JP2004225765A

JP2004225765A - Disc rotor for disc brake for vehicle

Info

Publication number: JP2004225765A
Application number: JP2003012413A
Authority: JP
Inventors: Toru Noguchi; 徹野口; Shigeru Fukazawa; 茂深澤; Shuichi Shimizu; 修一清水; Shoji Kaiume; 正二貝梅; Hirofumi Kobayashi; 弘文小林
Original assignee: Nissin Kogyo Co Ltd
Current assignee: Nissin Kogyo Co Ltd
Priority date: 2003-01-21
Filing date: 2003-01-21
Publication date: 2004-08-12

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a disc rotor for a disc brake for a vehicle with improved rigidity, heat resistance, heat radiation performance, and abrasion resistance. <P>SOLUTION: This disc rotor 1 for a disc brake 10 for a vehicle is composed of metal containing at least either carbon nano-fibers of average diameter of 0.7-500 nm and average length of 0.01-100 μm or fullerene as spherical shells of carbon. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車等に用いられる車両用ディスクブレーキのディスクロータに関するものである。
【０００２】
【背景技術】
自動車等に用いられる車両用ディスクブレーキは、キャリパボディに取り付けられたブレーキパッドをディスクロータに対して両側から押しつけることで摩擦力を得て、車両を制動させるものである。従来、車両用ディスクブレーキのディスクロータとしては、一般に鋳鉄やクロム系ステンレスが用いられている。しかしながら、ブレーキ特性例えば耐熱性、放熱性、耐摩耗性の向上及び軽量化が求められている。
【０００３】
そこで、ディスクロータとブレーキパッドの間の摺動面に酸化物セラミックス材を溶射させ、耐摩耗性を向上させた車両用ディスクブレーキのディスクロータが提案されている。また、この車両用ディスクブレーキのディスクロータは、母材をアルミニウムで形成し、軽量化している（特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−６５６１２号公報（第１−５頁、図１−３）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の軽量化したディスクロータにおいては、ディスクロータ本体を製造する工程とディスクロータに溶射する工程の２工程が必要になっていた。また、軽量化したディスクロータの剛性、耐熱性、放熱性及び耐摩耗性のさらなる向上が望まれている。
【０００６】
本発明は、剛性、耐熱性、放熱性及び耐摩耗性を向上させ、また剛性を維持しつつ軽量化が可能な車両用ディスクブレーキのディスクロータを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の第一の態様に係る車両用ディスクブレーキのディスクロータは、平均直径が０．７〜５００ｎｍであって平均長さが０．０１〜１０００μｍであるカーボンナノファイバー及び球殻状炭素であるフラーレンの少なくとも一方を含有する金属によって形成される。
【０００８】
本発明の第一の態様によれば、カーボンナノファイバー及びフラーレンの少なくとも一方を含有する金属によって形成することで、剛性、特に破壊靭性を向上させることができ、また剛性を維持しつつディスクロータを軽量化することができる。また、この態様によれば、耐熱性・放熱性や耐摩耗性を向上させることができる。特に、高温時で摩擦係数が低下しにくく（耐熱性）、摩耗量が少ない特性（耐摩耗性）があるので、高回転領域からの制動時や高負荷領域での制動効果が向上する。
【０００９】
ここで、本発明の第一の態様に係る車両用ディスクブレーキのディスクロータにおいては、
前記金属は、アルミニウムまたはアルミニウム合金とすることができる。
【００１０】
このような構成とすることで、剛性を維持したままディスクロータを軽量化することができる。これによって、車両、特に競技用車両などの車体軽量化に貢献することができる。また、鋳鉄やステンレスなどに比べて摩耗しやすいアルミニウムまたはアルミニウム合金にカーボンナノファイバー及びフラーレンの少なくとも一方を含有することで、耐摩耗性を向上させることができる。
【００１１】
ここで、本発明の第一の態様に係る車両用ディスクブレーキのディスクロータにおいては、
前記金属は、マグネシウムまたはマグネシウム合金とすることができる。
【００１２】
このような構成とすることで、剛性を維持したままディスクロータを軽量化することができる。これによって、車両、特に競技用車両などの車体軽量化に貢献することができる。また、鋳鉄やステンレスなどに比べて摩耗しやすいマグネシウムまたはマグネシウム合金にカーボンナノファイバー及びフラーレンの少なくとも一方を含有することで、耐摩耗性を向上させることができる。
【００１３】
ここで、本発明の第一の態様に係る車両用ディスクブレーキのディスクロータにおいては、
前記金属は、チタンまたはチタン合金とすることができる。
【００１４】
このような構成とすることで、剛性を維持したままディスクロータを軽量化することができる。これによって、車両、特に競技用車両などの車体軽量化に貢献することができる。
【００１５】
ここで、本発明の第一の態様に係る車両用ディスクブレーキのディスクロータにおいては、
前記カーボンナノファイバーは、イオン注入処理されていることができる。
