JP5438288B2

JP5438288B2 - ディスクブレーキ用のディスク素材と、その製造方法

Info

Publication number: JP5438288B2
Application number: JP2008158154A
Authority: JP
Inventors: 達太郎出村
Original assignee: 株式会社エマージー
Priority date: 2008-06-17
Filing date: 2008-06-17
Publication date: 2014-03-12
Anticipated expiration: 2028-06-17
Also published as: JP2009298987A

Description

この発明は、自動車や飛行機などに好適に適用可能な軽量かつ高機能なディスクブレーキ用のディスク素材と、その製造方法に関する。

自動車や飛行機などに使用されるディスクブレーキ用のディスク素材として、炭素繊維製の螺旋織物を強化材とする複合材料が提案されている（特許文献１）。

このものは、螺旋織物を同心状に多層に積層することによって円板状の積層体を作り、マトリックス樹脂としてのフェノール樹脂などを含浸して焼成することにより製造される。

また、炭素繊維を一方向に引き揃えてフェノール樹脂を含浸させたプリプレグシートを互いに直交させて積層し、樹脂を硬化させて焼成した上、金属銅を溶融して含浸させた金属マトリックス複合材料も提案されている（特許文献２）。
特開２００２−３２８０号公報特開２００３−２６４７９号公報

かかる従来技術の前者によるときは、強化材の螺旋織物は、それ自体の生産性がよくない上、螺旋織物の接着強度が小さいため、使用中に層間剥離を生じ易いという致命的な問題があった。

また、後者によるときは、強化材としての炭素繊維がディスク素材の各面に平行に配列されているだけであるから、摩擦係数や耐摩耗性などの特性が必ずしも十分ではないという問題がある。

そこで、この発明の目的は、かかる従来技術の問題に鑑み、二次元の炭素繊維織物を周方向に螺旋状に連続させることによって、生産性がよく、必要十分な特性を容易に実現することができるディスクブレーキ用のディスク素材と、その製造方法を提供することにある。ただし、ここでいうディスク素材とは、必要な機械加工により、ディスクブレーキ用のディスクに容易に仕上げることができる円板状の素材をいう。

かかる目的を達成するためのこの出願に係る第１発明（請求項１に係る発明をいう、以下同じ）の構成は、炭素繊維織物を強化材とする金属マトリックス複合材料を円板状に形成してなり、炭素繊維織物の経糸は、周方向に螺旋状に連続しており、炭素繊維織物の緯糸は、軸方向に配列していることをその要旨とする。

第２発明（請求項２に係る発明をいう、以下同じ）の構成は、経糸、緯糸をそれぞれ周方向、軸方向にして炭素繊維織物をカーボンブロックの芯材に多層に巻き付けて円柱状の積層体を形成し、積層体を予熱し、金型内に搬入して溶融金属を加圧含浸し、芯材を破砕して除去し、軸方向と直角に所定厚さの円板状に切断することをその要旨とする。

第３発明（請求項３に係る発明をいう、以下同じ）の構成は、経糸、緯糸をそれぞれ周方向、軸方向にして炭素繊維織物をカーボンブロックの芯材に多層に巻き付けて円柱状の積層体を形成し、積層体を予熱し、金型内に搬入して溶融金属を加圧含浸し、軸方向と直角に所定厚さの円板状に切断し、芯材を破砕して除去することをその要旨とする。

なお、炭素繊維織物は、製織すると同時にカーボンブロックの芯材上に巻き取ることができ、積層体を予熱するに先き立って、炭素繊維織物の巻層を軸方向と直角に２分割し、切れ目にカーボン製の離形紙を挟み込むことができる。

かかる第１発明の構成によるときは、強化材としての炭素繊維織物は、周方向に経糸が螺旋状に連続しているため、大きな遠心力に耐え、必要十分な機械的強度を容易に実現することができる上、軸方向に均一に配列している緯糸は、ディスク素材の各面に直角であり、しかも各面に十分高密度で均一に分布しているから、耐摩耗性が大きく、摩擦係数、耐摩耗性の安定性も良好である。ただし、摩擦係数、耐摩耗性の安定性とは、摩耗の進行による経時的な安定性をいう。なお、マトリックス材としての金属は、アルミニウム、銅、マグネシウムなどの他、これらの合金を使用することができる。

