摺動部材
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は摺動面を溶射材で構成する摺動部材に関する。この摺動部材は例えばブレーキパッドと摺動するブレーキロータに適用できる。
【０００２】
【従来の技術】従来より、摺動部材として、重量低減の目的でアルミ系合金やマグネシウム系合金で母材を形成し、その摺動面の耐摩耗性確保のために鉄系金属や銅系金属を溶射等の手段により被覆層を形成したものが知られている。（特開昭６２ー７０５３４号公報、特開昭６０ー８９５５８号公報、実公昭５３ー３０８６５号公報、実公昭５３ー３０８６６号公報、実開昭５５ー１５８３３７号公報、特開昭４９ー６１５６４号公報、特開昭４９ー９０６４１号公報、特開昭５９ー５６４３８号公報等）。
【０００３】また、特開昭６１ー２１８８４１号公報には、０．１μｍ以上のファインセラミック粒子を分散したニッケルメッキ層で被覆されたディスク式のブレーキロータが開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上記した特開昭６１ー２１８８４１号公報にかかるブレーキロータでは、ファインセラミック粒子が分散している為、相手材との初期なじみ性は向上するが、相手材であるセミメタリックパッドの表面を削る。ファインセラミック粒子により削られる作用は、使用初期ばかりか、使用期間が長くなっても継続し、そのため摺動性はむしろ悪くなるという問題があった。
【０００５】ところでブレーキロータでは、一般的に、車両走行距離が所定距離を越えると、パッドの摩耗（あらさ低減）とともに当たりがついて本来の摩擦係数となり、摩擦係数は安定する。しかし、初期（ロータの新品時）においては、つまり車両走行距離が所定距離例えば約１０００ｋｍを越えない場合においては、相手材であるブレーキパッドの初期における表面あらさが１００μＲＺ〜５００μＲＺと粗く、そのため、パッドとロータとの接触面積が小さく、従ってブレーキパッドとディスクロータとが摺動する初期における摩擦係数は、両者間の本来の摩擦係数に比べ０．１ぐらい小さい不具合がある。
【０００６】本発明は上記した実情に鑑みなされたものであり、その目的は、所要の摩擦係数を初期から得ることができる摺動部材を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明者は摺動部材について鋭意研究を重ね、摺動部材の母材の表面に所要の摩擦特性をもつ下地摺動層を積層するとともに、硬質粒子を分散しかつせん断密着強度を０．３〜８ｋｇｆ／ｃｍ2とし下地摺動層に対して脱離可能な溶射層を下地摺動層に積層すれば、初期において硬質粒子が相手材を削ることにより、摩擦係数を早期に増加させて所要の摩擦係数を初期から得ることができ、しかもその後、溶射層が下地摺動層から脱離することにより、所要の摩擦特性をもつ下地摺動層と相手材とが摺動する様にすれば、初期から安定した摩擦係数が得られることを知見した。本発明はこの知見に基づきなされたものである。なお、特開昭６１ー２１８８４１号公報にかかるメッキ層は母材への密着強度が大きく、仲々母材から脱離するものではない。
【０００８】本発明の摺動部材は、母材と、母材表面に積層された所要の摩擦特性をもつ下地摺動層と、下地摺動層に溶射処理で積層された溶射材と溶射材に分散された硬質粒子とをもち且つせん断密着強度が０．３〜８ｋｇｆ／ｃｍ2に規定され下地摺動層から脱離可能な溶射層とで構成されていることを特徴とするものである。摺動部材の母材は適宜選択でき、鉄系、鋼系、ステンレス鋼系、マグネシウム合金系、チタン合金系、アルミ合金系等を採用できる。アルミ合金系は例えばアルミ−シリコン系を採用できる。下地摺動層は母材表面に積層された所要の摩擦特性をもつものである。下地摺動層の厚みは摺動部材の種類によっても異なるが、例えば１００〜５００μｍとすることができる。下地摺動層を構成する材質は、例えば、鉄−クロム−炭素系、鉄−クロム−炭素−銅系、タングステン系、モリブデン系、ニッケル系、ニッケル−クロム系、ニッケル−クロム−アルミ系等を採用できる。下地摺動層は溶射層、メッキ層、浸透メッキ層等で形成できる。溶射に際しては、母材表面に脱脂処理、ブラスチング処理等の前処理を行うことが望ましく、また砥石研削、ホーニング加工等の後処理を行うこともできる。
【０００９】下地摺動層に溶射処理で積層された溶射層は、初期において相手材と摺動するものである。溶射層の厚みは摺動部材の種類にもよるが、例えば２〜１０μｍとすることができる。溶射層は、マトリックスを構成する溶射材と、溶射材に分散された硬質粒子とで形成されている。溶射層は、硬質粒子を分散させた溶射用粉末を溶射ガンで溶射することにより形成できる。この場合、溶射熱により硬質粒子自体が部分的にまたは全体的に溶けるか軟化する場合には、溶射の際に粒子が下地摺動層に衝突するなどのため、衝突時の衝撃により硬質粒子の形状が変形する作用もある。溶射材は、例えば、鉄−クロム−炭素系、鉄−クロム−炭素−銅系、タングステン系、モリブデン系、ニッケル系、ニッケル−クロム系、ニッケル−クロム−アルミ系等を採用できる。摺動部材の種類にもよるが、下地摺動層に溶射処理された溶射層の気孔率は例えば１０〜３０％程度とすることができる。硬質粒子はジルコニア粒子（ＺｒＯ2 ）、アルミナ粒子、マグネシア粒子、初晶シリコン粒子、Ｆｅ2 Ｏ3 粒子等を採用できる。硬質粒子の平均粒径は摺動部材の種類、溶射層の厚み、必要とするアブレージブ作用等にもよるが、例えば３〜４０μｍ特に５〜３０μｍとすることができる。
