JPH0886324A - 軽量複合ブレーキディスク及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 アルミニウムあるいはアルミニウム合金を使
用したブレーキディスクよりも耐久性に優れ、鉄あるい
は鋼を単体で使用したブレーキディスクと同等程度の耐
摩耗性、耐熱性及び耐熱亀裂性が得られる軽量複合ブレ
ーキディスクを提供する。 【構成】 基材１がアルミニウムまたはアルミニウム合
金で、摺動面２の表面層３が鉄または鋼からなり、基材
１と摺動面２の表面層３との間に、空孔率の異なる鉄ま
たは鋼のスポンジ状金属または金属繊維圧縮成形体の多
孔質材料からなり、該空孔にアルミニウムまたはアルミ
ニウム合金の溶湯を浸透させた積層材料４を介在してな
る。 【効果】 ブレーキディスクとしての物性及び耐久性に
優れ、しかも非常に軽量なため、車体の軽量化に寄与で
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、摩擦によって機械的
に制動力を得るディスクブレーキの軽量複合ブレーキデ
ィスク及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】鉄道車両や自動車及び自動二輪車等の機
械式制動方式としては、主にブロックブレーキ、ドラム
ブレーキ及びディスクブレーキ等が使用されている。そ
して、近年は車両の高速化、高荷重化に伴い、ディスク
ブレーキが多く使用されるようになった。このディスク
ブレーキは、ブレーキディスクとブレーキライニングと
の摩擦によって制動力を得るブレーキ装置である。その
ブレーキディスクは、ドーナツ型円板形状の摺動面と、
該摺動面をその後背部で支持し摺動面内側で車輪等の車
両回転部材に取り付ける基材部より構成され、車両走行
時に回転している摺動面に、ブレーキライニングが押圧
されることにより、制動力を得る機能を有するため、デ
ィスクブレーキにおいて最も重要な部材である。

【０００３】ブレーキディスク用材料に要求される機能
としては、制動時に摩擦による摩耗と熱負荷を受けるの
で、耐摩耗性、耐熱性、耐熱亀裂性が挙げられる。この
うち耐熱亀裂性とは、熱応力の繰り返しにより発生する
熱疲労亀裂をいう。

【０００４】これまでブレーキディスクには、耐摩耗
性、耐熱性、耐熱亀裂性の良い鋳鉄、鍛鋼及びステンレ
ス鋼等が使用されてきた。しかしながら、昨今の車両の
高速化、地球環境保護のための省エネ化等による軽量化
ニーズの高まりの中で、比重が鉄あるいは鋼の１／３程
度であるアルミニウムあるいはアルミニウム合金をブレ
ーキディスクに使用するという動きが見られる。

【０００５】アルミニウム及びアルミニウム合金は、耐
摩耗性、耐熱性、耐熱亀裂性の全ての面で鉄及び鋼より
劣るものの、単体でブレーキディスクとして使用する場
合、その熱伝導性が高いことから摩擦による熱が比較的
早く放散されるため、熱容量を十分にとっておけば、鉄
あるいは鋼を単体でブレーキディスクとして使用する場
合に比べて、摺動面の温度上昇を低く押さえることが可
能である。したがって、使用材料を鉄あるいは鋼からア
ルミニウムあるいはアルミニウム合金に変更した場合の
ブレーキディスクとしての耐熱性、耐熱亀裂性は、材料
自体の比較から予測されるほど低下しない。

【０００６】しかしながら、ブレーキディスクとしての
耐摩耗性は、使用材料を鉄あるいは鋼からアルミニウム
あるいはアルミニウム合金に変更すると、材料自体の比
較と同様に著しく低下する。このため、アルミニウムあ
るいはアルミニウム合金は、単体ではブレーキディスク
としての使用に耐えられない。

【０００７】このようなアルミニウムあるいはアルミニ
ウム合金を単体でブレーキディスクとして使用した場合
の問題点を解決するため、いくつかのブレーキディスク
が提案されている。例えば、アルミニウム合金を母材と
して、摺動面が耐摩耗性の良いＦｅ−Ｃｒ−Ｃ系合金に
より被覆されたブレーキディスク（特開昭６０−８９５
５８号公報）や、アルミニウム合金中にアルミナ、炭化
珪素等の粒子または繊維を分散させて高耐摩耗性を与え
たブレーキディスク（特開昭５９−１７３２３４号公
報）がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前者の
特開昭６０−８９５５８号公報に記載されたブレーキデ
ィスクでは、摺動面に被覆したＦｅ−Ｃｒ−Ｃ系合金層
とアルミニウム合金基材との弾性率、線膨張率等の物性
が大きくことなることから、制動時に熱膨張の差により
Ｆｅ−Ｃｒ−Ｃ系合金層とアルミニウム合金基材との界
面において剥離が生じるという問題がある。

