CN110832049B - 烧结摩擦材料以及烧结摩擦材料的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的是提供一种在高速范围具有足够的摩擦系数以及耐磨损性，且轻质化的烧结摩擦材料，该烧结摩擦材料作为环境友好摩擦材料，不含有铜成分或铜成分含量在一定量以下。本发明涉及的烧结摩擦材料的铜成分的含量在0.5质量％以下，并含有钛酸盐作为基质，还含有陶瓷材料以及润滑材料。
Description
技术领域
本发明涉及烧结摩擦材料以及烧结摩擦材料的制造方法。
背景技术
近年来，了解到对于含有铜成分在内的摩擦材料，在制动时生成的磨损粉末包含有铜，有可能成为河流、湖泊、海洋污染等的原因。因此，对含有铜成分在内的摩擦材料的使用进行限制的趋势变高，寻求即使环境负担高的铜成分的含量少，摩擦作用也优异的摩擦材料。
例如，在专利文献1中公开有一种烧结摩擦材料，其将还原铁粉和铸铁粉组合作为铜的代替材料来用作基质。
在专利文献2中公开有含有球状的碱金属钛酸盐粉末的复合材料。
在专利文献3中，公开有能够应用于摩擦材料的复合钛化合物粉末，该摩擦材料构成汽车等的制动装置。
在专利文献4中公开有一种含有石墨的摩擦材料，该摩擦材料将从由氧化物陶瓷和氮化物陶瓷构成的组中选择的至少一种材料作为基质。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第5405725号公报
专利文献2：日本专利第3492397号公报
专利文献3：日本特开2000-178026号公报
专利文献4：日本专利第6061592号公报
发明内容
发明欲解决的技术问题
在专利文献1中记载的技术所使用的铁具有与铜的熔点相近等相似性，所以活用作无铜烧结摩擦材料的基质的可能性大，但是含有一定量以上的铁的摩擦材料在重量方面存在改善的余地。另外，在初速度300km/h左右的速度范围中，仅用铁作为基质的铁基烧结摩擦材料的性能与铜基烧结摩擦材料相比会变得相当低。
另外，专利文献2记载的包含球状碱金属钛酸盐粉末的复合材料是将基质设为热塑性树脂或热固性树脂的复合材料。也就是说，关于将球状碱金属钛酸盐粉末作为基质的摩擦材料，在专利文献2中未提及也未给出任何启示，当然地，也未进行作为摩擦材料的评价。
另外，在专利文献3中记载有包含复合钛化合物粉末的制动垫片，但是该制动垫片是将酚醛树脂作为基质的有机系摩擦材料，从耐热性的观点来看，平均摩擦系数存在改善的余地。
而且，在专利文献4记载的摩擦材料中，研究了初速度50km/h时的磨损量，但是对这之上的高速度范围时的平均摩擦系数、垫片磨损量并未进行研究。
本发明是鉴于上述现有的情况而完成的，目的是提供轻质化的烧结摩擦材料，该烧结摩擦材料作为环境友好摩擦材料不含有铜成分、或铜成分含量在一定量以下，并在高速度范围内具有足够的摩擦系数以及耐磨损性。
用于解决问题的技术手段
本发明人不断地认真研究，发现通过将钛酸盐作为烧结摩擦材料的基质，能够解决上述问题，从而完成本发明。
也就是说，本发明涉及下述<1>～<7>。
<1>一种烧结摩擦材料，其中，铜成分的含量在0.5质量％以下，并含有钛酸盐作为基质，还含有陶瓷材料以及润滑材料。
<2>如<1>所述的烧结摩擦材料，所述钛酸盐含有从由碱金属钛酸盐、碱土金属钛酸盐以及钛酸复盐构成的组中选择的至少一种盐。
<3>如<1>或<2>所述的烧结摩擦材料，所述钛酸盐含有从由钛酸钾、钛酸锂钾以及钛酸镁钾构成的组中选择的至少一种盐。
