(57)【要約】【課題】耐摩耗性に優れたブレーキディスク用アルミニウム基複合材料の提供。【解決手段】結晶構造が立方晶のβ型ＳｉＣ粒子を３〜２５ｖｏｌ％含むブレーキディスク用アルミニウム基複合材であって、β型ＳｉＣ粒子の平均粒径が３〜３０μｍであることを特徴とするブレーキディスク用アルミニウム基複合材料。この材料は、ブレーキディスクおよびパッドの摩耗体積を低減することができる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
結晶構造が立方晶のβ型ＳｉＣ粒子を３〜２５ｖｏｌ％含むブレーキディスク用アルミニウム基複合材であって、β型ＳｉＣ粒子の平均粒径が３〜３０μｍであることを特徴とするブレーキディスク用アルミニウム基複合材料。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐摩耗性に優れるブレーキディスク用アルミニウム基複合材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鉄道車両、自動車、自動二輪車等の制動機として代表的なものに、ディスクブレーキ、ブロックブレーキ、ドラムブレーキ等がある。従来、鉄道のような高速で走行する大重量車両には、その優れた制動力からディスクブレーキが採用されてきた。
【０００３】
ディスクブレーキとは、車輪に取り付けたドーナツ形の円盤状のブレーキディスクとパッド（摩擦材）との摩擦によって制動力を得る装置である。ブレーキディスクに用いられる材料は、制動時の摩擦による摩耗と急激な温度上昇があるため、耐摩耗性、耐熱性、耐亀裂性等の多様な特性を有することが要求され、従来、ブレーキディスク材料としては、鋳鉄、ステンレス鋼等の鉄系の材料が使用されてきた。しかし、車両の走行性能の向上や省エネルギー対策の観点から、ブレーキディスクの軽量化が求められており、上記の材料に替わる軽量のブレーキディスク材料が求められている。
【０００４】
ブレーキディスクを軽量化するには、ブレーキディスク材料として密度が小さく比強度の高いものを採用するのが最も効果があることから、アルミニウム合金の適用が検討されている。しかし、通常のアルミニウム合金をブレーキディスクとして使用すると、ブレーキ制動時に摩擦熱によってブレーキディスクの温度が急激に上昇し、場合によってはブレーキディスクが焼き付けを起こしたり、ブレーキディスクに激しい引っ掻き傷が発生する等の問題が生じる。上記のように、ブレーキディスク材料は、強度および耐摩耗性を備えていることが重要であり、このほかにも、制動力の観点から摩擦係数が高いことも必要とされる。更に、ブレーキディスクの成形は鍛造加工および切削加工を伴うので、優れた鍛造性および切削性も要求される。
【０００５】
そこで、アルミニウム合金マトリックス中にＡｌ２Ｏ３（アルミナ）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化珪素）、ＳｉＣ（炭化珪素）等のセラミックス粒子を強化材として添加したブレーキディスク用アルミニウム基複合材料が提案されている（特開平２−２５５３８号公報、特開平３−４７９４５号公報等）。これらの公報に記載される技術は、アルミニウム合金に添加する上記の強化粒子の粒径および添加量を特定の範囲に調整することを特徴とするものである。さらに、特開平１０−１４０２７３号公報、特開平１０−１３７９２０号公報、および特開平９−１８４０３７号公報には、それぞれアルミニウム合金に添加する上記の強化粒子の粒径毎に添加量を規定した発明、アルミニウム合金自体の化学組成を規定した発明、粉末成形したアルミニウム基複合材料の熱伝導率を規定した発明が提案されている。
