JP4204014B2 - ブレーキロータの製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明はブレーキロータの製造方法に係り、特にアルミニウム等の軽合金を主体としてセラミックス強化材を複合させたブレーキロータを任意の強化材体積含有率で製造することができるようにしたブレーキロータの製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に各種機械部品には所望の剛性が要求されると同時に、軽量化も要求されることが多い。このような要求から例えば車両用のブレーキ部品としてアルミニウム若しくはその合金が用いられるようになっている。また、最近では軽合金にセラミックスからなる強化材を複合した部品も見られ、特に耐摩耗性や耐熱性に有効であることから有望視されている。
【0003】
このような強化材複合材料として、例えば特開平6−335786号公報に見られるように、ブレーキロータ等に適用したものがある。これは強化材粉末とアルミニウム粉末を熱間塑性加工により接合一体化し、この一体品をロータ面に摩擦圧接させるようにしている。しかし、このような接合型の複合材料は接合面での結合強度を確保することが難しい。
【0004】
したがって、従来では、アルミニウムインゴットの中に強化粒子を分散させたものを用いて成形する方法が提案されている。また最近では、強化材をプリフォーム(予備成形体)として成形し、その中にアルミニウム溶湯を含浸させる方法も提示されており、これによって得られた金属複合材は金属マトリックス複合体(Metal Matrix Composites:MMC)として知られている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前者のインゴット中に強化材粒子を分散させたものでは、インゴット中の強化材粒子の量が増加すると、すなわち強化材の体積含有率が高くなると、湯流れ性が悪くなり、鋳造が不能となるため、最大体積含有量は1〜30%であった。また、鋳造に際して強化材分散の溶湯を鋳込むが、強化材と基体金属の比重さにより強度分布を均等にすることが困難となっていた。
【0006】
一方、後者のプリフォームに金属を含浸する構成のものでは、プリフォームの形状を保持するためには、強化材の体積含有率が低いとフォームが崩壊してしまうので、その体積含有率は20%以下のものとすることができなかった。これは体積含有率を低くしようとすると強化材粒子径を大きくせざるを得ず、フォーム成形上、粒子径が大きいと成形ができなくなるからである。
【0007】
本発明は、上記従来の問題点に着目し、金属マトリックス複合体からなるブレーキロータを製造するに際して強化材の体積含有率を任意に調整することができるブレーキロータの製造方法を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係るブレーキロータの製造方法は、セラミックス材からなる粉末強化材およびそのバインダに前記強化材粉末粒子径以下のサイズの粉末発泡スチロールを混合分散させて押し固めることによりブレーキロータの摺動リングとロータ本体とのプリフォームを成形するに際して、摺動リング用プリフォームは強化材の体積含有率を10〜60%とし、ロータ本体用プリフォームは強化材の体積含有率を5〜10%となるように発泡スチロール粉末の量を調整して各々作成し、これらを接合一体化した後に金属溶湯を含浸してブレーキロータを製造することを特徴とするものである。
【0009】
この場合において、摺動リング用プリフォームは強化材体積含有率を20〜40%としてなるようにすることが望ましい。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下に本発明に係るブレーキロータの製造方法につき、具体的実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
【0011】
本発明は種々の製品に応用可能であるが、適用効果が高いブレーキロータを製造する場合について説明する。アルミニウム複合材ロータ(以下、アルミロータという)は、自動車の足廻りに組み込まれてディスクブレーキ装置を構成するが、ブレーキパッドにより頻繁に挟圧されるため、そのパッド摺動面部には耐摩耗性、耐熱性が要求される一方、車輪への取り付け部となっているハット部は取り付けのための加工性および割れ耐久性や疲労強度が高いことが要求される。したがって、パッド摺動面部ではセラミックス粒子の体積含有量が高くする一方で、ハット部はセラミックス粒子の体積含有量を低くして伸び特性を優先させることが望ましい。
