(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
片状黒鉛鋳鉄からなるディスクブレーキ用ロータであって、
前記片状黒鉛鋳鉄が、質量比で、Ｃ：３．５〜４．２％、Ｓｉ：１．５〜３．０％、Ｍｎ：０．５％未満、Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０．１２％以下、Ｃｕ：０．５〜１．５％、Ｎｉ：０．５％を超え３．０％以下、Ｃｒ：０．５％を超え１．５％以下、Ｓｎ：０．０１〜０．０５％を含み、残部Ｆｅと不可避的不純物からなり、
黒鉛との基地境界で幅１０〜２０ÅにＳｎが濃化している構成であることを特徴とするディスクブレーキ用ロータ。
【請求項２】
前記Ｓｎの濃化度が１０〜１０００であることを特徴とする請求項１に記載のディスクブレーキ用ロータ。
【請求項３】
前記片状黒鉛鋳鉄からなるディスクブレーキ用ロータにノンアスベスト系パッドを用いて制動面が６００℃となるように制動を行った後にこれを１５０℃まで放冷することを６００回繰り返す制動試験を行った後において、前記制動面の平均亀裂深さが５０μｍ以下となるような構成であることを特徴とする請求項１又は２に記載のディスクブレーキ用ロータ。
【請求項４】
前記制動面の最大亀裂深さが１００μｍ以下となるような構成であることを特徴とする請求項３に記載のディスクブレーキ用ロータ。
【請求項５】
前記片状黒鉛鋳鉄からなるディスクブレーキ用ロータにノンアスベスト系パッドを用いて制動面が６００℃となるように制動を行った後にこれを１５０℃まで放冷することを６００回繰り返す制動試験を行った後において、前記制動面の摩耗量が１０ｍｇ／ｃｍ2以下となるような構成であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のディスクブレーキ用ロータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は自動車のディスクブレーキ用ロータに関し、特に大型トラック用に最適な片状黒鉛鋳鉄からなるディスクブレーキ用ロータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディスクブレーキは、車輪と一体となって回転するディスクブレーキ用ロータの両面に摩擦材を押し付けて制動力を発生させる要素であり、押し付ける圧力に対して直線的に制動力が増加するため安定した制動が得られる。一般に、乗用車用のディスクブレーキ用ロータとしては、（ＪＩＳ）ＦＣ１５０以上の片状黒鉛鋳鉄からなる普通鋳鉄が用いられている。一方、この片状黒鉛からなる普通鋳鉄、すなわち片状黒鉛鋳鉄にＣｕ、Ｎｉ、Ｃｒなどを添加含有させ、ディスクブレーキ用ロータの耐食性、減衰能、疲労強度、耐熱亀裂性を改善することも行われてきている。
【０００３】
例えば、特公昭６１−１７９００号公報には、重量％で、炭素当量：３．８〜４．５％の範囲で、Ｃ：２．８〜４．０およびＳｉ：１．５〜３．０を含有し、さらにＭｎ：０．３〜１．２、Ｐ：０．２０以下、Ｓ：０．０６〜０．２５、Ｃｕ：０．１５〜３．５、Ｃｒ：０．０５〜０．５、Ｎｉ：０．０５〜０．５、および残部Ｆｅと不純物を含有する耐食性鋳鉄の記載がある。そしてこの特公昭６１−１７９００号公報によれば、キュポラ溶解などで得られる比較的低コストな鋳鉄に所定量のＣｕ、ＣｒおよびＮｉを添加することにより、各種腐食環境下における錆層の生長を大幅に遅らせ、また錆層の酸化増量を抑制し、さらに錆層の層状剥離抵抗性を向上させて、例えばディスクブレーキなどの構成材料として有効な耐食性鋳鉄となる記載がある。
