JPH09511564A

JPH09511564A - ブレーキロータ類およびクラッチ板類などの部品とその製造方法

Info

Publication number: JPH09511564A
Application number: JP7526219A
Authority: JP
Inventors: ジュニアイリック，バージル; クーマーデュベディ，ラトネッシュ; エム．グレイ，トーマス; ジョンホーリンズ，マイケル
Original assignee: ランキサイドテクノロジーカンパニー，リミティドパートナーシップ
Priority date: 1994-04-12
Filing date: 1995-04-12
Publication date: 1997-11-18
Also published as: WO1995027859A1; CA2187433A1; EP0753109A1; US5526914A

Abstract

(57)【要約】本発明は、本発明の材料の特性によって効果が得られる例えばブレーキロータ類、クラッチ板類および他の類似の用途に有用な金属材料および金属マトリックス複合材料に関する。金属マトリックス複合材料の場合、本発明によって製造されるクラッチ板類とブレーキロータ類は少なくとも１種の充填材料を埋封する相互接続マトリックス金属で構成されている。例えば上記の少なくとも１種の充填材料は、所望の性能を付与するのに充分な量で存在する多量の許容可能な充填材料で構成されている。本発明のブレーキロータ類とクラッチ板類は、さらに、その金属体または金属マトリックス複合体を基材として機能させるコーティングをその表面に備えている。そのコーティングは従来の各種の方法で塗布することができる。金属または金属マトリックス複合材料の基材のブレーキロータまたはクラッチ板にコーティングを施すことによって得られる望ましい結果としては、そのブレーキロータまたはクラッチ板の最高作動温度が顕著に上昇することおよび／または従来の材料に比べて重量が顕著に減少することなどが挙げられる。

Description

【発明の詳細な説明】ブレーキロータ類およびクラッチ板類などの部品とその製造方法技術分野本発明は、本発明の材料の特性によって利益が得られる例えばブレーキロータ類、クラッチ板類および他の類似の用途に有用な金属材料および金属マトリックス複合材料(metal matrix composite material)に関する。金属マトリックス複合材料の場合、本発明によって製造されるクラッチ板類とブレーキロータ類は少なくとも１種の充填材料を埋封する相互接続マトリックス金属で構成される。例えば上記の少なくとも１種の充填材料は、所望の性能を付与するのに充分な量で存在する多量の許容可能な充填材料で構成されている。本発明のブレーキロータ類とクラッチ板類は、さらに、その金属体または金属マトリックス複合体を基材として機能させるコーティングをその表面に備えている。そのコーティングは従来の各種方法で塗布することができる。金属基材製または金属マトリックス複合材料基材製のブレーキロータまたはクラッチ板にコーティングを施すことによって得られる望ましい結果としては、そのブレーキロータまたはクラッチ板の最高作動温度(maximun operating temperature)が顕著に上昇することおよび／または従来の材料に比べて重量が顕著に減少することなどが挙げられる。背景の技術近年の航空機や地上車両の燃料効率と排気量レベルを改善しようとする努力は、性能レベルを犠牲にすることなく上記輸送機の重量を削減できる新しい材料に対する要求を喚起している。既存の設計において、現在使われている材料の代替材料を直接使用することによって重量削減を達成するできる場合、そのような材料に対する需要は早期に高まる。さらに、上記材料の独特な特性によって輸送機の部材の設計と性能が改善される可能性がある場合、そのような材料に対する需要は長期間の後に大きくなる。従来、例えば自動車のブレーキロータ類とクラッチ板類は、良好な耐摩耗性と優れた高温特性を提供する鋳鉄で製造されてきた。しかし鋳鉄は他の候補材料と比べて高密度なので、鋳鉄製のブレーキロータまたはクラッチ板は比較的重い。具体的に説明すると、重いブレーキロータは少なくとも三つの理由で望ましくないと考えられる。第一の理由は、重いブレーキロータは輸送機の全重量に影響するのでその燃料効率が低下し、これに対応してその排気量レベルが増大することである。第二の理由（主として乗用車とトラックに関連する理由）は、ブレーキロータが輸送機の“ばね下”重量（すなわち輸送手段のばねの下方の重量）の部分であるので輸送機の作動に伴う騒音、振動および不快さ（自動車産業界では “NVH”として一般に知られている）の原因になることである。輸送機のばね下重量が低下すると、通常NVH 特性は改善される。第三の理由は、ブレーキロータは使用中回転する必要がある輸送機の部品であるのでブレーキロータの重量が大きくなるとロータの回転速度を上げ下げするのに余分のエネルギーを使用することが必要になることである。さらに、高重量のブレーキロータが回転中に望ましくない振動を起こす性質は、低重量のブレーキロータに伴うその性質より著しい。その上、重いクラッチ板は少なくとも二つの理由で望ましくないと考えられる。第一の理由は、重いクラッチ板が輸送機の全重量に影響するので輸送機の燃料効率を低下させこれに対応して輸送機の排気量レベルが増大することである。第二の理由は、クラッチ板がエンジンによって直接回転させる必要がある駆動車両の部品であることである。