JP2004218840A

JP2004218840A - 二酸化チタン粒子を含有するブレーキ摩擦材料

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Publication number: JP2004218840A
Application number: JP2004008715A
Authority: JP
Inventors: Xinming Shao; シャオシンミン; Tsukasa Baba; ツカサババ; Hajime Hayashi; ハジメハヤシ
Original assignee: Akebono Corp North America
Current assignee: Akebono Brake Corp
Priority date: 2003-01-16
Filing date: 2004-01-16
Publication date: 2004-08-05
Also published as: US20040140167A1; EP1441143A1

Abstract

【課題】
快適性、耐久性および合理的コスト等の使用者の幾つかの要望を満たすことができる摩擦材料、より詳しくは、ブレーキパッド、ブレーキライニング、クラッチフェーシング等が使用される工業機械、鉄道車両、荷物車、乗用車、貨物トラック等に使用される摩擦材料の充填材を提供することにある。
【解決手段】
約１５マイクロメートルより小さい直径をもつ二酸化チタン粒子を含む充填材を有する摩擦材料。本発明の摩擦材料は、比較的均一な摩擦係数を有し、ブレーキ部品の摩耗を比較的小さくする。
【選択図】図１

Description

本発明は摩擦材料に関し、より詳しくは、ブレーキパッド、ブレーキライニング、クラッチフェーシング等が使用される工業機械、鉄道車両、荷物車、乗用車、貨物トラック等に特に使用される摩擦材料の充填材に関する。

自動車用ブレーキシステムは、快適性、耐久性および合理的コスト等の使用者の幾つかの要望を満たさなくてはならない。これらの要望は、高くかつ安定した摩擦係数、所定限度内の振動および騒音特性、および摩擦材料およびロータ係合面の低摩耗速度等のブレーキシステムに対する幾つかの特定条件であると解される。上記全ての要望は、合理的コストで同時的に達成されなくてはならない。特に、性能は、変化する適用条件、極端な温度、湿気、速度、および時たまの停止または多くの連続的な停止時の減速度の下で安定でなくてはならない。

摩擦材料は、種々の態様で機能して、車両および機械の加速および減速を制御する。摩擦材料は、アスベスト、金属繊維または他の繊維の結合体をベースとする樹脂またはゴム結合複合材で形成できる。摩擦材料は、一般に、バインダ、補強材および充填材で形成される。

ブレーキライニングおよびクラッチフェーシングは摩擦材料からなり、該摩擦材料は、移動する車両または機械部品の運動エネルギを熱に変換することにより運動エネルギを除去し、車両または機械部品の移動を停止させるのに使用される。一般に、摩擦材料は熱を吸収して、該熱を徐々に大気中に放散する。摩擦材料は、長い使用期間中に、摩耗片およびガスに変換されるブレーキカップルの消耗部分であると考えられる。

充填材は、摩擦材料の強度の向上、摩耗抵抗度合いの変更、熱放散、温度安定化または高温摩擦性能等の所定特性を向上させるため、摩擦材料によく使用されている。

充填材はまた、摩擦材料に減摩属性を付与するのにも使用される。充填材の減摩性（abrasiveness）の大きさは、ブレーキシステムの多くの性能および摩耗特性を規定する。このため、極端な減摩性は卓越した性能を発揮するが、ブレーキ部品の過度の摩耗をもたらすことにもなる。一方、減摩性が不充分であると、ブレーキ部品を保護するが、制動特性は比較的劣ったものとなる。
米国特許第４，３５１，４２１号明細書米国特許第５，０７３，０９９号明細書米国特許出願第０９／７３５，６２５号号明細書米国特許出願第０９／７３９，２９１号号明細書 Peter J. Blau著「摩擦ブレーキ材料およびその添加物の組成、機能および試験（Compositions, Functions,and Testing of Friction Brake Materials and their Additives）」（Oak Ridge National Laboratory発行、文書番号ORNL/TM-2001.64）

快適性、耐久性および合理的コスト等の使用者の幾つかの要望を満たすことができる摩擦材料、より詳しくは、ブレーキパッド、ブレーキライニング、クラッチフェーシング等が使用される工業機械、鉄道車両、荷物車、乗用車、貨物トラック等に使用される摩擦材料の充填材を提供することにある。