【００１０】溶射層は、相手材とある程度摺動したら下地摺動層から脱離する。溶射層と下地摺動層とのせん断密着強度は摺動部材の種類によっても異なるが、０．３〜８ｋｇｆ／ｍｍ2 の範囲であり、特に０．５〜２ｋｇｆ／ｍｍ2 とすることができる。せん断密着強度の調整は、電流値、電圧値、ガス流量、溶射距離などの溶射条件の変更、溶射粉末の種類の変更、溶射層の厚みの変更、溶射層の気孔率の変更、硬質粒子の形状の変更、あるいは、溶射層と下地摺動層と間に脱離促進層を介在させることにより、行い得る。なお脱離促進層は固体潤滑材等で形成できる。
【００１１】本発明の摺動部材では、母材と下地摺動層との間の密着強度を確保するために、母材と下地摺動層との間に中間層を介在させることもできる。中間層は例えばニッケル系合金、なかでも重量％でニッケル−クロム合金９４％、アルミニウム６％の溶射粉末を溶射して形成できる。あるいは、ニッケル９５．５％、アルミニウム４．５％の溶射粉末を溶射して形成できる。なお中間層の厚みは例えば５０〜１００μｍ程度にできる。
【００１２】相手材としては、例えば有機系摩擦材料のものを採用できる。有機系摩擦材料は、フェノール樹脂などの結合剤、金属、アラミド、無機繊維などの基材、カシュダスト、ゴム、炭酸カルシウムなどの摩擦調整剤を含む構成とすることができる。
【００１３】
【作用】本発明の摺動部材では、初期においては溶射層が相手材と摺動する。このとき硬質粒子が相手材を削るので、所要の摩擦係数が確保される。そして、ある程度摺動したら、つまり初期以降においては、溶射層は特に溶射層の硬質粒子は脱離する。本発明の摺動部材では、溶射層のせん断密着強度の下限及び上限を規定しているため、硬質粒子を含む溶射層は下地摺動層に過剰に密着されず、そのため摩擦摺動の進行に伴い適切に脱離される。よって下地摺動層と相手材とが摺動する。
【００１４】
【実施例】まず、実施例１を説明する。即ち、Ａｌ−１２％Ｓｉ合金を成形型のキャビティに鋳造し、図２に示すリング状の摺動面２をもつディスクロータ１を作製した。ディスクロータ１は直径３００ｍｍ、ディスク厚２０ｍｍである。そして、重量％でＦｅ−Ｃｒ−Ｃ合金粉末５０％とＣｕ粉末５０％とを混合した第１混合粉末を用い、溶射ガンをディスクロータ１の摺動面２に対面させ、プラズマ溶射法によりディスクロータ１の摺動面２に下地摺動層３を形成した。この場合、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｃ合金粉末は、その組成がＣｒ５５〜６５ｗｔ％、Ｃ３〜４ｗｔ％、残部実質的にＦｅであり、粒度が１０〜７４μｍのものを用いた。またＣｕ粉末は純度９５％、粒度１０〜７４μｍのものを用いた。この場合、溶射装置はＭＥＴＣＯ７ＭＢ型を用い、電流４５０Ａ、電圧６５Ｖ、ガス量はＡｒガス４０リットル／ｍｉｎ、Ｈ2 ガス７．５リットル／ｍｉｎ、溶射距離１３０ｍｍの条件で、厚さ３００μｍになるまで積層した。
【００１５】その後、重量％でＺｒＯ2 粉末５０％と前述の第１混合粉末５０％とを混合した第２混合粉末を用い、同じ溶射装置を用い、電流３８０Ａ、電圧６０Ｖ、ガス量Ａｒガス４０リットル／ｍｉｎ、Ｈ2 ガス５リットル／ｍｉｎ、溶射距離１３０ｍｍの条件で、厚さ２０μｍになるまで溶射層としてのアブレージブ層４を積層し、これにより摺動層５を形成した。図１に摺動層５の断面を模式的に示す。図３に示す様に、下地摺動層３の上には、ＺｒＯ2 粒子４ｃと気孔４ｄとが混在するアブレージブ層４が積層されている。ＺｒＯ2 粉末は粒度１５〜２５μｍ程度のものを用いた。また、アブレージブ層４を溶射する際の溶射条件を低電流、低Ｈ2 ガス量側に設定したのは、アブレージブ層４をよりポーラス質にするとともに、ＺｒＯ2 粒子４ｃの未溶融部分を確保するためである。なお、溶射したアブレージブ層４の厚みは膜厚計により測定した。
【００１６】その後、砥石（ダイヤモンド）を用い、アブレージブ層４の表面を砥石研削により削り、これにより下地摺動層３とアブレージブ層４との合計厚みが３０５μｍになるようにした。この時のアブレージブ層４の厚さは約５μｍである。更に比較例１のロータも形成した。即ち、実施例１と同種のＡｌ−Ｓｉ系のロータと、実施例１と同様なＦｅ−Ｃｒ−Ｃ合金粉末とＣｕ粉末とを混合した第１混合粉末とを用い、第１混合粉末を実施例１と同様な条件でロータに溶射し、厚さ３２０μｍの摺動層を形成し、その後、摺動層の表面を研削により削り、厚みを３０５μｍにした。比較例１にはＺｒＯ2 粒子を分散したアブレージブ層４は形成されていない。