したがってクラッチ板が重くなるとその回転速度を上げ下げするのに余分のエネルギーを使うことが必要になる。ブレーキロータ類とクラッチ板類に用いられている鋳鉄に代わるべき望ましい材料の研究によって、いくつかの可能性がある候補が挙がっている。スチール、チタン、アルミニウム合金およびマグネシウム合金は、これらの材料の比強度（strength to weight）特性が優れているため、ブレーキロータおよびクラッチ板の材料として可能性があると考えられる。各種の高分子材料も、比較的安価であるためブレーキロータおよびクラッチ板の材料として検討されている。さらに、各種のセラミック材料およびセラミックマトリックス複合材料は、耐摩耗性に優れかつ極端に高い温度に耐えるのでブレーキロータおよびクラッチ板の材料として検討されている。最近、アルミニウムとマグネシウムの金属マトリックス複合材料がブレーキロータとブレーキキャリパ用に可能性がある材料として検討されている。これらの材料は一般に、１種以上の補強材料を内部に埋封した金属マトリックスで構成されている。金属マトリックス複合材料を製造するいくつもの方法が開発されており、そのうちのいくつかは圧力または真空を使用して溶融金属を補強材料または “充填材(filter)”の集合体（mass）またはプリフォーム（preform）中にプッシュまたはドロー（push or draw）する。金属マトリックス複合材料の他の製造方法は、溶融金属を充填材に浸透させることができるように圧力または真空を必要としない。このような浸透法は“自然的浸透(spontaneous infiltration)”法と呼ばれることがある。金属マトリックス複合材料および／または鋳造金属の代表的な製造方法は以下の米国特許に見られる。すなわち、Lloyd らの名義の米国特許第 5,028,392号；Tsujimuraらの名義の米国特許第 5,028,494号；Skiboらの名義の米国特許第 4,865,806号；Skiboらの名義の米国特許第 4,759,995号；Klier らの名義の米国特許第 4,961,461号；Kenneyらの名義の米国特許第 4,473,103 号；Watmoughの名義の米国特許第 4,404,262号；Cannell らの名義の米国特許第 3,970,136号；Umehara らの名義の米国特許第 3,915,699号；Landinghamの名義の米国特許第 3,718,441号：Chandleyの名義の米国特許第 5,042,561号；Greani asらの名義の米国特許第 4,862,945号；Cochran の名義の米国特許第 3,547,180 号；およびRedingらの名義の米国特許第 3,364,976号である。なお上記に列挙した米国特許はいずれも、それらの開示事項が本願において参考にして取り入れられている。金属マトリックス複合材料製ブレーキロータの一例が、1991年７月２日付けで Tsujimura らの名義で発行された米国特許第 5,028,494号（以後'494号特許と呼ぶ）に見られる。'494号特許では鉄道車両用のブレーキディスクの材料としてアルミニウム複合材料が製造されている。'494号特許の方法では、アルミナ、炭化ケイ素、雲母などの補強材粒子が溶融アルミニウム合金中に分散・混合される。その補強材粒子は直径が５〜100 ミクロンであり、１〜25重量％の量で該合金中に均一に分散されている（すなわちアルミナ補強材の場合は約 0.7〜約18.4容量％であり；炭化ケイ素補強材の場合は約 0.8〜約22.0容量％であり；および雲母補強材の場合は約 1.0〜約25.7容量％である）。'494号特許に開示された方法で製造されるブレーキディスクの材料は、“軽重量でかつ高強度であり、熱伝導性に優れかつ耐摩耗性が高い”と'494号特許に述べられている。したがって、上記金属マトリックス複合材料が、ブレーキロータの材料としての用途について現在、検査・試験中であるということは上記情報から推定できる。さらに、現在鉄道車両産業の用途向けに製造されている金属マトリックス複合材料製ブレーキロータは（'494号特許に明示されている）、アルミニウム金属のマトリックスを用い、補強材の負荷量は約26容量％までであることに注目すべきである。予想外なことであるが、金属材料または金属マトリックス複合材料を含んでなる基材材料で製造されたブレーキロータ類とクラッチ板類の性能は、それに適当なコーティングを施すことによって強化することができることが発見されたのである。具体的に述べると、そのようなコーティングによって、フェード試験をブレーキロータに実施した後の許容できない表面のスコーリング（例えばすりきずまたは溝きずのような表面外観のきず）が改善される傾向がある。本発明によって、基材の金属材料と金属マトリックス複合材料の最高作動温度が高められる。したがって、高い燃料効率と排気量の減少に対する要求が高まり、現在使用されているブレーキロータ類とクラッチ板類について全車両に対して重量削減を行いながら現在の性能の要件を満たすことができる地上輸送機のブレーキロータ類とクラッチ板類が要求されるようになった。本発明は、これらの要求を満たすことができるブレーキロータ類とクラッチ板類を提供するものである。本出願人の米国特許及び米国特許出願の説明金属マトリックス複合材料の新規な製造方法は、発明の名称が“Metal Matrix Composites”であり、所有権者が本発明と共通でWhite らの名義の、1989年５月９日付けで発行された米国特許第 4,828,008号に開示されている。