JPH05157134A

JPH05157134A - ディスクブレーキロータ

Info

Publication number: JPH05157134A
Application number: JP34780691A
Authority: JP
Inventors: Kenji Shimoda; 健二下田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1991-12-02
Filing date: 1991-12-02
Publication date: 1993-06-22

Abstract

(57)【要約】【目的】耐摩耗性に優れかつ所要の摩擦係数を確保でき
るディスクブレーキロータを提供すること。【構成】片状黒鉛をもつ鋳鉄を母材とする摺動面１０を
備えたロータ本体１と、レーザビームの照射により溶
融、冷却されて摺動面１０に表出した放射状パターンを
なす細巾の硬化層３とで構成され、摺動面１０全体にお
ける硬化層３の面積率は１０〜４０％である。硬化層３
は、溶融液の凝固で形成されセメンタイトを主組織とす
るチル層と、チル層の下方に位置するマルテンサイトを
主組織とする焼入層とで構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は黒鉛をもつ鋳鉄を母材と
する摺動面を備えたディスクブレーキロータに関する。
このディスクブレーキロータは例えば自動車に適用でき
る。

【０００２】

【従来の技術】従来より、ディスクブレ−キロ−タとし
て、鋳鉄（ねずみ鋳鉄）製のロータ本体の表面に溶射被
膜を設けて摺動面を形成したものが知られている（特開
昭６２−８８８２８号公報）。この場合溶射被膜は投錨
効果で密着しており、急加熱、急冷却（山道を下り、水
たまりに入る場合等）を受けると溶射被膜の剥離が発生
する。又、剥離に至らずとも溶射被膜にクラックが発生
する。このような現象が起こると、ブレ−キの偏磨耗、
ブレ−キ振動等が発生し、正常なブレ−キ作用を果たさ
ない。又、溶射被膜中に銅系材料や硬質粒子等の異種金
属が複合化されている場合もあるが、この場合には、腐
食環境下において各材料間に局部電池を生じ、腐食が発
生する恐れがある。これが起こると、上記のように溶射
被膜のクラック、剥離にも至る。

【０００３】ところで溶射被膜にクラックが発生し易い
のは、次のような理由であると考えられる。すなわち、
溶射は一般に大気中で行われるため、溶融粒子は素材へ
衝突するまでの飛行中に表面が酸化される。そのため、
形成される溶射被膜中には酸化物が存在する（例えば、
Ｆｅ₃Ｏ₄）このような溶射被膜に加熱又は冷却が繰り
返されると、溶射被膜に引張、圧縮の応力が発生する。
ここで、前述の酸化物は、一般に伸びが極めて小さく、
硬くて脆いため、応力はこの部分に集中し、クラックは
この酸化物層を起点に発生する。このようなクラックが
発生すると、そこから、錆が侵入し溶射被膜の剥離へと
至り易い。

【０００４】また、従来よりディスクブレ−キロ−タと
して、電子ビームの照射、レーザビームの照射により硬
化層を形成したものが知られている（特開昭６３−３１
２５２７号公報）。この公報にかかるディスクブレ−キ
ロ−タの母材は黒鉛を含まない炭素鋼である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記した実情
に鑑みなされたものであり、耐摩耗性に優れかつ所要の
摩擦係数を確保できるディスクブレーキロータを提供す
ることを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者はディスクブレ
ーキロータについて鋭意研究を重ね、そして、ロータ本
体を鋳鉄で構成し、摺動面における硬化層の面積率を１
０〜４０％とし、摺動面の残りの面を、黒鉛を含む鋳鉄
表面で形成すれば、硬化層と鋳鉄表面との割合が適切と
なり、耐摩耗性に優れかつ所要の摩擦係数を確保できる
ことを見出し、本発明を完成させたものである。

【０００７】即ち、本発明にかかるディスクブレーキロ
ータは、黒鉛をもつ鋳鉄を母材とする摺動面を備えたロ
ータ本体と、高密度エネルギビームの照射により急熱、
急冷されて該摺動面に表出した所定パターンをなす細巾
の硬化層とで構成され、該摺動面における硬化層の面積
率は１０〜４０％であることを特徴とするものである。

【０００８】ロータ本体を構成する鋳鉄は片状黒鉛鋳
鉄、球状黒鉛鋳鉄が代表的なものである。鋳鉄の組成は
適宜設定できるが、例えば、Ｃ、Ｓｉ量は、Ｃ：３．１
〜３．６％、Ｓｉ：１．９〜２．４％にできる。硬化層
は、高密度エネルギビームの照射により急熱、急冷され
て摺動面に表出している。硬化層は、高密度エネルギビ
ームの照射で生じた溶融液の凝固で形成されたチル層
と、チル層の下方に位置しビームで熱影響された未溶融
部分の焼入層とで構成できる。チル層の主組織は一般的
にセメンタイトとなる。焼入層の主組織は一般的にマル
テンサイトとなる。また、ビームでロータの摺動面の金
属部分を急熱、急冷するだけで、溶融しない場合には、
硬化層は、一般的に、チル層をもたない焼入層で構成さ
れる。なお、チル層、焼入層の組織の粒径は、他の加熱
・冷却手段に比較して、急熱、急冷のために微細とな
る。

