(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状の金属マトリックス複合材の両面にアルミ合金の板材を接合してサンドイッチ構造体を得る工程と、
このサンドイッチ構造体の中央に凹部をプレス成形する工程と、
前記プレス成形の際にプレスを施さなかった周辺部からアルミ合金層を除去することにより、ブレーキパッドに臨む摺動部を形成する工程と、からなる金属マトリックス複合材製ブレーキ用ディスクの製造方法。
【請求項２】
前記金属マトリックス複合材をアルミ合金マトリックス中にセラミックス粒子を含有させて製造したことを特徴とする請求項１記載の金属マトリックス複合材製ブレーキ用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、金属マトリックス複合材製のブレーキ用ディスクをプレス成形する金属マトリックス複合材製ブレーキ用ディスクの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１０は従来の代表的な自動車用のディスクブレーキ装置の断面図であり、ドライブシャフト１００にハブ１０１を取り付け、ハブ１０１にディスクブレーキ装置１０２のブレーキ用ディスク１０３を取り付け、このブレーキ用ディスク１０３をキャリパ１０６に差込んだ状態を示す。
キャリパ１０６のシリンダ（図示せず）に供給流路１０８から油圧を伝えて、ブレーキパッド１０７，１０７をブレーキ用ディスク１０３のディスク部１０５に押し付けることで車輪１０９を制動する。
【０００３】
ブレーキ用ディスク１０３のディスク部１０５にブレーキパッド１０７，１０７を押し付けるので、ブレーキ用ディスク１０３を高強度の材料で形成する必要がある。
一方、自動車の車体重量を軽減するために、ブレーキ用ディスク１０３を軽い材料で製造することが好ましい。
高強度で軽い材料として金属マトリックス複合材料（ＭＭＣ（metal matrix composite））が知られており、例えば金属マトリックスをアルミ合金とすることで軽量化を図ることができ、アルミ合金マトリックスにＳｉＣ（炭化けい素）粒を含有させることで高強度化を図ることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このアルミ合金マトリックス複合材でブレーキ用ディスク１０３を製造する方法として鋳造が考えられる。しかし、アルミ合金マトリックス複合材製のブレーキ用ディスク１０３を鋳造すると、アルミ合金マトリックス複合材料を溶解炉で溶かす必要があるので熱エネルギが嵩み、このことがコストアップの要因になる。
そこで、ブレーキ用ディスク１０３を量産化するにあたり、アルミ合金マトリックス複合材料を溶解する必要のないプレス加工の可能性を検討した。
【０００５】
図１１（ａ），（ｂ）は従来の金属マトリックス複合材製ブレーキ用ディスクの製造方法の説明図である。
（ａ）において、平板状のアルミ合金マトリックス複合材料１１０を準備する。
（ｂ）において、平板状のアルミ合金マトリックス複合材料１１０（（ａ）に示す）をプレス成形してブレーキ用ディスク１１１を得る。このブレーキ用ディスク１１１はディスク部１１２の内側にハブ１１３を凹状に形成したものである。
【０００６】
アルミ合金マトリックス複合材料１１０はアルミ合金マトリックスにＳｉＣ（炭化けい素）粒を含有したので、ブレーキ用ディスク１１１をプレス成形する際に、アルミ合金マトリックス複合材料１１０がプレス装置と接触する部位に比較的大きな摩擦抵抗が発生する。このため、プレス成形の際に折曲げ部１１４，１１５に亀裂が発生しやすく、金属マトリックス複合材製のブレーキ用ディスク１１１をプレス成形することは難しいことが分かった。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、金属マトリックス複合材製のブレーキ用ディスクをプレス成形で製造する技術を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明の請求項１は、板状の金属マトリックス複合材の両面にアルミ合金の板材を接合してサンドイッチ構造体を得る工程と、このサンドイッチ構造体の中央に凹部をプレス成形する工程と、前記プレス成形の際にプレスを施さなかった周辺部からアルミ合金層を除去することにより、ブレーキパッドに臨む摺動部を形成する工程とからなる。
