JP2005291449A - 摩擦係合装置用摩擦部材およびその製造方法 - Google Patents
摩擦係合装置用摩擦部材およびその製造方法 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】 軽量化を図ることができるとともに、耐衝撃性に強く、しかも、摺動抵抗の向上を図ることができる摩擦係合装置用摩擦部材およびその製造方法を提供する。
【解決手段】 摩擦係合装置用摩擦部材１０は、炭素系バインダおよび添加物からなるマトリックスと、そのマトリックスに分散する炭素繊維とにより形成した前駆体を、加熱処理することにより得られた炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材であって、その気孔率が２０〜６０％にされてなるようにした。
【選択図】 図１
【解決手段】 摩擦係合装置用摩擦部材１０は、炭素系バインダおよび添加物からなるマトリックスと、そのマトリックスに分散する炭素繊維とにより形成した前駆体を、加熱処理することにより得られた炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材であって、その気孔率が２０〜６０％にされてなるようにした。
【選択図】 図１
Description
本発明は、摩擦係合装置用摩擦部材およびその製造方法に関し、特に、自動車の自動変速機用クラッチ等の摩擦係合装置に使用されるのに好適な摩擦係合装置用摩擦部材およびその製造方法に関するものである。
従来、自動車の自動変速機用クラッチ等の摩擦係合装置は、鉄系の金属からなるプレート状の芯金に、セルロース繊維等の摩擦材を接合して形成される摩擦部材を備えている。
摩擦材は、一般に、ペーパー摩擦材といわれ、摩擦材用の樹脂を有機溶媒で溶解したものを有機系繊維基材の抄紙体に含浸させ、乾燥、加熱硬化工程を経て得られる。また、小型軽量化を図るために、炭素系繊維で形成した摩擦材も知られている（例えば、特許文献１参照）。
摩擦材は、一般に、ペーパー摩擦材といわれ、摩擦材用の樹脂を有機溶媒で溶解したものを有機系繊維基材の抄紙体に含浸させ、乾燥、加熱硬化工程を経て得られる。また、小型軽量化を図るために、炭素系繊維で形成した摩擦材も知られている（例えば、特許文献１参照）。
このような摩擦材の接合された摩擦部材は、相手側となるセパレータプレートとともに複数枚交互に重ねられて、多板形クラッチを構成し、摩擦係合装置の駆動力伝達部材として配置される。そして、摩擦係合装置は、摩擦部材がセパレータプレートに対して圧接あるいは離間されることにより、エンジン側からの駆動力が車輪側に伝達され、あるいは駆動力が車輪側と遮断されるようになっている。
特開平１１−５８５０号公報（段落００１９〜００２０）
前記した従来の摩擦係合装置に用いられる摩擦部材では、芯金となる部分が金属製基板で構成されていたため、重量が嵩むという問題を有しており、軽量化が望まれていた。
摩擦部材を軽量化するための方策としては、摩擦部材の全体を芯金の部分も含めて炭素系繊維で焼き固めて構成することが挙げられる。しかし、そうすると、摩擦部材の軽量化は可能になるが、耐衝撃性が低下するという問題を生じる。
摩擦部材を軽量化するための方策としては、摩擦部材の全体を芯金の部分も含めて炭素系繊維で焼き固めて構成することが挙げられる。しかし、そうすると、摩擦部材の軽量化は可能になるが、耐衝撃性が低下するという問題を生じる。
また、このような摩擦部材を製造するためには、一般的に、１０００〜２０００℃の高温域における高温焼成でカーボンを焼き固め、そして揮発して形成された空隙に、樹脂液を含浸し再度焼成するという作業を何度も繰り返し行う必要がある。このため、摩擦部材の製造に時間がかかるとともに、高価になるという問題があった。
さらに、自動変速機用クラッチ等の摩擦係合装置においては、近年、性能の高度化、高機能化が進んでおり、これに伴って、摩擦部材に対する摩擦係数（摩擦特性）の向上が求められている。
そこで、本発明は、軽量化を図ることができるとともに、耐衝撃性に強く、しかも、摩擦係数の向上を図ることができる摩擦係合装置用摩擦部材およびその製造方法を提供することを課題とする。
本発明者等は、摩擦部材の軽量化を図るために鋭意検討を重ねた結果、従来のように完全に焼き固めを行わずに、樹脂成分が残っている状態、つまり、マトリックスが完全に炭化していない状態に焼成処理を行うことにより、気孔分が存在する炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材を作製することで、自動変速機用クラッチ等の摩擦係合装置に使用して好適な摩擦部材が得られることを見出し、本発明に至ったのである。
すなわち、前記課題を達成するために本発明の請求項１に係る摩擦係合装置用摩擦部材は、炭素系バインダおよび添加物からなるマトリックスと、そのマトリックスに分散する炭素繊維とにより形成した前駆体を、加熱処理することにより得られた炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材であって、その気孔率が２０〜６０％にされてなることを特徴とするものである。
請求項１に記載の発明によれば、炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材は、炭素系バインダおよび添加物からなるマトリックスとそのマトリックスに分散する炭素繊維とにより形成した前駆体を、加熱処理することにより形成することができる。
