CN103797085A - 摩擦材料 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的是获得一种摩擦材料：该摩擦材料不使用从在工作环境和健康方面立场来看不期望的晶须样填充剂作为增强剂；不包含在天然环境方面不利的铜元素；并且表现优异的除锈性能和摩擦材料强度，尤其是提高在高温区域中摩擦材料强度。本发明涉及一种摩擦材料，该摩擦材料包含生物可溶性无机纤维和至少一种钛酸盐化合物，该钛酸盐化合物的形状具有多个凸出部分。
Description
技术领域
本发明涉及一种具体来说用于汽车、轨道车辆、工业机械等的刹车片、制动衬片、离合器面片等的摩擦材料。
背景技术
用于诸如盘式制动器和鼓式制动器的制动器以及离合器等的摩擦材料由各种材料构成，例如用于发挥强化作用的纤维基底材料、用于提供摩擦作用并调节其摩擦性能的摩擦调节材料、以及用于整合这些组分的粘合剂。
然而，随着最近车辆的高性能和提速，制动器的作用变得越来越苛刻。此外，在朝向车辆重量减轻的发展中，变得需要尽可能快地提高摩擦材料的高温强度。
在常规摩擦材料中，为了提高其强度，已使用补强剂。然而，从工作环境和健康要求方面来说，已知使用非晶须样填充剂或生物可溶性无机纤维的技术。例如，专利文献1描述了一种摩擦材料，其含有非晶须样的钛酸盐化合物和生物可溶性无机纤维，并且专利文献2描述了一种摩擦材料，其中将生物可溶性无机纤维规定为具有特定含量和特定莫氏硬度。
例如，在JIS的塑料领域中，将本文中使用的填充剂描述为“为了改变塑料的强度、耐久性、工作特性或其他性能，或者为了降低成本而向塑料添加的相对惰性的固体材料”（引用自JIS K6900）。填充剂通常根据化学组成（例如氧化物、氢氧化物、碳酸盐、硫酸盐、硅酸盐、氮化物、碳、有机材料、钛酸盐化合物、各种金属粉等）、根据形状（例如纤维状、针状、板状、鳞状、球形、颗粒状等）或根据用途（例如填充用途、强化用途、导热性、减震、滑动能力、阻燃性等）进行分类。此外，在摩擦材料领域中，将填充剂用作纤维基底材料或摩擦调节材料。
另一方面，具有在不规则方向上延伸多个突起（凸出部分）的形状的无定形钛酸钾，已知作为具有摩擦材料补强性能的摩擦调节材料（例如，参见专利文献3）。
此外，目前，普通NAO（无石棉有机）摩擦材料含有高达20质量%的铜纤维或铜粉，这样的铜元素对于摩擦材料的强度增强和摩擦系数的提高是有效的，并且对于在400℃以上温度下维持摩擦系数、提高散热效率和耐磨性也是有效的。此外，与钢纤维不同，这具有增加对应材料（counterpart material）（圆盘式转子）的磨损体积的对应材料攻击小，并且不太可能出现锈的特点。然而，如专利文献4中所述，摩擦材料中包含的铜元素通过制动作为磨损粉末而被排放，并已指出其对自然环境的影响。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：JP2007-277418A
专利文献2：JP2009-91422A
专利文献3：WO2008/123046A1
专利文献4：JP2010-285558A
发明内容
本发明待解决的问题
专利文献1描述了即使在使用生物可溶性无机纤维时，也几乎无法抑制通过钛酸盐化合物获得的耐磨损性。然而，与使用晶须样填充剂的情况相比，使用板状或鳞状填充剂代替晶须样填充剂，存在着由摩擦材料在高温和高载荷下强度不足所造成的磨损、裂缝和碎裂增加，从而降低制动性能的可能性。具体来说，一直迫切需要在400℃以上的转子温度的高温区域中足够确保强度的摩擦材料。
此外，正如在专利文献2中所述，当使用生物可溶性无机纤维时，与使用生物不溶性无机纤维的情况相比，存在着在对应材料（圆盘式转子）除锈期间摩擦材料磨损加剧，导致除锈能力不良的问题。