【０００９】硬化層は所定のパターン形状をなす。パタ
ーン形状は、図１に示す様に硬化層３を中心から放射状
に延ばした放射状パターンとしても良いし、或いは、図
５に示す様に硬化層３を渦巻き気味とした渦巻き状パタ
ーンとしても良いし、或いは、図６に示す様に半径の異
なる硬化層３を同心円状に多重に形成するパターンでも
良いし、或いは、図７に示す様に硬化層３を放射状パタ
ーンと、同心円を多重に形成したパターンとで形成した
ものでも良いし、或いは、図８に示す様に硬化層３を幾
何学的模様をえがくパターンとしたものでも良いし、或
いは、図９に示す様に硬化層３を点在させた点々状パタ
ーンとしても良く、或いは、図示はしないが、硬化層を
網状に形成する網状パターン、硬化層を格子状に形成す
る格子状パターン、或いは、他のパターンとしても良
い。

【００１０】なお、ロータの摺動面と相手材としてのパ
ッドとの境界面で生成した摩耗粉の排出に有利なのは、
放射状パターン、渦巻きパターン、点々状パターンと考
えられている。高密度エネルギビームは、レーザビー
ム、電子ビームが代表的なものである。レーザビームは
ＣＯ₂レーザ、ＹＡＧレーザを採用できる。ＣＯ₂レー
ザの場合、レーザの処理条件は例えば次の様にできる。
出力：１〜５ＫＷ、パワー密度：５〜２５ＫＷ／ｃ
ｍ²、ビーム径：０．５〜４ｍｍ、移動速度：１０〜４
００ｍｍ／ｍｉｎにできる。

【００１１】硬化層の巾、深さは、摺動条件、相手材の
材質等に応じて適宜選択できるが、例えば、巾が０．５
〜４ｍｍ、深さが０．３〜１．５ｍｍ程度にできる。硬
化層を形成するにあたり、ロータ及びレーザ発振器のう
ちいずれか一方を移動させて行い得る。また硬化面はそ
のまま用いてもよいし、あるいは、研磨して用いてもよ
い。

【００１２】

【作用】本発明にかかるディスクブレーキロータでは、
摺動面における硬化層の面積率を１０〜４０％とし、摺
動面の残りの面を、黒鉛を含む鋳鉄表面で形成している
ので、硬化層と鋳鉄表面との割合が適切となり、ディス
クブレーキロータとして必要な耐摩耗性及び摩擦係数の
双方が確保される。

【００１３】

【実施例】

（実施例１）本発明の実施例１を図１を参照して説明す
る。外径Ｄ１が２４０ｍｍ、内径Ｄ２が１４０ｍｍ（パ
ッドの摺動面約５０ｍｍ）の鋳鉄製（ＦＣ２０）ロ−タ
本体１を用いた。ロ−タ本体１は中央窪み部１ａ、中央
孔１ｂ、小孔１ｃをもつ。そのロ−タ本体１の摺動面１
０にレーザビームＬを集光レンズ系５を介して照射し、
摺動面１０の表層を部分的に急熱して溶融した。レーザ
ビームＬを移動させると、溶融液はロータ本体１への伝
熱により急冷される。これにより図１に示す様に放射線
状のパターンでロータ本体１の摺動面１０に多数本の硬
化層３を形成した。なお、この例ではレーザの照射条件
は次の通りである。即ち、レーザ種類：ＣＯ₂レーザ、
出力：２ＫＷ、パワー密度：１０Ｗ／ｃｍ²、ビーム
径：２ｍｍ、レーザビームの移動速度：２００ｍｍ／ｍ
ｉｎである。

【００１４】断面模式図である図３（図１のＡ−Ａ断
面）に示す様に、硬化層３は、主として、レーザビーム
の照射で生じた溶融液の凝固で形成されたチル層３ａ
と、チル層３ａの下方に位置しレーザビームで熱影響さ
れた未溶融部分の焼入層３ｂとで構成されている。硬化
層３の巾は約３ｍｍ、深さは約０．７ｍｍであった。な
お、硬化層３の巾、深さはレーザビームの照射条件によ
り容易に調整できる。

