特表 2023-543615 軽金属構造－機能性二重勾配複合材料ブレーキディスク（ブレーキドラム）

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-10-17

(54)【発明の名称】軽金属構造－機能性二重勾配複合材料ブレーキディスク（ブレーキドラム）

(51)【国際特許分類】

   F16D 65/12 20060101AFI20231010BHJP

   F16D 65/10 20060101ALI20231010BHJP

   C04B 35/573 20060101ALI20231010BHJP

【ＦＩ】

F16D65/12 R

F16D65/10

C04B35/573

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023520164

(86)(22)【出願日】2020-09-30

(85)【翻訳文提出日】2023-04-12

(86)【国際出願番号】 CN2020119158

(87)【国際公開番号】W WO2022067600

(87)【国際公開日】2022-04-07

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】523115221

【氏名又は名称】房明

(71)【出願人】

【識別番号】523116354

【氏名又は名称】房殊

(74)【代理人】

【識別番号】240000327

【弁護士】

【氏名又は名称】弁護士法人クレオ国際法律特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】房明

(72)【発明者】

【氏名】房殊

【テーマコード（参考）】

3J058

【Ｆターム（参考）】

3J058AA03

3J058AA07

3J058AA43

3J058AA48

3J058AA53

3J058BA41

3J058BA47

3J058BA68

3J058CB02

3J058CB12

3J058CB23

3J058DD28

3J058EA02

3J058EA14

3J058FA01

3J058FA21

(57)【要約】

摩擦摩耗機能を担う機能（性能）勾配特徴を有する軽金属／勾配セラミックス骨格複合材料摩擦層と、連結および構造機能を担う軽金属／勾配セラミックス骨格複合材料摩擦層との間に構造勾配特徴を有する軽金属から一体的に複合鋳造した軽金属構造－機能性二重勾配複合材料ブレーキディスク又はブレーキドラムである。このような二重勾配ブレーキディスク又はブレーキドラムは、軽金属の熱容量が大きく、放熱が速く、クラックに感受性ではなく、および勾配セラミックス骨格の高硬度、高せん断抵抗性、高弾性率、良い耐熱振動性という利点を十分に発揮することができるだけでなく、軽金属／勾配セラミックス骨格複合材料摩擦層は軟化、変形せずに、より高い温度に耐え、摩擦制動過程中の温度をより均一にさせることができ、摩擦係数もより安定である。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

軽金属構造－機能性二重勾配複合材料ブレーキディスク（ブレーキドラム）であって、
前記軽金属構造－機能性二重勾配複合材料ブレーキディスク（ブレーキドラム）は、摩擦摩耗機能を担う金属／セラミックス勾配複合材料摩擦層と連結および構造機能を担う軽金属又はから一体的に複合鋳造される、ことを特徴とする軽金属構造－機能性二重勾配複合材料ブレーキディスク（ブレーキドラム）。

【請求項2】

摩擦摩耗機能を担う金属／セラミックス勾配複合材料摩擦層に使用されるセラミックスは、耐熱振動性能が良く、耐摩耗性、熱伝導率が高いセラミックスからなる連続構造相骨格である、ことを特徴とする前記軽金属構造－機能性二重勾配複合材料ブレーキディスク（ブレーキドラム）。

【請求項3】

摩擦摩耗機能を担う金属／セラミックス勾配複合材料摩擦層中の連続構造相セラミックス骨格の穴の直径は、摩擦表面に垂直するディスク体内に延在する場合、勾配変化を呈する、ことを特徴とする前記軽金属構造－機能性二重勾配複合材料ブレーキディスク（ブレーキドラム）。

【請求項4】

摩擦摩耗機能を担う金属／セラミックス勾配複合材料摩擦層中の連続構造相セラミックス骨格と連結および構造機能を担う軽金属との結合面と摩擦面とは、非垂直関係である、ことを特徴とする前記軽金属構造－機能性二重勾配複合材料ブレーキディスク（ブレーキドラム）。

【請求項5】

摩擦摩耗機能を担う軽金属／セラミックス勾配複合材料摩擦層の厚みは、ブレーキディスク（ブレーキドラム）の摩耗限界寸法に基づいて１～５ｍｍ厚くする、ことを特徴とする前記軽金属構造－機能性二重勾配複合材料ブレーキディスク（ブレーキドラム）。

【請求項6】

連結および構造機能を担う軽金属は、ナノ材料により強化及び強靭化されことができ、摩擦摩耗機能を担う金属／セラミックス勾配複合材料摩擦層中の連続構造相セラミックス骨格も、ナノセラミックス粒子又はセラミックス繊維を用いて強化および強靭化されることができる、ことを特徴とする前記軽金属構造－機能性二重勾配複合材料ブレーキディスク（ブレーキドラム）。