【０００４】
また、特開平３−２３２９４３号公報には、重量％で、炭素当量：４．３〜４．９、Ｃｒ：０．２５〜０．５、Ｓｎ：０．０５〜０．１２、Ｍｎ：０．４〜１．２、Ｐ：０．１以下、Ｓ：０．１５以下、および残部Ｆｅ、またはさらに、晶出黒鉛の平均周囲長さが１６０〜２６０μｍとした高減衰能鋳鉄部品の記載がある。そしてこの特開平３−２３２９４３号公報によれば、減衰能に優れたものになるとともに、強度、硬度も十分に確保されることとなり、高減衰性能を有しかつ耐摩耗性に優れた例えばディスクブレーキ用ロータが得られる記載がある。
【０００５】
また、特開平１０−２１２５４５号公報には、重量％にしてＣ：３．１０〜３．４５、Ｓｉ：１．１０〜１．５０、Ｍｎ：０．６０〜１．００、Ｎｉ：１．００〜２．００、Ｃｒ：０．３０〜０．６０、Ｍｏ：０．３０〜０．５０、Ｐ：０．１６以下、Ｓ：０．１２以下のほか、Ｓｎ＋Ｓｂ＋Ｃｕの合計を０．０１〜０．５０、Ａｌ：０．０１〜０．１０を含んで残部がＦｅからなり、かつ炭素飽和度（Ｓｃ値）＝Ｃ重量％＋［４．２３−（Ｓｉ重量％／３．２）］で算出される炭素飽和度が０．８２〜０．９１の範囲に限られる疲労強度に優れたディスクブレーキ材料の記載がある。そしてこの特開平１０−２１２５４５号公報によれば、耐熱亀裂性、引張強さ、引張・圧縮疲労限の各要素間の理想的な平衡関係を確立できるとの記載がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来、最大積載量が４０００ｋｇを超える大型トラックなどは、大きな制動力を要するので、車輪と一体となって回転するブレーキ用ドラムにブレーキシューに貼り付けた摩擦材を押し付けてブレーキ用ドラムの回転を摩擦力で止めるドラムブレーキ方式が採用されている。近年、大型トラックにおいては、高速性能や、制動の繰り返しあるいは高速からの制動により、摩擦材の温度が上昇してブレーキの効きが低下するのを抑制する、いわゆる耐フェードなどの安全性、耐久性、整備性などの観点から、前述のドラムブレーキ方式に代わりディスクブレーキ方式の採用が検討されている。しかし、大型トラックにディスクブレーキ方式を採用する場合には、乗用車に比較してディスクブレーキ用ロータの表面温度が高くなる等の苛酷な条件で使用されるため、ディスクブレーキ用ロータには厳しい耐熱亀裂性、耐摩耗性、そして機械的強度が必要とされる。
【０００７】
前記特公昭６１−１７９００号公報は、各種腐食環境下におけるディスクブレーキなどの構成材料であり、耐熱亀裂性、耐摩耗性についての具体的な開示や示唆はない。
【０００８】
また、前記特開平３−２３２９４３号公報は、減衰能を向上させるディスクブレーキ用ロータであり、耐熱亀裂性、耐摩耗性についての具体的な開示や示唆はない。
【０００９】
また、特開平１０−２１２５４５号公報は、耐熱亀裂性を熱亀裂長さで評価する記載、引張強さ、引張・圧縮疲労限の記載はあるが、ディスクブレーキ用ロータの耐久性を決定する重要因子である熱亀裂深さ、亀裂数、および摩耗量の開示や示唆はない。
【００１０】
大型トラックのディスクブレーキ用ロータにおいて、基地組織中の片状黒鉛は、制動時の熱衝撃を吸収しまた摩耗を減少させる働きをするので、その存在が不可欠である。一方、基地組織を強化しようとすると、高硬度となって耐熱衝撃性が低下して亀裂の進行を早め、また制動を与える側のブレーキパッドを損傷させる。また、大型トラックのディスクブレーキ用ロータにおいては、（ＪＩＳ）ＦＣ１５０以上の機械的性質が要求される。前記特公昭６１−１７９００号公報、特開平３−２３２９４３号公報、特開平１０−２１２５４５号公報を単に組み合わせた組成のディスクブレーキ用ロータとしても、機械的性質確保しつつ、耐熱亀裂性、耐摩耗性を向上させることは難しい。