さらに金属マトリックス複合材料の製造に用いられる適切なバリヤー手段の一例は、発明の名称が共に“Method of MaKi ng Metal Matrix Composite with the Use of a Barrier”であり、所有権者が本発明と共通の米国特許第 5,141,819号と同第 4,935,055号に記載されている。米国特許第 4,828,008号の方法は、発明の名称が“Metal Matrix Composites and Techniques for Making the same”でありMichael K．Aghajanian とMarc S ．Newkirk の名義で所有権者が本発明と共通であり同時係属中の米国特許第 5,2 98,339号によって改善されている。金属マトリックス法のその後の改良は、発明の名称が“Method of Forming Metal Matrix Composite Bodies by a Spontaneo us Infiltration Process and Products Produced Therefrom”であり、Aghajan ianらの名義で所有権者が本発明と共通の米国特許第 5,249,621号に見られる。発明の名称がともに“Method of Forming Metal Matrix Composite Bodies With A Dispersion Casting Technique and Products Produced Thereby”でありそしてともに単独発明者John Thomas Burke の名義で所有権者が本発明と共通の米国特許第 5,222,542号と同第 5,000,247号も金属マトリックス複合体の新規な製造方法に関する特許である。セラミックマトリックス複合材料の型に入っている充填材の浸透可能な集合体に浸透させることによる金属マトリックス複合材料の新規な製造方法は、発明の名称がともに“Method of Making Metal Matrix Composite”であり、ともにDwi vedi らの名義で所有権者がともに本発明と共通の米国特許第 4,998,578号および同第 4,871,008号に開示されている。いくぶん関連する工程でマクロ複合体を製造する方法が、発明の名称が“Methods for Forming Macrocomposite Bodies and Macrocomposite Bodies Produced Thereby”であり、Marc．S．Newkirkらの名義で所有権者が本発明と共通の1991年８月20日付け米国特許第 5,040,588号に開示されている。自己生成（self-generated）真空プロセスによる金属マトリックス複合体の製造方法は、発明の名称が“A Method of Forming Metal Matrix Composite Bodie s by a Self-Generated Vacuum Process，and Products Produced Therefrom” であり、Robert C．Kantnerらの名義で所有権者が本発明と共通の米国特許第 5, 224,533号に開示されている。いくぶん関連するプロセスによるマクロ複合体の製造方法が、発明の名称が“A Method of Forming Macrocomposite Bodies by S elf-Generated Vacuum Techniques，and Products Produced Therefrom”であり、Robert C．Kantnerらの名義で所有権者が本発明と共通の米国特許第 5,247,98 6号、ならびに発明の名称が“A Method of Forming Macrocomposite Bodies by Self-Generated Vacuum Techniques using a Glassy Seal”であり、Robert C． Kantner らの名義で所有権者が本発明と共通の米国特許第 5,188,164号に開示されている。自己生成真空プロセスによる成形金属マトリックス複合体の製造方法は、発明の名称が“Method of Making Metal Matrix Composite Bodies With Us e of A Barrier”であり所有権者が本発明と共通の米国特許第 5,316,069号に開示されている。セラミック材料の新規な製造方法は、発明の名称が“Novel Ceramic Material s and Methods for Making Same”であり、Marc S．Newkirk らの名義で所有権者が本発明と共通の米国特許第 4,713,360号に一般的に開示されている。この方法は、発明の名称が“Methods of Making Self-Supporting Ceramic Materials ”であり、Marc S．Newklrk らの名義で所有権者が本発明と共通の米国特許第 4 ,853,352号で改良された。さらに、充填材の浸透可能な集合体中に、母材金属から酸化反応生成物を成長させることによって自立セラミック複合材料を製造する新規な方法が、所有権者が本発明と共通の米国特許第 5,187,130号、同第 4,916,113号および同第 4,851,375号に開示されている。