【請求項7】

軽金属構造－機能性二重勾配複合材料ブレーキディスク（ブレーキドラム）は、軽金属基体強度を増強し、軽金属構造－機能性二重勾配複合材料ブレーキディスク（ブレーキドラム）中の軽金属基体膨張、変形を制限する黒色金網を一体的に複合鋳造することができる、ことを特徴とする前記軽金属構造－機能性二重勾配複合材料ブレーキディスク（ブレーキドラム）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は摩擦摩耗機能を担う金属／セラミックス勾配複合材料摩擦層と連結及び構造機能を担う軽金属から一体的に複合鋳造された軽金属構造－機能性二重勾配複合材料ブレーキディスク（ブレーキドラム）に関し、その応用は軌道交通や、道路交通車両のクラッチ及びブレーキを含むがこれらに限定されない。

【背景技術】

【0002】

現在、ほとんどは軌道交通や、道路交通車両のブレーキディスク（ブレーキドラム）を含むが、これらに限定されず、主に全体的に黒色の金属材料で作られている。その欠点は密度が高く、軽量化に不利であり、熱伝導性が悪く、摩擦制動時の摩擦表面温度の上昇が高すぎ、温度差が大きく、摩擦表面の異なる領域に熱斑が形成されやすく、熱割れが発生しやすく、ディスク内部の熱応力集中、内クラック形成の原因にもなりやすいことである。

【0003】

既存の金属セラミックス複合材料ブレーキディスク（ブレーキドラム）であっても、摩擦層と基体構造部分が同種材料であることが多い。製造コストが高いだけでなく、金属とセラミックスの結合界面に熱疲労亀裂が発生しやすく、その使用寿命に影響を与える。一方、炭素／炭素、炭素／セラミックス複合材料のブレーキディスク（ブレーキドラム）は高価で、例えば機械的方法を用いて金属構造部分と接続すると、また２種類の材料の接触界面問題によって、熱伝導に影響を与えて摩擦層の温度が高すぎることがあり、これらはすべてその使用に影響を与える不利な要素である。

【0004】

軽量化、省エネ・排出削減及びコスト削減を目的とした軽量化技術の普及応用に伴い、セラミック強化アルミニウム合金を用いて軽量化ブレーキディスク（ブレーキドラム）を製造することにより、ブレーキディスク（ブレーキドラム）の重量を著しく低減することができるだけでなく、摩擦制動時の騒音及び温度上昇を大幅に低減し、クラッチディスク、ブレーキディスク（ブレーキドラム）の耐摩耗性と使用寿命を向上させることができる。しかし、セラミックス粒子強化アルミニウム合金複合材料の弾性率が低いため、特にアルミニウム合金基体の高温軟化に伴い、セラミックス粒子強化アルミニウム合金複合材料ブレーキディスクの弾性率が急激に低下する。加えて、各種車両が絶えず高速、重負荷方向に発展し、セラミック粒子強化金属複合材料界面の結合強度、セラミック強化体の形状、セラミック強化体の被強化金属中の均一性など、金属／セラミック複合材料の性能に直接影響する多くの要素に対してより高い要求を提出した。

【0005】

本発明の軽金属構造－機能性二重勾配複合材料ブレーキディスク（ブレーキドラム）は、従来の黒色金属及び既存のアルミニウム合金複合材料ブレーキディスク（ブレーキドラム）と比較して、ブレーキディスク（ブレーキドラム）の構造及び異なる部位の機能に基づいて設計思想が定められており、質量が軽く、摩擦摩耗機能を担う軽金属／セラミックス勾配複合材料摩擦層が高い比圧強度、比剛性、比弾性率、耐疲労性、耐摩耗性、耐熱振動性、熱安定性が良い連結および構造機能、及び熱膨張係数が低く、かつ連結および構造機能を担う軽金属と一体的に複合鋳造したものであるため、他の種類のブレーキディスクの種々の欠点を克服した。

【0006】

本発明の軽金属構造－機能二重勾配複合材料ブレーキディスク（ブレーキドラム）は従来の現在の同寸法黒色金属ブレーキドラム（ブレーキディスク）に比べて、重量が６０％程度減量するだけでなく、放熱性能（同じ制動条件下で温度上昇が２０％低下し、同じ温度までに低下した時間が５０％近く減少し、摩擦表面の異なる領域の温度差がより小さい）を向上させ、摩擦摩耗性能（同じ冷却などの時の摩擦係数がより安定している）を最適化し、しかも低コストで産業化生産することができる。そのため、軌道交通、道路交通、機械製造などの分野、特に摩擦制動材料の分野で良好な応用の見通しを示す。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

本発明は軽金属構造－機能性二重勾配複合材料ブレーキディスク（ブレーキドラム）である。軌道交通、道路交通車両に軽量化、生産周期が短く、放熱が速く、熱安定性がよく、耐用年数が長いブレーキディスク（ブレーキドラム）を提供することであるが、これに限らない。このブレーキディスク（ブレーキドラム）は摩擦摩耗機能を担う金属／セラミックス勾配複合材料摩擦層連結および構造機能を担う。低コスト、摩擦制動安定、騒音低、及び取り外し／取り付け便利、省力などの利点を有する。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記の目的を達成するために、本発明は以下の技術方案を使用する。

