(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
摩擦面として形成された少なくとも１つの側面と、支持領域とを備えた摩擦ディスクであって、
前記支持領域が炭素繊維強化セラミックス複合材料Ａと、該材料Ａとは異なる材料Ｂとから成り、
前記異なる材料Ｂが、前記材料Ａより小さな磨耗強度および酸化強度を有し、
前記摩擦面の０．１〜２０％が異なる材料Ｂから成り、
残りの摩擦面および支持領域が材料Ａから成り、しかも
前記異なる材料Ｂから成る要素の質量が５０％失われたことに伴い、摩擦ディスクのバランス性が、前記重量の低下により引き起こされたアンバランスに起因して少なくとも５％低下することを特徴とする摩擦ディスク。
【請求項２】
少なくとも１つの摩擦層を有し、前記異なる材料Ｂから成る要素の厚さが、前記少なくとも１つの摩擦層の厚みの０．１〜１０倍であり、しかも前記摩擦ディスクの厚さより小さいことを特徴とする請求項１記載の摩擦ディスク。
【請求項３】
支持領域および摩擦面における材料Ａが炭素繊維強化セラミックスであり、その母材が炭化珪素、珪素および炭素を含むことを特徴とする請求項１又は２記載の摩擦ディスク。
【請求項４】
支持領域および摩擦面の材料Ａが、炭素繊維強化炭素体に液体珪素を含浸し、その珪素を母材の炭素の少なくとも一部と反応させて炭化珪素にすることにより得られたことを特徴とする請求項３記載の摩擦ディスク。
【請求項５】
材料Ｂにおける炭素の質量比が４０％以上であることを特徴とする請求項１又は２記載の摩擦ディスク。
【請求項６】
材料Ｂから成る少なくとも１つの要素が、摩擦ディスクの総厚さにわたり延びることを特徴とする請求項１記載の摩擦ディスク。
【請求項７】
材料Ｂから成る要素が、摩擦ディスクに回転対称に配置されたことを特徴とする請求項１又は２記載の摩擦ディスク。
【請求項８】
材料Ｂが炭素を、黒鉛、黒鉛微粒子、炭素繊維マット、炭素繊維フリース、炭素繊維強化炭素（ＣＦＣ）および炭素から選択した形で含むことを特徴とする請求項１又は２記載の摩擦ディスク。
【請求項９】
材料Ｂが別の成分として、酸化物、窒化物、珪化素および炭化物を含むことを特徴とする請求項８記載の摩擦ディスク。
【請求項１０】
材料Ｂが窒化硼素、炭化珪素、酸化アルミニウムの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１又は２記載の摩擦ディスク。
【請求項１１】
摩擦ディスク全体の表および裏における材料Ｂから成る要素の表面積の比が少なくとも１％であることを特徴とする請求項１又は２記載の摩擦ディスク。
【請求項１２】
摩擦ディスクにおける材料Ｂの質量比が少なくとも０．３％であることを特徴とする請求項１又は２記載の摩擦ディスク。
【請求項１３】
材料Ａから成る摩擦ディスクの空所内に、その空所に合わせて形成した材料Ｂから成る要素を挿入し、固定することを特徴とする請求項１又は２記載の摩擦ディスクの製造方法。
【請求項１４】
材料Ｂから成る要素の半製品を、珪素を含浸させて珪素化する前に、摩擦ディスクの炭素繊維強化炭素含有半製品に予め設けた空所（凹所又は孔）内に挿入又は接着し、その後、材料Ｂを液体珪素で含浸し、Ｃ／ＳｉＣ材料を成生させ、センサ要素を摩擦ディスクに固く結合することを特徴とする請求項４記載の摩擦ディスクの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭素繊維強化セラミックス複合材料から成り、少なくとも片側面が摩擦面として形成された摩擦ディスク、特にブレーキ又はクラッチディスクに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ブレーキ用途でのブレーキディスクへの複合材料の利用は、航空機分野やレース用自動車の分野で知られている。