JPWO2013122248A1

JPWO2013122248A1 - 鋳鉄およびブレーキ部品

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Publication number: JPWO2013122248A1
Application number: JP2013558766A
Authority: JP
Inventors: 博之渡邊; 新川　雅樹; 雅樹新川; 茂仁張; カストリアスバギオ
Original assignee: Honda Motor Co Ltd; Riken Corp
Current assignee: Honda Motor Co Ltd; Riken Corp
Priority date: 2012-02-17
Filing date: 2013-02-18
Publication date: 2015-05-18
Anticipated expiration: 2033-02-18
Also published as: EP2816127A4; EP2816127A1; JP5698852B2; US20150004048A1; EP2816127B1; CN104114728A; WO2013122248A1

Abstract

本発明は、高い比熱を有することにより、ブレーキ部品の軽量化等を達成することができる鋳鉄を提供するものである。本発明は、質量％で、Ｃ：３．０〜４．８％、Ｓｉ：３．５〜５．０％、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｃｕ：０．３〜１．５％、残部：Ｆｅおよび不可避不純物からなる化学成分組成を有するものである。

Description

本発明は車両等のブレーキ装置に用いて好適な鋳鉄およびブレーキ部品に係り、特に、高い比熱を備えることによりブレーキディスクの軽量化を達成する技術に関する。

自動車や自動二輪車等のブレーキ装置は、車輪とともに回転するブレーキディスクと、ブレーキディスクに押し付けられるブレーキパッドとを備えている。ブレーキディスクには、発生する摩擦熱による機能低下を抑制するため高い熱伝導率が要求される。このような要求を低コストで実現する材料として、従来、片状黒鉛鋳鉄やＣＶ黒鉛鋳鉄、球状黒鉛鋳鉄が用いられている。特に、片状黒鉛鋳鉄は、黒鉛が熱の良導体であるため黒鉛長さを大きくすることにより熱伝導率の向上が可能である。

鋳鉄に関する先行技術文献としては以下のものがある。特許文献１に記載のものは、耐食性鋳鉄に関するもので、炭素当量３．８〜４．５％の範囲でＣ：２．８〜４％、Ｓｉ：１．５〜３．０％、Ｍｎ：０．３〜１．２％、Ｐ：０．２％以下、Ｓ：０．０６〜０．２５％、Ｃｕ：０．１５〜３．５％、および残部：Ｆｅおよび不可避不純物からなり、Ｃｕの含有量を変化させて発錆を抑制している。

特許文献２に記載のものは、ディスクブレーキ用ディスクに関するもので、Ｃ：２．８〜３．８％、Ｓｉ：１．８〜３．４％、Ｍｎ：０．５〜１．０％、Ｓ：０．０２〜０．１％、Ｃｒ：０．１〜１．５％、Ｍｏ：０．１〜１．０％、Ｎｉ：０．１〜１．２％、Ｃｅ：０．０１〜０．０５％、Ｃｕ：０．１〜１．２％、残部：Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、Ｃｅで高強度化することで耐ヒートクラック性を向上させている。

特許文献３に記載のものは、摺動部とハブ取付け部を有し、単一溶湯による鋳造製一体構造のブレーキ部品であって、Ｃ：３．５〜３．９０％、Ｓｉ：２．３〜３．０％、Ｍｎ：０．７〜１．１％、Ｐ：＜０．０５％、Ｓ：０．０８〜０．０１２％、Ｃｕ：０．７〜１．２％、残部：鉄および不可避的不純物からなり、ＣＥ値が４．３〜４．７、引張強さが１５〜２０ｋｇｆ／ｍｍ^２、減衰能が１２〜２０×１０^−３で、ハブ取付け孔内面には硬さＨＲＢ９０〜１０５になるよう高周波焼入れが施されている。

特許文献４に記載のものは、高熱伝導耐食鋳鉄であって、炭素当量：４〜５％の範囲でＣ：３〜４．５％、Ｓｉ：１．５〜３．０％、Ｍｎ：０．５〜１．５％、Ｐ：０．２％以下、Ｓ：０．０６〜０．２５％、Ｃｕ：０．１５〜３．５％、Ｃａ：０．０２〜０．１％、Ａｌ：０．０２〜０．１％、残部：鉄および不可避不純物からなり、組織中に針状黒鉛を生成させたことにより、高熱伝導性と耐食性を向上させている。