【0009】

まず高温性能が使用要求を満たし、鋳造性能が良く、補強体セラミックス骨格と激しい反応を起こさない軽金属材料を選別する。次に、価格が低く、熱容量が大きく、熱伝導が速く、総合性能がよく、生産技術が成熟したアルミニウム合金が好ましい。その後、調製された連続構造相勾配セラミックス骨格を鋳造金型のキャビティに入れ、一体複合するように、摩擦摩耗機能を担う金属／セラミックス複合材料摩擦層と連結および構造機能を担う軽金属からなる軽金属構造－機能性二重勾配複合材料ブレーキディスク（ブレーキドラム）を複合鋳造した。このようなブレーキディスク（図１、図２）は、金属／セラミックス勾配複合材料摩擦層の摩擦摩耗性能を著しく向上させただけでなく、熱伝導性能の良い軽金属中で熱がシームレスで迅速に伝導することを保証し、しかも低コスト、規模化生産を極めて容易に実現した。

【0010】

摩擦摩耗機能を担う金属／セラミックス勾配複合材料摩擦層中の連続相構造セラミックス骨格は、耐熱振動性能、耐摩耗性能、熱伝導性能、比熱容量性能、密度、焼結時収縮変形、価格などの点から総合的に考慮して、３次元ネットワーク構造形式、２次元ハニカム構造形式の炭化ケイ素セラミックスを採用し、好ましくはより低コストの反応焼結炭化ケイ素セラミックスを採用することを含むが、これらに限定しない。

【0011】

反応焼結炭化ケイ素セラミックス骨格中の遊離ケイ素はセラミックス骨格に対する軽金属の浸潤性を明らかに改善できるだけでなく、高温複合鋳造過程における炭化ケイ素セラミックスとアルミニウム合金基体との反応の難度を高めた。

【0012】

３ＳｉＣ＋４Ａｌ＝Ａｌ_４Ｃ_３＋３Ｓｉ

【0013】

さらに、Ａｌ_４Ｃ_３の形成によるＳｉＣとアルミニウム合金基体の界面に損傷が発生し、および水と接触して電気化学腐食による複合材料の機械的性質の低下を回避し、複合材料の各性能を改善した。

【0014】

摩擦制動過程中の熱エネルギーをブレーキディスクの全体に迅速、均一に吸収させ、摩擦摩耗機能を担う金属／セラミックス勾配複合材料摩擦層の異なる領域間の表面温度差を減少させ、金属／セラミックス勾配複合材料摩擦層と連結および構造機能を担う軽金属結合部位の熱応力を低下させるため、金属／セラミックス複合材料摩擦層の機能勾配変化を形成するように、金属／セラミックス勾配複合材料摩擦層中の連続相構造セラミックス骨格と連結および構造機能を担う軽金属結合表面は、斜面（図３）、凸面（図４）、凹面（図５）、鋸歯状（図６）などの形状を含むが、これらに限定されない。

【0015】

摩擦摩耗機能を担う金属／セラミックス勾配複合材料摩擦層中の連続相構造セラミックス骨格の穴の直径は、摩擦表面に垂直するディスク体内に延在する場合、小さいから大きくなる（図７）、あるいは大きいから小さくなるように、勾配変化を呈する。

【0016】

摩擦摩耗機能を担う複合材料摩擦層の厚さは、複合材料摩擦層が摩耗限界位置までに摩耗した場合、弾性係数が制動圧力の作用下で変化せずに、摩擦表面にファロゥが現れず、摩擦係数はまだ安定して不変であることを保証するために、ブレーキディスク（ブレーキドラム）又はの摩耗限界寸法に基づいて１～５ｍｍ厚くする。

【0017】

軽金属構造－機能性二重勾配複合材料ブレーキディスク（ブレーキドラム）中の基体軽金属の高温性能を高めるために、ナノ材料を用いて強化と強靭化を行うことができる。連続構造相セラミックス骨格は、ナノセラミックス粒子又はセラミックス繊維により強化および強靭化することもできる。

【発明の効果】

【0018】

軽金属構造－機能性二重勾配複合材料ブレーキディスク（ブレーキドラム）の基体軽金属が大きな制動圧力の場合、割れも破裂もしないことを保証するため、また摩擦制動温度が高い場合にも、軽金属基体自身の大きな熱膨張係数で、ブレーキシューの制動ストロークを大きくし、制動効果をヒステリシスさせ、本発明の軽金属構造－機能性二重勾配複合材料ブレーキディスク（ブレーキドラム）は、放熱効果に影響を与えず、軽金属基体強度を強化し、軽金属構造－機能性二重勾配複合材料ブレーキディスク（ブレーキドラム）には、基体軽金属が熱膨張又は変形を生じることを制限する黒色金網、メッシュ状黒色金属板を一体的に複合鋳造されることができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】軽金属構造－機能性二重勾配複合材料のブレーキディスク（ブレーキドラム）断面模式図。

