JP2005298852A

JP2005298852A - ブレーキ用回転体

Info

Publication number: JP2005298852A
Application number: JP2004113164A
Authority: JP
Inventors: Hisao Uei; 久雄上井
Original assignee: Akebono Brake Industry Co Ltd
Current assignee: Akebono Brake Industry Co Ltd
Priority date: 2004-04-07
Filing date: 2004-04-07
Publication date: 2005-10-27

Abstract

【課題】アルミ合金製基材の摩擦摺動面をセラミックス溶射層で被覆したブレーキ用回転体について、アルミ合金製基材表面に直接溶射されたセラミックス溶射層との結合強度を高めて剥離を防止しつつ耐久性を向上させるようにすること。
【解決手段】アルミ合金（アルミＭＭＣを含む）製基材１の摩擦摺動面をセラミックス溶射層３で被覆したブレーキ用回転体において、上記アルミ合金製基材１の上記摺動面をアルマイト処理してアルマイト層２を形成し、当該アルマイト層２の上に上記セラミックス溶射層３を形成しているブレーキ用回転体。
【選択図】図１

Description

この発明はブレーキディスク、ブレーキドラム等のブレーキ用回転体、殊に軽量なアルミ合金製（アルミＭＭＣを含む）のブレーキ用回転体に関するものであり、その摺動面にセラミックスを溶射してセラミックス溶射層を形成してその耐摩耗性を向上させたアルミ合金製のブレーキ用回転体について、アルミ合金製基材表面に対するセラミックス溶射層の結合を強化し、かつその耐久性を向上させることができるものであり、特に、自動車、自動二輪車、マウンティングバイク、鉄道車両等のブレーキ用回転体に利用するとき極めて有効なものである。

ディスクブレーキ、ブレーキドラム等のブレーキ用回転体には、強度、耐摩耗性、熱伝導性などの様々な特性が求められるために鋳鉄（ＦＣ）製のものが一般的に用いられている。
他方、自動車等の乗り物のブレーキ装置のブレーキ用回転体はバネ下部品であり、しかも高速で回転し、急速に加速・減速されるものであることから、近年では軽量化のため、さらには操縦性向上のためにアルミ合金製のブレーキディスクが実用され、その１つとして、アルミＭＭＣ（アルミ複合体）、すなわち、アルミ合金中にセラミックス（Ａｌ₂０₃，ＳｉＣ，ＭｇＯ，ＳｉＯ₂，ＺｒＯ₂，ＷＣ等）を添加して耐摩耗性を向上させたものがある。しかし、アルミＭＭＣ等のアルミ合金は、熱伝導性は高いものの融点が比較的低い（６６０℃）ので、高ブレーキ負荷、高温下での耐摩耗性に問題があり、したがって耐久性に問題がある。

また、アルミ合金製のブレーキディスクの耐久性向上のために、その摺動面に耐摩耗性が高い炭素鋼、ステンレス鋼などを溶射して当該摺動面を耐摩性溶射層で被覆するものがあり、この場合、アルミ合金製基材と被覆層との密着性、結合性を高めて金属溶射層の剥離を防止するために、ニッケルを主成分とする溶射中間層を介在させたものがある（特開平７−２２４８６８号公報）。このものは被覆層が炭素鋼、ステンレス鋼等の耐摩性金属溶射層であることから、その耐久性が必ずしも十分ではない。

また、アルミ合金製ブレーキディスクの耐久性向上のために、その摺動面をセラミックス溶射層で被覆したものがあり、このものは被覆層がセラミックス溶射層であることから炭素鋼、ステンレス鋼等の耐摩性金属溶射層で被覆したものに比して耐摩性が優れている。ところが、アルミＭＭＣ（熱膨張率：１７×１０^{- 6}℃）とセラミックス溶射層（熱膨張率：９×１０^-6℃）は熱膨張率の差が大きいため、両者間の温度差のためにセラミックス溶射層がアルミＭＭＣ製ディスク基材表面から剥離する。この温度差を可及的に小さくするためにセラミックス溶射層を０．２〜０．５ｍｍにしているが、セラミックス溶射層が薄いために耐久性に問題がある。

アルミ合金製ディスク基材表面に対するセラミックス溶射層の結合を強化してその剥離性を低減するために、ニッケルを主成分とする中間層を溶射して形成するものがある（特開平５−４４７５３号公報、以下これを「従来技術」という）。これは、アルミＭＭＣとセラミックス溶射層の両方に対して優れた結合性を有するニッケル主成分の中間層を介在させることによってアルミＭＭＣ基材に対するセラミックス溶射層の結合を強化しものであるが、ニッケル主成分の中間層が介在するためのアルミＭＭＣ基材とセラミックス溶射層間の温度差が増大することからその間の熱膨張差が大きくなり、界面にかかる応力が増大するために、セラミックス溶射層を厚くすることができず、したがって、耐久性の問題が残されている。
特開平７−２２４８６８号公報特開平５−４４７５３号公報

