JP5853307B2

JP5853307B2 - ブレーキ用ディスクロータとその製造方法

Info

Publication number: JP5853307B2
Application number: JP2009271952A
Authority: JP
Inventors: 貴雄堀谷
Original assignee: Akebono Brake Industry Co Ltd
Current assignee: Akebono Brake Industry Co Ltd
Priority date: 2009-11-30
Filing date: 2009-11-30
Publication date: 2016-02-09
Anticipated expiration: 2029-11-30
Also published as: JP2011112211A

Description

本発明は自動車、二輪車、鉄道車両、産業機械などに利用される、軽量化、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使用されている。
しかし、最近、二酸化炭素ガス濃度上昇による地球温暖化、エネルギー枯渇、環境汚染などの問題の高まりから、自動車の軽量化の必要性はますます強まってきており、ブレーキ部材についても軽量化、小型化の要求は年々厳しくなっている。ブレーキの重量の多くを占めるディスクロータの軽量化は、その意味で自動車の軽量化にとって非常に重要である。現在ロータ材として主流の鋳鉄材に代わる軽量金属としては、アルミニウム、マグネシウム、チタンなどがあるが、いずれも耐熱性が鋳鉄材に比べて低いという欠点がある。そのため、耐熱粒子をこれらの軽量金属に含浸させる複合化合金やロータ表面を耐熱・耐摩耗層でコーティングする方法が提案されている。

例えば、アルミニウム合金にＳｉＣ粒子等のセラミック粒子を分散させた複合合金材は（例えば特許文献１）、耐熱性は向上するものの、均一溶製技術や切削・研削加工技術が困難で、単一材に比ベコストが非常に高くなる。また、アルミニウム合金からなるロータ表面に耐熱・耐摩耗層をコーティングする方法には、表面硬化、メッキ、溶射、肉盛り、ＣＶＤ、ＰＶＤなどがあるが、ブレーキ用ディスクロータの大きさや形状、皮膜の生成速度、膜厚及び装置のコストなどを考慮すると溶射法が最も有望である。アルミニウム合金からなるロータに対して、溶射法を用いたコーティングでは、従来主流の溶射法である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２）、及びフレーム法によりアルミニウム合金の摺動面にＮｉ−Ａｌ基合金粉末を溶射する方法（特許文献３）などが提案されている。また、ディスクロータの基材には言及されていないが、アーク法によりディスクロータの表面にＣｕとＦｅ−Ｃｒ−Ｃ系合金が混合した複合溶射層を形成する方法（特許文献４）が提案されている。しかし、これらの方法では下地金属層と表面層の密着性が充分でない場合が多いため、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、ブレーキ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溶射法を使用した表面クラッド型チタン製ディスクロータの提案（特許文献５）をしているが、これは主に比重、耐熱性、耐摩耗性および耐食性のバランスを重視したものである。しかし、軽量化の観点からはチタン（比重：４．２）よりアルミニウム（比重：２．７）やマグネシウム（比重：１．７）の方が有利であり、さらに製造コストの面からも後者のほうが優れている。すなわち、軽量性及び経済性が特に要求される場合には、合金は、アルミニウム合金やマグネシウム合金の方が有望である。

特開平６−３４１４７２号公報特開昭６２−９９４４７号公報特開平５−２６３８５２号公報特許第２７６７９８８号明細書特開２００１−３１７５７３号公報

自動車の省エネルギー、省資源対策としてエンジンの効率化や軽量化による燃費向上の努力が続けられているが、軽量化の要求に対しては自動車部品の多くはアルミニウム合金や、プラスチックの利用が進んでいる。ブレーキ機構での重量の多くを占めるディスクロータでは、アルミニウム合金材やチタン材などの軽量代替材や、軽量金属の母材をマトリックスにして各種の強化粒子を含有させる複合材などが数多く提供されている。しかし、アルミニウム系基材は高温での耐摩耗性が低いため、摩擦係数が低下し摩擦特性が急激に低下するという問題がある。

また、アルミニウム系又はマグネシウム系基材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場合、基材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。
従って、本発明は、鋳鉄材を基材とするものより軽量で、高温での耐摩耗性及び耐熱性に優れ、界面剥離や割れが生じにくく、しかも、軽量で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にする。

