JP2010266020A

JP2010266020A - ブレーキ用ディスクロータ

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Publication number: JP2010266020A
Application number: JP2009118890A
Authority: JP
Inventors: Takao Horitani; 貴雄堀谷
Original assignee: Akebono Brake Industry Co Ltd
Current assignee: Akebono Brake Industry Co Ltd
Priority date: 2009-05-15
Filing date: 2009-05-15
Publication date: 2010-11-25
Anticipated expiration: 2029-05-15
Also published as: JP5391448B2

Abstract

【課題】耐摩擦特性、耐熱性に優れ、かつ製造コストが低く経済性に優れるブレーキ用ディスクロータを提供する。
【解決手段】アルミニウム合金よりなるディスクロータ本体の表面に、高速フレーム溶射法によりＣｕ合金の粉末をコーティングして形成した皮膜層を有し、該皮膜層のビッカース硬度が１５０以上３００以下であり、皮膜層の厚さが５０μｍ〜５００μｍであるブレーキ用ディスクロータ。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車、二輪車、鉄道車両、産業機械などに利用される、軽量で経済性、耐摩耗性、機械加工性、耐熱性に優れるブレーキ用ディスクロータに関するものである。

従来、自動車のブレーキ用ディスクロータには、耐熱性や耐摩耗性のほか、価格、製造プロセスの容易さ、材料特性の安定性などの点から鋳鉄製のものが使用されている。これは鋳鉄の耐摩耗性や耐熱性及び製造コストの廉価性を利用している。

しかし、最近のＣＯ_２ガスによる地球温暖化、エネルギー枯渇、環境汚染などの問題の高まりから、自動車の軽量化の必要性はますます強まってきており、ブレーキ部材についても軽量化、小型化の要求は年々厳しくなっている。ブレーキの重量の多くを占めるディスクロータの軽量化は、その意味で自動車の軽量化にとって非常に重要である。現在ロータ材として主流の鋳鉄材に代わる軽量金属としては、アルミニウム、マグネシウム、チタン材などがあるが、いずれも耐熱性が鋳鉄材に比べて低いという欠点がある。そのため、耐熱粒子をこれらの軽量金属に含有させる複合合金や表面を耐熱材料でコーティングする方法が各種提案されている。例えば、アルミニウム合金にセラミック粒子を分散させた複合材（ＭＭＣ）（例えば特許文献１）は、耐熱性は向上するが、均一溶製技術や切削・研削加工技術が困難で、単一材に比べコストが非常に高くなるという欠点がある。

ロータ表面に耐熱・耐摩耗層をコーティングする方法には、表面硬化、メッキ、溶射、肉盛り、ＣＶＤ、ＰＶＤなどがあるが、ブレーキ用ディスクロータの面積や皮膜の生成速度、膜厚及び装置のコストなどを考慮すると溶射法が最も有望である。現在主流の溶射法である大気プラズマ法により硬質粒子の溶射層を設けたディスクロータ（特許文献２）やアーク法により鋼板製のディスクロータの表面にＣｕとＦｅ−Ｃｒ−Ｃ系合金が混合した複合溶射層を形成する方法（特許文献３）、及びフレーム法により摺動面にＮｉ−Ａｌ基合金粉末を溶射してアルミニウム合金製ディスクロータを製造する方法（特許文献４）などが提案されているが、下地層と表面層の密着性が充分でないため、熱収縮率や弾性率の違いによりロータが高温になったとき、界面の剥離や表面層の割れが生じやすくなるという重大な問題がある。このような問題は、ブレーキロータに要求される耐熱性・耐摩耗性が他の摺動部材に比べ非常に厳しいことに由来している。

本発明者等は、すでに純チタン又はチタン合金よりなるロータ本体の表面に高速フレーム溶射法により、ＷＣ−Ｃｏ系サーメット又はＦｅ−Ｃ系材料のコーティングを施してなるチタン基材表面クラッド型ディスクロータの提案（特許文献５）をしているが、これは主に比重、耐熱性、耐摩耗性及び耐食性のバランスを重視したものである。しかし、軽量化の観点からはチタン材よりアルミニウム材の方が有利であり、さらに製造コストの面からもアルミニウム材のほうが優れている。すなわち、軽量性及び経済性が特に要求される場合は、アルミニウム材の方が有望である。