【００１６】
このような構成とすることで、イオン注入されたカーボンナノファイバーは、少なくともその表面の化学的な組成が変ることで、ディスクロータを構成する金属（アルミニウム、マグネシウム、チタンなど）とカーボンナノファイバーの接着性やヌレ性が改善され、ディスクロータの機械的強度をさらに向上させることができるとともに、カーボンナノファイバーの金属中における分散性が向上することで、全体に均質な性能を有することができる。
【００１７】
ここで、本発明の第一の態様に係る車両用ディスクブレーキのディスクロータにおいては、
前記カーボンナノファイバーは、スパッタエッチング処理されていることができる。
【００１８】
このような構成とすることで、スパッタエッチング処理されたカーボンナノファイバーは、その表面に微細な凹凸を形成されるため、ディスクロータを構成する金属（アルミニウム、マグネシウム、チタンなど）とカーボンナノファイバーの接着性やヌレ性が改善され、ディスクロータの機械的強度をさらに向上させることができるとともに、カーボンナノファイバーの金属中における分散性が向上することで、全体に均質な性能を有することができる。
【００１９】
ここで、本発明の第一の態様に係る車両用ディスクブレーキのディスクロータにおいては、
前記カーボンナノファイバーは、プラズマ処理されていることができる。
【００２０】
このような構成とすることで、プラズマ処理されたカーボンナノファイバーは、その表面に微細な凹凸を形成する等の表面改質されるため、ディスクロータを構成する金属（アルミニウム、マグネシウム、チタンなど）とカーボンナノファイバーの接着性やヌレ性が改善され、ディスクロータの機械的強度をさらに向上させることができるとともに、カーボンナノファイバーの金属中における分散性が向上することで、全体に均質な性能を有することができる。
【００２１】
ここで、本発明の第一の態様に係る車両用ディスクブレーキのディスクロータにおいては、
前記フラーレンは、カーボン６０とカーボン７０とを含み、
前記カーボン７０より前記カーボン６０が多く含有されていることができる。
【００２２】
このような構成とすることで、フラーレンの合成過程において、カーボン７０より多く合成されるカーボン６０を有効に利用することができる。フラーレンは、金属中における分散性が高いため、ディスクロータ全体で均質な特性を得ることができることができる。
【００２３】
ここで、本発明の第一の態様に係る車両用ディスクブレーキのディスクロータにおいては、
前記金属は、前記カーボンナノファイバー及び前記フラーレンの少なくとも一方の合成過程において得られる炭素及び炭素化合物を含有することができる。
【００２４】
このような構成とすることで、カーボンナノファイバー及びもしくはフラーレンの合成過程において、合成される不純物である炭素及び炭素化合物を有効に利用することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００２６】
図１は、本発明の一実施の形態に係る車両用ディスクブレーキ１０のディスクロータ１を説明する図である。図２は、ディスクブレーキ１０の断面図である。図３は、全方位型イオン注入装置の概略構成図であり、図４は、その回転テーブルの他の実施態様を示す一部断面図である。
【００２７】
自動車等の車両に用いられるディスクブレーキ１０の構造は、図２に示すように、油圧装置による油圧によってキャリパボディ１１の液圧室１４に伝えられてピストン１２を押圧し、その押圧する力によって、パッド２０の摩擦材を円板状のディスクロータ１に押圧して、車の運動エネルギーをその摩擦作用によって熱エネルギーへと変えて制動するものである。
【００２８】
図１に示すように、車両用ディスクブレーキ１０のディスクロータ１は、パッド２０が押し当てられる平滑な摺動面４が円板状の本体２の外周面の両面に形成されている。本実施の形態において、ディスクロータ１の本体２は、製造の容易さなどからアルミニウムを用いているが、金属製であれば鋳鉄やステンレス製であってもよく、特に軽量化の目的を達成するために、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム、マグネシウム合金、チタン、チタン合金などのいわゆる軽金属の中から適宜選択することができる。
【００２９】
本発明のディスクロータ１の成形方法としては、特に限定されないが、鍛造、鋳造、粉末冶金、メタルインジェクションモールディング（ＭＩＭ）などで製造することができる。本実施の形態においては、金属溶湯（アルミニウム溶湯）にカーボンナノファイバー及びフラーレンの少なくとも一方を混入し、金型によって形成されたキャビティ内に金属溶湯（アルミニウム溶湯）を充填し、加圧する。溶湯が固化した後、ディスクロータ１の本体２をキャビティから取りだし、所望の切削加工を施して最終製品であるディスクロータ１を得る。なお、この切削加工によって、ディスクロータ１の摺動面４にスリットや孔などを適宜加工してもよい。
【００３０】
ディスクロータ１おいて、炭素繊維およびフラーレンを合わせて０．０１〜５０重量％含むことが好ましい。炭素繊維およびフラーレンの割合が５０重量％を超えると成形性の点で好ましくなく、０．０１重量％未満であると、機械的強度を十分向上することができない場合がある。なお、上記重量割合は、炭素繊維およびフラーレンをそれぞれ単独で含有する場合は、炭素繊維およびフラーレン単独の重量％である。
【００３１】
また、金属例えばアルミニウムに混入させるカーボンナノファイバーは、平均直径が０．７ｎｍ〜５００ｎｍであって、平均長さが０．０１〜１０００μｍのカーボンナノファイバーを用いることが好ましい。また、カーボンナノファイバーの配合量は、成形時の流動性、得られるディスクロータの強度などの観点から、ディスクロータ１の本体２の金属例えばアルミニウム中に０．０１〜５０重量％の範囲で含まれていることが好ましい。このようなカーボンナノファイバーは、炭素六角網面のグラフェンシートが円筒状に閉じた単層構造あるいはこれらの円筒構造が入れ子状に配置された多層構造をしたいわゆるカーボンナノチューブなどである。カーボンナノチューブは、単層構造のみから構成されていても多層構造のみから構成されていても良く、単層構造と多層構造が混在していてもかまわない。また、部分的にカーボンナノチューブの構造を有している炭素材料も使用することができる。なお、カーボンナノチューブという名称の他にグラファイトフィブリルナノチューブといった名称で称されることもある。