予め決められた外形または形態(geometry or shape)を有するセラミック複合体の製造方法は、所有権者が本発明と共通の米国特許第 5,162,273号と同第 5,1 62,273号に開示されている。所有権者が本発明と共通の米国特許第 4,923,832号に開示されているように、プリフォームにバリヤー手段を設けることによって高い忠実度が一層容易に達成されることが発見された。さらに、雄の型またはパターン（positive mold or pattern）の形態を逆に複製した内部外形を有するキャビティを具備するセラミック複合材料が、所有権者が本発明と共通の米国特許第 5,051,382号、同第 4,828,785号、同第 4,859,640号に開示されている。特に、所有権者が本発明と共通の米国特許第 4,918,034号と同第 4,900,699号に開示されているようにして、追加の溶融母材金属のリザーバからの供給を利用して厚いセラミック基複合材料の構造物を製造することに成功している。さらに、セラミック基複合材料構造物の金属成分の構成要素（constituency）を特定の目的に合わせて作る方法は同時係属中の米国特許第 5,017,533号に開示されている。さらに米国特許第 5,185,303号、同第 5,066,618号及び同第 4,818,734号には、セラミック体およびセラミック基複合体を製造する際のその金属成分の構成要素（単離されているものと相互に結合されているものの両方）を特定の目的に合わせて作り一つ以上の望ましい特性を生成物に付与する方法が開示されている。上記の本出願人の米国特許及び米国特許出願の全開示事項は、本願においても特に参考にして取り入れられている。定義下記の諸用語は、本明細書と添付した特許請求の範囲で使用する場合は以下のように定義する。「アルミニウム」という用語は本明細書で用いる場合、ほとんど純品の金属（例えば比較的純品の市販の非合金のアルミニウム）、または他のグレードの金属と金属合金例えば不純物を含有しおよび／または合金成分例えば鉄、ケイ素、銅、マグネシウム、マンガン、クロム、亜鉛などを含有する市販金属類を意味する。この定義のアルミニウム合金は、アルミニウムが主成分である合金または金属間化合物である。「バリヤー」または「バリヤー手段」という用語は、金属マトリックス複合材料を製造する際に本明細書で用いる場合、充填材またはプリフォームの浸透可能な集合体の表面境界を越えて溶融マトリックス金属が移行、移動などを行うのを妨げ、阻害し、防止しまたは停止させる適切な手段を意味し、このような表面境界は前記バリヤー手段によって形成される。適切なバリヤー手段は、プロセスの条件下、かなりの結合性（some integrity）を維持しかつ実質的に蒸発しないような物質、化合物、元素、組成物などである（すなわちバリヤー材料はバリヤーとしての機能がなくなるほどには蒸発しない）。さらに適切な「バリヤー手段」としては、利用されるプロセス条件下で移行する溶融マトリックス金属によって実質的に濡れない材料が挙げられる。この種のバリヤーは溶融マトリックス金属に対してアフィニティを実質的にほとんど示さないかまたは全く示さないことは明らかであり、充填材またはプリフォームの集合体に形成された表面境界を越える移動はバリヤー手段によって防止または阻害される。このバリヤーによって、最終の機械加工または研磨の必要性が少なくなり、得られる金属マトリックス複合材料の製品の少なくとも一部分が形成される。そのバリヤーは場合によっては、浸透可能かもしくは多孔質であるか、または例えば孔をドリルするかもしくはバリヤーに穴をあけることによって浸透可能にして、ガスを溶融マトリックス金属に接触させてもよい。「結合した」という用語は、金属マトリックス複合材料とともに本明細書で使用する場合、二つの本体を結合する方法を意味する。この結合は物理的および／または化学的および／または機械的な結合でもよい。物理的な結合の場合は、二つの本体の少なくとも一方（通常液体状態）が他方の本体の微構造の少なくとも一部分に浸透する必要がある。この現象は普通「湿潤」として知られている。化学的結合の場合は、二つの本体の少なくとも一方が他方の本体と化学的に反応して二つの本体間に少なくとも一つの化学結合を形成する必要がある。二つの本体間に機械的結合を形成する一方法としては、二つの本体の少なくとも一方を他方の本体の内部に微視的に浸透させる方法がある。その一例は、二つの本体の少なくとも一方を他方の本体の表面上の溝または長穴中に浸透させる方法である。かような機械的結合は微視的浸透または「湿潤」を含まず上記物理的結合法と組合わせて用いてもよい。機械的結合のその外の方法としては「焼ばめ法(shrink fitting)」があり、この場合、一方の本体が他方の本体に対して圧力ばめ（pressure fit）で結合される。この機械的結合法の場合、本体の一方が他方の本体による圧縮下に置かれる。「青銅」という用語は、本明細書で用いる場合、銅含量が多い合金を意味し、その合金は鉄、スズ、亜鉛、アルミニウム、ケイ素、ベリリウム、マンガンおよび／または鉛を含有していてもよい。具体的な青銅合金としては、銅の比率が約 90重量％、ケイ素の比率が約６重量％および鉄の比率が約３重量％の合金が挙げられる。「鋳鉄」という用語は、本明細書で使用する場合、炭素の比率が少なくとも約２重量％である一群の鋳鉄合金を意味する。「銅」という用語は、本明細書で使用する場合、商業グレードの実質的に純品の金属例えば99重量％の銅であり変動する量の不純物を含有している銅を意味する。さらにこの用語は、青銅の上記定義の範囲内に入らずかつ銅を主成分として含有する合金または金属間化合物である金属を意味する。