【００１１】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであって、耐熱亀裂性、耐摩耗性に優れ、機械的性質が（ＪＩＳ）ＦＣ１５０以上で、特に大型トラックに適用できるディスクブレーキ用ロータを得ることを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、耐熱亀裂性、耐摩耗性に優れ、機械的強度が（ＪＩＳ）ＦＣ１５０以上で、特に大型トラックに適用できるディスクブレーキ用ロータについて鋭意研究した。そして、耐熱亀裂性の向上のため炭素含有量を多くし、一方、炭素含有量を多くしたことに伴う機械的性質の低下を抑えるため、Ｃｕ、Ｃｒなどの合金元素を添加してみた。またさらにＳｎを添加してみた。Ｓｎを添加すると、黒鉛との基地境界の極狭い範囲にＳｎが濃化し、この黒鉛との基地境界へのＳｎの濃化により、制動による摩擦熱の繰り返しサイクルによる黒鉛の成長現象が抑制され、また黒鉛に沿った内部酸化が抑制されることがわかった。その結果、機械的性質を確保しつつ、熱亀裂深さを減少して耐熱亀裂性に優れ、摩耗量を大きく改善して耐摩耗性に優れ、大型トラックなどで過酷に使用しても耐久性が向上できるディスクブレーキ用ロータが得られるとの知見を得て本発明に想到した。
【００１３】
すなわち、本発明に係るディスクブレーキ用ロータは、片状黒鉛鋳鉄からなるディスクブレーキ用ロータであって、前記片状黒鉛鋳鉄が、質量比で、Ｃ：３．５〜４．２％、Ｓｉ：１．５〜３．０％、Ｍｎ：０．５％未満、Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０．１２％以下、Ｃｕ：０．５〜１．５％、Ｎｉ：０．５％を超え３．０％以下、Ｃｒ：０．５％を超え１．５％以下、Ｓｎ：０．０１〜０．０５％を含み、残部Ｆｅと不可避的不純物からなり、黒鉛との基地境界で幅１０〜２０ÅにＳｎが濃化している構成であることを特徴とする。
【００１４】
上記構成のディスクブレーキ用ロータにおいて、Ｓｎの濃化度が１０〜１０００であることが好ましい。
【００１５】
上記構成のディスクブレーキ用ロータにおいて、片状黒鉛鋳鉄からなるディスクブレーキ用ロータにノンアスベスト系パッドを用いて制動面が６００℃となるように制動を行った後にこれを１５０℃まで放冷することを６００回繰り返す制動試験を行った後において、前記制動面の平均亀裂深さが５０μｍ以下となるような構成であることが好ましい。
【００１６】
この場合に、制動面の最大亀裂深さが１００μｍ以下となるような構成であることが好ましい。
【００１７】
上記構成のディスクブレーキ用ロータにおいて、片状黒鉛鋳鉄からなるディスクブレーキ用ロータにノンアスベスト系パッドを用いて制動面が６００℃となるように制動を行った後にこれを１５０℃まで放冷することを６００回繰り返す制動試験を行った後において、制動面の摩耗量が１０ｍｇ／ｃｍ2以下となるような構成であることが好ましい。
【００１９】
以下、本発明のディスクブレーキ用ロータでの限定理由につき説明する。
【００２０】
（１）制動試験の後において、制動面の平均亀裂深さが５０μｍ以下