【図2】軽金属構造－機能性二重勾配複合材料ブレーキディスク（ブレーキドラム）の実物写真。

【図3】複合材料摩擦層と軽金属との結合部位における斜面セラミックス骨格の模式図。

【図4】複合材料摩擦層と軽金属との結合部位における凸面セラミックス骨格の概略図。

【図5】複合材料摩擦層と軽金属との結合部位における凹面セラミックス骨格の概略図。

【図6】複合材料の摩擦面と軽金属との結合部における鋸歯面セラミックス骨格の概略図。

【図7】セラミックス骨格が軽金属基体内に延在する際のセラミックス骨格の穴が小さい状態から大きくなる模式図。

【図8】本発明のブレーキディスクを用いた地下鉄１：１ベンチテスト時の曲線。

【図9】本発明のブレーキディスクと鋳鋼ディスクを用いた１：１ベンチテストによるサイクルブレーキ時間の比較。

【図10】本発明のブレーキディスクと鋳鋼ディスクを用いた１：１ベンチテスト時の温度上昇の比較。

【図11】本発明のブレーキディスクと鋳鋼ディスクを用いた１：１ベンチテストによる摩擦係数の比較。

【図12】本発明のブレーキディスクと鋳鋼ディスクを用いた１：１ベンチテストによる６つの温度測定箇所の温度の比較。

【図13】本発明のブレーキディスクを用いた時速４００ｋｍ／ｈでの１：１ベンチテスト時の摩擦係数。

【図14】本発明のブレーキディスクを用いた時速４００ｋｍ／ｈでの１：１ベンチテストの前、磨き後及び試験後の写真。

【図15】本発明のブレーキディスクを用いた乗用車１：１ベンチテストのデータ。

【図16】本発明のブレーキディスクを用いた乗用車１：１ベンチテストの前及び試験後の写真。

【発明を実施するための形態】

【0020】

実施例１
本実施例１は、本発明のブレーキディスクを用いて、第三者がＣＺＪＳ／Ｔ ００１２－２０１６（都市軌道交通車両合成ブレーキ片技術規範）に基づき、ＢＤ ２５００／１５０００制動動力１：１テストベッドを用いた地下鉄車両ベンチテストの一部データ曲線である。
図８中のすべての試験データ曲線（ａ）、異なる速度の場合の摩擦係数曲線（ｂ）及びシミュレーションコンディション試験データ曲線（ｃ）、（ｄ）から分かるように、摩擦係数は非常に均一で安定しているだけでなく、温度上昇も低い。

【0021】

実施例２
本実施例２は、本発明のブレーキディスク及び鋳鋼製ブレーキディスクを用いて、第三者がＴＢ／Ｔ ２９８０－２０１４（機関車車両用ブレーキディスク）に基づき、ＢＤ ２５００／１５０００制動動力１：１テストベッドを用いた時速２５０ｋｍ／ｈでの動車組ベンチテストの一部データ曲線である。

【0022】

図９から分かるように、同じ制動条件下で、本発明の制動盤（左）は鋳鋼制動盤（右）より冷却時間が５０％近く少ない。
図１０から明らかなように、同じ制動条件で、本発明の制動盤（左）は鋳鋼制動盤（右）より温度上昇が２０％低い。
図１１から分かるように、同じ制動条件で、本発明のブレーキディスク（左）の摩擦係数は、鋳鋼製ブレーキディスク（右）より、より平滑である。
図１２から分かるように、同じ制動条件下で、本発明の制動盤（左）は鋳鋼制動盤（右）より、６つの温度測定箇所の温度が低いだけでなく、より均一で、より規則的である。

【0023】

実施例３
本実施例３は本発明のブレーキディスクを用いて、第三者がＴＢ／Ｔ ２９８０－２０１４（機関車車両用ブレーキディスク）を照らし、ＢＤ ２５００／１５０００制動動力１：１テストベッドによる時速４００ｋｍ／ｈでの高速列車ベンチテストの一部データ曲線である。

【0024】

図１３の試験データからわかるように、軽金属構造－機能性二重勾配複合材料ブレーキディスクは、時速４００ｋｍ／ｈの高速列車制動要求を満たすことができるだけでなく、摩擦表面の最高５２０℃の温度で安定の摩擦係数を維持することができる。

【0025】

時速４００ｋｍ／ｈ試験前、磨き後及び試験後の摩擦表面の写真（図１４）から分かるように、軽金属構造－機能性二重勾配複合材料ブレーキディスクは最高５２０℃の温度要求を満たすことができるだけでなく、連続相セラミックス骨格の複合材料摩擦層への支持作用により、摩擦表面は軟化、変形、及びファロゥが発生せず、各性能がブレーキディスクとしての使用要求に満たすことができる。確かに各種類の回転機械に対して安全、有効なクラッチ、ブレーキを実行することができ、さらに明らかな重量減少、省エネ、排出削減効果がある。