【００１５】また、硬化層３付近の断面組織（図１のＡ
−Ａ断面）の写真を図４に示す。図４は倍率が５０倍
で、３％ナイタール液でエッチングしたものである。図
４において、中央がチル層であり、チル層の下方に焼入
層が形成され、その下方は片状黒鉛をもつ母材組織とさ
れている。チル層、焼入層、母材との境界は比較的明瞭
に出ている。チル層は白銑であり、セメンタイトからな
る。チル層の内部には黒色の点々部分があるが、これは
黒鉛がガス化した気孔と考えられる。焼入層はマルテン
サイトと残留オーステナイトとからなる。焼入層には片
状の黒鉛が析出されている。母材はパーライトとフェラ
イトと片状黒鉛とを含む。なお、硬度は、チル層がＨＶ
８５０、焼入層がＨＶ７００、母材がＨＶ２００であっ
た。

【００１６】また、実施例１において、放射状パターン
で形成した硬化層３の間隔角度θを４〜４０°まで変え
て硬化層３の本数を変え、これにより硬化層３の面積率
を変えた。そして、各ロータの摺動面１０にパッドを当
てて摩擦試験を行い、摺動面１０の摩耗量、摩擦係数と
の関係を調べた。試験条件は、パッド：低炭素スチール
系、車速：１３０ｋｍ／ｈ→０、油圧：６０ｋｇｆ／ｃ
ｍ²、制動回数：５００回である。硬化層３の面積率と
摺動面１０の磨耗量及び摩擦係数μとの関係を図２に示
す。図２において○印は実施例１における摩耗量を示
し、●印は実施例１における摩擦係数を示す。図２にお
いて○印をつなぐと、摩耗量を示す特性線Ａとなり、●
印をつなぐと、摩擦係数を示す特性線Ｂとなる。図２の
特性線Ａから理解できる様に、硬化層３の面積率が１０
％以上ではロ−タ自身の摩耗量はほぼ平衡に達し、ロー
タの耐摩耗性は良好である。また特性線Ｂから理解でき
る様に、摩擦係数μは硬化層３の面積率が４０％を越え
ると急激に低下することがわかった。即ち、図２に示す
様に、硬化層３の面積率の最適範囲は、硬化層３の面積
率が１０〜４０％であるＨで示される範囲である。また
硬化層３のチル層は耐食性も良好であるので、ブレーキ
ロータの耐久性向上に有利である。

【００１７】（実施例２）実施例１と同形状、同材質の
ロ−タ本体１を用い、図６に示す様に、ロータ本体１の
摺動面１０に、同心円状パターンで硬化層３を形成し
た。この場合も同様に硬化層３の本数、つまり面積率を
変え、摩擦特性との関係を調べた。図２において△印は
実施例２における摩耗量を示し、▲印は実施例２におけ
る摩擦係数を示す。△印は特性線Ａにそってプロットさ
れ、▲印も特性線Ｂにそってプロットされ、実施例２に
おける最適範囲Ｈは有効である。即ち、図６に示す実施
例２にかかるパタ−ンにおいても、硬化層３の面積率１
０〜４０％の範囲で、摩耗量、摩擦係数μともに良好で
あることが確認された。

【００１８】（実施例３）実施例１と同形状、同材質の
ロ−タ本体１を用い、図７に示す様に、実施例１にかか
る放射状パターンと、実施例２にかかる同心円状パター
ンとを組み合わせた硬化層３を形成した。この場合も同
様に硬化層３の面積率を変え、摩擦特性との関係を調べ
た。図２において◇印は実施例３における摩耗量を示
し、◆印は実施例３における摩擦係数を示す。実施例２
の場合にも、◇印は特性線Ａにそってプロットされ、◆
印も特性線Ｂにそってプロットされ、実施例３における
最適範囲Ｈは有効である。即ち、図７に示す実施例３に
かかるパタ−ンにおいても、硬化層３の面積率１０〜４
０％においては、摩耗量、摩擦係数μとも良好であるこ
とが確認された。

【００１９】（比較例１）実施例１と同形状、同材質の
ロ−タ本体１を用い、レーザ焼入れ処理なしで、つまり
硬化層３のパターンを形成しないで同様な摩擦試験を行
った。図２において☆印は比較例１における摩耗量を示
し、★印は比較例１における摩擦係数を示す。この例で
は、摩擦係数μは比較的良好であるが、☆印に示す様に
摩耗量が非常に多いことがわかる。

【００２０】（比較例２）実施例１と同形状、同材質の
ロ−タ本体１を用い、従来の方法で、溶射被膜（Ｆｅー
Ｃｒ合金＋Ｃｕ合金＋硬質粒子）をプラズマ溶射法にて
形成し、溶射被膜を厚さ３００μｍに仕上げ、そのロ−
タを同じ条件で試験した。図２において□印は比較例２
における摩耗量を示し、■印は比較例２における摩擦係
数を示す。