<4>如<1>～<3>中任一项所述的烧结摩擦材料，含有10～60体积％的所述钛酸盐。
<5>如<1>～<4>中任一项所述的烧结摩擦材料，还含有铜以外的金属材料。
<6>如<1>～<5>中任一项所述的烧结摩擦材料，其中，所述烧结摩擦材料的密度为2.3～4.0g/cm3。
<7>一种烧结摩擦材料的制造方法，具有：使包含构成基质的钛酸盐在内的原材料混合的工序；对所述原材料进行成形的工序；以及将已利用所述进行成形的工序成形的成形体烧结的工序，所述烧结的工序中的烧结温度为900～1300℃。
发明效果
根据本发明，能够提供一种轻质化的烧结摩擦材料，对环境友好，且在高速度范围时具有足够的摩擦系数以及耐磨损性。
具体实施方式
下文对本发明进行详细说明，但下文内容仅表示优选实施方式的一例，本发明并不被这些内容限定。
需要说明的是，在本说明书中，“质量”与“重量”是相同含义。
[烧结摩擦材料的构成]
本发明所涉及的烧结摩擦材料的特征在于，铜成分的含量为0.5质量％以下，且含有钛酸盐作为基质，还含有陶瓷材料以及润滑材料。
<基质>
在本说明书中，“基质”意味着成为摩擦材料的主骨架的材料。在摩擦材料中，成为基质的成分的含量根据该成分的种类而不同，在将钛酸盐作为基质的情况下，钛酸盐的含量优选为10％体积以上，更优选为12体积％以上，进一步优选为15体积％以上。
通过将钛酸盐的含量控制在10体积％以上，从而在将包含钛酸盐在内的原材料成形、烧结时，能够使该钛酸盐自身被烧结，形成摩擦材料的骨架。
另外，钛酸盐的含量优选为60体积％以下，更优选为58体积％以下，进一步优选为55体积％以下。
通过将钛酸盐的含量控制在60体积％以下，从而能够含有足够的磨料、润滑材料等作为摩擦材料所需要的其他成分。
需要说明的是，例如，在将树脂作为基质的摩擦材料包含钛酸盐作为填充材料的情况下，由于该摩擦材料在制造时的加热温度低，所以钛酸盐以作为原材料混合的形状的状态留存在摩擦材料内。该情况下的钛酸盐与将钛酸盐作为基质的本发明所涉及的烧结摩擦材料中的钛酸盐利用SEM(扫描电子显微镜)观察等能够明确地区分。在本发明所涉及的烧结摩擦材料中，以钛酸盐自身烧结的状态形成基质。
钛酸盐是具有高耐磨损性的化合物，有助于提高摩擦材料的耐磨损性等。
另外，由于钛酸盐与铁等金属相比密度低，所以与仅用铁作为基质的铁基烧结摩擦材料相比，将钛酸盐作为基质的摩擦材料能够降低其密度，实现轻质化。
作为本发明使用的钛酸盐，从耐热性以及耐磨损性的观点出发，优选碱金属钛酸盐、碱土金属钛酸盐、钛酸复盐等，作为具体例可以举出：钛酸钾、钛酸锂、钛酸锂钾、钛酸钠、钛酸钙、钛酸镁、钛酸镁钾、钛酸钡等。
另外，考虑到作业环境卫生，优选使用球状、板状、鳞片状、柱状等非所谓晶须(纤维)状的形状的钛酸盐。
其中，本发明所使用的钛酸盐从提升耐热性、耐磨损性的观点出发，优选为含有从钛酸钾、钛酸锂钾以及钛酸镁钾中选择的至少一种钛酸盐。
<陶瓷材料>
本发明所涉及的烧结摩擦材料含有陶瓷材料。当含有陶瓷材料时，陶瓷材料用作磨料，从而使本发明所涉及的烧结摩擦材料获得期望的摩擦系数。
本发明所涉及的烧结摩擦材料整体中的陶瓷材料的含量从研磨性与配对材料攻击性的平衡的观点出发，优选为5～25体积％。
作为陶瓷材料，例如可以举出：氧化镁、氧化铝、二氧化硅、氧化锆、硅酸锆、氧化铬、四氧化三铁(Fe3O4)、亚铬酸盐等用作摩擦材料的磨料的材料，或者氧化铝纤维等陶瓷纤维等。对于陶瓷纤维，考虑到作业环境卫生，优选使用生物降解性的材料。这些材料分别单独或两种以上组合使用。