【００１７】実施例１のロータと比較例１のロータとを用い、同車種の車両のフロント両サイドに組みつけた。摺動の相手材であるパッドはスチールを含まないものであり、その材料組成は（体積比で、アラミド繊維１０％、ガラス繊維５％、ケイ酸カルシウム１０％、フェノール樹脂１５％、カシューダスト２０％、黒鉛５％、硫酸バリウム２０％、その他充填材１５％）である。またパッド面の初期の面粗さは３００μｍＲＺである。そして、テストコースで車両速度５０ｋｍの一定速度で車両を走行し、２００ｋｍ毎に制動（０．３Ｇの制動減速度）をかけて車両を停止させ、これを繰り返して走行距離１６００ｋｍまで走った。この試験では、走行距離２００ｋｍ毎にロータとパッドを取り外し、ＪＡＳＯ Ｃ ４０６ー８２（乗用車ブレーキ装置ダイナモメータ試験方法）にしたがい、初期すり合わせチェック時（制動初速度５０ｋｍ／ｈｒ、制動減速度０．３Ｇ、制動間隔１２０秒、制動回数１０回）の平均摩擦係数を測定した。この結果を図４の特性線に示す。図４に示す試験結果により、比較例１では１０００ｋｍ以上走行しないと、摩擦係数μが本来の値（μ＝０．４程度）に回復しない。一方、実施例１では走行距離２００ｋｍに至るまで摩擦係数が急激に増加し、走行距離４００ｋｍにおいて摩擦係数μが０．４付近となり回復する。またこの試験では、走行距離２００ｋｍ毎にパッド面の状態を観察した。その結果、比較例１では、初期の面粗さが３００μｍＲＺであったパッド面は、走行距離１０００ｋｍ以上で、やっと５μｍＲＺ〜１０μｍＲＺになるのに対し、実施例１では走行距離２００ｋｍ、４００ｋｍでその程度の面粗さになる。これは、ＺｒＯ2 粒子４ｃを分散したアブレージブ層４がロータ１の表面に存在するため、ＺｒＯ2 粒子４ｃによりパッド面が平滑化した効果であると推察される。
【００１８】実施例２において、ＺｒＯ2 粒子に代えて、アルミナ粒子（Ａｌ2 Ｏ3 ）、マグネシア粒子（ＭｇＯ）、Ｆｅ2 Ｏ3 粒子を分散したアブレージブ層４を下地摺動層３に積層したロータを形成した。そして、実施例１の場合と同様に、同車種の車両のフロント両サイドに組みつけ、テストコースで車両速度５０ｋｍの一定速度で車両を走行し、２００ｋｍ毎に制動をかけて車両を停止させ、ロータとパッドを取り外し、ＪＡＳＯ Ｃ ４０６ー８２にしたがい平均摩擦係数を測定した。実施例２においても、実施例１の場合と同様に摩擦係数μを早期に回復させる効果が発現された。
【００１９】実施例３において、実施例１以外の組成をもつＦｅ−Ｃｒ−Ｃ−Ｃｕ系合金の粉末とＺｒＯ2 粉末とを用い、ＺｒＯ2 粒子をもつアブレージブ層４を下地摺動層３に積層したロータを形成した。そして、実施例１の場合と同様に車両に組み込み試験したところ、実施例１の場合と同様に摩擦係数μを早期に回復させる効果が発現された。さらに、Ｃｕ粉末とＺｒＯ2 粉末とを混合した混合粉末を用い、アブレージブ層４を下地摺動層３に積層したロータを形成した。そして、実施例１の場合と同様に試験したところ、実施例１の場合と同様に摩擦係数μを早期に回復させる効果が発現された。
【００２０】＜試験例１＞ＺｒＯ2 粉末の割合を表１に示す様にさせた以外は実施例１の場合と同様な方法でロータＡ〜Ｉを形成した。そして、実施例１の場合と同様に車両のフロント両サイドに組みつけ、テストコースで車両を走行させ、２００ｋｍ毎にＪＡＳＯＣ ４０６ー８２にしたがい、平均摩擦係数を測定した。この結果、ＺｒＯ2 粒子の少ないロータＡ、Ｂでは摩擦係数μが回復する効果は、走行距離１０００ｋｍ付近でも全く得られなかった。これに対し、ＺｒＯ2 粒子が多く分散したロータＣ〜Ｈでは実施例１と同様な特性線が得られ、早期に摩擦係数μが回復する効果が得られた。なおロータＩはアブレージブ層４の密着性が悪く、評価に値しないため中止した。この結果よりアブレージブ層４においてＺｒＯ2 粉末の混合割合３０〜８０ｖｏｌ％が最適であることがわかった。
【００２１】
【表１】
＜試験例２＞実施例１においてＺｒＯ2 粉末の粒度分布の中心値（正規分布の中央値が５０％以上占める値）を表２のように変化させた以外は、実施例１の場合と同様な方法でロータＪ〜Ｏを形成した。そして、同様な試験を行った。
【００２２】この結果、粒度中心値３μｍのロータＪでは、ＺｒＯ2 粒子が小さくてアブレージブ作用がほとんどないため、摩擦係数μが回復する効果は走行距離１０００ｋｍ付近においてもほとんど得られなかった。また粒度中心値４０μｍのロータＯでは初期つまり走行距離２００ｋｍ程度において摩擦係数μが０．３５近くまで増加した。しかし、その後０．３付近まで低下した。これはパッド面の観察の結果、２００ｋｍではパッド面の面粗さが減って平滑化し、一時的に接触面積が増すが、その後、粒径が大きいＺｒＯ2 粒子によりパッドおよびロータの摺動傷が増し、かえってパッドとロータとの接触面積が低下したものと考えられる。これに対し粒度中心値５〜３０μｍのロータＫ〜Ｎでは、実施例１の場合と同様に、初期における良好な摩擦係数回復効果が発現された。この結果、ＺｒＯ2 粉末の粒度分布の中心値は５〜３０μｍが良いことがわかった。
【００２３】
【表２】