片状黒鉛鋳鉄からなるディスクブレーキ用ロータの耐熱亀裂性は、ノンアスベスト系パッドで制動面が６００℃となるよう制動後１５０℃までの放冷を６００回繰り返す制動試験により評価できる。亀裂深さは、制動面の内部酸化の深さと定義し、この内部酸化の深さを測定する。また平均亀裂深さとは、亀裂の制動面に垂直方向の平均的な深さである。そして、制動試験の後において、制動面の平均亀裂深さが５０μｍ以下であれば、外径が４００ｍｍ以上の大型トラック用のディスクブレーキ用ロータに適用できる。
【００２１】
（２）制動試験の後において、制動面の最大亀裂深さが１００μｍ以下
最大亀裂深さとは、発生した亀裂のうち最大の深さであり、この最大亀裂深さが進展して片状黒鉛鋳鉄からなるディスクブレーキ用ロータの耐久性に影響を与える。上述の制動試験の後において、制動面の最大亀裂深さが１００μｍ以下であれば、大型トラック用で外径が約４００ｍｍ以上のディスクブレーキ用ロータに適用できる。
【００２２】
（３）制動試験の後において、制動面の摩耗量が１０ｍｇ／ｃｍ2 以下
ディスクブレーキ用ロータの耐摩耗性は、制動を受けるディスクブレーキ用ロータの単位面積当たりの摩耗量（例えばｍｇ／ｃｍ2 ）を測定することで評価できる。そして、上述の制動試験の後において、制動面の摩耗量が１０ｍｇ／ｃｍ2 以下であれば、大型トラック用で例えば外径が４００ｍｍ以上のディスクブレーキ用ロータに適用できる。
【００２３】
（４）Ｃ（炭素）：３．５〜４．２％
Ｃは、鋳鉄の熱伝導率、減衰率を向上させ、耐熱亀裂性を向上するため、少なくとも３．５％以上の含有が必要である。一方、Ｃは、４．２％を超えて含有すると、溶湯の流動性が低下して鋳造性を悪くするとともに、さらに粗大な黒鉛が晶出して強度が低下し、耐熱亀裂性を損うおそれがある。したがって、Ｃ：３．５〜４．２％とする。好ましくは、Ｃ：３．７〜４．１％である。
【００２４】
（５）Ｓｉ（珪素）：１．５〜３．０％
Ｓｉは、良好な片状黒鉛を析出させ、良好な耐摩耗性を得るため、少なくとも１．５％以上の含有が必要である。一方、Ｓｉは、３．０％を超えて含有させると、引張強度を低下させ、また基地組織中に固溶して熱伝導率を低下させる。したがって、Ｓｉ：１．５〜３．０％とする。好ましくは、Ｃ：２．０〜２．５％である。
【００２５】
（６）Ｍｎ（マンガン）：０．５％未満
Ｍｎは、０．５％以上含有させるとチルが発生しやすく、ディスクブレーキ用ロータとして必要な耐熱亀裂性を損なう。したがって、Ｍｎ：０．５％未満とする。
【００２６】
（７）Ｐ（リン）：０．０４％以下
Ｐは、０．０４％を超えて含有させるとリンの共晶物を生成して脆化する。したがって、Ｐ：０．０４％以下とする。
【００２７】
（８）Ｓ（硫黄）：０．１２％以下
Ｓは、パーライト促進元素であり、０．１２％を超えて含有させるとチルが発生して脆化する。したがって、Ｓ：０．１２％以下とする。一方、Ｓは、共晶セル増加および黒鉛の湾曲効果により引張強さを上昇させる作用を有するので、０．０６％以上の含有が必要であり、好ましくは、Ｓ：０．０６〜０．１２％とする。
【００２８】
（９）Ｃｕ（銅）：２．０％以下
Ｃｕは、パーライト促進元素であり、引張強さを上昇させる。一方、Ｃｕは、２．０％を超えて含有させるとコストの面から不利となる。したがって、Ｃｕ：２．０％以下とする。好ましくは、Ｃｕ：０．５〜１．５％である。
【００２９】
（１０）Ｎｉ（ニッケル）：０．５％を超え３．０％以下
Ｎｉは、Ｃｕと同じくパーライト促進元素であり、引張強さを上昇させるので、０．５％を超える含有が必要である。一方、Ｎｉは、３．０％を超え含有させるとコストの面で不利となる。したがって、Ｎｉ：０．５％を超え３．０％以下である。好ましくは、Ｎｉ：０．７〜１．３％である。
【００３０】
（１１）Ｃｒ（クロム）：０．５％を超え１．５％以下
