(57)【要約】  炭素繊維強化ブレーキディスクおよびクラッチディスク、特にシリコン処理炭素−炭素繊維複合体等のセラミックディスクの摩擦特性は、摩擦面を平均粗さＲａが２．５μｍ以下、好ましくは２．０μｍ以下であり、好ましくは最も高いピークの５％下の基準線の１０μｍ下で測定した時の材料粗さ割合Ｒｍｒが少なくとも７０％、好ましくは少なくとも９０％となるように機械加工することによって高められる。高められた摩擦特性は、摩擦レベルの増加及び摩耗の減少の一方または両方を含む。【特許請求の範囲】
【請求項１】
平均粗さＲａが２．５μｍ以下であり、最も高いピークの５％下の基準線の１０μｍ下で測定した時の材料粗さ割合Ｒｍｒが少なくとも７０％である摩擦面を有する炭素繊維強化ディスク。
【請求項２】
前記摩擦面が２．０μｍ以下の平均粗さＲａを有する請求項１に記載のディスク。
【請求項３】
前記摩擦面が、少なくとも９０％の、最も高いピークの５％下の基準線の１０μｍ下で測定した時の材料粗さ割合Ｒｍｒを有する請求項１または２に記載のディスク。      
【請求項４】
互いに約９０°で配置された複数の炭素繊維を含む請求項１〜３のいずれか１項に記載のディスク。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のセラミックディスク。
【請求項６】
シリコン処理炭素−炭素繊維複合体を含む請求項５に記載のディスク。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の自動車用ブレーキディスク。
【請求項８】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の航空機用ブレーキディスク。
【請求項９】
請求項１〜６のいずれか１項に記載のクラッチディスク。
【請求項１０】
予め形成された炭素繊維強化ディスクの摩擦面を所望の表面仕上げに機械加工する請求項１〜９のいずれか１項に記載のディスクの製造方法。 
【請求項１１】
前記機械加工が研磨によって達成される請求項１０に記載の製造方法。
【請求項１２】
前記研磨が、ダイヤモンドが埋め込まれた研磨ディスクを用いることによって達成される請求項１１に記載の製造方法。
【請求項１３】
ディスクの摩擦面を平均粗さＲａが２．５μｍ以下であり、最も高いピークの５％下の基準線の１０μｍ下で測定した時の材料粗さ割合Ｒｍｌが少なくとも７０％となるように機械加工する、炭素繊維強化ディスクの表面特性を高めるための方法としての機械加工の使用。
【請求項１４】
前記摩擦面が、平均粗さＲａが２．０μｍ以下に機械加工される、請求項１３に記載の使用。
【請求項１５】
前記摩擦面が、最も高いピークの５％下の基準線の１０μｍ下で測定した時の材料粗さ割合Ｒｍｒが少なくとも９０％である、請求項１２または１３に記載の使用。
【請求項１６】
前記ディスクが、互いに約９０°で配置された複数の炭素繊維を含む請求項１３〜１５のいずれか１項に記載の使用。
【請求項１７】
前記ディスクが研磨によって機械加工される、請求項１３〜１６のいずれか１項に記載の使用。
【請求項１８】
前記ディスクが炭素繊維強化セラミックブレーキディスクである請求項１３〜１７のいずれか１項に記載の使用。
【請求項１９】
前記ディスクが、シリコン処理炭素−炭素繊維複合体を含む、請求項１８に記載の使用。
【請求項２０】
前記ディスクが自動車用ブレーキディスクである、請求項１３〜１９のいずれか１項に記載の使用。
【請求項２１】
前記ディスクが航空機用ブレーキディスクである、請求項１３〜１９のいずれか１項に記載の使用。
【請求項２２】
前記ディスクがクラッチディスクである、請求項１３〜１９のいずれか１項に記載の使用。
【請求項２３】
高められた摩擦特性が、摩擦レベルの増加および摩耗の低下の少なくとも１つを含む、請求項１３〜２１のいずれか１項に記載の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摩擦特性が向上した炭素繊維強化ディスク、さらには、ディスクブレーキシステムに使用されるブレーキローターのような炭素繊維強化ブレーキディスク、および炭素繊維強化クラッチディスクに関する。
【発明の概要】