这些材料中，从研磨性与配对材料攻击性的平衡的观点出发，优选氧化镁、氧化铝。
<润滑材料>
本发明所涉及的烧结摩擦材料含有润滑材料。通过含有润滑材料，从而能够防止烧结摩擦材料与配对材料的烧熔，并能够提升烧结摩擦材料的寿命(耐磨损性)。
从耐磨损性的观点出发，本发明所涉及烧结摩擦材料整体中的润滑材料的含量优选为33～35体积％。
作为润滑材料，例如可以举出人造石墨、天然石墨、焦炭、三硫化锑、二硫化钼、硫化锡，硫化铁、硫化锌等。这些材料分别单独或两种以上组合使用。
从烧结性以及耐磨损性的观点出发，这些材料中优选人造石墨、天然石墨。
<金属材料>
本发明所涉及的烧结摩擦材料还可以含有铜以外的金属材料。通过含有铜以外的金属材料，从而能够增强基质。
需要说明的是，从减轻环境负担的观点出发，本发明所涉及的烧结摩擦材料整体中的铜成分的含量为0.5质量％以下，优选为不含有铜成分。
从增强基质的观点出发，本发明所涉及的烧结摩擦材料整体中的铜以外的金属材料的含量优选为5～10体积％。
作为铜以外的金属材料，例如可以举出钛、铝、硅、锌、铁、锡、铁铝金属间化合物等。这些材料分别单独或两种以上组合使用。这些材料可以使用粉末状、纤维状等任一种形状。
从增强基质的观点出发，这些材料中优选粉末状的铁(铁粉)。
<密度>
本发明所涉及的烧结摩擦材料通过将基质设为钛酸盐，从而与仅将铜、铁等金属作为基质的烧结摩擦材料相比能够使密度减小。本发明所涉及的烧结摩擦材料的密度优选为2.3～4.0g/cm3。
当烧结摩擦材料的密度小于2.3g/cm3时，存在烧结摩擦材料的气孔率上升，强度下降的倾向，当密度大于4.0g/cm3时，存在烧结摩擦材料的硬度上升，摩擦系数下降的倾向。
此外，烧结摩擦材料的密度可以通过由其尺寸求出体积，并进行重量测量而算出，从而测定。
[烧结摩擦材料的制造方法]
本发明所涉及的烧结摩擦材料可以通过如下工序制造：将包含构成基质的钛酸盐在内的原材料混合的工序；对所述原材料进行成形的工序；以及将已利用所述进行成形的工序成形的成形体烧结的工序。
作为在原材料的混合工序中使用的混合方法，只要原材料被均匀地混合，并不特别限制，可以利用公知的方法。具体而言，可以利用湿式混合方法，在原材料中添加适量的有机溶剂，使用旋转混合机等使得这些原材料均匀地分散。
接着进行使已利用上述工序得到的烧结摩擦材料的原材料成形的工序。在成形的工序中，可以适当使用：单轴加压成形、CIP成形(冷等静压成形)等干式成形法；注塑成形、挤出成形等塑性成形法；泥浆铸造、压力铸造、旋转铸造等铸造成形法；刮刀法等带成形法；冷压等。上述成形方法可以单独使用也可以两种以上组合使用。
从成形性的观点出发，成形的工序中的成形表面压力优选为300～900MPa。
在将已利用上述工序成形的成形体烧结的工序中，可以利用大气压烧结法、反应烧结法、常压烧结法、热等离子体烧结法等进行烧结。烧结的工序中的烧结温度以及在烧结温度的保持时间可以根据成为基质的钛酸盐的种类、含量等而适当设定。
在本发明中，烧结的工序中的烧结温度为900～1300℃，优选为950～1250℃，更优选为1000～1200℃。
当烧结温度比900℃低时，基质会变得脆弱，当烧结温度比1300℃高时，原材料可能会开始熔融。
烧结温度的保持时间根据成为基质的钛酸盐的种类、含量等而不同，从烧结性的观点出发，优选为30～180分钟。
另外，优选为在烧结工序中一边对成形体加压一边进行烧结。从烧结性的观点出发，烧结的工序中的烧结表面压力优选为1～18MPa。
