JPH1061697A - 車両用ブレーキディスク又はクラッチディスク及びその製造方法 - Google Patents
車両用ブレーキディスク又はクラッチディスク及びその製造方法Info
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- JPH1061697A JPH1061697A JP9159006A JP15900697A JPH1061697A JP H1061697 A JPH1061697 A JP H1061697A JP 9159006 A JP9159006 A JP 9159006A JP 15900697 A JP15900697 A JP 15900697A JP H1061697 A JPH1061697 A JP H1061697A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】SiC/C-C複合材料においてはSiC被覆は拡散被覆
であるため、SiC被覆を有するC-C母材にはかなり内部ま
でSiCが入り込んでしまっていた。そこで、C-C複合材か
らなるディスクと同等の機械的性質を有し、寿命が長
く、そして広い用途に利用できるSiC/C-C複合材料から
なる摩擦ディスクを提供する。 【解決手段】黒鉛化され機械加工されたC-C複合材料か
らなる母材２に、溶融液を塗着することでSiC被覆３を
形成する。
であるため、SiC被覆を有するC-C母材にはかなり内部ま
でSiCが入り込んでしまっていた。そこで、C-C複合材か
らなるディスクと同等の機械的性質を有し、寿命が長
く、そして広い用途に利用できるSiC/C-C複合材料から
なる摩擦ディスクを提供する。 【解決手段】黒鉛化され機械加工されたC-C複合材料か
らなる母材２に、溶融液を塗着することでSiC被覆３を
形成する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はC-C/SiC複合材料
（炭化ケイ素被覆を有する炭素繊維強化炭素複合材料）
からなる車両用ブレーキディスク又は車両用クラッチデ
ィスク、及びC-C/SiC複合材料からなるワーク、好まし
くは車両用ブレーキディスク又は車両用クラッチディス
クの製造方法に関する。
（炭化ケイ素被覆を有する炭素繊維強化炭素複合材料）
からなる車両用ブレーキディスク又は車両用クラッチデ
ィスク、及びC-C/SiC複合材料からなるワーク、好まし
くは車両用ブレーキディスク又は車両用クラッチディス
クの製造方法に関する。
【０００２】
【従来技術】車両の建造技術の分野では、C-C複合材料
（炭素繊維強化炭素複合材料）は、高温にさらされやす
い高性能レース用車両にしか今まで使用されてこなかっ
た。C-C複合材料はある程度炭素繊維強化プラスティッ
クに似た特殊な複合材料である。これらプラスティック
材料とは異なり、C-C複合材料はカーボンマトリックス
に埋め込まれた炭素繊維基質から構成される。
（炭素繊維強化炭素複合材料）は、高温にさらされやす
い高性能レース用車両にしか今まで使用されてこなかっ
た。C-C複合材料はある程度炭素繊維強化プラスティッ
クに似た特殊な複合材料である。これらプラスティック
材料とは異なり、C-C複合材料はカーボンマトリックス
に埋め込まれた炭素繊維基質から構成される。
【０００３】C-C複合材料の開発は１９５８年頃から航
空機用としてアメリカ空軍やNASAによって開始された。
これらC-C複合材料が初めて大規模に用いられたのはス
ペースシャトル関係である。
空機用としてアメリカ空軍やNASAによって開始された。
これらC-C複合材料が初めて大規模に用いられたのはス
ペースシャトル関係である。
【０００４】C-C複合材料の２つの構成材料、すなわち
繊維材と充填剤はともに炭素でできているが、この複合
材料の性質は各構成材料の炭素の状態に左右される。結
晶性の炭素、すなわち黒鉛は、硬く結合した六方晶系の
結晶が層状に整列しており、これらの層はファンデルワ
ールス力で結合している。黒鉛やダイヤモンドといった
決まった形態に加え、炭素は非晶形でガラス質の炭素か
ら結晶性の黒鉛まで、様々な準−結晶質の中間体をとる
ことができる。それぞれの炭素結晶の異方性により複合
材料を構成する２つの構成材料としては数多くの組合せ
が可能である。
繊維材と充填剤はともに炭素でできているが、この複合
材料の性質は各構成材料の炭素の状態に左右される。結
晶性の炭素、すなわち黒鉛は、硬く結合した六方晶系の
結晶が層状に整列しており、これらの層はファンデルワ
ールス力で結合している。黒鉛やダイヤモンドといった
決まった形態に加え、炭素は非晶形でガラス質の炭素か
ら結晶性の黒鉛まで、様々な準−結晶質の中間体をとる
ことができる。それぞれの炭素結晶の異方性により複合
材料を構成する２つの構成材料としては数多くの組合せ
が可能である。
【０００５】繊維材としては、糸、帯や織物が用いられ
る。繊維の強度は繊維の配列方向について最も高い。工
業的に最も利用されるのは織物であり、通常は２次元
（平面状）織物が利用される。３軸方向の全てに対して
高い強度が要求される場合には、３軸方向に編まれた織
物、すなわち３次元（立体状）織物も利用可能である。
る。繊維の強度は繊維の配列方向について最も高い。工
業的に最も利用されるのは織物であり、通常は２次元
（平面状）織物が利用される。３軸方向の全てに対して
高い強度が要求される場合には、３軸方向に編まれた織
物、すなわち３次元（立体状）織物も利用可能である。
【０００６】マトリックス材の材料としては、熱可塑性
プラスティック、ピッチ、フェノール樹脂や炭化水素ガ
スが用いられる。
プラスティック、ピッチ、フェノール樹脂や炭化水素ガ
スが用いられる。
【０００７】C-C複合材料の製造方法の一つは、所望の
ワークの形状を繊維材で作り、その孔を炭素で充填する
ことである。このためには、前もって成形されたワーク
を炉の中に入れ、炭化水素ガス中にさらす。この過程で
炭素が織物に付着する。1,100℃で付着した炭素は等方
性の構造を有し、熱分解炭素と呼ばれる。1,000℃から
1,700℃の間で付着した炭素は、温度上昇に伴い黒鉛化
する中間体の微細構造を有している。1,700℃から2,300
℃の間では黒鉛が付着し、これは熱分解黒鉛とも呼ばれ