【００３２】
単層カーボンナノチューブもしくは多層カーボンナノチューブは、アーク放電法、レーザーアブレーション法、気相成長法などによって望ましいサイズに製造される。
【００３３】
アーク放電法は、大気圧よりもやや低い圧力のアルゴンや水素雰囲気下で、炭素棒でできた電極材料の間にアーク放電を行うことで、陰極に堆積した多層カーボンナノチューブを得るものである。また、単層カーボンナノチューブは、前記炭素棒中にニッケル／コバルトなどの触媒を混ぜてアーク放電を行い、処理容器の内側面に付着するすすから得られる。
【００３４】
レーザーアブレーション法は、希ガス（例えばアルゴン）中で、ターゲットであるニッケル／コバルトなどの触媒を混ぜた炭素表面にＹＡＧレーザーの強いパルスレーザー光を照射することによって炭素表面が溶融・蒸発し、単層カーボンナノチューブを得るものである。
【００３５】
気相成長法は、ベンゼンやトルエン等の炭化水素を気相で熱分解し、カーボンナノチューブを合成するもので、流動触媒法やゼオライト担持触媒法などがある。
【００３６】
カーボンナノファイバーは、金属例えばアルミニウムに混入する前に、あらかじめ表面処理例えば、イオン注入処理、スパッタエッチング処理、プラズマ処理などを行うことによって、アルミニウムとの接着性やぬれ性を改善することができる。
【００３７】
（イオン注入処理）
イオン注入処理（ｉｏｎｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ）は、イオン源によってイオン化された元素例えば酸素などに加速器によって必要なエネルギーを与え、真空ポンプによって高真空状態に保たれた真空チャンバにあるカーボンナノファイバーの表面内にイオンを打ちこむものである。
【００３８】
本発明の一実施の形態のイオン注入処理について、図３に示す全方位型イオン注入装置の概略構成図を用いて説明する。全方位型イオン注入装置５０は、真空ポンプ５７に接続された例えばステンレス製の真空チャンバー５１内にイオン注入処理を施す試料（例えばカーボンナノファイバー５２）を置く回転テーブル５３が回転自在に配置されている。回転テーブル５３は、パルスバイアス電源５４に接続され、真空チャンバー５１との間は絶縁体５５によって絶縁されている。真空チャンバー５１は、プロセスガス供給装置５８と、高周波電源５９に接続されたコイル６０と、アーク式蒸発源６１と、真空チャンバー５１内温度を測定する赤外線放射温度計６２と接続されている。
【００３９】
イオン注入処理は、真空ポンプ５７によって適当な真空状態とされた真空チャンバー５１内に、プロセスガス供給装置５８からガスが供給され、高周波電源５９によってコイル６０の周りにプラズマを発生させる。これによってイオン化されたガスが、パルスバイアス電源５４の負極に接続されている試料例えばカーボンナノファイバー５２に引き込まれ、注入される。また、真空チャンバー５１に接続されたアーク式蒸発源６１によって、金属イオンを試料例えばカーボンナノファイバー５２に注入させることができる。この場合、アーク式蒸発源６１内の金属蒸発源は、図示せぬ直流アーク電源に接続され、アーク放電によって蒸発させられる。このとき、回転テーブル５３及び試料例えばカーボンナノファイバー５２は、スイッチ６３によって切りかえられた負の直流バイアス電源５６により印加されているので、金属イオンが試料例えばカーボンナノファイバー５２に注入される。
【００４０】
また、全方位型イオン注入装置５０の回転テーブル５３を図４に示すような攪拌羽５３ａ及び容器５３ｂを有する構造としてもよい。容器５３ｂは、広口の開口部を上方に有し、容器５３ｂ中には試料例えばカーボンナノファイバー５２を配置できる。イオン注入処理の間、カーボンナノファイバー５２のような粉体の試料は、攪拌羽５３ａの回転によって攪拌されることで、全体にまんべんなくイオン注入処理を受けることができる。攪拌翼５３ａの回転速度は、カーボンナノファイバー５２の量や、イオン注入処理時間などによって適宜調整することができる。
【００４１】
イオン注入処理されたカーボンナノファイバーは、その表面が化学的に改質され、ディスクロータ１の本体２の金属例えばアルミニウムに対するぬれ性や接着性などが改善され、ディスクロータ１の破壊靭性や耐摩耗性の向上が得られる。
【００４２】
イオン注入処理に用いられる元素は、例えば、酸素（Ｏ）、窒素（Ｎ）、塩素（Ｃｌ）、クロム（Ｃｒ）、炭素（Ｃ）、ホウ素（Ｂ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、リン（Ｐ）、アルミニウム（Ａｌ）等、ディスクロータ１の本体２の金属例えばアルミニウムとの相性によって適宜選択することができる。
【００４３】
（スパッタエッチング処理）
ドライエッチング方式のスパッタエッチング処理は、真空ポンプによって高真空状態に保たれた真空チャンバ内にエッチングガス、極低圧不活性ガス雰囲気例えばアルゴン（Ａｒ）中で、交流を印加してグロー放電を行わせ、かつグロー放電によって生じたプラズマ中に露出される電極と接触したカーボンナノファイバーの表面にイオンを衝突させることで、エッチングするものである。
【００４４】
スパッタエッチング処理されたカーボンナノファイバーの表面は、物理的にエッチングされることで、微細（ナノサイズ）な凹凸が形成される。このカーボンナノファイバーの表面の凹凸が、ディスクロータ１の本体２の金属例えばアルミニウムとの接触面積を増大させることとなり、アルミニウムとカーボンナノファイバーとの接着強度を向上させることができる。アルミニウムにカーボンナノファイバーを混入させ製造したディスクロータ１における破壊靭性や耐摩耗性の向上が得られる。
【００４５】
（プラズマ処理）
プラズマ処理は、プラズマをカーボンナノファイバーに照射することによって表面を改質させるものである。プラズマ処理は、一般的なグロー放電処理やコロナ放電処理などを採用することができる。
【００４６】
例えばプラズマは、相対向する放電極と対向電極との間に、パルス生成回路によって生成された高電圧・高頻度のパルス電圧を印加し、両電極間にコロナ放電を惹起して空気中にプラズマを発生させるようにしている。そして、被処理物は、両電極間に静止状態又は移動状態で配置され、その表面にプラズマ処理が施される。