【0026】

実施例４
実施例４は、本発明のブレーキディスクを用いて、第三者がＡＫ ＭＡＳＴＥＲ試験大綱に従って行った乗用車１：１ベンチテストの一部データ曲線である。

【0027】

図１５の試験データから分かるように、本発明のブレーキディスクは完全に乗用車の使用要求を満たすことができる。
試験完了後の写真から分かるように、本発明のブレーキディスクの摩擦表面はラッグ傷がない、完全である（図１６）。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【手続補正書】

【提出日】2023-04-12

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

軽金属構造－機能性二重勾配複合材料ブレーキディスク又はブレーキドラムであって、
前記軽金属構造－機能性二重勾配複合材料ブレーキディスク又はブレーキドラムは、勾配変化特徴を有するセラミックス骨格と軽金属とを、摩擦摩耗機能を担う軽金属／勾配セラミックス骨格複合材料摩擦層に機能（性能）勾配特徴を有し、連結および構造機能を担う軽金属と複合材料摩擦層との間に構造勾配特徴を有し、全体としては構造勾配及び機能（性能）勾配二重勾配複合材料の性能特徴を有するブレーキディスク又はブレーキドラムに一体的に複合鋳造する、ことを特徴とする軽金属構造－機能性二重勾配複合材料ブレーキディスク又はブレーキドラム。

【請求項2】

摩擦摩耗機能を担う軽金属／勾配セラミックス骨格複合材料摩擦層に使用されるセラミックス骨格は、耐熱振動性能が良く、耐摩耗性、熱伝導率が高いセラミックスであり、穴寸法、構造形式に勾配変化特徴を有する連続構造相セラミックス骨格を製造する、ことを特徴とする請求項１に記載の軽金属構造－機能性二重勾配複合材料ブレーキディスク又はブレーキドラム。

【請求項3】

摩擦摩耗機能を担う軽金属／勾配セラミックス骨格複合材料摩擦層中の連続構造相勾配セラミックス骨格の穴の直径は、摩擦表面に垂直するディスク体内に延在する場合、勾配変化を呈する、ことを特徴とする請求項１に記載の軽金属構造－機能性二重勾配複合材料ブレーキディスク又はブレーキドラム。

【請求項4】

摩擦摩耗機能を担う軽金属／勾配セラミックス骨格複合材料摩擦層中の連続構造相勾配セラミックス骨格と連結および構造機能を担う軽金属との結合面と摩擦面とは、非垂直関係である、ことを特徴とする請求項１に記載の軽金属構造－機能性二重勾配複合材料ブレーキディスク又はブレーキドラム。

【請求項5】

摩擦摩耗機能を担う軽金属／勾配セラミックス骨格複合材料摩擦層の厚みは、ブレーキディスク又はブレーキドラムの摩耗限界寸法に基づいて１～５ｍｍ厚くする、ことを特徴とする請求項１に記載の軽金属構造－機能性二重勾配複合材料ブレーキディスク又はブレーキドラム。

【請求項6】

連結および構造機能を担う軽金属は、ナノ材料により強化及び強靭化されことができ、摩擦摩耗機能を担う軽金属／勾配セラミックス骨格複合材料摩擦層中の連続構造相勾配セラミックス骨格も、ナノセラミックス粒子又はセラミックス繊維を用いて強化および強靭化されることができる、ことを特徴とする請求項１に記載の軽金属構造－機能性二重勾配複合材料ブレーキディスク又はブレーキドラム。

【請求項7】

軽金属構造－機能性二重勾配複合材料ブレーキドラムは、軽金属基体強度を増強し、軽金属構造－機能性二重勾配複合材料ブレーキドラム中の軽金属基体膨張、変形を制限し、及びブレーキドラムが制動圧力（径方向張力）により破裂を防止できる黒色金網を一体的に複合鋳造することができる、ことを特徴とする請求項１に記載の軽金属構造－機能性二重勾配複合材料ブレーキディスク又はブレーキドラム。

【手続補正2】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００１

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0001】

本発明は摩擦摩耗機能を担う軽金属／勾配セラミックス骨格複合材料摩擦層と連結及び構造機能を担う軽金属から一体的に複合鋳造された軽金属構造－機能性二重勾配複合材料ブレーキディスク又はブレーキドラムに関し、その応用は軌道交通や、道路交通車両の摩擦クラッチ及びブレーキを含むがこれらに限定されない。

【手続補正3】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００２

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0002】

現在、ほとんどは軌道交通や、道路交通車両のブレーキディスク又はブレーキドラムを含むが、これらに限定されず、主に全体的に黒色の金属材料で作られている。その欠点は密度が高く、軽量化に不利であり、熱伝導性が悪く、摩擦制動時の摩擦表面温度の上昇が高すぎ、温度差が大きく、摩擦表面の異なる領域に熱斑が形成されやすく、熱割れが発生しやすく、ディスク内部の熱応力集中、内クラック形成の原因にもなりやすいことである。

