JP2000345142A

JP2000345142A - 摩擦材

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Publication number: JP2000345142A
Application number: JP2000097634A
Authority: JP
Inventors: Katsuya Okayama; 勝弥岡山; Yukinori Yamashita; 幸典山下; Hiroyuki Fujikawa; 裕之藤川
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1999-04-02
Filing date: 2000-03-31
Publication date: 2000-12-12
Anticipated expiration: 2020-03-31
Also published as: JP4055326B2

Abstract

(57)【要約】【課題】アルミニウム合金製のディスクローターやド
ラムへのスコアリングの発生を抑制し、さらには発生す
る熱履歴前後の摩擦係数変化を対策する。【解決手段】硬質材によつて補強された主としてアル
ミニウム合金から成るローターやドラム等の相手材とし
て用いられる摩擦材であって、有機の繊維基材と、バイ
ンダー樹脂、摩擦調整剤、充填剤、無機粉末の他に、無
機繊維と粒径が１〜１８０μｍの金属粉末を添加する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、鉄道、トラック、
乗用自動車等に使用される回転する物体を停止するため
のブレーキ及びクラッチ等に用いられる摩擦材に関す
る。特に摩擦の相手材は硬質材によって補強されたアル
ミニウム合金を用いるものに適する。

【０００２】

【従来の技術】自動車等のブレーキのローターやドラム
の材質は、主としてＦＣ２０〜３０の鋳鉄が用いられて
いたが、自動車の軽量化による低燃費を達成するため、
硬質材によって補強されたアルミニウム合金が採用され
るようになって来た。相手材の摩擦材も人体への安全性
に関わる環境問題から、石綿を使用しない非石綿系摩擦
材へ移行しつゝある。

【０００３】ローターは、単に軽量であるばかりでなく
優れた耐熱性、耐摩耗性が要求される。そのためロータ
ーの製造には、アルミニウム合金中に炭化ケイ素（Ｓｉ
Ｃ）、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、酸化ケイ素（Ｓｉ
Ｏ₂）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）や酸化マグネシウ
ム（ＭｇＯ）等のセラミックスから成る硬質材を配合し
た溶湯で鋳造したり、アルミ箔と炭素繊維プリプレグを
交互に積層してホットプレスで成形する等の方法があっ
た。しかし、後者の方法は製造工程が複雑で不経済であ
るため、近年は前者が主流となっている。

【０００４】一方、非石綿系摩擦材の繊維基材として
は、耐熱性の有機繊維、ガラス繊維、金属繊維等が、結
合材としてはフェノール樹脂が、充填剤としては黒鉛、
硫酸バリウム、炭酸カルシウム等が用いられている。摩
擦材は、ブレーキの制動時に回転するローターとの摩擦
により回転を制御することになるから、氷点下から数百
度におよぶ広い温度範囲で、ローターとの摺接面におけ
る摩擦係数が安定して高く、且つ、適切な耐摩耗性を有
していなければならない。

【０００５】特開平６−２２８５３９号公報には、硬質
材によって補強されたアルミニウム合金から成るロータ
ーと非石綿系摩擦材の組合せが提案されている。アルミ
ニウム合金製のローターの補強材である硬質材には、一
般的にモース硬度６以上のものが多く、摩擦材側にもモ
ース硬度６以上の硬質無機材料を配合するのが好ましい
と説明している。

【０００６】そして、摩擦材側の硬質無機材料はモース
硬度８以上がより好ましく、添加量は、０．１〜３０体
積％、形態は、粉末なら粒径０．２〜２５０μｍ、繊維
なら直径０．１〜１０μｍ、長さ１μｍ〜５ｍｍが好
ましいとしている。さらに、硬質無機材料としては、炭
化ケイ素（ＳｉＣ）等の金属炭化物、アルミナ（Ａｌ ₂
Ｏ₃）、酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）、酸化ジルコニウム（Ｚ
ｒＯ₂）や酸化マグネシウム（ＭｇＯ）等によるセラミ
ックス材の他、これらの二成分以上から成るセラミック
ス材、各種金属間化合物やニッケル−クロム合金等の硬
質金属を例示している。この様なローターと摩擦材を組
合せた従来技術は、優れた効き及び耐摩耗性を発揮する
と共に対面（摩擦材の接するローター面）攻撃性に優れ
た効果が得られると説明している。