好ましい一形態では、本発明は、補強材料、バインダおよび充填材からなる摩擦材料を有するブレーキ要素を提供する。充填材は、数ある中で、二酸化チタン粒子を含んでいる。二酸化チタン粒子は、約１５マイクロメートルより小さい直径を有している。二酸化チタン粒子は、約２体積％（２ｖ％）〜約２０体積％（２０ｖ％）の範囲内で摩擦材料中に混合される。ピグメントグレード品位の粒子は、摩擦材料を補強しかつシランカップリング剤またはフェノール樹脂の表面処理を受ける。

本発明の他の適用領域は、添付図面および以下に述べる詳細な説明から明らかになるであろう。詳細な説明および特定例は本発明の好ましい実施例を示すものであるが、図示および例示を目的とするもので、本発明の範囲を制限するものではない。

本発明は、詳細な説明および添付図面からより完全に理解されよう。

図１には、簡単化された本発明の好ましい実施例による車両用ディスクブレーキシステム１０が例示されている。ディスクブレーキシステム１０は、ロータ１２と、キャリパ１４と、ハブ１６とを有している。ディスクブレーキシステム１０はまた、１対のアウトボードおよびインボードブレーキ要素１８ａ、１８ｂ（以下、ブレーキ要素１８と呼ぶ）を有している。ブレーキ要素１８は、当業者に良く知られた方法でキャリパ１４に取付けられている。また当業者ならば、ブレーキシステム１０は簡単化された態様で示されていることが理解されよう。例示のブレーキシステムのより詳細な説明は、本件出願人の所有する米国特許（上記特許文献１参照。この全体を本願に援用する）に開示されている。

ブレーキ要素１８は、構造的バッキング２０および摩擦材料２２を有している。摩擦材料２２は、当業者に良く知られた慣用的態様で構造的バッキング２０に取付けられている。このような取付け方法の一例が、本件出願人の所有する米国特許（上記特許文献２参照。この全体を本願に援用する）に開示されている。

ブレーキ要素１８はロータ１２を両側から圧迫して、ロータ１２の回転を拘束し、車両（図示せず）を所望の速度に低下させる。上記のように、ブレーキ要素１８がロータ１２に接触すると摩擦が発生し、これによりブレーキ要素１８が加熱され、最終的に摩耗する。

摩擦材料２２は補強体、バインダおよび充填材を有し、これらは例えばスラリ形態に結合されかつ所望形状にプレスまたは成形される。充填材は更に、二酸化チタン（ＴｉＯ_２）粒子を有している。摩擦材料に二酸化チタンを含有させることにより多くの長所が得られ、これらの長所については後述する。それにもかかわらず、二酸化チタンは低コストでありかつ摩擦材料にとって優れた成分である。

好ましい実施例では、ピグメントグレードの二酸化チタン粒子が摩擦材料の充填材に使用される。定義上、ピグメントグレードとは二酸化チタン粒子の化学的純度をいう。いずれにせよ、ピグメントグレードとは９０％化学的純度以上の純度である。本発明の好ましい実施例では、化学的純度は９４％以上である。

この目的のための二酸化チタン粒子は商業的に入手でき、例えばMillennium Inorganic
Chemicals社（Hunt Valley、メリーランド州）からTiONA^（R）RCL-9の商標で市販されている。二酸化チタン粒子は、一般にルチル形二酸化チタンと呼ばれている。当業者ならば、所要サイズおよび化学的純度の二酸化チタンは、多くの業者から入手できることは容易に理解されよう。TiONA^（R）RCL-9はまた、コーティング、ＰＶＣパイプおよび間接フードコンタクト（indirect food contact）等の他の用途に使用できる多用途高グロスグレード二酸化チタン粒子であるとも考えられる。

本発明の好ましい実施例では、最適性能特性を得るための二酸化チタン粒子の平均直径の範囲は、好ましくは、約１５／１００（０．１５）マイクロメートル〜約１マイクロメートルである。粒子の好ましい平均直径は、約２８／１００マイクロメートルである。摩擦材料の所望性能特性を維持するには、約９５％の二酸化チタン粒子は、約５マイクロメートルより小さい直径の平均直径をもつべきである。また、ほぼ全ての粒子の平均直径は１５ミクロン以下にすべきである。当業者ならば、二酸化チタン粒子の正確な平均直径からの偏差があっても本発明を実施不可能にすることはなく、性能を低下させるに過ぎないことは容易に理解されよう。