＜試験例３＞実施例１においてＺｒＯ2 粒子を分散させたアブレージブ層４の厚さのみを砥石研削で表３のように変化させた以外は、実施例１の場合と同様な方法でロータＰ〜Ｕを形成した。そして、同様な試験を行った。この結果、厚みが１μｍのロータＰでは、図４の特性線で示す様に、２００ｋｍでの摩擦係数が回復する効果はあるが、アブレージブ層４が薄いため、アブレージブ層４が早期に消失し、その後の摩擦係数回復効果は緩やかであった。これは、アブレージブ層４が薄いためアブレージブ機能が不十分なためであると推察される。
【００２４】一方、厚みが１５μｍのロータＵでは、１０００ｋｍまでは実施例１と同様な効果を示すが、その後摩擦係数μがやや低下していく傾向がみられた。この場合、面観察及び面粗さ測定の結果、１０００ｋｍではパッド粗さは一時的に５〜１０μｍＲＺになるが、それ以上走行距離が増すとパッド粗さが２０μｍＲＺ以上に増すため、摩擦係数μが若干低下する。これはアブレージブ層４により良好な摩擦係数回復を示すが、その後、残存アブレージブ層４とパッドとの更なる摩耗により、パッドの面粗さが増加するであると推察される。一方、厚みが２〜１０μｍロータＱ〜Ｔでは、実施例１の場合の様な良好な摩擦係数回復効果が得られた。しかも摩擦係数μが回復した１０００ｋｍ付近でほぼアブレージブ層４は脱離し消失していることがわかった。これより、アブレージブ層４は厚すぎても逆効果になり、アブレージブ層の厚みは２〜１０μｍ程度が良いことがわかった。
【００２５】
【表３】
＜試験例４＞実施例１の場合と同様な方法で下地摺動層３を積層した後、表４に示す様に溶射条件を変更して溶射を行ない、アブレージブ層４と下地摺動層３とのせん断密着強度を変化をさせたロータＶ〜Ｚ、ロータ＆を形成した。そして、実施例１の場合と同様な試験を行った。この結果を図５の特性線に示す。ここで、せん断密着強度が０．５〜２．０ｋｇｆ／ｍｍ2 のロータＷ〜Ｚにおいては、図５に示す様に、実施例１と全く同様な摩擦係数の傾向を示し、初期における摩擦係数回復効果が得られた。これに対し、せん断密着強度が小さいロータＶでは、初期のうちにアブレージブ層４が脱離し、摩擦係数回復効果がなく、図４に示す比較例１とほぼ同様な傾向を示した。
【００２６】また、せん断密着強度が２．５ｋｇｆ／ｍｍ2 のロータ＆では、走行距離１００ｋｍまでの初期では、摩擦係数μは一時的に増すものの、その後、走行距離が増しても摩擦係数の回復効果がなく、むしろ比較例１よりも低い摩擦係数を示した。これは、面観察の結果、アブレージブ層４の密着強さが大きすぎ、アブレージブ層４が脱落せず、そのため、むしろ相手材であるパッド側を削って表面粗さを大きくしたり、パッド材の摩耗粉をとり入れたりして、摩擦係数μが上がらないものと推察される。以上のことよりＺｒＯ2 粒子４ｃを分散したアブレージブ層４では、アブレージブ層４のせん断密着強度は０．５〜２．０ｋｇｆ／ｍｍ2 が良いことがわかる。
【００２７】
【表４】
【発明の効果】以上説明した様に本発明の摺動部材によれば、初期においては、アブレージブ作用をもつ硬質粒子が分散された溶射層が相手材と摺動するので、硬質粒子が相手材を削り、そのため摩擦係数が増して回復する。また本発明の摺動部材によれば、ある程度摺動したら、溶射層は特に溶射層の硬質粒子は脱離し、所要の摩擦特性をもつ下地摺動層と相手材とが摺動するので、本来の所要の摩擦係数を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】模式的に示した要部の断面図である。
【図２】ブレーキロータの正面図である。
【図３】ブレーキロータの断面図である。
【図４】摩擦係数と走行距離との関係を示すグラフである。
【図５】摩擦係数と走行距離との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
図中、１はロータ、２は摺動面、３は下地摺動層、４はアブレージブ層、４ｃはＺｒＯ2 粒子、４ｄは気孔を示す。
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は摺動面を溶射材で構成する摺動部材に関する。この摺動部材は例えばブレーキパッドと摺動するブレーキロータに適用できる。
【０００２】
【従来の技術】従来より、摺動部材として、重量低減の目的でアルミ系合金やマグネシウム系合金で母材を形成し、その摺動面の耐摩耗性確保のために鉄系金属や銅系金属を溶射等の手段により被覆層を形成したものが知られている。（特開昭６２ー７０５３４号公報、特開昭６０ー８９５５８号公報、実公昭５３ー３０８６５号公報、実公昭５３ー３０８６６号公報、実開昭５５ー１５８３３７号公報、特開昭４９ー６１５６４号公報、特開昭４９ー９０６４１号公報、特開昭５９ー５６４３８号公報等）。
