JP6825928B2

JP6825928B2 - 防錆性に優れたディスクロータ

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Publication number: JP6825928B2
Application number: JP2017017727A
Authority: JP
Inventors: 武妹尾; 鐘植張; 義孝岩瀬
Original assignee: Aisin Takaoka Co Ltd
Current assignee: Aisin Takaoka Co Ltd
Priority date: 2017-02-02
Filing date: 2017-02-02
Publication date: 2021-02-03
Anticipated expiration: 2037-02-02
Also published as: JP2018123392A

Description

本発明は、防錆性に優れたディスクロータに関する。

車両に設けられる制動装置として、ディスクブレーキが知られている。ディスクブレーキは、ディスクロータと、ディスクパッドとを有している。ディスクブレーキは、車両のドライブシャフト（車軸）の端部に取り付けられ、車輪とともに回転するように構成されている。車両制動時には、このディスクロータの摺動板部がディスクパッドによって挟まれる。それにより、両者の間に生じる摩擦によって車輪の回転が制動されるようになっている。

ディスクロータは、制動装置の構造上、車両外に露出しており、風雨にさらされて錆が発生しやすい環境に置かれる。ディスクロータの特に摺動板部に錆が発生すると、所々不均一に発生した錆がディスクロータの厚みの不均一さをもたらし、ブレーキパッドによる制動時の異常振動の原因となる。また、錆が発生した様子が外観の見栄えも悪化させるため、意匠性の点でも高い防錆性が求められている。

ところが、これまでのディスクロータは、フェライトやパーライトを基地組織とするねずみ鋳鉄によって形成されていた。片状黒鉛を含有するねずみ鋳鉄は、黒鉛と鉄基地との間で発生する電位差により腐食が生じやすい。そこで、従来、摺動板部の表面（摺動面）に皮膜を形成するという表面処理を施し、それによって防錆性を得る技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０１２−１８９１２１号公報

しかしながら、車両制動時において、摺動板部はブレーキパッドに挟まれるため、摺動板部の摺動面はブレーキパッドによって摺動する。車両制動は繰り返し行われるため、ブレーキパッドとの摺動に伴って摺動面の皮膜が除去されてしまい、防錆性を長期に持続させることができないという問題がある。

そこで、本発明は、鋳鉄材料自身に防錆性を付与することで持続性のある防錆性を確保しながら、防錆性が付与されても、硬度や摩擦特性等のブレーキ部品性能の低下を抑制できるディスクロータを提供することを主たる目的とする。

上記課題を解決すべく、第１の発明では、有底筒状をなすハット部と、前記ハット部の開口側外周部に設けられた環状の摺動板部とを有し、前記ハット部の底板部分に回転軸が取り付けられるディスクロータにおいて、前記ハット部及び前記摺動板部のうち少なくとも前記摺動板部は、質量比で、Ｃ：２．０〜３．０％、Ｓｉ：４．５〜５．５％、Ｍｎ：２．０％以下、Ｐ：０．２５％以下、Ｓ：０．１５％以下、Ｎｉ：１３〜３６％、Ｃｒ：２．０〜４．０％、Ｂ：０．２５〜０．３５、Ｃｕ：０．５％以下、Ｖ：０．７％以下、Ｔｉ：０．７％以下を含有し、オーステナイトを基地組織とする片状黒鉛鋳鉄によって形成されたことを特徴とする。

第２の発明では、第１の発明において、前記片状黒鉛鋳鉄は、Ｖ又はＴｉのうち少なくともいずれかを含有する場合に、Ｃｕを併せて含有することを特徴とする。

第１の発明によれば、Ｎｉを含有する片状黒鉛鋳鉄（ねずみ鋳鉄）によって少なくとも摺動板部が形成されるため、鋳鉄自身に防錆性が付与される。そのため、皮膜形成によって防錆性を付与していた従来技術と異なり、持続性のある防錆性が確保されたディスクロータを得ることができる。また、Ｃｒの含有によってオーステナイト組織が安定化することに加え、ＣｒやＢの炭化物、中でもＢの炭化物が生成されることによりディスクロータとして必要とされる硬度が確保される。しかも、Ａ型主体の黒鉛形状が維持される範囲でＣｒやＢを含有するため、Ａ型主体の黒鉛形状によって良好な摩擦特性等が得られる。そのため、防錆性が付与されても、硬度や摩擦特性等のブレーキ部品として求められる性能が低下することを抑制できるディスクロータが得られる。