第２、第３発明の構成によるときは、第１発明に係るディスク素材を効率的に製造することができる。円柱状の積層体は、炭素繊維織物がカーボンブロックの芯材に多層に巻き付けられているから、これを予熱して、金型内において溶融金属を加圧含浸すれば、炭素繊維織物を強化材とする均質な金属マトリックス複合材料を作ることができる。また、その芯材を破砕して除去し、軸方向と直角に所定厚さの円板状に切断すれば、炭素繊維織物の経糸が周方向に螺旋状に連続し、緯糸が軸方向に配列しているディスク素材を作ることができる。ただし、芯材の破砕・除去は、円板状に切断した後に実施してもよい。なお、カーボンブロックの芯材は、積層体の予熱や、溶融金属の加圧含浸時の温度に耐える上、容易に破砕して除去することができる。また、積層体の予熱と、その後の金型内への搬入は、搬送用の鉄枠を使用することが好ましい。

炭素繊維織物は、専用の織機を使用して連続的に製織するから、巻取用の織布ビームをカーボンブロックの芯材とすることにより、製織と同時に円柱状の積層体を形成することができる。また、積層体の炭素繊維織物の巻層を軸方向と直角に２分割して切れ目に離形紙を挟み込み、積層体の両端面から溶融金属を加圧含浸させることにより、実質的な含浸深さを小さくして一層均質な金属マトリックスを作ることができる。なお、カーボン製の離形紙は、溶融金属の加圧含浸後、容易に破砕して除去することができる。

以下、図面を以って発明の実施の形態を説明する。

ディスクブレーキ用のディスク素材１０は、軸Ｃ上に孔１１を有する円板状に形成してなる（図１（Ａ））。なお、ディスク素材１０は、金属マトリックス複合材料から形成され、外径Ｄ、内径ｄ、厚さｔである。

ディスク素材１０の強化材は、幅ｗ≒ｔの炭素繊維織物１２が使用されている（図１（Ｂ））。炭素繊維織物１２は、炭素繊維からなる無撚りのマルチフィラメントの経糸１２ａ、１２ａ…、緯糸１２ｂ、１２ｂ…により、平織、綾織などの二次元の織組織に製織されている。

ディスク素材１０内において、炭素繊維織物１２は、経糸１２ａ、１２ａ…が孔１１のまわりに周方向に螺旋状に連続し（図１（Ａ）の矢印Ａ方向）、緯糸１２ｂ、１２ｂ…は、軸Ｃ方向に配列されている。なお、ディスク素材１０内の炭素繊維織物１２は、内周から外周に至るまで互いに密着するようにして多層に積層されており、したがって、緯糸１２ｂ、１２ｂ…は、ディスク素材１０の各面に対し、実質的に均等に、かつ直角に配列されている。

ディスク素材１０の図示しないマトリックス材は、アルミニウム、銅、マグネシウムなどの他、これらの合金であって、炭素繊維織物１２の強化材の空隙内に均一に加圧含浸されている。

かかるディスク素材１０は、必要な機械加工を施し、孔１１に軸を通して固定することにより、ディスクブレーキ用のディスクとして好適に使用することができる。

ディスク素材１０は、図２のフローチャートに従って製造することができる。

すなわち、幅Ｗ≫ｗの炭素繊維織物２１を用意し（図３）、炭素繊維織物２１の経糸、緯糸をそれぞれ周方向、軸方向にしてカーボンブロックの芯材２２に多層に巻き付けて巻層２１ａを形成し、円柱状の積層体２０を形成する（図２のステップ（１）、以下、単に（１）のように記す）。なお、図３において、芯材２２の外径は、ディスク素材１０の内径ｄに一致するものとする。また、炭素繊維織物２１は、ディスク素材１０内の炭素繊維織物１２の２条以上を幅方向に分割して作り得るように、幅Ｗ≫２ｗに設定するのがよい。

つづいて、積層体２０を予熱炉に搬入して十分に予熱し（２）、金型３１に搬入して溶融金属を炭素繊維織物２１の巻層２１ａに加圧含浸する（（３）、図４）。なお、積層体２０は、予熱炉に搬入し、予熱炉から搬出して金型３１に搬入するとき、搬送用の鉄枠３２を使用することが好ましい。