【0012】
このような観点から、ブレーキロータのパッド摺動面部では強化材としてのセラミックス粒子の体積含有量が20〜40%のMMCとし、それ以外のハット部を主体とする部分はセラミックス粒子の体積含有量が5〜10%のMMCとして形成する。このため図2に示すように、ブレーキロータ10をパッド摺動面となる部分に相当する摺動リング部12(12S、12R)と、当該摺動リング部12に挟まれるロータ面板14をハット部16の外周部に一体的に形成したロータ本体18とに分離し、それぞれのプリフォーム20、22を別途に作製し、これを接合して一体化したロータプリフォームを作製するようにしている。
【0013】
すなわち、摺動リング部12に対応する金型を準備しておき、これにセラミックス粒子にバインダ等を添加し、ブローイングマシンで金型に吹き込むことにより摺動リング部プリフォーム20を成形する。これは50〜700メッシュのセラミックス粒子を用いて押し固めすればよい。例えば60メッシュの粒子を用いることにより体積含有率を35%に設定することができる。
【0014】
また、ロータ本体18に対応する金型を準備しておき、これには、上記と同様の相当直径を有するセラミックス粒子(およびバインダ)に加えて、同等の相当直径の高温焼失材を添加混合して分散させたフォーム素材をブローイングマシンで前記金型に吹き込んでロータ本体プリフォーム22を成形するようにしている。高温焼失材としては発泡スチロールやワックスを用いればよく、これを混合対象のセラミックス粒子径と同等若しくはそれ以下の相当直径となるまで細粒化したものを用いればよい。このような高温焼失材の添加量は、製作すべきロータ本体18におけるセラミックスの体積含有率の調整に用いられ、この添加量が増大することによりセラミックス体積含有量を減少させ、添加量が減少されればセラミックス単体による体積含有率に近づく。したがって、ロータ本体18が所望のセラミックス体積含有量となるように、高温焼失材の添加量を調整することにより、例えば5〜10%のセラミックス体積含有量、換言すれば90〜95%の金属基からなるロータ本体18の構造とすることができるのである。
【0015】
このようにして作製されたプリフォーム20、22をロータ形状となるように接着して、図3に示すような一体のロータプリフォーム24を作製する。ロータプリフォーム24はバインダおよび高温焼失材を含んでいるので、これをバインダ及び高温焼失材の焼失温度まで加熱することにより、セラミックス単体からなるフォーム24が成形される。したがって、特に高温焼失材の焼失温度以上、発泡スチロールでは150℃程度の温度に設定された炉にロータプリフォーム24を導入することにより、摺動リング部プリフォーム20が20〜40%のセラミックス体積含有量、ロータ本体プリフォーム22が5〜10%のセラミックス体積含有量になる。これにより、摺動リング部プリフォーム20の空隙率は60〜80%、ロータ本体プリフォーム22の空隙率は90〜95%となり、この空隙部に金属を溶浸させることにより、ロータの構成部位単位で補強材の含浸率の異なる金属基複合ロータとすることができる。
【0016】
このようなロータフォーム24にアルミニウムやその合金を金属マトリックスが形成されるように溶浸させるのであるが、セラミックスフォームの空隙への金属含浸に際して、金属表面張力が含浸阻害の要因となるため、遠心または加圧押込みをなすようにしてもよいが、セラミックスフォームを窒化マグネシウムでコーティングして表面張力緩和をなすようにすることが望ましい。このため、フォーム成形前に、セラミックスフォームの素材中にマグネシウム金属を1重量%程度混合し、アルミニウム溶融金属含浸に際して窒素雰囲気中で作業を行わせるようにすればよい。もちろん、セラミックスフォームを構成しているセラミックス粒子や繊維等の表面に窒化マグネシウムをCVDコーティングする等の手法を採用することもできる。
【0017】
以下、本発明をブレーキロータの具体的製法に基づいて図1のフローチャートを参照して詳細に説明する。
【0018】
(A)摺動リング部プリフォーム成形工程(ステップ100)
