JPH033086B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、摩擦デイスクに関し、詳しくは車
両、自動車、航空機などの車輪の回転を摺動摩擦
によつてコントロールするブレーキデイスク等に
関する。

（従来の技術） 車両、自動車、航空機などのブレーキデイスク
には、鋳鉄やアスベスト、あるいは耐摩耗性を与
えたり、摩擦性能の安定化のため鋳鉄に黒鉛を添
加したものが従来より用いられており、最近では
アスベスト粉の人体や環境に及ぼす悪影響の点か
ら、炭素結合炭素繊維複合材料からなる、いわゆ
るＣ／Ｃ複合体よりなるブレーキデイスクが使用
されるようになつてきている。

Ｃ／Ｃ複合体は炭素繊維をフイラメントワイン
デイングなどによつて一方向を強化したものや、
炭素繊維で編んだ布、不織布を重ね合わして二方
向を強化したもの、あるいは多方向に編み込むこ
とによつて多方向に強化したものなどがあり、こ
れらのＣ／Ｃ複合体は機械的強度が大きく、耐熱
性や熱伝導性に優れているため、摩擦熱の急速な
放散が可能であり、高強度で焼付きや腐食、サビ
などが発生しないため、航空機のように高速のも
のや、一部の特殊な車両や自動車のブレーキデイ
スクに使用されている。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、従来のＣ／Ｃ複合体より成るブ
レーキデイスクである摩擦デイスクは強度の点
で、強化された方向は問題なかつたが、摺動面の
耐摩耗性が不十分であつた。

又、高速での摩擦熱は部分的に炭素繊維の酸化
反応を開始させる温度以上になることがあり、そ
の結果、酸化消耗を起こし、急激な強度劣化が見
られた。

本発明はこのような問題点を解決し、高強度で
耐摩耗性と耐酸化性に優れた摩擦デイスクを提供
することを目的とする。

（問題点を解決するための手段） すなわち、本発明はＣ／Ｃ複合体より成る摩擦
デイスクにおいて、その一部又は全部を炭化珪素
に転化して成る摩擦デイスクを要旨とするもので
ある。

Ｃ／Ｃ複合体はポリアクリロニトリル、レーヨ
ン、フエノール樹脂等の合成高分子材料を出発原
料とする炭素繊維か、又は石油ピツチ、石炭ピツ
チ等を出発原料とする炭素繊維を用いて一次元、
二次元、三次元構造、あるいはもつと高次元の構
造に組み立てられる。

次いでこれらの構造体はフエノール樹脂やフラ
ン樹脂等の炭化性樹脂を含浸したり、ピツチ類を
含浸し、硬化後、700℃以上で焼成炭化する。こ
の工程でより緻密で高強度のＣ／Ｃ複合体を得る
には樹脂含浸−硬化−炭化のプロセスを数回繰り
返す必要がある。

又、この他にも樹脂含浸に換えて、CVD処理
によつて熱分解炭素を炭素繊維構造体内に均一に
沈積させてもよい。

このようにして成形加工したＣ／Ｃ複合体より
成る摩擦デイスクの一部又は全部を炭化珪素に、
特に耐摩耗性に優れたβ型炭化珪素に転化される
方法としては、珪素蒸気又は各種珪素化合物と反
応させるコンバージヨン法、コンバージヨン法の
ガス発生源と同じ充填剤といつしよに被処理物を
埋め込んで加熱処理するバツクセメンテージヨン
を応用した方法がある。最も好ましい方法として
一酸化珪素ガスと摩擦デイスクを次式のように反
応させることにより、摩擦デイスクの形状を保持
したまま行うコンバージヨン法があげられる。

SiO(g)＋2C＝SiO＋CO(g) この反応は1300℃〜2300℃の温度範囲で加熱す
ることにより進行する。ここで一酸化珪素ガスを
発生させるには、ガス発生源として珪素粉と二酸
化珪素粉の混合体、又は炭化珪素粉と二酸化珪素
粉の混合体、あるいは炭素粉と二酸化珪素粉の混
合体、その他各種珪素化合物を1200℃〜2300℃に
加熱することにより行うことができる。

摩擦デイスクの一部又は全部を炭化珪素に転化
させるには一酸化珪素ガスの発生源と接触しない
ように同一黒鉛容器に載置し、一酸化珪素ガス発
生源から摩擦デイスクの表面へ一酸化珪素ガスを
導入して摩擦デイスクの微細気孔を通して、一酸
化珪素ガスを拡散させて珪化反応を行わせる。

摩擦デイスクの希望する部分だけを炭化珪素層
に転化させるには、希望する部分以外は黒鉛板等
を当ててマスクさせることによつて、一酸化珪素
ガスとの接触を断つことにより行うことができ
る。