【０００７】また、特表平８−５１０００３号公報で
は、アルミニウム合金複合ローターに対する摩擦材とし
て、一般に用いられる非石綿摩擦材料に加えて多孔質銅
粉を用いると、ローター表面に艶なる形成物が出来、こ
の形成物により摩擦特性が安定するとしている。この形
成物は、主として有機配合物の皮膜であるが、多孔質銅
粉により、その皮膜形成が助長されるとの記載がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】即ち、ローターと摩擦
材の摺り合せが進むにつれ、摩擦材に含まれるあらゆる
摩耗微粉末は、制動熱によってローター表面にフィルム
状に移着する。このローター表面に移着した皮膜は、摩
擦材中の硬質無機材料によって研削され、ローター表面
にアルミニウム素地のむき出し部分をつくる。このロー
ターのむき出し部分となじみの良い摩擦材中の金属原料
（この従来技術では黄銅繊維）が接触し、摩擦熱で局部
的な温度上昇（ヒートスポット）が起きる。

【０００９】そのヒートスポットにより、ローターが局
部的に軟化しアルミニウム合金と摩擦材中の金属原料と
が焼付いて、スコアリングと呼ばれるリング状の大きな
溝が摩擦面上に発生する。そのため、ローター及び摩擦
材自身の異常摩耗を誘引し、さらにはブレーキ振動の発
生や摩擦係数の低下を引き起こす。

【００１０】さらには、前記特表平８−５１０００３号
公報にある艶と称されるローター上の表面に生成する皮
膜は、過酷な摩擦を繰り返し行うことにより起こる摩擦
力の低下の起因となっていることがわかり、この皮膜は
厚く成長させない工夫が必要である。

【００１１】

【課題を解決するための手段】硬質材によつて補強され
た主としてアルミニウム合金から成るローターやドラム
等の相手材として用いられる摩擦材として、有機の繊維
基材と、バインダー樹脂、摩擦調整剤、充填剤、無機粉
末の他に、金属繊維を用いず、無機繊維と、粒径が１〜
１８０μｍの金属粉末を添加する。金属粉末が１μｍ未
満では、原料製造工程が複雑となり不経済である。１８
０μｍを超えると、後述する金属繊維を添加した場合と
同様の好ましくない現象を引き起こす。

【００１２】ここで用いる無機繊維は、金属繊維の代わ
りに摩擦材の強度を保持する基材としての役割はもとよ
り、ローターに形成される皮膜を押さえる役割をもつた
め、無機繊維自身が摩擦熱により軟化するものでは好ま
しくなく、無機繊維自身の軟化点が８５０℃以下のもの
は好ましくない。摩擦熱は摩擦材表面を平均的に昇温す
るものではなく、一時的に急激なヒートスポットを与え
ることがある。従って、摩擦の相手材であるアルミニウ
ム合金の溶融点より遙かに高温の温度が要求されるの
は、このヒートスポットを考慮して用いる必要があるか
らである。

【００１３】そして、この無機繊維の硬さは、硬すぎる
とローター表面自身を削ることになり、柔らかすぎれば
ローター表面の皮膜を取り除けず、モース硬度で３〜５
の範囲が好ましい。モース硬度３〜５であり、且つ８５
０℃以下に軟化点をもたない無機繊維として特にチタン
酸カリウム繊維又はスラグウールが推奨される。

【００１４】前記金属粉末の粒径は、２０〜４５μｍで
あればより好ましく、後述する効果が充分に発揮される
と共に、配合時の作業性、原料価格等についても優位で
ある。また、前記金属粉末の添加量は、摩擦材原料の１
〜２０体積％の範囲が好ましい。そして、前記金属粉末
の材質は、銅、鉄、またはアルミニウムから選ばれる１
種以上若しくはその合金からなることが望ましい。