【手続補正4】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００３

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0003】

既存の金属セラミックス複合材料ブレーキディスク又はブレーキドラムであっても、摩擦層と基体構造部分が同種材料であることが多い。製造コストが高いだけでなく、金属とセラミックスの結合界面に熱疲労亀裂が発生しやすく、その使用寿命に影響を与える。一方、炭素／炭素、炭素／セラミックス複合材料のブレーキディスク又はブレーキドラムは高価で、例えば機械的方法を用いて金属構造部分と接続すると、また２種類の材料の接触界面問題によって、熱伝導に影響を与えて摩擦層の温度が高すぎることがあり、これらはすべてその使用に影響を与える不利な要素である。

【手続補正5】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００４

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0004】

軽量化、省エネ・排出削減及びコスト削減を目的とした軽量化技術の普及応用に伴い、セラミック強化アルミニウム合金を用いて軽量化ブレーキディスク又はブレーキドラムを製造することにより、ブレーキディスク又はブレーキドラムの重量を著しく低減することができるだけでなく、摩擦制動時の騒音及び温度上昇を大幅に低減し、クラッチディスク、ブレーキディスク又はブレーキドラムの耐摩耗性と使用寿命を向上させることができる。しかし、セラミックス粒子強化アルミニウム合金複合材料の弾性率が低いため、特にアルミニウム合金基体の高温軟化に伴い、セラミックス粒子強化アルミニウム合金複合材料ブレーキディスクの弾性率が急激に低下する。加えて、各種車両が絶えず高速、重負荷方向に発展し、セラミック粒子強化金属複合材料界面の結合強度、セラミック強化体の形状、セラミック強化体の被強化金属中の均一性など、金属／セラミック複合材料の性能に直接影響する多くの要素に対してより高い要求を提出した。

【手続補正6】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００５

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0005】

本発明の軽金属構造－機能性二重勾配複合材料ブレーキディスク又はブレーキドラムは、従来の黒色金属及び既存のアルミニウム合金複合材料ブレーキディスク又はブレーキドラムと比較して、ブレーキディスク又はブレーキドラムの構造及び異なる部位の機能及び性能に基づいて設計思想が定められている。勾配セラミックス骨格の耐疲労性、耐摩耗性、及び耐熱振動性、熱安定性がよく、及び熱膨張係数が低く、しかも穴の寸法、構造形式が摩擦表面から内へ勾配変化を呈し、相応の性能も勾配変化の特徴を呈し、また、軽金属の放熱が速く、成形しやすく、加工しやすいという特徴を十分に利用している。これを利用して、軽量かつ高い比圧強度、比剛性、比弾性率、耐疲労性、耐摩耗性、耐熱振動性、熱安定性が良い、摩擦摩耗機能を担う軽金属／勾配セラミックス骨格複合材料摩擦層に機能及び性能勾配特徴を有し、複合材料摩擦層と連結および構造機能を担う軽金属との間に構造勾配特徴を有し、全体として構造勾配と機能及び性能勾配の二重勾配複合材料特徴を有するブレーキディスク又はブレーキドラムが、一体複合鋳造の方法により、製造されることにより、他の種類のブレーキディスクの種々の欠点を克服した。

【手続補正7】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００６

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0006】

本発明の軽金属構造－機能二重勾配複合材料ブレーキディスク又はブレーキドラムは従来の現在の同寸法黒色金属ブレーキドラム（ブレーキディスク）に比べて、重量が６０％程度減量するだけでなく、複合材料摩擦層の機能及び性能の勾配特徴により、放熱性能（同じ制動条件下で温度上昇が２０％低下し、同じ温度までに低下した時間が５０％近く減少し、摩擦表面の異なる領域の温度差がより小さい）を向上させ、摩擦摩耗性能（同じ冷却などの時の摩擦係数がより安定している）を最適化し、しかも低コストで産業化生産することができる。そのため、軌道交通、道路交通、機械製造などの分野、特に摩擦制動材料の分野で良好な応用の見通しを示す。

【手続補正8】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００７

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0007】

本発明は、本溶融炉内で溶融した軽金属に勾配セラミックス骨格の小（毛細）穴表面張力を克服する圧力を加えることにより、溶融した軽金属を勾配セラミックス骨格に鋳込み、軽金属／勾配セラミックス骨格複合材料摩擦層が摩擦摩耗機能を担い、一体複合鋳造した軽金属が構造及び接続機能を担う軽金属構造－機能性二重勾配複合材料ブレーキディスク又はブレーキドラムを製造することを達成する。このブレーキディスク又はブレーキドラムは、勾配セラミックス骨格で形成された摩擦摩耗機能を担う軽金属／勾配セラミックス骨格複合材料摩擦層が、機能および性能勾配変化の特徴を有するだけでなく、連結および構造機能を担う軽金属が一体的に複合鋳造されて、軽金属／勾配セラミックス骨格複合材料摩擦層と連結および構造機能を担う軽金属との間に構造勾配変化の特徴を持たせるため、構造勾配と機能及び性能勾配の二重勾配複合材料の性能特徴を備える。それ以上、低コスト、摩擦制動安定、低騒音、軽量化、短生産周期、放熱迅速、良い熱安定性、長耐用年数、及び取り外し／取り付け便利、省力などの利点を有する。