る。
ワークの形状を繊維材で作り、その孔を炭素で充填する
ことである。このためには、前もって成形されたワーク
を炉の中に入れ、炭化水素ガス中にさらす。この過程で
炭素が織物に付着する。1,100℃で付着した炭素は等方
性の構造を有し、熱分解炭素と呼ばれる。1,000℃から
1,700℃の間で付着した炭素は、温度上昇に伴い黒鉛化
する中間体の微細構造を有している。1,700℃から2,300
℃の間では黒鉛が付着し、これは熱分解黒鉛とも呼ばれ
る。
【０００８】この方法は文献ではCVD法（化学蒸着法）
と呼ばれ、非常に時間がかかり、また、反応条件等を厳
密に管理する必要がある。通常はこの処理に数週間を要
する。
と呼ばれ、非常に時間がかかり、また、反応条件等を厳
密に管理する必要がある。通常はこの処理に数週間を要
する。
【０００９】二つ目の製造方法は、炭素繊維強化された
重合構造を加熱硬化する工程と、この材料を約850℃か
ら1,000℃で不活性雰囲気中で炭素化する工程からな
る。材料を炭素化するための加熱時間は通常約１週間で
ある。この方法により純粋なC-C複合材料が生産され、
これは既にブレーキの製造に利用されている。
重合構造を加熱硬化する工程と、この材料を約850℃か
ら1,000℃で不活性雰囲気中で炭素化する工程からな
る。材料を炭素化するための加熱時間は通常約１週間で
ある。この方法により純粋なC-C複合材料が生産され、
これは既にブレーキの製造に利用されている。
【００１０】織物にまず高炭素材料を含浸させ、その後
これを高温で炭素化する場合、高密度（ρ>1.95g/cm3）
のC-C複合材料は高温、高圧のもとで得ることができ
る。この方法によれば多くの種類の微細構造が可能とな
るものの、高圧を発生させる装置や安全手段を必要とす
るために、この方法は非常に希にしか利用されない。
これを高温で炭素化する場合、高密度（ρ>1.95g/cm3）
のC-C複合材料は高温、高圧のもとで得ることができ
る。この方法によれば多くの種類の微細構造が可能とな
るものの、高圧を発生させる装置や安全手段を必要とす
るために、この方法は非常に希にしか利用されない。
【００１１】金属材料やセラミック材料とは異なり、C-
C複合材料は高温下においてもその強度を失わない。高
い熱伝導率と低い熱膨張係数によりC-C複合材料は熱変
動に強い。しかしながら、その優れた高温時の性能にも
かかわらず、C-C複合材料は今まで航空機やレース用車
両のブレーキや宇宙船やジェット機の遮熱板としてしか
利用されてこなかった。このようにC-C複合材料が今ま
であまり用いられてこなかったのは、その極端に高い製
造コストに加えて、約400℃で酸化を始めてしまうから
であった。上述したような形態で使用される場合におい
ては、常に限られた期間だけ使用されるので問題にはな
らなかったが、長期間使用するような場合、例えば一般
の自動車には利用することはできなかった。
C複合材料は高温下においてもその強度を失わない。高
い熱伝導率と低い熱膨張係数によりC-C複合材料は熱変
動に強い。しかしながら、その優れた高温時の性能にも
かかわらず、C-C複合材料は今まで航空機やレース用車
両のブレーキや宇宙船やジェット機の遮熱板としてしか
利用されてこなかった。このようにC-C複合材料が今ま
であまり用いられてこなかったのは、その極端に高い製
造コストに加えて、約400℃で酸化を始めてしまうから
であった。上述したような形態で使用される場合におい
ては、常に限られた期間だけ使用されるので問題にはな
らなかったが、長期間使用するような場合、例えば一般
の自動車には利用することはできなかった。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】耐酸化性を改良するた
めにC-C複合材料の表面に被覆を形成することは既に提
案されているが、例えば内燃機関に用いられるようなC-
C複合材料はまだでてきていない。被覆形成に関して生
じる主な問題の一つに、例えばC-C複合材料と被覆材料
とで熱膨張率が異なるために発生する被覆のひび等の損
傷がある。従来の被覆では、実際にはC-C複合材料の約1
0％から15％が酸化から保護されるのに過ぎない。
めにC-C複合材料の表面に被覆を形成することは既に提
案されているが、例えば内燃機関に用いられるようなC-
C複合材料はまだでてきていない。被覆形成に関して生
じる主な問題の一つに、例えばC-C複合材料と被覆材料
とで熱膨張率が異なるために発生する被覆のひび等の損
傷がある。従来の被覆では、実際にはC-C複合材料の約1
0％から15％が酸化から保護されるのに過ぎない。
【００１３】従来、被覆にはケイ素セラミックスが主に
用いられてきた。しかしながら、ケイ素セラミックスは
ワークの温度が1,700℃以下でないと利用できなかっ
た。被覆形成されたC-C複合材料の遮熱板への利用とし
てはスペースシャトルが知られている。この場合、ケイ
素が1,760℃で不活性雰囲気中で中間体の炭素の中に拡
散される。そして材料はtetraethylorthosilicate(TEO
S)に含浸され、加水分解された後熱処理される。これに
より、約0.5mmの厚さのSiO2被覆が形成される。しかし
ながら、この方法は技術的に見て非常に複雑であり、大
量生産される部品には不向きである。同じことがC-C複
合材料の中間体にSiC被覆やSi3N4被覆を形成するCVD法
についてもいえる。
用いられてきた。しかしながら、ケイ素セラミックスは
ワークの温度が1,700℃以下でないと利用できなかっ
た。被覆形成されたC-C複合材料の遮熱板への利用とし
てはスペースシャトルが知られている。この場合、ケイ
素が1,760℃で不活性雰囲気中で中間体の炭素の中に拡
散される。そして材料はtetraethylorthosilicate(TEO
S)に含浸され、加水分解された後熱処理される。これに
より、約0.5mmの厚さのSiO2被覆が形成される。しかし
ながら、この方法は技術的に見て非常に複雑であり、大
量生産される部品には不向きである。同じことがC-C複
合材料の中間体にSiC被覆やSi3N4被覆を形成するCVD法
についてもいえる。
【００１４】従来、レース用車両においては被覆を持た
ないC-C複合材料が実際にブレーキに利用されてきた。