実験結果によれば、平均直径の大きい二酸化チタン粒子よりも比較的小さい平均直径の二酸化チタン粒子を使用することにより、摩擦材料の性能を改善できることが証明されている。より詳しくは、ロータ摩耗を測定する試験によれば、約３０〜４５マイクロメートルの比較的大きい平均直径サイズおよび約８０％の化学的純度をもつ二酸化チタン粒子を含有する摩擦材料は、本発明の比較的小さい平均直径およびより純度の高い二酸化チタン粒子を含有する摩擦材料より性能が劣っていることが証明されている。このため、本発明の二酸化チタン粒子は、比較的大きくかつ純度の低い二酸化チタン粒子に比べて、約３５％小さいロータ摩耗を呈した。

本発明の摩擦材料の摩擦係数の百分率分布を測定する他の実験結果は、二酸化チタンを含有する摩擦材料と二酸化チタンを含有しない摩擦材料とを比較したとき、優れた性能が得られたことを証明している。摩擦係数の百分率分布を測定する優れた試験結果は、所望の摩擦係数で、より密なデータ分布を有し、このことは、一般に、より安定した摩擦材料にすることを証明している。いずれにせよ、二酸化チタンを含有する摩擦材料は、二酸化チタンを含有しない摩擦材料と比較したとき、約０．４２の摩擦係数で、より密な百分率分布を有している。

好ましい実施例では、二酸化チタン粒子は、全体積に対する百分率の範囲が２体積％（２ｖ％）〜２０体積％（２０ｖ％）となるようにして摩擦材料中に混合される。最適性能特性が得られる好ましい範囲は、５体積％（５ｖ％）〜１５体積％（１５ｖ％）である。当業者ならば容易に理解されようが、正確な体積％に固執することは本発明の実施可能性を維持する上で不要であり、正確な体積％からの偏差があっても摩擦材料の性能低下をもたらすに過ぎない。

本発明の好ましい実施例では、摩擦材料の例示組成が下記表１に示されており、該表１中「好ましい例示範囲」と表記された欄に記載された値は、摩擦材料中の成分の好ましい範囲を示す。「好ましい値」と表記された欄に記載された値は、本発明の好ましい実施例による摩擦材料についての好ましい値である。当業者ならば、表１に示す値は例示値であり、従って好ましい実施例の一例を示すが、本発明を制限するものではないことは容易に理解されよう。

本発明の他の好ましい実施例（実施例２）では、表２は摩擦材料の他の例示組成を示し、表２中「好ましい例示範囲」と表記された欄に記載された値は、摩擦材料中の成分の好ましい範囲を示す。「好ましい値」と表記された欄に記載された値は、本発明の実施例２による摩擦材料についての好ましい値である。当業者ならば、表２に示す値はこの好ましい実施例の例示値であるが、本発明を制限するものではないことは容易に理解されよう。

当業者ならば容易に理解されようが、多くの業者が、摩擦材料への使用に適した商業的に入手できる種々の鉱物繊維を供給している。本発明の好ましい実施例では、このような１つの例示鉱物繊維として、Lapinus Fibres B.V.社 (6040 KD Roermond、オランダ国)からRoxul^(R) 1000の商標で市販されているLapinus^(R) 繊維がある。

当業者ならば容易に理解されようが、多くの業者が、摩擦材料への使用に適した商業的に入手できる種々のセラミック繊維を供給している。本発明の好ましい実施例では、このような１つの例示鉱物繊維として、Thermal Ceramics社（P.O. Box 923, Dept. 167,
Augusta, ジョージア州、30903）から市販されているSuperwool^(R) 繊維がある。

当業者ならば容易に理解されようが、多くの業者が、摩擦材料への使用に適した商業的に入手できる種々の金属硫化物を供給している。本発明の好ましい実施例では、可能性ある例示金属硫化物として、商業的に入手できる三硫化アンチモン、硫化銅、硫化第二スズおよび硫化第一スズがある。

当業者ならば容易に理解されようが、多くの業者が、摩擦材料への使用に適した商業的に入手できる種々のアラミド^(R)繊維を供給している。本発明の好ましい実施例では、このような１つの例示アラミド^(R繊維として、数ある中で、DuPont社（Jefferson Davis Hwy, Richmond、バージニア州、23234）から市販されているケブラー^(R) 繊維がある。

