(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス材からなる粉末強化材およびそのバインダに前記強化材粉末粒子径以下のサイズの粉末発泡スチロールを混合分散させて押し固めることによりブレーキロータの摺動リングとロータ本体とのプリフォームを成形するに際して、摺動リング用プリフォームは強化材の体積含有率を１０〜６０％とし、ロータ本体用プリフォームは強化材の体積含有率を５〜１０％となるように発泡スチロール粉末の量を調整して各々作成し、これらを接合一体化した後に金属溶湯を含浸してブレーキロータを製造することを特徴とするブレーキロータの製造方法。
【請求項２】
摺動リング用プリフォームは強化材体積含有率を２０〜４０％としてなることを特徴とする請求項１記載のブレーキロータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はブレーキロータの製造方法に係り、特にアルミニウム等の軽合金を主体としてセラミックス強化材を複合させたブレーキロータを任意の強化材体積含有率で製造することができるようにしたブレーキロータの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に各種機械部品には所望の剛性が要求されると同時に、軽量化も要求されることが多い。このような要求から例えば車両用のブレーキ部品としてアルミニウム若しくはその合金が用いられるようになっている。また、最近では軽合金にセラミックスからなる強化材を複合した部品も見られ、特に耐摩耗性や耐熱性に有効であることから有望視されている。
【０００３】
このような強化材複合材料として、例えば特開平６−３３５７８６号公報に見られるように、ブレーキロータ等に適用したものがある。これは強化材粉末とアルミニウム粉末を熱間塑性加工により接合一体化し、この一体品をロータ面に摩擦圧接させるようにしている。しかし、このような接合型の複合材料は接合面での結合強度を確保することが難しい。
【０００４】
したがって、従来では、アルミニウムインゴットの中に強化粒子を分散させたものを用いて成形する方法が提案されている。また最近では、強化材をプリフォーム（予備成形体）として成形し、その中にアルミニウム溶湯を含浸させる方法も提示されており、これによって得られた金属複合材は金属マトリックス複合体（Ｍｅｔａｌ  Ｍａｔｒｉｘ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ：ＭＭＣ）として知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前者のインゴット中に強化材粒子を分散させたものでは、インゴット中の強化材粒子の量が増加すると、すなわち強化材の体積含有率が高くなると、湯流れ性が悪くなり、鋳造が不能となるため、最大体積含有量は１〜３０％であった。また、鋳造に際して強化材分散の溶湯を鋳込むが、強化材と基体金属の比重さにより強度分布を均等にすることが困難となっていた。
【０００６】
一方、後者のプリフォームに金属を含浸する構成のものでは、プリフォームの形状を保持するためには、強化材の体積含有率が低いとフォームが崩壊してしまうので、その体積含有率は２０％以下のものとすることができなかった。これは体積含有率を低くしようとすると強化材粒子径を大きくせざるを得ず、フォーム成形上、粒子径が大きいと成形ができなくなるからである。
【０００７】
本発明は、上記従来の問題点に着目し、金属マトリックス複合体からなるブレーキロータを製造するに際して強化材の体積含有率を任意に調整することができるブレーキロータの製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係るブレーキロータの製造方法は、セラミックス材からなる粉末強化材およびそのバインダに前記強化材粉末粒子径以下のサイズの粉末発泡スチロールを混合分散させて押し固めることによりブレーキロータの摺動リングとロータ本体とのプリフォームを成形するに際して、摺動リング用プリフォームは強化材の体積含有率を１０〜６０％とし、ロータ本体用プリフォームは強化材の体積含有率を５〜１０％となるように発泡スチロール粉末の量を調整して各々作成し、これらを接合一体化した後に金属溶湯を含浸してブレーキロータを製造することを特徴とするものである。
【０００９】
この場合において、摺動リング用プリフォームは強化材体積含有率を２０〜４０％としてなるようにすることが望ましい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明に係るブレーキロータの製造方法につき、具体的実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００１１】