因此，本发明的目的是考虑到工作环境和健康以及自然环境，提供一种在除锈能力和摩擦材料强度方面优异，尤其是在高温区域中的摩擦材料强度提高的摩擦材料。
解决问题的手段
本发明解决了上述问题并具有下列组成部分。
（1）一种摩擦材料，包含：至少一种钛酸盐化合物，该钛酸盐化合物的形状具有多个凸出部分；以及生物可溶性无机纤维。
（2）根据（1）的摩擦材料，其中，所述生物可溶性无机纤维含有二氧化硅（SiO2）、氧化镁（MgO）和氧化锶（SrO）中的至少一种作为所述生物可溶性无机纤维的化学组分。
（3）根据（1）或（2）的摩擦材料，其中，所述生物可溶性无机纤维的含量为0.5至25体积%。
（4）根据（1）至（3）任一项的摩擦材料，其中，所述至少一种钛酸盐化合物的含量为2至35体积%，所述钛酸盐化合物的形状具有多个凸出部分。
（5）根据（1）的摩擦材料，所述摩擦材料不含铜元素。
根据本发明，将用来代替板状或鳞状钛酸盐化合物的其形状具有多个凸出部分的钛酸盐化合物与生物可溶性无机纤维组合使用，从而显著提高在常规板状或鳞状钛酸盐化合物的情况下成为问题的摩擦材料强度，并且还充分提高在生物可溶性无机纤维的情况下成为问题的除锈能力。已发现，通过将两种组分组合，这些性能得到显著改进，从而产生本发明。关注的焦点在于在本发明中使用的其形状具有多个凸出部分的钛酸盐化合物的形状，与板状或鳞状钛酸盐化合物相比，由于其具有凸出部分的形状，在与对应材料（圆盘式转子）摩擦期间容易被捕获并固定于生物可溶性无机纤维的三维网状结构，使得不太可能脱落。结果，容易维持钛酸盐化合物本身的耐磨性。因此推测，与使用板状或鳞状钛酸盐化合物的常规摩擦材料相比，所述摩擦材料在对应材料（圆盘式转子）除锈期间磨损较小，从而提高了除锈能力。此外，具有本发明的特定形状的钛酸盐化合物如上所述不太可能脱落，因此认为，即使本发明的摩擦材料不含铜元素，摩擦材料强度在即使在如400℃以上的高温区域中也不降低，因此摩擦材料显示出耐磨性。当在本文中使用时，短语“不含铜元素”意味着不包含铜纤维、铜粉和含铜合金（例如黄铜或青铜）及其化合物作为摩擦材料的原材料。
本发明的有利效果
因此，根据本发明，不使用在工作环境和健康方面不利的晶须样填充剂作为摩擦材料的增强材料的情况下，获得在除锈能力和摩擦材料强度方面优异的摩擦材料。具体来说，可以获得优异的摩擦材料，其中可以提高在400℃以上的转子温度的高温区域中的摩擦材料强度，并且考虑到了工作环境和健康以及自然环境。
附图说明
图1是用于说明在本发明中使用的其形状具有多个凸出部分的钛酸盐化合物的投影图。
参考数字和符号描述
1…本发明的钛酸盐化合物
2…凸出部分
具体实施方式
本发明的摩擦材料的特征在于：含有其形状具有多个凸出部分的钛酸盐化合物；以及生物可溶性无机纤维。在下面详细描述本发明的摩擦材料。在本说明书中，“质量”还应该被认为意味着“重量”。
[摩擦调节材料]
（其形状具有多个凸出部分的钛酸盐化合物）
在本发明中，包含至少一种钛酸盐化合物，该钛酸盐化合物的形状具有多个凸出部分。本发明中的钛酸盐化合物意味着其颗粒的三维形状具有多个凸出部分。当在本文中使用时，“其形状具有多个凸出部分”意味着本发明的钛酸盐化合物投影到平面上的形状可以采取不同于普通多边形、圆形、椭圆形等的至少在两个以上方向上具有凸出部分的形状。具体来说，该凸出部分意味着与通过电子显微镜获取的照片（投影图）相当的从多边形、圆形、椭圆形等（基本图形）突出的部分。作为本发明的钛酸盐化合物1的投影图，例如，可以示例的是在图1中描述的投影图，并且凸出部分用参考数字2标出。本发明的钛酸盐化合物的具体三维形状包括飞去来器形、十字形、变形虫形、各种动物和植物的部位（例如，手、角、叶等）或其整体或类似形状、金平糖（Konpeito）形状等。