【０００９】
板状の金属マトリックス複合材の両面にアルミ合金の板材を接合してサンドイッチ構造体とし、このサンドイッチ構造体の中央に凹部をプレス成形する。アルミ合金は成形性がよいので、アルミ合金を金属マトリックス複合材の両面に接合することでプレス成形の際に摩擦抵抗を減少を図る。これにより、プレス成形の際に金属マトリックス複合材に発生する応力を緩和する。
【００１０】
加えて、プレス成形の際にプレスを施さなかった周辺部からアルミ合金層を除去することにより、金属マトリックス複合材を露出させる。金属マトリックス複合材を露出させた部位を、ブレーキパッドに臨む摺動部とすることで、摺動部を高強度の部位とする。
【００１１】
請求項２は、金属マトリックス複合材をアルミ合金マトリックス中にセラミックス粒子を含有させて製造したことを特徴とする。
【００１２】
金属マトリックス複合材のマトリックスをアルミ合金とすることで、ブレーキ用ディスクの軽量化を図る。加えて、アルミ合金マトリックス中にセラミックス粒子を含有させることで高強度化を図る。これにより、軽量で高強度のブレーキ用ディスクを得る。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。
図１は本発明に係る金属マトリックス複合材製ブレーキ用ディスクの斜視図である。以下、金属マトリックス複合材製ブレーキ用ディスクを「ブレーキ用ディスク」として説明する。
ブレーキ用ディスク１０は、円筒形に形成した凹部（以下、「ハブ部」という）１１と、ハブ部１１に一体に成形した摺動部（以下、「ディスク部」という）１８とからなる。
【００１４】
ハブ部１１は、周壁１４の外側端に蓋１５を一体成形したもので、蓋１５の中央に開口１６を開け、開口１６の周囲にボルト孔１７ａ…（…は複数個を示す。以下同様。）及びスタッド孔１７ｂ…を開けたものである。
ボルト孔１７ａ…から図示しないボルトを差込み、これらのボルトでブレーキ用ディスク１０をドライブシャフト側に取り付ける。
なお、スタッド孔１７ｂ…は、ブレーキ用ディスク１０に車輪を取り付けるために、図示しないスタッドを圧入する孔である。
ディスク部１８は、図示しないキャリパのブレーキパッドに臨み、両側からブレーキパッドを押し付ける円盤状の部分である。このため、ディスク部１８は、高強度で、耐摩耗性に優れていることが要求される。
【００１５】
図２は図１の２−２線断面図である。
ハブ部１１は、金属マトリックス複合材（以下、「アルミ合金マトリックス複合材」を例に説明する）１２の両面にアルミ合金層１３，１３を備えたサンドイッチ構造体である。すなわち、ハブ部１１は、図１示すボルト孔１７ａ…でドライブシャフト（図示しない）に取り付け、スタッド孔１７ｂで車輪（図示しない）に取り付ける部材である。従って、ハブ部１１は、表面がアルミ合金層１３，１３であっても差し支えない。
【００１６】
ディスク部１８は、両側からブレーキパッド（図示しない）を押し付けるので、両側の表面を高強度で、耐摩耗性に優れた状態に保つことが要求される。このため、ディスク部１８は、両側からアルミ合金層１３，１３を除去することで両側の表面にアルミ合金マトリックス複合材１２を露出させた。
【００１７】
アルミ合金マトリックス複合材１２は、アルミ合金マトリックスにＳｉＣ粒などのセラミックス粒子（強化材）を含有させたものが該当するが、その他の強化材を含有させることも可能である。
