JPH116024A - 耐摩耗性に優れたアルミニウム合金複合材料 - Google Patents
耐摩耗性に優れたアルミニウム合金複合材料Info
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- JPH116024A JPH116024A JP17766297A JP17766297A JPH116024A JP H116024 A JPH116024 A JP H116024A JP 17766297 A JP17766297 A JP 17766297A JP 17766297 A JP17766297 A JP 17766297A JP H116024 A JPH116024 A JP H116024A
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Abstract
を提供するもので、当該複合材料は、とくに高負荷のか
かるブレーキディスク材として好適であり、ブレーキ制
動時の摩耗量が少なく、焼付きを生じることなく安定し
た制動性を得ることができる。 【解決手段】 急冷凝固アルミニウム合金マトリックス
中にSiC、Al2 O3、AlN、Si3 N4 、SiO
2 のうちから選ばれた1種以上の硬質粒子を分散してな
る複合材料であって、該複合材料中の硬質粒子の含有量
が、平均粒径1〜5μmの硬質粒子は7〜20%、平均
粒径が7〜25μmの硬質粒子は0.5〜5%で、合計
含有量が7.5〜22%である。マトリックスを構成す
るアルミニウム合金としては、Si:5〜15%、C
u:0.5〜3%を含有するアルミニウム合金、および
これに更にMg:0.05〜0.5%を添加したアルミ
ニウム合金が好ましい。
Description
アルミニウム合金複合材料、詳しくは高負荷の摩擦力が
かかる部材、とくに二輪車、四輪車、鉄道車両用ブレー
キディスクとして好適なアルミニウム合金複合材料に関
する。
ディスクには、通常、ステンレス鋼やクロム鋼などの鋼
材が使用されているが、車体の走行性能の向上や燃費改
善の観点から、車体重量の軽減が要求され、ブレーキデ
ィスクについても軽量化のために鋼材に代わりアルミニ
ウム合金材の使用が検討されている。
スク材として使用すると、ディスク材の摩耗が著しく過
度な擦り傷が生じるという難点がある。この難点を改善
するため、アルミニウム合金のマトリックス中にアルミ
ナ(Al2 O3 )、窒化珪素(Si3 N4 )、炭化珪素
(SiC)などの硬質粒子を分散させてなるブレーキデ
ィスク材が提案されている(特開平2-25538 号公報、特
開平4-173936号公報)が、上記のアルミニウム合金ブレ
ーキディスク材は、アルミニウム合金の溶湯に硬質粒子
を添加する鋳造材として提供されるものであるため、ア
ルミニウム合金マトリックス中への硬質粒子の均一分散
に問題があり、また硬質粒子とアルミニウム合金溶湯と
の濡れ性は必ずしも良好でないため、耐摩耗性などに十
分な特性が得られない場合が少なくなく、また大きな硬
質粒子しか添加することができないため切削性がわる
く、ディスク材の相手材のブレーキパッド材の損傷が大
きくなるという問題もある。
のマトリックス中に平均粒径1μm以上5μm未満の硬
質粒子を5〜30%分散させたブレーキディスク用複合
材料(特願平8-295376号) 、Al−2〜10%SiにN
i,Cu、Zn、Mn、Ti、Zr、Crのうちの1種
または2種以上を合計で2%以下添加したアルミニウム
合金粉末成形体のマトリックス中に平均粒径1〜15μ
mのSiC、AlN粒子の少なくとも1種を3〜15%
分散させたブレーキディスク用アルミニウム合金複合材
も提案されている。(特願平7-352109号) しかしなが
