JP5048900B2 - セラミック材料からなる摩擦領域を有するブレーキディスクの製造方法およびブレーキディスク - Google Patents
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Description
現在、重荷重ブレーキに関して以下の要件が出されている。即ち、この種のブレーキは、制動(これは概ね発熱期である)を掛けた直後でも、大きな（運動）エネルギーを短時間内に熱エネルギーに変換する必要があり、ブレーキがその制動効率を大幅に失うことなく、車軸との摩擦接合が減速を掛けている間にも大きなトルクに耐える必要がある。
【０００２】
同時に、ドライビングアクスル及び減速アクスルの慣性モメントをできるだけ小さく維持するため、ブレーキ装置は、できるだけ軽くする必要がある。また、ブレーキディスクとブレーキブロックを組み合わせた材料の選択に当たっては、この組み合わせの中では交換が容易なブレーキブロックの磨耗がより大きくなるようにする必要がある。
【０００３】
大抵の重荷重ブレーキは、今日では、通常ディスクブレーキにより実現されている。ブレーキディスクは、概ね鋼又は鋳鉄製である。作動温度が約250〜600℃(例えば、フォーミュラーワンレーシングカー又は航空機)のブレーキでは、炭素繊維強化炭素製のブレーキディスクが既に供用され成功している。この材料は、しかし、その表面が高温で酸化されるため、長期の使用には好ましくない性能を有している。周知の通り、カーボン繊維のネットで強化した炭化珪素マトリックスを有するセラミック複合材料は、これよりも更に好都合な反応を示す(国際特許出願公開97/22815号)。それによって、炭素繊維の持つ高度な形態安定性と剛性とが炭化珪素のこの好都合な磨耗特性及び、特にその優れた酸化安定性と熱特性とが組み合わされる。本発明は、このセラミック複合材料の部品を所要の形状に研磨し、次いでハブとスポークの間に鋼製支持体に固定する方法を含んだ、セラミック材料からなる摩擦領域を有するブレーキディスクの製造方法、およびその製造方法によって製造されることが可能となるブレーキディスクに関する。
【０００４】
セラミック、特にセラミック複合材料の機械加工は、コストが高くつき、しかも量産のための自動化が殆んどできない。
【０００５】
本発明の目的は、従って、セラミック部品、特にセラミック複合材料として炭素繊維強化の炭化珪素複合材料を用いてなる摩擦領域を有するブレーキディスクの連続製造（いわゆる量産化対応等）を可能とする、セラミック材料からなる摩擦領域を有するブレーキディスクの製造方法およびブレーキディスクを提供することにある。
【０００６】
この発明の目的は、セラミック材料、特に複合材料製の摩擦領域を有するブレーキディスクの製造方法であって炭素繊維強化の炭化珪素複合材料を用いてなる、少なくとも１つのセラミック複合材料部品を、ダイカスト用金型内に置き、加圧下にて溶融した金属を注型することで形成される軸対称本体（金属基体とも呼ぶ。以下同様）に接合して、その金属基体が、その軸対称本体としての回転軸に関して軸対称に配置され、且つその金属本体の回転軸に垂直な少なくとも１つの表面から突出する少なくとも１つのセラミック複合材料部品を含むこととなる、という製造方法を提供することにある。
【０００７】
それによって、金型中のセラミック要素の位置は、最終製品たるブレーキディスクの半径の望ましくは少なくとも1/10であって、最大で2/3に達する半径を有する金型の(対称)軸とこの軸の周囲のゾーンとがセラミック部品を欠くような仕方をもって、選択する。軸の周囲のこのゾーンの寸法の決定に必須の条件は、制動減速によって生じるトルクが回転軸に伝達されるようにすることである。
【０００８】
望ましくは、中央部分(対称軸に近接する部分)、即ちハブをポット状に作ることである。
【０００９】