摩擦デイスクと一酸化珪素とを反応させて摩擦
デイスク表面層を炭化珪素に転化させるとき、処
理温度を1300℃〜2300℃の範囲で選択することに
よつて摩擦デイスク表面層の珪化層の中に未反応
炭素を残留させ、用途に応じて炭化珪素分の割合
である珪化率をいろいろ変えたものをつくること
ができる。又、処理温度のほかに処理時間を調節
することによつても摩擦デイスク表面の珪化層の
厚さをコントロールすることができる。珪化層の
厚さは0.1mm〜3.5mmが好ましい。その他、一酸化
珪素の濃度を調節することによつて珪化率、珪化
層の厚さをコントロールすることができる。

以上のような方法のほかに、Ｃ／Ｃ複合体を構
成する炭素繊維自体を前記の方法を用いて、繊維
表面層の一部又は全部を炭化珪素に転化させ、こ
の炭素繊維を用いて１次元、２次元、又は３次
元、あるいはそれ以上の高次元のＣ／Ｃ複合体に
編み上げて樹脂含浸−硬化−炭化あるいはCVD
処理の工程を経て摩擦デイスクを得ることもでき
る。

摩擦デイスクの表面層を炭化珪素に転化した珪
化層の中には未反応炭素を少なくとも10％以上は
残留させておくことが望ましい。このことによつ
て炭化珪素成分固有の耐摩耗性付与効果に炭素成
分固有の熱伝導性が加わり、長時間の使用寿命が
保証されるからである。

（発明の作用） 本発明ではＣ／Ｃ複合体より成る摩擦デイスク
の表面層を一酸化珪素ガスを浸透拡散させ、摩擦
デイスク自体と反応させて炭化珪素に転化させる
ことが特徴となつており、CVD法やPVD法、あ
るいは、メツキ、溶射、塗布のような方法を使つ
て炭素繊維の上に各種物質を沈積被膜化したもの
とは根本的に違つている。

つまり、CVD法やPVD法、あるいはメツキ、
溶射、塗布などによつて得られた炭素繊維表面は
各種の沈積被膜物質と炭素繊維表面がフアン・デ
ル・ワールス力等による物理的接着のみで結合し
ており、このような炭素繊維より成るＣ／Ｃ複合
体の摩擦デイスクを用いた場合、高温高圧下での
繰り返し使用では沈積被膜物質が熱膨張差や剪断
応力等が原因となつて剥離を起こし、耐摩耗性、
耐酸化性を早期に損う。

しかし、本発明の摩擦デイスクの表面層は素材
が最も安定で化学的に腐食されない耐酸化性と耐
摩耗性に優れた炭化珪素が主成分であり、摩擦デ
イスクの表層自体が一酸化珪素と反応して炭化珪
素に変化したものであるから境界は完全な連続の
組織となつており、高温高圧下での繰り返し使用
によつて珪化層が剥離することはなく長期にわた
つて耐酸化性、耐摩耗性を確保する。

次に、本発明を実施例によつて具体的に説明す
る。

（実施例） 実施例 １ 炭素繊維で編んだ布を重ね合わせてフエノール
樹脂に含浸した後、ホツトプレスを用いて150
Kg／cm²の圧力で加圧硬化させ、直径250mmΦ、厚
さ15mmの成形体を得た。これを900℃で焼成炭化
しＣ／Ｃ複合体より成る摩擦デイスクを得た。

ここで、得られた摩擦デイスクに更に４回フエ
ノール樹脂含浸と焼成炭化を繰り返し、密度1.58
ｇ／cm³、曲げ強さ1150Kg／cm²AG、弾性率1300
Kg／mm²の摩擦デイスクを作製した。

この摩擦デイスクを珪素粉と二酸化珪素粉の混
合成形体1.5Kg（モル比１：１）と接触しないよ
うに同一黒鉛容器に入れ密閉し、1800℃で加熱
し、この温度で90分間保持して、表面層を炭化珪
素に転化した。

この処理の結果、第１図の断面図に示すように
Ｃ／Ｃ複合体３の表面層が約2.6mmの厚さで未反
応炭素を含んだβ型炭化珪素に転化した層２を持
つた摩擦デイスク１を作製した。

炭化珪素に転化した層２は第２図の略図に示し
たように、表面から約2.6mmの厚さで炭化珪素に
添加した部分５と未反応炭素部分６からなる炭素
繊維、及び炭化珪素に転化した部分７と未反応炭
素８からなる炭素マトリツクスより構成されてい
る。

以上のようにして得られた表面層を炭化珪素に
転化したＣ／Ｃ複合体より成る摩擦デイスクの密
度は1.61ｇ／cm³、曲げ強度1820Kg／cm²、弾性率
1910Kg／mm²となつた。