本发明的钛酸盐化合物的实例包括钛酸钾、钛酸钠、钛酸锂、钛酸钙、钛酸镁、钛酸钡、钛酸锶等，其可以单独地或作为其两种以上的组合使用。在其中，如果被用作摩擦材料中的掺混材料，六钛酸钾、八钛酸钾或六钛酸钠是优选的，因为从其更少洗脱出有时会引起构成摩擦材料基质的树脂（粘合材料）的降解的碱金属离子。
本发明的钛酸盐化合物的平均粒径优选地为1至50μm，更优选地为5至20μm。
其形状具有多个凸出部分的钛酸盐化合物是已知的无机摩擦调节材料，并且可以通过例如在WO2008/123046A1中描述的方法来获得。例如，本发明的具有特定形状的钛酸钾可以如下生产：将构成具有普通形状的钛酸钾的原子的氧化物、盐等通过Henschel混合机进行混合，然后在使用振动磨机进行机械化学粉碎的同时进行混合，从而形成具有高反应活性的混合物，然后将其烧成。
在全部摩擦材料中，本发明的具有多个凸出部分的钛酸盐化合物的含量优选地为2至35体积%，更优选地为10至20体积%。
含量为2体积%以上时，可以充分获得本发明的效果。此外，含量为35体积%以下时，能够获得足够的制动片压缩变形量和良好的振动特性。
（其他摩擦调节材料）
在本发明中使用的摩擦调节材料的实例包括例如：除上述钛酸钾之外的金属氧化物，例如氧化铝、二氧化硅、氧化镁、氧化锆、氧化铬、二氧化钼和硅酸锆；有机材料粉末例如合成橡胶和腰果树脂；金属例如铜、铝和锡；矿物质例如蛭石和云母；除本发明的钛酸盐化合物之外的板状、鳞状或粉末钛酸钾，硫酸钡、碳酸钙等，其可以单独地或作为其两种以上的组合使用。它们作为粉末等使用，并且可以多方面地选择粒径等。然而，如上所述，在本发明中，从考虑自然环境的观点来看，优选地不含铜元素。
在本发明中，在全部摩擦材料中，摩擦调节材料（包括本发明的具有多个凸出部分的钛酸盐化合物）的使用量通常为30至80体积%，优选地为60至80体积%。
[纤维基材]
（生物可溶性无机纤维）
在本发明中，使用生物可溶性无机纤维作为纤维基材。本发明中的生物可溶性无机纤维是特点为即使掺入到人体中时，也能在短时间内分解并从身体消除的无机纤维，并且意味着满足下列条件的无机纤维：化学组成中碱金属氧化物和碱土金属氧化物的总量（钠、钾、钙、镁和钡的氧化物总量）为18质量%以上，并且在呼吸道短期生物耐久性试验中，20μm以下的纤维的质量半衰期为10天以内，或者在短期生物耐久性试验中，在气管内注射时20μm以上的纤维的质量半衰期为40天以内，或者在腹膜内试验中不存在过度致癌性的证据，或者在长期呼吸道试验中没有涉及致病性或肿瘤的发生（EU指令97/69/EC的注释Q（从致癌性应用中排除））。
这样的生物可溶性无机纤维优选地含有SiO2、MgO和SrO中的至少一种作为其化学组成，且其具体实例包括生物可溶性陶瓷纤维例如SiO2-CaO-MgO系纤维、SiO2-CaO-MgO-Al2O3系纤维或SiO2-MgO-SrO系纤维，生物可溶性岩棉等。在本发明中，SiO2-MgO-SrO系的纤维是优选的，因为它具有与铝硅纤维等同的优异耐热性，并且还具有优异的生物可溶性和防水性。此外，这样的生物可溶性无机纤维将无机纤维原材料通过常用的熔体纺丝方法等形成纤维来生产。
对于生物可溶性陶瓷纤维例如SiO2-CaO-MgO系纤维、SiO2-CaO-MgO-Al2O3系纤维或SiO2-MgO-SrO系纤维，以及生物可溶性岩棉来说，可以使用可商购的ROCK WOOL RB220-Roxul1000（由Lapinus B.V.制造）、FINE FLEX-E BULK FIBER-T（由NichiasCorporation制造）、BIOSTAR BULK FIBER（由ITM Co.,Ltd.制造）等。
本发明的生物可溶性无机纤维优选地具有0.1至10μm的纤维直径和1至1000μm的纤维长度，更优选地具有0.2至6μm的纤维直径和10至850μm的纤维长度。在这些范围内，可以有效地表现出本发明的效果。此外，在本发明的生物可溶性无机纤维中，一般来说，在生产过程中产生未形成在纤维的丸粒（shot）（粒状物），并且这些丸粒包含在纤维中。本发明的生物可溶性无机纤维中的丸粒含量优选地为0.1至70%。也可以将本发明的生物可溶性无机纤维与丸粒分离，并将它们以任何比率掺混使用。