【０００２】
シリコン処理炭素−炭素繊維複合体などのセラミックディスクを含む炭素繊維強化ブレーキディスクやクラッチディスクの使用には多くの関心が示されている。この後者のディスクは、高い強度、高い使用温度での優れた物理特性および摩擦特性を維持する性能、ならびに、従来の金属製のブレーキディスクに比べ軽量、例えば、通常の鉄製のディスクに比べて５０〜６０％の軽量化が可能であるため特に関心がもたれている。このような軽量化は、性能や燃料経済性の改善にとって重要であり、自動車用ブレーキの場合、バネ下重量（unsprung weight）を減少することで、路面保持性能（road holding）、ハンドリングおよび快適性をも向上することができ得る。炭素−炭素繊維ディスクは、使用温度で比較的低い摩擦特性を示すため、概して航空用途に限定されるが、一方で、炭素繊維強化セラミックディスクは使用温度で効率的に動くため、自動車ブレーキの重要要件である時々の軽いブレーキ（occasional light braking）の提供が可能である。
【０００３】
従来の市販の炭素−炭素繊維複合体ブレーキディスクおよびクラッチディスクは、たいてい、強化炭素繊維とピッチやフェノール樹脂などの炭素樹脂を所望の形状に近い形状に熱成形する、レジンチャー（resin char）法で製造される。得られた成形体は、例えば、不活性雰囲気下または真空下で約１０００℃まで加熱することにより炭素化され、そして、任意に、例えば、２０００℃を超える温度まで加熱することによりグラファイト化される。このように得られた素地（green bodies）を、その後、必要に応じて成形および／または結合してもよく、そして所望により、その後、例えば、少なくとも溶融シリコン浴に部分浸漬、または過剰のシリコンとともに真空容器に封入し、その後、その容器に高温および等方圧をかけることを含む熱間静水圧処理（hot isostatic pressure treatment）することでシリコン処理してもよい。
【０００４】
炭素−炭素繊維複合体の形成のために、一連の化学気相浸透工程を経て最初の炭素繊維プリフォームを緻密化する化学気相浸透法（Chemical vapour infiltration procedures）を、レジンチャー法の代わりに用いてもよい。そのような方法によれば優れた構造完全性を有する複合体の生成が可能となるが、代わりにレジンチャー法に比べより動作コストが高い。１回の化学浸透工程のみを用いて緻密化された炭素繊維プリフォームにシリコン処理を行う、シリコン処理炭素−炭素繊維ブレーキディスクおよびクラッチディスクの製造に関するより経済的な方法が、ＷＯ−Ａ−２００７／０１２８６５に記載されている。
【０００５】
このような方法で得られたシリコン処理炭素−炭素繊維複合体ブレーキディスクおよびクラッチディスクは、シリコン処理の前または後に所望の最終寸法に機械加工されてもよい。シリコン処理前の中間体生成物は、シリコン処理された最終生成物よりも硬くないため、より機械加工しやすい前者が好ましい。
【０００６】
実際のところシリコン処理炭素−炭素繊維複合体ディスク等の炭素繊維強化セラミックブレーキディスクおよびクラッチディスクの摩擦面は、一般的にウェットやドライ旋削（turning on a lathe）を含む最終機械加工工程に供される。これは旋削した面（turned face）の周りにとても細かいらせんの形状を有する旋盤切削工具に由来する表面形状を生み出す。そのような表面の平均粗さ値Ｒａ（粗さ曲線の面積を評価長さで割ることで求められる粗さ曲線の絶対値の積分）は、通常は３〜４μｍかそれ以上になるだろう。もう一つの方法として、表面仕上げと同程度にその表面を粉砕（milled）または粉末化（ground）してもよい。
【０００７】
本発明は、例えば、炭素繊維強化ブレーキディスクやクラッチディスク等の炭素繊維強化ディスクの摩擦面を、研磨（grinding）等によって平均粗さＲａが２．５μｍ以下であるかなり平滑な仕上げに機械加工することが、ディスクの摩擦特性に予想外に有益な作用を及ぼすというわれわれの知見に基づいている。特に、われわれは、平滑摩擦面によって、より高い摩擦レベルを得ることが可能となること、および／または、表面摩耗レベルの著しい減少をもたらし製品寿命の延びをもたらすこと、を見出した。このような摩擦の増加と平滑性の増加との関連性は、本質的に驚くべきことである。摩耗の減少にみられるように、特に、セラミックブレーキディスクの研磨特性の場合、当業者であれば、高い摩擦は必ず高い摩耗を導くと予想するだろう