この摩擦デイスクを600℃の空気雰囲気中に置
き、100時間後の酸化消耗率を測定した結果、表
面層を炭化珪素に転化していない従来の摩擦デイ
スクの酸化消耗率の約1/15であつた。

又、この摩擦デイスクを相手材ステンレス鋼の
回転体に、圧力588Nで接して摩耗率を測定した
結果、表面層を炭化珪素に転化していない従来の
摩擦デイスクの摩耗率の約1/3であつた。

実施例 ２ 第３図に示したように、表面層をβ型炭化珪素
に転化した層５を持つた炭素繊維を用いて２次元
の布を作製し、これを重ね合わせてフエノール樹
脂に含浸した後、ホツトプレスを用いて150Kg／
cm²の圧力で加圧硬化させ、直径250mmΦ、厚さ15
mmの成形体を得た。これを900℃で焼成、炭化し
Ｃ／Ｃ複合体より成る摩擦デイスクを作製した。
この摩擦デイスクに更に４回フエノール樹脂含浸
と承成炭化を繰り返し、密度1.59ｇ／cm³、曲げ強
さ1470Kg／cm²AG、弾性率1490Kg／mm²の摩擦デイ
スクを得た。

この摩擦デイスクを600℃の空気雰囲気中に置
き、100時間後の酸化消耗率を測定した結果、炭
化珪素に転化していない従来の摩擦デイスクの酸
化消耗率の約1/20であつた。

又、この摩擦デイスクを相手材ステンレス鋼の
回転体に、圧力588Nで接して摩耗率を測定した
結果、炭化珪素に転化していない従来の摩擦デイ
スクの摩耗率の約1/2であつた。

実施例 ３ 実施例１と同様に、炭素繊維で編んだ布を重ね
合わせてフエノール樹脂に含浸した後、ホツトプ
レスを用いて150Kg／cm²の圧力で加圧硬化させ、
直径250mmΦ、厚さ15mmの成形体を得た。これを
900℃で焼成炭化したＣ／Ｃ複合体より成る摩擦
デイスクを得た。

ここで、得られた摩擦デイスクに更に４回フエ
ノール樹脂含浸と焼成炭化を繰り返し、密度1.58
ｇ／cm³、曲げ強さ1080Kg／cm²AG、弾性率1300
Kg／mm²の摩擦デイスクを作製した。

この摩擦デイスクを炭素粉と二酸化珪素粉の混
合粉１Kg（モル比３：１）といつしよに黒鉛製容
器内に充填し、1800℃で加熱し、この温度で１時
間保持した。

この処理の結果、表面層をβ型炭化珪素に転化
したＣ／Ｃ複合体より成る摩耗デイスクを得た。

この摩擦デイスクを600℃の空気雰囲気中に置
き、100時間後の酸化消耗率を測定した結果、表
面層を炭化珪素に転化していない従来の摩擦デイ
スクの酸化消耗率の約1/12であつた。又、この摩
擦デイスクを相手材ステンレス鋼の回転体に、圧
力588Nで接して摩耗率を測定した結果、表面層
をを炭化珪素に転化していない従来の摩擦デイス
クの摩耗率の約1/3であつた。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明の摩擦デイスク
は、その一部又は全部を炭化珪素に転化させてい
るため、摩擦熱によつて炭素繊維が酸化反応を開
始する温度の500℃を越えることがあつても、表
面層の炭化珪素によつて酸化消耗はおさえられ、
急激なる強度劣化を起こさないので安心して使え
る。

又、本発明の摩擦デイスクはその表面層の炭化
珪素によつて、炭化珪素固有の耐摩耗性付与効果
と炭素繊維の熱伝導性、熱放散性付与効果によつ
て、耐摩耗性のある熱放散性に優れた摩擦デイス
クを提供する。

さらに、本発明の摩擦デイスクは炭化珪素によ
つて強化された炭素繊維より成る摩擦デイスクの
構造になつているので、従来の炭素繊維の編み構
造によつて機械的強度をもたせた摩擦デイスクに
較べ、高強度、高弾性のものを得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る摩擦デイスクの断面図、
第２図は第１図Ａ部の模式的にあらわたし拡大
図、第３図は珪化処理前、珪化処理後の炭素繊維
の断面図である。 符号の説明、１……摩擦デイスク、２……未反
応炭素を含んだ炭化珪素に転化した層、３……
Ｃ／Ｃ複合体、４……炭素繊維、５……炭素繊維
の炭化珪素に転化した部分、６……炭素繊維の未
反応炭素部分、７……炭素マトリツクスの炭化珪
素に転化した部分、８……炭素マトリツクスの未
反応炭素部分。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ Ｃ／Ｃ複合体より成る摩擦デイスクにおい
   て、その一部又は全部を炭化珪素に転化して成る
   摩擦デイスク。