〜６５重量％：３０重量％〜４５重量％：１重量％〜１０重量％の範囲である、請求項１３乃至１５のうちのいずれか一つに記載のブレーキディスクまたはクラッチディスク。
17. 前記炭素：炭化珪素：遊離珪素の相対的な含有量比が、それぞれ対応して、５５重量％〜６０重量％：３５重量％〜４０重量％：２重量％〜６重量％の範囲である、請求項１６記載のブレーキディスクまたはクラッチディスク。