ら、これらのブレーキディスク用材料においても、ブレ
ーキパッドの押し付け圧力が3MPaを越える高負荷の
ブレーキ制動時には、摩擦力によってディスク表面のア
ルミニウム合金が微少域で剪断変形および剪断破壊して
摩耗量が増加するという問題を生じることが経験されて
いる。
ク材の温度が急激に上昇し、とくに高負荷の場合には著
しい上昇がみられ、ディスク材が焼付けを起こしたり、
ディスク材に激しい引っ掻き傷の発生が生じるから、ブ
レーキディスク材は、強度、耐摩耗性をそなえているこ
とが重要であり、この他に摩擦係数が大きいこと、ま
た、ブレーキディスクの成形においては、鍛造加工およ
び切削加工を伴うから、優れて鍛造性、切削性も要求さ
れる。
ィスク用アルミニウム合金における従来の問題点を解消
し、ブレーキディスク材に要求される上記の特性を満足
するアルミニウム合金複合材を得るために、先に提案さ
れたアルミニウム合金粉末成形体をマトリックスとする
前記のアルミニウム合金複合材料をベースとして、とく
に硬質粒子の分散条件と複合材料の特性との関連性につ
いて実験、検討した結果に基づいてなされたものであ
り、その目的は、強度、耐摩耗性に優れ、とくに高負荷
のブレーキ制動に耐える耐摩耗性をそなえるとともに、
摩擦係数が高く、鍛造性、切削性も良好な耐摩耗性に優
れたアルミニウム合金複合材料を提供することにある。
めの本発明による耐摩耗性に優れたアルミニウム合金複
合材料は、急冷凝固アルミニウム合金のマトリックス中
にSiC、Al2 O3、AlN、Si3 N4 、SiO2
のうちから選ばれた1種以上の硬質粒子を分散してなる
複合材料であって、該複合材料中の硬質粒子の含有量
が、平均粒径1〜5μmの硬質粒子は7〜20%、平均
粒径7〜25μmの硬質粒子は0.5〜5%で、合計含
有量が7.5〜22%であることを第1の特徴とする。
5%、Cu:0.5〜3%を含有し、さらにFe:0.
5%以下、Zr:0.5%以下、V:0.5%以下、N
i:0.5%以下、Mn:1%以下、Mo:0.5%以
下、Cr:0.5%以下、Ti:0.5%以下、Mg:
0.05〜0.5%、Zn:0.5%以下の1種または
2種以上を含有し、残部Alおよび不純物からなるこ
と、およびアルミニウム合金が、Si:5〜15%、C
u:0.5〜3%、Mg:0.05〜0.5%を含有
し、さらにFe:0.5%以下、Zr:0.5%以下、
V:0.5%以下、Ni:0.5%以下、Mn:1%以
下、Mo:0.5%以下、Cr:0.5%以下、Ti:
0.5%以下、Zn:0.5%以下の1種または2種以
上を含有し、残部Alおよび不純物からなることを第2
および第3の特徴とする。
子、Si3 N4 粒子およびSiO2 粒子は、これらの硬
質粒子の1種以上をアルミニウム合金マトリックス中に
分散させることにより、ブレーキディスク材として使用
した場合、ブレーキパットと摩擦したときの耐摩耗性、
耐焼付性を向上させ、摩擦係数を高めるが、本発明にお
いては、平均粒径1〜5μmの微細な硬質粒子を7〜2
0%、平均粒径7〜25μmの比較的粗大な硬質粒子を
0.5〜5%含有させ、これら硬質粒子の合計含有量を
7.5〜22%とすることを特徴とする。
させた場合には、高負荷のブレーキ制動時の耐摩耗性が
不十分となる。平均粒径1〜5μmの微細な硬質粒子と
ともに、平均粒径7〜25μmのやや粗大な硬質粒子を
特定量分散させることによって、ディスク表面の微小域
におけるアルミニウム合金の剪断変形が抑制され、高負
荷時の耐摩耗性が高められる。平均粒径1〜5μmの硬
質粒子は7〜20%の範囲で含有させるのが好ましい。
平均粒径が1μm未満では凝集を起こし易く複合材の製
造が難しくなり、5μmを越えると切削性が低下し、ブ
レーキディスクとして高圧力でブレーキパッドに当てた