セラミック部品の断面は、如何なる形状でも良く、セラミック部品の数は少なくとも1つ、望ましくは2〜80、特に4〜40である。このセラミック部品は、回転軸に関して対称に配置される必要があり、異なる寸法又は異なる形状のこの部品は、各部品が少なくとも1つの他の部品と併せてそれ自体軸対称であるべしとの対称条件を達成している限りにおいて、同時に同様に使用できることが必要である。しかし、全てのセラミック部品が同じ寸法であることが望ましい。セラミック部品の断面は、円形、楕円形又は楔形でよいが、しかし、長方形又は台形断面も使用できる。
【００１０】
原則として、既知の全てのセラミック材料がこのセラミック材料として使用できる。しかし、使用時の温度負荷の故に、制動中において生じる高温での酸化によって劣化せず、且つこのような高温でも硬度をなお維持しているような材料が望ましい。このような材料は、特に炭素繊維或いは金属のウイスカーで強化された繊維強化セラミックスが好ましい。炭化珪素及びその他の窒化珪素などの非酸化性セラミックがその好都合な熱特性、その高い硬度及びその耐薬品性の故に特に望ましい。RSiC(再結晶性炭化珪素)、SSiC(焼結炭化珪素)及びSiSiC(珪素溶浸炭化珪素)などの種々の炭化珪素セラミック、特に炭素繊維強化炭化珪素(C/SiＣ)が際立って適している。
【００１１】
支持及び力伝達部品として使用される金属は、セラミックの分解温度より低い温度で溶解する必要があり、この金属は、高温でも所要の力をブレーキディスクに導入するに十分な捻り剛性を備え、かつその熱膨張がセラミックのそれから大きく懸け離れないことが必要であり、かつこの金属は、セラミックを(化学的に)犯さないことが必要である。例えば炭素繊維強化の珪素溶浸炭化珪素セラミックと組み合わせて、アルミニウムを使用することが適しており、合金中のアルミニウムの重量比が少なくとも40％であるアルミニウム合金などが適している。
【００１２】
ブレーキディスクの製造は、複数のセラミックセグメントを適当な自動配置装置の助けを借りてダイカスト用金型に対称に配置されて行なう。次いで、溶融金属は約5〜約500バールの圧力下でこの金型に注入する。よって、ダイカスト用金型を予備加熱するのが有利である。金属の固化の後で、金型を通常通り開き、部品を取り出し、金型に再びセラミックのインサートを装入し、その後、再び、射出成型手順を行なう。冷却した部品を、次いで必要に応じて機械加工する。
【００１３】
セラミック部品を1つしか使用しない場合は、これを軸対称、望ましくは円環とする。望ましくはこの円環は、軸に近接した側に個々の要素を、望ましくは少なくとも２つの要素を有することとし、この要素は、回転軸方向にある凸所又は凹所である。セラミックと金属との間の摩擦接合は、これらの要素によって改良される。本発明の枠内において、また、軸に近接した金属部品により、上記のダイカスト法において２つ以上のかかるリングディスクを組み合わせることが可能である。この実施態様の場合、上記のブレーキディスクポットに加えて、この２つのディスク間でプロペラ又はインペラの意味において２つのディスク間に、制動の間に生じるエネルギー損失に因る熱をより迅速に運び去る空気の流れを生成するこのような金属要素を成型することが有利であることが証明されている。
【００１４】
本願発明を以下の実施例によって説明する。
参考例１（摩擦領域を分断円形とした場合）
36の楔形のC/ＳiＣ(l＝約65ｍｍ、w＝約18ｍｍ/約10.6ｍｍ、ｈ＝32ｍｍ)を、手でダイカスト用金型に入れる。ダイカスト用金型のこれらの部品に、個々のセグメントが外径320ｍｍ及び内径190ｍｍの分断円形を形成するような仕方をもって、深さ10ｍｍの幾何学的に対応する凹所を設ける。個々のセグメントの間には、10ｍｍのセグメント状のギャップが存在した。その後のダイカストプロセスにおいて、これらのギャップにアルミニウム合金(Al-Si12Fe)を充填し、この結果個々の部品を12mm厚のアルミニウム支持構造体に固定し、もってこのダイカスト工程中に同時に形成されるアルミニウム合金のポットとの同時的な接合を伴う、摩擦リングの形成に導いた。ダイカスト法を行なうに当りこの鋳型を300℃に加熱した。その後、680℃の温度で予備加熱したアルミニウム合金を約50バールの圧力下で鋳型に注入した。その溶融生成物の固化の後、その摩擦装置を金型から取り出し、室温に冷却した後で、機械加工した。即ち、摩擦面の研磨である。