ブレーキ用ディスク１０の金属マトリックスをアルミ合金とすることで、ブレーキ用ディスク１０の軽量化を図ることができる。加えて、アルミ合金マトリックス中にセラミックス粒子を含有させることで高強度化を図ることができる。
従って、軽量で高強度のブレーキ用ディスクを得ることができるので、例えば車体重量を軽減することができる。
【００１８】
以下、金属マトリックス複合材製ブレーキ用ディスクの製造方法について説明する。
図３（ａ）〜（ｃ）は本発明に係る金属マトリックス複合材製ブレーキ用ディスクの製造方法の第１説明図である。
（ａ）において、雰囲気炉２０内の第１坩堝（るつぼ）２１に、金属酸化物からなる強化材（以下、「アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）」として説明する）２２を入れる。アルミナ２２は、酸化物系セラミックスからなる多孔質成形体であって、ビレット（円柱体）に形成したものである。
このアルミナ２２にアルミ合金２３を載せる。さらに、雰囲気炉２０内の第２坩堝２４にマグネシウム（Ｍｇ）２５を入れる。アルミ合金２３は、例えばＡ６０６１であり、Ｍｇ２５はＭｇ合金でもよい。
【００１９】
次に、雰囲気炉２０内の空気を除去するために真空ポンプ２６で真空引きして一定の真空度に達したとき真空ポンプ２６を止める。次いで、アルゴンガスボンベ２８からアルゴンガス（Ａｒ：「×」で示す）２８ａを雰囲気炉２０内に矢印▲１▼の如く供給する。雰囲気炉２０がアルゴンガス２８ａの雰囲気になり、アルミ合金２３及びマグネシウム２５が酸化することはない。
【００２０】
同時に、加熱コイル３０で雰囲気炉２０を加熱することで、アルミナ２２、アルミ合金２３及びマグネシウム２５を所定温度（例えば、約７５０℃〜約９００℃）まで高める。これにより、アルミ合金２３を溶解すると共にマグネシウム２５（「白抜き三角」で示す）を矢印▲２▼の如く蒸発する。
ここで、雰囲気炉２０内の温度を温度センサ３１で検知し、温度センサ３１からの検知信号に基いて制御部３２で雰囲気炉２０内の温度を設定値に調整する。
【００２１】
（ｂ）において、窒素ガスボンベ３３から窒素ガス（Ｎ2：「黒丸」で示す）３３ａを雰囲気炉２０に矢印▲３▼の如く供給する。同時に、雰囲気炉２０の内部を加圧（例えば、大気圧＋約０．５ｋｇ／ｃｍ2）して、雰囲気炉２０内の雰囲気を窒素ガス３３ａに置換する。
雰囲気炉２０が窒素ガス３３ａの雰囲気になると、窒素ガス３３ａは、マグネシウム２５と反応して窒化マグネシウム（Ｍｇ3Ｎ2：「黒三角」で示す）３４を生成する。
【００２２】
この窒化マグネシウム３４は還元作用を有するため、アルミナ２２の少なくとも一部を金属（アルミニウム）に変える働きをなす。従って、アルミナ２２の少なくとも一部がアルミニウムを露出せしめた状態になる。アルミニウムを生成することで濡れ性を良好にすることができる。
アルミナ２２から変化したアルミニウムにアルミ合金２３の溶湯を浸透させ、浸透したアルミ合金２３を凝固させることにより、ビレット状のアルミ合金マトリックス複合材３５を製造する。
【００２３】
アルミ合金マトリックス複合材３５を、アルミナ２２を窒化マグネシウムの還元作用によって金属化して濡れ性をよくすることで伸び性に優れたものとすることができる。このため、アルミ合金マトリックス複合材３５を成形性に優れ、塑性変形がしやすい複合材料とすることができる。
【００２４】
なお、浸透過程において、雰囲気炉２０を加圧雰囲気にすると、浸透が早くなり、短時間でアルミ合金マトリックス複合材３５を得ることができる。また、雰囲気炉２０を真空ポンプ２６で減圧し、減圧窒素雰囲気でも短時間で浸透させることもできる。
さらに、多孔質成形体のアルミナ２２に、Ｍｇを含んだアルミ合金を、予め含有させ、その後、窒化マグネシウムを生成させてアルミナ２２を還元することも可能である。
また、マグネシウム粉末を含むアルミナ粒子の多孔質成形体にアルミ合金を載せ、複合化処理を行うようにしてもよい。