そして、炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材の気孔率が２０〜６０％となるように規定したので、気孔の存在による摩擦係数の向上を図ることができるようになり、例えば、自動変速機用クラッチ等の摩擦係合装置の摩擦部材として適用した場合に必要な特性を満たすことができる。ここで、気孔率が２０％を下回ると、気孔量が不十分となるため、オイルによる潤滑が速やかに行われ難くなり、良好な摩擦特性が得られないとともに、摩擦部の冷却不足を招きやすくなる。また、気孔率が６０％を超えると、摩擦部材の靱性に影響が出やすくなり、耐衝撃性が低下して、耐久性が早期に低下しやすくなる。
これに対し、本発明では、気孔率が２０〜６０％となるように規定したので、例えば、自動変速機用クラッチ等の摩擦係合装置の摩擦部材として適用した場合に、摩擦面に潤滑供給されるオイルの保持力が高まり、良好な摩擦特性を得ることができるとともに、その耐久性を向上させることができるようになる。
ここで、炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材の気孔率が２０〜６０％となるように行う加熱処理としては、処理温度を低温域、例えば、３００〜６００℃に設定した低温焼成によるものが挙げられる。
これに対し、本発明では、気孔率が２０〜６０％となるように規定したので、例えば、自動変速機用クラッチ等の摩擦係合装置の摩擦部材として適用した場合に、摩擦面に潤滑供給されるオイルの保持力が高まり、良好な摩擦特性を得ることができるとともに、その耐久性を向上させることができるようになる。
ここで、炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材の気孔率が２０〜６０％となるように行う加熱処理としては、処理温度を低温域、例えば、３００〜６００℃に設定した低温焼成によるものが挙げられる。
また、本発明の請求項２に係る摩擦係合装置用摩擦部材は、炭素系バインダおよび添加物からなるマトリックスと、そのマトリックスに分散する炭素繊維とにより形成した前駆体を、前記マトリックスが残留した状態に加熱処理することにより得られた炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材であって、その気孔率が２０〜６０％にされてなることを特徴とする。
請求項２に記載の発明によれば、炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材は、炭素系バインダおよび添加物からなるマトリックスとそのマトリックスに分散する炭素繊維とにより形成した前駆体を、加熱処理することにより形成することができる。
そして、前駆体の加熱処理は、マトリックスが残留した状態、つまり、完全に焼き固められない状態（マトリックスが完全に炭素化していない状態）に行われることとなる。これにより、従来のように全体を焼き固めて形成したものに比べて、炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材に靱性や弾性が備わるようになり、例えば、自動変速機用クラッチ等の摩擦係合装置の摩擦部材として適用した場合に好適な、衝撃性に耐え得る所望の強度を有したものとすることができる。
そして、前駆体の加熱処理は、マトリックスが残留した状態、つまり、完全に焼き固められない状態（マトリックスが完全に炭素化していない状態）に行われることとなる。これにより、従来のように全体を焼き固めて形成したものに比べて、炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材に靱性や弾性が備わるようになり、例えば、自動変速機用クラッチ等の摩擦係合装置の摩擦部材として適用した場合に好適な、衝撃性に耐え得る所望の強度を有したものとすることができる。
また、完全に焼き固める必要が無くなるので、従来のような、炭素繊維を完全に焼き固める際の煩雑な作業を排除することができ、例えば、１回の加熱処理により、所望の炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材を得ることができる。これにより、従来に比べ短時間で、かつ安価に摩擦部材を形成することができる。
さらに、気孔率が２０〜６０％となるように規定したので、前記請求項１で説明した内容と同様の作用効果が得られる。すなわち、気孔の存在による摩擦係数の向上を図ることができ、例えば、自動変速機用クラッチ等の摩擦係合装置の摩擦部材として適用した場合に、摩擦面に潤滑供給されるオイルの保持力が高まり、良好な摩擦特性が得られ、耐久性が向上する。
また、炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材に残留したマトリックスがバインダの役割を成すので、気孔率が高く設定されても、炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材の靱性が良好に保持されるようになり、炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材の薄肉化を実現することができる。したがって、摩擦係合装置の小型化に寄与する摩擦部材が得られる。
また、請求項３に記載の発明に係る摩擦係合装置用摩擦部材は、炭素系バインダおよび添加物からなるマトリックスと、そのマトリックスに分散する炭素繊維とにより形成した前駆体を、３００〜６００℃で低温焼成することにより得られた炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材であって、その気孔率が２０〜６０％にされてなることを特徴とする。