この発明は、アルミ合金（アルミＭＭＣを含む）製基材の摩擦摺動面をセラミックス溶射層で被覆したブレーキ用回転体について、アルミ合金製基材表面に直接溶射されたセラミックス溶射層との結合強度を高めて剥離を防止しつつ耐久性を向上させられるようにすることをその課題とするものである。

上記課題を解決するための手段は、ブレーキ用回転体のアルミ合金製基材の摺動面をアルマイト処理してアルマイト層（陽極酸化被膜）を形成し、当該アルマイト層の上にセラミックス溶射層を形成したことである。

〔作用〕
アルミ合金製基材の摺動面にアルマイト処理で形成されたアルマイト層は基材表層の一部（基材層から成長した酸化層）であり、その間の界面強度は極めて高い。また、上記アルマイト層はセラミックス溶射層と同様のアルミナであるので溶着性が高く、アルマイト層表面は微小凹凸面であるから、セラミックス溶射層とアルマイト層とが機械的に結合し一体化されて強固に結合され、さらに、アルマイト層とセラミックス溶射層はともにアルミナであることから熱膨張率がほぼ同じである。したがって、アルミ合金製基材表層とセラミックス溶射層間の結合強度は強く、しかもその界面にかかる応力は小さいので熱膨張差によってセラミックス溶射層がアルマイト層から剥離することはない。
したがって、アルミ合金製基材表面層に比較的厚いセラミックス溶射層を形成してもこれがアルミ合金製基材から剥離することはないので、セラミックス溶射層を厚くすることができ、セラミックス溶射層を厚くできる分だけその耐久性が向上される。

以上のとおり、ブレーキ用回転体のアルミ合金製回転体基材のブレーキ面にアルマイト処理によるアルマイト層を形成し、その上にセラミックス溶射層を形成したことで、温度差によって応力がかかる位置を基材表面層とアルマイト層との界面にすることで、セラミックス溶射層との界面に上記応力がかかることを回避し、これによって、熱応力によってセラミックス溶射層が剥離することを確実に防止することができ、その結果、セラミックス溶射層を厚く形成することができるので、ブレーキ用回転体の耐久性を著しく向上させることができる。
また、上記のアルマイト処理は低コストでなされるので、セラミックス溶射層の剥離防止のためにニッケル主成分の溶射層を中間層とする従来技術に比して、ブレーキ回転体の製造コストが著しく低い。

〔実施態様１〕
実施態様１は、上記解決手段における、アルマイト処理によるアルマイト層の厚さが、０．０１〜０．１ｍｍであることである。
〔作用〕
アルマイト処理にアルマイト層の厚さが０．０１ｍｍ以下では、アルマイト層が介在することによる上記作用効果が顕著でなく、他方、０．１ｍｍ以上では、比較的靭性に劣る上記アルマイト層が厚すぎて、衝撃等によりアルマイト層が破壊されるので、その結果、セラミックス溶射層のアルミ合金製基材への結合強度が損なわれる可能性がある。

〔実施態様２〕
実施態様２は、上記解決手段におけるセラミックス溶射層の厚さが０．６〜１．０ｍｍであることである。
〔作用〕
セラミックス溶射層の厚さを０．６以上にすることで上記従来技術によるものよりも耐久性が高い。他方、セラミックス溶射層の厚さが１．０ｍｍ以上では、セラミックス溶射層形成のためのコストが著しく高くなり、またこれ以上厚くても格別のメリットはない。

〔実施態様３〕
実施態様３は、上記解決手段におけるブレーキ用回転体のアルミ合金製基材が、アルミＭＭＣ製であり、そのアルミＭＭＣのセラミックス体積含有率が１５〜５０％であることである。
〔作用〕
アルミＭＭＣ中のセラミックス体積含有率が１５％以下では、熱膨張率が２０×１０^-6℃以上と大きく、溶射層（９×１０^-6℃）との熱膨張差が大きくなり、結合強度が低く、剥離してしまう。
他方、セラミックス体積含有率が５０％を越えると熱膨張率は低下し、溶射層の９×１０^-6℃に近づくが、切削加工性が悪く、コストアップの要因となる。

この発明は鉄道車両、自動車等の過酷な条件下で作動するブレーキ装置に適用するのが最も効果的であるから、この発明を自動車用ディスクブレーキに適用した実施例１、自動車用ドラムブレーキに適用した実施例２を図面を参照しながら説明する。