しかしながら、そのようなブレーキの摩擦係数は室温に
おいては満足な制動作用が得られるほど高くなく、逆
に、高温では酸化作用が強まってしまうので、C-Cブレ
ーキディスクは400℃から600℃の間で使用する必要があ
った。それゆえに、使用前にブレーキを暖める必要があ
り、例えば、レース用車両ではウォームアップのための
走行をする。このため、従来このようなブレーキは一般
の自動車には適さず、またそれらは複雑な温度調節を必
要とした。さらに、耐摩耗性が低く、ブレーキディスク
は非常に早く摩耗してしまうため、通常は１レースごと
に交換する必要があった。ここで述べたことは必要な変
更を加えてクラッチディスクにも当てはまる。
ないC-C複合材料が実際にブレーキに利用されてきた。
しかしながら、そのようなブレーキの摩擦係数は室温に
おいては満足な制動作用が得られるほど高くなく、逆
に、高温では酸化作用が強まってしまうので、C-Cブレ
ーキディスクは400℃から600℃の間で使用する必要があ
った。それゆえに、使用前にブレーキを暖める必要があ
り、例えば、レース用車両ではウォームアップのための
走行をする。このため、従来このようなブレーキは一般
の自動車には適さず、またそれらは複雑な温度調節を必
要とした。さらに、耐摩耗性が低く、ブレーキディスク
は非常に早く摩耗してしまうため、通常は１レースごと
に交換する必要があった。ここで述べたことは必要な変
更を加えてクラッチディスクにも当てはまる。
【００１５】冒頭に述べた類いのブレーキディスクはJP
-A-5 059 350に知られている。しかしながら、このブレ
ーキディスクの被覆形成は、C-Cワークを有毒なSiO雰囲
気中で、1,300℃から2,300℃まで加熱することで行わ
れ、その結果SiC被覆が表面に形成、あるいはワーク全
体がC-C/SiC複合材料に変化する。このようにして形成
されたSiC被覆は拡散被覆層である。このことはケイ素
含有率（濃度）が表面からワーク内部に進むにつれ、例
えば図４の曲線ａに示すように、徐々に減少するにすぎ
ないことからも明らかである。しかしながら、このよう
にワーク内部にSiCが入り込むことは、SiCの熱伝導性が
悪いことから望ましくない。さらに、ブレーキディスク
中のC-C複合材料の機械的性質が損なわれてしまう。
-A-5 059 350に知られている。しかしながら、このブレ
ーキディスクの被覆形成は、C-Cワークを有毒なSiO雰囲
気中で、1,300℃から2,300℃まで加熱することで行わ
れ、その結果SiC被覆が表面に形成、あるいはワーク全
体がC-C/SiC複合材料に変化する。このようにして形成
されたSiC被覆は拡散被覆層である。このことはケイ素
含有率（濃度）が表面からワーク内部に進むにつれ、例
えば図４の曲線ａに示すように、徐々に減少するにすぎ
ないことからも明らかである。しかしながら、このよう
にワーク内部にSiCが入り込むことは、SiCの熱伝導性が
悪いことから望ましくない。さらに、ブレーキディスク
中のC-C複合材料の機械的性質が損なわれてしまう。
【００１６】JP-A-5 059 350に知られる製造方法もま
た、SiCの拡散がC-Cワーク構造の転換中起こるという点
において不利である。JP-A-5 059 350の場合だと、転換
過程の間に生じる主な寸法の変化は完成したワークで修
正するしかない。摩擦面の平行度に関しては正確さが要
求され、またSiCは高硬度であるので、仕上げ工程は非
常に複雑なものとなる。
た、SiCの拡散がC-Cワーク構造の転換中起こるという点
において不利である。JP-A-5 059 350の場合だと、転換
過程の間に生じる主な寸法の変化は完成したワークで修
正するしかない。摩擦面の平行度に関しては正確さが要
求され、またSiCは高硬度であるので、仕上げ工程は非
常に複雑なものとなる。
【００１７】さらに、SiC被覆を持つC-C複合材料からな
るワークはDE-A1-26 53 665とEP-A1-0 300 756に知られ
ている。両方とも、SiC被覆は拡散被覆であり、上述の
欠点を有している。拡散工程は時間がかかるため、上述
の方法では非常に時間がかかり、連続生産には不向きで
ある。
るワークはDE-A1-26 53 665とEP-A1-0 300 756に知られ
ている。両方とも、SiC被覆は拡散被覆であり、上述の
欠点を有している。拡散工程は時間がかかるため、上述
の方法では非常に時間がかかり、連続生産には不向きで
ある。
【００１８】本発明の目的は、C-C複合材料からなるデ
ィスクと実質的に同じ機械的性質を有するが、寿命は長
く、使用可能な分野も広い、C-C/SiC複合材料からなる
車両用ブレーキディスクや車両用クラッチディスクを提
供することである。
ィスクと実質的に同じ機械的性質を有するが、寿命は長
く、使用可能な分野も広い、C-C/SiC複合材料からなる
車両用ブレーキディスクや車両用クラッチディスクを提
供することである。
【００１９】また、本発明の目的は、例えば上記したデ
ィスクの効率的な生産を可能とするC-C/SiC複合材料か
らなるワークの製造方法を提供することである。
ィスクの効率的な生産を可能とするC-C/SiC複合材料か
らなるワークの製造方法を提供することである。
【００２０】
【課題を解決するための手段】本発明の車両用ディスク
ブレーキや車両用クラッチディスクは、黒鉛化され機械
加工された複合材料からなる母材と、その表面に溶融液
を塗着することで形成されるSiC被覆とで構成される。
ブレーキや車両用クラッチディスクは、黒鉛化され機械
加工された複合材料からなる母材と、その表面に溶融液
を塗着することで形成されるSiC被覆とで構成される。
【００２１】SiCやSiの溶融液を母材に塗着することに
よって、母材がSiCやSiと接触する時間を、SiCのC-C複
合材料内部への拡散を防止する程度まで短くすることが
できる。その結果、C-C複合材料の機械的性質が変化す
るのを防止することが可能となり、母材の全ては黒鉛の
まま残る。
よって、母材がSiCやSiと接触する時間を、SiCのC-C複
合材料内部への拡散を防止する程度まで短くすることが
できる。その結果、C-C複合材料の機械的性質が変化す
るのを防止することが可能となり、母材の全ては黒鉛の
まま残る。