それゆえ、本発明の広範な側面によれば、炭素繊維強化ディスク、特に平均粗さＲａが２．５μｍ以下、例えば、２．４μｍ以下、２．３μｍ以下、２．２μｍ以下、２．１μｍ以下および好ましくは２．０μｍ以下の摩擦面を有する炭素繊維強化ブレーキディスクまたは炭素繊維強化クラッチディスクが提供される。
【０００８】
従来の炭素繊維強化ディスクの表面は、高倍率で観察した時、山頂と谷の形状であると考えられる。本発明の炭素繊維強化ディスクでは、この形状はかなり平滑である。例えば、研磨によってピークが取り除かれ、平滑なクレーターのある表面が残る。この新しい平滑性は、その材料の材料粗さ割合（material roughness ratio）Ｒｍｒを測定することによって定量化することができる。その材料粗さ割合は、最も高いピークの５％下の基準線（datum line）の１０μｍ下で測定されたときに少なくとも７０％であるべきであり、より好ましくは、最も高いピークの５％下の基準線の１０μｍ下で測定されたときに少なくとも８０％であり、より好ましくは、最も高いピークの５％下にある基準線の１０μｍ下で測定されたときに少なくとも９０％である。その材料粗さ割合は、最も高いピーク下の深さでの評価長さの百分率として表される、この場合、最も高いピークの５％下の基準線の１０μｍ下で測定される材料表面の長さである。
【０００９】
それゆえ、他の側面によると、本発明は、平均粗さＲａが２．５μｍ以下、より好ましくは２．０μｍ以下の摩擦面であって、最も高いピークの５％下の基準線の１０μｍ下で測定した時の材料粗さ割合Ｒｍｒが少なくとも７０％、より好ましくは少なくとも９０％である摩擦面を有する炭素繊維強化ディスクを提供する。
【００１０】
ディスクの強度を最適化するために、ディスクに含まれている炭素繊維は、互いに９０°の角度で配置された複数の繊維を含むことが有利である。そのような配置は、例えば０°と９０°で配置された炭素繊維の交互に重なった層を含む織布や不織フェルトなどの炭素繊維布の連続シートや円柱から切り取られ、そしてそれから例えば、レジンチャー、化学気相浸透または湿潤性モノマー含浸(wetting monomer infiltration)によって緻密化され、そしてその後、任意にセラミック化（ceramification）される。例えば、１５°、３０°、４５°および６０°またはこれらの複合などの繊維の他の方向もまた、ある応用、特に自動車用途においては有用である。ある応用においては、繊維がさまざまな方向および／または不規則な向きに配置することが望ましいこともある。
【００１１】
炭素繊維強化セラミックディスクは、炭素−炭素繊維複合体ディスクに１種またはそれ以上の、例えば、メンデレーエフの元素の周期表(CAS version)のＩＩＩ〜ＶＩ族から選択される溶融炭化物形成金属（molten carbide-forming metals）を染み込ませる等の周知の方法で得ることができる。このための代表的な金属としては、ホウ素等のＩＩＩＡ族金属、シリコン等のＩＶＡ族金属、チタン、ジルコニウムおよびハフニウム等のＩＶＢ族金属、バナジウムおよびタンタル等のＶＢ族金属、モリブテンおよびタングステン等のＶＩＢ族金属、ならびに、前述の金属の混合物などが挙げられる。シリコン処理炭素−炭素繊維複合体の使用が好ましい。
【００１２】
本発明のブレーキディスクおよびクラッチディスクは、摩擦面の平均粗さＲａが２．５μｍ以下であり、最も高いピークの５％下の基準線の１０μｍ下で測定した時の材料粗さ割合Ｒｍｒが少なくとも７０％であることを有利な特徴とする。この材料粗さ割合は、評価長さの百分率として表される測定線の下の材料表面の長さである。
【００１３】
ミツトヨ社製のサーフテストＳＪ−３０１計器等の市販の表面粗さ試験器をＲａおよびＲｍｒ値の測定に用いることができる。一貫性を保つために、面における主な炭素繊維方向に沿って、および面における主な炭素繊維方向に交わるように、２、３もしくはそれ以上のそれぞれのディスク面の異なる場所で測定を行うことが望まれる。