【０００６】
ここで、上記の強化剤として添加されるＳｉＣは、その結晶構造によって、六方晶系のα型ＳｉＣと立方晶系のβ型ＳｉＣの二種類に大別される。α型ＳｉＣは、結晶の成長速度や温度、不純物などの影響によってｃ軸の格子常数が変化し、２００種以上の形状が存在するが、β型ＳｉＣには１種類の形状しかない。β型ＳｉＣは、「低温型」とも呼ばれるように、２０００℃程度以下までの温度で存在するが、この温度領域ではα型ＳｉＣが生成することもある。更に、β型ＳｉＣは、２２００℃程度以上の温度で徐々にα型ＳｉＣに転移し、２３００℃に至れば数分以内でこの転移が完了するという性質を持っている。このβ型ＳｉＣからα型ＳｉＣへの転移は不可逆的であるため、β型ＳｉＣを製造する際には厳密な温度管理を必要とする。
【０００７】
一般的かつ簡易なＳｉＣの製造方法として、珪石あるいは珪砂をコークスその他の炭材と混合し、電気抵抗炉によって溶融して製造する方法がある。この製造方法によれば、多量のＳｉＣを同時に製造することができるが、この製造方法では、β型ＳｉＣの結晶を十分に成長させるのは難しい。従って、β型ＳｉＣは、特殊な製造方法、例えば、極微細な黒鉛または炭素を用い、これらを溶融珪素または一酸化珪素の蒸気と反応させて製造する方法や、高温に保たれた黒鉛の表面に、水素により運ばれたハロゲン化珪素を接触させ、解離するＳｉとＣとを反応させて製造する方法等によって製造されるのが一般的である。
【０００８】
このように、α型ＳｉＣは、β型ＳｉＣに比べて製造時の温度管理が容易であり、またその製造工程が簡易であることから安価に製造できるので、一般に多用されてきた。また、現在までにブレーキディスク用アルミニウム基複合材料に添加するＳｉＣの結晶構造に着目して、その物性が確認されたことはなく、上記の公報に開示される発明おいてもα型ＳｉＣが使用されるものと予想される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記のブレーキディスク用アルミニウム基複合材料に添加されるＳｉＣの結晶構造に着目してなされたものであり、上記のブレーキディスク用アルミニウム基複合材料に要求される性能、特に耐摩耗性に優れたブレーキディスク用アルミニウム基複合材料を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記の目的を達成するべく、特願２００１−５６２６２号においてβ型ＳｉＣを用いたアルミニウム基複合材料を提案しているが、更にＳｉＣの平均粒径および体積率と耐摩耗性との関係に着目して研究を行った結果、本発明を完成した。
【００１１】
本発明の要旨は、「結晶構造が立方晶のβ型ＳｉＣ粒子を３〜２５ｖｏｌ％含むブレーキディスク用アルミニウム基複合材であって、β型ＳｉＣ粒子の平均粒径が３〜３０μｍであることを特徴とするブレーキディスク用アルミニウム基複合材料」にある。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、ＳｉＣの形状を示す図であり、（ａ）はα型ＳｉＣ、（ｂ）はβ型ＳｉＣである。同図に示すとおり、α型ＳｉＣは、その形状が鋭利であるが、β型ＳｉＣは、その形状が丸みを帯びており、表面に階段状の段差が見られる。β型ＳｉＣの場合、同図（ｂ）に示すような形状を有するので、α型ＳｉＣに比べてアルミニウム合金との接触面積が大きく、その結果ＳｉＣが脱落しにくくなる。従って、β型ＳｉＣを含むブレーキディスクは、使用中にＳｉＣの脱落が少なく、ライニングが摺動する面に残存するＳｉＣ量が多くなるので、耐摩耗性に優れるのである。
【００１３】