【００１５】摩擦材全体としては、アラミド繊維等の有
機繊維基材を５〜２０体積％、バインダー樹脂が１３〜
２５体積％、そして無機繊維を５〜２５体積％、粒径が
１〜１８０μｍの金属粉末を１〜２０体積％、摩擦調整
剤には、黒鉛、二硫化モリブデン、カシュウダスト等を
１０〜４０体積％、充填剤は硫酸バリウム、炭酸カルシ
ウム、水酸化カルシウム等を２〜３０体積％、無機粉末
は珪酸ジルコニウム、マイカ等を２〜３０体積％使用す
る。これらは摩擦材の用途や要求性能に応じて量を調整
する。

【００１６】

【発明の実施の形態】ローター表面に生成されるスコア
リング現象を詳細に観察すると、制動中の摩擦材の摩耗
微粉末がローター表面に移着して形成されたフィルム状
の皮膜が、比較的モース硬度の高い摩擦材中の無機材料
によって研削され、部分的にアルミニウム素地が現れ
る。そこに摩擦材中の金属繊維が摺接することでヒート
スポットができ、局部的に焼付いた個所を起点にこの金
属繊維が破断するまで引きずられてスコアリングの生成
することが判った。

【００１７】そこで摩擦材の形状補強材であると同時
に、摩擦係数調整機能も兼ねた充填剤の分散収納骨格で
ある繊維基材から金属繊維を除き、金属原料の形態を繊
維から粉末に変更すれば、硬質の無機材料によって露出
してくるアルミニウム素地と摺接しても、個々の金属粉
末は摺接のとき脱落し易く持続して局部的にローターを
攻撃しない。従来の金属繊維による骨格形成は有機繊維
で充分であり、金属繊維は金属粉末に置換し制動熱の放
熱に必要な範囲で添加する。そして、金属粉末は熱伝導
率がよいから、ヒートスポットに到達する前に制動熱を
分散、或いは空気中に放出するため、スコアリング現象
を抑制することができる。

【００１８】用いる金属粉は銅、鉄及びアルミニウムか
ら選ばれる１種以上を用いるのが好ましく、硬すぎると
摩擦相手材への攻撃作用を引き起こし、柔らかであると
同時に熱伝導性がよく、ヒートスポットを発生する前に
摩擦熱を分散させる作用が要求される。

【００１９】金属繊維を金属粉に置き換えることによ
り、ヒートスポットの発生を抑える。しかし、過酷な摩
擦を繰り返しているうちに皮膜が厚みを増す。この皮膜
はローター表面より柔らかであり、皮膜が薄い段階では
影響が少ないが、厚く成長すると摩擦力の低下を引き起
こすことがわかった。

【００２０】こうした皮膜を除去するには硬質の物質で
掻き落とすのが適当であるが、金属繊維では前記したよ
うに問題がある。粉末では掻き落とすと同時に粉末自身
が掻き落とされる。従って繊維状であり、且つヒートス
ポットを発生させない無機繊維を用いるのが妥当であ
る。無機繊維は、摩擦材の摺接面において、一部が摩擦
に関係するが残りの部分は、摩擦材中に存在するので、
掻き落とされず効果が継続する。同時に無機繊維自身が
硬すぎると皮膜を削り取り、さらにローターも攻撃する
ことになる。従って硬い無機繊維を用いる場合は少量使
用するのが好ましいが、局所的に効果を発生することに
よる副作用を発生させる可能性があり、好ましくはモー
ス硬度が３〜５の範囲にある無機繊維を使用するのが良
い。この硬さの無機繊維は、多く使用してもローターを
攻撃せず、多く用いることで摩擦材摺接面に全面的に存
在するため、均一な摩擦界面を維持できる。

【００２１】以下実施例により、その効果を説明する。
摩擦材配合中に、無機繊維と粒径１〜１８０μｍの金属
粉末を含む配合原料は、後に示す表１または３の実験例
のいずれかの配合表に従って調合し、図１に示す製造工
程に従ってディスクブレーキパッドとして成形してい
る。