【００２５】
（ｃ）において、アルミ合金マトリックス複合材３５の外周３５ａを切削刃３６で切削（いわゆる、皮むき加工）する。これにより、アルミ合金マトリックス複合材３５を、後工程の押出し成形に適した形状に加工する。
アルミ合金マトリックス複合材３５は、前述したように成形性に優れ、塑性変形がしやすい材料である。従って、次図の押出し成形が可能になる。
【００２６】
図４（ａ）〜（ｃ）は本発明に係る金属マトリックス複合材製ブレーキ用ディスクの製造方法の第２説明図である。
（ａ）：押出しプレス４０のコンテナ４１に、ビレット状のアルミ合金（アルミ合金ビレット）４２を入れてダイス４３側に納め、このアルミ合金ビレット４２の後方にビレット状のアルミ合金マトリックス複合材３５を置く。
アルミ合金ビレット４２は、耐食性のよいアルミ合金（例えば、Ａ３０００系、Ａ５０００系）が望ましい。
（ｂ）：ラム４４に矢印の如く押出力をかけてアルミ合金マトリックス複合材３５を押出すことにより、アルミ合金ビレット４２が先にダイス４３を通り、アルミ合金のみの厚板４５を成形する。アルミ合金ビレット４２の中央が抜けてくると、その中央を埋めるようにアルミ合金マトリックス複合材３５が移動を開始する。
【００２７】
（ｃ）：さらにラム４４でアルミ合金マトリックス複合材３５を押出すことにより、ダイス４３を通して、アルミ合金マトリックス複合材の平板４６を成形すると同時に、平板４６の表面を覆うようにアルミ合金の薄板４７を積層しつつ、平板状のクラッド材４８を成形する。
アルミ合金の薄板４７は、厚さがｔであり、この厚さｔが０．２ｍｍを超えるように押出し成形したものである。厚さｔが０．２ｍｍ以下になると、アルミ合金マトリックス複合材の平板４６からアルミ合金の薄板４７が剥離しやすくなる。
【００２８】
アルミ合金の薄板４７が厚さｔでダイス４３に接触し、成形性のよいアルミ合金によってアルミ合金マトリックス複合材の平板４６の摩擦抵抗が発生しないので、押出し速度が向上するとともに、押出し力が低減する。また、ダイス４３と接触する表層部に硬度の低いアルミ合金の薄板４７を積層したので、ダイス４３の摩耗量は小さく、ダイス４３の寿命が延びる。
【００２９】
アルミ合金マトリックス複合材３５は、アルミニウムと強化材の界面がケミカルコンタクトによって強固に結合された複合材なので、成形性がよく、その結果、クラッド材４８の押出しは容易である。また、ダイス４３と接触する表層部に成形性のよいアルミ合金の薄板４７を積層したので、アルミ合金マトリックス複合材の平板４６の押出し成形がより容易である。
高押出比による変形を加えることで、内部欠陥の除去、緻密化を図ることができ、品質を高めることができる。
【００３０】
押出し前のアルミ合金マトリックス複合材３５の断面積をＳ０とし、押出し後のクラッド材４８の断面積をＳ１とする。
ここで、押出比Ｒを、Ｒ＝Ｓ０／Ｓ１と定義する。すなわち、押出比Ｒは、押出し前のアルミ合金マトリックス複合材３５の断面積Ｓ０を押出し後のクラッド材４８の断面積Ｓ１で割った値である。
【００３１】
図５は本発明に係るクラッド材の押出比と引張り強さ・耐力の関係を示したグラフであり、横軸を押出比Ｒとし、縦軸を引張り強さσB及び耐力σ0.2としたものである。なお、σ0.2は０．２％耐力の略号である。
押出比Ｒが１０未満では、引張り強さσBは押出比Ｒに比例する。従って、押出比Ｒによって引張り強さσBを大きくすることができる。同様に、耐力σ0.2も大きくすることができる。
押出比Ｒが１０以上では、押出比Ｒの増加に対して引張り強さσBの増加は極めて僅かであり、ほぼ一定となる。同様に、耐力σ0.2もほぼ一定となる。
押出比が大きいと、生産性がよくなるから、押出比は大きい方が望ましい。しかし、押出比が１００を超えると、押出し力が大きくなり、大型の設備が新たに必要となる。