【００２１】□印、■印に示す様に、耐摩耗性及び摩擦
係数μは、実施例１〜３とほぼ同レベルであったが、比
較例２にかかる試験後の面には、実施例１〜３では生じ
なかったヘアークラックが発生していた。ヘアークラッ
クの起点は酸化物層であった。なお、ヘアークラック発
生部分の溶射被膜の断面を図１０に示す。（評価）ロータの相手材であるパッドにはスチールファ
イバー、硬質粒子等が分散している。これらの存在によ
り、比較例１、２においては、ロ−タ本体１の摺動面を
構成する鋳鉄（ＨＶ２００程度）が摩耗される。摩擦熱
に起因する高温化により素材が軟化すると、さらに摩耗
も多くなる。これに対し、実施例１〜実施例３において
は、レーザビーム照射によりＨＶ７００〜８００の硬化
層３が摺動面１０に形成されるため、ロータの耐摩耗性
が増し、相手材からの攻撃に対して摩耗されにくくな
る。

【００２２】また、硬化層３をもつ摺動面１０の摩擦係
数μについては、次のように考えられる。すなわち、鋳
鉄の大きな特徴は、黒鉛が分散していることであり、鋳
鉄の場合、このような黒鉛がもともと存在しているた
め、ディスクブレーキロータとしての摩擦係数μは十分
確保される。ディスクブレーキロータとしての摩擦係数
μが十分確保される理由は、鋳鉄の黒鉛が摺動時にえぐ
れてて凹形状となり、凹形状に起因するエッジ効果によ
り摩擦係数μが高くなるからであると考えられている。
ところで前述したように、ロ−タの耐摩耗性を上げるに
は、レーザビーム照射により硬質層３が必要であるが、
レーザビーム照射によりレーザビームが直接当った部位
はチル化し、黒鉛が消失してしまう。よって、摩擦係数
μを確保するという観点からすると、硬化層３が存在し
すぎること、黒鉛が消失しすぎることは不利である。そ
こで本発明にかかる実施例１〜実施例３では、耐摩耗性
は硬質層３で分担し、所要の摩擦係数μの確保はそれ以
外の鋳鉄地で達成することを主眼とする。そのちょうど
適切な割合が硬化層３の面積率が１０〜４０％の範囲で
ある。

【００２３】ところで、ディスクブレーキロータにおい
て、摺動面の表面にクラックが入る主因は、熱応力によ
り表面に引張応力が働くためである。この点本実施例で
は、レーザビーム照射により形成した硬化層３の焼入層
３ｂは、焼入層３ｂに含まれる黒鉛により膨張量は多少
吸収されるものの、マルテンサイト変態に伴い体積膨張
しており、そのため焼入層３ｂには適度な圧縮残留応力
が存在している。このため、クラックの主因となる引張
応力に対して抵抗となるので、クラックの抑制に有効で
ある。よって本発明にかかる実施例１〜実施例３では、
ロータ本体１の母材と硬化層３との境界でクラックが入
ることを回避、低減できる。

【００２４】

【発明の効果】本発明にかかるディスクブレーキロータ
によれば、耐摩耗性に優れかつ所要の摩擦係数を確保で
きる。更に本発明にかかるディスクブレーキロータによ
れば、硬化層を構成する焼入層には適度な圧縮残留応力
が残留するため、クラック発生防止に有利である。

【図面の簡単な説明】

【図１】レーザビームをディスクブレーキロータの摺動
面に照射している状態を示す斜視図である。

【図２】硬化率の面積率と摩耗量、摩擦係数との関係を
示すグラフである。

【図３】硬化層付近の断面を模式的に示す断面図であ
る。

【図４】硬化層付近の金属組織を示す顕微鏡写真であ
る。

【図５】レーザビームをディスクブレーキロータの摺動
面に照射している状態を示す他の例にかかる斜視図であ
る。

【図６】硬化層の他のパターンを示す平面図である。

【図７】硬化層の他のパターンを示す平面図である。

【図８】硬化層の他のパターンを示す平面図である。

【図９】硬化層の他のパターンを示す平面図である。

【図１０】比較例にかかる溶射被膜付近の金属組織を示
す顕微鏡写真である。

【符号の説明】

１はロータ本体、１０は摺動面、３は硬化層を示す。

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【手続補正書】

【提出日】平成４年１２月２日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】全図

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

【図３】

【図５】

【図６】

【図２】

【図４】

【図７】

【図８】

【図９】

【図１０】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】黒鉛をもつ鋳鉄を母材とする摺動面を備
えたロータ本体と、高密度エネルギビームの照射により
急熱、急冷されて該摺動面に表出した所定パターンをな
す細巾の硬化層とで構成され、該摺動面における硬化層
の面積率は１０〜４０％であることを特徴とするディス
クブレーキロータ。