本発明は種々の製品に応用可能であるが、適用効果が高いブレーキロータを製造する場合について説明する。アルミニウム複合材ロータ（以下、アルミロータという）は、自動車の足廻りに組み込まれてディスクブレーキ装置を構成するが、ブレーキパッドにより頻繁に挟圧されるため、そのパッド摺動面部には耐摩耗性、耐熱性が要求される一方、車輪への取り付け部となっているハット部は取り付けのための加工性および割れ耐久性や疲労強度が高いことが要求される。したがって、パッド摺動面部ではセラミックス粒子の体積含有量が高くする一方で、ハット部はセラミックス粒子の体積含有量を低くして伸び特性を優先させることが望ましい。
【００１２】
このような観点から、ブレーキロータのパッド摺動面部では強化材としてのセラミックス粒子の体積含有量が２０〜４０％のＭＭＣとし、それ以外のハット部を主体とする部分はセラミックス粒子の体積含有量が５〜１０％のＭＭＣとして形成する。このため図２に示すように、ブレーキロータ１０をパッド摺動面となる部分に相当する摺動リング部１２（１２Ｓ、１２Ｒ）と、当該摺動リング部１２に挟まれるロータ面板１４をハット部１６の外周部に一体的に形成したロータ本体１８とに分離し、それぞれのプリフォーム２０、２２を別途に作製し、これを接合して一体化したロータプリフォームを作製するようにしている。
【００１３】
すなわち、摺動リング部１２に対応する金型を準備しておき、これにセラミックス粒子にバインダ等を添加し、ブローイングマシンで金型に吹き込むことにより摺動リング部プリフォーム２０を成形する。これは５０〜７００メッシュのセラミックス粒子を用いて押し固めすればよい。例えば６０メッシュの粒子を用いることにより体積含有率を３５％に設定することができる。
【００１４】
また、ロータ本体１８に対応する金型を準備しておき、これには、上記と同様の相当直径を有するセラミックス粒子（およびバインダ）に加えて、同等の相当直径の高温焼失材を添加混合して分散させたフォーム素材をブローイングマシンで前記金型に吹き込んでロータ本体プリフォーム２２を成形するようにしている。高温焼失材としては発泡スチロールやワックスを用いればよく、これを混合対象のセラミックス粒子径と同等若しくはそれ以下の相当直径となるまで細粒化したものを用いればよい。このような高温焼失材の添加量は、製作すべきロータ本体１８におけるセラミックスの体積含有率の調整に用いられ、この添加量が増大することによりセラミックス体積含有量を減少させ、添加量が減少されればセラミックス単体による体積含有率に近づく。したがって、ロータ本体１８が所望のセラミックス体積含有量となるように、高温焼失材の添加量を調整することにより、例えば５〜１０％のセラミックス体積含有量、換言すれば９０〜９５％の金属基からなるロータ本体１８の構造とすることができるのである。
【００１５】
このようにして作製されたプリフォーム２０、２２をロータ形状となるように接着して、図３に示すような一体のロータプリフォーム２４を作製する。ロータプリフォーム２４はバインダおよび高温焼失材を含んでいるので、これをバインダ及び高温焼失材の焼失温度まで加熱することにより、セラミックス単体からなるフォーム２４が成形される。したがって、特に高温焼失材の焼失温度以上、発泡スチロールでは１５０℃程度の温度に設定された炉にロータプリフォーム２４を導入することにより、摺動リング部プリフォーム２０が２０〜４０％のセラミックス体積含有量、ロータ本体プリフォーム２２が５〜１０％のセラミックス体積含有量になる。これにより、摺動リング部プリフォーム２０の空隙率は６０〜８０％、ロータ本体プリフォーム２２の空隙率は９０〜９５％となり、この空隙部に金属を溶浸させることにより、ロータの構成部位単位で補強材の含浸率の異なる金属基複合ロータとすることができる。
【００１６】
このようなロータフォーム２４にアルミニウムやその合金を金属マトリックスが形成されるように溶浸させるのであるが、セラミックスフォームの空隙への金属含浸に際して、金属表面張力が含浸阻害の要因となるため、遠心または加圧押込みをなすようにしてもよいが、セラミックスフォームを窒化マグネシウムでコーティングして表面張力緩和をなすようにすることが望ましい。このため、フォーム成形前に、セラミックスフォームの素材中にマグネシウム金属を１重量％程度混合し、アルミニウム溶融金属含浸に際して窒素雰囲気中で作業を行わせるようにすればよい。もちろん、セラミックスフォームを構成しているセラミックス粒子や繊維等の表面に窒化マグネシウムをＣＶＤコーティングする等の手法を採用することもできる。