【０００９】また、後者の特開昭５９−１７３２３４号
公報に記載されたブレーキディスクでは、摺動面に複合
材料の母層であるアルミニウム合金が露出しているた
め、表面で荒れや変色が生じ、使用時間に対し摩擦特性
が安定せず、かつ粒子が均一に分散していないため、摺
動面内の場所により摩擦特性や摩耗量が異なるという問
題がある。

【００１０】この発明は、前記従来のブレーキディスク
に見られる問題点を排除するため、従来のアルミニウム
あるいはアルミニウム合金を使用したブレーキディスク
よりも耐久性に優れ、鉄あるいは鋼を単体で使用したブ
レーキディスクと同等程度の耐摩耗性、耐熱性及び耐熱
亀裂性が得られる軽量複合ブレーキディスクを提供する
ものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、前記目的
を達成するため、種々検討を重ねた結果、下記のブレー
キディスク及びその製造方法を完成するに至った。 （１） この発明の軽量複合ブレーキディスクは、基材
がアルミニウムまたはアルミニウム合金で、摺動面の表
面層が鉄または鋼からなり、基材と摺動面の表面層との
間に、空孔率の異なる鉄または鋼のスポンジ状金属また
は金属繊維圧縮成形体からなる多孔質材料で該空孔にア
ルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯を浸透させた
積層材料が介在することを特徴とする。

【００１２】（２） 前記軽量複合ブレーキディスクに
おいて、基材と摺動面の表面層との間に介在する空孔率
の異なる鉄または鋼のスポンジ状金属または金属繊維圧
縮成形体からなる多孔質材料で該空孔にアルミニウムま
たはアルミニウム合金の溶湯を浸透させた積層材料の物
性が、連続的または段階的に変化することを特徴とす
る。

【００１３】（３） この発明の軽量複合ブレーキディ
スクの製造方法は、予め摺動面の表面層となる鉄または
鋼の部材を鍛造または鋳造にて作製し、当該鉄または鋼
の部材上に、空孔率の異なる鉄または鋼のスポンジ状金
属または金属繊維圧縮成形体を１枚以上積層し、当該積
層体上からアルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯
を流し込み一体に鋳造することを特徴とする。

【００１４】

【作用】図１に示すように、この発明の軽量複合ブレー
キディスクは、基材１がアルミニウムまたはアルミニウ
ム合金で、摺動面２の表面層３が鉄または鋼からなり、
基材１と表面層３の間に、空孔率の異なる鉄または鋼の
スポンジ状金属または金属繊維圧縮成形体からなる多孔
質材料で該空孔にアルミニウムまたはアルミニウム合金
の溶湯を浸透させた積層材料４を介在してなる。なお、
５はボルト孔である。

【００１５】前記積層材料４は、鉄または鋼とアルミニ
ウムまたはアルミニウム合金との中間の物性を有するた
め、アルミニウムまたはアルミニウム合金の基材１と鉄
または鋼の表面層３を直接接合した構造よりも、界面で
の熱膨張の差による剥離や内部亀裂が生じ難い。ここ
で、表面層３の厚さは、特に限定する必要はないが、使
用時の摩耗量や軽量化効果等を考慮して、ブレーキディ
スクの最大厚さの３〜３０％とすることが望ましい。

【００１６】更に、この発明の軽量複合ブレーキディス
クでは、図２に示すように、基材１と摺動面の表面層３
との間に介在する積層材料４の組成を、ディスクの板厚
方向または円周方向に連続的または段階的に変化させる
場合もある。