場合、焼付きが生じ易くなる。含有量が7%未満では十
分な耐摩耗性、耐焼付性が得られず、20%を越えると
鍛造加工性、切削性が低下する。平均粒径1〜5μmの
硬質粒子のさらに好ましい含有量は8〜15%である。
〜5%の範囲で分散させるのが好ましい。平均粒径が7
μm未満では高負荷時の耐摩耗性向上の効果が十分でな
く、25μmを越えると切削性が低下する。また、含有
量が0.5%未満ではその効果が小さく、5%を越えて
含有すると切削性がわるくなる。平均粒径1〜5μmの
硬質粒子と平均粒径7〜25μmの硬質粒子の合計含有
量は7.5〜22%の範囲が好ましく、22%を越える
と切削性が低下する。
ましいアルミニウム合金は、Al−Si系合金をベース
するものであるが、その合金成分の意義および限定理由
について説明すると、Siは、材料のマトリックス中に
Si粒子として分散し材料の耐摩耗性を高める。好まし
い含有量は5〜15%の範囲であり、5%未満ではその
効果が十分でなく、15%を越えると鍛造性、切削性が
低下し、鍛造加工で割れが生じ易くなる。
度と耐摩耗性を向上させるよう機能する。好ましい含有
範囲は0.5〜5%であり、0.5%未満ではその効果
が十分でなく、5%を越えると鍛造加工性、切削性が低
下する。
度と耐摩耗性を高める。とくにCuと共存した場合に顕
著な効果を示す。好ましい含有量は0.05〜0.5%
の範囲であり、0.05%未満ではその効果が小さく、
0.5%を越えると鍛造加工性が低下する。
5%以下、V:0.5%以下、Ni:0.5%以下、M
n:1%以下、Mo:0.5%以下、Cr:0.5%以
下、Ti:0.5%以下、Zn:0.5%以下の1種ま
たは2種以上を含有させることにより、材料の強度を高
め、その結果として耐摩耗性および耐焼付性が向上す
る。
料は以下の方法で製造することができる。 (1)粉末冶金法 アトマイズ法により、所定の組成を有する急冷凝固アル
ミニウム合金粉末を製造する。ついでアルミニウム合金
粉末と硬質粒子を各種の撹拌式混合機あるいはボールミ
ルなどの粉砕機により混合する。高強度、高靭性の複合
材料を得るため、また硬質粒子との均一な混合状態を得
るためには、アルミニウム合金粉末は微細であることが
望ましく、通常100μm以下の粉末を使用する。混合
粉を缶に充填して混合粉を400〜500℃の温度に加
熱しながら缶の内部を真空排気あるいは不活性ガスで置
換することにより、または混合粉を冷間圧縮した予備成
形体を不活性ガス雰囲気あるいは真空中で400〜50
0℃の温度に加熱することにより、アルミニウム合金粉
末の表面に吸着しているガスおよび水分を除去する脱ガ
ス処理を行う。
粉または予備成形された混合粉を、ホットプレスあるい
は押出加工することにより固化し、混合粉を100%の
密度に緻密化する。ブレーキディスク材として使用する
場合には、固化後、適当な大きさに切断し、必要に応じ
て鍛造加工を行い、切削による仕上げ加工を行って、ブ
レーキディスクに成形する。
粒子を噴射させてコレクター上に同時に堆積させ、急冷
凝固体を得る方法である。堆積したアルミニウム合金と
硬質粒子の複合体、すなわちプリフォームは、相対密度
が97〜99%のものであるから、ホットプレス、鍛造
加工またはこれらの併用によりプリフォーム内部のポア
を潰して密度を上げ、ブレーキディスク材として使用す
る場合には、切削により仕上げ加工を行って、ブレーキ
ディスクに成形する。
明する。 実施例1 エアアトマイズ法により表1に示す組成を有するアルミ
ニウム合金粉末を製造した。これを105μmに分級
し、表2に示す硬質粒子ととともに強制撹拌羽付きクロ
スロータリーミキサーを用いて15分間混合した。得ら
れた混合粉を外径90mm、高さ200mmの容器に充
填した後、480℃で1hの真空排気による脱ガス処理