【００２２】被覆が形成されることで、車両用ブレーキ
ディスクや車両用クラッチディスクの耐摩耗性が向上
し、それら車両用ブレーキディスクや車両用クラッチデ
ィスクを長期間に渡って使用することが可能になる。C-
C複合材料のみからなる車両用ブレーキディスクや車両
用クラッチディスクに比べて耐摩耗性が向上したこと
で、ブレーキクリアランスやクラッチペダルクリアラン
スが長期間に渡って一定に保たれ、これらを頻繁に調整
する必要が無くなる。したがって、これらの作動応答性
を一定にできる期間も長期間に渡って確保される。
ディスクや車両用クラッチディスクの耐摩耗性が向上
し、それら車両用ブレーキディスクや車両用クラッチデ
ィスクを長期間に渡って使用することが可能になる。C-
C複合材料のみからなる車両用ブレーキディスクや車両
用クラッチディスクに比べて耐摩耗性が向上したこと
で、ブレーキクリアランスやクラッチペダルクリアラン
スが長期間に渡って一定に保たれ、これらを頻繁に調整
する必要が無くなる。したがって、これらの作動応答性
を一定にできる期間も長期間に渡って確保される。
【００２３】本発明を例えばレース用車両に適用する
と、同一のブレーキディスクやクラッチディスクは数回
のレースに渡って使用することができる。酸化作用も問
題にならないため、ブレーキやクラッチに設けられる冷
却用の穴を大きくすることができる。また、このことは
一般の車両においても可能である。通常のスチール製ブ
レーキディスクと比較すると、スチールよりもC-C複合
材料の密度が小さいため、重量を軽くすることができ
る。C-C複合材料の密度は約1.4〜1.9g/cm3であり、これ
に対してスチールは7.9g/cm3である。寸法に関しては、
C-C複合材料製のブレーキディスクはスチール製のブレ
ーキディスクと同等の寸法にすることができる。今日レ
ース用車両に用いられているスチール製ブレーキディス
クの厚さは約29〜30mmである。しかし、C-C複合材料の
高硬度のおかげでこの厚さを19mmまで薄くでき、また結
合用ねじ部の厚さは約10〜11mmまで薄くすることができ
る。このことは一般の車両に関しても当てはまる。低密
度で、また厚さを薄くできるので、さらに重量を軽くす
ることができる。本発明に係る車両用ブレーキディスク
は鉄道にも用いることができ、この場合、直径は500mm
まで、ディスクの厚さは60mmまで可能である。ここで述
べたことは必要な変更を加えてクラッチディスクにも当
てはまる。
と、同一のブレーキディスクやクラッチディスクは数回
のレースに渡って使用することができる。酸化作用も問
題にならないため、ブレーキやクラッチに設けられる冷
却用の穴を大きくすることができる。また、このことは
一般の車両においても可能である。通常のスチール製ブ
レーキディスクと比較すると、スチールよりもC-C複合
材料の密度が小さいため、重量を軽くすることができ
る。C-C複合材料の密度は約1.4〜1.9g/cm3であり、これ
に対してスチールは7.9g/cm3である。寸法に関しては、
C-C複合材料製のブレーキディスクはスチール製のブレ
ーキディスクと同等の寸法にすることができる。今日レ
ース用車両に用いられているスチール製ブレーキディス
クの厚さは約29〜30mmである。しかし、C-C複合材料の
高硬度のおかげでこの厚さを19mmまで薄くでき、また結
合用ねじ部の厚さは約10〜11mmまで薄くすることができ
る。このことは一般の車両に関しても当てはまる。低密
度で、また厚さを薄くできるので、さらに重量を軽くす
ることができる。本発明に係る車両用ブレーキディスク
は鉄道にも用いることができ、この場合、直径は500mm
まで、ディスクの厚さは60mmまで可能である。ここで述
べたことは必要な変更を加えてクラッチディスクにも当
てはまる。
【００２４】本発明の好ましい実施の形態において、母
材には、黒鉛化され且つ結晶化されたC-C複合材料から
なるマトリックスが使用される。例えば、少なくとも1,
700℃で作られたC-C複合材料が使用される。
材には、黒鉛化され且つ結晶化されたC-C複合材料から
なるマトリックスが使用される。例えば、少なくとも1,
700℃で作られたC-C複合材料が使用される。
【００２５】さらに、好ましくは、2,000℃±15℃で黒
鉛化されたC-C複合材料が使用される。
鉛化されたC-C複合材料が使用される。
【００２６】ケイ素の結晶化の過程では、α結晶と共に
β結晶も形成される。実際の使用に関しては、炭化ケイ
素被覆は主にα結晶から、理想的にはα結晶のみから構
成されることが望ましい。α結晶とβ結晶が混ざった構
造も用いられる。
β結晶も形成される。実際の使用に関しては、炭化ケイ
素被覆は主にα結晶から、理想的にはα結晶のみから構
成されることが望ましい。α結晶とβ結晶が混ざった構
造も用いられる。
【００２７】また、車両用ブレーキディスクや車両用ク
ラッチディスクの炭化ケイ素被覆形成には浸漬漕が用い
られる。これは溶融した炭化ケイ素やケイ素にC-C複合
材料を浸漬することによって、あるいは反応浸漬漕で溶
融液と急激に反応させることによって得られる。これに
より、生産速度を上げることができ、またブレーキで発
生する高温に耐えることができ、場所によっては約2,00
0℃まで耐えることができる。
ラッチディスクの炭化ケイ素被覆形成には浸漬漕が用い
られる。これは溶融した炭化ケイ素やケイ素にC-C複合
材料を浸漬することによって、あるいは反応浸漬漕で溶
融液と急激に反応させることによって得られる。これに
より、生産速度を上げることができ、またブレーキで発
生する高温に耐えることができ、場所によっては約2,00
0℃まで耐えることができる。
【００２８】あるいは、真空含浸によって得られる炭化
ケイ素被覆を用いることもできる。この場合、溶融した
ケイ素あるいは炭化ケイ素は真空によりC-C複合材料か
らなるブレーキディスクのブランクに吸着される。含浸
の時間は約５分であり、これによりCVD法を用いた場合
よりも格段に速くなる。真空含浸によって得られるSiC
被覆は、ブレーキで発生する上述の温度に対しても安定
した性質を示す。
ケイ素被覆を用いることもできる。この場合、溶融した
ケイ素あるいは炭化ケイ素は真空によりC-C複合材料か
らなるブレーキディスクのブランクに吸着される。含浸