その結果、アルミ合金マトリックス複合材の機械的性質の観点から下限を１０とし、設備能力（押出しプレス出力）の観点から上限を１００とする。
【００３２】
図６は本発明に係る金属マトリックス複合材製ブレーキ用ディスクの製造方法の第３説明図である。
クラッド材４８をプレス機（図示しない）にセットし、プレス機のポンチとダイスとでクラッド材４８から円板状のサンドイッチ構造体５０を打ち抜く。打ち抜いた円板状のサンドイッチ構造体５０は、平板状のアルミ合金マトリックス複合材５１の両面にアルミ合金を板材５２，５２を接合した構造体である。
【００３３】
図７（ａ），（ｂ）は本発明に係る金属マトリックス複合材製ブレーキ用ディスクの製造方法の第４説明図である。
（ａ）において、プレス機械５５の上型５６を上死点まで移動し、上型５６と下型５７との間にサンドイッチ構造体５０を配置する。次に、上型５６を矢印▲４▼の如く下降する。
（ｂ）において、上型５６のしわ押え５８でサンドイッチ構造体５０の周辺部５０ａを下型５７の固定ダイ５９に押し付ける。この状態で、上型５６のパンチ６０及び外部パンチ６１を矢印▲５▼の如く下降を継続する。
【００３４】
図８（ａ），（ｂ）は本発明に係る金属マトリックス複合材製ブレーキ用ディスクの製造方法の第５説明図である。
（ａ）において、パンチ６０及び外部パンチ６１を矢印▲５▼の如く引続き下降させる。パンチ６０及び外部パンチ６１の下降に伴い可動ダイ６２が矢印▲６▼の如く下降する。
これにより、サンドイッチ構造体５０の中央５０ｂをパンチ６０及び外部パンチ６１で押し下げる。
【００３５】
（ｂ）において、可動ダイ６２が所定位置Ｐ１まで下降したとき、可動ダイ６２の下降が停止する。これで、サンドイッチ構造体５０の中央５０ｂに凹部をプレス形成する。次に、しわ押え５８、パンチ６０及び外部パンチ６１を矢印▲７▼の如く上昇する。同時に、可動ダイ６２を矢印▲８▼の如く上昇することで、プレス成形したサンドイッチ構造体５０を固定ダイ５９から押出す。
【００３６】
図９（ａ），（ｂ）は本発明に係る金属マトリックス複合材製ブレーキ用ディスクの製造方法の第６説明図である。
（ａ）において、中央に凹部１１（図１、図２も参照）をプレス成形したサンドイッチ成形体５５を得る。アルミ合金は成形性がよいので、図６に示すようにアルミ合金の板材５２を板状の金属マトリックス複合材５１の両面に接合することで、プレス成形の際に摩擦抵抗を減らすことができる。このため、プレス成形の際に板状の金属マトリックス複合材５１に発生する応力を緩和して、板所の金属マトリックス複合材５１に亀裂が発生することを防ぐことができる。
なお、凹部１１の外側に、プレス成形の際にプレスを施さなかった周辺部５０ａが存在する。
【００３７】
（ｂ）において、プレス成形の際にプレスを施さなかった周辺部５０ａ（（ａ）に示す）からアルミ合金層（すなわち、アルミ合金の板材５２に相当する部材）５３（（ａ）に示す）を切削刃６２で除去することにより、ブレーキパッド（図示しない）に臨むディスク部（摺動部）１８（図１，図２も参照）を形成する。この後、ボルト孔やスタッド孔を加工することで図１に示す金属マトリックス複合材製のブレーキ用ディスク１０を得る。
【００３８】
このように、本発明に係るよれば、金属マトリックス複合材製のブレーキ用ディスク１０をプレス成形で製造することができるので、ブレーキ用ディスク１０を鋳造する場合と比較してコストを抑えることができる。
加えて、プレス成形の際にプレスを施さなかった周辺部５０ａからアルミ合金層５３，５３を除去することにより、板状の金属マトリックス複合材５１の表面を露出させることができる。金属マトリックス複合材５１の表面を露出させた部位を、ブレーキパッド（図示しない）に臨むディスク部１８とすることで、ディスク部１８を高強度の部位とすることができる。
【００３９】