【００４７】
プラズマの作り方には、２枚の平行平板電極に数百から数千ボルトの電圧をかけて放電する二極放電タイプ、熱陰極から発した大量の電子が陽極に入るまでに気体分子と衝突しプラズマを作る熱電子放電タイプ、磁場を使って高真空で放電するマグネトロン放電タイプ、高周波電磁誘導によりプラズマを発生させる無電極放電タイプ、磁場のある共振室へマイクロ波を送りこみ電子を共振させるＥＣＲ（ＥｌｅｃｔｒｏｎＣｙｃｌｏｔｒｏｎＲｅｓｏｎａｎｃｅ）放電タイプなどがあり、適宜選択することができる。
【００４８】
このようにプラズマ処理されたカーボンナノファイバーの表面は、ディスクロータ１の本体２の金属例えばアルミニウムとの接着性やぬれ性が改善し、アルミニウムにカーボンナノファイバーを混入させて製造したディスクロータ１における破壊靭性や耐摩耗性の向上が得られる。
【００４９】
本実施の形態に用いられるフラーレンは、球殻状炭素例えばカーボン６０（以下Ｃ６０とする）、Ｃ７０、Ｃ７４、Ｃ７６、Ｃ７８、Ｃ８２、Ｃ８４、Ｃ７２０、Ｃ８６０などのフラーレン類などが挙げられるが、Ｃ６０を主成分とすることが好ましい。また、Ｃ６０を主成分として、Ｃ７０がＣ６０よりも少量含まれるフラーレンを用いることが好ましい。さらに、Ｃ６０を主成分として、他のフラーレン類を含んでもよいし、フラーレン以外のフラーレン生成時に同時に生成された他の炭素及び炭素化合物を含んでもよい。フラーレン類の形態は、例えば、サッカーボール状、バッキーボール状などであってもよい。
【００５０】
また、フラーレン類は置換基の導入などにより修飾されていてもよい。修飾方法は、特に限定されず、例えば、フラーレン類の反応性に富む炭素５員環部を化学的に修飾できる。置換基の種類は、特に限定されず、例えば、アルキル基、アリール基、アラルキル基、ジオキソラン単位、ハロゲン又は酸素原子などが例示でき、液晶ポリマー、色素類、ポリエチレンオキシドなどの導入により修飾してもよい。フラーレン類の修飾により、選択された金属例えばアルミニウムとの親和性の改善、フラーレン類の分散を可能にする。
【００５１】
Ｃ６０フラーレンは、黒鉛電極を用い、ヘリウム雰囲気でアーク放電し、得られたススをベンゼンで抽出し、得られたＣ６０混合物を、塩基性活性アルミナを担体とし、ヘキサンを展開溶媒として、カラム分離精製することにより調製した。フラーレンを得る方法は、このアーク放電法に限らず、他の手法でもよい。
【００５２】
このようにディスクロータ１の本体２の金属例えばアルミニウムにフラーレンを混入させて製造したディスクロータ１における耐熱性や耐摩耗性の向上が得られる。
【００５３】
なお、本発明は、本実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の形態に変形可能である。
【００５４】
例えば、ディスクロータ１の本体２を構成するアルミニウムまたはアルミニウム合金に、マグネシウムまたはマグネシウム合金を数パーセント混入させた複合材料とするなど、例えばアルミニウム、マグネシウム、チタンを主成分とする金属に、他の金属を混入させてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る車両用ディスクブレーキのディスクロータの正面図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係るディスクブレーキの断面図である。
【図３】本発明の一実施の形態に用いられる全方位型イオン注入装置の概略説明図である。
【図４】全方位型イオン注入装置の回転テーブルの他の実施態様を示す一部断面図である。
【符号の説明】
１ディスクロータ
２本体
４摺動面
１０ディスクブレーキ
１１キャリパボディ
１２ピストン
１４液圧室
５０全方位型イオン注入装置
５３回転テーブル
５３ａ攪拌羽
５３ｂ容器[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a disk rotor for a disk brake for a vehicle used for an automobile or the like.
[0002]
[Background Art]
2. Description of the Related Art A disc brake for a vehicle used in an automobile or the like is configured to brake a vehicle by obtaining a frictional force by pressing a brake pad attached to a caliper body against a disc rotor from both sides. 2. Description of the Related Art Conventionally, cast iron or chromium-based stainless steel is generally used as a disk rotor of a vehicle disk brake. However, there is a demand for improvements in brake characteristics such as heat resistance, heat dissipation, wear resistance, and weight reduction.
[0003]
Therefore, there has been proposed a disk rotor of a disk brake for a vehicle in which an oxide ceramic material is thermally sprayed on a sliding surface between the disk rotor and a brake pad to improve wear resistance. Further, the disc rotor of the disc brake for a vehicle has a base material made of aluminum to reduce the weight (see Patent Document 1).
