JP2005029648A

JP2005029648A - 摩擦材組成物

Info

Publication number: JP2005029648A
Application number: JP2003194511A
Authority: JP
Inventors: Takao Horitani; 貴雄堀谷; Masanori Kato; 正規加藤; Yosuke Sasaki; 要助佐々木
Original assignee: Akebono Research and Development Centre Ltd
Current assignee: Akebono Research and Development Centre Ltd
Priority date: 2003-07-09
Filing date: 2003-07-09
Publication date: 2005-02-03

Abstract

【課題】高く安定した摩擦係数を示し、且つ、耐摩耗性、耐食性の高い摩擦材組成物を提供する。
【解決手段】摩擦材組成物は、繊維成分として耐熱性有機繊維を２体積％〜２０体積％、セラミック繊維を５体積％〜２０体積％、金属繊維を５体積％〜２５体積％と、摩擦調整成分としてモース硬度６以上の硬質粒子１種又は２種以上を５体積％〜３０体積％含有し、熱硬化性樹脂を結合成分として含む。このような比率で各種成分を含有する摩擦材組成物は、制震用摩擦ダンパー装置に用いられる摩擦材組成物として必要な高く安定した摩擦係数（動摩擦係数）μを有する。また、適度な剛性を有し高い面圧に耐える。さらに、大エネルギーの摺動に対しても十分な耐摩耗性、耐食性、耐焼付性を有する。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、摩擦材組成物に関し、特に制震用摩擦ダンパー装置等に用いられる摩擦材組成物に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、建築物又は土木構造物等に取り付けられる制震用摩擦ダンパー装置が知られている。制震用摩擦ダンパー装置はその構成部材として、摩擦材と、この摩擦材に接触する相手部材（例えばステンレス鋼等）とを備える。建築物等が地震によって振動すると、摩擦材と相手部材とが摺動して地震の振動エネルギーを熱エネルギーに変換する。この結果、建築物等の揺れが抑制される。このような役割を担う摩擦材には、その特性として、安定して高い摩擦係数（動摩擦係数）を示すこと、高い耐摩耗性及び耐食性があること等が要求される。
【０００３】
ここで、制震用摩擦ダンパー装置に用いられる摩擦材の組成物としては、粘弾性材料（例えばゴム）、金属（例えば焼結金属）、セラミック等を主成分とするものが知られている（例えば特許文献１、特許文献２）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平７−３５１８３号公報
【特許文献２】
特開平８−２８３０７０号公報
【発明が解決しようとする課題】
しかし、例えば粘弾性材料を主成分とする組成物は、温度依存性が高いために安定した摩擦係数を確保するのが難しく、さらに摩耗し易い点で好ましくない。また、金属を主成分とする組成物は、腐食し易く、さらに摩擦係数が安定し難い点で好ましくない。また、セラミックを主成分とする組成物は、摩擦係数μが安定せず、また耐久性が低い点で好ましくない。
【０００５】
すなわち、制震用ダンパ装置の摩擦材組成物として、高く安定した摩擦係数、耐摩耗性及び耐食性といった特性を兼ね備えることは困難であった。
【０００６】
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、高く安定した摩擦係数を示し、且つ、耐摩耗性、耐食性の高い摩擦材組成物を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、繊維成分と、摩擦調整成分と、結合成分とを含む摩擦材組成物であって、繊維成分として組成物全量に対し、耐熱有機繊維を２体積％以上２０体積％以下、セラミック繊維を５体積％以上２０体積％以下、金属繊維を５体積％以上２５体積％以下含み、摩擦調整成分として、モース硬度６以上の硬質粒子１種又は２種以上を５体積％以上３０体積％以下含み、結合成分として組成物全量に対し、熱硬化性樹脂を含む摩擦材組成物を提供する。
【０００８】
また、前記摩擦材組成物において、繊維成分の合計が摩擦材組成物全量に対し１５体積％以上４５体積％以下であるものを提供する。
また、前記摩擦材組成物において、圧縮強度が５０ＭＰａ以上であるものを提供する。
【０００９】
また、前記摩擦材組成物において、固体潤滑成分を含まないものを提供する。
【００１０】
また、前記摩擦材組成物において、融点が６００℃以下の摩擦調整成分を含まないものを提供する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の摩擦材組成物について詳細に説明する。
【００１２】
本発明の摩擦材組成物は、繊維成分、摩擦調整成分、結合成分を含む。繊維成分としては、耐熱有機繊維、セラミック繊維及び金属繊維を含む。
【００１３】
耐熱性有機繊維としては、アラミド繊維、アクリル繊維、ポリイミド繊維、フェノール繊維等が挙げられる。セラミック繊維として特に制限はないが、アルミナシリカ系繊維を用いるのが好ましく、平均粒径１μｍ以上２００μｍ以下、長さ１μｍ以上５ｍｍ以下のものを用いるのが好ましい。金属繊維の組成成分として特に制限はないが、繊維径３μｍ以上３００μｍ以下、繊維長０．５ｍｍ、ビッカース硬度５００以下のＣｕ合金系繊維又はＦｅ系繊維を用いるのが好ましい。
【００１４】