その材料は、極めて大きな負荷と温度迄良好な摩擦学的特性を示す特長を持つ。この場合、炭素繊維強化炭素材料（ＣＦＣ）から成る材料が技術的に実証されている。摩擦ディスクやブレーキディスク用の最新世代の材料において、特に珪素、炭化珪素および炭素を基礎とする母材から成る繊維強化セラミックス材料又は他の母材材料との混合物が採用されている。炭化珪素、珪素および炭素の混合物である母材材料と組み合わせて所謂「Ｃ／ＳｉＣ材料」を生ずる炭素繊維や黒鉛繊維の幅広い利用は、例えばドイツ特許出願公開第１９７１０１０５号明細書に記載されている。摩擦ディスクおよび特にブレーキディスクは、一般に異なる要件により規定された、異なる材料特性と組成を持つ２つの領域を備える。Ｃ／ＳｉＣ材料に対する適当な構造は、例えばドイツ特許出願公開第４４３８４５６号明細書に記載されている。摩耗に曝される表面領域は所謂摩擦面であり、該摩擦面は特に優れた摩擦特性と摩耗特性を示す。その下側に位置する材料は所謂支持領域を形成し、この支持領域の目的は、主に摩擦力を受け、固定部（例えば制動される車輪の車軸への組立個所）に伝達することと、摩擦又は制動エネルギを吸収して排出することとである。Ｃ／ＳｉＣ材料は、１０００℃を越える温度に対する耐熱性と大きな耐摩耗性を有する点で優れているが、利用条件下での長期間の使用中に、酸化損耗（表面および／又はその下側に位置する層の化学変化）および摩擦学的摩耗が生ずる。
【０００３】
ＣＦＣ材料およびＣ／ＳｉＣ材料は、繊維形状および／又は母材の形で炭素を含んでいる点で共通している。その炭素は、利用条件下で連続使用中に生ずる温度において、顕著な酸化作用に曝される。炭素の燃焼によって組織が弱まり、強度が低下する。複合材料の機械的特性はセラミックスに類似し、これは特に破壊靭性の減少によって特徴づけられる。この弱体化は、特に支持領域の機能にとって非常に不利である。ブレーキディスクや摩擦ディスクの固定部位における材料の損傷により構造物全体が損傷を蒙るからである。これは、セラミックス材料が機械的過負荷の代表的な損傷パターンとして脆性破壊性を有するだけに、なお一層重要である。従って、過負荷時に、例えばねずみ鋳鉄製ブレーキディスクのような金属材料と異なり、塑性流れも変形も生ぜず、破局的破損を生ずる。
【０００４】
ブレーキ装置における摩耗は、通常、例えば米国特許第４２９８８５７号明細書に記述のように、ブレーキディスクに対向して位置する摩擦ライニングに設けた電子センサにより測定する。そこでは、摩擦面に電気接点を一体に組み込み、この電気接点を材料損耗に伴い破断させる。この方法の場合、センサを経済的に容認できる経費で摩擦ディスク自体に一体化させ難いという欠点がある。摩擦ディスクに生ずる１０００℃超の使用温度によっても、摩擦ディスクに電子および電気装置を実装できない。摩擦面の摩耗を表示する別の方式では、例えばヨーロッパ特許出願公開第０９８５８４５号明細書に記載のように、使用時生ずる摩擦面全体の材料損耗に伴い認識不能となる窪みを摩擦面に設ける。これら何れの方式も、摩擦領域の摩耗しか表示できず、支持領域の酸化損耗の状態は表示不能であり、従って要求される装置の機械特性に関する表示には適用し得ない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、摩擦ディスクの摩耗状態を、その支持領域の機能が、特に酸化損耗により弱体化および悪化する前に、光学式、音響式又は別の方式で使用者に報知するセンサとも呼べる要素を、摩擦ディスクに一体化することにある。またそのセンサの一体化を、摩擦ディスクを繊維強化セラミックス複合材料又はＣ／ＳｉＣから製造する間に、安価な工程で行おうとしている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この課題は、摩擦ディスクの摩擦面又は他の適当な位置に、摩擦ディスクの摩擦面の残り部位におけるよりも酸化損耗が速く進行する平形要素又は平形センサをはめ込むことで解決される。