JP2017514992A - 鉄合金組成物から成るブレーキディスク被覆及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、０．５〜２重量％の炭素、３〜１３重量％のアルミニウム、及び１００重量％になるまで残りの比率の鉄を含む鉄合金組成物から成る、ブレーキディスクのブレーキ面上に備えられた摩耗保護被覆に関する。更に本発明は、ブレーキディスクを被覆する方法を開示する。【選択図】なし
Description
本発明は、ブレーキディスク上の摩耗保護被覆としての鉄合金組成物、摩耗保護被覆が施されたブレーキディスク、及びそれらの製造に関する。
特許文献１から、摩擦面、例えばブレーキディスクを有する、耐摩耗性で、被覆された、実質的に金属製の自動車構成部品が公知である。摩擦面は、実質的にモリブデンから成る耐摩耗性被覆層により形成され、一般的な組成はモリブデンが９９％超である。結合層は、被覆層を基材と接合するために、構成部品の基材上に塗布される。しかし、モリブデンの加工における欠点とは、その高い融点温度と、更にモリブデンが高価であることである。
したがって、特許文献２に記載の摩擦面を有する自動車構成部品では、耐摩耗性被覆層はモリブデンを５０〜９９％の間で含む合金から形成され、残りは以下の元素：アルミニウム、ホウ素、炭素、クロム、コバルト、ランタン、マンガン、ニッケル、ニオブ、酸素、ケイ素、タンタル、タングステン、イットリウムのうち少なくとも１種類から構成される。この合金は、モリブデンの液相温度よりも顕著に低い液相温度を有するため、この合金は溶射では完全に、又はほぼ完全に液化され、この液化によって無孔被覆層の形成が促進される。この被覆層の厚さは約２５〜６００μｍであり、好ましくは３００μｍである。モリブデン被覆層と基材との間の接合層は、実質的に大部分の比率がニッケルで、わずかな比率でアルミニウムを含む。この接合層の厚さは０〜１００μｍの間にあってよく、好ましくは約５０μｍである。
特許文献３には、鋼製ブレーキディスクのブレーキ面の被覆方法が記載されており、この方法では、耐摩耗性被覆が溶射により粗面化されたブレーキ面に塗布される。高速フレーム溶射に使用される溶射材料は、炭化タングステンと金属成分とから成るセラミック−金属組成材料であり、この金属成分は、コバルト、ニッケル、又は、コバルト合金若しくはニッケル合金のいずれかから成る。アーク溶射法では鋼製ブレーキディスクのブレーキ面上に、鉄１８クロム８ニッケル２マンガン、鉄１３クロム０．５ケイ素から成る被覆、又は、炭素含有量が約０．３５％及び他の合金成分がケイ素、ニッケル、マンガン、リン（痕跡量）並びに硫黄（痕跡量）として示される合金炭素鋼から成る被覆が塗布できる。
特許文献４には、ブレーキディスクと、その製造方法が記載されている。鋳鉄材料、例えば炭素含有量が３．７〜４．０％のねずみ鋳鉄から成るブレーキディスクは、軸上摩擦面の少なくとも１つに、例えば非合金鋼又は合金鋼、炭化物、及び酸化物をその構造中に含む、より硬い金属から成る、耐酸化性かつ耐摩耗性の金属性で非セラミックの溶射鋳造被覆を有する。この溶射鋳造被覆は、フレーム溶射、アーク溶射、又はプラズマ溶射によって生成できる。使用する合金鋼はクロムを含有してよく、被覆中のクロム含有量は１０〜２０％の間にあってよい。被覆鋼の組成は、１６％のクロム、０．４４％のニッケル、０．４３％のマンガン、１．０１％のモリブデン、及び０．３６％の炭素を示す。
先行技術に基づいて、本発明の課題は、ブレーキディスクのブレーキ面用の改良された摩耗保護被覆を提供することである。
本課題は、請求項１の特徴を持つブレーキディスク上の摩耗保護被覆によって解決される。
本発明の別の課題は、ブレーキディスクの摩擦面が高硬度と耐摩滅性の増加とをあわせ持つことでブレーキ時のダスト形成が低減される、ブレーキディスクを実現することであり、この課題は請求項６の特徴を持つブレーキディスクによって解決される。
合金組成物及び方法の発展形態は、それぞれの従属請求項に記載されている。
耐摩擦性の摩耗保護被覆を形成するために、ブレーキディスクのブレーキ面上又は摩擦面上に備えられた、本発明による鉄合金組成物は、０．５〜２重量％の炭素と、及び３〜１３重量％のアルミニウムと、１００重量％になるまで残りの比率の鉄とを、不可避な痕跡量不純物を伴って含む。この合金組成物から得られるブレーキディスク上の摩耗保護被覆を用いて、ブレーキディスクの摩耗を低減できる。その際、摩耗保護被覆は、摩擦面の範囲内でブレーキディスクの一番表側にある物質層である。その際、摩耗保護被覆の下に配置されたブレーキディスクは、複数の物質積層体、例えば基盤材料、及び、他の材料から成る固着層又は腐食保護層から形成できる。ブレーキディスクは軽金属又はアルミニウム合金ブレーキディスクであり、ブレーキディスクの基体をより薄く規定できるため、この組成物から成る被覆はブレーキディスク重量の顕著な削減を可能にする。