本発明の摩擦材組成物において、前記耐熱有機繊維は、組成物全量に対し２体積％以上２０体積％以下含まれる。耐熱有機繊維の含有量を２体積％以上とすることで組成物の成型が容易になる。また、耐熱有機繊維の含有量を２０％以下とすることで混合時の均一性が高くなる。セラミック繊維は、組成物全量に対し５体積％以上２０体積％以下含まれる。セラミック繊維の含有量を５体積％以上とすることで、組成物が十分に大きな摩擦係数μを示すようになる。また、セラミック繊維の含有量を２０％以下とすることで、組成物の摩耗量が低減する（組成物が摩耗し難くなる）。金属繊維は、組成物全量に対し５体積％以上２５体積％以下含まれる。金属繊維の含有量を５体積％以上とすることにより、組成物が十分な耐久性を示す。金属繊維の含有量を２５体積％以下とすることにより、組成物の熟成型時にひび割れが生じ難くなる。但し、これら繊維成分の合計は組成物全量に対し１５体積％以上４５体積％以下であるのが好ましい。これら繊維成分の含有量を１５体積％以上とすることにより、各成分の混合時に十分に高い均一性が確保されるようになり、これら繊維成分の含有量を４５体積％以下とすることにより、組成物の成型時にひび割れが生じ難くなる。
【００１５】
本発明の摩擦材組成物は、摩擦調整成分として、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＳｉＣ、ＺｒＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３等、モース硬度６以上の硬質粒子１種又は２種以上を組成物全量に対し５体積％以上３０体積％以下含む。摩擦調整成分の硬質粒子は、何れもセラミック粉として粒径１μｍ以上２００μｍ以下のものを用いるのが好ましい。硬質粒子の含有量を５体積％以上とすることで、当該硬質粒子を含有することによる摩擦作用の向上が有意に認められ、摩擦調整成分の含有量を３０体積％以下にしておけば、摩擦作用が過剰に高くなることがない（摩擦材の相手部材に対する攻撃性が強くなりすぎることがない）。また、任意の摩擦調整成分として、チタン酸カリウム、カルシウム塩、焼成雲母等を混合してもよい。但し、摩擦調整成分として融点が６００℃以下のものを含まないことが好ましい。また、グラファイト、ＭｏＳ_２、Ｓｂ_２Ｓ_３等の固体潤滑成分を含まないことが好ましい。
【００１６】
前記結合成分は、少なくとも熱硬化性樹脂を含む。熱硬化性樹脂としては、フェノール樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂又はこれらの変性樹脂等が挙げられる。また、これらの樹脂を、適宜組み合わせて使用することもできる。
【００１７】
本発明の摩擦材組成物は、その圧縮強度が５０ＭＰａ以上である。
【００１８】
本発明の摩擦材組成物は、上記の各種成分（原料）をブレンダ等で混合し、得られた粉末状混合物を予備成型金型に入れ予備成型し、その後、その予備成型物を熱成型金型に投入して加圧加熱成型し、さらに熱処理を行うことによって得られる。
【００１９】
なお、摩擦材組成物の予備成型、加圧加熱成型及び熱処理の条件について、特に制限はないが、熱成型時の温度は１２０℃〜２５０℃、最終の熱加圧は２０ＭＰａ〜８０ＭＰａ、加圧時間は１００秒〜２００秒とするのが好ましい。
【００２０】
また、初期摩擦係数の安定化のため摩擦材の表面を加熱するいわゆる表面焼き処理を実施してもよい。
【００２１】
上記構成を採ることにより、摩擦材組成物として好ましい以下の特性が得られる。
１．摩擦係数（動摩擦係数）μが高まり、その安定性も向上する。
２．適度な剛性を有する。
３．高い面圧に耐える。
４．大エネルギーの摺動に対しても摩耗量が少ない。
５．耐焼付性が高まる。
６．摩擦材組成物の圧縮強度が５０ＭＰａを上回ることで、クリープ変形量（歪み）が減少し、摩擦係数μの安定性が高まる。
７．摩擦調整成分として融点が６００℃以下のものを含有しないこと、グラファイト、ＭｏＳ_２、Ｓｂ_２Ｓ_３等の固体潤滑成分を含有しないことにより、摩擦係数μ及びその安定性は一層高まる。
【００２２】
このような特性を有する本発明の摩擦材組成物を、例えば中高層構造物の制震用摩擦ダンパー装置の摩擦材組成物として用いた場合、制震用摩擦ダンパー装置の摩擦材組成物に必要な安定した摩擦係数（動摩擦係数）μを有し、適度な剛性を有し、高い面圧に耐え、大エネルギーの摺動に対しても摩耗量が少なく、さらに十分な耐焼付性を有する。また、製造法も簡便であり、製造コストも低いため、産業上非常に有益である。また、本発明の摩擦材組成物は、制震用摩擦ダンパー装置の摩擦材以外の摺動用部材にも広く適用することができる。
【００２３】
【実施例】
以下、本発明の実施例を比較例とともに説明するが、本発明はこれら実施例により何ら制限されるものではない。
【００２４】
有機繊維（商品名「ケブラー繊維」；デュポン社製）、セラミック繊維、金属繊維（銅繊維）、結合成分（フェノール樹脂）及び摩擦調整成分（Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＣ、ＺｒＯ_２、Ｆｅ_２Ｏ_３）を適宜の配合率で配合し、摩擦材組成物を得た。
【００２５】
摩擦材の作製は、先ず原料をブレンダで十分均一に混合した後、粉末状混合物を予備成型金型に投入し、常温下、圧力約４０ＭＰａで約５秒間加圧し、予備成型物を形成した。次いで熱成型金型にセットし、加圧圧力５０ＭＰａ、温度１５０℃で７分間熱成型した。これをさらに２５０℃で３時間処理しダンパー用摩擦材組成物を得た。また、上部ガスバーナー式輻射型表面焼き装置によって、表面焼きを実施した。
【００２６】
〔動的載荷試験〕
次に、上記手順に従って作製された摩擦材組成物のサンプルと、中板（摩擦材に接触する相手部材に相当）とを用いて、動的載荷試験を実施した。
【００２７】
なお、この動的載荷試験には、図１に示すように、アクチュエータ１の駆動力によって中板２を高速で往復動させ、固定された試験片（サンプル）３に対して摺動させる機能を有する周知の高速載荷試験機１０を使用した。
【００２８】
試験条件は、以下の通りである。
摩擦材：実施例、比較例
中板：ステンレス板（ＳＵＳ３０４，６ｍｍ厚）
摩擦断面：１４０×７０ｍｍ
平均面圧：１６２ｋｇ／ｃｍ^２
ボルト軸力：８．０トン
載荷周波数：３Ｈｚ
載荷振幅：±３０ｍｍ
載荷波形：ｓｉｎ波
載荷回数：５サイクル×８回
測定項目：摩擦係数（動摩擦係数）μ・摩擦係数μの変化・摩耗量（試験前後の摩擦材の厚み変化量）
この他、耐久性を評価するために常温圧縮クリープ試験を行い、厚み変化量（面荷重：２０ＭＰａ、時間：１０００ｈ）を測定した。
【００２９】
〔試験結果に基づく考察〕
表１、表２及び表３には、摩擦材組成物として、本発明の実施例であるサンプルと、その比較例であるサンプルとの間にみられる特性の相違を示す。
【００３０】
【表１】