特開平６−３４１４７２号公報特開昭６２−９９４４７号公報特許第２７６７９８８号明細書特開平５−２６３８５２号公報特開２００１−３１７５７３号公報

本発明の課題は、軽量でしかも経済性に優れ、さらに耐摩耗性や摺動面の耐熱性、熱伝導性に優れるアルミニウム合金製ブレーキ用ディスクロータを提供することである。

本発明者等は前記の目的により、ディスクロータの基材が鋳鉄材やチタン材より軽量なアルミニウム合金で、摺動面の耐熱・耐摩耗皮膜が高温でも界面剥離や割れが生じにくく、コスト的にも溶製、コーティング、機械加工費などが安価であるブレーキロータについて種々検討した。

この検討にあたって、本発明者らは、軽量ブレーキロータ材の耐摩耗性を小型の試験片で評価するために小型のダイナモ式慣性型摩耗試験機を用い、ＪＡＳＯ規格で規定されている実ブレーキの運転パターン（効力試験、フェード試験など）と同じ試験パターン及び高温（〜４００℃）での繰返し摩耗試験パターンを付加し、ロータ及び摩擦材の摩耗量や試験中の摩擦係数を測定した。この試験では、実ブレーキの１／１０の大きさの試験片を用いるが、摺動面に付与される単位面積当たりのエネルギーと摺動速度が実ブレーキと同じになるようにし、摩擦材の押しつけ方法も実ブレーキと同様のキャリパー方式を採用している。試験片の周囲の温度及び湿度は常に一定に制御している。そして、現行材の鋳鉄ロータを使用し、実ブレーキロータの摩耗試験結果と本小型摩耗試験の結果を比較し、小型試験法の試験結果と実ロータの試験結果には高い相関関係があり、ブレーキロータの耐摩耗性、耐熱性がこの試験法で十分評価できることを確認した。

そこで本発明者は、アルミニウム合金製の小型ロータ試験片（図１）に各種の表面溶射皮膜を付与し、この小型摩耗試験装置を用いてブレーキ摩耗特性を評価した。溶射法は、前記の界面剥離の問題や硬化層内の欠陥の少ない高速フレーム溶射法を選んだ。高速フレーム溶射は、高圧の燃焼ガスを用い、音速を超えるガス流速で粉末状の溶射材を吹き付けて皮膜を形成する方法で、従来のプラズマ溶射法などより素地との密着性に優れている。そして、溶射材を広範囲に変えた試験の結果から、アルミニウム合金を基材とし、その表面に高速フレーム溶射法で、Ｈｖ１５０以上３００以下のＣｕ合金製皮膜を形成させたディスクロータが、優れた軽量性、耐割れ・剥離性、耐摩耗性、および経済性を併せ持つことを知見して本発明に到達した。

すなわち、本発明は、下記の手段により前記の目的を達成した。
（１）アルミニウム合金よりなるディスクロータ本体の表面に、高速フレーム溶射法により、Ｃｕ合金粉末をコーティングして形成した皮膜層を有し、該皮膜層のビッカース硬度が１５０以上３００以下であることを特徴とするブレーキ用ディスクロータ。
（２）前記Ｃｕ合金粉末のＣｕ合金が、Ｃｕ−Ａｌ系合金又は高力黄銅系合金であることを特徴とする前記（１）に記載のブレーキ用ディスクロータ。
（３）前記Ｃｕ合金粉末の皮膜層の厚さが５０μｍ〜５００μｍであることを特徴とする前記（１）又は（２）に記載のブレーキ用ディスクロータ。