需要说明的是，根据成为基质的钛酸盐的种类、添加的原材料的种类，烧结可以在大气中、氮气、氩气等惰性气体中进行，也可以在如一氧化碳气体、氢气等还原性气体中进行。另外，烧结也可以在真空中进行。
根据需要对经上述工序而得到的烧结体进行切割、研磨、抛光等处理，从而制造本发明所涉及的烧结摩擦材料。
实施例
下文举出实施例对本发明进行了具体的说明，但是本发明并不被这些实施例限定。
<实施例1～11、比较例1>
使用混合机将表1所示的配合组成的烧结摩擦材料的原材料混合。
接着，以成形表面压力900MPa通过冷压使已得到的原材料混合物成形。
将已得到的成形物投入石墨并用热压法烧结，得到实施例1～11以及比较例1的烧结摩擦材料。烧结条件如表1。
(密度)
通过由其尺寸求出体积，并测量重量，从而测定已得到的烧结摩擦材料的密度。
表1示出结果。
(摩擦试验)
由已得到的烧结摩擦材料制作试验片，使用Akebono Engineering Inc.制摩擦分析仪摩擦试验设备，以下述试验条件实施摩擦试验。
盘有效半径：179mm
摩擦材料面积：7cm2
惯性：8kg·m2
按压力：0.5MPa
圆周速度：33m/sec(相当于初速度170km/h)或者58m/sec(相当于初速度300km/h)。
以上述条件，测定烧结摩擦材料的平均摩擦系数(μ)以及磨损量。
表1示出结果。
实施例1～11的烧结摩擦材料的密度比比较例1的铁基烧结摩擦材料小，重量轻，平均摩擦系数高，磨损量少。
虽然详细且参照特定的实施方式对本发明进行了说明，但是本领域技术人员显然可以在不超出本发明的精神和范围的前提下施加各种变更或修正。本申请基于2017年6月27日申请的日本专利申请(特愿2017-125099)，其内容作为参照并入此处。
产业上的可利用性
本发明所涉及的烧结摩擦材料由于不含有铜成分或仅含有一定量以下的铜成分，所以是环境负担低的摩擦材料。另外，本发明所涉及的烧结摩擦材料与仅用铁制作基质的铁基烧结摩擦材料相比重量轻，在高速范围内具有优异的摩擦系数以及耐磨损性。
本发明所涉及的烧结摩擦材料可以用于乘用车、商用车、摩托车、铁路等全部的运输设备或工业机械等的制动。
Claims (9)
1.一种烧结摩擦材料，其特征在于，铜成分的含量在0.5质量％以下，并含有钛酸盐作为基质，还含有陶瓷材料以及润滑材料，
所述烧结摩擦材料在900～1300℃的烧结温度中烧结而成。
2.如权利要求1所述的烧结摩擦材料，所述钛酸盐含有从由碱金属钛酸盐、碱土金属钛酸盐以及钛酸复盐构成的组中选择的至少一种盐。
3.如权利要求1所述的烧结摩擦材料，所述钛酸盐含有从由钛酸钾、钛酸锂钾以及钛酸镁钾构成的组中选择的至少一种盐。
4.如权利要求1～3中任一项所述的烧结摩擦材料，含有10～60体积％的所述钛酸盐。
5.如权利要求1～3中任一项所述的烧结摩擦材料，还含有铜以外的金属材料。
6.如权利要求4所述的烧结摩擦材料，还含有铜以外的金属材料。
7.如权利要求1～3中任一项所述的烧结摩擦材料，其中，所述烧结摩擦材料的密度为2.3～4.0g/cm3。
8.如权利要求4所述的烧结摩擦材料，其中，所述烧结摩擦材料的密度为2.3～4.0g/cm3。
9.一种烧结摩擦材料的制造方法，具有：
使包含构成基质的钛酸盐在内的原材料混合的工序；
将所述原材料成形的工序；以及
将利用所述成形的工序成形的成形体烧结的工序，
所述烧结的工序中的烧结温度为900～1300℃。
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