本発明者等は、上記の目的により、ディスクロータの基材が鋳鉄材やチタン材より軽量なアルミニウム合金やマグネシウム合金で、摺動面の耐熱・耐摩耗皮膜が高温でも界面剥離や割れが生じにくく、コスト的にも溶製、コーティング、機械加工費などが安価であるブレーキ用ディスクロータについて種々検討した。

一般に摩擦材やブレーキ用等の耐摩耗性の標準的な評価法としては、小型試験片を用いたピンオンディスク型の試験が多く用いられる。そして、この結果をもとに材料の耐摩耗性の優劣を決めることが多い。しかし、ディスクロータ面の摩耗は摩耗条件が非常に厳しく、摩擦速度、押し付け力、摩擦摺動面の最高到達温度など、他の機械摺動部品（ピストン、軸受け、バルブなど）に比べ大きく異なっている。そのため、小型の摩耗試験結果と実ブレーキの摩耗特性の傾向が一致しないことが多く、時には耐摩耗性の優劣が逆転することも多い。

そこで本発明者らは、軽量ブレーキロータ材の耐摩耗性を小型の試験片で評価する方法として、小型のダイナモ式慣性型摩耗試験機を用い、ＪＡＳＯ規格で規定されている実ブレーキの運転パターン（効力試験、フェード試験など）と同じ試験パターン及び高温（〜４００℃）での繰返し摩耗試験パターンを付加し、ロータ及び摩擦材の摩耗量や試験中の摩擦係数を測定した。

この試験では、実ブレーキの１／１０の大きさの試験片を用いるが、摺動面に付与される単位面積当たりのエネルギーと摺動速度が実ブレーキと同じになるようにし、摩擦材の押しつけ法も実ブレーキと同様のキヤリパー方式を採用している。試験片の周囲の温度及び湿度は常に一定に制御している。そして、現行材の鋳鉄ロータを使用し、実ブレーキロータの摩耗試験結果と本小型摩耗試験の結果を比較し、小型試験法の試験結果と実口ータの試験結果には高い相関関係があり、ブレーキロータの耐摩耗性、耐熱性がこの試験法で十分評価できることを確認した。

そこで、本発明者は、アルミニウム合金又はマグネシウム合金製の小型ロータ試験片（図１）に各種の表面溶射皮膜を付与し、この小型摩耗試験装置を用いてブレーキ摩耗特性を評価した。溶射法は、前記の界面剥離の問題や硬化層内の欠陥の少ない高速フレーム溶射法（火炎速度１２００ｍ／ｓ以上）を選んだ。高速フレーム溶射法は、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、従来のプラズマ溶射法などより素地との密着性に優れている。

そして、溶射材の種類を広範囲に変え、また溶射条件を種々変えた試験の結果から、アルミニウム合金又はマグネシウム合金を基材とし、その表面に高速フレーム溶射法でＷＣ（タングステンカーバイト）−Ｃｏ系サーメットとＦｅ−Ｃ系粉末の混合材をコーティングして得られる皮膜を有し、その皮膜硬度がビッカース硬度（Ｈｖ）１５０以上７５０以下であるディスクロータが、軽量性、優れた耐割れ・剥離性、耐摩耗性及び経済性を併せ持つことを知見して本発明に到達した。

すなわち、本発明は、下記（１）〜（３）の手段により前記の目的を達成した。
（１）アルミニウム合金又はマグネシウム合金よりなるロータ（ただし、セラミックスを強化材とする場合を除く）の表面に、ＷＣ−Ｃｏ系サーメット粉とＦｅ−Ｃ粉の混合体積比（ＷＣ−Ｃｏ／Ｆｅ−Ｃ）が０．０５〜７．５０である混合粉末を原料とした高速フレーム溶射皮膜を有し、かつ、その皮膜のビッカース硬が１５０以上７５０以下であることを特徴とするブレーキ用ディスクロータ。
（２）前記高速フレーム溶射皮膜の厚さが４０μｍ〜５２０μｍ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）アルミニウム合金又はマグネシウム合金よりなるロータ（ただし、セラミックスを強化材とする場合を除く）の表面に、ＷＣ−Ｃｏ系サーメット粉とＦｅ−Ｃ粉の混合体積比（ＷＣ−Ｃｏ／Ｆｅ−Ｃ）が０．０５〜７．５０である混合粉末を高速フレーム溶射法により吹き付けて、ビッカース硬度が１５０以上７５０以下である皮膜を形成することを特徴とするブレーキ用ディスクロータの製造方法。

