JP4570549B2 - ブレーキ用ディスクロータ - Google Patents

Description

本発明は、自動車、二輸車、鉄道車両、産業機械などに利用される、耐熱性、耐摩耗性、経済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主として使用されている。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、最近の自動車技術の進歩やアウトドアスポーツやレーシングの広まりなどにより、高速でのより安定した制動性能とロータの耐摩耗性向上が求められている。

ディスクロータの耐熱性を向上させるため、鋳鉄の替わりにＣ／Ｃコンポジット材やＳｉＣ系セラミック複合材（ＣＭＣ）を使用したブレーキ用ディスクロータが既に実用化されているが、いずれも製造コストが著しく高いという欠点がある。そこで、鋳鉄ロータの表面に耐熱性及び耐摩耗性向上のため硬化層を付与した表面クラッド材が注目されている。クラッド層の生成方法は、ロータ面積や皮膜の生成速度及び装置のコストなどを考慮すると溶射法が有望であるが、従来、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１）や、銅製の中空線材と、前記中空線材の中空部に充填された平均粒径が４０〜１５０μｍの粒状のＦｅ−Ｃｒ−Ｃ系合金粉末とより構成されたアーク溶射用線材を用いて、アーク溶射によりディスクロータの表面に銅（Ｃｕ）と、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｃ系合金が混合した複合溶射層を形成するアーク法（特許文献２）、及び摺動面にアルミニウムよりも活性な金属含有合金粉末を塗布した後、ニッケル−アルミニウム基合金粉末をフレーム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３）などが提案されている。
特開平５−４４７５３号公報 特許第２７６７９８８号公報 特開平５−２６３８５２号公報

ただ、これらの溶射層を設けたディスクロータでは、下地層と表面層の熱収縮率や弾性率の違いにより、ディスク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、ディスク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も由来している。

本発明者等は、すでにチタン材を基材とする表面クラッド型ディスクロータを提案（特開２００１−３１７５７３号）しているが、これは主に軽量化と耐摩耗性を重視したもので、現状の鋳鉄製ディスクロータを超える耐熱性を有するためには、チタン材より耐熱性の高い鋳鉄又は鉄鋼材を基材にし、さらにその表面にこれらの基材よりも耐熱及び耐摩耗性に優れる皮膜を付加する必要がある。

ところで、上記の特開２００１−３１７５７３号公報に開示した技術は、純チタン又はチタン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、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、軽量で耐高温摩擦特性に優れたディスクロータを提供するものである。
コーティングを施したディスクロータは、耐高温摩擦特性は優れたものであるが、高温での表面コーティング層の剥離や割れをより確実に抑制するためには、表面コーティング層と基材との熱膨張係数ができるだけ近似していることが必要である。

本発明は、高温での耐熱性及び耐摩耗性に優れ、しかも経済性に優れるブレーキ用ディスクロータを提供することを目的とするものである。

本発明者等は、前記の目的により、ディスクロータが高温になったとき界面の剥離や割れが生じやすくなる表面皮膜を付加することなく、また高温での摩擦係数の低下や摩耗量の増大を生じさせることなく、さらにディスクロータ摺動面の錆によるブレーキ摩擦係数の不安定化や、異常振動がない材質からなるディスクロータについて種々検討した。

そして、鋳鉄材又は鉄鋼材を基材とし、その表面に高速フレーム溶射法で、ＷＣ−Ｃｏ系サーメットとＦｅ−Ｃ系粉末の混合材をコーティングすることにより得られる皮膜を有するディスクロータを構成すると、より優れた高温耐熱性、耐摩耗性及び耐食性、経済性を得ることが出来ることに着目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課題を解決した。
（１）鋳鉄又は鉄鋼材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、ＷＣ−Ｃｏ系サーメット粉末とＦｅ−Ｃ系材料粉末の混合粉末のコーティングを施してなることを特徴とするブレーキ用ディスクロータ。
（２）前記混合粉末のＷＣ−Ｃｏ系サーメット粉末とＦｅ−Ｃ系材料粉末の混合粉末の体積比が、０．１〜１０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）前記混合粉末のコーティング層の厚さが、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。
（４）前記混合粉末のＦｅ−Ｃ系材料粉末のＣ量が０．０２〜５．０％であることを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれかに記載のブレーキ用ディスクロータ。

すなわち、鋳鉄や鉄鋼材を基材として用い、ＷＣ−Ｃｏ系粉材に基材と熱膨張係数がほぼ等しいＦｅ−Ｃ系粉材を混合して、高速フレーム溶射法によって表面コーティング層を形成すれば、高温での剥離や割れがより確実に抑制できる。

本発明のブレーキ用ディスクロータは、従来の鋳鉄材より高温での耐摩耗性や摩擦係数の安定性に優れており、耐食性にも優れているため、高速・高Ｇ（減速度）やフェード時の摩擦特性の安定化に有効である。

また、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、基材と溶射材の熱膨張率がほぼ等しいので使用中に剥離することがない。