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-2001-65612 (pages 1-5, FIGS. 1-3)
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional light-weight disk rotor requires two steps, a step of manufacturing the disk rotor body and a step of spraying the disk rotor. Further, it is desired to further improve the rigidity, heat resistance, heat dissipation, and wear resistance of the reduced disk rotor.
[0006]
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a disk rotor for a disk brake for a vehicle, which is capable of improving rigidity, heat resistance, heat dissipation, and abrasion resistance and reducing the weight while maintaining the rigidity.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, a disk rotor for a vehicle disk brake according to a first aspect of the present invention has a carbon nanofiber having an average diameter of 0.7 to 500 nm and an average length of 0.01 to 1000 μm. And a metal containing at least one of fullerene which is spherical shell carbon.
[0008]
According to the first aspect of the present invention, rigidity, in particular, fracture toughness can be improved by being formed of a metal containing at least one of carbon nanofiber and fullerene, and a disk rotor can be obtained while maintaining rigidity. The weight can be reduced. Further, according to this aspect, heat resistance, heat dissipation, and abrasion resistance can be improved. In particular, since the friction coefficient does not easily decrease at high temperatures (heat resistance) and the amount of wear is small (abrasion resistance), the braking effect at the time of braking from a high rotation region or at a high load region is improved.
[0009]
Here, in the disk rotor of the vehicle disk brake according to the first aspect of the present invention,
The metal can be aluminum or an aluminum alloy.
[0010]
With this configuration, the weight of the disk rotor can be reduced while maintaining the rigidity. As a result, it is possible to contribute to reducing the weight of a vehicle, especially a vehicle for competition. Further, by containing at least one of carbon nanofiber and fullerene in aluminum or an aluminum alloy which is more likely to be worn than cast iron or stainless steel, wear resistance can be improved.
[0011]
Here, in the disk rotor of the vehicle disk brake according to the first aspect of the present invention,
The metal can be magnesium or a magnesium alloy.
[0012]
With this configuration, the weight of the disk rotor can be reduced while maintaining the rigidity. As a result, it is possible to contribute to reducing the weight of a vehicle, especially a vehicle for competition. Further, wear resistance can be improved by containing at least one of carbon nanofiber and fullerene in magnesium or a magnesium alloy which is more likely to be worn than cast iron or stainless steel.
[0013]
Here, in the disk rotor of the vehicle disk brake according to the first aspect of the present invention,
The metal can be titanium or a titanium alloy.
[0014]
With this configuration, the weight of the disk rotor can be reduced while maintaining the rigidity. As a result, it is possible to contribute to reducing the weight of a vehicle, especially a vehicle for competition.
[0015]
Here, in the disk rotor of the vehicle disk brake according to the first aspect of the present invention,
The carbon nanofiber may be subjected to an ion implantation process.
[0016]
By adopting such a configuration, the ion-implanted carbon nanofiber has at least a surface chemical composition that is changed, and the metal (aluminum, magnesium, titanium, etc.) constituting the disk rotor and the carbon nanofiber are formed. Adhesiveness and wettability are improved, the mechanical strength of the disk rotor can be further improved, and the dispersibility of the carbon nanofibers in the metal is improved, so that uniform performance can be obtained as a whole.
[0017]
Here, in the disk rotor of the vehicle disk brake according to the first aspect of the present invention,
The carbon nanofiber may be subjected to a sputter etching process.
[0018]
With such a configuration, the carbon nanofibers subjected to the sputter etching process have fine irregularities formed on the surface thereof. Therefore, the metal (aluminum, magnesium, titanium, etc.) constituting the disk rotor and the carbon nanofibers are formed. Adhesiveness and wettability are improved, the mechanical strength of the disk rotor can be further improved, and the dispersibility of the carbon nanofibers in the metal is improved, so that uniform performance can be obtained as a whole.
[0019]
Here, in the disk rotor of the vehicle disk brake according to the first aspect of the present invention,
The carbon nanofiber can be plasma-treated.
[0020]
With such a configuration, the carbon nanofibers subjected to the plasma treatment are subjected to surface modification such as formation of fine irregularities on the surface thereof. Therefore, the metal (aluminum, magnesium, titanium, etc.) constituting the disk rotor is formed. In addition to improving the adhesiveness and wetting of carbon nanofibers, the mechanical strength of the disk rotor can be further improved, and the dispersibility of carbon nanofibers in metal improves, resulting in uniform performance throughout. Can have.
[0021]
Here, in the disk rotor of the vehicle disk brake according to the first aspect of the present invention,
The fullerene includes carbon 60 and carbon 70,
The carbon 60 may be contained more than the carbon 70.
[0022]
With such a configuration, in the process of synthesizing fullerene, carbon 60 synthesized more than carbon 70 can be effectively used. Since fullerene has high dispersibility in metal, uniform characteristics can be obtained in the entire disk rotor.
[0023]
Here, in the disk rotor of the vehicle disk brake according to the first aspect of the present invention,
The metal may contain carbon and a carbon compound obtained in a synthesis process of at least one of the carbon nanofiber and the fullerene.
[0024]
With such a configuration, carbon and carbon compounds, which are impurities synthesized, can be effectively used in the process of synthesizing carbon nanofibers and / or fullerenes.
