(57)【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】
0004367605.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】
0004367605.tif 000003