JP2004231965A - 純鉄繊維ベース摩擦材料製品 - Google Patents
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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補強材を提供することにある。
【解決手段】
金属繊維、アラミド繊維、セルロース繊維およびこれらの組合せを有しているが、炭素鋼は含んでいないことを特徴とする、摩擦材料の補強材。摩擦材料は、比較的均一な摩擦係数を有しかつブレーキ部品の摩耗を比較的小さくする。
【選択図】図１
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補強材を提供することにある。
【解決手段】
金属繊維、アラミド繊維、セルロース繊維およびこれらの組合せを有しているが、炭素鋼は含んでいないことを特徴とする、摩擦材料の補強材。摩擦材料は、比較的均一な摩擦係数を有しかつ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補強材に関する。
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、温度安定化および／または高温および低温の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。
補強材はまた、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
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補強材を提供することにある。
好ましい一形態では、本発明は、バインダ、充填材、および補強材からなる摩擦材料を有するブレーキ要素を提供する。補強材は、本質的に、鉱物繊維、金属繊維、アラミド繊維、セルロース繊維およびこれらの結合体からなる。金属繊維は、約０．５〜約６ミリメートルの範囲内の長さおよび約２５〜２００マイクロメートルの範囲内の幅を有する。摩擦材料中の鉄繊維含有量は、約０．５〜４０体積％（ｖ％）の範囲内にある。
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慣用方法でキャリパ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容易に理解されよう。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はバインダ、充填材および補強材を有し、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。補強材は鉄繊維からなるが、補強材、バインダおよび充填材のいずれも、低炭素鋼からなるものではない。この態様での摩擦材料の配合は、性能および耐久性の点で多くの長所を有し、この利益については後述する。また、低炭素鋼を含まない鉄繊維は、摩擦材料の低コストで優れた組成を提供する。当業者ならば理解されようが、低炭素鋼は、補強材を含む目的で摩擦材料に使用されている。従って、補強材が低炭素鋼成分を含まないというときは、摩擦材料中にいかなる炭素鋼も含まないことを理解されたい。
本発明の好ましい実施例では、摩擦材料の補強材は焼鈍鉄繊維を含むが、低炭素鋼は含まない。鉄繊維は多くの供給業者から商業的に入手できる。このような供給業者の１つとして、Sunny Metal Inc.社（01, Jinxin Road,
Nancun-Yuangang, Panyu, Guangzhou, 中国、511442）があり、Annealed Vibration Cutting Iron Fiberの商品名で販売されている。当業者ならば容易に理解されようが、必要な種類および寸法をもつ鉄繊維は、多くの供給業者から入手できる。
Nancun-Yuangang, Panyu, Guangzhou, 中国、511442）があり、Annealed Vibration Cutting Iron Fiberの商品名で販売されている。当業者ならば容易に理解されようが、必要な種類および寸法をもつ鉄繊維は、多くの供給業者から入手できる。
本発明の好ましい実施例では、鉄繊維の長さは約０．５〜約６ミリメートルの範囲内にあり、最適性能を得る上で好ましい範囲は約２．２〜約３．２ミリメートルの範囲内である。鉄繊維の幅は約２５〜約２００マイクロメートルの範囲内にあり、最適性能を得る上で好ましい範囲は約６０〜約９０マイクロリットルの範囲内である。摩擦材料の所望性能特性を維持するためには、鉄繊維の長さ対幅比は約２．５対１〜約２４０対１の間の範囲内にある。当業者ならば容易に理解されようが、鉄繊維の正確なサイズからの偏差があっても本発明を不能にするものではなく、性能を低下させるに過ぎないものである。
実験結果によれば、摩擦材料の残部に低炭素鋼が全く含まれない鉄繊維を使用することにより、低炭素鋼を含有する摩擦材料よりも、ディスク厚さ変化およびブレーキ部品の全体的摩耗を小さくできることが証明されている。ディスク厚さ変化（Disc Thickness Variation：ＤＴＶ）とは、ディスクロータの不均一厚さをいう。ディスク厚さ変化は多くの異なる事象により引起こされ、その１つの事象は、ブレーキ要素がロータから完全に離れていないためにキャリパが係合しないとき（ブレーキペダルが踏込まれないとき）に、摩擦材料とロータとが間欠的に擦れ合うことである。ディスク厚さ変化のあるロータは、ブレーキ要素がロータに間欠的に接触するときに、パルス振動（pulsing sensation）を伝達する。ディスク厚さ変化を測定する試験は、低炭素鋼を含まない鉄繊維を有する摩擦材料が、低炭素鋼を含む摩擦材料に比べて、ディスク厚さ変化を約６０％低減できることを証明している。