「充填材」という用語は、本明細書で金属マトリックス複合材料とともに用いる場合、マトリックスもしくは母材金属と実質的に不反応性でありおよび／またはマトリックスもしくは母材金属に対する溶解性が限定されている単一の成分または成分の混合物を含むものとし、そして単相または多相でもよい。充填材は広範囲の形態で提供することができ、例えば粉末、フレーク、小板状体、ミクロスフェア、ホイスカー、バブル、繊維、粒子、繊維マット、短繊維、球状体、ペレット、小管、耐火布地などの形態があり、高密度でも多孔質でもよい。また“充填材”には、繊維、短繊維、粒子、ホイスカー、バブル、球状体、繊維マットなどの形態の例えばアルミナまたは炭化ケイ素のようなセラミック充填材、ならびに例えば溶融アルミニウムマトリックス金属におかされないよう保護するためアルミナもしくは炭化ケイ素で被覆された炭素繊維のような被覆充填材も含まれる。また充填材には金属類も含まれる。「ミクロ複合材料（microcomposite）」または「ミクロ複合体(microcomposit e body) ”という用語は、本明細書で金属マトリックス複合材料とともに用いる場合、セラミックマトリックス体、セラミック基複合体、金属体および金属マトリックス複合体からなる群から選択される２種以上の材料の結合体であって任意の立体配置で密接に結合したものを意味し、その材料の少なくとも１種は、金属マトリックス複合体を含んでいる。その金属マトリックス複合体は外表面層および／または内表面層として存在していてもよい。また金属マトリックス複合体は上記群の２種以上の材料間の中間層として存在していてもよい。残りの、マトリックス金属および／または上記群中の材料のいずれかに対する単一もしくは複数の金属マトリックス複合体の順序、数および／または位置は、制限なしの方式で操作または制御できると解すべきである。「マトリックス金属」または「マトリックス金属合金」という用語は、本明細書で用いる場合、金属マトリックス複合材料を製造するために利用される金属（例えば浸透させる前）および／または充填材料と混合して金属マトリックス複合体を製造する金属（例えば浸透を行った後）を意味する。マトリックス金属として特定の金属を挙げる場合、そのマトリックス金属として、ほとんど純品の金属、不純物および／または合金成分を含有する市販の金属、金属が主要なまたは支配的な成分である金属間化合物または合金が含まれると解すべきである。「最高作動温度」または「MOT 」という用語は、本明細書で用いる場合、表面のスカフィングによる、複合材料製ロータ類（例えば金属マトリックス複合材料製ロータ）の支配的な故障モードに関連している。ロータは徐々に一層過酷な条件にさらされるので、ロータの温度は上昇を続けて、ロータ表面のつやがなくなりスカフィングが生じる温度に到達する。このつやが消失する温度を最高作動温度(MOT)と呼ぶ。ロータのつや消失とともに過大な騒音、スパークおよびちりが生じる。ロータのつや消失に続いて、パッドの急速な摩耗が起こりかつパッドの熱電対で測定する温度が上昇する。MOT は主として材料の組成に依存し、ロータの構造または試験条件には依存していない。「金属マトリックス複合材料」または「MMC 」という用語は、本明細書で用いる場合、プリフォームまたは充填材を埋包した二次元または三次元の相互に連結した合金またはマトリックス金属を含んでなる材料を意味する。そのマトリックス金属として、生成する複合材料に、特に望ましい機械的特性と物理的特性を付与する各種の合金成分が含まれる。「プリフォーム」または「浸透可能なプリフォーム」という用語は、両者の金属マトリックス複合材料とともに本明細書で用いる場合、浸透するマトリックス金属に対して境界を特に形成する少なくとも一つの表面境界が設けられている充填材または充填材料の多孔質集合体を意味し、この集合体は、マトリックス金属が浸透する前、外側に支持手段なしで寸法の忠実度を提供するのに充分な形態の結合性と未処理強度を保持している。その集合体はマトリックス金属か浸透可能なかように充分に多孔質でなければならない。プリフォームは一般に、充填材の均一なもしくは不均一な結合した配列で構成され、適切な材料（例えば、セラミックおよび／または金属粒子、粉末、繊維、ホイスカーなどおよびその混合物）で構成されている。プリフォームは単独でまたは集合状態で存在している。「第二本体」または「追加の本体」という用語は、本明細書で用いる場合、化学反応および／または機械ばめもしくは焼ばめのうちの少なくとも一つによって金属マトリックス複合体に結合することができる他の本体を意味する。このような本体としては、伝統的なセラミック類例えば焼結セラミック、ホットプレスセラミック、押出セラミックなど、および非伝統的なセラミックとセラミック複合体がある。さらに本発明の第二のまたは追加の本体には、金属マトリックス複合材料および金属の構造体例えば耐熱性金属、耐腐食性金属、耐浸食性金属などがある。したがって第二本体または追加の本体としては実質的に無制限の本体がある。「第二材料」という用語は、本明細書で用いる場合、セラミックマトリックス体、セラミック基複合体、金属体および金属マトリックス複合体からなる群から選択される材料を意味する。「自発的浸透」という用語は、本明細書で用いる場合、圧力または真空を（外部から加えるかまたは内部に生成させるかにかかわらず）加える必要なしに、充填材またはプリフォームの浸透可能な集合体中へのマトリックス金属の浸透が起こることを意味する。