実施例１の外径２７５ｍｍのブレーキディスク基材１はアルミＭＭＣ製であり、このアルミＭＭＣのセラミックス体積含有率は４０％である。このブレーキディスクのブレーキパッドとの摺動面をアルマイト処理して、厚さ（深さ）０．０３ｍｍのアルマイト層２を形成している。このときのブレーキディスク基材１の熱膨張率は１７×１０^-6℃であり、アルマイト層２の熱膨張率は７〜９×１０^-6℃である。
そして、上記アルマイト層２の上にアルミナ（Ａｌ₂０₃）を溶射して厚さ０．８ｍｍのアルミナ溶射層３を形成している。
アルマイト層２表面は微小凹凸面であるから、セラミックス溶射層３とアルマイト層２とが機械的に結合一体化して強固に結合する。さらに、アルミナ溶射層３の熱膨張率は９〜１０×１０^-6℃であって、アルマイト層２の熱膨張率とほとんど違いがないので、両者の結合面（界面）における熱膨張差による応力は極めて小さい。
なお、ブレーキディスク基材１とアルマイト層２間の熱膨張差は大きいが、アルマイト層２は上記基材から成長した酸化層であるので、これらの界面４の界面強度は極めて強いので、この界面４が熱膨張差のために破壊されることはない。

実施例２の内径２２８．６ｍｍのブレーキドラム基材２１はアルミＭＭＣ製であり、セラミックスの体積含有率が４０％のものである。このブレーキドラムのブレーキ面をアルマイト処理して、厚さ（深さ）０．０５ｍｍのアルマイト層２２を形成している。このときのブレーキドラム基材２１の熱膨張率は１７×１０^-6℃であり、アルマイト層２２の熱膨張率は７〜９×１０^-6℃である。
そして、上記アルマイト層２２の上にアルミナ（Ａｌ₂０₃）を溶射して厚さ０．６ｍｍのアルミナ溶射層２３を形成している。
ブレーキドラム基材２１とアルマイト層２２間の熱膨張差は大きいが、上述のように、これらの界面２４の界面強度は極めて強いので、この界面２４が熱膨張差のために破壊されることはない。

〔変形例〕
図３は実施例２の変形例であり、ブレーキドラム基材３１をアルミ合金製とし、これに厚さ５ｍｍのアルミＭＭＣ製（セラミックスの体積含有率が４０％）円筒体３０を嵌着している。この円筒体の内面を予めアルマイト処理して厚さ（深さ）０．０５ｍｍのアルマイト層３２を形成してあり、このアルマイト層３２の内表面にアルミナ（Ａｌ₂０₃）を溶射して厚さ０．６ｍｍのアルミナ溶射層３３を形成している。

〔効果確認〕
実施例１のものと従来技術との耐久性比較試験結果について説明する。
比較対象の従来技術によるものは、そのニッケル主成分の中間層の厚さが０．２ｍｍ、アルミナ溶射層の厚さが０．３ｍｍである。
試験条件は、減速度５．８８ｍ／ｓ²（０．６Ｇ），速度１００Ｋｍ／ｈ→０Ｋｍ／ｈ制動後冷却を行い、制動開始温度１００℃として繰り返して制動を行った。制動回数５０回である。

試験結果
従来技術によるものロータ摺動面に微小クラックが発生し、摩擦係数は０．２μと低下した。
制動面の最高温度５９０℃。
実施例１：ロータ摺動面に大きなダメージがなく摩擦係数は０．２５μであった。
制動面の最高温度６１０℃。

（イ）は実施例１の断面図、（ロ）は（イ）のＡ部拡大図である。（イ）は実施例２の断面図、（ロ）は（イ）のＢ部拡大図である。（イ）は実施例２の変形例の断面図、（ロ）は（イ）のＣ部拡大図である。

符号の説明

１・・・ブレーキディスク基材
２，２２，３２・・・アルマイト層（陽極酸化被膜）
３，２３，３３・・・アルミナ溶射層
２１・・・ブレーキドラム基材
３０・・・円筒体

Claims

アルミ合金（アルミＭＭＣを含む）製基材の摩擦摺動面をセラミックス溶射層で被覆したブレーキ用回転体において、
上記アルミ合金製基材の上記摺動面をアルマイト処理してアルマイト層を形成し、当該アルマイト層の上に上記セラミックス溶射層を形成しているブレーキ用回転体。
上記アルマイト処理によるアルマイト層の厚さが、０．０１〜０．１ｍｍである請求項１のブレーキ用回転体。
上記セラミックス溶射層の厚さが０．６〜１．０ｍｍである請求項１のブレーキ用回転体。
上記セラミックスがアルミナである、請求項１乃至請求項３のブレーキ用回転体。
上記ブレーキ用回転体のアルミ合金製基材が、アルミＭＭＣ製であり、該アルミＭＭＣのセラミックス体積含有率が１５〜５０％である請求項１乃至請求項４のブレーキ用回転体。