の時間は約５分であり、これによりCVD法を用いた場合
よりも格段に速くなる。真空含浸によって得られるSiC
被覆は、ブレーキで発生する上述の温度に対しても安定
した性質を示す。
【００２９】いずれの場合でも、SiCはC-C複合材料のマ
トリックスに浸透し、SiC被覆はしっかり固定される。
さらに、この浸透はC-Cワークの表面に近い層において
のみ起こり、この場合に得られる界面は、拡散被覆法の
場合に比べて明らかに限定される。
トリックスに浸透し、SiC被覆はしっかり固定される。
さらに、この浸透はC-Cワークの表面に近い層において
のみ起こり、この場合に得られる界面は、拡散被覆法の
場合に比べて明らかに限定される。
【００３０】また、SiC被覆の塗着は約2,200±3℃で行
われる。C-C複合材料からなるブランクや溶融液は、好
ましくは同じ温度である。
われる。C-C複合材料からなるブランクや溶融液は、好
ましくは同じ温度である。
【００３１】好ましくはSiC被覆の厚さは0.2mmから0.3m
mである。
mである。
【００３２】また、ディスクブランクは、カーボンマト
リックスに通常の方法で埋め込まれた２次元炭素織物の
層を何層か重ね合わせて形成される。３次元織物や、不
規則に並んだ小さな織物片からなる繊維構造を用いるこ
ともできる。３次元織物を用いた場合とは異なり、２次
元織物を用いた場合、織物の面方向に関して３次元織物
から得られる強度よりも高くすることができる。２次元
織物を用いた場合は、炭素、特に黒鉛化された炭素の異
方性を利用することで、車両用ブレーキディスクや車両
用クラッチディスクの強度を必要に応じて調節すること
ができる。
リックスに通常の方法で埋め込まれた２次元炭素織物の
層を何層か重ね合わせて形成される。３次元織物や、不
規則に並んだ小さな織物片からなる繊維構造を用いるこ
ともできる。３次元織物を用いた場合とは異なり、２次
元織物を用いた場合、織物の面方向に関して３次元織物
から得られる強度よりも高くすることができる。２次元
織物を用いた場合は、炭素、特に黒鉛化された炭素の異
方性を利用することで、車両用ブレーキディスクや車両
用クラッチディスクの強度を必要に応じて調節すること
ができる。
【００３３】さらに、車両用ブレーキディスクや車両用
クラッチディスクの母材は少なくとも摩擦面を被覆が形
成される前に平滑にされる。これにより、被覆形成後の
複雑な仕上げ工程が不要となる。SiC被覆形成による耐
摩耗性の向上により、摩擦面の平行度を正確に保つこと
ができ、特にブレーキやクラッチの正しい調整値を長期
間に渡って保持することができる。
クラッチディスクの母材は少なくとも摩擦面を被覆が形
成される前に平滑にされる。これにより、被覆形成後の
複雑な仕上げ工程が不要となる。SiC被覆形成による耐
摩耗性の向上により、摩擦面の平行度を正確に保つこと
ができ、特にブレーキやクラッチの正しい調整値を長期
間に渡って保持することができる。
【００３４】また、本発明のC-C/SiC複合材料からなる
ワークの製造方法は、C-C複合材料でできた母材を黒鉛
化する工程と、SiC被覆を形成するために、溶融したSiC
やSiを母材に塗着する工程からなる。
ワークの製造方法は、C-C複合材料でできた母材を黒鉛
化する工程と、SiC被覆を形成するために、溶融したSiC
やSiを母材に塗着する工程からなる。
【００３５】この製造方法により、特にC-C/SiC複合材
料のワークを２工程で簡単に且つ効果的に製造すること
ができる。母材は黒鉛化された状態で簡単に且つ正確に
機械加工することができる。ブレーキディスクやクラッ
チディスクでは、このことは摩擦面の平行度に関して重
要である。機械加工後に、母材に液状のSiやSiCによっ
て被覆が形成される。母材へのSiCの拡散は必要でな
く、またSiCの拡散は起こらないほうが望ましいことか
ら、被覆形成するには母材を溶融した液状のSiCやSiへ
短時間接触させるだけで十分である。被覆形成の過程の
前に母材の正確な機械加工が行われているので、被覆形
成過程後はせいぜい被覆を多少平滑にする程度で十分で
ある。
料のワークを２工程で簡単に且つ効果的に製造すること
ができる。母材は黒鉛化された状態で簡単に且つ正確に
機械加工することができる。ブレーキディスクやクラッ
チディスクでは、このことは摩擦面の平行度に関して重
要である。機械加工後に、母材に液状のSiやSiCによっ
て被覆が形成される。母材へのSiCの拡散は必要でな
く、またSiCの拡散は起こらないほうが望ましいことか
ら、被覆形成するには母材を溶融した液状のSiCやSiへ
短時間接触させるだけで十分である。被覆形成の過程の
前に母材の正確な機械加工が行われているので、被覆形
成過程後はせいぜい被覆を多少平滑にする程度で十分で
ある。
【００３６】
【実施の形態】次に、本発明の実施形態について図面を
参照しながら詳述する。
参照しながら詳述する。
【００３７】図１は自動車に用いられる車両用ブレーキ
ディスクの一例を示したものである。
ディスクの一例を示したものである。
【００３８】なお、以下に述べられる車両用ブレーキデ
ィスクは、適宜の変更を施すことでクラッチディスクと
しても利用できる。
ィスクは、適宜の変更を施すことでクラッチディスクと
しても利用できる。
【００３９】ディスク１はC-C複合材料で作られる母材
２と、その外面に形成されるSiC被覆３とから構成され
る。図面を理解しやすくするために、図１の断面図にお
いては、SiC被覆を極端に大きく描いているが、実際の
被覆の厚さは0.2mmから0.3mmである。
２と、その外面に形成されるSiC被覆３とから構成され
る。図面を理解しやすくするために、図１の断面図にお
いては、SiC被覆を極端に大きく描いているが、実際の
被覆の厚さは0.2mmから0.3mmである。
【００４０】また、車両用ブレーキディスクは両側面に
形成される取付部４を備え、ブレーキディスクはこれに
より車体に取り付けられる。この取付部４は、例えば切
削加工で形成された、又はブランクの時点で既に形成済
みの凹部を備えていてもよく、あるいは取付部はブレー
キ側面よりも出っ張っていてもよい。取付部４の表面に
はブレーキディスクを車体に固定するための穴５が設け
られいる。
形成される取付部４を備え、ブレーキディスクはこれに