【０００３】また、特開昭６１ー２１８８４１号公報には、０．１μｍ以上のファインセラミック粒子を分散したニッケルメッキ層で被覆されたディスク式のブレーキロータが開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上記した特開昭６１ー２１８８４１号公報にかかるブレーキロータでは、ファインセラミック粒子が分散している為、相手材との初期なじみ性は向上するが、相手材であるセミメタリックパッドの表面を削る。ファインセラミック粒子により削られる作用は、使用初期ばかりか、使用期間が長くなっても継続し、そのため摺動性はむしろ悪くなるという問題があった。
【０００５】ところでブレーキロータでは、一般的に、車両走行距離が所定距離を越えると、パッドの摩耗（あらさ低減）とともに当たりがついて本来の摩擦係数となり、摩擦係数は安定する。しかし、初期（ロータの新品時）においては、つまり車両走行距離が所定距離例えば約１０００ｋｍを越えない場合においては、相手材であるブレーキパッドの初期における表面あらさが１００μＲＺ〜５００μＲＺと粗く、そのため、パッドとロータとの接触面積が小さく、従ってブレーキパッドとディスクロータとが摺動する初期における摩擦係数は、両者間の本来の摩擦係数に比べ０．１ぐらい小さい不具合がある。
【０００６】本発明は上記した実情に鑑みなされたものであり、その目的は、所要の摩擦係数を初期から得ることができる摺動部材を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明者は摺動部材について鋭意研究を重ね、摺動部材の母材の表面に所要の摩擦特性をもつ下地摺動層を積層するとともに、硬質粒子を分散しかつせん断密着強度を０．３〜８ｋｇｆ／ｃｍ2とし下地摺動層に対して脱離可能な溶射層を下地摺動層に積層すれば、初期において硬質粒子が相手材を削ることにより、摩擦係数を早期に増加させて所要の摩擦係数を初期から得ることができ、しかもその後、溶射層が下地摺動層から脱離することにより、所要の摩擦特性をもつ下地摺動層と相手材とが摺動する様にすれば、初期から安定した摩擦係数が得られることを知見した。本発明はこの知見に基づきなされたものである。なお、特開昭６１ー２１８８４１号公報にかかるメッキ層は母材への密着強度が大きく、仲々母材から脱離するものではない。
【０００８】本発明の摺動部材は、母材と、母材表面に積層された所要の摩擦特性をもつ下地摺動層と、下地摺動層に溶射処理で積層された溶射材と溶射材に分散された硬質粒子とをもち且つせん断密着強度が０．３〜８ｋｇｆ／ｃｍ2に規定され下地摺動層から脱離可能な溶射層とで構成されていることを特徴とするものである。摺動部材の母材は適宜選択でき、鉄系、鋼系、ステンレス鋼系、マグネシウム合金系、チタン合金系、アルミ合金系等を採用できる。アルミ合金系は例えばアルミ−シリコン系を採用できる。下地摺動層は母材表面に積層された所要の摩擦特性をもつものである。下地摺動層の厚みは摺動部材の種類によっても異なるが、例えば１００〜５００μｍとすることができる。下地摺動層を構成する材質は、例えば、鉄−クロム−炭素系、鉄−クロム−炭素−銅系、タングステン系、モリブデン系、ニッケル系、ニッケル−クロム系、ニッケル−クロム−アルミ系等を採用できる。下地摺動層は溶射層、メッキ層、浸透メッキ層等で形成できる。溶射に際しては、母材表面に脱脂処理、ブラスチング処理等の前処理を行うことが望ましく、また砥石研削、ホーニング加工等の後処理を行うこともできる。
【０００９】下地摺動層に溶射処理で積層された溶射層は、初期において相手材と摺動するものである。溶射層の厚みは摺動部材の種類にもよるが、例えば２〜１０μｍとすることができる。溶射層は、マトリックスを構成する溶射材と、溶射材に分散された硬質粒子とで形成されている。溶射層は、硬質粒子を分散させた溶射用粉末を溶射ガンで溶射することにより形成できる。この場合、溶射熱により硬質粒子自体が部分的にまたは全体的に溶けるか軟化する場合には、溶射の際に粒子が下地摺動層に衝突するなどのため、衝突時の衝撃により硬質粒子の形状が変形する作用もある。溶射材は、例えば、鉄−クロム−炭素系、鉄−クロム−炭素−銅系、タングステン系、モリブデン系、ニッケル系、ニッケル−クロム系、ニッケル−クロム−アルミ系等を採用できる。摺動部材の種類にもよるが、下地摺動層に溶射処理された溶射層の気孔率は例えば１０〜３０％程度とすることができる。硬質粒子はジルコニア粒子（ＺｒＯ2 ）、アルミナ粒子、マグネシア粒子、初晶シリコン粒子、Ｆｅ2 Ｏ3 粒子等を採用できる。硬質粒子の平均粒径は摺動部材の種類、溶射層の厚み、必要とするアブレージブ作用等にもよるが、例えば３〜４０μｍ特に５〜３０μｍとすることができる。
【００１０】溶射層は、相手材とある程度摺動したら下地摺動層から脱離する。溶射層と下地摺動層とのせん断密着強度は摺動部材の種類によっても異なるが、０．３〜８ｋｇｆ／ｍｍ2 の範囲であり、特に０．５〜２ｋｇｆ／ｍｍ2 とすることができる。せん断密着強度の調整は、電流値、電圧値、ガス流量、溶射距離などの溶射条件の変更、溶射粉末の種類の変更、溶射層の厚みの変更、溶射層の気孔率の変更、硬質粒子の形状の変更、あるいは、溶射層と下地摺動層と間に脱離促進層を介在させることにより、行い得る。なお脱離促進層は固体潤滑材等で形成できる。