【００２２】最初のＡ工程で、下型１００の上にディス
クブレーキパッド１の裏板２を置き、摩擦材３の形状に
合致したキャビティを有するダイ１０１をセットする。
そして、キャビティの空所にバインダーを含む配合原料
３００を充填し、Ｂ工程で、上型１０２を矢印方向に上
パンチ１０３と共に２９．４ＭＰａで加圧しながら、配
合原料３中のバインダーが硬化反応する１５０℃前後の
温度で１０分程度熱成形する。その後、上型１０２と下
型１００を開放し、熱成形されたディスクブレーキパッ
ド１を取り出して、Ｃ工程で、雰囲気温度２２５℃前後
の熱硬化炉１０４内に５〜８時間放置し未反応部分を硬
化させる。最後のＤ工程で、ローターとの摺接面３ａを
所定の寸法に研磨すればディスクブレーキパッド１が完
成する。

【００２３】次に、摩擦材３とローター４の摩擦係数、
摩耗とスコアリングの発生を評価する試験機１０の構造
を図２に示す。１１は、大きな慣性モーメントを有する
回転台であり、下方のモータ１２により強制的に回転さ
れる。回転台の上面には、図１の製造工程にて成形さ
れ、所定寸法に加工された摩擦材３がセットされる。一
方、非回転の固定台１３は、中央の角軸部１６に係合し
てローター４が取付けボルト１７にて固定されている。
上部のアクチュエータ１４によって、トルクセンサ１５
を介して、摩擦材３への押付け力が調節可能であり、ロ
ーター４の摺接面に近い所には、熱電対１８が埋設して
あって制動温度を計測できるようになっている。

【００２４】図３に、ローター４の平面図を示す。セラ
ミックス等により補強されたアルミニウム合金製の厚さ
１０ｍｍ×外径６０ｍｍのローター４の中央には、固定
台１３の角軸部１６と係合する角穴１９が設けられ、斜
線部で示す摺接部の有効制動半径Ｒ＝１４ｍｍの所に、
熱電対１８が埋設されている。図１の製造工程に準じて
成形された縦１５ｍｍ×横１０ｍｍ×厚さ１０ｍｍの試
料としての摩擦材３は、回転台１１の有効制動半径Ｒに
相当する個所の対称位置に２個セットされている。

【００２５】表１に、図１の製造工程に準じて成形され
た摩擦材３の配合表を示す。実験例は、繊維基材に有機
のアラミド繊維を、バインダーにフェノール樹脂を、摩
擦調整剤に黒鉛、二硫化モリブデン、カシューダスト、
充填剤として硫酸バリウム、水酸化カルシウム、無機粉
末として珪酸ジルコニウム、マイカを用い、本発明の要
素である無機繊維には、アルミノシリケート繊維（商品
名；ＣＦＦ）、チタン酸カリウム繊維（商品名：ＴＸＡ
Ｘ）、スラグウールを用い、後記の金属粉を加えて配合
とした。配合の比率は表１のとおりである。表１の実験
例は無機繊維の効果と、金属粉の効果を明確にするた
め、その他の配合物を一定体積％に調整している。

【００２６】銅及び鉄の金属粉末の内１〜１０μｍ以下
の微粉末は、購入した金属粉末をスタンプミルにて入念
に破砕して準備した。粒径の選別は主として篩を用い、
７５〜１８０μｍについては、８０メッシュを通過した
粉末を２００メッシュの篩にて採取した。２０〜４５μ
ｍについては、３２５メッシュを通過した粉末を６３５
メッシュの篩にて採取した。１〜１０μｍ以下の微粉末
は、サイクロンによる遠心気流分級法にて選別した。金
属繊維は、所定の切削工具を用いて公知の方法で製作し
た。