更に好ましい鉄合金組成物は、０．５〜２重量％の炭素と３〜１３重量％のアルミニウムとを含み、更に０．５〜５重量％のクロム、及び／又は０．０５〜０．５重量％のケイ素を含む。クロム及びケイ素の比率は特に、被覆合金内での硬化相の有利な形成をもたらす。 残りの比率は鉄であり、鋼に一般的な痕跡量不純物を伴う。このような組成物には、十分に利用でき、安価な合金成分だけが使用されるという利点がある。高価なモリブデン又はニッケルは意図的に使用しない。
この組成物の変形性を改善するために、前述した鉄合金組成物は０．５〜５重量％のマンガンを追加して含んでもよく、また代替的に又は追加的に０．５〜５重量％のニッケルを含んでもよい。ニッケルの添加により、合金マトリックスの延性は改善される。
追加的に前述の鉄合金組成物は、例えばタングステン、バナジウム、ニオブ、ホウ素などの硬化剤を、それぞれ０．１〜３重量％の範囲内で含んでもよい。
更に好ましい鉄合金組成物は、０．８〜１．２重量％の炭素、６〜８重量％のアルミニウム、１．５〜２．５重量％のクロム、０．１〜０．３重量％のケイ素、及び１００重量％になるまで残りの比率の鉄を、不可避な痕跡量不純物を伴って含む。
量産ブレーキディスクが相当な摩耗を受け、ブレーキパッドからブレーキダストが発生し、ブレーキダストはリム上に視覚的に不利に沈着して除去が困難であった以前とは異なり、この組成物から形成された摩耗保護被覆は実質的に永続的に耐摩耗性を示す。向上した耐摩耗性によって、ブレーキ時のダスト形成を低減できる。加えて、本発明による鉄合金組成物を用いて被覆したブレーキディスクは、持続するブレーキ効果を伴って、顕著に向上した耐用期間を有する。
０．８〜１．２重量％の炭素、６〜８重量％のアルミニウム、１．５〜２．５重量％のクロム、０．１〜０．３重量％のケイ素、及び１００重量％になるまで残りの比率の鉄を含む好ましい鉄合金組成物は、更に成形性を改善するために１．８〜２．２重量％のマンガンを含んでもよく、及び／又は、延性を改善するために１．８〜２．２重量％のニッケルを含んでもよい。
したがって、この鉄合金組成物はブレーキディスクのブレーキ面上に摩耗保護被覆を形成するために使用でき、この鉄合金組成物は溶射によってブレーキ面上に塗布される。
溶射された鉄合金は特に以下の相、α−Ｆｅ（Ａｌ，Ｓｉ，Ｍｎ）、Ｆｅ4-xＡｌxＣy、及び（ＦｅＣｒ）3Ｃを示す可能性がある。この場合、非常に良好な耐摩耗性を示す硬化相の比率が高い。被覆中のアルミニウム元素及びアルミニウム化合物は、非常に良好な耐酸化性を示すため、腐食に対して非常に高い安定性が達成される。ブレーキ時に加熱中に生成する酸化アルミニウムは、被覆内へ腐食が進行しないように作用する。
合金組成物の膨張率は、ねずみ鋳鉄の水準にある。したがって、安価なねずみ鋳鉄がブレーキディスク基材又は基体として使用される場合、熱ストレスが低減される。
アルミニウム製、場合によりアルミニウム合金製、又はねずみ鋳鉄製のブレーキディスクは、本発明によれば、本発明による鉄合金組成物から成る摩耗保護被覆を有する。そのようにして得られたブレーキディスクは、より減少したダスト生成に関連する向上した耐摩滅性によって、またいずれも良好な耐酸化性及び耐腐食性により向上した耐用期間によって卓越している。場合により、ブレーキディスクの基盤材料と摩耗保護被覆との間に、中間層を塗布してよい。この場合は固着層又は腐食保護層である。中間層用に好ましい材料はニッケル又はニッケル合金である。
摩耗保護被覆で被覆されたブレーキディスクの製造法は、ブレーキディスク基体の製造で始まり、これに続いて被覆すべきブレーキ面を粗面化して、この後に溶射される保護被覆がブレーキディスク基体により良好に固着できるようにする。溶射法を用いて本発明による鉄合金組成物から成る摩耗保護被覆を粗面化ブレーキ面上に塗布した後、延性の改善及び摩耗保護被覆の硬化のために、摩耗保護被覆の熱的及び／又は機械的後処理を続けて行う。場合により、ブレーキディスクの基盤材料と摩耗保護被覆との間に、中間層を塗布してよい。この場合は固着層又は腐食保護層である。この中間層は、特にニッケル合金の場合は、電気化学的に、又は溶射皮膜として塗布してよい。