本発明のブレーキ用ディスクロータは、従来の鋳鉄材を基材とするブレーキ用ディスクロータより軽量で、高温での耐摩耗性や耐熱性、摩擦係数の安定性に優れている。さらに、安価なＦｅ−Ｃ粉を使用し、かつＷＣ−Ｃｏ系超硬材より機械加工性に優れており、従来提案されている軽量ロータに比べ製造コストが非常に安い。
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、またそれにより形成された表面皮膜は欠陥を介しないもので、基材に完全に密着しており、基材と溶射材の熱膨張率が近いので使用中にディスクロータが剥離することがない。
また、これに使用する摩擦材は、従来のノンアスベスト系摩擦材が使用でき、従来材に比べ耐摩耗性及び摩擦係数の安定性においても同等以上の特性が得られる。

小型ブレーキ摩擦試験片の平面（ａ）と断面（ｂ）（Ｉ−Ｉ線）の形状を示す図である。

高速フレーム溶射法は、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、形成された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系材料は緻密で高密着力を有する皮膜が得られる。なお、溶射の熱源は酸素ガスと炭化水素ガスとの混合ガス、又は空気と酸素ガスと炭化水素ガスと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。

ＷＣ−Ｃｏ粉のＣｏ量は７〜３０質量％のものが好適であり、このものは熱膨張係数が５．６×１０^−６／ｍ・℃前後であり、硬度は摩擦材の摩耗量を抑制するために低い方が望ましい。Ｆｅ−Ｃ粉のＣ量は０．１〜５．０質量％の範囲のものが好適であり、適当量のＳｉ及びＭｎ、その他を含んでもよい。前記Ｆｅ−Ｃ系材料粉末の熱膨張係数は１１×１０^−６／ｍ・℃前後である。Ｃ量が０．１質量％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質量％を超えると高温で割れが発生する。ＷＣ−Ｃｏ粉とＦｅ−Ｃ粉の混合比（ＷＣ−Ｃｏ／Ｆｅ−Ｃ）は０．０５〜７．５０の範囲が良好であり、更に、０．３０〜３．０の範囲が好ましい。０．０５未満ではＷＣ−Ｃｏ粉の混合効果が認められず、７．５０を超えると表面層に割れが生じる。

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、使用する２種類の粉末のうち、熱膨張係数が基材により近いＦｅ−Ｃ粉の混合割合を増やすことが望ましく、皮膜層の良好な機械加工性を維持するためにも有効である。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−Ｃ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。

皮膜層のビッカース硬度は、Ｈｖ１５０以上７５０以下が望ましく、更に、Ｈｖ２００〜５００の範囲がより好ましい。Ｈｖ１５０以下だとロータ摩耗が大きくなり、高温で表面皮膜の割れや剥がれの可能性が出てくる。Ｈｖ７５０以上になると皮膜の靭性が低下し、皮膜の割れが出やすくなるほか、相手摩擦材の摩耗量が増加し、機械加工性も低下する。
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。

皮膜層の厚みは、４０〜５２０μｍが望ましく、５０μｍ〜５００μｍがより望ましく、４０μｍ以下だと均一な溶射面が得られにくく、かつせん断応力により素地から剥がれやすくなり、摩擦材摩耗量が増大する。５２０μｍ以上になると、皮膜内の残留応力が上昇し割れが発生し易くなり、さらに溶射コストが上昇し経済面で不利になる。
皮膜層を上記した性状とすることにより、基材がアルミニウム合金又はマグネシウム合金であるにも拘らず、表面皮膜の割れや剥がれが起こりにくく、ブレーキ用ディスクロータとして実用化できる効果を得ることができる。

基材に使用するアルミニウム合金及びマグネシウム合金とは、適度の常温及び高温強度を備えたアルミニウムもしくはマグネシウムを主に含む鋳造合金を指すが、ロータ形状によっては展伸材用の当該合金を使用することもできる。また、焼き鈍し処理以外の熱処理は避けるのが望ましい。
アルミニウム合金としてはＡｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ合金等、マグネシウム合金としてはＭｇ−Ａｌ系合金、Ｍｇ−Ｚｎ系合金、Ｍｇ−Ａｌ−Ｚｎ系合金等を挙げることができるが、本発明のロータに使用する合金としてはＡｌ−Ｓｉ系合金あるいはＭｇ−Ａｌ−Ｚｎ系合金が好ましいが、これらに限定されない。