Ｃｒは、パーライト促進元素であり、引張強さを上昇させる。また、パーライトのセメンタイト中に濃化し、パーライトを安定化する。すなわち、成長現象を抑制し、加熱、冷却による体積の変化率が小さくする効果を得るため、Ｃｒは０．５％を超える含有が有効である。一方、Ｃｒは、１．５％を超えて含有させると、チルが多量に発生して好ましくない。したがって、Ｃｒ：０．５％を超え１．５％以下である。
【００３１】
（１２）黒鉛との基地境界で幅１０〜２０ÅにＳｎ（すず）が濃化し、Ｓｎ濃化度：１０〜１０００
黒鉛との基地境界の幅１０〜２０Å（オングストローム）と極狭い範囲にＳｎを濃化させることで、制動による摩擦熱の繰り返しサイクルによる黒鉛の成長現象を抑制し、また、黒鉛に沿った内部酸化を抑制できて、熱亀裂の進展を防止する。また、黒鉛と基地組織とを密着させて熱伝導率を向上する。このような効果を得るため、黒鉛との基地境界で幅１０〜２０ÅのＳｎ濃化度は１０以上とする必要がある。一方、黒鉛との基地境界で幅１０〜２０ÅのＳｎ濃化度が１０００を超えても、効果が飽和する。したがって、黒鉛との基地境界で幅１０〜２０ÅのＳｎ濃化度：１０〜１０００である。ここで、Ｓｎの濃化度とは、黒鉛との基地境界の幅１０〜２０ÅでのＳｎ含有量（質量％）を、ディスクブレーキ用ロータとしての材料全体のＳｎ含有量（質量％）で除した値である。
【００３２】
一方、黒鉛との基地境界で幅１０〜２０ÅのＳｎ濃化度を１０〜１０００とするために、Ｓｎ：０．０１〜０．０５％、好ましくは、Ｓｎ：０．０１〜０．０３％含有させる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、発明の実施の形態を説明する。表１に示す組成となる片状黒鉛鋳鉄を、１００ｋｇ用高周波炉を用いて大気溶解し、１５００℃以上で出湯した後、直ちに１４５０℃以上で注湯して鋳造し、その後、機械加工を施して制動試験用の供試材を作製した。
【００３４】
0004533475.tif 000002
（注）
（１）発明材（上限）および（下限）の記号のうち、＜は未満、＞は超えるを示す。
（２）残部は記載しないが、不可避的不純物およびＦｅである。
【００３５】
なお、表１において、従来材１は特公平６１−１７９００号公報に記載される鋳鉄であり、従来材２は特開平３−２３２９４３号公報に記載される鋳鉄であり、従来材３は特開平１０−２１２５４５号公報に記載される鋳鉄である。
【００３６】
発明材１〜５と従来材１〜３について液体窒素下の低温にて強制破面を出し、表面元素分析法であるオージェ電子分光法（ＡＥＳ）により、黒鉛との基地境界で幅１０〜２０ÅのＳｎ濃化度を測定した。表１に黒鉛との基地境界で幅１０〜２０Åの３点におけるＳｎ濃化度の平均値を示す。
【００３７】
次に、各供試材を用いて、以下に述べる評価試験を行った。
（１）耐熱亀裂性
特に大型トラックに適用されるディスクブレーキ用ロータは、ブレーキパッドによる制動で６００〜７００℃近くの高温となり、制動が解放されて常温に戻るので、この繰り返し熱サイクルでの耐熱亀裂性が要求される。図２は、制動試験の模式図である。図２で、５は、表１に示す組成で外径１０２ｍｍ、内径５８ｍｍ、厚さ１０ｍｍで制動面５ａを形成した供試材、６は、幅５０ｍｍ×５０ｍｍ×厚さ１１ｍｍ、裏板が６ｍｍで、円周方向に３等分に配置したノンアスベスト系のパッド、７は、制動する面から約１ｍｍ離れた位置のパッド６内に挿入した熱電対である。図２で、熱電対７で検出しつつ、パッド６により制動面５ａが６００℃となるよう制動後、１５０℃までの放冷を６００回繰り返す制動試験を行い、制動試験前後に制動面５ａ発生した亀裂のうち３個所について、その垂直方向の平均亀裂深さ（単位：μｍ）と最大亀裂深さ（単位：μｍ）を測定した。その結果を表２に示す。