摩擦材料の充填材中の二酸化チタン粒子は、充填材に減摩特性を付与する。前述のように、極端な減摩性はブレーキ部品を過度に摩耗させるが、減摩性が小さ過ぎると摩擦力の発生が不充分になる。好ましい実施例では、二酸化チタン粒子の含有量、種類およびサイズがマイルドな減摩機能を付与し、これにより、所望の摩擦係数が得られる適度の減摩量を与えて、必要制動力を達成できることが判明している。このマイルドな減摩特性はまた、制動状況中に車両の運転者に気付かせる所望の制動フィーリングを与える。摩擦材料中の減摩材含有量が多過ぎたり少な過ぎると、制動フィーリングを運転者に気付かせる作用が低下する。また、数ある中で、摩擦材料中の減摩材含有量が不適正であると、当業者に良く知られているジャダーおよび他の好ましくない振動形態が発生する。

二酸化チタン粒子のマイルドな減摩特性はまた、伝統的な充填材および摩擦材料成分と比較して、摩擦材料中により多量の充填材の使用を可能にする。他の充填材の代わりに二酸化チタン粒子を添加することにより、全体として均質でかつ非層状の摩擦材料を製造できる。他の例示充填材として、酸化防止剤、アスベスト、硫酸バリウム、炭酸カルシウム、カシューナッツオイル、コットン、混合酸化物の繊維、石灰、チタン酸塩カリウム、ジエンゴム、ニトリルゴム、スクラップゴム、シー・コール（sea coal）および酸化亜鉛がある。当業者ならば容易に理解されようが、他の充填材の広範囲の入手可能性がある。刊行物（上記非特許文献１参照。この全体を本願に援用する）には、より詳細なリストが開示されている。二酸化チタン粒子は上記伝統的充填材と比較して安価であるので、より多量の二酸化チタン粒子を充填材中に導入できることは、材料コストを節約する。

好ましい実施例では、二酸化チタン粒子は、摩擦材料を補強する機能を有している。このような１つの方法は、前述の平均直径範囲を選択することである。平均直径が小さいほど、容易かつ緊密な充填が可能になり、従ってより稠密で、強化されかつ頑丈な摩擦材料を製造できる。より緊密に充填された頑丈な摩擦材料は、より良い摩耗特性を呈する。二酸化チタン粒子を多量に使用できることと相俟って、二酸化チタン粒子が伝統的な充填材より安価であるという事実は、従来の配合と等しくするだけで、開示した配合物の利益を実現できることを意味する。このため、特に、安価であるが同等または優れた材料が使用されると、摩耗特性の最小の改善で使用者に顕著な利益を与えることができる。

本発明の好ましい実施例では、上記チタン粒子の導入により、摩擦材料の適用性が変わることは全くない。或る用途の特定要求を補償するには、摩擦材料の他の成分の全体積％すなわちサイズを調節する必要があるが、二酸化チタン粒子は多くの摩擦材料用途に利益をもたらす。また、充填材の添加成分は、上記他の充填材成分と比較して同等またはそれ以上の放熱特性を与えるので、二酸化チタンの導入により熱を放散させる能力が妨げられることはない。

本発明の好ましい実施例では、補強体は、繊維質補強体すなわち繊維質チタン酸塩カリウムである。チタン酸塩カリウムの組成、使用方法および製造は、本件出願人の所有する米国特許出願（上記特許文献３参照。この全体を本願に援用する）に開示されている。他の好ましい実施例では、補強体は粉末または薄片状のチタン酸塩カリウムである。薄片状または粉末状のチタン酸塩カリウムの組成は、本件出願人の所有する米国特許出願（上記特許文献４参照。この全体を本願に援用する）に開示されている。

本発明の好ましい実施例では、バインダはフェノール樹脂である。二酸化チタンは、フェノール樹脂による表面処理を受ける。このような表面処理を受ける物質は、摩擦材料が製造されるときに他の物質と容易に混合されるという長所を有している。フェノール樹脂の体積による混合は、好ましくは、二酸化チタン粒子に対して５体積％（５ｖ％）〜２５体積％（２５ｖ％）の範囲内である。

他の実施例では、フェノール樹脂の代わりにシランカップリング剤が使用される。フェノール樹脂、シランカップリング剤または他のバインダの使用方法および代用物質に関する更なる詳細が、本件出願人の所有する米国特許出願（上記特許文献３参照）により完全に説明されている。

本発明の上記説明は本質の単なる例示であり、従って、本発明の本質から逸脱しない変更は本発明の範囲内にあることを意図するものである。このような変更は、本発明の精神および範囲から逸脱しないものである。