より車体に取り付けられる。この取付部４は、例えば切
削加工で形成された、又はブランクの時点で既に形成済
みの凹部を備えていてもよく、あるいは取付部はブレー
キ側面よりも出っ張っていてもよい。取付部４の表面に
はブレーキディスクを車体に固定するための穴５が設け
られいる。
【００４１】これに加えて、ブレーキディスク１は取付
部４の外側の両面に環状の摩擦面６を有している。繰り
返し述べているように、この環状の摩擦面６は研磨工程
で平滑にされる。
部４の外側の両面に環状の摩擦面６を有している。繰り
返し述べているように、この環状の摩擦面６は研磨工程
で平滑にされる。
【００４２】この実施形態において、炭化ケイ素被覆は
浸漬漕で形成され、主にα配列の結晶で構成される。こ
の目的に使用される材料は、炭化ケイ素SK6311あるいは
炭化ケイ素SK3026である。これら材料は次のような性質
を持っている。
浸漬漕で形成され、主にα配列の結晶で構成される。こ
の目的に使用される材料は、炭化ケイ素SK6311あるいは
炭化ケイ素SK3026である。これら材料は次のような性質
を持っている。
【００４３】
【表１】
【００４４】黒鉛化された状態の各C-C複合材料（出願
人のG43、G55あるいはG01）の図２に示す織物の方向に
ついての熱伝導率λと熱膨張係数αとを図３に示す。こ
れらの数値はC-C/SiC複合材料にも当てはまる。
人のG43、G55あるいはG01）の図２に示す織物の方向に
ついての熱伝導率λと熱膨張係数αとを図３に示す。こ
れらの数値はC-C/SiC複合材料にも当てはまる。
【００４５】図２は２次元織物の幾つかの層を示した図
であり、ある層は他の層の上に重なっている。方向Iは
織物の面に対して垂直な方向であり、方向IIは織物の層
を構成する繊維が広がる方向である。２次元織物は好ま
しくはこのように並んでいるので、ブレーキディスクの
摩擦面に対して事実上平行に伸張し、熱伝導率λの異方
性が半径方向に熱をよく逃すように利用される。
であり、ある層は他の層の上に重なっている。方向Iは
織物の面に対して垂直な方向であり、方向IIは織物の層
を構成する繊維が広がる方向である。２次元織物は好ま
しくはこのように並んでいるので、ブレーキディスクの
摩擦面に対して事実上平行に伸張し、熱伝導率λの異方
性が半径方向に熱をよく逃すように利用される。
【００４６】織物に用いられる繊維は必要に応じ、一本
の糸につき3,000から12,000の単繊維から構成される多
繊維である、実際、3,000、8,000、12,000の単繊維から
なる糸が用いられる。マトリックス充填材にはフェノー
ル樹脂が用いられる。浸透を２、３回繰り返すことによ
り、母材の密度が1.4〜1.5g/cm3の密度、好ましくは1.4
2〜1.48g/cm3となるようにする。このように生産された
母材は発泡構造を有し、緻密な繊維から作られ約1.9g/c
m3の密度を有する通常のC-C複合材料に比べて著しく軽
い。
の糸につき3,000から12,000の単繊維から構成される多
繊維である、実際、3,000、8,000、12,000の単繊維から
なる糸が用いられる。マトリックス充填材にはフェノー
ル樹脂が用いられる。浸透を２、３回繰り返すことによ
り、母材の密度が1.4〜1.5g/cm3の密度、好ましくは1.4
2〜1.48g/cm3となるようにする。このように生産された
母材は発泡構造を有し、緻密な繊維から作られ約1.9g/c
m3の密度を有する通常のC-C複合材料に比べて著しく軽
い。
【００４７】図４の曲線(b)に示すように、溶融液から
形成された被覆を有するC-C/SiC複合材料は、完全に被
覆されたワークの表面側において、拡散被覆を有するワ
ークよりもSiCの濃度を示す傾きが明らかに急になる。
形成された被覆を有するC-C/SiC複合材料は、完全に被
覆されたワークの表面側において、拡散被覆を有するワ
ークよりもSiCの濃度を示す傾きが明らかに急になる。
【００４８】室温では、ディスク１の動的引張強度は約
460N/mm2である。500℃を越える温度では、この引張強
度は30％以上も増加する。
460N/mm2である。500℃を越える温度では、この引張強
度は30％以上も増加する。
【００４９】次に、図１に示すディスクの製造方法につ
いて詳述する。
いて詳述する。
【００５０】このためには、まず通常のC-C複合材料か
らなる母材が作られる。これはフェノール樹脂を含浸し
た織物を、約920〜950℃で炭素化することで得られる。
必要に応じて織物は複数回フェノール樹脂を含浸され
る。この材料は約1,700℃〜2,200℃、好ましくは2,200
℃±15℃で黒鉛化される。その後、C-C複合材料ブラン
クは室温まで冷却される。このブランクはブレーキディ
スクの基本的形状を有している。この柔らかいブランク
は、例えば、旋盤加工、フライス削り、ボーリング、研
削加工により容易に機械加工できる。この実施形態で
は、取付部４は旋盤加工で加工される。母材は既に最終
的な寸法から塗着される被覆の厚さ分だけ差し引いた寸
法に機械加工されており、また、従来の被覆形成とは異
なり、被覆形成過程においても母材自体の寸法変化が起
こらないので、直径300mmのディスクの場合、平行度の
誤差を0.02mmにすることができる。
らなる母材が作られる。これはフェノール樹脂を含浸し
た織物を、約920〜950℃で炭素化することで得られる。
必要に応じて織物は複数回フェノール樹脂を含浸され
る。この材料は約1,700℃〜2,200℃、好ましくは2,200
℃±15℃で黒鉛化される。その後、C-C複合材料ブラン
クは室温まで冷却される。このブランクはブレーキディ
スクの基本的形状を有している。この柔らかいブランク
は、例えば、旋盤加工、フライス削り、ボーリング、研
削加工により容易に機械加工できる。この実施形態で
は、取付部４は旋盤加工で加工される。母材は既に最終
的な寸法から塗着される被覆の厚さ分だけ差し引いた寸
法に機械加工されており、また、従来の被覆形成とは異
なり、被覆形成過程においても母材自体の寸法変化が起
こらないので、直径300mmのディスクの場合、平行度の
誤差を0.02mmにすることができる。
【００５１】次に、機械加工されたブランクは短時間だ
けSiあるいはSiCの溶融液漕に浸される。溶融液漕の温