平形センサの摩耗は、光学式、音響式又は機械式に認識できる。そして摩擦ディスクは、それ自体が、即ち特に支持領域が顕著な摩耗又は酸化損耗を示す前に、交換されるか再加工される。その平形センサは、好適には、摩擦面および支持領域よりも小さな酸化強度を有する炭素含有材料および／又は黒鉛含有材料から成っている。制動過程で生ずる摩擦ディスクの加熱は、酸化し易い材料、特に炭素構造物（炭素繊維、炭素粒子又は母材における炭素部位）を徐々に酸化する。これによって、平形センサの表面が壊れ、その外観が粗くなり、多孔質となり、かつ孔が開く。その硬度および／又は表面形態の変化は、例えば単純な視覚検査で検出できる。センサを摩擦ディスクの内側面に設けた場合、例えば冷却通路内や単純な視覚検査のために接近できない端面に設けたとき、センサ体の完全な損壊を摩耗表示として用いる。その場合のセンサは、センサ材料の完全な損壊によって摩擦ディスクの内部に不均一な質量分布が発生するように設計する。その不均一な質量分布は、アンバランス、運転の乱れ又は振動により認識できる。センサ体の完全な損壊による体積要素の欠落は、運転騒音やブレーキ騒音の変化によっても認識できる。
【０００７】
従って本発明の対象は、炭素繊維（Ｃ繊維とも呼ぶ）で強化したセラミックス複合材料Ａから成り、少なくとも片側面を摩擦面として形成した摩擦ディスク、特にブレーキ又はクラッチディスクであり、本発明に基づく摩擦ディスクは、摩擦面の少なくとも一部（平形要素）が、異なる材料Ｂ、特に炭素含有材料から成り、この異なる材料Ｂが、残りの摩擦面および摩擦ディスクの支持領域における材料Ａより小さな摩耗および酸化強度を有することで特徴づけられる。その母材の材料Ａは、炭化珪素、珪素および炭素の混合物であるとよい。
【０００８】
この平形要素の材料Ｂと、摩擦ディスクおよび／又は支持領域の材料Ａとの強度差は、センサとして作用する平形要素の範囲での摩耗が、支持領域を含む残りの摩擦ディスクが認識可能な顕著な摩耗を示す前に、運転中光学式、音響式又は別の方式で運転者が認識できるように選定する。強度の小さな材料Ｂから成る平形要素は、未摩耗状態でのアンバランスを防止するため、回転軸線に関し対称配置とするとよく、その場合、少なくとも２つの平形要素を摩擦ディスクに一体に組み入れる。平形要素は多角形、星形、楕円形又は特に円形に形成する。
【０００９】
摩擦ディスクへのセンサの設置は、摩擦ディスクの製造工程中に行うとよい。
【００１０】
摩擦および支持ディスク用の材料Ａとして、特に炭素含有材料に珪素を含浸して製造したＣ／ＳｉＣ材料並びに他の繊維強化セラミックス材料が適する。
【００１１】
摩擦ディスクにＣ／ＳｉＣ材料を利用する特に有利な実施態様では、センサは珪素化前に、半製品として摩擦ディスクに入れられ、摩擦ディスクと一緒に、珪素化工程を受ける。センサの半製品に対する材料として、種々の配列および種々の起源の炭素材料が使用できる。炭素材料として、黒鉛、特に黒鉛微粒子、黒鉛製品、織物、編物、フリース又はマットの形をしたＣ繊維、ＣＦＣ材料、木炭および石炭が優れている。特に、黒鉛、Ｃ繊維マットおよびＣＦＣ材料が有利である。センサの半製品は別の成分として、炭素材料の珪素含浸および利用上の酸化に対する反応に良好な影響を与える酸化物、窒化物、珪化素および炭化物を含む。特に、窒化硼素および酸化アルミニウムを含むとよい。本発明に基づき、半製品の組成は、含浸後のセンサの材料Ｂが４０％、好適には６０％、特に９０％より高い炭素含有量（質量比）を有するよう設定する。
【００１２】