また、Ｃｕを含有させることにより、黒鉛組織を良好にしつつＡ型主体の黒鉛形状がより得られやすくなる。さらに、ＶやＴｉを含有させることにより、これらＶやＴｉを、所望する硬度を得るための調整材料とすることができる。

第２の発明によれば、ＶやＴｉを含有させた場合に、必要以上の偏析が生じない範囲のＣｕを併せて含有することにより、ＣｕによってＶやＴｉによる黒鉛化阻害の作用が弱められ、Ａ型主体の黒鉛形状が得られやすくなる。

ディスクロータを示す径方向の断面図。ディスクロータの製造方法を示すフローチャート。本鋳造材料の組織を示すＳＥＭ写真。

以下に、本発明の一実施の形態について図面を参照しつつ説明する。本実施の形態では、１ピース構造のディスクロータを一例として説明する。ディスクロータは、ブレーキパッドとともに、四輪車や二輪車等の各種車両の制動装置を構成する。

［ディスクロータの全体構成］
図１に示すように、ディスクロータ１０は、ハット部１１と摺動板部１２とを有している。ハット部１１及び摺動板部１２はねずみ鋳鉄により形成され、両者は鋳造により一体的に設けられている。

ハット部１１は、車軸Ｓの端部に設けられたハブＨに取り付けられる部分であり、有底筒状（本実施形態では有底円筒状）をなしている。ハット部１１の底板部分は取付板部１３となっており、取付板部１３の中心部には取付孔１４が設けられている。ディスクロータ１０は、取付板部１３及び取付孔１４を用いて、車軸Ｓの端部に設けられたハブＨに取り付けられる。車軸Ｓは回転軸に相当する。

一方、摺動板部１２は、車両制動時にブレーキパッドによって挟み込まれる部分である。摺動板部１２は板状かつ環状をなすように形成され、ハット部１１の開口側外周部に設けられている。摺動板部１２は、ハット部１１の取付板部１３と平行をなす表裏両面を有し、その表裏両面は、ディスクパッドが圧接される一対の摺動面１５，１６となっている。一対の摺動面１５，１６のうち、ハット部１１が突出する側は、車外側となる外側摺動面１５であり、その反対側は内側摺動面１６である。

［ディスクロータを形成する鋳鉄材料の性質］
本実施形態のディスクロータ１０において、ハット部１１及び摺動板部１２を形成するねずみ鋳鉄は、質量比で、Ｃ（炭素）：２．０〜３．０％、Ｓｉ（ケイ素）：４．５〜５．５％、Ｍｎ（マンガン）：２．０％以下、Ｐ（リン）：０．２５％以下、Ｓ（硫黄）：０．１５％以下、Ｎｉ（ニッケル）：１３〜３６％、Ｃｒ（クロム）：２．０〜４．０％、Ｂ（ホウ素）：０．２５〜０．３５、Ｃｕ（銅）：０．５％以下、Ｖ（バナジウム）：０．７％以下、Ｔｉ（チタン）：０．７％以下を含有し、残部がＦｅ（鉄）及び不可避的不純物よりなり、オーステナイトを基地組織とする片状黒鉛鋳鉄となっている。以下では、このねずみ鋳鉄を「本鋳鉄材料」という。

本鋳鉄材料が有する黒鉛形状はＡ型主体で構成されている。Ａ型主体の黒鉛形状は、良好な摩擦特性及び減衰特性を有するため、ディスクロータ１０の材料として最適な形状である。また、本鋳鉄材料のＨＶ硬度（ビッカース硬さ）は、ディスクロータ１０としての適正な硬さとされる１５０ＨＶ〜２１０ＨＶの範囲となるように設定されている。