[0025]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0026]
FIG. 1 is a diagram illustrating a disk rotor 1 of a vehicle disk brake 10 according to one embodiment of the present invention. FIG. 2 is a sectional view of the disc brake 10. FIG. 3 is a schematic configuration diagram of an omnidirectional ion implantation apparatus, and FIG. 4 is a partial cross-sectional view showing another embodiment of the turntable.
[0027]
As shown in FIG. 2, the structure of the disc brake 10 used in a vehicle such as an automobile is transmitted to the hydraulic chamber 14 of the caliper body 11 by hydraulic pressure of a hydraulic device and presses the piston 12. The friction material of the pad 20 is pressed against the disk-shaped disk rotor 1, and the kinetic energy of the vehicle is changed into thermal energy by the frictional action to perform braking.
[0028]
As shown in FIG. 1, a disk rotor 1 of a vehicle disk brake 10 has a smooth sliding surface 4 against which a pad 20 is pressed, formed on both outer peripheral surfaces of a disk-shaped main body 2. In the present embodiment, the main body 2 of the disk rotor 1 is made of aluminum for ease of manufacture and the like, but may be made of cast iron or stainless steel as long as it is made of metal. Therefore, it can be appropriately selected from so-called light metals such as aluminum, aluminum alloy, magnesium, magnesium alloy, titanium, and titanium alloy.
[0029]
The method for forming the disk rotor 1 of the present invention is not particularly limited, but can be manufactured by forging, casting, powder metallurgy, metal injection molding (MIM), or the like. In the present embodiment, at least one of carbon nanofiber and fullerene is mixed into a molten metal (aluminum molten metal), and a cavity formed by a mold is filled with the molten metal (aluminum molten metal) and pressurized. After the molten metal is solidified, the main body 2 of the disk rotor 1 is taken out of the cavity and subjected to a desired cutting process to obtain a disk rotor 1 as a final product. In addition, a slit, a hole, or the like may be appropriately formed on the sliding surface 4 of the disk rotor 1 by this cutting.
[0030]
Preferably, the disk rotor 1 contains 0.01 to 50% by weight of carbon fiber and fullerene in total. If the proportion of carbon fiber and fullerene exceeds 50% by weight, it is not preferable in terms of moldability, and if it is less than 0.01% by weight, mechanical strength may not be sufficiently improved. When the carbon fiber and the fullerene are each independently contained, the above weight ratio is the weight percentage of the carbon fiber and the fullerene alone.
[0031]
The carbon nanofiber to be mixed with a metal such as aluminum is preferably a carbon nanofiber having an average diameter of 0.7 nm to 500 nm and an average length of 0.01 to 1000 μm. The amount of the carbon nanofiber is 0.01 to 50% by weight in the metal of the main body 2 of the disk rotor 1, for example, aluminum, from the viewpoint of the fluidity during molding and the strength of the obtained disk rotor. It is preferred that Such a carbon nanofiber is a so-called carbon nanotube having a single-layer structure in which a graphene sheet having a carbon hexagonal mesh surface is closed in a cylindrical shape or a multilayer structure in which these cylindrical structures are nested. The carbon nanotube may be composed of only a single-layer structure or only a multi-layer structure, and may be a mixture of a single-layer structure and a multi-layer structure. Further, a carbon material partially having a carbon nanotube structure can also be used. In addition, it may be called by a name such as graphite fibril nanotube other than the name carbon nanotube.
[0032]
The single-walled carbon nanotube or the multi-walled carbon nanotube is manufactured to a desired size by an arc discharge method, a laser ablation method, a vapor phase growth method, or the like.
[0033]
The arc discharge method is to obtain multi-walled carbon nanotubes deposited on a cathode by performing arc discharge between electrode materials made of carbon rods in an atmosphere of argon or hydrogen at a pressure slightly lower than atmospheric pressure. Further, the single-walled carbon nanotube is obtained by mixing a catalyst such as nickel / cobalt into the carbon rod, performing arc discharge, and soot adhering to the inner surface of the processing container.
[0034]
In the laser ablation method, a carbon surface mixed with a catalyst such as nickel / cobalt as a target is irradiated with a strong pulsed laser beam of a YAG laser in a rare gas (eg, argon) to melt and evaporate the carbon surface. This is to obtain a single-walled carbon nanotube.
[0035]
The vapor phase growth method is a method in which hydrocarbons such as benzene and toluene are thermally decomposed in a gas phase to synthesize carbon nanotubes, and examples thereof include a fluidized catalyst method and a zeolite supported catalyst method.
[0036]
Before the carbon nanofiber is mixed with a metal such as aluminum, a surface treatment such as an ion implantation treatment, a sputter etching treatment, and a plasma treatment can be performed in advance to improve the adhesiveness and wettability with aluminum.
[0037]
(Ion implantation processing)
Ion implantation is a process in which necessary energy is given to an element ionized by an ion source, such as oxygen, by an accelerator, and ions are implanted in the surface of a carbon nanofiber in a vacuum chamber maintained in a high vacuum state by a vacuum pump. It is something to drive.
[0038]
The ion implantation processing according to one embodiment of the present invention will be described with reference to the schematic configuration diagram of the omnidirectional ion implantation apparatus shown in FIG. In the omnidirectional ion implantation apparatus 50, a rotary table 53 for placing a sample (for example, carbon nanofiber 52) to be subjected to an ion implantation process is rotatably arranged in a vacuum chamber 51 made of, for example, stainless steel connected to a vacuum pump 57. I have. The turntable 53 is connected to a pulse bias power supply 54, and is insulated from the vacuum chamber 51 by an insulator 55. The vacuum chamber 51 is connected to a process gas supply device 58, a coil 60 connected to a high frequency power supply 59, an arc evaporation source 61, and an infrared radiation thermometer 62 for measuring the temperature inside the vacuum chamber 51.