本発明のディスクブレーキ用アルミニウム基複合材料において、アルミニウム合金に含まれるβ型ＳｉＣ粒子の体積率が３ｖｏｌ％未満では十分な耐摩耗性および耐焼き付け性が得られないが、２５ｖｏｌ％を超えると、耐摩耗性の改善効果は飽和し、切削性および鍛造性が悪くなるとともに、靱性が低下する。従って、アルミニウム合金に含まれるβ型ＳｉＣ粒子の体積率は３〜２５ｖｏｌ％とした。望ましいのは５〜２０ｖｏｌ％である。
【００１４】
なお、上記のＳｉＣ粒子は、β型ＳｉＣだけでもよいが、コスト面、製造の容易さからβ型ＳｉＣとα型ＳｉＣとを混合したものでもよい。この場合、β型ＳｉＣの体積率が３ｖｏｌ％以上であり、且つα型ＳｉＣおよびβ型ＳｉＣの体積率の合計が３〜２５ｖｏｌ％となるようにすればよい。
【００１５】
また、アルミニウム合金に含まれるβ型ＳｉＣ粒子の平均粒径が３μｍ未満の場合には、ＳｉＣ粒子の分散性が悪くなり、また、十分な耐摩耗性および摩擦特性が得られない。一方、β型ＳｉＣの平均粒径が３０μｍを超えると、耐摩耗性の改善効果は飽和し、切削性および鍛造性が悪くなるとともに、靱性が低下する。従って、β型ＳｉＣ粒子の平均粒径を３〜３０μｍとした。望ましいのは５〜２０μｍである。β型ＳｉＣとともにα型ＳｉＣを含有させる場合には、β型ＳｉＣと同等の平均粒径を有するα型ＳｉＣを用いればよい。
【００１６】
なお、上記の平均粒径は、ＪＩＳ　Ｒ　６００２の規定に従って粒径分布を測定し、その累積高さ５０％の粒径として求めることができる。
【００１７】
本発明のディスクブレーキ用アルミニウム基複合材料において母材は、純Ａｌでも良いが、特にＡｌ−Ｓｉ系合金が望ましい。以下、ディスクブレーキ用アルミニウム基複合材料の母材としてＡｌ−Ｓｉ系合金を使用する場合の各元素の望ましい含有量の範囲とその理由を述べる。
【００１８】
Ｓｉは、アルミニウム合金のマトリックス中に分散し、材料の耐摩耗性を高める効果を有する元素であるが、５質量％未満ではその効果が不十分であり、１５質量％を超えると切削性および鍛造性が低下する。従って、アルミニウム合金中にＳｉを５〜１５質量％の範囲で含有させるのが望ましい。
【００１９】
アルミニウム合金を構成する元素として上記のＳｉのほか、ＣｕおよびＭｇの１種または２種を下記の含有量の範囲で含有させてもよい。
【００２０】
Ｃｕは、アルミニウム合金中に固溶して強度および耐摩耗性を改善するのに有効な元素であるが、０．５質量％未満ではその効果が不十分であり、５質量％を超えると、切削性、鍛造性および耐食性が低下する。従って、アルミニウム合金中にＣｕを０．５〜５質量％の範囲で含有させるのが望ましい。
【００２１】
Ｍｇは、アルミニウム合金に固溶して強度および耐摩耗性を改善するのに有効な元素であり、特にＣｕと共存した場合に顕著な効果が得られるが、０．０５質量％未満ではその効果が不十分であり、１．０質量％を超えると、切削性、鍛造性および熱伝導率が低下する。従って、Ｍｇを含有させるとしても０．０５〜１．０質量％の範囲とするのがよい。
【００２２】
更に、アルミニウム合金中にＦｅ：０．５質量％以下、Ｚｒ：０．５質量％以下、Ｖ：０．５質量％以下、Ｎｉ：０．５質量％以下、Ｍｎ：１．０質量％以下、Ｍｏ：０．５質量％以下、Ｃｒ：０．５質量％以下、Ｔｉ：０．５質量％以下、Ｚｎ：０．５質量％以下の１種または２種以上を含有させることにより、材料の強度を高めることができるので、ブレーキディスクの耐摩耗性および耐焼付性を向上させることができる。
【００２３】
本発明のブレーキディスク用アルミニウム基複合材料は、粉末冶金法、スプレーフォーミング法などにより製造することができる。
【００２４】