特公昭５９−０１１６５３特開２００２−１０５５８１特開平５−２１４４８０特開平７−３３８０

ところで、近年、自動車等の運輸装置には、温室効果ガスの排出規制に伴い益々の軽量化が要望されており、ブレーキディスクは、鋳鉄の塊でかなりの重量物となるため、特に軽量化が強く要望されている。ブレーキディスクとブレーキパッドによる制動は、運動エネルギーを熱エネルギーに変換する作用を伴い、ブレーキディスクは、熱エネルギーを吸収し停止後は熱エネルギーを放出する。ブレーキディスクの熱伝導率が高ければ、熱エネルギーを迅速に放出することができる。また、ブレーキディスクの比熱が高ければ、熱エネルギーを蓄える能力が高く、熱エネルギーを吸収したときの温度上昇を抑制することができる。したがって、ブレーキディスクの比熱が高ければ、ブレーキディスクを小型化することができる。

しかしながら、比熱を高めることに眼目を置いた鋳鉄の開発は、現在のところなされていないのが現状である。本発明は、そのような事情に鑑みてなされたもので、高い比熱を有することにより、ブレーキ部品の軽量化等を達成することができる鋳鉄およびブレーキ部品を提供することを目的としている。

本発明者等は、ブレーキディスクを軽量化するために検討を重ねた結果、温室効果ガスの排出抑制効果を得るためには少なくとも６００Ｊ／ｋｇ／Ｋ以上の比熱が必要であるとの結論に達した。そして、そのような比熱を得るために鋭意研究を重ねた。

鋳鉄はフェライト、セメンタイト、黒鉛およびその他の微量な介在物からなる。このうちもっとも重量分率の大きいフェライトの高比熱化を検討した。フェライトに固溶し比熱向上効果のある元素を種々調査した結果、Ｓｉがもっとも効果が大きく、また炭化物を作らず容易にフェライト中に固溶させることができることが判明した。

Ｓｉの効果は鋳鉄中に３．５％以上添加したときに顕著に発現する。Ｓｉは鋳鉄中で主としてフェライト中に濃化し、フェライト中での重量分率は４％以上になる。この濃度では平衡状態ではＦｅ_３Ｓｉが析出すると言われているが、Ｘ線回折による分析の結果Ｆｅ_３Ｓｉは通常の製造条件ではほとんど検出されない。すなわち規則構造を作らず不規則かつ過飽和に固溶したＳｉがフェライトの比熱を向上させていると考えられる。

本発明の鋳鉄は上記知見に基づいてなされたものであり、質量％で、Ｃ：３．０〜４．８％、Ｓｉ：３．５〜５．０％、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｃｕ：０．３〜１．５％、残部：Ｆｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする。

以下、本発明の数値限定の根拠を本発明の作用とともに説明する。なお、以下の説明において「％」は「質量％」の意味である。

Ｃ：３．０〜４．８％
Ｃは基地組織に黒鉛を析出させるために必要な元素である。黒鉛は熱の良導体で鋳鉄の熱伝導率を高め、吸収した熱エネルギーを速やかに放出する作用を奏する。Ｃの含有量が３．０％未満では、現行材同等の熱伝導率である４４Ｗ／ｍ／Ｋを得ることが困難となる。一方、Ｃの含有量が４．８％を超えると、鋳鉄の融点が高くなり過ぎて溶解が困難になるとともに、強度低下が著しくなる。よって、Ｃの含有量は３．０〜４．８％とする。

Ｓｉ：３．５〜５．０％
Ｓｉは鋳鉄の比熱を高める元素である。Ｓｉの含有量が３．５％未満では、本発明が目標とする比熱である６００Ｊ／ｋｇ／Ｋを得ることが困難となる。一方、Ｓｉの含有量が５％を超えると、溶湯の粘度が高くなり鋳造が困難になる。よって、Ｓｉの含有量は３．５〜５．０％とする。

Ｍｎ：０．５〜２．０％
Ｍｎは原料のスクラップから混入し基地組織を強化する効果がある。Ｍｎの含有量が０．５％未満ではそのような効果が乏しくなる。一方、Ｍｎの含有量が２％を超えると、基地組織のチル化が顕著となり、被削性を低下させる。よって、Ｍｎの含有量は０．５〜２．０％とする。