【００１１】本発明の摺動部材では、母材と下地摺動層との間の密着強度を確保するために、母材と下地摺動層との間に中間層を介在させることもできる。中間層は例えばニッケル系合金、なかでも重量％でニッケル−クロム合金９４％、アルミニウム６％の溶射粉末を溶射して形成できる。あるいは、ニッケル９５．５％、アルミニウム４．５％の溶射粉末を溶射して形成できる。なお中間層の厚みは例えば５０〜１００μｍ程度にできる。
【００１２】相手材としては、例えば有機系摩擦材料のものを採用できる。有機系摩擦材料は、フェノール樹脂などの結合剤、金属、アラミド、無機繊維などの基材、カシュダスト、ゴム、炭酸カルシウムなどの摩擦調整剤を含む構成とすることができる。
【００１３】
【作用】本発明の摺動部材では、初期においては溶射層が相手材と摺動する。このとき硬質粒子が相手材を削るので、所要の摩擦係数が確保される。そして、ある程度摺動したら、つまり初期以降においては、溶射層は特に溶射層の硬質粒子は脱離する。本発明の摺動部材では、溶射層のせん断密着強度の下限及び上限を規定しているため、硬質粒子を含む溶射層は下地摺動層に過剰に密着されず、そのため摩擦摺動の進行に伴い適切に脱離される。よって下地摺動層と相手材とが摺動する。
【００１４】
【実施例】まず、実施例１を説明する。即ち、Ａｌ−１２％Ｓｉ合金を成形型のキャビティに鋳造し、図２に示すリング状の摺動面２をもつディスクロータ１を作製した。ディスクロータ１は直径３００ｍｍ、ディスク厚２０ｍｍである。そして、重量％でＦｅ−Ｃｒ−Ｃ合金粉末５０％とＣｕ粉末５０％とを混合した第１混合粉末を用い、溶射ガンをディスクロータ１の摺動面２に対面させ、プラズマ溶射法によりディスクロータ１の摺動面２に下地摺動層３を形成した。この場合、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｃ合金粉末は、その組成がＣｒ５５〜６５ｗｔ％、Ｃ３〜４ｗｔ％、残部実質的にＦｅであり、粒度が１０〜７４μｍのものを用いた。またＣｕ粉末は純度９５％、粒度１０〜７４μｍのものを用いた。この場合、溶射装置はＭＥＴＣＯ７ＭＢ型を用い、電流４５０Ａ、電圧６５Ｖ、ガス量はＡｒガス４０リットル／ｍｉｎ、Ｈ2 ガス７．５リットル／ｍｉｎ、溶射距離１３０ｍｍの条件で、厚さ３００μｍになるまで積層した。
【００１５】その後、重量％でＺｒＯ2 粉末５０％と前述の第１混合粉末５０％とを混合した第２混合粉末を用い、同じ溶射装置を用い、電流３８０Ａ、電圧６０Ｖ、ガス量Ａｒガス４０リットル／ｍｉｎ、Ｈ2 ガス５リットル／ｍｉｎ、溶射距離１３０ｍｍの条件で、厚さ２０μｍになるまで溶射層としてのアブレージブ層４を積層し、これにより摺動層５を形成した。図１に摺動層５の断面を模式的に示す。図３に示す様に、下地摺動層３の上には、ＺｒＯ2 粒子４ｃと気孔４ｄとが混在するアブレージブ層４が積層されている。ＺｒＯ2 粉末は粒度１５〜２５μｍ程度のものを用いた。また、アブレージブ層４を溶射する際の溶射条件を低電流、低Ｈ2 ガス量側に設定したのは、アブレージブ層４をよりポーラス質にするとともに、ＺｒＯ2 粒子４ｃの未溶融部分を確保するためである。なお、溶射したアブレージブ層４の厚みは膜厚計により測定した。
【００１６】その後、砥石（ダイヤモンド）を用い、アブレージブ層４の表面を砥石研削により削り、これにより下地摺動層３とアブレージブ層４との合計厚みが３０５μｍになるようにした。この時のアブレージブ層４の厚さは約５μｍである。更に比較例１のロータも形成した。即ち、実施例１と同種のＡｌ−Ｓｉ系のロータと、実施例１と同様なＦｅ−Ｃｒ−Ｃ合金粉末とＣｕ粉末とを混合した第１混合粉末とを用い、第１混合粉末を実施例１と同様な条件でロータに溶射し、厚さ３２０μｍの摺動層を形成し、その後、摺動層の表面を研削により削り、厚みを３０５μｍにした。比較例１にはＺｒＯ2 粒子を分散したアブレージブ層４は形成されていない。
【００１７】実施例１のロータと比較例１のロータとを用い、同車種の車両のフロント両サイドに組みつけた。摺動の相手材であるパッドはスチールを含まないものであり、その材料組成は（体積比で、アラミド繊維１０％、ガラス繊維５％、ケイ酸カルシウム１０％、フェノール樹脂１５％、カシューダスト２０％、黒鉛５％、硫酸バリウム２０％、その他充填材１５％）である。またパッド面の初期の面粗さは３００μｍＲＺである。そして、テストコースで車両速度５０ｋｍの一定速度で車両を走行し、２００ｋｍ毎に制動（０．３Ｇの制動減速度）をかけて車両を停止させ、これを繰り返して走行距離１６００ｋｍまで走った。この試験では、走行距離２００ｋｍ毎にロータとパッドを取り外し、ＪＡＳＯ Ｃ ４０６ー８２（乗用車ブレーキ装置ダイナモメータ試験方法）にしたがい、初期すり合わせチェック時（制動初速度５０ｋｍ／ｈｒ、制動減速度０．３Ｇ、制動間隔１２０秒、制動回数１０回）の平均摩擦係数を測定した。この結果を図４の特性線に示す。図４に示す試験結果により、比較例１では１０００ｋｍ以上走行しないと、摩擦係数μが本来の値（μ＝０．４程度）に回復しない。一方、実施例１では走行距離２００ｋｍに至るまで摩擦係数が急激に増加し、走行距離４００ｋｍにおいて摩擦係数μが０．４付近となり回復する。またこの試験では、走行距離２００ｋｍ毎にパッド面の状態を観察した。その結果、比較例１では、初期の面粗さが３００μｍＲＺであったパッド面は、走行距離１０００ｋｍ以上で、やっと５μｍＲＺ〜１０μｍＲＺになるのに対し、実施例１では走行距離２００ｋｍ、４００ｋｍでその程度の面粗さになる。これは、ＺｒＯ2 粒子４ｃを分散したアブレージブ層４がロータ１の表面に存在するため、ＺｒＯ2 粒子４ｃによりパッド面が平滑化した効果であると推察される。