【００１７】このときのブレーキディスク要部を図１に
示すＡ−Ａ’線上の断面で図２（ａ）に示す。また、図
２（ｂ）に図２（ａ）における表面層３と積層材料４及
び基材１の体積率が段階的に変化する場合の分布を示
す。このように、各構成層の体積率が段階的に徐々に変
化すると、図２（ｃ）に示すようにヤング率、線膨張係
数の物性も段階的に変化する。したがって、表面層と積
層材料及び積層材料と基材との界面において内部亀裂や
剥離がより生じ難くなる。更に、図２（ｂ）の体積率分
布を制御することにより、温度と線膨張係数から決まる
熱膨張を厚さ方向に均一とすることが可能となる。この
均一化はブレーキディスクの熱変形の抑制に効果があ
る。

【００１８】次に、この発明の軽量複合ブレーキディス
クの製造方法について説明する。図３に、この発明の軽
量複合ブレーキディスクの製造方法のフローを示す。ま
ず、摺動面の表面層となる鉄または鋼の部材を鍛造また
は鋳造により作製する。当該部材の材料は、鉄または鋼
であれば特に限定しないが、鍛造で作製する場合には鍛
造用鋼ＪＩＳ Ｓ４５Ｃ鋼、ＡＩＳＩ ４３３０鋼を、
また鋳造で作製する場合にはＮＣＭ鋳鉄、１６Ｃｒステ
ンレス鋳鋼等の使用が好ましい。

【００１９】次いで、前記摺動面の表面層の上に、空孔
率の異なる鉄または鋼のスポンジ状金属または金属繊維
圧縮成形体６を１枚以上積層して、図４に示す積層体を
形成する。なお、７は空孔を示す。

【００２０】前記スポンジ状金属は、金属粉末とポリマ
ー等の固体有機化合物とを混合・焼結し、焼結時に固体
有機化合物粉末を溶融・流出させることにより、空孔を
均一に分散させて作製するものであり、既に周知の技術
である。固体有機化合物粉末の量を制御することによ
り、所望の空孔率を得ることができる。

【００２１】また、前記金属繊維圧縮成形体は、スチー
ルウール等の鉄または鋼の繊維を圧縮成形するか、また
は鉄または鋼の粉末に可塑剤を混練したものを繊維状に
成形し、圧縮した後焼結する方法で作られる。圧縮成形
時の圧力または繊維径を制御することにより、所望の空
孔率を得ることができる。なお、摺動面の表面層部材と
スポンジ状金属または金属繊維圧縮成形体との間、及び
スポンジ状金属同志の間、金属繊維圧縮成形体同志の間
では、ろう付け等により接合してもよい。

【００２２】最後に、前記積層体上からアルミニウムま
たはアルミニウム合金の溶湯を流し込み、一体鋳造して
軽量複合ブレーキディスクが得られる。この際の鋳造
は、積層体を金型または砂型から構成した鋳型内の所定
位置に納めて行なわれるが、鋳型内の雰囲気は大気中で
もかまわないが、積層体の空孔にアルミニウムまたはア
ルミニウム合金の溶湯が浸透しやすいように、減圧し、
更に不活性ガス雰囲気とし、かつ鋳型内に収納する積層
体は十分に予熱しておくことが好ましい。また、必要に
応じて溶湯を加圧することもできる。

【００２３】アルミニウムまたはアルミニウム合金の溶
湯材料としては、高温での強度が比較的高い材料が好ま
しい。例えば、ＪＩＳ ５０８３アルミニウム合金、Ｊ
ＩＳ６０６１アルミニウム合金、Ａｌ−Ｍｇ系合金があ
る。

【００２４】鉄または鋼とアルミニウムまたはアルミニ
ウム合金が、高温で接触すると、その界面に脆弱な金属
間化合物であるＦｅ₂Ａｌ₅が発生するため、上記組合せ
の接合は困難である。この発明では、このような金属間
化合物の発生量を低く押さえるために、鋳造前に前記積
層体の前処理として、その表面及び空孔内表面に薄い酸
化膜を形成することが望ましい。

【００２５】このような薄い酸化被膜は、積層体が鉄あ
るいは鋼から構成されるため、脱脂を行なわないか、ま
たは脱脂した後１時間以上大気中に放置しておくと得ら
れる。