Ｐ：０．２％以下
Ｐは溶湯の流動性を向上させるが鋳鉄を脆化させるため、不可避不純物としてのＰの含有量は０．２％以下とすることが望ましい。

Ｃｕ：０．３〜１．５％
本発明では比熱を高めるためにＳｉの添加が必須であるが、Ｓｉはフェライト化を促進する作用を有する。フェライト分率が大きくなると強度低下や耐摩耗性の低下をもたらす。そこで、本発明においては、Ｃｕを必須の合金成分としている。Ｃｕは基地組織のパーライト化を促進して強度を向上させるとともに、黒鉛を扁平化して熱伝導率を高める。Ｃｕの含有量が０．３％未満ではそのような効果が乏しくなる。一方、Ｃｕの含有量が１．５％を超えると、基地組織のパーライトが緻密になり被削性を低下させる。よって、Ｃｕの含有量は０．３〜１．５％とする。より望ましくは、０．５〜１．５％とする。

Ｓ：０．２５％以下
Ｓの含有量が０．２５％を超えると、ＭｎＳの生成量が過多となって白銑化傾向が増大し、被削性が低下する。よって、不可避不純物としてのＳの含有量は０．２５％以下とすることが望ましい。

Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｓｎなどの合金元素は鋳鉄の組織や性質を向上するために少量含有することができる。

Ｎｉ：０％を超え１．２％以下
Ｎｉは黒鉛化を促進する元素でチル化を抑制して切削性を良好にする。また基地組織の強度を向上する作用を有する。ただし、Ｎｉは非常に高価であるため多量に添加することはできない。効果とコストの両立のために０％を超え１．２％以下含有することが望ましい。

Ｃｒ：０％を超え１．５％以下
Ｃｒは炭化物を安定にし、組織を緻密にして強度を向上する元素であり含有することが望ましい。一方、Ｃｒはフェライトには固溶し難く炭化物を形成するため比熱向上への寄与は小さい。よって、Ｃｒの含有量は０％を超え１．５％以下であることが望ましい。

Ｍｏ：０％を超え１．０％以下
Ｍｏは炭化物を安定にし、組織を緻密にして強度を向上する元素であり、そのような効果を得るためにＭｏを含有することが望ましい。一方、Ｍｏはフェライトには固溶し難く炭化物を形成するため比熱向上への寄与は小さい。よって、Ｍｏの含有量は０％を超え１．０％以下であることが望ましい。

Ｖ：０％を超え０．３５％以下
Ｖは炭化物を安定にし、組織を緻密にして強度を向上する元素であり、そのような効果を得るためにＶを含有することが望ましい。一方、Ｖはフェライトには固溶し難く炭化物を形成するため比熱向上への寄与は小さい。よって、Ｖの含有量は０％を超え０．３５％以下であることが望ましい。

Ｓｎ：０％を超え０．２％以下
Ｓｎは炭化物を安定にし、組織を緻密にして強度を向上する元素であり、そのような効果を得るためにＳｎを含有してもよい。一方、Ｓｎを０．２％を超えて添加すると靱性を低下させてヒートクラックに対するタフネスを低下させる。よって、前述した効果を得る目的で添加する場合のＳｎの含有量は０％を超え０．２％以下であることが望ましい。

前述のように、ブレーキディスクで十分な軽量化効果を得るには、比熱が６００Ｊ／ｋｇ／Ｋ必要である。ここで、加速と制動を繰り返す自動車においては、ブレーキディスクの平均温度は２００℃程度であるので、２００℃における比熱が６００Ｊ／ｋｇ／Ｋ以上であることが望ましい。また、本発明においては、２００℃における熱伝導率が４４Ｗ／ｍ／Ｋ以上であることが望ましい。これにより、吸収した熱エネルギーの放出が速やかに行われ、ブレーキディスクへのヒートクラックの発生が抑制される。

本発明は、片状黒鉛鋳鉄、ＣＶ黒鉛鋳鉄、および球状黒鉛鋳鉄のいずれにも適用することができる。ただし、球状黒鉛鋳鉄は黒鉛が球状のため引張強度は高いが熱伝導率は不充分である。よって、熱伝導率が高い片状黒鉛鋳鉄または熱伝導率と引張強度のバランスがとれたＣＶ黒鉛鋳鉄が好適であり、さらには低い引張強度が許される限り片状黒鉛鋳鉄が望ましい。また、本発明においては、基地組織におけるパーライトの面積率が９０％以上であることが好適であり、これにより、充分な強度を確保することができる。

本発明は、従来知られていなかったＳｉの比熱向上効果を見出して３．５〜５．０％含有することにより、鋳鉄に高い比熱を備えることができる。これにより、同一重量でも熱容量が向上するため摩擦熱による摺動部の温度上昇を抑制することができ、よって、熱膨張軽減、ヒートクラック軽減、熱劣化軽減などにより部品寿命が向上する。また、相手材であるブレーキパッドの温度が低下することでブレーキパッドの熱負荷を低減することができ、ブレーキパッドの成分を低廉なものにすることができる。さらに、同一熱容量まで重量を減少することができるため、ブレーキ部品の軽量化を達成することができる。