本発明を実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にのみに限定されるものではない。

実施例
実ロータの基材をアルミニウム合金又はマグネシウム合金で作製し、摺動面に高速フレーム溶射でＷＣ−Ｃｏ粉およびＦｅ−Ｃ粉の混合粉を溶射して実ロータを作製し、それについてブレーキ摩擦試験（ダイナモ試験）を行った。

（実ロータの作製）
実ロータは、２８０ｍｍφ×２３ｍｍ厚の形状を持つベンチレーテッド型の乗用車用ブレーキロータで、一般的なアルミニウム鋳造材（ＡＣ４Ｄ）及びマグネシウム鋳造材（ＭＣ２Ｂ）でそれぞれ作製した。高速フレーム溶射装置でＷＣ−Ｃｏ粉及びＦｅ−Ｃ粉の混合粉を溶射して所定の溶射皮膜を形成させた。ＷＣ−Ｃｏ粉は平均粒径２５μｍのアトマイズ粉ＷＣ−１２％Ｃｏを、Ｆｅ−Ｃ粉は平均粒径２５μｍのアトマイズ粉Ｆｅ−０．１６Ｃ％をそれぞれ使用した。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、仕上げ機械加工で表裏摺動面の粗度をＲｚ＜５μｍにした。
（実ロータの試験）
前記により製作したディスクロータを使用してブレーキ性能試験（ダイナモ試験）を実施した。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表に摩擦材の主な成分を示す。

また、試験パターンは４００℃から初速度６０ｋｍ／ｈ、減速度３ｍ／ｓ^２でのブレーキを５００回繰り返す４００℃摩耗試験を実施し、高温摩擦特性を評価した。試験後、ロータ表面の割れ・剥がれの観察及び摩擦材とロータ材の摩耗量を測定した。
（試験結果）
試験に用いたロータの化学成分、溶射材の組成、表面皮膜の膜厚・ビッカース硬度及び試験結果を第２表に示す。ビッカース硬度は荷重５００ｇｆで測定した。

本発明の試料１〜６は基材がアルミニウム合金の場合で、本発明の試料７〜１０は基材がマグネシウム合金材の場合を示す。いずれもＷＣ−Ｃｏ粉とＦｅ−Ｃ粉の混合粉を高速フレーム溶射し、皮膜を形成したものである。
また、試料１１〜１６は比較材で、比較例の試料１１〜１５はＷＣ−Ｃｏ粉とＦｅ−Ｃ粉の混合比、皮膜硬度または表面膜厚が本発明の範囲外にあり、比較例の試料１６は従来材の黒鉛鋳鉄（ＦＣ２５０）である。
試験結果をまとめて第２表に示す。本発明材はいずれも試験中に皮膜の割れや剥がれは発生せず、またブレーキロータ材としての耐摩耗性や摩擦係数（μ）の安定性に優れており、従来材と同等であることが確認できる。

本発明のアルミニウム合金又はマグネシウム合金を基材とし、それに上記皮膜層を設けてなるブレーキ用ディスクロータは、車両の軽量化に有効であり、また従来の鋳鉄系のブレーキ用ディスクロータに比べて耐摩擦特性、耐熱性、耐食性が優れているので、自動車、二輪車、鉄道車両、産業機械などに普及することが期待される。

Claims

アルミニウム合金又はマグネシウム合金よりなるロータ（ただし、セラミックスを強化材とする場合を除く）の表面に、ＷＣ−Ｃｏ系サーメット粉とＦｅ−Ｃ粉の混合体積比（ＷＣ−Ｃｏ／Ｆｅ−Ｃ）が０．０５〜７．５０である混合粉末を原料とした高速フレーム溶射皮膜を有し、かつ、その皮膜のビッカース硬度が１５０以上７５０以下であることを特徴とするブレーキ用ディスクロータ。
前記高速フレーム溶射皮膜の厚さが４０μｍ〜５２０μｍ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。
アルミニウム合金又はマグネシウム合金よりなるロータ（ただし、セラミックスを強化材とする場合を除く）の表面に、ＷＣ−Ｃｏ系サーメット粉とＦｅ−Ｃ粉の混合体積比（ＷＣ−Ｃｏ／Ｆｅ−Ｃ）が０．０５〜７．５０である混合粉末を高速フレーム溶射法により吹き付けて、ビッカース硬度が１５０以上７５０以下である皮膜を形成することを特徴とするブレーキ用ディスクロータの製造方法。