を行って封缶し、これを内径94mmの閉塞金型に装填
して、400℃の温度で荷重500tonのホットプレ
スを行うことにより固化し、さらに1/2の高さになる
まで400℃の温度で一軸の自由鍛造加工を行った。
%、Fe:0.15%、Zn:0.1%を含有し、残部
Alおよび不純物からなるアルミニウム合金(合金H)
およびSi:7.5%、Cu:1.4%、Mg:0.3
%、Fe:0.10%、Ti:0.1%を含有し、残部
Alおよび不純物からなるアルミニウム合金(合金I)
を溶解し、窒素アトマイズ法により溶湯を液滴化してア
トマイズノズル下部の回転円板型コレクタ上に半凝固状
態で堆積させた。この時、同時に、平均粒径5μmおよ
び平均粒径12μmのSiC粒子をアトマイズ用の窒素
ガスに乗せてコレクタ上に噴射し、アルミニウム合金と
ともに堆積させ複合材のプリフォームを得た。プリフォ
ームの寸法は、直径150mm、高さ150mmであっ
た。複合材中の硬質粒子の含有量を表3に示す。
で一軸の自由鍛造により1/2の高さになるまで加工
し、試験材No.18およびNo.19とした。なお、
添加された硬質粒子の含有量はプリフォームからアルミ
ニウム合金を溶解後、不溶解分を測定することにより定
量した。
を行って引張性能を測定するとともに、ピン−ディスク
式摩擦摩耗試験機を使用し、以下に示す条件で、ディス
クの摩耗量および摩擦係数を測定した。結果を表4に示
す。本発明に従うアルミニウム合金複合材料、試験N
o.1〜19はいずれも、耐摩耗性に優れ、高い摩擦係
数をそなえている。また鍛造加工性、切削性も良好であ
った。
た上記試験材(アルミニウム合金複合材)をディスクと
し、市販の銅系ブレーキ用パット材(日本ブレーキ工業
株式会社製ブレーキパット:C04A)から断面形状が
7mm×7mmの角型のピンを成形し、ディスクを回転
させ、この回転するディスクの側面に3個のピンを押し
当てて摩擦させ、ディスクの摩耗量(摩耗深さ)を測定
した。
(低負荷)および5MPa(高負荷)とし、摩擦速度5
m/s、潤滑無し、試験時間10分とした。試験中に摩
擦係数の測定も行った。
と、実施例1と同様に、エアアトマイズ法により製造し
たアルミニウム合金粉末(Si:20.5 %、Cu:1.5%、
Fe:0.10 %、Mn:0.10 %、残部Alおよび不純物
(合金J))を105μmに分級し、表5に示す硬質粒
子ととともに強制撹拌羽付きクロスロータリーミキサー
を用いて15分間混合した。得られた混合粉を外径90
mm、高さ200mmの容器に充填した後、480℃で
1hの真空排気による脱ガス処理を行って封缶し、これ
を内径94mmの閉塞金型に装填して、400℃の温度
で荷重500tonのホットプレスを行うことにより固
化し、さらに1/2の高さになるまで400℃の温度で
一軸の自由鍛造加工を行った。
一組成のアルミニウム合金を溶解し、固液共存状態とな
るように坩堝内で約620℃の温度に保持し、これに表
6に示す硬質粒子を少量ずつ所定量となるまで添加しな
がら撹拌し、さらに強撹拌を続けながら605℃まで降
温し、内径150mm、高さ50mmの厚円板型の金型
に鋳造するコンポキャスティイングを行い、鋳造材を製
造した。ついで、得られた鋳造材を、400℃の温度に
おいて、高さが40mmになるまで鍛造加工し、試験材
No.28、No.29とした。
を行って引張性能を測定するとともに、ピン−ディスク
式摩擦摩耗試験機を使用し、実施例1と同一の条件で、
ディスク(試験材)の摩耗量および摩擦係数を測定し
た。結果を表7に示す。
SiC粒子の平均粒径が細かく粒子が凝集して材料マト
リックス中に均一に分散しないため、強度、伸びが低
く、摩耗量も大きい。試験材No.21はSiC粒子の