ここで、本鋳鉄材料に含まれる成分とその含有量について説明する。Ｃは、片状黒鉛組織を得るために必要な成分である。また、Ｃを含有させることにより、溶湯が凝固する際に黒鉛が晶出することによって体積を膨張させたり、溶湯の凝固温度を低下させて流動性を高めたりする。このため、引け巣の発生を抑制することができる。Ｃは、溶湯処理において添加される。Ｃの含有量が２．０質量％未満であると、Ａ型主体の黒鉛形状を得にくくなる。その一方で、Ｃの含有量が３．０質量％を超えると、黒鉛の晶出量が過多となってしまい、Ａ型主体の黒鉛形状を得にくくなる。したがって、Ｃの含有量は、２．０〜３．０質量％の範囲であることが好ましい。

Ｓｉは、黒鉛化を促進してＡ型主体の黒鉛形状を得たり、Ｃとともに溶湯の流動性を高めて引け巣の発生を抑制したりするうえで有効な成分である。Ｓｉは、溶湯処理において添加される。Ｓｉの含有量が４．５質量％未満では黒鉛化促進効果が薄れ、Ａ型主体の黒鉛形状を得にくくなる。一方で、Ｓｉの含有量が５．５質量％を超えると、黒鉛の晶出量が過多となってしまい、Ａ型主体の黒鉛形状を得にくくなる。したがって、Ｓｉの含有量は４．５〜５．５質量％の範囲であることが好ましい。

Ｍｎは、鉄スクラップ（鉄屑）等の鋳鉄原料に由来する成分である。Ｍｎは、Ｆｅに固溶してオーステナイト組織を安定化させる。また、ＭｎはＳと化合することで、製品の被削性を向上させる。もっとも、Ｍｎの含有量が２．０質量％を超えると、Ａ型主体の黒鉛形状を得にくくなる。したがって、Ｍｎの含有量は２．０質量％以下であることが好ましい。

Ｐは、鉄スクラップ等の鋳鉄原料に由来する成分である。Ｐは、Ｃと同様、溶湯の凝固温度を低下させて流動性を高めることが可能であるが、その効果はＣと比較して低く、Ｐを含有することによって得られる効果は小さい。また、ＰはＦｅと化合し、ステダイト（Ｆｅ_３Ｐ）を生成する。ステダイトは硬度が高く、その存在によって製品の被削性を悪化させる。そのため、Ｐの含有量はできるだけ少ない方が好ましく、含有量の上限は０．２５質量％であることが好ましい。

Ｓは、鉄スクラップ等の鋳鉄原料に由来する成分である。Ｓは鋳造性を悪化させるため、Ｓの含有量は少ないほど好ましく、含有量の上限は０．１５質量％であることが好ましい。

Ｎｉは、Ｆｅに固溶してオーステナイト組織を安定化させるとともに、黒鉛と鉄基地との間で発生する電位差を原因とする腐食を抑制し、防錆性を高めるうえで有効な成分である。Ｎｉは、溶湯処理において添加される。Ｎｉの含有量が１３質量％未満では、安定したオーステナイト組織を得ることができない。また、マルテンサイト組織が生成し始める。マルテンサイト組織の生成は、黒鉛化を阻害してＡ型主体の黒鉛形状を得にくくするとともに、硬度が必要以上に高まって被削性を悪化させる原因となる。一方、Ｎｉの含有量を高めることで、Ｎｉ含有による効果はより一層高まるが、製造コストを増加させる要因となる。したがって、Ｎｉの含有量は１３〜３６質量％であることが好ましく、そのうち１５〜３５質量％であることがより好ましく、１９〜２１質量％であることが更に好ましい。

Ｃｒは、Ｆｅに固溶してオーステナイト組織を安定化させるとともに、Ｃとの化合によりクロム炭化物（炭化クロム）を生成してねずみ鋳鉄の硬度を高めるのに有効な成分である。Ｃｒは、溶湯処理において添加される。Ｃｒの含有量が２．０質量％未満であると、オーステナイト組織の安定化と十分な硬度を確保することができない。その一方で、Ｃｒの含有量が４．０質量％を超えると、Ｃｒと化合するＣが増加する。そのため、クロム炭化物が増加して必要以上に硬度が高まり、黒鉛化も阻害されてＡ型主体の黒鉛形状を得にくくなる。したがって、Ｃｒの含有量は２．０〜４．０質量％であることが好ましい。