【００３８】
表２から、発明材１〜５は、制動面５ａの平均亀裂深さが５０μｍ以下、最大亀裂深さが１００μｍ以下である。これは、黒鉛との基地境界の極狭い範囲にＳｎを偏析させ濃化させることで、制動による摩擦熱の繰り返しサイクルによる片状黒鉛鋳鉄の成長現象を抑制し、また黒鉛片に沿った内部酸化を抑制しているからである。一方、従来材１〜３は、平均亀裂深さ、最大亀裂深さとも大きい。以上のことから、パッドによる制動で制動面が６００〜７００℃近くの高温となり、制動が解放されて常温に戻るディスクブレーキ用ロータには、発明材１〜５のものが優れていることがわかる。
【００３９】
（２）耐摩耗性
特に大型トラックに適用されるディスクブレーキ用ロータは、ブレーキパッドによる制動の繰り返しでの耐摩耗性が要求される。耐摩耗性は、前述の図２に示す制動試験により、制動試験前後の供試材５の、制動面５ａの単位面積当たりの摩耗量（単位：ｍｇ／ｃｍ2 ）、および３個のパッド６合計の摩耗量（単位：ｇ）を測定した。その結果を表２に示す。
【００４０】
表２から、発明材１〜５は、制動面５ａの摩耗量が１０ｍｇ／ｃｍ2 以下であり、摩耗量が少ないと評価できる。また制動を与えるパッド６の摩耗量も少なく、制動面５ａがパッド６を攻撃することが少ないことがわかる。一方、従来材１〜３は、制動面５ａ、パッド７とも摩耗量が多い。以上のことから、ブレーキパッドにより繰り返し制動を受けるディスクブレーキ用ロータには、発明材１〜５のものが優れていることがわかる。
【００４１】
また、発明材１〜５は、引張強さが２００〜２７０Ｎ／ｍｍ2 あり、機械的性質は（ＪＩＳ）ＦＣ１５０以上有し、従来材と同等またはそれ以上であった。
【００４２】
0004533475.tif 000003
【００４３】
【実施例】
図１は、大型トラック用のディスクブレーキ用ロータ１を示す横断面図である。ディスクブレーキ用ロータ１は、外径１ａが４３７ｍｍ、内径１ｂが２００ｍｍ、ロータ部１ｃの幅が３８ｍｍであり、ボルト（図示せず）を挿通する多数の孔１ｄ、トラックのホイールハブ（図示せず）に取り付ける取付部１ｅ、ノンアスベスト系のパッド２，３で制動を受けるディスク部１ｆ、１ｇを有する。図１のディスクブレーキ用ロータ１を表１の発明材３の組成で作製し、大型トラックに適用した。その結果、ディスク部１ｆ、１ｇは、平均亀裂深さが３５μｍ、最大亀裂深さが７５μｍと、共に小さく、また摩耗も１．７ｍｇ／ｃｍ2 と少なく、耐熱亀裂性、耐摩耗性に優れていた。また、機械的性質は、（ＪＩＳ）ＦＣ１５０以上であり、本発明のディスクブレーキ用ロータが優れた耐久性を有することが確認できた。
【００４４】
【発明の効果】
本発明のディスクブレーキ用ロータは、耐熱亀裂性、耐摩耗性に優れ、また機械的性質は従来材と同等以上であり、乗用車と比較して使用条件の過酷な大型トラックに適用でき、それのみでなく、中、小トラックや乗用車等に適用しても優れた耐久性を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】大型トラック用のディスクブレーキ用ロータを示す横断面図である。
【図２】制動試験の模式図である。
【符号の説明】
１：ディスクブレーキ用ロータ、２，３：パッド、５：供試材、５ａ：制動面、６：パッド、７：熱電対。
【図１】
0004533475.tif 000004
【図２】
0004533475.tif 000005