発明の要旨本発明には、例えば地上輸送機用のブレーキロータ類とクラッチ板類として有用な改良材料が含まれている。具体的に述べると、本発明には、摩擦表面においてまたはその近傍の金属含量が低くなるように適当な方法により適当な材料でコーティングされているブレーキロータとクラッチ板の基材材料が含まれる。この用途は主にブレーキロータ類とクラッチ板類に集中していることに注目すべきであるが、当業者であれば、他の許容できる類似の用途は、本明細書で特に考察されていなくても可能性があることが分かるであろう。具体的に述べると、適当な基材材料上にコーティングとして第二材料（例えば金属類または金属マトリックス複合材料類）を付与することによって、ブレーキロータ類およびクラッチ板類の表面の強化が達成される。この種の表面強化によって、比較的軟質の材料に通常起こるスカフィングおよび／または傷付きを防止する物理的バリヤーが形成される。さらにこの表面強化によって、例えば摩擦力で発生する高熱から、比較的低温で溶融する基材を少なくとも部分的に断熱する熱バリヤーが生成する。したがって、ブレーキロータ類とクラッチ板類用の材料として利用される金属類および金属マトリックス複合材料類の全性能レベルが、１種以上の特定のコーティングをその上に施すことによって顕著に高まると考えられる。本発明を実施するのに有用な望ましいコーティング法としては、陽極酸化処理法、プラズマ溶射法、火炎溶射法、電解コーティング法、ディップコーティング法およびプリセラミックポリマー（preceramic polymer）ベースのコーティングを使用する方法がある。これらの方法は各々、特定の利点と欠点を有しているが、これらの各方法に共通しているのは、得られるコーティングが基材材料自体の１種以上の特性とは異なる望ましい表面特性を付与することである。またそのコーティングは、上記物品が作動する場合に一般的な条件下で基材材料に接着可能でなければならない。このようなコーティングの望ましい厚みは、その物品が供される特別の用途（例えば環境条件）によって変わる。例えばブレーキロータ類の場合、基材材料がアルミニウムまたはアルミニウム金属マトリックス複合材料で構成されているとき、望ましいコーティングの厚みは約５μｍ〜約 200μｍでなければならない。しかし、コーティングの厚みは、コーティングが与える断熱材の量、コーティングが基材に接着する性能〔例えば基材とコーティングの熱膨張係数は類似していなければならない（すなわちその差が５〜50％を超えてはならない）〕などを含むいくつもの要因について分析する必要がある。この点について、特定の用途と用いられる材料によって、ブレーキロータとクラッチ板の性能は、基材材料のコーティングの厚みの関数である。図面の簡単な説明図１は、MOT を測定中のロータ中の熱電対の配置を示す概略図であり、1991年型Ford Escort 用のベント型フロントブレーキロータに相当する。図２はSAE J212からとった図であり、MOT 測定中のブレーキパッド中の熱電対の配置を示す概略図である。発明の詳細な説明と好ましい実施態様本発明には、例えば地上輸送機用のブレーキロータ類とクラッチ板類として有用な改良材料が含まれている。具体的に述べると、本発明には、摩擦表面においてまたはその近傍の金属含量が低くなるように適当な方法により適当な材料でコーティングされているブレーキロータとクラッチ板の基材材料が含まれる。この用途は主にブレーキロータ類とクラッチ板類に集中していることに注目すべきであるが、当業者であれば、他の許容できる類似の用途は、本明細書で特に考察しなくても可能性があることが分かるであろう。具体的に述べると、適当な基材材料上にコーティングとして第二材料（例えば金属類又は金属マトリックス複合材料類）を付与することによって、ブレーキロータ類およびクラッチ板類の表面の強化が達成される。この種の表面強化によって、比較的軟質の材料に通常起こるスカッフィングおよび／または傷付きを防止する物理的バリヤーが形成される。さらにこの表面強化によって、例えば摩擦力が発生する高熱から、比較的低温で溶融する基材を少なくとも部分的に断熱する熱バリヤーが生成する。したがって、ブレーキロータ類とクラッチ板類用の材料として利用される金属類および金属マトリックス複合材料類の全性能レベルが、１種以上の特定のコーティングをその上に施すことによって顕著に高まる。本発明を実施するのに有用な好ましいコーティング法としては、陽極酸化処理法、プラズマ溶射法、火炎溶射法、電解コーティング法、ディップコーティング法およびプリセラミックポリマーベースのコーティングを使用する方法がある。これらの各方法には、特定の利点と欠点があるが、これらの各方法に共通しているのは、得られるコーティングが基材材料自体の１種以上の特性とは異なる望ましい表面特性を付与することである。またそのコーティングは、上記物品が作動する場合に一般的な条件下で基材材料に接着可能でなければならない。このようなコーティングの望ましい厚みは、その物品が供される特別の用途（例えば環境条件）によって変わる。例えばブレーキロータ類の場合、基材材料がアルミニウムまたはアルミニウム金属マトリックス複合材料で構成されているとき、望ましいコーティングの厚みは約５μｍ〜約 200μｍでなければならない。しかしコーティングの厚みは、コーティングが与える断熱材の量、コーティングが基材に接着する性能〔例えば基材とコーティングの熱膨張係数は類似していなければならない（すなわちその差が５〜50％を超えてはならない）〕などを含むいくつもの要因について解析される必要がある。