請求項３に記載の発明によれば、炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材は、炭素系バインダおよび添加物からなるマトリックスとそのマトリックスに分散する炭素繊維とにより形成した前駆体を、３００〜６００℃で低温焼成することにより形成することができる。
そして、前駆体の加熱処理は、従来の焼成技術には無い３００〜６００℃で低温焼成することにより行われるので、マトリックスが完全に焼き固められることがなくなり（マトリックスが完全に炭素化していない状態とされ）、炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材にはマトリックスが残留されるようになる。これにより、従来のように全体を焼き固めして形成したものに比べて、炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材に靱性や弾性が備わるようになり、例えば、自動変速機用クラッチ等の摩擦係合装置の摩擦部材として適用した場合に好適な、衝撃性に耐え得る所望の強度を有したものとすることができる。
そして、前駆体の加熱処理は、従来の焼成技術には無い３００〜６００℃で低温焼成することにより行われるので、マトリックスが完全に焼き固められることがなくなり（マトリックスが完全に炭素化していない状態とされ）、炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材にはマトリックスが残留されるようになる。これにより、従来のように全体を焼き固めして形成したものに比べて、炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材に靱性や弾性が備わるようになり、例えば、自動変速機用クラッチ等の摩擦係合装置の摩擦部材として適用した場合に好適な、衝撃性に耐え得る所望の強度を有したものとすることができる。
また、完全に焼き固める必要が無くなるので、従来のような、炭素繊維を完全に焼き固める際の煩雑な作業を排除することができ、例えば、１回の加熱処理により、所望の炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材を得ることができる。これにより、従来に比べ短時間で、かつ安価に摩擦部材を形成することができる。
さらに、気孔率が２０〜６０％となるように規定したので、前記請求項１および請求項２のところで説明した内容と同様の作用効果が得られる。すなわち、気孔の存在による摩擦係数の向上を図ることができ、例えば、自動変速機用クラッチ等の摩擦係合装置の摩擦部材として適用した場合に、摩擦面に潤滑供給されるオイルの保持力が高まり、良好な摩擦特性が得られ、耐久性が向上する。
また、摩擦部材中のマトリックスがバインダの役割を成すので、気孔率が高く設定されても、炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材の靱性が良好に保持されるようになり、炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材の薄肉化を実現することができる。したがって、摩擦係合装置の小型化に寄与する摩擦部材が得られる。
また、請求項４に記載の発明に係る摩擦係合装置用摩擦部材は、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の摩擦係合装置用摩擦部材において、前記炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材における重量減少率が、非酸化雰囲気下において６００℃まで昇温した際に２０％を超えないようにされてなることを特徴とする。
請求項４に記載の発明によれば、非酸化雰囲気下において６００℃まで昇温した際の炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材の重量減少率が２０％を超えないように規定したので、炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材の気孔率や強度、摩擦特性が、例えば自動変速機用クラッチ等の摩擦係合装置の摩擦部材として適用した場合に好適な摩擦部材が得られる。なお、気孔率は、マトリックスの配合量により前記２０〜６０％の範囲で変動を生じるため、このように炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材の重量減少率を規定することは、所望の強度を備えた品質のよい摩擦部材を得る上で有効であると言える。
さらに、請求項５に記載の発明に係る摩擦係合装置用摩擦部材は、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の摩擦係合装置用摩擦部材において、前記炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材の曲げ強さＲが６０ＭＰａ以上であることを特徴とする。
請求項５に記載の発明によれば、炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材の曲げ強さＲが６０ＭＰａ以上となるように規定したので、衝撃性に強く、例えば、自動変速機用クラッチ等の摩擦係合装置の摩擦部材として適用した場合に好適な摩擦部材が得られる。
また、請求項６に記載の発明に係る摩擦係合装置用摩擦部材は、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の摩擦係合装置用摩擦部材において、摩擦部材本体と摩擦層とが前記前駆体により一体的に形成されてなることを特徴とする。