本発明の実施例におけるＳｉ添加量と比熱との関係を示すグラフである。本発明の実施例におけるＣｕ添加量とパーライト率との関係を示すグラフである。本発明の実施例におけるＣ添加量と熱伝導率との関係を示すグラフである。ブレーキディスクにおける制動時の時間と温度との関係を示すグラフである。

化学成分と組織の影響を調査するため、表１に示す化学成分の鋳鉄サンプルを試作した。各鋳鉄サンプルの比熱、パーライト率、熱伝導率を測定し表１に示す結果を得た。また、各鋳鉄サンプルの鋳造時の欠陥の有無を観察し、その結果を表１に併記した。実施例１〜７は本発明の範囲内の化学成分を有し、比較例１は現行材の一例であるＦＣ２５０である。比較例１〜５において、本発明の範囲を逸脱する化学成分には下線を付してある。また、比熱、熱伝導率、およびパーライト率において本発明が目標とする範囲を逸脱するものにも下線を付してある。図１〜図４は、表１に示す結果をグラフにしたものである。

表１から分かるように、本発明の実施例１〜７ではいずれも比較例１（現行材）と比べて高い比熱、熱伝導率が得られ、パーライト率は同等であった。

比較例１では、Ｓｉの含有量が３．５％に満たないため、比熱が低い値となった。図１に示すように、６００Ｊ／ｋｇ／Ｋ以上の比熱を得るためには、Ｓｉの含有量は３．５％以上必要である。

比較例２はＣおよびＳｉの含有量を実施例１と同レベルにしてＣｕの含有量をゼロとしたものである。このため、パーライト率が実施例１〜７と比べて大幅に低くなった。図２に示すように、９０％以上のパーライト率を得るためには、Ｃｕの含有量は０．３％以上必要である。

比較例３はＳｉの含有量を実施例１と同レベルにしてＣの含有量を３．０％未満としたものである。比較例３では、Ｃの含有量が３．０％未満のため熱伝導率が非常に低くなった。図３に示すように、４４Ｗ／ｍ／Ｋ以上の熱伝導率を得るためには、Ｃの含有量は３．０％以上必要である。

比較例４はＣの含有量を実施例１と同レベルにしてＳｉ量を５．０％よりも多くしたものである。表１に示すように、比較例４では、比熱は非常に高いが、溶湯の粘度が高いために鋳造欠陥が発生した。

比較例５はＳｉの含有量を実施例１のものよりも約０．８％低くしたものである。比較例１よりも比熱が向上しているが６００Ｊ／ｋｇ／Ｋを超える比熱は得られなかった。

実施例６と比較例１の鋳鉄サンプルから同型同大のブレーキディスクを作製し、これを自動車に装着して２００ｋｍ／ｈから０ｋｍ／ｈまで０．６Ｇで減速させた。このときのブレーキパッドの温度変化を図４示す。実施例６のブレーキディスクに用いたブレーキパッドの温度は比較例１に比べ大幅に低下していることが分かる。すなわち、実施例６では、比熱が向上したことによって熱エネルギーの吸収量が大きく、ブレーキディスクの温度上昇が抑制されたものである。したがって、本発明によれば、ブレーキパッドの寿命が向上し、ブレーキパッドの成分を低廉化することができるとともに、ブレーキディスクの比熱が向上した分ブレーキディスクの軽量化が可能である。

本発明は、ディスク状のブレーキ部品に限定されるものではなく、円筒状や長板状など任意の形状のブレーキ部品に適用可能である。

本発明は、自動車、自動二輪車、列車等の運輸装置のブレーキやプレス等の機械設備のブレーキなど、あらゆるブレーキ装置に適用可能である。

Claims

質量％で、Ｃ：３．０〜４．８％、Ｓｉ：３．５〜５．０％、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｃｕ：０．３〜１．５％、残部：Ｆｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする鋳鉄。
２００℃における比熱が６００Ｊ／ｋｇ／Ｋ以上であることを特徴とする請求項１に記載の鋳鉄。
２００℃における熱伝導率が４４Ｗ／ｍ／Ｋ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の鋳鉄。
基地組織におけるパーライトの面積率が９０％以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の鋳鉄。
請求項１〜４のいずれかに記載の鋳鉄から製造されたブレーキ部品。