【００１８】実施例２において、ＺｒＯ2 粒子に代えて、アルミナ粒子（Ａｌ2 Ｏ3 ）、マグネシア粒子（ＭｇＯ）、Ｆｅ2 Ｏ3 粒子を分散したアブレージブ層４を下地摺動層３に積層したロータを形成した。そして、実施例１の場合と同様に、同車種の車両のフロント両サイドに組みつけ、テストコースで車両速度５０ｋｍの一定速度で車両を走行し、２００ｋｍ毎に制動をかけて車両を停止させ、ロータとパッドを取り外し、ＪＡＳＯ Ｃ ４０６ー８２にしたがい平均摩擦係数を測定した。実施例２においても、実施例１の場合と同様に摩擦係数μを早期に回復させる効果が発現された。
【００１９】実施例３において、実施例１以外の組成をもつＦｅ−Ｃｒ−Ｃ−Ｃｕ系合金の粉末とＺｒＯ2 粉末とを用い、ＺｒＯ2 粒子をもつアブレージブ層４を下地摺動層３に積層したロータを形成した。そして、実施例１の場合と同様に車両に組み込み試験したところ、実施例１の場合と同様に摩擦係数μを早期に回復させる効果が発現された。さらに、Ｃｕ粉末とＺｒＯ2 粉末とを混合した混合粉末を用い、アブレージブ層４を下地摺動層３に積層したロータを形成した。そして、実施例１の場合と同様に試験したところ、実施例１の場合と同様に摩擦係数μを早期に回復させる効果が発現された。
【００２０】＜試験例１＞ＺｒＯ2 粉末の割合を表１に示す様にさせた以外は実施例１の場合と同様な方法でロータＡ〜Ｉを形成した。そして、実施例１の場合と同様に車両のフロント両サイドに組みつけ、テストコースで車両を走行させ、２００ｋｍ毎にＪＡＳＯＣ ４０６ー８２にしたがい、平均摩擦係数を測定した。この結果、ＺｒＯ2 粒子の少ないロータＡ、Ｂでは摩擦係数μが回復する効果は、走行距離１０００ｋｍ付近でも全く得られなかった。これに対し、ＺｒＯ2 粒子が多く分散したロータＣ〜Ｈでは実施例１と同様な特性線が得られ、早期に摩擦係数μが回復する効果が得られた。なおロータＩはアブレージブ層４の密着性が悪く、評価に値しないため中止した。この結果よりアブレージブ層４においてＺｒＯ2 粉末の混合割合３０〜８０ｖｏｌ％が最適であることがわかった。
【００２１】
【表１】
＜試験例２＞実施例１においてＺｒＯ2 粉末の粒度分布の中心値（正規分布の中央値が５０％以上占める値）を表２のように変化させた以外は、実施例１の場合と同様な方法でロータＪ〜Ｏを形成した。そして、同様な試験を行った。
【００２２】この結果、粒度中心値３μｍのロータＪでは、ＺｒＯ2 粒子が小さくてアブレージブ作用がほとんどないため、摩擦係数μが回復する効果は走行距離１０００ｋｍ付近においてもほとんど得られなかった。また粒度中心値４０μｍのロータＯでは初期つまり走行距離２００ｋｍ程度において摩擦係数μが０．３５近くまで増加した。しかし、その後０．３付近まで低下した。これはパッド面の観察の結果、２００ｋｍではパッド面の面粗さが減って平滑化し、一時的に接触面積が増すが、その後、粒径が大きいＺｒＯ2 粒子によりパッドおよびロータの摺動傷が増し、かえってパッドとロータとの接触面積が低下したものと考えられる。これに対し粒度中心値５〜３０μｍのロータＫ〜Ｎでは、実施例１の場合と同様に、初期における良好な摩擦係数回復効果が発現された。この結果、ＺｒＯ2 粉末の粒度分布の中心値は５〜３０μｍが良いことがわかった。
【００２３】
【表２】
＜試験例３＞実施例１においてＺｒＯ2 粒子を分散させたアブレージブ層４の厚さのみを砥石研削で表３のように変化させた以外は、実施例１の場合と同様な方法でロータＰ〜Ｕを形成した。そして、同様な試験を行った。この結果、厚みが１μｍのロータＰでは、図４の特性線で示す様に、２００ｋｍでの摩擦係数が回復する効果はあるが、アブレージブ層４が薄いため、アブレージブ層４が早期に消失し、その後の摩擦係数回復効果は緩やかであった。これは、アブレージブ層４が薄いためアブレージブ機能が不十分なためであると推察される。
【００２４】一方、厚みが１５μｍのロータＵでは、１０００ｋｍまでは実施例１と同様な効果を示すが、その後摩擦係数μがやや低下していく傾向がみられた。この場合、面観察及び面粗さ測定の結果、１０００ｋｍではパッド粗さは一時的に５〜１０μｍＲＺになるが、それ以上走行距離が増すとパッド粗さが２０μｍＲＺ以上に増すため、摩擦係数μが若干低下する。これはアブレージブ層４により良好な摩擦係数回復を示すが、その後、残存アブレージブ層４とパッドとの更なる摩耗により、パッドの面粗さが増加するであると推察される。一方、厚みが２〜１０μｍロータＱ〜Ｔでは、実施例１の場合の様な良好な摩擦係数回復効果が得られた。しかも摩擦係数μが回復した１０００ｋｍ付近でほぼアブレージブ層４は脱離し消失していることがわかった。これより、アブレージブ層４は厚すぎても逆効果になり、アブレージブ層の厚みは２〜１０μｍ程度が良いことがわかった。