本発明の実施態様において、Ｃ／ＳｉＣ材料から摩擦ディスクを製造するために、センサの半製品を、珪素を含浸して珪素化する前に、摩擦ディスクの炭素繊維強化炭素含有半製品又はＣＦＣ形状に予め設けられた空所（凹所又は孔）の中に挿入又は接着する。接着剤として、特に炭素材料と熱分解可能な結合剤から成り珪素化可能な混合物を利用する。しかし原理的には、セラミックスの接着に対して適用され且つ珪素化によって接着作用が失われない他の適当な全ての接着剤が利用できる。その後、材料を液体珪素で含浸し、Ｃ／ＳｉＣ材料を得、センサ要素を摩擦ディスクに固着する。またセンサの炭素材料は、部分的に珪素化し、部分的にＳｉＣに変わる。この結果、センサの摩耗性および酸化性も変化する。
【００１３】
従って、本発明の主な観点は、珪素化後に、センサの摩耗強度および酸化強度が摩擦ディスクの働きに合わせた強度より減少するように、センサに対する半製品の組成を適当に選定することにある。センサの幾何学的形状に関し、原理的には、摩擦面および支持領域並びに所望の表示機構の機能だけを、限られた要因として考慮するだけでよい。視覚検査を実施するため、純粋に光学式に表示するセンサを利用するとき、このセンサは、摩擦ディスクの摩擦面に収容せねばならない。ここで摩擦面とは、円柱状摩擦ディスクの表と裏の全表面だけでなく、それに対向して位置する面も意味する。従って、平形センサの本発明に基づく位置付けは、摩擦面の摩擦に曝される領域に限定されない。本発明に基づき、センサの面は、摩擦面の摩擦作用を殆ど害さないような大きさと方法で形成する。センサとして作用する平形要素の表面は、通常摩擦面の表面の０．１％、好適には１％より大きく、特に２〜２０％である。その場合、複数の同様の又は異なったセンサ要素を採用することもでき、それに応じセンサの総面積が増大する。センサ面の幾何学的形状は殆ど任意に選定でき、その場合、単に視覚検査ができる程に十分大きな平面部位を生じさせることに注意すればよい。通常、センサは円形、矩形又は台形に形成される。文字や記号の形にしてもよい。センサ要素の厚さは、ほぼ支持領域の機能により定まる。支持領域の強度分布が許するなら、センサは摩擦ディスクの片側面から反対側面迄支持領域を突き通してもよい。そのため本発明に基づき、平形ではなく、棒状のセンサを採用することもできる。通常、平形センサの厚さは、摩擦ディスクの厚さの１００％、好適には５１％より小さく、特に１０％より小さい。摩擦層付き摩擦ディスクにおいて、センサの厚さは、通常摩擦層の厚さの０．１〜１０倍、好適には約１倍である。本発明の他の実施態様において、摩擦ディスクの片側面から反対側面迄貫通して延びる棒状センサが採用できる。棒状センサの長さは通常、摩擦ディスクの厚さの８０〜１００％、好適には９０〜１００％であり、特に約１００％である。何れの場合も、センサ表面の損耗は少なくとも光学式に表示される。
【００１４】
本発明の他の有利な実施態様では、センサを摩擦ディスクに既に設けた空所内に挿入し、例えば接着又はろう付けにより固定する。摩擦ディスクの材料としてＣ／ＳｉＣを利用するとき、Ｃ／ＳｉＣ摩擦ディスクの製造後に初めて、即ち液体珪素化後に初めて、センサを表面に接着する。ここでは、センサに対して上述のように同じ材料を用い、センサ要素（材料Ｂ）はここでも同様に好適には、少なくとも４０％の炭素質量比を有する。これは、センサを摩擦ディスクの半製品と一緒に珪素化する場合と異なり、接着結合の強度がセンサ作用の要件に簡単に適合するという利点を有する。接着剤として、特に炭素材料と熱分解可能な結合剤とから成る混合物を用いる。しかし原理的には、セラミックスの接着に利用可能な他の全ての接着剤が使える。本発明の特に有利な実施態様において、接着結合は、表示すべき摩擦ディスクの運転中に、センサが固定部から部分的に又は完全に脱落するよう設計する。これによって、光学式表示機能の他に、機械的作用も得られる。センサの適当な大きさおよび位置付けに基づき、センサの破損によりアンバランスが生じ、このアンバランスは摩擦ディスクの使用中に振動を発生する。本発明に基づき、センサの面積を、摩擦面の摩擦作用を殆ど害さないように大きく選定する。