【００２７】

【表１】

【００２８】以下に、試験機１０にて各種の摩擦材３を
評価した結果につき説明する。試験条件は、有効制動半
径上で回転台１１が周速５ｍ／ｓに到達したところでモ
ータ１２を停止させ、アクチュエータ１４に指令して摩
擦材３に対する押付け圧力を０．９８ＭＰａ一定にて惰
性で回転する回転台１１を停止させる動作を、常温から
スタートして熱電対１８が４５０℃に到達するまで１０
０回の制動となるように、インターバルを調整して２回
繰り返し計２００回の制動を実施した。１００回制動後
一旦室温まで冷却し、ローター表面の皮膜の形成状態を
観察し、さらに熱履歴後の状態観察のため１００回の制
動を加えている。その後、ローター４の斜線部における
スコアリングの有無と摩擦材３及びローター４の４評点
個所の摩耗量を、摩擦材３はダイヤルゲージにて、ロー
ター４はマイクロメータにて計測した。摩擦係数μは、
図２の試験機１０において、アクチュエータ１４の加圧
力をＦ、有効制動半径をＲ、停止に至るまでのトルクセ
ンサ１５の計測値の平均トルクをＴとして、μ＝Ｔ／Ｆ
Ｒにて算出した。

【００２９】表２に、その結果を示す。改善効果の判定
基準は、従来の金属繊維を配合していた摩擦材（実験例
７，８）に比較し、スコアリングの発生が軽微であるこ
と、摩擦材３及びローター４の摩耗量が少ないこと、皮
膜の生成度合い、及び摩擦係数が熱履歴前後で同一水準
に維持されている事とした。

【００３０】

【表２】

【００３１】表２の結果を考察すると、本発明品（実験
例１〜６）は従来品（実験例７，８）に比べ摩擦材やロ
ータ摩耗が改善され、明らかに金属粉末に置換した効果
が現れている。但し、金属粉末が微粉末になる実験例
２、５では、スコアリングの誘発要因は低下するものゝ
摩擦係数が多少低下する。実験例３、６では、摩擦係数
は比較例と同一に維持されるが、比較例のようにリング
状の深い溝は発生しないものの、リング状の浅い条痕が
認められたが特に問題のない程度のものである。金属粉
末の最適粒径は、スコアリングの発生がなく、摩擦材３
及びローター４の摩耗量が少くて同等の摩擦係数を維持
している実験例１、４の粒径２０〜４５μｍの金属粉末
が最適である。表１中にアルミニウム粉末の実験例はな
いが、アルミニウムの熱伝導率は鉄と銅の間に位置する
ので、効果についても鉄及び銅に準ずるものである。

【００３２】また、本発明の他の解決目的である、皮膜
については、無機繊維の配合により改善され、全般的に
皮膜が無機繊維のないもの（実験例９）に比べ減少して
いる。この結果、熱履歴前後の摩擦係数は全般的に安定
している。無機繊維のない実験例９は摩擦係数の差が大
きいことから、無機繊維の効果が明確である。無機繊維
でも、モース硬度の大きいアルミノシリケート繊維（Ｃ
ＦＦ）を用いた実験例１０は配合量を押さえたにも関わ
らず、ローター及びパッドの摩耗が大きくなる傾向にあ
る。

【００３３】表３に、無機繊維の量と、硬さに関する実
験例を示す。金属粉に付いては表１の配合で良い結果を
示す粒径２０〜４５μｍのものを用いている。また、表
１の配合とは、異なる摩擦材質を基準にしている。混合
他製造方法は表１の配合をディスクブレーキパッドにし
た製法に準じて進めた。

【００３４】

【表３】

【００３５】実験例１〜１０で実施した評価試験と同じ
判定を表３の実験例にも適用し、その結果を表４に示
す。実験例１１〜１３でモース硬度が４の無機繊維の量
について確認した結果、先の実験例１〜１０も含めて判
断すると、最適量は１５体積％のものであった。実験例
１５〜１７では金属粉の量について確認したが、実験例
１５の結果が好ましく、金属粉を多く使用すると摩擦材
の熱伝導が大きくなり、ベーパーロック等の問題を誘引
する恐れもあり、２０体積％を上限とする。以上から、
最適な配合は、モース硬度４の無機繊維を用い、金属粉
を５体積％配合することにより、改善目標であるロータ
ーのスコアリングと、熱履歴後の摩擦係数を安定化させ
ることは、クリアーできた。

