JP3838445B2 - チタン合金製ブレーキローター及びその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、チタン合金製ブレーキローター及びその製造方法に関し、特に熱応力に対する変形を低減させたチタン合金製ブレーキローター及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ブレーキのディスクローターは、安価、材料の信頼性、製造の容易さなどの点から鉄（鋳鉄）製のものが用いられていた。しかし鉄製ブレーキディスクローターは、重量が重い、錆び易いといった欠点があり、燃費、加速性、慣性力に大きな影響を与え、また、ディスクローターの錆びが制動力、制動メカニズムにとって問題であった。このような問題点に対応するものとして、チタン又はチタン合金よりなるローター本体の表面に下地層が硬質クロム層で表面層が窒化チタン層の２層コーティングを施したもの、或るいは下地層が硬質クロム層で表面層が炭化チタン層の２層コーティングを施したものが提案されている（例えば、特開平４−３３７１２６号公報、特開平４−３３７１２７号公報）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術のチタンローターの表面に硬質クロム層と窒化チタン層或るいは炭化チタン層の２層コーティングを施したものは、鉄製ブレーキディスクローターの重い、錆び易いといった欠点はないが、これらのものは、チタン製ローター本体とその表面処理層の線膨脹係数の違いにより、また熱応力により、ブレーキの作動時にローターが高温になった場合、表面層の割れや剥離が生ずることがあるという問題があった。
本発明は、ローターの高温時に表面層が割れたり、はがれたりすることのない熱応力に対する変形を低減させたブレーキローターを提供するものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明のチタン合金製ブレーキローターは、α+β二相組織で結晶粒が等軸化し、粒径：200〜4000μｍ(好ましくは、300〜4000μｍ)に粗大化した金属組織を有し、熱応力に対する変形抵抗を向上させたチタン合金を特徴とするものである。
【０００５】
また、本発明のチタン合金製ブレーキローターの製造方法は、α＋β型チタン合金をβトランザス上で熱処理を行い、α＋β相で結晶粒が等軸化した金属組織を形成することを特徴とするものであり、またβトランザス上での熱処理温度が、βトランザス上での熱処理の後、焼き入れ処理することを特徴とするものである。
さらに、本発明のチタン合金製ブレーキローターの製造方法は、具体的には、α＋β型チタン合金が、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖの場合にβトランザス上での熱処理温度が標準的には９８０℃〜１２００℃であることを特徴とするものである。
【０００６】
【作用】
本発明においては、チタン合金製ブレーキローターは、α＋β相で結晶粒が等軸化した金属組織を有するチタン合金からなるもので、βトランザス上で熱処理を行いα＋β相でその金属組織の結晶粒を等軸化させ（数百ミクロン〜数ミリ、例えば２００μ〜４ｍｍ、好ましくは３００μ〜３ｍｍ）、チタン合金製ローターに表面処理を施さずに、熱応力に対する変形を低減させるものである。
【０００７】
詳しくは、本発明はチタン合金のディスクローター本体の金属組織をコントロールしたもので、結晶粒が等軸化されたものであり、従来のようなコーティング処理が不要となり、ブレーキローターを安価に提供でき、このようにコーティング処理がされていないのでローターの高温時に表面層が割れたり、はがれたりすることもないものである。
また、チタンは従来の鉄系素材によるものに比し熱伝導性が低いため高温になりやすいものではあるが、本発明はかかる構成にすることにより、熱応力による歪を低減でき、軽量化が図られ、錆の問題もなく、耐久性が向上した好適なブレーキディスクが得られるものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明において、α＋β相は、α相（結晶構造が最密六方晶）とβ相（体心立方晶）のものである。また、結晶粒が等軸化し、粗大化した金属組織とは、標準的に、すなわち、その金属組織の大部分が数百ミクロン〜数ミリ、例えば２００μ〜４ｍｍ、好ましくは３００μ〜３ｍｍのもので、従来はα＋β相での結晶粒は数ミクロン〜数十ミクロンレベルであるが、本発明のものはβトランザス上で熱処理を行い、α＋β相での結晶粒を数百ミクロン〜数ミリまで粗大化させた金属組織として熱応力（５００〜８００℃を標準とする）に対しての変形タフネスを大巾に向上させたものである。
【０００９】
本発明のチタン合金としてはα＋β型チタン合金が適しており、例えば、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ、Ｔｉ−６Ａｌ−６Ｖ−２Ｓｎ、Ｔｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−６Ｍｏ、及びＴｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−２Ｍｏ、Ｔｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−２Ｍｏ−０．１ｓｉ等が挙げられる。
また、α＋β型チタン合金のβトランザスとは、β変態温度のことで、α＋β相がβトランザスより上ではβ相となる。β変態温度、即ちβ相からα＋β２相に変態する温度はβ安定化元素の添加量が増大するにつれて漸次変化するが、合金の組織が決まればβトランザスは決まる。具体的に例えば、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金ではβトランザスは通常１０００℃±１４℃である。
【００１０】