摩擦材料から低炭素鋼繊維を排除することにより、鉄繊維の特性を、摩擦材料の補強材成分が優勢となるようにすることができる。このため、鉄繊維は低炭素鋼繊維と比べて柔軟な金属繊維である。柔軟な鉄繊維を用いると、上記のようにディスク厚さ変化を小さくできる。また、柔軟な鉄繊維の使用は、例えばサスペンション部品を摩耗するジャダーおよび他の振動形態の発生を小さくする。
鉄繊維は、柔軟でかつブレーキ部品の摩耗を小さくするが、低炭素鋼を排除することによっても摩擦係数を小さく（一般に、約３．５〜約４の範囲内）できる。摩擦係数は小さくなるが、ブレーキ要素は、車両を停止させるのに充分な摩擦力を容易に発生する。低炭素鋼を含有する摩擦材料と比較した摩擦材料の摩擦係数の大きさの僅かな変化は、用途によっては、摩擦材料のデューティサイクルの小さい変化をもたらす。従って、摩擦材料の頑丈さおよび全体的耐久性を維持するため、必要に応じて、摩擦材料のグラファイト潤滑剤、粗いグラファイトまたは他の慣用成分を調節できる。
好ましい実施例では、焼鈍鉄繊維は、摩擦材料の全体積の百分率として例えば約５／１０体積％（０．５ｖ％）〜約４０体積％（４０ｖ％）までの範囲となるように、体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、約２体積％（２ｖ％）〜約２８体積％（２８ｖ％）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。
表１は、摩擦材料の第一例示組成の好ましい範囲を示し、ここで、「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。
表２は摩擦材料の第二例示組成の好ましい値を示し、ここで、「好ましい例示範囲」と表記された欄に記載された値は、摩擦材料についての好ましい値を示す。当業者ならば容易に理解されようが、表１および表２に示す値は例示範囲および値であり、本発明の範囲を制限するものではない。
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。Roxul(R) 1000は、例えば、グレーおよび／またはグリーンの繊維質鉱物ウールバッティングまたはボードである。
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つの例示セラミック繊維として、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、例えばアルカリ土類珪酸ウールバッティングまたはボードがある。
Augusta, ジョージア州、30903）から市販されているSuperwool(R) 繊維、例えばアルカリ土類珪酸ウールバッティングまたはボードがある。
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ルロース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つの例示セルロース繊維として、Vanco Manufacturing, Inc.社（Vanderbilt
Road, Portage, ミシガン州49002）から市販されているInterfiber(R) 繊維、例えばポリオキシプロピレン粉末がある。
Road, Portage, ミシガン州49002）から市販されているInterfiber(R) 繊維、例えばポリオキシプロピレン粉末がある。
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グラファイトを供給している。本発明の好ましい実施例では、このような１つの例示として、Asbury Carbons, Inc.社（405 Old Main Street, Asbury, ニュージャージ州08802）から市販されているグラファイトがある。
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、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（Kevlar）(R) 繊維がある。
上記二酸化チタン粒子は、本件出願人の所有する「二酸化チタン粒子を含むブレーキ摩擦材料（Brake Friction Material including Titanium Dioxide Particles）」の名称に係る、係属中の 日付米国特許出願第 号（該米国特許出願の全体を本願に援用する）においてより詳しく説明されている。
摩擦材料の他の構成要素は充填材である。充填材として、数ある中で例えば、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、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。
好ましい実施例では、摩擦材料の補強材中に鉄繊維を使用すると同時に、低炭素鋼繊維の使用を完全に排除しても、摩擦材料の適用可能性が変わることは全くない。或る用途の特定要望に対する補償を行なうためには、摩擦材料の他の構成要素の全体積％またはサイズを調節する必要があるが、鉄繊維は多くの摩擦材料への適用に利益を与える。当業者ならば容易に理解されようが、摩擦材料の構成要素は、本発明の範囲から逸脱することなく、摩擦材料を広範囲の用途に適合させるべく調節できる。また、この補強材の組成は他の補強材組成と比較して同等以上の放熱特性を有するので、低炭素鋼繊維を用いない鉄繊維の使用により放熱能力が損なわれることはない。