なお、前記実施の形態では、サンドイッチ構造体５０としてクラッド材４８を使用した例について説明したが、サンドイッチ構造体５０はこれに限らないで、板状の金属マトリックス複合材５１の両面にアルミ合金の板材５２を接合したものであればよい。
【００４０】
また、サンドイッチ構造体５０を円板に打ち抜いた後、ブレーキ用ディスクをプレス成形する例について説明したが、例えば矩形のサンドイッチ構造体５０をプレス成形した後、ディスク部の外周を円形に打ち抜いてもよい。
あるいは、サンドイッチ構造体５０を円板に打ち抜く際に、同時にサンドイッチ構造体５０の中央５０ｂに凹部をプレス形成してもよい。
【００４１】
さらに、プレス機械５５としてパンチ６０及び外部パンチ６１を備えたものを説明したが、これに限らないでパンチ６０及び外部パンチ６１が一体のものでもよい。
また、金属マトリックス複合材としてアルミ合金マトリックス複合材を例に説明したが、その他の金属マトリックス複合材を使用してもよい。
【００４２】
【発明の効果】
本発明は上記構成により次の効果を発揮する。
請求項１は、板状の金属マトリックス複合材の両面にアルミ合金の板材を接合してサンドイッチ構造体とし、このサンドイッチ構造体の中央に凹部をプレス成形する。アルミ合金は成形性がよいので、アルミ合金を金属マトリックス複合材の両面に接合することで、プレス成形の際に摩擦抵抗を減らすことができる。
従って、プレス成形の際に金属マトリックス複合材に発生する応力を緩和して、金属マトリックス複合材に亀裂が発生することを防ぐことができる。
【００４３】
加えて、プレス成形の際にプレスを施さなかった周辺部からアルミ合金層を除去することにより、金属マトリックス複合材を露出させることができる。金属マトリックス複合材を露出させた部位を、ブレーキパッドに臨む摺動部とすることで、摺動部を高強度の部位とすることができる。
この結果、金属マトリックス複合材製のブレーキ用ディスクをプレス成形で製造することができるので、ブレーキ用ディスクのコストを抑えることができる。
【００４４】
請求項２は、金属マトリックス複合材のマトリックスをアルミ合金とすることで、ブレーキ用ディスクの軽量化を図ることができる。加えて、アルミ合金マトリックス中にセラミックス粒子を含有させることで高強度化を図ることができる。
従って、軽量で高強度のブレーキ用ディスクを得ることができるので、例えば車体重量を軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る金属マトリックス複合材製ブレーキ用ディスクの斜視図
【図２】図１の２−２線断面図
【図３】本発明に係る金属マトリックス複合材製ブレーキ用ディスクの製造方法の第１説明図
【図４】本発明に係る金属マトリックス複合材製ブレーキ用ディスクの製造方法の第２説明図
【図５】本発明に係るクラッド材の押出比と引張り強さ・耐力の関係を示したグラフ
【図６】本発明に係る金属マトリックス複合材製ブレーキ用ディスクの製造方法の第３説明図
【図７】本発明に係る金属マトリックス複合材製ブレーキ用ディスクの製造方法の第４説明図
【図８】本発明に係る金属マトリックス複合材製ブレーキ用ディスクの製造方法の第５説明図
【図９】本発明に係る金属マトリックス複合材製ブレーキ用ディスクの製造方法の第６説明図
【図１０】従来の代表的な自動車用のディスクブレーキ装置の断面図
【図１１】従来の金属マトリックス複合材製ブレーキ用ディスクの製造方法の説明図
【符号の説明】
１０…金属マトリックス複合材製ブレーキ用ディスク（ブレーキ用ディスク）、１１…凹部（ハブ部）、１８…摺動部（ディスク部）、５０…サンドイッチ構造体、５０ａ…周辺部、５１…板状の金属マトリックス複合材（板状のアルミ合金マトリックス複合材）、５２…アルミ合金の板材、５２…アルミ合金層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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