この点について、特定の用途と用いられる材料によって、ブレーキロータとクラッチ板の性能は、基材材料のコーティングの厚みの関数である。特性の複雑な相互関係はブレーキロータ類とクラッチ板類の性能を評価するのに定量化することは困難であるが、ブレーキロータ類とクラッチ板類について容易に定量化できる一つの事項は材料が体験できる最高作動温度(“MOT”)であることは分かるはずである。例えば、所定の組み合わせの試験条件下で各ブレーキロータを故障させることがあり、そのようなロータが故障する温度は、そのロータがどの用途（例えば自動車用フロントブレーキロータまたはバックブレーキロータ）に適しているのかの指標を与える。適当なコーティングを有する基材としてアルミニウムおよび／またはアルミニウム金属マトリックス複合材料を利用する本発明のロータ類は1000°Ｆ(538℃)以上のMOT 値を容易に達成した。これらのMOT 値は、本発明の基材の組成と類似の組成を有する従来技術ロータによっていままで達成されたことがない。したがって、本発明は、性能を犠牲にすることなく重量削減を達成できるのでロータの技術分野での顕著な成果である（クラッチ板の技術分野でも同様のことが考えられるので顕著な成果である）。複合材料製のブレーキロータ類、特に金属マトリックス複合材料製のブレーキロータ類の主な故障モードは、表面スカフィングによる故障モードである。ブレーキロータが徐々に一層過酷な条件（例えば高い慣性負荷）に暴露されるにつれて、ロータ表面のつや（graze）（一般に、例えば、Section 6.3 Preburnishmen t of SAE J212のようなプレバーニッシュ（preburnish）でロータの摩擦面に一般に形成されている）が消失してスカフィングが生じる温度に到達するまでロータの温度は上昇し続ける。そのつやの消失が起こる温度を最高作動温度またはMO T と呼称する。ロータのつやが消失すると過多の騒音、スパークおよびちりが付随して生じる。ロータのつや消失に続いてロータパッドが急速に摩耗しかつパッドの熱電対で測定する温度が上昇する（さらに以下に考察する）。MOT は主として材料の組成に依存し、ロータの設計または試験材料には依存していない。ブレーキロータまたはブレーキディスクとして成形される材料のMOT は、SAE J212から採用した動力計試験法（“Brake System Dynamometer Test Procedure ”-Passenger Cars-SAE J212 JUN80，SAE 1980(これは本明細書に援用するものである)）をいくらか修正して用いて測定する。これらの試験法は以下に一層詳細に考察する。さらに本発明に関する特定のロータの製品は、従来の材料ではいままで得ることができないと考えられていた性能を達成する。ブレーキロータまたブレーキディスクとしての材料のMOT は、SAE J212から採用した動力計試験法（“Brake System Dynamometer Test Procedure”-Passenge r Cars-SAE J212 JUN80，SAE 1980(これは本願にも参考にして取り入れられている)）をいくらか修正して用いて測定する。現在のSAE J212試験法には二つのフェード／回復手順があり、各々８mph(12.8km／ｈ)の冷却空気の速度で実施される。本明細書の試験では、追加のフェード／回復手順を２mph（3.2km／ｈ）の冷却空気の速度で付け加えて実施する。試験ロータの摩擦面温度は、インボードサイド（inboard side）の中心における表面の下方 0.040インチ（１mm）に設置した熱電対で測定する。というのは、金属マトリックス複合材料製ロータの故障の大部分はこのサイドで始まることが確認されているからである（この摩擦面は内側ロータ摩擦面またはIRRSと呼称する）。第二の熱電対を、外側摩擦面とロータハブ(rotor hub)の交差部に設置する。この熱電対はロータ表面の下方へ 0.040 ″（１mm）くぼんだ所にある。両方のブレーキングパッドに熱電対を、各パッドの中心で摩擦面の約 0.040″（１mm）下方の位置に設置する。ブレーキロータとブレーキパッドそれぞれに熱電対を設置した例を図１と２に示す。図１はMOT 測定中のロータへの熱電対の配置を示す概略図であり、1991年型Fo rd Escort のベント型フロントブレーキロータに相当する。図２はSAE J212から取出したものであり、MOT の測定中のブレーキパッドへの熱電対の配置を示す概略図である。材料のMOT は、修正SAE J212試験法のフェードセグメント中で測定されるのでフェードセグメントについて詳細に説明する。上記試験法には三つのフェードセグメントがある。各フェードセグメント中での試験条件を、慣性力負荷(inertial load)を除いて表１に示す。 SAE J212のSection 5.7，“Test Moment of Inertia”に指定されている慣性力負荷を少なくとも用いて特定のロータ材料のMOT の測定を行う。その慣性力負荷がロータの故障を起こすのに不充分であれば、故障が観察されるまで一層高い慣性力負荷をロータに加える。故障が起こったときに測定した温度がMOT に相当する。 MOT を測定する試験は、例えば直流駆動装置を有するコンパクト動力計を用い、試験用実験室(例えばLink Testing Laboratory およびGreening Testing Labo ratory)で行う。