【００３１】
表１において、符号「ａ」〜「ｍ」は、本発明にかかる摩擦材組成物のサンプル（実施例：有機繊維、セラミック繊維及び金属繊維の全成分の配合率が本発明の適用範囲内であるもの）である。また、符号「１」〜「９」は、比較例のサンプル（有機繊維、セラミック繊維及び金属繊維のうち少なくとも一成分の配合率が本発明の適用範囲外であるもの）である。また、比較例のうち符号「９」の組成物は、従来から自動車用ブレーキ等に用いられている摩擦材組成物（ノンアスベスト系）である。なお、実施例及び比較例を含め、表１中の全てのサンプルは、融点が６００℃以下の摩擦調整成分（例えばカシューダスト等）を含まない。
【００３２】
また、図２には、表１中の４サンプルについて、上記試験における高速載荷試験機の作動中に観測された摩擦係数μの変化を示す。なお、図２（ａ）は実施例「ａ」、図２（ｂ）は実施例「ｂ」、図２（ｃ）は比較例「１」、図２（ｄ）は比較例「４」に関するものである。
【００３３】
ちなみに、表１中に示す摩擦係数μの安定性は、図２に現れるような摩擦係数μの変動幅に基づいて判定した。具体的には、往動時及び復動時に観測された摩擦係数の変動幅が「０．０５」未満であった場合、そのサンプルの摩擦係数μの安定性は「○」であると判定した。一方、往動時及び復動時に観測された摩擦係数μの変動幅が「０．０５」以上であった場合、そのサンプルの摩擦係数μの安定性は「×」であると判定した。また、往動時又は復動時において摩擦係数μの変動幅が「０．０５」以上であった場合、そのサンプルの摩擦係数μの安定性は「△」であると判定した。また、試験実施によるサンプルの摩耗量が「１００μｍ」未満である場合にはそのサンプルの摩耗量は「小」であると判定し、摩耗量が「１００μｍ」以上である場合にはそのサンプルの摩耗量は「大」であると判定した。
【００３４】
表１及び図２に示すように、実施例及び比較例を比べると、各実施例は摩擦係数が高く、しかも安定している（変動幅が小さい）のに対し、各比較例は摩擦係数μが低いか、その変動幅が大きい。例えば、サンプル「１」、「４」をはじめ他、全ての比較例で、往動時及び復動時の少なくとも一方において摩擦係数μが「０．０５」以上の変動幅で変動するのが観測された。これに対し、サンプル「ａ」、「ｂ」他、全ての実施例で、往動時及び復動時の何れにおいても摩擦係数μの変動はほとんどみられなかった（図２参照）。
【００３５】
表２には、摩擦材組成物として、圧縮強度が高い（本発明の適用範囲内である）サンプル（実施例）と、圧縮強度の低い（本発明の適用範囲外である）サンプル（比較例）との間にみられる特性の相違を示す。
【００３６】
【表２】