【００３６】

【表４】

【００３７】実験結果を考察すると、金属粉を金属繊維
に変えて用いることにより、ローターのスコアリング発
生を抑えることができる。金属粉は多く用いても効果が
増大するものでもなく、適量がある。又、金属繊維を金
属粉に置換することにより、ローター表面に発生する摩
耗粉の皮膜が熱履歴前後の摩擦係数を変化させる現象
は、無機繊維を配合することでクリアーできる。ただ
し、無機繊維は、硬すぎると皮膜ばかりかローターまで
攻撃するので、使用する無機繊維の硬さはモース硬度で
３〜５の範囲のものが好ましい。この硬さの無機繊維の
配合量は、かなり多くの量を用いても皮膜のみを除去す
るため、副作用としてのローター攻撃性を気にすること
はない。

【００３８】

【発明の効果】以上の実験結果からも判別できるよう
に、アルミニウム合金からなるディスクローターやドラ
ムを用いるブレーキに対する摩擦材としては、従来用い
られてきた鋳鉄を用いたローターやドラムに対する摩擦
材に工夫を加える必要がある。特に金属繊維を含む配合
で発生しているスコアリングの防止には、金属粉を使用
することにより解決できる。また金属粉を使用すること
で発生する熱履歴後の摩擦係数の変化を押さえるには、
無機繊維を配合することで可能となる。ここで、金属粉
は粒度が大きすぎるとその効果は失われ、１〜１８０μ
ｍの粒度のもの、好ましくは２０〜４５μｍ粒度のもの
を用いるのが良い。又、無機繊維は硬すぎるとローター
等の相手材攻撃性が大きくなるので、好ましくはモース
硬度３〜５の範囲のものを用いるのが良い。このような
材料の選択により、アルミニウム合金製ディスクロータ
ーやドラムに対する好適な摩擦材が提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のディスクブレーキパッドの製造工程を
示す説明図である。

【図２】本発明の摩擦材の特性を評価する試験機の概念
構造図である。

【図３】試験機に用いるローターの平面図である。

【符号の説明】

１；デイスクブレーキパッド２；裏板３；摩擦材４；ローター

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｃ０９Ｋ 3/14 ５３０Ｃ０９Ｋ 3/14 ５３０ＪＣ０８Ｊ 5/14 ＣＦＢＣ０８Ｊ 5/14 ＣＦＢＣ０８Ｋ 3/00 Ｃ０８Ｋ 3/00 3/08 3/08 3/24 3/24 7/04 7/04 7/18 7/18 Ｃ０８Ｌ 101/00 Ｃ０８Ｌ 101/00 Ｆ１６Ｄ 69/02 Ｆ１６Ｄ 69/02 ＣＧ // Ｃ０８Ｌ 61:00 77:00

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】硬質材によって補強された主としてアル
ミニウム合金から成るローターやドラム等の相手材とし
て用いられる摩擦材であって、有機繊維基材と、バイン
ダー樹脂、摩擦調整剤、充填剤、無機粉末の他に、金属
繊維を含まず、無機繊維と、粒径が１〜１８０μｍの金
属粉末が添加されていることを特徴とする摩擦材。
【請求項２】前記無機繊維は８５０℃以下に軟化点を
もたない請求項１に記載の摩擦材。
【請求項３】前記無機繊維は、硬さがモース硬度で３
から５の範囲にある請求項１又は２に記載の摩擦材。
【請求項４】前記無機繊維が、チタン酸カリウム繊維
及びスラグウールから選ばれる１種以上である請求項１
乃至３のいずれかに記載の摩擦材。
【請求項５】前記金属粉末の粒径が２０〜４５μｍで
ある請求項１に記載の摩擦材。
【請求項６】前記金属粉末が、銅、鉄、及びアルミニ
ウムから選ばれる１種以上若しくはその合金からなる請
求項１又は５に記載の摩擦材。