度は2,200±3℃である。その後、ブランクは溶融液漕か
ら取り出され室温まで冷却される。この工程を経て、Si
C被覆がブランクの表面に形成される。また、SiCの一部
はC-C複合材料のマトリックスにも浸透する。この浸透
の深さは拡散被覆と比べて浅く、浸透は最も外側の境界
においてのみ起こるが、SiC被覆とC-C複合材料の母材と
は確実に強く結合し、SiC被覆は母材の孔に付着する。
これらの全行程は不活性雰囲気中で行われる。
けSiあるいはSiCの溶融液漕に浸される。溶融液漕の温
度は2,200±3℃である。その後、ブランクは溶融液漕か
ら取り出され室温まで冷却される。この工程を経て、Si
C被覆がブランクの表面に形成される。また、SiCの一部
はC-C複合材料のマトリックスにも浸透する。この浸透
の深さは拡散被覆と比べて浅く、浸透は最も外側の境界
においてのみ起こるが、SiC被覆とC-C複合材料の母材と
は確実に強く結合し、SiC被覆は母材の孔に付着する。
これらの全行程は不活性雰囲気中で行われる。
【００５２】あるいは、機械加工されたブランクは炉の
中に入れられる。炉の中を部分真空又は真空にすること
で、溶融したSiあるいはSiCは2,200±3℃で吸着されて
ブランクに含浸する。この含浸の時間は約5分である。
その後、高温のワークは炉の中で90℃以下まで冷却され
る。この冷却の速度は通常は3.5℃/minから4℃/minであ
る。炉の中の冷却過程を促進するために冷却用ガス、例
えば窒素ガスを利用しても良い。
中に入れられる。炉の中を部分真空又は真空にすること
で、溶融したSiあるいはSiCは2,200±3℃で吸着されて
ブランクに含浸する。この含浸の時間は約5分である。
その後、高温のワークは炉の中で90℃以下まで冷却され
る。この冷却の速度は通常は3.5℃/minから4℃/minであ
る。炉の中の冷却過程を促進するために冷却用ガス、例
えば窒素ガスを利用しても良い。
【００５３】反応浸漬漕の中で、完全に黒鉛化され、機
械加工された母材２に溶融したSiC又はSiで被覆を形成
するようにしてもよい。このためには、完全に黒鉛化さ
れた母材２を閉塞可能な炭素のるつぼの中に入れ、支持
部材あるいは小さな管を用いて、るつぼの全内壁から等
間隔となるようにする。るつぼの底はパウダー状のSi又
はSiCで覆われている。るつぼは閉じられると、反応温
度まで、すなわち約2,200℃まで加熱される。これはSi
あるいはSiCのパウダーが最初に溶融するという効果が
ある。反応温度に達すると、溶融液は同じく加熱された
ワークに急激に付着し、るつぼの内壁にも付着する。反
応が行われれば、被覆形成の過程を直ちに終了すること
ができ、冷却期間を経て、完全に被覆形成されたワーク
がるつぼから取り出される。
械加工された母材２に溶融したSiC又はSiで被覆を形成
するようにしてもよい。このためには、完全に黒鉛化さ
れた母材２を閉塞可能な炭素のるつぼの中に入れ、支持
部材あるいは小さな管を用いて、るつぼの全内壁から等
間隔となるようにする。るつぼの底はパウダー状のSi又
はSiCで覆われている。るつぼは閉じられると、反応温
度まで、すなわち約2,200℃まで加熱される。これはSi
あるいはSiCのパウダーが最初に溶融するという効果が
ある。反応温度に達すると、溶融液は同じく加熱された
ワークに急激に付着し、るつぼの内壁にも付着する。反
応が行われれば、被覆形成の過程を直ちに終了すること
ができ、冷却期間を経て、完全に被覆形成されたワーク
がるつぼから取り出される。
【００５４】SiとC-Cと間の化学結合反応は圧力に依存
し、また1,700℃から2,200℃の間で起こる。約10-2N/mm
2(mbar)の真空下では、るつぼを約1,700〜1,750℃まで
加熱すれば十分である。
し、また1,700℃から2,200℃の間で起こる。約10-2N/mm
2(mbar)の真空下では、るつぼを約1,700〜1,750℃まで
加熱すれば十分である。
【００５５】この工程は不活性雰囲気中、例えば窒素ガ
ス中にて行ってもよい。従来の方法とは異なり、SiOと
いった有害な蒸気が発生しない。
ス中にて行ってもよい。従来の方法とは異なり、SiOと
いった有害な蒸気が発生しない。
【００５６】これらの方法によって被覆を形成された車
両用ブレーキディスクは、少なくとも摩擦面６の部分だ
け仕上げ研磨が行われる。これにより表面荒さは約8〜1
0μmが達成される。
両用ブレーキディスクは、少なくとも摩擦面６の部分だ
け仕上げ研磨が行われる。これにより表面荒さは約8〜1
0μmが達成される。
【図１】自動車用のブレーキディスクを示す図で、
（Ａ）はその正面、（Ｂ）は断面を示す。
（Ａ）はその正面、（Ｂ）は断面を示す。
【図２】C-C複合材料の断面構成を示す説明図である。
【図３】（Ａ）は材料の熱伝導率、（Ｂ）は熱膨張率を
示す図である。
示す図である。
【図４】C-Cワーク中のSiC含有率が、ワーク表面からの
距離に対してどのように変化するかを従来の拡散被覆の
場合(a)と溶融液から形成された本発明の被覆の場合(b)
とで比較した概略図である。
距離に対してどのように変化するかを従来の拡散被覆の
場合(a)と溶融液から形成された本発明の被覆の場合(b)
とで比較した概略図である。
１ デイスク ２ 母材 ３ ＳｉＣ被覆 ６ 摩擦面
Claims (14)
- 【請求項１】ディスクが、黒鉛化され機械加工された複
合材料からなる母材と、その表面に溶融液を塗着するこ
とで形成されるSiC被覆とから構成されることを特徴と
する車両用ブレーキディスク又は車両用クラッチディス
ク。 - 【請求項２】前記SiC被覆は主にα配列の結晶で構成さ
れる請求項１記載の車両用ブレーキディスク又は車両用
クラッチディスク。 - 【請求項３】前記SiC被覆は浸漬漕内で、好ましくは反
応浸漬漕内で形成される請求項１又は２記載の車両用ブ
レーキディスク又は車両用クラッチディスク。 - 【請求項４】前記SiC被覆は真空含浸で作られる請求項
１から３のいずれか一つに記載の車両用ブレーキディス
ク又は車両用クラッチディスク。 - 【請求項５】前記SiC被覆は2,200℃±3℃で塗着される
請求項１から４のいずれか一つに記載の車両用ブレーキ
ディスク又は車両用クラッチディスク。 - 【請求項６】前記SiC被覆の厚さは0.2〜0.3mmである請