本発明のブレーキ用ディスクロータは、従来の鋳鉄ロータやチタンロータより軽量で、安価なアルミニウム合金及びＣｕ合金粉末を使用し、かつ機械加工性が優れているため、従来提案されている軽量耐熱ロータに比べ製造コストが非常に安い。
本発明で使用する高速フレーム溶射法は、ＰＶＤ法、レーザーやプラズマ溶射法、爆着圧接法などに比べ、高価な設備及びランニングコストを必要としない安価で簡便な表面クラッド法であり、また表面皮膜は欠陥を介しないで完全に密着しており使用中に剥離することがない。
また、摩擦材は、従来のノンアスベスト系摩擦材が使用でき、従来材に比べ耐摩耗性及び摩擦係数の安定性においても同等の特性が得られる。
さらに、基材にアルミニウム合金、溶射皮膜にＣｕ合金を使用しているため熱伝導性に優れ、ブレーキ摩擦熱の拡散が早く、ロータの最高到達温度が低くなり、かつ耐食性にも優れているため、錆の発生も抑制されるというメリットがある。

小型ブレーキ摩擦試験に用いた試験片の形状を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）はＩ−Ｉ断面図を示す。

基材のアルミニウム合金は、適度の常温及び高温強度を備えたアルミニウム合金鋳物から選択使用することができるが、ロータ形状によっては展伸材用のアルミニウム合金を使用することもできる。また、焼き鈍し処理以外の熱処理は避けるのが望ましい。

高速フレーム溶射は、高圧の燃焼ガスを用い、音速を超えるガス流速で粉末状の溶射材を吹き付けて皮膜を形成する方法で、皮膜中の気孔が少なく、かつ素地との界面に酸化物などの異物が少なく密着性に優れている。なお、溶射の熱源は、酸素と炭化水素ガス及び空気と酸素の混合ガスを用いる。また、前処理としてブラスト処理を実施するが、ブラスト材が表面層との界面に欠陥として残らないように注意する。
Ｃｕ合金粉は、Ｃｕ−Ｚｎ、Ｃｕ−Ｓｎ、Ｃｕ−Ａ１、Ｃｕ−Ｎｉ、Ｃｕ−Ｂｅなどいずれの合金系でもよく、さらにＦｅ、Ｍｎ、Ｂｅ、Ｚｒ、Ａｇ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｐｂ、Ｓｉ、Ｐなどのうちから１種又は２種以上の他の元素を加えてもよい。望ましくは硬度が高く耐摩耗性に優れるＣｕ−Ａｌ系（Ａｌ青銅系）や高力黄銅系が好ましい。高力黄銅系（ＣＡＣ３００系）はＣｕ−Ｚｎ合金にアルミニウム、鉄、マンガンを添加することにより、更に強靭性、硬さを増したものである。

皮膜層の硬度は、Ｈｖ１５０以上３００以下が望ましい。１５０以下であるとロータ摩耗が大きくなり、高温で表面皮膜の割れや剥がれの可能性が出てくる。３００以上になると皮膜の靭性が低下し、皮膜の割れが出やすくなるほか、摩擦材の摩耗量が増加し、機械加工性も低下する。皮膜層の硬度を所望の数値に設定する手段としては、例えば、Ｃｕ−Ａｌ系のＡｌ青銅合金にＮｉやＭｎを添加したり、Ｃｕ−Ｚｎ系黄銅合金にＦｅやＭｎを添加するような方法がある。
溶射材粉末の粒径は５〜６０μｍのものを用い、予熱処理及びアンダーコート処理を適宜実施することが望ましい。

表面層の厚みは、５０μｍ〜５００μｍが望ましく、５０μｍ以下だと均一な溶射面が得られにくく、かつせん断応力により素地から剥がれやすくなる。５００μｍ以上になると、皮膜内の残留応力が上昇し割れが発生し易くなり、さらに溶射コストが上昇し経済面で不利になる。