平均粒径が大きいため、切削性が劣り、ブレーキディス
クとして適用することができない。試験材No.22は
SiC粒子の分散量が少ないため、摩耗量が大きく摩擦
係数も低い。試験材No.23は、SiC粒子が過剰に
添加されているため、鍛造加工性がわるく鍛造加工で大
きな割れが生じた。健全な部分から引張試験片を採取し
て引張試験を行った結果、強度、伸びともに劣ってい
た。
の硬質粒子が添加されていないため、高負荷(5MP
a)の摩耗試験において、試験開始から約1分経過後に
焼付きが生じた。試験材No.25は硬質粒子2が過剰
に添加されているため、また試験材26は硬質粒子2が
粗大であるため切削性がわるく、ブレーキディスク材と
して適用することができない。試験材No.27は、マ
トリックスを構成するアルミニウム合金中のSi量が多
いため鍛造加工性が劣り、鍛造加工時に割れが発生し
た。試験材No.28、No.29は硬質粒子の偏析が
大きく、また鋳造欠陥も多く認められ、強度、伸びも劣
っていた。
性に優れたアルミニウム合金複合材料が提供され、ブレ
ーキディスク材として適用した場合、とくに高負荷のブ
レーキ制動時の摩耗量が少なく、焼付きを生じることも
なく、二輪車、四輪車、鉄道車両用のブレーキディスク
として好適に使用できる。
Claims (3)
- 【請求項1】 急冷凝固アルミニウム合金のマトリック
ス中にSiC、Al2 O3 、AlN、Si3 N4 、Si
O2 のうちから選ばれた1種以上の硬質粒子を分散して
なる複合材料であって、該複合材料中の硬質粒子の含有
量が、平均粒径1〜5μmの硬質粒子は7〜20%(重
量%、以下同じ)、平均粒径7〜25μmの硬質粒子は
0.5〜5%で、合計含有量が7.5〜22%であるこ
とを特徴とする耐摩耗性に優れたアルミニウム合金複合
材料。 - 【請求項2】 アルミニウム合金が、Si:5〜15
%、Cu:0.5〜3%を含有し、さらにFe:0.5
%以下、Zr:0.5%以下、V:0.5%以下、N
i:0.5%以下、Mn:1%以下、Mo:0.5%以
下、Cr:0.5%以下、Ti:0.5%以下、Mg:
0.05〜0.5%、Zn:0.5%以下の1種または
2種以上を含有し、残部Alおよび不純物からなること
を特徴とする請求項1記載の耐摩耗性に優れたアルミニ
ウム合金複合材料。 - 【請求項3】 アルミニウム合金が、Si:5〜15
%、Cu:0.5〜3%、Mg:0.05〜0.5%を
含有し、さらにFe:0.5%以下、Zr:0.5%以
下、V:0.5%以下、Ni:0.5%以下、Mn:1
%以下、Mo:0.5%以下、Cr:0.5%以下、T
i:0.5%以下、Zn:0.5%以下の1種または2
種以上を含有し、残部Alおよび不純物からなることを
特徴とする請求項1記載の耐摩耗性に優れたアルミニウ
ム合金複合材料。
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
JP17766297A JP3426475B2 (ja) | 1997-06-18 | 1997-06-18 | 耐摩耗性に優れたブレーキディスク用アルミニウム合金複合材料 |
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- 1997-06-18 JP JP17766297A patent/JP3426475B2/ja not_active Expired - Fee Related
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JP4367605B2 (ja) | ブレーキディスク用アルミニウム基複合材料 |
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