Ｂは、Ｃとの化合によりボロン炭化物（炭化ホウ素）を生成してねずみ鋳鉄の高度を高めるのに有効な成分である。Ｂは、溶湯処理において添加される。Ｂは、Ｃｒ等の他成分よりも硬度を高める効果が大きい。Ｂの含有量が０．２５質量％未満であると、十分な硬度を確保することができない。その一方で、Ｂの含有量が０．３５質量％を超えると、Ｂと化合するＣが増加する。そのため、ボロン炭化物が増加して硬度が高まり過ぎ、黒鉛化も阻害されてＡ型主体の黒鉛形状を得にくくなる。したがって、Ｂの含有量は０．２５〜０．３５質量％であることが好ましい。

Ｃｕは、黒鉛組織を良好にするのに有効な成分である。Ｓｉとともに存在することによって、Ａ型主体の黒鉛形状が得られやすくなる。また、ＶやＴｉを含有させた場合に、そのＶやＴｉによる黒鉛化阻害の作用を弱めることができる。Ｃｕは、溶湯処理において添加される。その一方で、Ｃｕの含有量が０．５質量％を超えると、過剰に偏析してしまい、その偏析が摩擦特性を悪化させる原因となる。したがって、Ｃｕの含有量は０．５質量％以下であることが好ましい。

Ｖ又はＴｉは、それぞれがＣと化合してバナジウム炭化物（炭化バナジウム）又はチタン炭化物（炭化チタン）を生成する。Ｖ又はＴｉは、溶湯処理において添加される。バナジウム炭化物やチタン炭化物の存在により、ねずみ鋳鉄の硬度が高められる。前述したように、Ｂは硬度を高める効果が大きく、含有量を少量増加させただけで硬度が大幅に増加し、所望する硬度を得るための調整が行いにくい。そこで、ＶやＴｉの少なくともいずれか一方を含有させることで、所望する硬度を得るための調整材料として利用される。ただ、ＶやＴｉが存在すると、そのＶやＴｉと化合するＣが増加して黒鉛化を阻害する。そのため、ＶやＴｉのそれぞれの含有量が０．７質量％を超えると、Ａ型主体の黒鉛形状を得にくくなる。したがって、Ｖ又はＴｉの含有量は０．７質量％以下であることが好ましい。また、Ｖ又はＴｉの含有量は０．４質量％以下であることがより好ましい。

［ディスクロータの製造方法］
次に、本実施形態のディスクロータ１０を製造する製造方法を説明する。図２に示すように、ディスクロータ１０は、溶解工程Ｋ１と、鋳造工程Ｋ２と、型ばらし工程Ｋ３と、仕上げ工程Ｋ４とを経て製造される。これら各工程Ｋ１〜Ｋ４は、一般的に知られている製造工程である。

溶解工程Ｋ１では、鉄スクラップ（鉄屑）や銑鉄等の主原料と、Ｃ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｂ等の成分の元となる接種剤等の溶解材料とを溶解炉に投入し、誘導加熱等の加熱手段によって加熱する。それにより、溶解材料は溶解されて溶湯となる。ここでは、ディスクロータ１０を本鋳鉄材料によって形成すべく、本鋳鉄材料が得られるように接種剤の種類や配合割合等が設定され、その設定にしたがって溶湯を調製する。鋳造工程Ｋ２では、所定の注湯温度に設定された前記溶湯を鋳型に注湯する。その後、型ばらし工程Ｋ３では、注湯後に冷却された状態の鋳型を壊して、仕上げ前の鋳造品を取り出す。仕上げ工程Ｋ４では、この鋳造品に対して切削加工等の各種加工が施され、それにより製品としてのディスクロータ１０が得られる。

［他の実施形態］
なお、上記実施形態のディスクロータ１０は１ピース構造であるが、２ピース構造を有するディスクロータとしてもよい。２ピース構造のディスクロータでは、図１に示すハット部１１と摺動板部１２とが別部材として構成され、その両者が適宜の方法で接合されている。この場合、ハット部１１と摺動板部１２とのうち少なくとも摺動板部１２が上記鋳鉄材料によって形成されていれば足りる。ハット部１１が上記鋳鉄材料とは異なる材料によって形成される場合、その材料としては、例えばアルミニウムが用いられる。