【００１７】
以下、本発明をブレーキロータの具体的製法に基づいて図１のフローチャートを参照して詳細に説明する。
【００１８】
（Ａ）摺動リング部プリフォーム成形工程（ステップ１００）
摺動リング部１２に相当するフォームは各々セラミックス材料を用いて作成される。セラミックス材料としてはアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、炭化珪素（ＳｉＣ）等の周知の材料を１種若しくは２種以上用いればよい。このセラミックス材料は繊維、ウィスカ、粒子等のいずれの形態でもよいが、成形性の観点からは粒子を用いることが望ましい。したがって、例えば平均粒子径が３０μｍのアルミナ粉末を用い、これを混合機にバインダを混合して分散させ、これを摺動リング部形状となるように、成形機の金型にブローイングマシンで吹き込んでプリフォーム２０成形する。
【００１９】
バインダとしてはケイ酸ソーダ、リン酸アルミ、コロイダルシリカ等を用いればよい。このとき、セラミックス材料の粒子径を適宜選定することにより、任意に空孔率を調整することができ、セラミック材料の体積含有率を調整することができる。摺動リング部１２に要求される耐摩耗性と耐熱性の観点から、この摺動リング部プリフォーム２０はセラミックス体積含有率が１０〜６０％の範囲、望ましくは２０〜４０％であることが有効である。
フォーム成形に際しては、後工程での供給される溶融アルミニウムがセラミックスフォームの内部に含浸することができるように、すなわちセラミックスへの金属濡れ性を改善するために、フォーム成形前にセラミックス材料中にマグネシウム金属を０．５〜１．０重量％程度混合させる。
【００２０】
（Ｂ）ロータ本体プリフォーム形成工程（ステップ１１０）
ロータ本体１８に相当するフォーム２２は上記摺動リング部プリフォーム２０に用いるセラミックス材料をそのまま利用する。したがって、例えば平均粒子径が３０μｍのアルミナ粉末を用いるため、混合機からの出口部から分岐路を介して第２の混合機にて導入される発泡スチロールと混合分散させ、これをロータ本体形状となるように、第２成形機の金型にブローイングマシンで吹き込んでプリフォーム成形するのである。
【００２１】
ここで、ロータ本体１８は摺動リング部１２に比較して強度、耐熱性よりは加工性、靱性が重視されるため、セラミックスの体積含有率は低くてよく、５〜１０％であることが望ましい。この体積含有率を調整するため、プリフォーム材に発泡スチロールを混合分散するようにしている。すなわち、図４（１）に示しているように、使用するセラミックス粒子Ｃと相当直径がほぼ等しい平均相当直径を有する発泡スチロール粒子Ｓを用い、これをセラミックス粒子Ｃ中に混合分散し、発泡スチロール粒子Ｓが焼失した場合のセラミックス体積含有率が所望の５〜１０％となるように調整するのである。フォーム成形は常温下で行うため、成形後のフォームには発泡スチロール粒子が残留しているが、図４（２）に示すように後の工程でこれが焼失され、焼失空隙Ａは金属溶浸空隙となる。
このロータ本体プリフォーム２２の成形に際しても、後工程での供給される溶融アルミニウムがセラミックスフォームの内部に含浸することができるように、すなわちセラミックスへの金属濡れ性を改善するために、フォーム成形前にセラミックス材料中にマグネシウム金属を０．５〜１．０重量％程度混合させる。
【００２２】
（Ｃ）金属遮蔽材の塗布工程（ステップ１２０）
個々に作製された摺動リング部プリフォーム２０とロータ本体プリフォーム２２とを接合一体化し、ロータプリフォーム２４とする（図３参照）。接合面には接着剤塗布により結合すればよい。
【００２３】
このようにして形成されたロータプリフォーム２４の外周部に塗布装置により金属遮蔽材を塗布してコーティング層を形成する。
【００２４】
（Ｄ）乾燥工程（ステップ１３０）
分割セラミックスフォームを組合わせたロータプリフォーム２４を炉にて昇温し、バインダとロータ本体部に相当するプリフォーム２２内の発泡スチロール２８を焼失させる。これは上記金属遮蔽材を塗布後、常温下にあるロータプリフォーム２４を乾燥炉に投入し、当該乾燥炉にて徐々に昇温させることにより行われるが、およそ１５０℃にて焼失させることができる。この焼失した状態は図４（２）のようになる。ただ、後段の含浸工程での温度に急激に昇温させることによってプリフォームにクラックが入ることを防止すべく、この乾燥炉では４００℃まで加熱するようにしている。すなわち、この乾燥炉の移動中にセラミックスフォーム内バインダおよび発泡スチロールを焼失させるようにしている。形成されたロータプリフォーム２４はロータと同等寸法とされ、フォーム内部にはセラミックスの含有率に対比される空隙Ａが形成され（図４（２））、金属マトリックス充填空間となる。