【００３７】
表２に示すように、実施例（圧縮強度が高い組成物）に比べ、比較例（圧縮強度の低い組成物）は、クリープ変形量が大きく摩擦係数μの安定性が低い。
【００３８】
表３には、摩擦材組成物として、低融点摩擦調整成分（例えばカシューダスト等）及び固体潤滑成分（例えばグラファイト等）を含有しないサンプル（実施例）と、低融点摩擦調整成分及び固体潤滑成分の何れかを含有するサンプル（比較例）との間にみられる特性の相違を示す。
【００３９】
【表３】

【００４０】
表３に示すように、低融点（６００℃以下）の摩擦調整成分を含まず、且つ、固体潤滑成分を含まないサンプル（実施例）は、高い摩擦係数μを示し、摩擦係数μの安定性も高い。
【００４１】
【発明の効果】
本発明の摩擦材組成物は、高く安定した摩擦係数を有する。
また、適度な剛性を有し高い面圧に耐える。
さらに、制震用摩擦ダンパー装置の摩擦材組成物として、大エネルギーの摺動に対しても十分な耐摩耗性、耐食性、耐焼付性を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】高速載荷試験機の概略構成図。
【図２】動的載荷試験での観測結果として、中板に対する摩擦材組成物の摩擦係数の変化を示すグラフ。
【符号の説明】
１アクチュエータ
２中板（ステンレス板）
３摩擦材組成物の試験片（サンプル）
１０高速載荷試験機

Claims

繊維成分と、摩擦調整成分と、結合成分とを含む摩擦材組成物であって、
繊維成分として組成物全量に対し、耐熱有機繊維を２体積％以上２０体積％以下、セラミック繊維を５体積％以上２０体積％以下、金属繊維を５体積％以上２５体積％以下含み、
摩擦調整成分として組成物全量に対し、モース硬度６以上の硬質粒子１種又は２種以上を５体積％以上３０体積％以下含み、
結合成分として、熱硬化性樹脂を含む摩擦材組成物。
前記繊維成分の合計は摩擦材組成物全量に対し１５体積％以上４５体積％以下である請求項１記載の摩擦材組成物。
圧縮強度が５０ＭＰａ以上である請求項１又は２記載の摩擦材組成物。
固体潤滑成分を含まない請求項１〜３の何れかに記載の摩擦材組成物。
融点が６００℃以下の摩擦調整成分を含まない請求項１〜４の何れかに記載の摩擦材組成物。