求項１から５のいずれか一つに記載の車両用ブレーキデ
ィスク又は車両用クラッチディスク。 - 【請求項７】前記母材を形成するC-C複合材料の繊維材
が、２次元炭素織物を何層か重ね合わせたものから構成
される請求項１から６のいずれか一つに記載の車両用ブ
レーキディスク又は車両用クラッチディスク。 - 【請求項８】前記ディスクの母材は被覆形成過程の前
に、黒鉛化された状態で摩擦面を平滑にされている請求
項１から７のいずれか一つに記載の車両用ブレーキディ
スク又は車両用クラッチディスク。 - 【請求項９】被覆を形成された前記摩擦面は研削加工さ
れる請求項１から８のいずれか一つに記載の車両用ブレ
ーキディスク又は車両用クラッチディスク。 - 【請求項１０】C-C複合材料からなる母材がまず炭素化
され、その後、表面にSiC被覆を形成するために溶融し
たSiC又はSiが母材に塗着されることを特徴とするC-C/S
iC複合材料からなるワーク、好ましくは車両用ブレーキ
ディスク又はクラッチディスクの製造方法。 - 【請求項１１】前記被覆形成は浸漬漕内で、好ましくは
反応浸漬漕内で行われる請求項１０記載の製造方法。 - 【請求項１２】前記被覆形成は閉塞されたるつぼ内で行
われ、被覆形成される母材は前もって黒鉛化され機械加
工されており、前記母材はるつぼ内でSi又はSiCのパウ
ダーあるいは溶融液の上に配置され、その後るつぼが反
応温度まで加熱されて、SiあるいはSiCの溶融液が前記
母材に付着する請求項１０記載の製造方法。 - 【請求項１３】前記被覆形成は真空で行われる請求項１
０から１２のいずれか一つに記載の製造方法。 - 【請求項１４】前記るつぼ内で被覆が形成される間、前
記母材は前記るつぼの全内壁から等間隔となるように配
置されている請求項１０から１３のいずれか一つに記載
の製造方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE29610498.1 | 1996-06-14 | ||
| DE29610498U DE29610498U1 (de) | 1996-06-14 | 1996-06-14 | Fahrzeugbrems- bzw. Fahrzeugkupplungsscheibe aus C-C/SiC-Werkstoff |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1061697A true JPH1061697A (ja) | 1998-03-06 |
| JP2862523B2 JP2862523B2 (ja) | 1999-03-03 |
Family
ID=8025226
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9159006A Expired - Fee Related JP2862523B2 (ja) | 1996-06-14 | 1997-06-16 | 車両用ブレーキディスク又はクラッチディスク及びその製造方法 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6077607A (ja) |
| EP (1) | EP0818636B1 (ja) |
| JP (1) | JP2862523B2 (ja) |
| DE (2) | DE29610498U1 (ja) |
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| JP2009543991A (ja) * | 2006-07-14 | 2009-12-10 | フレニ・ブレンボ エス・ピー・エー | ブレーキディスクのブレーキバンド複合構造 |
| KR101180004B1 (ko) * | 2010-03-17 | 2012-09-05 | 주식회사 데크 | 탄소-세라믹 브레이크 디스크 및 이를 제조하는 방법 |
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| DE19834018C1 (de) | 1998-07-28 | 2000-02-03 | Deutsch Zentr Luft & Raumfahrt | Verfahren zum Erzeugen einer Siliziumkarbid enthaltenden Schutzschicht |
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| DE10157483C2 (de) | 2001-11-23 | 2003-10-16 | Sgl Carbon Ag | Formkörper aus faserverstärkten Verbundwerkstoffen mit segmentierter Deckschicht, seine Herstellung und seine Verwendung |
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- 1996-06-14 DE DE29610498U patent/DE29610498U1/de not_active Expired - Lifetime
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- 1997-06-09 EP EP97109323A patent/EP0818636B1/de not_active Expired - Lifetime
- 1997-06-09 DE DE59709948T patent/DE59709948D1/de not_active Expired - Lifetime
- 1997-06-12 US US08/873,969 patent/US6077607A/en not_active Expired - Fee Related
- 1997-06-16 JP JP9159006A patent/JP2862523B2/ja not_active Expired - Fee Related
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