摺動リング部12に相当するフォームは各々セラミックス材料を用いて作成される。セラミックス材料としてはアルミナ(Al2O3)、炭化珪素(SiC)等の周知の材料を1種若しくは2種以上用いればよい。このセラミックス材料は繊維、ウィスカ、粒子等のいずれの形態でもよいが、成形性の観点からは粒子を用いることが望ましい。したがって、例えば平均粒子径が30μmのアルミナ粉末を用い、これを混合機にバインダを混合して分散させ、これを摺動リング部形状となるように、成形機の金型にブローイングマシンで吹き込んでプリフォーム20成形する。
【0019】
バインダとしてはケイ酸ソーダ、リン酸アルミ、コロイダルシリカ等を用いればよい。このとき、セラミックス材料の粒子径を適宜選定することにより、任意に空孔率を調整することができ、セラミック材料の体積含有率を調整することができる。摺動リング部12に要求される耐摩耗性と耐熱性の観点から、この摺動リング部プリフォーム20はセラミックス体積含有率が10〜60%の範囲、望ましくは20〜40%であることが有効である。
フォーム成形に際しては、後工程での供給される溶融アルミニウムがセラミックスフォームの内部に含浸することができるように、すなわちセラミックスへの金属濡れ性を改善するために、フォーム成形前にセラミックス材料中にマグネシウム金属を0.5〜1.0重量%程度混合させる。
【0020】
(B)ロータ本体プリフォーム形成工程(ステップ110)
ロータ本体18に相当するフォーム22は上記摺動リング部プリフォーム20に用いるセラミックス材料をそのまま利用する。したがって、例えば平均粒子径が30μmのアルミナ粉末を用いるため、混合機からの出口部から分岐路を介して第2の混合機にて導入される発泡スチロールと混合分散させ、これをロータ本体形状となるように、第2成形機の金型にブローイングマシンで吹き込んでプリフォーム成形するのである。
【0021】
ここで、ロータ本体18は摺動リング部12に比較して強度、耐熱性よりは加工性、靱性が重視されるため、セラミックスの体積含有率は低くてよく、5〜10%であることが望ましい。この体積含有率を調整するため、プリフォーム材に発泡スチロールを混合分散するようにしている。すなわち、図4(1)に示しているように、使用するセラミックス粒子Cと相当直径がほぼ等しい平均相当直径を有する発泡スチロール粒子Sを用い、これをセラミックス粒子C中に混合分散し、発泡スチロール粒子Sが焼失した場合のセラミックス体積含有率が所望の5〜10%となるように調整するのである。フォーム成形は常温下で行うため、成形後のフォームには発泡スチロール粒子が残留しているが、図4(2)に示すように後の工程でこれが焼失され、焼失空隙Aは金属溶浸空隙となる。
このロータ本体プリフォーム22の成形に際しても、後工程での供給される溶融アルミニウムがセラミックスフォームの内部に含浸することができるように、すなわちセラミックスへの金属濡れ性を改善するために、フォーム成形前にセラミックス材料中にマグネシウム金属を0.5〜1.0重量%程度混合させる。
【0022】
(C)金属遮蔽材の塗布工程(ステップ120)
個々に作製された摺動リング部プリフォーム20とロータ本体プリフォーム22とを接合一体化し、ロータプリフォーム24とする(図3参照)。接合面には接着剤塗布により結合すればよい。
【0023】
このようにして形成されたロータプリフォーム24の外周部に塗布装置により金属遮蔽材を塗布してコーティング層を形成する。
【0024】
(D)乾燥工程(ステップ130)
分割セラミックスフォームを組合わせたロータプリフォーム24を炉にて昇温し、バインダとロータ本体部に相当するプリフォーム22内の発泡スチロール28を焼失させる。これは上記金属遮蔽材を塗布後、常温下にあるロータプリフォーム24を乾燥炉に投入し、当該乾燥炉にて徐々に昇温させることにより行われるが、およそ150℃にて焼失させることができる。この焼失した状態は図4(2)のようになる。ただ、後段の含浸工程での温度に急激に昇温させることによってプリフォームにクラックが入ることを防止すべく、この乾燥炉では400℃まで加熱するようにしている。すなわち、この乾燥炉の移動中にセラミックスフォーム内バインダおよび発泡スチロールを焼失させるようにしている。形成されたロータプリフォーム24はロータと同等寸法とされ、フォーム内部にはセラミックスの含有率に対比される空隙Aが形成され(図4(2))、金属マトリックス充填空間となる。
【0025】
(E)金属含浸工程(ステップ140)