熱的及び／又は機械的後処理は、８００〜９５０℃の間の範囲に昇温して、好ましくは８５０〜９００℃の温度で、塗布された被覆を、例えば鍛造又は圧延するなどの熱機械的後処理であってよい。代替的に又は追加的に最終的な熟成を、８５０〜９５０℃の範囲の温度で、好ましくは約９００℃で、０．５〜３時間の間の時間間隔をかけて、好ましくは１時間をかけて、延性を（更に）向上させるために実施してよい。なぜならこの焼き戻し工程によって脆弱な硬化相の球状化／変態が実現するからである。
ブレーキディスク基体は、ねずみ鋳鉄から、又はアルミニウム鋳鉄による軽量設計において、安価に製造できる。被覆前にブレーキ面又は摩擦面を粗面化するために、好ましくは機械的方法を使用でき、例えば粒子ブラスト（例えばサンドブラスト）、高圧水流、又は、好ましくはアンダーカットも生じる画定された刃先を有する切削工具を使用する方法であり、この後に溶射される被覆がブレーキディスク基体とかみ合い、そして摩耗保護被覆の固着が更に改善される。
溶射法として、例えば大気圧粉末プラズマ溶射、フレーム溶射、高速フレーム溶射、又はワイヤアーク溶射が可能で、鉄合金組成物が粉末である場合、大気圧粉末プラズマ溶射が好ましい。しかし、鉄合金組成物がワイヤである場合、溶射皮膜の均質性が達成可能であること、及びコスト面の理由から、ワイヤアーク溶射が好ましい。
Claims (9)
- ブレーキディスクのブレーキ面上の鉄合金組成物から成る摩耗保護被覆であって、
前記組成物は、
０．５〜２重量％の炭素と、
３〜１３重量％のアルミニウムと、
１００重量％になるまで残りの比率の鉄と、
鋼に一般的な痕跡量不純物と
を含むことを特徴とする、摩耗保護被覆。 - 前記組成物は更に、０．５〜５重量％のクロム、及び／又は０．０５〜０．５重量％のケイ素を含むことを特徴とする、請求項１に記載の摩耗保護被覆。
- 前記組成物は更に、０．５〜５重量％のマンガン、及び／又は０．５〜５重量％のニッケル、及び／又はそれぞれ０．１〜３重量％のタングステン、バナジウム、ニオブ、及び／又はホウ素を含むことを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の摩耗保護被覆。
- 前記組成物は、
０．８〜１．２重量％の炭素と、
６〜８重量％のアルミニウムと、
１．５〜２．５重量％のクロムと、
０．１〜０．３重量％のケイ素と
を含むことを特徴とする、請求項１〜請求項３の少なくとも一項に記載の鉄合金組成物。 - 前記組成物は更に、１．５〜２．５重量％のマンガン、及び／又は１．５〜２．５重量％のニッケルを含むことを特徴とする、請求項１〜請求項４の少なくとも一項に記載の摩耗保護被覆。
- 特にニッケル合金ベースの中間層が、ブレーキディスク基体と前記摩耗保護被覆との間にあることを特徴とする、少なくとも１つのブレーキ面が請求項１〜請求項５の少なくとも一項に記載の摩耗保護被覆で被覆されたブレーキディスク。
- 少なくとも１つのブレーキ面が摩耗保護被覆で被覆されたブレーキディスクの製造方法であって、
−ブレーキディスク基体を製造する工程と、
−被覆されるべきブレーキ面を粗面化する工程と、
−請求項１〜５の少なくとも一項に記載の鉄合金組成物から成る前記摩耗保護被覆を、溶射法を用いて前記粗面化ブレーキ面上に塗布する工程と、
−延性の向上のために前記摩耗保護被覆を熱的及び／又は機械的に後処理する工程と
を含む製造方法。 - 前記熱的及び／又は機械的後処理は、
−被覆の鍛造又は圧延であって、好ましくは８００〜９５０℃の範囲の温度、好ましくは８５０〜９００℃の範囲の温度での後処理、及び／又は、
−その後に続く熟成は、８５０〜９５０℃の範囲の温度で、好ましくは約９００℃で、０．５〜３時間の間の時間間隔をかける、好ましくは１時間をかける後処理、を含む請求項７に記載の製造方法。 - −前記ブレーキディスク基体を、ねずみ鋳鉄又はアルミニウム鋳鉄から製造し、
−粒子ブラスト、又は高速水流を用いて、又はアンダーカットを生成する切削工具を用いて粗面化し、
−溶射法には、大気圧粉末プラズマ溶射（ＡＰＳ）、フレーム溶射、高速フレーム溶射、又はワイヤアーク溶射から選択し、鉄合金組成物が粉末である場合は大気圧粉末プラズマ溶射が好ましく、鉄合金組成物がワイヤである場合はワイヤアーク溶射が好ましい、請求項７又は請求項８に記載の製造方法。
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