【手続補正9】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００９

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0009】

まず高温性能が使用要求を満たし、鋳造性能が良く、補強体セラミックス骨格と激しい反応を起こさない軽金属材料を選別する。次に、価格が低く、熱容量が大きく、熱伝導が速く、総合性能がよく、生産技術が成熟したアルミニウム合金が好ましい。その後、調製された連続構造相勾配セラミックス骨格を鋳造金型のキャビティに入れ、溶融炉内で溶融した軽金属に勾配セラミックス骨格の小（毛細）穴表面張力を克服する圧力を加えることにより、一体複合するように、溶融した軽金属を勾配セラミックス骨格に鋳込み、摩擦摩耗機能を担う軽金属／勾配セラミックス骨格複合材料摩擦層と連結および構造機能を担う軽金属からなる一体の軽金属構造－機能性二重勾配複合材料ブレーキディスク又はブレーキドラムを製造した。このようなブレーキディスク（図１、図２）又はブレーキドラムは、軽金属／勾配セラミックス骨格複合材料摩擦層の摩擦摩耗性能を著しく向上させただけでなく、熱伝導性能の良い軽金属中で熱がシームレスで迅速に伝導することを保証し、しかも低コスト、規模化生産を極めて容易に実現した。

【手続補正10】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１０

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0010】

摩擦摩耗機能を担う軽金属／勾配セラミックス骨格複合材料摩擦層中の連続構造相勾配セラミックス骨格は、耐熱振動性能、耐摩耗性能、熱伝導性能、比熱容量性能、密度、焼結時収縮変形、価格などの点から総合的に考慮して、３次元ネットワーク構造形式、２次元ハニカム構造形式の穴の寸法、構造形式が勾配変化特徴を有する連続構造相の炭化ケイ素勾配セラミックス骨格を採用することを含むが、これらに限定せず、好ましくはより低コストの反応焼結炭化ケイ素勾配セラミックス骨格を採用する。

【手続補正11】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１１

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0011】

反応焼結炭化ケイ素勾配セラミックス骨格中の遊離ケイ素はセラミックス骨格に対する軽金属の浸潤性を明らかに改善できるだけでなく、高温複合鋳造過程における炭化ケイ素勾配セラミックス骨格とアルミニウム合金基体との反応の難度を高めた。

【手続補正12】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１４

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0014】

摩擦制動過程中の相同の熱エネルギーをブレーキディスク又はブレーキドラムの全体に迅速、均一に吸収させ、摩耗がある場合でも迅速に空気中に散逸することができ、摩擦摩耗機能を担う軽金属／勾配セラミックス骨格複合材料摩擦層の異なる領域間の表面温度差を減少させ、軽金属／勾配セラミックス骨格複合材料摩擦層と連結および構造機能を担う軽金属結合部位の熱応力を低下させるため、構造勾配セラミックス骨格と軽金属で形成された軽金属／勾配セラミックス骨格複合材料摩擦層の機能及び性能勾配変化特徴を十分に発揮し、軽金属が迅速に熱を発散する目的を実現するように、軽金属／勾配セラミックス骨格複合材料摩擦層中の連続構造相勾配セラミックス骨格と連結および構造機能を担う軽金属結合表面は、斜面（図３）、凸面（図４）、凹面（図５）、鋸歯状（図６）などの形状を含むが、これらに限定されない。

【手続補正13】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１５

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0015】

また、摩擦層の限界までの摩耗において、放熱性能が基本的に変化しないことを保証するために、摩擦摩耗機能を担う軽金属／勾配セラミックス骨格複合材料摩擦層中の連続構造相勾配セラミックス骨格の穴の直径は、摩擦表面に垂直するディスク体内に延在する場合、小さいから大きくなる（図７）、あるいは大きいから小さくなるように、勾配変化を呈するものとされてもいい。

【手続補正14】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１６

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0016】

摩擦摩耗機能を担う複合材料摩擦層の厚さは、複合材料摩擦層が摩耗限界位置までに摩耗した場合、弾性係数が制動圧力の作用下で変化せずに、摩擦表面にファロゥが現れず、摩擦係数はまだ安定して不変であることを保証するために、ブレーキディスク又はブレーキドラムの摩耗限界寸法に基づいて１～５ｍｍ厚くする。

【手続補正15】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１７

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0017】

軽金属構造－機能性二重勾配複合材料ブレーキディスク又はブレーキドラム中の基体軽金属の高温性能を高めるために、ナノ材料を用いて強化と強靭化をさらに行うことができる。連続構造相勾配セラミックス骨格は、ナノセラミックス粒子又はセラミックス繊維により強化および強靭化することもできる。