【００１５】
実施例１
外径320ｍｍ及び内径190ｍｍのC/SiCリングセグメントを、手でダイカスト用金型に入れた。このリング形状の内側には、リング上に長さ10ｍｍの歯があった。その後のダイカストでのポットとの接合は、これらの歯を介して行った。これらの歯は、よって、合金の溶融物で封入された。
【００１６】
ダイカストを行なうため、鋳型を300℃に加熱した。その後、約680℃の温度に予備加熱したアルミニウム合金を約50バールの圧力下で鋳型に注入した。その溶融生成物の固化の後、その摩擦装置を金型から取り出し、室温に冷却した後で、機械加工した。即ち、表面の研磨である。
Claims (9)
- セラミック材料からなる摩擦領域を有するブレーキディスクの製造方法であって、
前記セラミック材料として炭素繊維強化の炭化珪素複合材料を用いてなる少なくとも１つまたは複数のセラミック複合部品をダイカスト用金型内に置き、溶融金属を加圧鋳型することで、当該加圧鋳型によって形成される回転対称な金属基体に前記セラミック複合部品を鋳込んで、前記少なくとも１つまたは複数のセラミック複合部品が前記金属基体の回転対称軸を中心軸とする連続した円環状のリングディスクを成し、且つ、前記セラミック複合部品の前記摩擦領域を前記回転対称軸に対して垂直な少なくとも１つの前記金属基体の表面より突出させる
ことを特徴とする、セラミック材料からなる摩擦領域を有するブレーキディスクの製造方法。 - 前記セラミック複合部品からなる少なくとも２つの前記リングディスクを、互いに同軸平行に配置されたリングディスクとして形成する
ことを特徴とする請求項１記載のセラミック材料からなる摩擦領域を有するブレーキディスクの製造方法。 - 前記リングディスクが、前記回転対称軸に向かう方向に突出する凸所または引っ込んだ凹所を有する
ことを特徴とする請求項１または２記載のセラミック材料からなる摩擦領域を有するブレーキディスクの製造方法。 - 前記金属基体における、前記回転対称軸に近接した部分を、ブレーキディスクポットとして形成する
ことを特徴とする請求項１ないし３のうちいずれか１つの項に記載のセラミック材料からなる摩擦領域を有するブレーキディスクの製造方法。 - 金属部品がプロペラ又はインペラと同様に機能して、内部換気の意味において前記リングディスクを冷却するための空気の流れを前記２つのリングディスク間に惹き起こすように、前記金属部品を前記２つのリングディスクの間に配置する
ことを特徴とする請求項２記載のセラミック材料からなる摩擦領域を有するブレーキディスクの製造方法。 - 請求項１記載のセラミック材料からなる摩擦領域を有するブレーキディスクの製造方法によって製造されたブレーキディスク。
- 請求項２記載のセラミック材料からなる摩擦領域を有するブレーキディスクの製造方法によって製造されたブレーキディスク。
- 請求項３記載のセラミック材料からなる摩擦領域を有するブレーキディスクの製造方法によって製造されたブレーキディスク。
- 請求項５記載のセラミック材料からなる摩擦領域を有するブレーキディスクの製造方法によって製造されたブレーキディスクであって、２つの前記リングディスクの間に配置された金属部品が、プロペラ又はインペラの如く機能して、前記２つのリングディスクの間に空気の流れを惹き起こすことで、内部換気の意味において前記リングディスクを冷却するように設定されている
ことを特徴とするブレーキディスク。
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