对生物可溶性无机纤维没有特别限制，只要在上述定义之内即可。此外，本发明的生物可溶性无机纤维可以在其表面上用硅烷偶联剂等进行表面处理。
以全部摩擦调节材料计，生物可溶性无机纤维的含量优选地为0.5至25体积%，更优选地为1至20体积%。在该范围内，可以获得足够良好的除锈性能和摩擦材料强度。
（其他纤维基材）
在本发明中，在不损害本发明的效果的范围内，可以一起使用其他纤维基材。可以在本发明中使用的纤维基材可以是有机或无机的。例如，有机纤维的实例包括芳香族聚酰胺（芳纶）纤维、聚丙烯酸纤维等，无机纤维的实例包括金属纤维例如铜或钢、钛酸钾纤维、Al2O3-SiO2系陶瓷纤维、玻璃纤维、碳纤维、岩棉等。它们单独地或作为其两种以上的组合使用。然而，在本发明中，如上所述，从考虑自然环境的观点来看，优选地不含铜元素例如铜纤维。
在本发明中，在全部摩擦材料中，纤维基材（包括生物可溶性无机纤维）的使用量通常为2至35体积%，优选地为9至28体积%。
[粘合材料]
在本发明中使用的粘合材料的实例包括热固性树脂例如酚树脂（包括直链酚树脂和用橡胶等改性的各种酚树脂）、密胺树脂、环氧树脂和聚酰亚胺树脂。
在本发明中，在全部摩擦材料中，粘合材料的使用量通常为10至30体积%，优选地为14至20体积%。
[摩擦材料的生产]
为了生产本发明的摩擦材料，它可以如下所述来生产：将上述各个组分掺混，将得到的掺混物通过常规制造方法进行预成型，然后进行处理例如热成形、加热和磨削等。
包括上述摩擦材料的刹车片可以通过如下所述来生产：在热成形步骤中，在预定温度和压力下对压板和上述摩擦材料的预成型体进行热成形以将两种部件一体地固定，然后进行后固化，最后执行精加工处理，其中所述压板用金属板冲压形成为预定形状，经历了去油脂处理和打底处理并用粘合剂涂层。
实施例
下面将通过实施例对本发明进行具体描述。然而，本发明不应仅限于这些实施例。
实施例1至9
通过将具有表1中示出的组分（体积%）的摩擦材料的掺混成分在混合机中均匀混合，获得摩擦材料混合物。随后，将摩擦材料混合物在室温和6MPa的压力下预成型，然后在140至170℃的温度和30至80MPa的成形表面压力下进行5分钟的热压成形，然后在150至300℃的温度和980至7840N的紧固力下热处理1至4小时，由此获得摩擦材料。将得到的摩擦材料进行下述评价。
1）除锈性能
通过如下所示的程序进行评价。
（a）将5质量%的盐水溶液喷洒在圆盘式转子上。
（b）按照JIS D4419，使上述（a）的圆盘式转子在维持在50℃±1℃的温度和95±1%的湿度下的温度湿度控制炉中静置3小时15分钟，然后在70±1℃和15±1%的湿度条件下干燥2小时30分钟。
（c）重复上面（b）的操作直至锈厚度变为70μm。
（d）按照JASO C427，将上面（c）的带有锈的转子在摩擦条件下制动。
（e）通过在制动次数的第100次制动时的锈去除率，评价除锈性能。
对于如上所述测量的除锈性能来说，将90%以上评价为A，将80%以上并小于90%评价为B，将70%以上并小于80%评价为C，并且小于70%评价为D。
2）400℃下的摩擦材料磨损性质：按照JASO C427，使用电动试验机（dynamo tester）进行400℃下的磨损测试。
对于如上所述测量的400℃下的摩擦材料磨损量（单位：mm）来说，将小于1.0评价为A，将1.0以上并小于1.5评价为B，将1.5以上并小于2.0评价为C，并且将2以上评价为D。
3）400℃下的剪切强度：制备上述摩擦材料的测试块（30x10x厚度4.8mm），并按照JIS D4422进行测量。