【００２５】
【表３】
＜試験例４＞実施例１の場合と同様な方法で下地摺動層３を積層した後、表４に示す様に溶射条件を変更して溶射を行ない、アブレージブ層４と下地摺動層３とのせん断密着強度を変化をさせたロータＶ〜Ｚ、ロータ＆を形成した。そして、実施例１の場合と同様な試験を行った。この結果を図５の特性線に示す。ここで、せん断密着強度が０．５〜２．０ｋｇｆ／ｍｍ2 のロータＷ〜Ｚにおいては、図５に示す様に、実施例１と全く同様な摩擦係数の傾向を示し、初期における摩擦係数回復効果が得られた。これに対し、せん断密着強度が小さいロータＶでは、初期のうちにアブレージブ層４が脱離し、摩擦係数回復効果がなく、図４に示す比較例１とほぼ同様な傾向を示した。
【００２６】また、せん断密着強度が２．５ｋｇｆ／ｍｍ2 のロータ＆では、走行距離１００ｋｍまでの初期では、摩擦係数μは一時的に増すものの、その後、走行距離が増しても摩擦係数の回復効果がなく、むしろ比較例１よりも低い摩擦係数を示した。これは、面観察の結果、アブレージブ層４の密着強さが大きすぎ、アブレージブ層４が脱落せず、そのため、むしろ相手材であるパッド側を削って表面粗さを大きくしたり、パッド材の摩耗粉をとり入れたりして、摩擦係数μが上がらないものと推察される。以上のことよりＺｒＯ2 粒子４ｃを分散したアブレージブ層４では、アブレージブ層４のせん断密着強度は０．５〜２．０ｋｇｆ／ｍｍ2 が良いことがわかる。
【００２７】
【表４】
【発明の効果】以上説明した様に本発明の摺動部材によれば、初期においては、アブレージブ作用をもつ硬質粒子が分散された溶射層が相手材と摺動するので、硬質粒子が相手材を削り、そのため摩擦係数が増して回復する。また本発明の摺動部材によれば、ある程度摺動したら、溶射層は特に溶射層の硬質粒子は脱離し、所要の摩擦特性をもつ下地摺動層と相手材とが摺動するので、本来の所要の摩擦係数を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】模式的に示した要部の断面図である。
【図２】ブレーキロータの正面図である。
【図３】ブレーキロータの断面図である。
【図４】摩擦係数と走行距離との関係を示すグラフである。
【図５】摩擦係数と走行距離との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
図中、１はロータ、２は摺動面、３は下地摺動層、４はアブレージブ層、４ｃはＺｒＯ2 粒子、４ｄは気孔を示す。
【特許請求の範囲】
【請求項１】母材と、該母材表面に積層された所要の摩擦特性をもつ下地摺動層と、該下地摺動層に溶射処理で積層された溶射材と該溶射材に分散された硬質粒子とをもち且つせん断密着強度が０．３〜８ｋｇｆ／ｃｍ2に規定され該下地摺動層から脱離可能な溶射層とで構成されていることを特徴とする摺動部材。
【請求項１】母材と、該母材表面に積層された所要の摩擦特性をもつ下地摺動層と、該下地摺動層に溶射処理で積層された溶射材と該溶射材に分散された硬質粒子とをもち且つせん断密着強度が０．３〜８ｋｇｆ／ｃｍ2に規定され該下地摺動層から脱離可能な溶射層とで構成されていることを特徴とする摺動部材。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【特許番号】第２８４４９７０号
【登録日】平成１０年（１９９８）１０月３０日
【発行日】平成１１年（１９９９）１月１３日
【国際特許分類】
【出願番号】特願平３−１７４０５３
【出願日】平成３年（１９９１）７月１５日
【公開番号】特開平５−２５６０５
【公開日】平成５年（１９９３）２月２日
【審査請求日】平成８年（１９９６）８月２０日
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【参考文献】
【文献】特開 平１−２２９１２６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特公 平３−３８１１（ＪＰ，Ｂ２）
【登録日】平成１０年（１９９８）１０月３０日
【発行日】平成１１年（１９９９）１月１３日
【国際特許分類】
【出願日】平成３年（１９９１）７月１５日
【公開番号】特開平５−２５６０５
【公開日】平成５年（１９９３）２月２日
【審査請求日】平成８年（１９９６）８月２０日
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【参考文献】
【文献】特開 平１−２２９１２６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特公 平３−３８１１（ＪＰ，Ｂ２）
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