【手続補正16】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１８

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0018】

軽金属構造－機能性二重勾配複合材料ブレーキディスク又はブレーキドラムの基体軽金属が大きな制動圧力（半径方向の外向きの張力）の場合、割れも破裂も発生しないこと、さらに摩擦制動温度が高い場合にも、軽金属基体自身の大きな熱膨張係数で、ブレーキシューの制動ストロークを大きくすることと、制動効果をヒステリシスさせることが発生しないことを保証するため、本発明の軽金属構造－機能性二重勾配複合材料ブレーキディスク又はブレーキドラムは、放熱効果に影響を与えず、軽金属基体強度を強化し、軽金属構造－機能性二重勾配複合材料ブレーキディスク又はブレーキドラムには、基体軽金属が熱膨張又は変形を生じることを制限する円筒状黒色金網、及び円筒状メッシュ状黒色金属板を一体的に複合鋳造されることができる。

【手続補正17】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１９

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0019】

【図1】軽金属構造－機能性二重勾配複合材料のブレーキディスク又はブレーキドラムの断面模式図。

【図2】軽金属構造－機能性二重勾配複合材料ブレーキディスク又はブレーキドラムの実物写真。

【図3】複合材料摩擦層と軽金属との結合部位における斜面セラミックス骨格の模式図。

【図4】複合材料摩擦層と軽金属との結合部位における凸面セラミックス骨格の概略図。

【図5】複合材料摩擦層と軽金属との結合部位における凹面セラミックス骨格の概略図。

【図6】複合材料の摩擦面と軽金属との結合部における鋸歯面セラミックス骨格の概略図。

【図7】セラミックス骨格が軽金属基体内に延在する際のセラミックス骨格の穴が小さい状態から大きくなる模式図。

【図8】本発明のブレーキディスクを用いた地下鉄１：１ベンチテスト時の曲線。

【図9】本発明のブレーキディスクと鋳鋼ディスクを用いた１：１ベンチテストによるサイクルブレーキ時間の比較。

【図10】本発明のブレーキディスクと鋳鋼ディスクを用いた１：１ベンチテスト時の温度上昇の比較。

【図11】本発明のブレーキディスクと鋳鋼ディスクを用いた１：１ベンチテストによる摩擦係数の比較。

【図12】本発明のブレーキディスクと鋳鋼ディスクを用いた１：１ベンチテストによる６つの温度測定箇所の温度の比較。

【図13】本発明のブレーキディスクを用いた時速４００ｋｍ／ｈでの１：１ベンチテスト時の摩擦係数。

【図14】本発明のブレーキディスクを用いた時速４００ｋｍ／ｈでの１：１ベンチテストの前、磨き後及び試験後の写真。

【図15】本発明のブレーキディスクを用いた乗用車１：１ベンチテストのデータ。

【図16】本発明のブレーキディスクを用いた乗用車１：１ベンチテストの前及び試験後の写真。

【手続補正18】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２２

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0022】

図９から分かるように、同じ制動条件下で、本発明の制動盤（ａ）は鋳鋼制動盤（ｂ）より冷却時間が５０％近く少ない。
図１０から明らかなように、同じ制動条件で、本発明の制動盤（ａ）は鋳鋼制動盤（ｂ）より温度上昇が２０％低い。
図１１から分かるように、同じ制動条件で、本発明のブレーキディスク（ａ）の摩擦係数は、鋳鋼製ブレーキディスク（ｂ）より、より平滑である。
図１２から分かるように、同じ制動条件下で、本発明の制動盤（ａ）は鋳鋼制動盤（ｂ）より、６つの温度測定箇所の温度が低いだけでなく、より均一で、より規則的である。

【手続補正19】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１

【補正方法】変更

【補正の内容】

【図1】

【手続補正20】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図２

【補正方法】変更

【補正の内容】

【図2】

【手続補正21】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図３

【補正方法】変更

【補正の内容】

【図3】

【手続補正22】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図４

【補正方法】変更

【補正の内容】

【図4】

【手続補正23】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図５

【補正方法】変更

【補正の内容】

【図5】

【手続補正24】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図６

【補正方法】変更

【補正の内容】

【図6】

【手続補正25】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図７

【補正方法】変更

【補正の内容】

【図7】

【手続補正26】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図８

【補正方法】変更

【補正の内容】

【図8】

【手続補正27】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図９

【補正方法】変更

【補正の内容】

【図9】

【手続補正28】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１０

【補正方法】変更

【補正の内容】

【図10】

【手続補正29】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１１

【補正方法】変更

【補正の内容】

【図11】

【手続補正30】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１２

【補正方法】変更

【補正の内容】

【図12】

【手続補正31】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１３

【補正方法】変更

【補正の内容】

【図13】

【手続補正32】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１４

【補正方法】変更

【補正の内容】

【図14】

【手続補正33】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１５

【補正方法】変更

【補正の内容】

【図15】

【手続補正34】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１６

【補正方法】変更

【補正の内容】

【図16】

【国際調査報告】