对于如上所述测量的400℃下的剪切强度（单位：kN）来说，将2.0以上评价为A，将1.5以上并小于2.0评价为B，将1.0以上并小于1.5评价为C，并且小于1.0评价为D。
4）工作环境性质：当考虑摩擦材料生产对工人身体内部的影响时，无机纤维也期望是生物可溶的。此外，更优选地，进一步使用非晶须样摩擦调节材料。将对身体内部具有很小影响的掺混材料用作纤维基材和摩擦调节材料两者的情况评价为A，用作纤维基材或摩擦调节材料中的任一种的情况评价为C。
比较例1至3和参考例1
比较例1至3和参考例1的摩擦材料以与实施例2中相同的方式获得，区别在于使用生物不溶性无机纤维和/或板状钛酸钾代替实施例2中使用的生物可溶性无机纤维和钛酸钾。在参考例1中，使用铜纤维和板状钛酸钾代替生物可溶性无机纤维和钛酸钾，其对应于含有铜纤维的常规普通摩擦材料。
其结果在表1至3中一并示出。
[表1]
*1：其形状具有多个凸出部分的钛酸钾
[表2]
*1：其形状具有多个凸出部分的钛酸钾
[表3]
*1：其形状具有多个凸出部分的钛酸钾
在表中，“钛酸钾”是本发明的具有10μm的平均粒径和具有多个凸出部分的形状的钛酸钾（由Otsuka Chemical Co.,Ltd.制造的“TERRACESS JP”），“板状钛酸钾”是具有10μm的平均粒径的板状颗粒（由Kubota Corporation制造的“TXAX-MA”），并且与本发明的钛酸钾不同。此外，在表中，生物可溶性纤维是丸粒含量为60%的SiO2-MgO-SrO系生物可溶性纤维（由ITM Co.,Ltd.制造的Biostar200/50），并且生物不溶性纤维是由Shin-Nippon Thermal CeramicsCorporation制造的CERAMIC FIBER SC BULK1400。
从上述结果发现，本发明的摩擦材料（实施例1至9）与比较例1至3相比，在除锈性能、耐磨损性和工作环境和健康所有方面提供了优异结果。具体来说，从表3的结果发现，尽管在使用板状钛酸钾的情况下，当使用生物可溶性或生物不溶性无机纤维时（比较例1和3）在高温区域中摩擦材料强度降低，但在使用本发明的钛酸钾的情况下，通过使用生物可溶性无机纤维，在高温区域中的摩擦材料强度反而提高。然后，从与参考例1的比较发现，本发明的摩擦材料（实施例1至9）尽管不含铜元素，但在除锈性能、耐磨损性和工作环境和健康所有方面提供了与含有常规铜元素的常规摩擦材料等同的优异结果。
因此，根据本发明，通过使用具有包含多个凸出部分的形状的钛酸盐化合物，并且尽管使用生物可溶性无机纤维，也可以获得具有良好的除锈性能并具有耐磨损性和高温区域中的摩擦材料强度的优异的摩擦材料。
尽管已经参考具体实施方式对本发明进行了描述，但对于本领域技术人员来说，显然可以在不背离本发明的精神和范围的情况下在其中做出各种改变和修改。本申请是基于2011年9月14日提交的日本专利申请No.2011-201072和2012年7月17日提交的日本专利申请No.2012-158743，其内容通过引用并入本文。
Claims (5)
1.一种摩擦材料，包含：至少一种钛酸盐化合物，该钛酸盐化合物的形状具有多个凸出部分；以及生物可溶性无机纤维。
2.根据权利要求1所述的摩擦材料，其中，所述生物可溶性无机纤维含有二氧化硅（SiO2）、氧化镁（MgO）和氧化锶（SrO）中的至少一种作为所述生物可溶性无机纤维的化学组分。
3.根据权利要求1或2所述的摩擦材料，其中，所述生物可溶性无机纤维的含量为0.5至25体积%。
4.根据权利要求1至3任一项所述的摩擦材料，其中，所述至少一种钛酸盐化合物的含量为2至35体积%，所述钛酸盐化合物的形状具有多个凸出部分。
5.根据权利要求1所述的摩擦材料，所述摩擦材料不包含铜元素。
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