ここでもセンサの表面積は、通常摩擦面の表面積の０．１％より大きく、好適には１〜５％、特に好適には２〜１５％である。ここでもセンサ要素の厚さは、摩擦ディスクの厚さの数％、例えば摩擦ディスクの厚さの２〜１００％である。この実施態様において、通常、平形センサの厚さは、摩擦ディスクの厚さの１００％より小さく、好適には５１％、特に１０％より小さい。他の実施態様では、ここでも棒状センサが利用でき、そのセンサは摩擦ディスクの片側表面から反対側表面迄貫通して延びている。棒状センサの長さは同様に、摩擦ディスクの厚さの通常８０〜１００％、好適には９０〜１００％、特に好適には約１００％である。この本発明に基づく形態は、勿論、Ｃ／ＳｉＣ材料に限定されず、センサ要素の材料Ｂに対し、摩擦面又は支持領域の材料Ａに比べて小さな酸化強度又は摩耗強度の条件が満足される限り、摩擦面および支持領域に対する材料Ａとセンサ体に対する材料Ｂとを任意に組み合わせることができる。
【００１５】
本発明は、平形センサが端面又は内部通風ディスクの内側面に存在する実施態様も含む。その場合、酸化損耗を生じさせるべく支障のない空気通過が行われ、センサの表示作用が生ずることのみが必要である。ディスクの端面に、又は内部通風ディスクの内部にセンサを設ける場合、センサの光学式表示は目立たなくなる。従って、補助的な表示機構として、センサの体積と幾何学形状を、センサの摩耗が音響又は機械的に認識可能なように選定する。これは、例えばセンサが表面上だけでなく、完全に又は部分的に燃焼し、摩擦ディスクの内部における体積分布から質量分布が変化することで運転中に振動が発生するか、不均一な摩擦挙動を生じて擦り付け騒音を発生することで達成される。この現象を、センサの表示用に利用する。
【００１６】
このためセンサ要素は、摩耗又は酸化によってセンサの質量が５０％損失した際に発生する（静的）アンバランスが、摩擦ディスクが一体化されている装置のバランス性を、運転挙動の変化によって運転者が認識できるほどに悪化させるように、摩擦ディスクに好適な方法で設けられる。これは、センサ要素を回転軸線に対しずらして配置し又は複数のセンサ要素を設けることで保障される。その質量を決定する際、センサの質量が１００％失われたときに、発生するアンバランスが装置の機能性を害さないよう、注意せねばならない。
【００１７】
なお前記のバランス性とは、Ｑ＝（静的アンバランス／ロータ質量）×角速度で規定される。
【００１８】
通常、センサ要素の質量は、摩擦ディスクの質量が約３ｋｇの場合、約１０〜１２ｇであり、これは摩擦ディスクの質量の少なくとも約０．３％である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下図示の実施例を参照し、本発明を詳細に説明する。
【００２０】
図１は、摩擦ディスク１を断面図で示す。ディスク１の表面に種々のセンサ要素２ａ、２ｂをはめ込みで、そして摩擦ディスク１の全厚みを貫通して棒状のセンサ２ｃ、２ｄ、２ｅを、摩擦ディスク１の回転軸線に対し平行に又は傾斜して配置しており、該センサ２ｅは内部通風形ブレーキディスクの通路を突き抜けている。これら両形式のセンサ要素は、上述の２方式で設ける。即ち、一方では炭素含有セラミックスにセンサ半製品を埋設し、次に一緒に液体珪素を含浸し、他方では、例えば珪素化済み完成Ｃ／ＳｉＣ摩擦ディスクにセンサを接着する。
【００２１】
図２は、種々の形状を持つセンサ２ｅ〜２ｈと、文字の形のセンサ要素２ｉとを備えた摩擦ディスク１を平面図で示す。勿論、実際には、複数のセンサのマーク領域を、軸心を中心として回転対称（回転軸線として少なくとも二重対称軸）に配置していることに注意されたい。平形センサは、摩擦ディスクの回転軸線に関し、二重、三重、四重又は六重の対称軸を有する構造で配置するとよい。
【００２２】