[0039]
In the ion implantation process, a gas is supplied from a process gas supply device 58 into a vacuum chamber 51 which is brought into an appropriate vacuum state by a vacuum pump 57, and a plasma is generated around a coil 60 by a high frequency power supply 59. The gas ionized thereby is drawn into a sample, for example, the carbon nanofiber 52 connected to the negative electrode of the pulse bias power supply 54 and injected. Further, metal ions can be injected into the sample, for example, the carbon nanofibers 52 by the arc evaporation source 61 connected to the vacuum chamber 51. In this case, the metal evaporation source in the arc evaporation source 61 is connected to a DC arc power supply (not shown), and is evaporated by arc discharge. At this time, since the rotating table 53 and the sample, for example, the carbon nanofibers 52 are applied by the negative DC bias power source 56 switched by the switch 63, the metal ions are injected into the sample, for example, the carbon nanofibers 52.
[0040]
Further, the rotary table 53 of the omnidirectional ion implanter 50 may have a structure having a stirring blade 53a and a container 53b as shown in FIG. The container 53b has a wide opening at the top, and a sample such as the carbon nanofiber 52 can be arranged in the container 53b. During the ion implantation process, the powder sample such as the carbon nanofibers 52 can be uniformly and entirely subjected to the ion implantation process by being stirred by the rotation of the stirring blades 53a. The rotation speed of the stirring blade 53a can be appropriately adjusted depending on the amount of the carbon nanofibers 52, the ion implantation processing time, and the like.
[0041]
The surface of the ion-implanted carbon nanofiber is chemically modified, the wettability and adhesion of the body 2 of the disk rotor 1 to metal such as aluminum are improved, and the fracture toughness and wear resistance of the disk rotor 1 are improved. The property can be improved.
[0042]
Elements used for the ion implantation treatment include, for example, oxygen (O), nitrogen (N), chlorine (Cl), chromium (Cr), carbon (C), boron (B), titanium (Ti), and molybdenum (Mo). , Phosphorus (P), aluminum (Al), etc., can be appropriately selected depending on the compatibility with the metal of the main body 2 of the disk rotor 1, for example, aluminum.
[0043]
(Sputter etching treatment)
In the dry etching sputter etching process, glow discharge is performed by applying an alternating current in an etching gas or an ultra-low pressure inert gas atmosphere such as argon (Ar) in a vacuum chamber maintained in a high vacuum state by a vacuum pump. In addition, etching is performed by colliding ions with the surface of the carbon nanofiber in contact with the electrode exposed in the plasma generated by the glow discharge.
[0044]
The surface of the carbon nanofiber that has been subjected to the sputter etching treatment is physically etched to form fine (nano-sized) irregularities. The unevenness of the surface of the carbon nanofibers increases the contact area of the main body 2 of the disk rotor 1 with metal, for example, aluminum, so that the adhesive strength between aluminum and the carbon nanofibers can be improved. It is possible to improve the fracture toughness and wear resistance of the disk rotor 1 manufactured by mixing carbon nanofibers with aluminum.
[0045]
(Plasma treatment)
The plasma treatment modifies the surface by irradiating the carbon nanofibers with plasma. As the plasma processing, general glow discharge processing, corona discharge processing, or the like can be employed.
[0046]
For example, a plasma applies a high-voltage / high-frequency pulse voltage generated by a pulse generation circuit between a discharge electrode and a counter electrode facing each other, causing a corona discharge between the two electrodes and causing a plasma in the air. Is caused to occur. The object to be processed is arranged in a stationary state or a moving state between the two electrodes, and its surface is subjected to plasma processing.
[0047]
The method of plasma generation is a bipolar discharge type in which a voltage of several hundred to several thousand volts is applied to two parallel flat electrodes to discharge them. A large amount of electrons emitted from a hot cathode collide with gas molecules before entering the anode. Thermionic discharge type that generates plasma, magnetron discharge type that discharges in a high vacuum using a magnetic field, electrodeless discharge type that generates plasma by high-frequency electromagnetic induction, ECR that sends microwaves to a resonance chamber with a magnetic field to resonate electrons (Electron Cyclotron Resonance) discharge type and the like can be selected as appropriate.
[0048]
The surface of the carbon nanofibers thus plasma-treated has improved adhesion and wettability with the metal of the main body 2 of the disk rotor 1 such as aluminum, and the surface of the disk rotor 1 manufactured by mixing carbon nanofibers into aluminum. Improved fracture toughness and wear resistance can be obtained.
[0049]
The fullerene used in the present embodiment includes spherical shell carbon such as fullerenes such as carbon 60 (hereinafter referred to as C60), C70, C74, C76, C78, C82, C84, C720, and C860. Is preferably a main component. Further, it is preferable to use fullerene containing C60 as a main component and containing C70 in a smaller amount than C60. Further, C60 may be the main component, and may include other fullerenes, or may include other carbon and carbon compounds simultaneously generated when fullerene other than fullerene is generated. The form of the fullerenes may be, for example, a soccer ball shape, a bucky ball shape, or the like.
[0050]
Further, the fullerenes may be modified by introducing a substituent or the like. The modification method is not particularly limited, and for example, a 5-membered carbon ring portion of a fullerene having high reactivity can be chemically modified. The type of the substituent is not particularly limited, and examples thereof include an alkyl group, an aryl group, an aralkyl group, a dioxolane unit, a halogen or an oxygen atom, and the like, and the modification may be performed by introducing a liquid crystal polymer, a dye, polyethylene oxide, or the like. Good. Modification of fullerenes allows for improved affinity with selected metals, such as aluminum, and dispersion of fullerenes.