本発明は、α＋β型チタン合金をβトランザス上で熱処理するものであるが、そのβトランザス上での熱処理とは、α＋β型チタン合金をβ変態温度にすることであり、例えばＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金ではその熱処理温度範囲は９８６〜１２００℃であり、これはβトランザスは通常１０００℃±１４℃、即ち９８６℃であるからその下限を９８６℃とし、またその上限は、熱処理効率、熱処理炉等の実用的な面から１２００℃が好ましい。熱処理時間は、ブレーキローターのサイズにもよるが、適宜定められるものである。特に好ましくいＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金では熱処理温度は、１０５０℃で２時間である。
【００１１】
次ぎに本発明のチタン合金製ブレーキローターの一例について図５、図６に示す。図５はチタン合金製ブレーキのディスクローターの平面図、図６は図５のＡ−Ａ断面図である。
ブレーキには、ディスク式とドラム式があるが、ここではディスク式について説明する。図５（ａ）、図６において、５はディスクローターで、ブレーキパッド（図示せず）に挟まれてその回転を止めるものである。６はディスクローターの一部で少し薄くなっている。ディスクローターの一部で少し薄くなっている薄肉部分６には切り欠き７と半円状の凹部８が設けられている。切り欠き７はディスクの軽量化に好ましいものである。また半円状の凹部８はホイールハブ９とピン11で固着するための凹部である。
【００１２】
ホイールハブ９との固着は、図５（ｂ）（ｃ）に拡大して示すように、ホイールハブ９に設けられている半円状の凹部１０と、ディスクローターの凹部８を整合させてピン１１で固着させているものである。このピン11は、凹部８、10と略同径の小頭部12と、凹部８、10よりも大径の大頭部12と両者を一体に結合する軸部14とよりなり、ピン11の小頭部12を凹部８、10に挿入した後、小頭部12から軸部14に皿バネ15を嵌合し、小頭部12と皿バネ15との間にサークリップ16を介装することによって、ディスクローター５がホイールハブ９に固定されている。このようにディスクローター５はホイールハブ９に直結され、ホイールと一緒に回転しているディスク５をブレーキパッドと呼ばれる摩擦板で挟んでホイールの回転を止めるものである。
【００１３】
【実施例】
本発明の実施例を以下に示す。
α＋β型チタン合金として、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖを、この合金のβトランザス上の温度である１０５０℃で２時間熱処理を行い、これを焼き入れした。それにより、焼き入れ時に生じる等軸晶の残留β相によって高温で歪みの生じにくい結晶構造とした。また得られた結晶粒は３００ミクロン〜４ミリまでに粗大化し、熱応力（５００〜８００℃を標準とする）に対して変形タフネスが大巾に向上した。
【００１４】
結晶粒についてその組織を図１、図２を参照して説明する。
図１、図２は金属組織の１００倍の顕微鏡写真で、図１は本発明の実施例の組織であり 図２は従来の組織である。従来のものとは、（７００〜７５０℃で約２時間燃焼したものである。）
図１、図２から明らかなように、図２の従来のα＋β相での結晶粒は数ミクロン〜数十ミクロンのものであるが、これに対して図１に示す実施例の金属組織は結晶粒が３００ミクロン〜４ミリと粗大化している。
【００１５】
次ぎに、この変形タフネスについて、図３、図４を参照してローターの温度による歪特性の一例を示し説明する。
まず、図４はデイスク歪み量を説明するもので、板厚５ｍｍのテスト前のディスク１を、単体テスト（フルサイブテスター）でのブレーキテストによりテスト後のディスク２の点線で示したような状態になるとして、その場合のｘとｙの関係をデイスク歪み量とするもので、ｔａｎθ＝ｙ／ｘと示す。なお図３にはデイスク歪み量は（ｔａｎθ）×１０^-3と表示している。
【００１６】
図３は、デイスク温度とデイスク歪み量の関係を示すグラフで、横軸はデイスク温度、縦軸はデイスク歪み量（ｔａｎθ）×１０^-3である。また実線が本発明のもの、点線は従来のものである。
図３に示されるように、従来のブレーキローターを使用すると、単体テスト（フルサイブテスター）でのブレーキテストにおいて、板厚５ｍｍでは、５００℃以上にローター温度が上昇するとソリが発生し使用できなくなる。これに対し本発明の処理を施したものは、７００℃程度までソリの発生がなく、ブレーキローターとしての熱歪みタフネスの向上効果が図られるたことが明らかである。
【００１７】
【発明の効果】
本発明のα＋β相で結晶粒が等軸化されたチタン合金製ブレーキローターによれば、従来のようなコーティング処理が不要で安価に提供でき、それによりローターの高温時に表面層が割れたり、はがれたりすることもないという効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の金属組織の顕微鏡写真である。
【図２】従来のの金属組織の顕微鏡写真である。
【図３】ローターの温度による歪特性を説明する図である。
【図４】デイスク歪み量を説明する図である。
【図５】本発明の実施例のブレーキローターを示す平面図である。
【図６】図５のVI−VI線に沿って切断した断面図である。
【符号の説明】
１…テスト前のディスク
２…テスト後のディスク
５…ディスクローター
７…切り欠き
８…凹部
９…ホイールのハブ

Claims (4)

1. 等軸化した結晶粒からなるα＋βの二相組織で、且つ結晶粒が 200 〜 4000 μｍと粗大化している熱処理組織を有することを特徴とする熱応力に対する変形を低減させたチタン合金製ブレーキローター。
2. 粗大化した結晶粒の粒径が 300 〜 4000 μｍの範囲にある請求項1記載のチタン合金製ブレーキローター。
3. α＋β型チタン合金をβトランザス上で熱処理し、α＋β二相で結晶粒が等軸化し、且つ 200 〜 4000 μｍの粒径に粗大化した熱処理組織に改質することを特徴とする請求項１又は２記載のチタン合金製ブレーキローターの製造方法。
4. βトランザス上で熱処理した後、焼入れする請求項３記載のチタン合金製ブレーキローターの製造方法。

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