粉末冶金法とは、一般に、アルミニウム合金溶湯を噴霧して製造したアルミニウム合金粉末とＳｉＣ粒子とを混合し、この混合粉を３００℃以上で脱ガス処理した後、熱間押出またはホットプレスにより固化する方法をいう。ここで、脱ガス処理は、真空中あるいは不活性ガス雰囲気中で３００℃以上の温度で保持することにより、粉末表面に吸着している水分を除去する工程である。
【００２５】
スプレーフォーミング法とは、一般に、アルミニウム合金溶湯を噴霧し、微細な液滴が凝固を完了する前に基板上に堆積させると同時に、堆積面にＳｉＣ粒子を吹付け、ＳｉＣ粒子をアルミニウム合金の液滴と同時に堆積させる方法をいう。
【００２６】
これらの製造方法の外、アルミニウム合金溶湯にＳｉＣ粒子を添加し鋳造する方法がある。これらの方法によれば、ＳｉＣ粒子を凝集あるいは偏析させることなく、アルミニウム合金中に均一に分散させることができ、更に、アルミニウム合金の組織が微細であるため製造された複合材料の強度が高い。また、上記のいずれかの方法で製造したアルミニウム基複合材料を、必要に応じて鍛造しても良い。
【００２７】
【実施例】
表１に示すＮｏ．１〜９のディスクは、下記の粉末冶金法により作製した。
アトマイズ法により作製したＡｌ−８％Ｓｉ−１％Ｃｕ系合金粉末にβ型のＳｉＣ粒子を混合して、封缶した後、４８０℃で１時間の真空脱ガス処理を施し、４５０℃で面圧約３００ＭＰａのホットプレスを行った。このようにして得たアルミニウム基複合材料を鍛造して、外径４００ｍｍ、厚み２０ｍｍのディスクに加工した。
【００２８】
このようにして作製したそれぞれのディスクを用いて下記の条件でブレーキ試験を施した。
＜ブレーキ試験条件＞
パッド材質　　：レジン材
パッド押付面積：３８ｍｍ×５５ｍｍ×片側４個
パッド押付荷重：２．２４ｋＮ（面圧：０．２７ＭＰａ）
ブレーキ初速度：２７９０ｒｐｍ（摺動速度：５０．０ｍ／ｓ）
パッド押付方式：両側挟み込み方式
上記の条件でディスクに負荷を与え、ディスクの温度が３７０℃程度まで上昇したときに負荷を停止し、その後、６０℃まで冷却した後に次の試験をする手順で繰り返し数回から数十回のブレーキ試験を行い、それぞれの条件の材料についてのパッドおよびディスクの摩耗体積（ｍｍ３／回）を測定した。摩耗体積の適正値は、パッドでは９０００（ｍｍ３／回）以下であり、ディスクでは４０００（ｍｍ３／回）以下である。
【００２９】
表１にディスクの条件および摩耗試験結果を示す。
【００３０】
【表１】
2004091846.tif 000002
【００３１】
表１に示すとおり、β型ＳｉＣの平均粒径が本発明で規定される範囲を下回る実施例１およびβ型ＳｉＣを含有しない実施例９では、いずれもディスクおよびパッドの摩耗体積が多く、ブレーキディスク材料には適用できない。また、β型ＳｉＣの体積率が本発明で規定される範囲を上回る実施例５では、鍛造時に割れが発生してディスク形状に加工することができなかった。一方、β型ＳｉＣの平均粒径、体積率ともに本発明で規定される範囲内である実施例２、３、４、６、７および８はいずれも、鍛造時に割れが発生することなく、また、パッドおよびディスクの摩耗体積はいずれも適正値の範囲内であった。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、優れた耐摩耗性を有するので、自動車、自動二輪車用ブレーキディスクをはじめ、特に、高速かつ大重量の鉄道用ブレーキディスクとして好適なアルミニウム基複合材料を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＳｉＣの形状を示す図であり、（ａ）はα型ＳｉＣ、（ｂ）はβ型ＳｉＣである。
【図１】
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