【００２６】以上の前処理を行なっても、前記界面には
厚さ数ミクロン程度の金属間化合物が生成することは免
れないため、前記積層体の空孔内に浸透したアルミニウ
ムまたはアルミニウム合金が一種のくさびの効果を発現
して強固に接合する必要がある。このためには、積層体
内のスポンジ状金属または金属繊維圧縮成形体の空孔及
び金属部分の寸法を金属間化合物層の厚さより大きくし
なければならない。すなわち、スポンジ状金属では、そ
の製造時に使用する金属粉末及び固体有機化合物粉末の
径を１０μｍ以上とし、金属繊維圧縮成形体では金属繊
維径を１０μｍ以上とすることが好ましい。

【００２７】以上の手順で作製した軽量複合ブレーキデ
ィスクについて、必要に応じ機械加工や冷間または温間
プレス等による寸法修正、冷却フィン、リブ等の取付
け、ロール掛けやショットピーニング等による圧縮残留
応力の付与等の後処理を行なってもよい。なお、冷却フ
ィン、リブ等は、鋳型の形状を工夫することにより、鋳
造の段階で形成することができる。

【００２８】前記のように構成した軽量複合ブレーキデ
ィスクは、従来のアルミニウムまたはアルミニウム合金
製のものに比べ耐久性に優れ、また鉄または鋼製のもの
と同等程度の優れた耐摩耗性、耐熱性、耐熱亀裂性が得
られる。

【００２９】

【実施例】この発明の実施例として、鉄道車両に装着さ
れる車輪内接型ブレーキディスクを対象とする図面に基
づいて説明する。摺動面の表面層３となる部材として、
ＪＩＳ Ｓ４５Ｃ鋼を使って厚さ３ｍｍ、内径４７５ｍ
ｍ、外径７５５ｍｍのドーナツ型円板を鍛造により作製
した。

【００３０】次いで、前記ドーナツ型円板の部材上に、
ＪＩＳ Ｓ４５Ｃ鋼製のスポンジ状金属を２枚積層し
て、積層体を作製した。該積層体の空孔率は、ドーナツ
型円板部材の直上のもので３０％、その上に載せられた
もので７０％である。なお、スポンジ状金属の形状は前
記ドーナツ型円板と同じで、その寸法は２枚とも厚さ２
ｍｍ、内径３０３ｍｍ、外径７５５ｍｍである。

【００３１】そして、前記積層体を鋳型内の所定位置に
収納し、積層体を鋳型周囲に設置したヒータにより４０
０℃以上に予熱した鋳型に、ＪＩＳ ５０８３アルミニ
ウム合金の溶湯を流し込み一体鋳造した。このとき、溶
湯は背後から加圧した。

【００３２】その後、鋳造製品に機械加工を施して、ド
ーナツ型円板形状で最大厚さ４３．５ｍｍ、内径３０３
ｍｍ、外径７５５ｍｍ、重量約４０ｋｇの軽量複合ブレ
ーキディスクに仕上げた。この発明の実施による前記軽
量複合ブレーキディスクの重量は、同寸法で冷却フィン
を備えた鋼単体のブレーキディスクに比べ約３０％軽量
化されている。

【００３３】以上の手順で作製したこの発明の軽量複合
ブレーキディスクについて、摺動面部分を厚さ方向に切
断し、その断面を観察した。その結果、ＪＩＳ Ｓ４５
Ｃ鋼製のスポンジ状金属の空孔内にＪＩＳ ５０８３ア
ルミニウム合金がよく浸透しており、鋳巣すなわちスポ
ンジ状金属に残存している空孔は断面の面積率で５％以
内であった。これは、通常の鋳造での鋳巣の面積率（ボ
イド率）と同程度である。そして、スポンジ状金属とア
ルミニウム合金との界面で金属酸化物Ｆｅ₂Ａｌ₅の発生
を確認したが、その金属間化合物層の厚さは２μｍ程度
であり、前記したくさび効果のため、マクロ的な接合強
度には問題がない。

【００３４】次に、この発明の軽量複合ブレーキディス
クについて、試験条件として初速３５０ｋｍ／ｈ、ブレ
ーキ回数５００回で台上ブレーキ試験を行なった。な
お、比較のため、基材にＪＩＳ ５０８３アルミニウム
合金を用い、その上に摺動面の摺動層としてＪＩＳ Ｓ
４５Ｃ鋼を被覆したブレーキディスク（以下Ｓ４５Ｃ被
覆Ａｌブレーキディスクという）、及び鍛造により作製
したＪＩＳ Ｓ４５Ｃ鋼単体のブレーキディスク（以下
Ｓ４５Ｃ単体ブレーキディスクという）をも試験した。
この試験では、この発明の軽量複合ブレーキディスク、
比較例のＳ４５Ｃ被覆Ａｌブレーキディスク及びＳ４５
Ｃ単体ブレーキディスクとも、それぞれブレーキディス
ク２体を、摺動面を外側にして張り付けた供試体１セッ
ト、すなわち各２体づつ計６体を用いた。