その後、このロータプリフォーム24を型保持部材に載置固定し、これを窒素ガス雰囲気で満たされているとともに、基材金属としてのアルミニウム溶融温度である約750〜850℃に昇温されている含浸炉に投入するが、セラミックスフォームでの熱衝撃によるクラックの発生を防止するために、最初に予熱炉を通すようにしている。したがって、予熱炉では先の乾燥炉にて400℃程度まで昇温させているので、400℃から徐々に加熱するようにしている。その間に窒素雰囲気中に晒される。予熱炉を経て含浸炉内に導入されたセラミックスフォーム24には、窒素ガスが金属遮蔽材を通気してセラミックスフォーム内に侵入し、フォーム内マグネシウム金属と化学結合して窒化マグネシウムが生成され、これがセラミックス材料に対するアルミ合金の濡れ性を改善する。この結果、含浸炉にてセラミックスフォームに対しアルミ合金溶湯が毛細管現象によりフォーム内空隙Aに侵入し、図4(3)に示しているように、いわゆるマトリックス金属を形成する。セラミックスフォーム内へのアルミ合金が含浸して外表面の金属遮蔽材との境界面に達するまで含浸炉内で処理される。
【0026】
(F)冷却仕上げ工程(ステップ150)
含浸炉から排出される成形品は次いで金属基材が固化するまで冷却処理するため冷却装置に供給される。ここで金属は常温まで冷却され、ロータはセラミックスフォームを内在した状態の金属基セラミックス組織となる。セラミックス間空隙に侵入した金属はいわゆる網目状金属配置のマトリックス金属基であり、セラミックスの体積含有率の異なるフォーム同志の境界面で融和結合した構造をなしている。
【0027】
このようにセラミックス粒子にバインダ等を添加しブローイングマシンで金型に吹き込んで摺動リング部プリフォーム20が形成される。一方、ハット部16及びロータ面板14を有するロータ本体プリフォーム22は、セラミックス粒子に焼失する材料として発泡スチロールおよびバインダを添加し、発泡スチロールの添加量によりセラミックス体積含有量を大きく低減させている。これにより体積含有量は従来不可能であった20%以下にも設定することができる。
【0028】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るブレーキロータの製造方法によれば、セラミックス材からなる粉末強化材およびそのバインダに前記強化材粉末粒子径以下のサイズの粉末発泡スチロールを混合分散させて押し固めることによりブレーキロータの摺動リングとロータ本体とのプリフォームを成形するに際して、摺動リング用プリフォームは強化材の体積含有率を10〜60%とし、ロータ本体用プリフォームは強化材の体積含有率を5〜10%となるように発泡スチロール粉末の量を調整して各々作成し、これらを接合一体化した後に金属溶湯を含浸してブレーキロータを製造するようにしているため、ブレーキ部品として、加工性および耐割れ性が要求される部位と、これと相反する耐摩耗性および耐熱性が要求される部位とを同時に要求されるブレーキロータ等に対して有効となる。したがって、上記方法により作製されたブレーキロータは、パッド摺動面は耐摩耗性が格段に向上し、ハット部16は伸び特性を有するため割れや疲労に対する強度が向上したものとなる。また、切削加工においても刃具寿命が伸び生産性、コスト低減が図れる利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例の製造方法のフローチャートである。
【図2】ブレーキロータの分解斜視図である。
【図3】ロータプリフォームの断面図である。
【図4】ロータ本体プリフォームのアルミ含浸工程の説明模式図である。
【符号の説明】
10 ブレーキロータ
12 摺動リング部
14 ロータ面板
16 ハット部
18 ロータ本体
20 摺動リング部プリフォーム
22 ロータ本体プリフォーム
24 ロータプリフォーム
C セラミックス粒子
S 発泡スチロール粒子
Claims (2)
- セラミックス材からなる粉末強化材およびそのバインダに前記強化材粉末粒子径以下のサイズの粉末発泡スチロールを混合分散させて押し固めることによりブレーキロータの摺動リングとロータ本体とのプリフォームを成形するに際して、摺動リング用プリフォームは強化材の体積含有率を10〜60%とし、ロータ本体用プリフォームは強化材の体積含有率を5〜10%となるように発泡スチロール粉末の量を調整して各々作成し、これらを接合一体化した後に金属溶湯を含浸してブレーキロータを製造することを特徴とするブレーキロータの製造方法。
- 摺動リング用プリフォームは強化材体積含有率を20〜40%としてなることを特徴とする請求項1記載のブレーキロータの製造方法。
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