[0051]
C60 fullerene was subjected to arc discharge in a helium atmosphere using a graphite electrode, the resulting soot was extracted with benzene, and the resulting C60 mixture was purified by column separation using basic activated alumina as a carrier and hexane as a developing solvent. Prepared. The method for obtaining fullerene is not limited to the arc discharge method, but may be another method.
[0052]
As described above, the heat resistance and the wear resistance of the disk rotor 1 manufactured by mixing fullerene into the metal, for example, aluminum of the main body 2 of the disk rotor 1 can be improved.
[0053]
It should be noted that the present invention is not limited to the present embodiment, and can be modified into various forms within the scope of the present invention.
[0054]
For example, a composite material obtained by mixing magnesium or a magnesium alloy with aluminum or an aluminum alloy constituting the main body 2 of the disk rotor 1 by several percent, such as a metal mainly containing aluminum, magnesium, and titanium, and another metal May be mixed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a front view of a disk rotor of a vehicle disk brake according to one embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a sectional view of a disc brake according to one embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic explanatory view of an omnidirectional ion implantation apparatus used in one embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a partial sectional view showing another embodiment of the rotary table of the omnidirectional ion implantation apparatus.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Disc rotor 2 Main body 4 Sliding surface 10 Disc brake 11 Caliper body 12 Piston 14 Hydraulic chamber 50 Omnidirectional ion implanter 53 Rotary table 53a Stirrer blade 53b Container

Claims

車両用ディスクブレーキのディスクロータにおいて、
平均直径が０．７〜５００ｎｍであって平均長さが０．０１〜１０００μｍであるカーボンナノファイバー及び球殻状炭素であるフラーレンの少なくとも一方を含有する金属によって形成される、車両用ディスクブレーキのディスクロータ。In a disk rotor of a vehicle disk brake,
A disc brake for a vehicle, which is formed of a metal containing at least one of carbon nanofiber having an average diameter of 0.7 to 500 nm and an average length of 0.01 to 1000 μm and fullerene which is a spherical shell carbon. Disk rotor.

請求項１記載の車両用ディスクブレーキのディスクロータにおいて、
前記金属は、アルミニウムまたはアルミニウム合金である、車両用ディスクブレーキのディスクロータ。The disk rotor for a vehicle disk brake according to claim 1,
The disc rotor for a disc brake for a vehicle, wherein the metal is aluminum or an aluminum alloy.

請求項１記載の車両用ディスクブレーキのディスクロータにおいて、
前記金属は、マグネシウムまたはマグネシウム合金である、車両用ディスクブレーキのディスクロータ。The disk rotor for a vehicle disk brake according to claim 1,
The disc rotor for a disc brake for a vehicle, wherein the metal is magnesium or a magnesium alloy.

請求項１記載の車両用ディスクブレーキのディスクロータにおいて、
前記金属は、チタンまたはチタン合金である、車両用ディスクブレーキのディスクロータ。The disk rotor for a vehicle disk brake according to claim 1,
The disc rotor for a disc brake for a vehicle, wherein the metal is titanium or a titanium alloy.

請求項１〜４記載の車両用ディスクブレーキのディスクロータのいずれかにおいて、
前記カーボンナノファイバーは、イオン注入処理されている、車両用ディスクブレーキのディスクロータ。The disk rotor for a vehicle disk brake according to any one of claims 1 to 4,
A disk rotor for a disk brake for a vehicle, wherein the carbon nanofibers are subjected to ion implantation.

請求項１〜４記載の車両用ディスクブレーキのディスクロータのいずれかにおいて、
前記カーボンナノファイバーは、スパッタエッチング処理されている、車両用ディスクブレーキのディスクロータ。The disk rotor for a vehicle disk brake according to any one of claims 1 to 4,
A disk rotor for a disk brake for a vehicle, wherein the carbon nanofibers are sputter-etched.

請求項１〜４記載の車両用ディスクブレーキのディスクロータのいずれかにおいて、
前記カーボンナノファイバーは、プラズマ処理されている、車両用ディスクブレーキのディスクロータ。The disk rotor for a vehicle disk brake according to any one of claims 1 to 4,
A disk rotor for a disk brake for a vehicle, wherein the carbon nanofibers are plasma-treated.

請求項１〜７記載の車両用ディスクブレーキのディスクロータのいずれかにおいて、
前記フラーレンは、カーボン６０とカーボン７０とを含み、
前記カーボン７０より前記カーボン６０が多く含有されている、車両用ディスクブレーキのディスクロータ。The disk rotor for a vehicle disk brake according to any one of claims 1 to 7,
The fullerene includes carbon 60 and carbon 70,
A disc rotor for a vehicle disc brake, wherein the disc rotor contains more carbon 60 than carbon 70.

請求項１〜８記載の車両用ディスクブレーキのディスクロータのいずれかにおいて、
前記金属は、前記カーボンナノファイバー及び前記フラーレンの少なくとも一方の合成過程において得られる炭素及び炭素化合物を含有する、車両用ディスクブレーキのディスクロータ。The disk rotor for a vehicle disk brake according to any one of claims 1 to 8,
The disc rotor for a disc brake for a vehicle, wherein the metal contains carbon and a carbon compound obtained in a synthesis process of at least one of the carbon nanofiber and the fullerene.