【００１４】
本発明は、さらに上記で定義された炭素繊維強化ブレーキディスクおよびクラッチディスクの製造方法を提供する。その方法では、予備成形ディスクの摩擦面が、求められる表面仕上げを得るために機械加工される。
【００１５】
摩擦面を上記で定義されたＲａの範囲未満、および、好ましくは上記で定義されたＲｍｒの範囲を超える平滑性に機械加工することは、例えば、ダイヤモンドが埋め込まれた研磨ディスクを用いて研磨することによって達成される。特にセラミックディスクを処理する際には、冷却液を用いる湿式研磨工程（wet grinding process）を用いることが有利である。
【００１６】
所望により、研磨工程の前に先行して、粗い表面凹凸を取り除くために、例えば旋盤上で、粗加工（coarser machining）を行ってもよい。これは、例えばセラミック化(ceramification)の間に導入されうる。この研磨工程は、最適水準の表面仕上げを得るために、任意に、連続してより細かな研削砥石を用いる工程を２回もしくはそれ以上行ってもよく、そして所望ならば続いてホーニング仕上げ（honing）などのさらなる処理を行ってもよい。要求される表面仕上げを作り出す他の機械加工方法が同様に良好に用いられることは理解されることであろう。
【００１７】
一方で、炭素繊維強化セラミックブレーキディスクの製造における最終工程として摩擦面を研磨することは、従来技術の一般化された文献に存在するが（例えば、アメリカ特許6,527,092号 および7,045,207号を参照）、上記で定義された特性を有する表面仕上げを得るための研磨技術などの示唆はない。さらに、そのような研磨や他の機械加工により得られる特に平滑な表面が、われわれが観測したような予想以上の高められた摩擦特性を導き得ることを示唆していない。
【００１８】
このような本発明のさらなる側面は、炭素繊維強化ブレーキディスクまたはクラッチディスクの摩擦特性を高めるための手段としての機械加工の使用として定義されうる。そこでは、平均粗さＲａが２．５μｍ以下、例えば２．４μｍ以下、２．３μｍ以下、２．２μｍ以下または２．１μｍ以下、そして好ましくは２．０μｍ以下であり、また、好ましくは、最も高いピークの５％下の基準線の１０μｍ下で測定した時の材料粗さ割合Ｒｍｒが少なくとも７０％であり、例えば、少なくとも８０％、そしてより好ましくは少なくとも９０％である。
【００１９】
機械加工は、研磨によって容易に成し遂げられ得る。そして、そのディスクは、シリコン処理炭素−炭素繊維複合体または他の炭素繊維強化セラミックディスクを有利に含む。その高められた摩擦特性は、好ましくは摩擦レベルの増加および摩耗の減少の一方または両方を含む。
【００２０】
本発明はとりわけ、自動車用と航空機用のブレーキディスク特に、高性能車やオートバイのためのブレーキディスク、同様に、高性能自動車やオートバイのような高性能自動推進用用途のためのクラッチディスクを包含する。動力計上での自動車ディスク／パッドシステムのテストにおいて、本発明による平滑なシリコン処理ディスクは、旋削によって仕上げられる従来のディスクに比べより素早く固定された（bedded）。通常の固定（normal bedding）を超えて長く続いたテストでも高い摩擦レベルが維持された。この高い摩擦にもかかわらず、平滑なディスクは旋削下ディスクに比べて著しく低い摩擦特性を示した。
【００２１】
１つのローター（rotor）と２つのステーター（stator）を含む３つのディスク（disc stack）を含む航空機用ブレーキディスクのテストにおいて、平均粗さＲａが３〜４μｍである従来の表面仕上げされたシリコン処理ディスクは、1160 同等ランディング（equivalent landings）として定量化される摩耗率を示した。一方で、２μｍ未満のＲａを有する本発明のシリコン処理ディスクは、同等の摩擦特性を示したが、2762同等ランディング（equivalent landings）に相当する、著しく減少した摩耗率を示した。
【国際調査報告】
2010539423.tif 000002
2010539423.tif 000003