速度、加速度（または減速度）、トルク、冷却空気の速度、冷却空気の温度、ロータとパッドの温度は連続して監視し記録する。ロータの材料のMOT を測定する試験を行う前に、そのロータとメイティングパッド（Mating pad）の下記特性を充分に確認しておく。１．重量２．寸法、特にロータの厚み３．表面の粗さ４．密度５．微視組織と補強材の負荷基材の金属マトリックス複合材料は本明細書で先に考察した金属マトリックス複合材料の製造法によって製造することができる。しかし金属マトリックス複合材料製の基材部分を製造する好ましい方法は、発明の名称が“Brake Rotors and Methods For Making The Same”でDwivedi らの名義の1993年９月27日付け出願の米国特許第 08/127,655号に記載の実施例に見られる。なおこの特許願の内容は本願にも参考にして取り入れられている。基材の金属マトリックス複合材料に望ましいコーティングを形成する好ましい方法の一つは陽極酸化処理法である。具体的に述べると、発明の名称が“Proces s for the Production for Oxide Ceramic Surface Films on silicon-Containi ng Light Metal Cast Alloys”であり、Haupt らの名義で1993年７月６日発行の米国特許第 5,225,069号に望ましいコーティング法が開示されている。特にこの特許には、基材の金属上に酸化物セラミックの表面被膜を生成する陽極酸化処理法が開示されている。その得られる表面被膜によって、本発明のブレーキロータ類とクラッチ板類に用いるのに望ましい特性が付与される。なお米国特許第 5,2 25,069号の内容は本明細書に援用するものである。炭化ケイ素の充填材で補強したアルミニウム金属マトリックス複合材料上に望ましいコーティング（例えば米国特許第 5,225,069号による陽極酸化処理層）を施すことによって、ブレーキロータとして予想外の望ましい性能が得られることが予想外に発見されたのである。具体的に述べると、近似厚み(approximate thi ckness)が約10μｍの陽極酸化処理層を形成することによって、望ましいブレーキロータおよび／またはクラッチ板を製造することができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩＦ１６Ｄ 65/12 9329−3ＪＦ１６Ｄ 65/12 Ｅ 9329−3ＪＭ (72)発明者グレイ，トーマスエム. アメリカ合衆国，デラウェア 19701，ベアー，タミードライブ１ (72)発明者ホーリンズ，マイケルジョンアメリカ合衆国，デラウェア 19711，ニューアーク，ノッティンガムグリーン, ベイラードライブ 803

Claims

【特許請求の範囲】１．金属および金属マトリックス複合材料の少なくとも一種を含む基材で構成された部材であって、その部材の少なくとも摩擦接触部分を少なくとも一つのコーティングが被覆した部材。２．前記少なくとも一つのコーティングが、（１）前記基材のスカフィングおよび傷付きを防止する物理的バリヤーおよび（２）前記基材を少なくとも部分的に断熱する熱バリヤーから選択され、前記基材の少なくとも一方の表面を強化する請求の範囲第１項に記載の部材。３．前記の少なくとも一つのコーティングが、約５μｍ〜約 200μｍの厚みを有する請求の範囲第１または２項に記載の部材。４．前記基材と前記の少なくとも一つのコーティングの熱膨張係数の差が約５〜50％を超えない請求の範囲第１〜３項のいずれか１項に記載の部材。５．前記の少なくとも一つのコーティングが、少なくとも１種の陽極酸化処理を行った酸化物セラミックの表面被覆で構成されている請求の範囲第１〜４項のいずれか１項に記載の部材。６．前記部材がブレーキロータを構成し、前記基材が金属で構成され、そして前記の少なくとも一つのコーティングが物理的バリヤーおよび熱バリヤーとして作用する請求の範囲第１〜５項のいずれか１項に記載の部材。７．前記部材がブレーキロータを構成し、前記基材が金属マトリックス複合材料で構成され、そして前記少なくとも一つのコーティングが熱バリヤーとして作用する請求の範囲第１〜６項のいずれか１項に記載の部材。８．前記部材がクラッチ板を構成し、前記基材が金属で構成され、そして前記少なくとも一つのコーティングが物理的バリヤーおよび熱バリヤーとして作用する請求の範囲第１〜５項のいずれか１項に記載の部材。９．前記部材がクラッチ板を構成し、前記基材か金属マトリックス複合材料で構成され、そして前記少なくとも一つのコーティングが熱バリヤーとして作用する請求の範囲第１〜５項のいずれか１項に記載の部材。 10．前記金属がアルミニウムを含んでなる請求の範囲第６または８項に記載の部材。 11．前記金属マトリックス複合材料がアルミニウム金属マトリックス複合材料を含んでなる請求の範囲第７または９項に記載の部材。 12．前記部材が少なくとも1000°Ｆ(538℃)の最高作動温度を有する請求の範囲第10または11項に記載の部材。 13．前記アルミニウム金属マトリックス複合材料が、酸化物、炭化物、ホウ化物および窒化物からなる群から選択された少なくとも１種の充填材を含んでなる請求の範囲第11項に記載の部材。 14．前記少なくとも１種の充填材が、炭化ケイ素および酸化アルミニウムから選択された少なくとも１種の材料を含んでなる請求の範囲第13項に記載の部材。 15．前記コーティングが約10ミクロンの厚みを有する請求の範囲第５項に記載の部材。