本発明を、実施例によりより具体的に説明するが、実ロータによるブレーキ性能試験の結果を用いて行う。ただし、本発明はこれらの実施例にのみに限定されるものではない。

（試験材の調製）
ロータをアルミニウム合金で作製し、摺動面に高速フレーム溶射でＣｕ合金粉を溶射してブレーキ性能試験を行うための試験材を調製した。
実ロータは、２８０ｍｍφ×２３ｍｍ厚の形状を持つベンチレーテッド型の乗用車用ブレーキロータで、一般的なアルミニウム鋳造材（ＡＣ４Ｄ〉を使用して作製し、高速フレーム溶射装置でＡｌ青銅合金粉及び高力黄銅粉を溶射して５０〜４００μｍ厚の溶射皮膜を形成させた後、仕上げ機械加工で表裏面の粗度を整えた。Ｃｕ合金粉は、平均粒径１０〜４５μｍのアトマイズ粉を使用した。溶射前にアルミナを用いたブレージング処理及び２００℃の予熱処理をそれぞれ実施した。溶射処理後ロータ表面を機械研削し、表面粗さＲｚ＜５μｍにした。

（試験方法）
前記により製作したディスクロータを使用してブレーキ性能試験（ダイナモ試験）を実施した。摩擦材は、乗用車用として一般的に使用されているノンアスベスト系の摩擦材を使用した。第１表に摩擦材の主な成分を示す。また試験パターンは、実車を想定した効力試験及びフェード試験を中心に、ＪＡＳＯ規格に準じた試験を実施した。また、特に高温での溶射皮膜の割れや剥離発生の有無を評価するため、４００℃から初速度６０ｋｍ／ｈ、減速度３ｍ／ｓ^２でブレーキを５００回繰り返す４００℃摩耗試験の２種類を実施し、高温での摩擦特性を評価した。試験後、ロータ表面の割れや剥がれの観察及び摩擦係数、摩擦材とロータ材の摩耗量を測定した。

ブレーキ性能試験に用いた試験材の組成などを試験結果とともに第２表に示す。試験番号１〜１２は本発明材で、いずれもアルミニウム合金製ロータにＣｕ合金粉を溶射したものである。なお、Ｃｕ合金粉はＣｕ−Ａｌ青銅系とＣｕ−Ｚｎ黄銅系の２種類を使用した。Ｃｕ−Ａｌ青銅系は、Ｃｕ−１０％Ａｌ−４％Ｆｅ−２％Ｎｉ−２％Ｍｎ合金を、Ｃｕ−Ｚｎ黄銅系はＣｕ−２５％Ｚｎ−６％Ａｌ−３％Ｆｅ−３％Ｍｎを使用した。また、試験番号１３〜１８は比較材で、１３、１５、１６は皮膜の硬度が、１４、１７は皮膜の膜厚がそれぞれ本発明の範囲外にある。また、比較材１８は従来材（鋳鉄製）である。

（試験結果）
試験結果をまとめて第２表に示す。摩耗量は、ロータ、摩擦材の試験後の厚みの減少量で評価した。ビッカース硬度は荷重５００ｇｆで測定した。本発明材はいずれも皮膜の割れや剥がれが発生せず、ロータ材および摩擦材の摩耗量は従来の鋳鉄ロータ材の場合と同様であることが確認できる。

本発明のブレーキ用ディスクロータは、摩擦特性、耐熱性、耐食性において、従来の鋳鉄系のブレーキ用ディスクロータに比べて優れているので、自動車、二輪車、鉄道車両、産業機械などのブレーキ用に有用であり、しかも、従来の軽量耐熱ロータに比べ製造コストが非常に安いので実用化が期待される。

Claims

アルミニウム合金よりなるディスクロータ本体の表面に、高速フレーム溶射法により、Ｃｕ合金粉末をコーティングして形成した皮膜層を有し、該皮膜層のビッカース硬度が１５０以上３００以下であることを特徴とするブレーキ用ディスクロータ。
前記Ｃｕ合金粉末のＣｕ合金が、Ｃｕ−Ａｌ系合金又は高力黄銅系合金であることを特徴とする請求項１に記載のブレーキ用ディスクロータ。
前記Ｃｕ合金粉末の皮膜層の厚さが５０μｍ〜５００μｍであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のブレーキ用ディスクロータ。