本発明のディスクブレーキシステムを示す断面図である。

符号の説明

１０ディスクブレーキシステム
１２ロータ
１４キャリパ
１６ハブ
１８ａアウトボードブレーキ要素
１８ｂインボードブレーキ要素
２０構造的バッキング
２２摩擦材料

Claims

摩擦材料を有するブレーキ要素において、摩擦材料が、二酸化チタン粒子を含む充填材を有し、二酸化チタン粒子の平均直径が約１５マイクロメートルより小さいことを特徴とするブレーキ要素。
前記摩擦材料中の二酸化チタン粒子の量は、約２〜約２０体積％（ｖ％）の範囲内にあることを特徴とする請求項１記載のブレーキ要素。
前記摩擦材料中の二酸化チタン粒子の量は、約５〜約１５体積％（ｖ％）の範囲内にあることを特徴とする請求項２記載のブレーキ要素。
前記二酸化チタン粒子の平均直径は、約０．１５〜約１マイクロメートルの範囲内にあることを特徴とする請求項１記載のブレーキ要素。
前記二酸化チタン粒子の平均直径は約０．２８マイクロメートルであることを特徴とする請求項４記載のブレーキ要素。
前記二酸化チタン粒子はピグメントグレードであることを特徴とする請求項１記載のブレーキ要素。
補強体を更に有し、該補強体はチタン酸塩カリウムであり、該チタン酸塩カリウムは、繊維状、粉末状、薄片状またはこれらを組合せた形状をなしていることを特徴とする請求項１記載のブレーキ要素。
前記二酸化チタン粒子は、シランカップリング剤およびフェノール樹脂のうちの少なくとも１つにより表面処理されていることを特徴とする請求項１記載のブレーキ要素。
二酸化チタン粒子を含む充填材を有し、二酸化チタン粒子の平均直径は約１５マイクロメートルより小さいことを特徴とする摩擦材料。
前記摩擦材料中の二酸化チタン粒子の量は、約２〜約２０体積％（ｖ％）の範囲内にあることを特徴とする請求項９記載の摩擦材料。
前記摩擦材料中の二酸化チタン粒子の量は、約５〜約１５体積％（ｖ％）の範囲内にあることを特徴とする請求項１０記載の摩擦材料。
前記二酸化チタン粒子の平均直径は、約０．１５〜約１マイクロメートルの範囲内にあることを特徴とする請求項９記載の摩擦材料。
前記二酸化チタン粒子の平均直径は約０．２８マイクロメートルであることを特徴とする請求項１２記載の摩擦材料。
前記二酸化チタン粒子はピグメントグレードであることを特徴とする請求項９記載の摩擦材料。
補強体を更に有し、該補強体はチタン酸塩カリウムであり、該チタン酸塩カリウムは、繊維状、粉末状、薄片状またはこれらを組合せた形状をなしていることを特徴とする請求項９記載の摩擦材料。
前記二酸化チタン粒子は、シランカップリング剤およびフェノール樹脂のうちの少なくとも１つにより表面処理されていることを特徴とする請求項９記載の摩擦材料。
摩擦材料を有するクラッチにおいて、摩擦材料が、二酸化チタン粒子を含む充填材を有し、二酸化チタン粒子の平均直径が約１５マイクロメートルより小さいことを特徴とするクラッチ。
前記摩擦材料中の二酸化チタン粒子の量は、約２〜約２０体積％（ｖ％）の範囲内にあることを特徴とする請求項１７記載のクラッチ。
前記摩擦材料中の二酸化チタン粒子の量は、約５〜約１５体積％（ｖ％）の範囲内にあることを特徴とする請求項１８記載のクラッチ。
前記二酸化チタン粒子の平均直径は、約０．１５〜約１マイクロメートルの範囲内にあることを特徴とする請求項１７記載のクラッチ。
前記二酸化チタン粒子の平均直径は約０．２８マイクロメートルであることを特徴とする請求項２０記載のクラッチ。
前記二酸化チタン粒子はピグメントグレードであることを特徴とする請求項１７記載のクラッチ。
補強体を更に有し、該補強体はチタン酸塩カリウムであり、該チタン酸塩カリウムは、繊維状、粉末状、薄片状またはこれらを組合せた形状をなしていることを特徴とする請求項１７記載のクラッチ。
前記二酸化チタン粒子は、シランカップリング剤およびフェノール樹脂のうちの少なくとも１つにより表面処理されていることを特徴とする請求項１７記載のクラッチ。