図３は、楕円形センサ要素２ｊを備えた摩擦ディスク１を平面図で示す。
【００２３】
センサが大きな面積を占めるとき（センサ２ｈ、２ｊの場合）、該センサは表面にしかはめ込まない。さもないと、図示の実施例の場合、摩擦ディスクを単一品として作り得ない。２ａ〜２ｇ、２ｉの種類のセンサは、表面にはめ込んでも、摩擦ディスクに通し棒の形で設けてもよい。
【００２４】
例えば、元来同じ質量の４つのセンサ要素を備えた実施例において、各々２つのセンサを同じ材料で作って並べて配置し、対向して位置する一対のセンサを第２の材料で作り、それらの異なった両センサ材料が異なる酸化性又は摩耗性を有するとき、摩耗時の異なる速度での崩壊により追加的なアンバランスが生じ、このアンバランスを特に高速運転中に感知できる。
【００２５】
実施例：
例１
光学式表示機能を持つ摩耗表示器付きのブレーキディスクを製造するため、外径３５０ｍｍのブレーキディスクの形をした多孔性ＣＦＣ体を製造した。このブレーキディスク体には当初から略図２ｂに応じた平形センサ要素を収容するための凹所を設けた。この凹所は、ブレーキディスクの将来の外側面に、ブレーキライニングに対向して位置する部位の中心に存在する。円形凹所は直径２０ｍｍ、深さ４ｍｍの寸法を持つ。該凹所内に密度１．０９ｇ／ｃｍ3の黒鉛化ＣＦＣ要素をはめ込んだ。そしてブレーキディスク体を炉内に入れて珪素粒子で覆い、真空内で１６００〜１９００℃に加熱した。その際、珪素がブレーキディスク体に浸透し、センサをブレーキディスクに固着した。センサ要素は８００℃の基準温度で１時間内に６５％の重量損失を生ずるよう、酸化速度の差を設定した。その重量損失は、粗い多孔性の組織において顕著に認められた。これに対しセンサ要素なしの基準ブレーキディスクの酸化重量損失は、同じ条件の下で約１２％であった。その表面はセンサ要素に比べてかなり滑らかで密であった。
【００２６】
例２
光学式表示機能を有する摩耗表示器付きのブレーキディスクを製造するため、外径３５０ｍｍのブレーキディスクの形をした多孔性ＣＦＣ体を製造した。ブレーキディスク体には、当初から略図２ｆに応じた平形センサ要素を収容する２つの凹所を設けた。これら凹所は、摩擦ライニングに対向して位置する領域外で、ブレーキディスクの両側面に存在する。円形凹所は直径２０ｍｍ、深さ４ｍｍの寸法を持っていた。このブレーキディスク体を、例１で述べたようにして珪素化した。凹所内に密度１．７５ｇ／ｃｍ3の黒鉛要素を接着した。
【００２７】
例３
図１の、機械的表示機能を持つ摩耗表示器付きのブレーキディスクを製造するため、外径３５０ｍｍのブレーキディスク状の多孔性ＣＦＣ体を製造した。このブレーキディスクには内部通風用の通路を設けた。このブレーキディスク体に黒鉛ピン２ｅを垂直に突き通した。従って、黒鉛ピン２ｅは片側面から反対側面迄延び、内部通風用の通路を横切っていた。黒鉛ピン２ｅは５．５ｍｍの直径を持っていた。黒鉛ピン２ｅはフェノール樹脂接着剤で孔内に固定した。そして、ブレーキディスクの珪素化を、例１で述べた方法で行った。８００℃の基準温度での酸化速度の差は、黒鉛ピンがその燃焼により約１時間後にその係留点から外れるか崩壊するように設定した。これに伴い、予めバランスしていたディスクにアンバランスが生じ、それは運転者が振動により認識可能であった。また黒鉛ピンの燃焼状態は、当該技術者により光学的に検出可能であった。
【図面の簡単な説明】
【図１】種々のセンサ要素を備えた摩擦ディスクの断面図。
【図２】センサ要素の具体的な形状を示した摩擦ディスクの平面図。
【図３】楕円形センサ要素を備えた摩擦ディスクの平面図。
【符号の説明】
１          摩擦ディスク
２ａ〜２ｊ  センサ要素
【図１】
0003947033.tif 000002
【図２】
0003947033.tif 000003
【図３】
0003947033.tif 000004