【００３５】前記条件で試験を行なった結果、全てのブ
レーキディスクで摺動面における亀裂の発生や表面荒れ
は見られなかった。また、ディスク摩耗量は０．１５ｍ
ｍ程度、ライニング摩耗量はブレーキ回数５０回当たり
３．５ｍｍ程度であり、この発明の軽量複合ブレーキデ
ィスクとＳ４５Ｃ被覆ＡｌブレーキディスクとＳ４５Ｃ
単体ブレーキディスクと摩耗量の違いは見られなかっ
た。試験後、この発明の軽量複合ブレーキディスクとＳ
４５Ｃ被覆Ａｌブレーキディスクを厚さ方向に切断し、
断面を観察したところ、この発明の軽量複合ブレーキデ
ィスクでは、界面での内部亀裂や剥離は見られなかっ
た。これに対し、Ｓ４５Ｃ被覆Ａｌブレーキディスクで
は、界面にて熱膨張差に起因する剥離が生じていた。

【００３６】したがって、この発明の軽量複合ブレーキ
ディスクは、耐摩耗性、耐熱性、耐熱亀裂性がＳ４５Ｃ
単体ブレーキディスクと同等程度の高レベルにあり、か
つ耐久性がＳ４５Ｃ被覆Ａｌブレーキディスクより優
れ、しかもＳ４５Ｃ単体ブレーキディスクよりも軽量で
あることが証明された。

【００３７】

【発明の効果】この発明の軽量複合ブレーキディスクに
よれば、基材としてアルミニウムまたはアルミニウム合
金を用いるにも係わらず従来のアルミニウムまたはアル
ミニウム合金を使用したブレーキディスクよりも耐久性
があり、また鉄または鋼単体のブレーキディスクと同等
程度の耐摩耗性、耐熱性、耐熱亀裂性を実現し、しかも
車体の軽量化に寄与できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施による軽量複合ブレーキディス
クの半分を示す縦断面図である。

【図２】（ａ）は図１のＡ−Ａ’線上の一部断面で構成
層の説明図、（ｂ）は（ａ）における体積率を示すグラ
フ、（ｃ）は同じく物性（ヤング率、線膨張係数）を示
すグラフである。

【図３】この発明の軽量複合ブレーキディスクの製造方
法を示すフローチャートである。

【図４】この発明の実施によるブレーキディスクの摺動
面の表面層積層体の一例を示す斜視図である。

【符号の説明】

１ 基材 ２ 摺動面 ３ 表面層 ４ 積層材料 ５ ボルト孔 ６ スポンジ状金属または金属繊維圧縮成形体 ７ 空孔

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基材がアルミニウムまたはアルミニウム
   合金で、摺動面の表面層が鉄または鋼からなり、基材と
   摺動面の表面層との間に、空孔率の異なる鉄または鋼の
   スポンジ状金属または金属繊維圧縮成形体からなる多孔
   質材料で該空孔にアルミニウムまたはアルミニウム合金
   の溶湯を浸透させた積層材料が介在することを特徴とす
   る軽量複合ブレーキディスク。
2. 【請求項２】 基材と摺動面の表面層との間に介在する
   鉄または鋼のスポンジ状金属または金属繊維圧縮成形体
   からなる多孔質材料で該空孔にアルミニウムまたはアル
   ミニウム合金の溶湯を浸透させた積層材料の物性が、連
   続的または段階的に変化することを特徴とする請求項１
   記載の軽量複合ブレーキディスク。
3. 【請求項３】 予め摺動面の表面層となる鉄または鋼の
   部材を鍛造または鋳造にて作製し、当該鉄または鋼の部
   材上に、空孔率の異なる鉄または鋼のスポンジ状金属ま
   たは金属繊維圧縮成形体を１枚以上積層し、当該積層体
   上からアルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯を流
   し込み一体に鋳造することを特徴とする軽量複合ブレー
   キディスクの製造方法。