【００２５】
（Ｅ）金属含浸工程（ステップ１４０）
その後、このロータプリフォーム２４を型保持部材に載置固定し、これを窒素ガス雰囲気で満たされているとともに、基材金属としてのアルミニウム溶融温度である約７５０〜８５０℃に昇温されている含浸炉に投入するが、セラミックスフォームでの熱衝撃によるクラックの発生を防止するために、最初に予熱炉を通すようにしている。したがって、予熱炉では先の乾燥炉にて４００℃程度まで昇温させているので、４００℃から徐々に加熱するようにしている。その間に窒素雰囲気中に晒される。予熱炉を経て含浸炉内に導入されたセラミックスフォーム２４には、窒素ガスが金属遮蔽材を通気してセラミックスフォーム内に侵入し、フォーム内マグネシウム金属と化学結合して窒化マグネシウムが生成され、これがセラミックス材料に対するアルミ合金の濡れ性を改善する。この結果、含浸炉にてセラミックスフォームに対しアルミ合金溶湯が毛細管現象によりフォーム内空隙Ａに侵入し、図４（３）に示しているように、いわゆるマトリックス金属を形成する。セラミックスフォーム内へのアルミ合金が含浸して外表面の金属遮蔽材との境界面に達するまで含浸炉内で処理される。
【００２６】
（Ｆ）冷却仕上げ工程（ステップ１５０）
含浸炉から排出される成形品は次いで金属基材が固化するまで冷却処理するため冷却装置に供給される。ここで金属は常温まで冷却され、ロータはセラミックスフォームを内在した状態の金属基セラミックス組織となる。セラミックス間空隙に侵入した金属はいわゆる網目状金属配置のマトリックス金属基であり、セラミックスの体積含有率の異なるフォーム同志の境界面で融和結合した構造をなしている。
【００２７】
このようにセラミックス粒子にバインダ等を添加しブローイングマシンで金型に吹き込んで摺動リング部プリフォーム２０が形成される。一方、ハット部１６及びロータ面板１４を有するロータ本体プリフォーム２２は、セラミックス粒子に焼失する材料として発泡スチロールおよびバインダを添加し、発泡スチロールの添加量によりセラミックス体積含有量を大きく低減させている。これにより体積含有量は従来不可能であった２０％以下にも設定することができる。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るブレーキロータの製造方法によれば、セラミックス材からなる粉末強化材およびそのバインダに前記強化材粉末粒子径以下のサイズの粉末発泡スチロールを混合分散させて押し固めることによりブレーキロータの摺動リングとロータ本体とのプリフォームを成形するに際して、摺動リング用プリフォームは強化材の体積含有率を１０〜６０％とし、ロータ本体用プリフォームは強化材の体積含有率を５〜１０％となるように発泡スチロール粉末の量を調整して各々作成し、これらを接合一体化した後に金属溶湯を含浸してブレーキロータを製造するようにしているため、ブレーキ部品として、加工性および耐割れ性が要求される部位と、これと相反する耐摩耗性および耐熱性が要求される部位とを同時に要求されるブレーキロータ等に対して有効となる。したがって、上記方法により作製されたブレーキロータは、パッド摺動面は耐摩耗性が格段に向上し、ハット部１６は伸び特性を有するため割れや疲労に対する強度が向上したものとなる。また、切削加工においても刃具寿命が伸び生産性、コスト低減が図れる利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例の製造方法のフローチャートである。
【図２】ブレーキロータの分解斜視図である。
【図３】ロータプリフォームの断面図である。
【図４】ロータ本体プリフォームのアルミ含浸工程の説明模式図である。
【符号の説明】
１０          ブレーキロータ
１２          摺動リング部
１４          ロータ面板
１６          ハット部
１８          ロータ本体
２０          摺動リング部プリフォーム
２２          ロータ本体プリフォーム
２４          ロータプリフォーム
Ｃ            セラミックス粒子
Ｓ            発泡スチロール粒子
【図１】
0004204014.tif 000002
【図２】
0004204014.tif 000003
【図３】
0004204014.tif 000004
【図４】
0004204014.tif 000005