次に、本発明の実施例について、比較例とともに説明する。なお、表１における数値は成分含有量を「％」で示している。この「％」は質量基準である。

［実施例１〜１０］
実施例１〜１０として、上記表１に示す成分組成及び含有量を有する本鋳鉄材料によって形成されたディスクロータ１０を用意した。その製造方法は、前述したように、溶解工程Ｋ１と、鋳造工程Ｋ２と、型ばらし工程Ｋ３と、仕上げ工程Ｋ４とを経て製造する一般的な方法を採用した。

表１に示すように、実施例１〜１０は、いずれもＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｂ、Ｃｕ、Ｖ及びＴｉの各成分を上記実施形態で示した含有量の範囲内で含有する。実施例１は、Ｆｅ及び不可避的不純物以外の成分として、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｎｉ、Ｃｒ及びＢの基本成分からなり、Ｃｕ、Ｖ及びＴｉを含有しない。実施例２及び実施例３は、実施例１と比較して、Ｎｉの含有量をそれぞれ上限又は下限近くとしたものである。実施例４は、実施例１の基本成分に加え、Ｃｕを含有する。実施例５〜７は、実施例１の基本成分に加え、Ｖ又はＴｉのうち少なくともいずれか一方を含有する。実施例８〜１０は、実施例１の基本成分に加え、Ｃｕと、Ｖ又はＴｉのうち少なくともいずれか一方とを含有する。

全成分を含有する実施例１０のディスクロータ１０について、そのディスクロータ１０を形成する本鋳造材料を、電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察した。図３の写真に示すように、オーステナイトの基地組織２１に、Ａ型形状を主体とする黒鉛２２が生成していることも確認された。また、Ｃｒ、Ｂ、Ｖ及びＴｉの各炭化物２３が生成していることも確認された。

［比較例１〜７］
比較例１〜７として、上記表１に示す成分組成及び含有量を有する鋳鉄材料によって形成されたディスクロータ１０を用意した。その製造方法は、前述したように、溶解工程Ｋ１と、鋳造工程Ｋ２と、型ばらし工程Ｋ３と、仕上げ工程Ｋ４とを経て製造する一般的な方法を採用した。

比較例１は、一般的に使用されているねずみ鋳鉄（ＦＣ１５０材）により形成されたものである。比較例１では、実施例１〜１０と比較して、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｂ、Ｃｕ、Ｖ及びＴｉの各成分を含有していない。比較例２は、実施例１と比較して、Ｎｉの含有量を１０質量％に低下させ、Ｂを含有していない。比較例３は、実施例１と比較して、Ｂを含有しない。比較例４は、実施例１と比較して、Ｂを過剰に含有する。比較例５〜７は、Ｃｕ、Ｖ又はＴｉをそれぞれ過剰に含有させている。

［評価手段］
錆面積率、黒鉛形状及び硬さの３点で評価を行った。錆面積率は、実施例１〜１０及び比較例１〜７について塩水噴霧試験（ＪＩＳＺ２３７１）を１８０時間行い、ディスクロータ１０の全体面積に対して錆が発生した箇所の面積の割合を求めた。塩水噴霧試験は、試験機として「ＳＵＧＡＣＡＳＳＥＲ−１１Ｌ−ＩＳＯ」を用い、塩化カルシウム５％水溶液で実施した。黒鉛形状は、実施例１〜１０及び比較例１〜７について、それぞれの摺動面１５，１６を電子顕微鏡（ＳＥＭ）にて観察した。硬さは、ビッカース硬さ（ＪＩＳＺ２２４４）を示している。実施例１〜１０及び比較例１〜７における錆面積率、黒鉛形状及び硬さは、次の表２に示すとおりである。

［評価結果］
上記表２に示すように、Ｎｉを含有していない比較例１に比べ、Ｎｉを１５質量％含有させることで錆面積率は３３％となり、３５質量％を含有させることで錆面積率は１７％となり、大幅に低下している。特に、Ｎｉの含有量を２０質量％とすることで、錆面積率は２０〜２１％となり、経済性を確保しつつ良好な錆面積率が確認できた。しかも、実施例１〜１０では、いずれもＣｒを２．０〜４．０質量％及びＢを０．２５〜０．３５質量％の範囲で含有しているため、Ａ型主体での黒鉛形状を維持しながら、ディスクロータ１０の適正な硬さとされる１５０ＨＶ〜２１０ＨＶの硬さを確保できることが確認できた。