加圧含浸後の積層体２０は、鉄枠３２を切断して金型３１から搬出し（４）、芯材２２を破砕して除去することにより、金属マトリックス複合材料の円筒体１５を作ることができる（図５）。そこで、円筒体１５を軸Ｃ方向と直角に厚さｔごとに切断し（５）、円板状のディスク素材１０を作ることができる（図５）。なお、円筒体１５の切断には、たとえばシリコンウェーハなどの切断用のダイヤモンドワイヤソーが好適であるが、一般的な砥石カッタや、ダイヤモンドカッタなどであってもよい。

以上の説明において、図２のステップ（５）は、加圧含浸後の積層体２０を芯材２２とともに軸Ｃ方向と直角に厚さｔごとに円板状に切断し、その後、芯材２２を破砕して除去することにより、ディスク素材１０を作ってもよい。

他の実施の形態

カーボンブロックの芯材２２に巻き付けて円柱状の積層体２０を形成する炭素繊維織物２１は、それを製織する織機から、製織すると同時に芯材２２上に巻き取ることができる。織機の織布ビームを芯材２２に代えることにより、全体の生産性の向上を図ることができる。

また、円柱状の積層体２０は、予熱するに先き立って炭素繊維織物２１の巻層２１ａを軸Ｃ方向と直角に２分割し（図６）、切れ目２３にカーボン製の離形紙２４、２４を挟み込んでもよい。各離形紙２４は、切れ目２３の幅ａに適合する厚さｔ1 ≒ａの半円状に形成され、芯材２２の外径に適合する半円形の切欠き２４ａが直径上に形成されている。なお、各離形紙２４の外径は、芯材２２上の炭素繊維織物２１の巻層２１ａの巻径以上であればよい。

積層体２０は、切れ目２３に離形紙２４、２４を挟み込んで予熱し、そのまま金型３１に搬入することにより、巻層２１ａの切れ目２３を除く両側端面から溶融金属を加圧含浸することができ、図４のように巻層２１ａの片側端面から加圧含浸する場合に比して、実質的な含浸深さを半分以下にして一層均質な金属マトリックスを作ることができる。ただし、このときの積層体２０は、たとえば軸Ｃを水平方向として、巻層２１ａの両側端面を開放させて金型３１内に設置し、溶融金属を両側端面から加圧含浸する。また、離形紙２４、２４は、加圧含浸後、芯材２２とともに破砕して除去する。

全体構成模式説明図製造工程フローチャート要部工程説明図（１）要部工程説明図（２）要部工程説明図（３）他の実施の形態を示す要部工程説明図

符号の説明

Ｃ…軸
１０…ディスク素材
１２…炭素繊維織物
１２ａ…経糸
１２ｂ…緯糸
２０…積層体
２１…炭素繊維織物
２１ａ…巻層
２２…芯材
２３…切れ目
２４…離形紙
３１…金型

特許出願人株式会社エマージー
代理人弁理士松田忠秋

Claims

炭素繊維織物を強化材とする金属マトリックス複合材料を円板状に形成してなり、前記炭素繊維織物の経糸は、周方向に螺旋状に連続しており、前記炭素繊維織物の緯糸は、軸方向に配列していることを特徴とするディスクブレーキ用のディスク素材。
経糸、緯糸をそれぞれ周方向、軸方向にして炭素繊維織物をカーボンブロックの芯材に多層に巻き付けて円柱状の積層体を形成し、積層体を予熱し、金型内に搬入して溶融金属を加圧含浸し、芯材を破砕して除去し、軸方向と直角に所定厚さの円板状に切断することを特徴とするディスクブレーキ用のディスク素材の製造方法。
経糸、緯糸をそれぞれ周方向、軸方向にして炭素繊維織物をカーボンブロックの芯材に多層に巻き付けて円柱状の積層体を形成し、積層体を予熱し、金型内に搬入して溶融金属を加圧含浸し、軸方向と直角に所定厚さの円板状に切断し、芯材を破砕して除去することを特徴とするディスクブレーキ用のディスク素材の製造方法。
炭素繊維織物は、製織すると同時にカーボンブロックの芯材上に巻き取ることを特徴とする請求項２または請求項３記載のディスクブレーキ用のディスク素材の製造方法。
積層体を予熱するに先き立って、炭素繊維織物の巻層を軸方向と直角に２分割し、切れ目にカーボン製の離形紙を挟み込むことを特徴とする請求項２ないし請求項４のいずれか記載のディスクブレーキ用のディスク素材の製造方法。