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。摩擦材料部品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材料と容易に混合できるという長所がある。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９体積％（９ｖ％）〜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。
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
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 (31)
- 摩擦材料を有するブレーキ要素において、摩擦材料が、炭素鋼を全く含まずかつ本質的に鉱物繊維、非炭素鋼金属繊維、アラミド繊維、セルロース繊維およびこれらの組合せからなる群から選択された補強材を含んでいることを特徴とするブレーキ要素。
- 前記金属繊維は鉄繊維であることを特徴とする請求項１記載のブレーキ要素。
- 前記鉄繊維は焼鈍されていることを特徴とする請求項２記載のブレーキ要素。
- 前記鉄繊維の長さは約０．５〜約６ミリメートル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。
- 前記鉄繊維の長さは約２．２〜約３・２ミリメートルの範囲内にあることを特徴とする請求項４記載のブレーキ要素。
- 前記鉄繊維の幅は約２５〜約２００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２記載のブレーキ要素。
- 前記鉄繊維の幅は約６０〜約９０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６記載のブレーキ要素。
- 前記鉄繊維の長さ対幅比は約２．５対１〜約２４０対１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。
- 前記摩擦材料中の鉄繊維の量は約０．５〜約４０ｖ％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。
- 前記摩擦材料中の鉄繊維の量は約２〜約２８ｖ％の範囲内にあることを特徴とする請求項９記載のブレーキ要素。
- 前記非炭素鋼金属繊維は、黄銅繊維、物繊維、青銅繊維、鉄繊維およびこれらの組合せからなる群から選択されることを特徴とする請求項１記載のブレーキ要素。
- 炭素鋼を全く含まずかつ本質的に鉱物繊維、非炭素鋼金属繊維、アラミド繊維、セルロース繊維およびこれらの組合せからなる群から選択された補強材を含んでいることを特徴とする摩擦材料。
- 前記金属繊維は鉄繊維であることを特徴とする請求項１２記載の摩擦材料。
- 前記鉄繊維は焼鈍されていることを特徴とする請求項１３記載の摩擦材料。
- 前記鉄繊維の長さは約０．５〜約６ミリメートルの範囲内にあることを特徴とする請求項１３記載の摩擦材料。
- 前記鉄繊維の長さは約２．２〜約３・２ミリメートルの範囲内にあることを特徴とする請求項１５記載の摩擦材料。
- 前記鉄繊維の幅は約２５〜約２００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１３記載の摩擦材料。
- 前記鉄繊維の幅は約６０〜約９０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記載の摩擦材料。
- 前記鉄繊維の長さ対幅比は約２．５対１〜約２４０対１の範囲内にあることを特徴とする請求項１３記載の摩擦材料。
- 前記摩擦材料中の鉄繊維の量は約０．５〜約４０ｖ％の範囲内にあることを特徴とする請求項１３記載の摩擦材料。
- 前記摩擦材料中の鉄繊維の量は約２〜約２８ｖ％の範囲内にあることを特徴とする請求項２０記載の摩擦材料。
- 前記非炭素鋼金属繊維は、黄銅繊維、物繊維、青銅繊維、鉄繊維およびこれらの組合せからなる群から選択されることを特徴とする請求項１２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、炭素鋼を全く含まずかつ本質的に鉱物繊維、非炭素鋼金属繊維、アラミド繊維、セルロース繊維およびこれらの組合せからなる群から選択された補強材を含んでいることを特徴とするクラッチ。
- 前記金属繊維は焼鈍鉄繊維であることを特徴とする請求項２３記載のクラッチ。
- 前記焼鈍鉄繊維の長さ対幅比は約２．５対１〜約２４０対１の範囲内にあることを特徴とする請求項２４記載のクラッチ。
- 前記摩擦材料中の焼鈍鉄繊維の量は約０．５〜約４０ｖ％の範囲内にあることを特徴とする請求項２４記載のクラッチ。
- 前記摩擦材料中の焼鈍鉄繊維の量は約２〜約２８ｖ％の範囲内にあることを特徴とする請求項２４記載のクラッチ。
- 摩擦材料を有し、該摩擦材料が炭素鋼でない鉄繊維を含んでいることを特徴とするブレーキ要素。
- 前記摩擦材料中の鉄繊維の量は約０．５〜約４０ｖ％の範囲内にあることを特徴とする請求項２８記載のブレーキ要素。
- 前記摩擦材料中の鉄繊維の量は約２〜約２８ｖ％の範囲内にあることを特徴とする請求項２９記載のブレーキ要素。
- 前記鉄繊維の長さ対幅比は約２．５対１〜約２４０対１の範囲内にあることを特徴とする請求項２９記載のブレーキ要素。
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