実施例５〜１０では、硬度を微調整するための材料としてＶやＴｉを含有させている。そのうち、実施例５〜７では、ＶやＴｉを含有させただけであるため、黒鉛の主形状はＡ型であっても、所々にＣ型の黒鉛形状が散見されるようになる。そのため、実施例８〜１０のようにＣｕを併せて含有させることにより、ＶやＴｉを含有する場合でも、ほとんど他の黒鉛形状が見られないＡ型主体の黒鉛形状が得られる。

Ｎｉの含有量が１０質量％となっている比較例２では、Ｎｉの含有によって錆面積の減少がみられるものの大幅な改善が見られない。また、Ｎｉの含有量が少ないため、マルテンサイト組織の生成によって黒鉛化が阻害され、Ｄ型主体の黒鉛形状が生成されるとともに、Ｂを含有しなくても硬度が必要以上に高まってしまった。そこで、比較例３のようにＮｉの含有量を２０質量％にすると、錆面積率の大幅な低下やＡ型主体の黒鉛形状を確認できる。ただ、それだけでは硬度の低下がみられる。そのため、実施例１〜１０のようにＢを含有させることで、硬度を高めてディスクロータ１０として必要な硬度が得られることが確認できる。

Ｂを含有させる場合でも、比較例４のように過剰に含有させると、黒鉛形状はＤ型が主体となり、Ａ型主体の黒鉛形状が得られず、ディスクロータ１０の硬度も過剰に高められてしまう。そのため、実施例１のように、Ａ型主体の黒鉛形状が維持される範囲でＢを含有させることで、Ａ型主体の黒鉛形状が得られることがわかり、所望とする硬度が得られることもわかる。

Ｃｕを含有させる場合には、比較例５のように過剰に含有させると、過剰にＣｕが偏析してしまい、Ｂを含有していても硬度が低下していることがわかる。この偏析は、摩擦特性を悪化させる原因にもなる。そのため、Ｃｕを含有させる場合は、実施例４のように、０．７質量％以下とすることで、硬度の低下を抑制できることが確認できた。この場合、摩擦特性の悪化も抑制できる。

ＶやＴｉを含有させる場合には、比較例６及び比較例７のようにそれらを過剰に含有させると、Ａ型主体の黒鉛形状が得られなくなることがわかる。そのため、ＶやＴｉを含有させる場合は、実施例５〜７のように、０．７質量％以下とすることで、Ａ型の黒鉛形状の生成がＶやＴｉによって阻害されることが抑制される。なお、比較例６又は比較例７において、錆面積率及びＨＶ硬度は満足しているものの、黒鉛形状がＣ型又はＤ型主体となっているため、ディスクロータ１０の制動特性（摩擦特性）を満足することができない。

１０…ディスクロータ、１１…ハット部、１３…取付板部（底板部分）、１２…摺動板部。

Claims

有底筒状をなすハット部と、前記ハット部の開口側外周部に設けられた環状の摺動板部とを有し、前記ハット部の底板部分に回転軸が取り付けられるディスクロータにおいて、
前記ハット部及び前記摺動板部のうち少なくとも前記摺動板部は、質量比で、Ｃ：２．０〜３．０％、Ｓｉ：４．５〜５．５％、Ｍｎ：２．０％以下、Ｐ：０．２５％以下、Ｓ：０．１５％以下、Ｎｉ：１３〜３６％、Ｃｒ：２．０〜４．０％、Ｂ：０．２５〜０．３５、Ｃｕ：０．５％以下、Ｖ：０．７％以下、Ｔｉ：０．７％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物であって、オーステナイトを基地組織とする片状黒鉛鋳鉄によって形成されたことを特徴とする防錆性に優れたディスクロータ。
前記片状黒鉛鋳鉄は、Ｖ又はＴｉのうち少なくともいずれかを含有する場合に、Ｃｕを併せて含有することを特徴とする請求項１に記載の防錆性に優れたディスクロータ。