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素地との密着性に優れている。とくに、ＷＣ−Ｃｏ系材料は基材の鋳鉄材や鉄鋼材との密着性に優れている。
ここに、鋳鉄とは、従来ロータに使用されているネズミ鋳鉄及びその他、黒鉛鋳鉄、ダクタイル鋳鉄、可鍛鋳鉄などの鋳鉄材を指し、鉄鋼材は炭素鋼、合金鋼、機械構造用鋼、ステンレス鋼などを指すものであり、熱膨張係数は１０×１０^−６／ｍ・℃〜１２×１０^−６／ｍ・℃の範囲である。

また、ＷＣ−Ｃｏ系サーメット粉末のＣｏ量は７〜３０％のものを指し、熱膨張係数は５．６×１０^−６／ｍ・℃であるが、摩擦材の摩耗量を抑制するために硬度は低い方が望ましい。Ｆｅ−Ｃ系材料粉末のＣ量は０．０２〜５．０％の範囲が良好である。０．０２％未満であると高温での強度低下が大きく摩擦係数が低下する。５．０％を超えると高温で割れが発生する。Ｆｅ−Ｃ系材料粉末は適当量のＳｉ及びＭｎ、その他を含んでもよい。Ｆｅ−Ｃ系材料粉末の熱膨張係数は１１×１０^−６／ｍ・℃である。ＷＣ−Ｃｏ系サーメット粉末とＦｅ−Ｃ系材料粉末の混合比（ＷＣ−Ｃｏ／Ｆｅ−Ｃ）は０．１から１０の範囲が良好である。この範囲外では十分な混合効果が得がたい。なお、高温での剥離や割れをより確実に抑制するためには、表面層の熱膨張係数を出来るだけ基材に近づけることが求められるので、基材と熱膨張係数が近いＦｅ−Ｃ系材料粉末の混合割合を増やすことが望ましい。また、表面溶射層の混合比を膜厚ごとに変化させ、基材に近づくほどＦｅ粉の割合を増加させた積層型溶射皮膜の作成などの方法をとっても良い。

また、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。
表面層の厚さは、５０μｍ〜５００μｍが望ましく、５０μｍ以下であると均一な溶射面が得られにくく、かつせん断力により素地から剥がれやすくなる。一方、５００μｍ以上になると、溶射コストが上昇し経済面で不利になる。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。

本発明を、実際のディスクロータによるブレーキ性能試験の結果で説明する。ただし、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。

（ディスクロータの製作）
２８０ｍｍφ×２３ｍｍ厚の形状を持つベンチレーテッド型の中型乗用車ブレーキ用ディスクロータを鋳鉄及び鉄鋼材で作製し、摺動面に高速フレーム溶射でＷＣ−Ｃｏ系サーメット粉末及びＦｅ−Ｃ系材料粉末の混合粉末を溶射してコーティング層を形成して、本発明のディスクロータを製作した。ディスクロータの素材における組成、溶射層の形成に用いたＷＣ−Ｃｏ系サーメット粉末及びＦｅ−Ｃ系材料粉末の混合粉末の混合比、溶射層の厚みなどは後に示す。

（試験方法）
前記により製作したディスクロータを用いて、ブレーキ性能試験（ダイナモ試験、他）を行った。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行った。

（ディスクロータの化学成分の組成等）
試験に用いたディスクロータの化学成分の組成を試験結果とともに第２表に示す。試験番号１〜６は基材が鋳鉄の場合で、試験番号７〜１２は基材が鉄鋼材の場合を示す。いずれもＷＣ−Ｃｏ粉末とＦｅ−Ｃ粉末の混合粉末をそれぞれディスクロータ表面（摺動部）に高速フレーム溶射したものである。なお、ＷＣ粉末及びＦｅ−Ｃ粉末はその組成を少しずつ変化させている。また、試験番号１３〜１９は比較材で、試験番号１３は従来材の黒鉛鋳鉄（ＦＣ２５０）、試験番号１４は鉄鋼材でそれぞれ溶射皮膜を設けなかったものであり、試験番号１５〜１７はＷＣ−Ｃｏ粉末とＦｅ−Ｃ粉末の混合比が、試験番号１８〜１９はＦｅ−Ｃ粉末のＣ量が、本発明の範囲外にある比較材である。

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。溶射処理後表面を研削し、Ｒｚ＜５μｍにした。

（試験結果）
試験結果をまとめて第２表に示す。本発明材は、いずれもブレーキ用ディスクロータとしての耐熱性、耐摩耗性、耐食性に優れており、従来材より優れていることが確認できた。

本発明のブレーキ用ディスクロータは、耐摩擦特性、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る。

Claims (4)

1. 鋳鉄又は鉄鋼材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、ＷＣ−Ｃｏ系サーメット粉末とＦｅ−Ｃ系材料粉末の混合粉末のコーティングを施してなることを特徴とするブレーキ用ディスクロータ。
2. 前記混合粉末のＷＣ−Ｃｏ系サーメット粉末とＦｅ−Ｃ系材料粉末の混合粉末の体積比が、０．１〜１０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。
3. 前記混合粉末のコーティング層の厚さが、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。
4. 前記混合粉末のＦｅ−Ｃ系材料粉末のＣ量が０．０２〜５．０％であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のブレーキ用ディスクロータ。