請求項６に記載の発明によれば、前記前駆体により、摩擦部材本体と摩擦層とが一体的に形成されるので、従来のような金属製の芯金を用いた摩擦部材に比べて、大幅な軽量化を図ることができる。このように軽量化されることにより、例えば、自動変速機用クラッチ等の摩擦係合装置の摩擦部材として適用した場合に、摩擦部材が回転することにより生じる慣性を低減することができるようになり、駆動力の伝達ロスを少なくすることができる。これにより、自動車の自動変速機用クラッチ等の摩擦係合装置に用いた場合、燃料消費量の低減を図ることも可能になる。
さらに、請求項７に記載の発明に係る摩擦係合装置用摩擦部材の製造方法は、炭素系バインダおよび添加物からなるマトリックスとそのマトリックスに分散する炭素繊維とにより前駆体を形成し、前記マトリックスが残留した状態に前記前駆体を低温焼成して、炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材の気孔率を２０〜６０％にさせることを特徴とする。
請求項７に記載の発明によれば、炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材は、炭素系バインダおよび添加物からなるマトリックスとそのマトリックスに分散する炭素繊維とにより形成した前駆体を、マトリックスが残留した状態に低温焼成することにより形成することができる。
そして、前駆体は低温焼成により、マトリックスが残留した状態、つまり、完全に焼き固められる状態にならないようにされる。これにより、従来のように全体を焼き固めて形成したものに比べて、炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材に靱性や弾性が備わるようになり、例えば、自動変速機用クラッチ等の摩擦係合装置の摩擦部材として適用した場合に好適な、衝撃性に耐え得る所望の強度を有したものとすることができる。
そして、前駆体は低温焼成により、マトリックスが残留した状態、つまり、完全に焼き固められる状態にならないようにされる。これにより、従来のように全体を焼き固めて形成したものに比べて、炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材に靱性や弾性が備わるようになり、例えば、自動変速機用クラッチ等の摩擦係合装置の摩擦部材として適用した場合に好適な、衝撃性に耐え得る所望の強度を有したものとすることができる。
また、完全に焼き固める必要が無くなるので、従来のような、炭素繊維を完全に焼き固める際の煩雑な作業を排除することができ、例えば、１回の低温焼成により、所望の炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材を得ることができる。これにより、従来に比べ短時間で、かつ安価に摩擦部材を形成することができる。
さらに、気孔率が２０〜６０％となるように規定したので、前記請求項１から請求項３のところで説明した内容と同様の作用効果が得られる。すなわち、気孔の存在による摩擦係数の向上を図ることができ、例えば、自動変速機用クラッチ等の摩擦係合装置の摩擦部材として適用した場合に、摩擦面に潤滑供給されるオイルの保持力が高まり、良好な摩擦特性が得られ、耐久性が向上する。
また、炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材に残留したマトリックスがバインダの役割を成すので、気孔率が高く設定されても、炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材の靱性が良好に保持されるようになり、炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材の薄肉化を実現することができる。したがって、摩擦係合装置の小型化に寄与する摩擦部材が得られる。
本発明の摩擦係合装置用摩擦部材およびその製造方法によれば、軽量化を図ることができるとともに、耐衝撃性に強く、しかも、摩擦係数の向上を図ることができる摩擦係合装置用摩擦部材が得られる。
以下、図面を参照して本発明に係る摩擦係合装置用摩擦部材の実施の形態を説明する。
図１は本発明の一実施の形態に係る摩擦係合装置用摩擦部材が適用される摩擦係合装置の要部の断面図、図２は本発明の一実施の形態に係る摩擦係合装置用摩擦部材を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は図２（ａ）のｂ−ｂ線断面図、図３はセパレータプレートを示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は図３（ａ）のｂ−ｂ線断面図である。
図１は本発明の一実施の形態に係る摩擦係合装置用摩擦部材が適用される摩擦係合装置の要部の断面図、図２は本発明の一実施の形態に係る摩擦係合装置用摩擦部材を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は図２（ａ）のｂ−ｂ線断面図、図３はセパレータプレートを示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は図３（ａ）のｂ−ｂ線断面図である。
本実施の形態の摩擦係合装置用摩擦部材（以下、摩擦部材という）は、例えば、図１に示すように、自動車の自動変速機用クラッチ等の摩擦係合装置１における湿式多板クラッチＣに適用される。摩擦部材１０は、炭素系バインダおよび添加物からなるマトリックスと、そのマトリックスに分散する炭素繊維とにより形成した前駆体を低温焼成することにより形成される、炭素繊維／炭素質複合材（Ｃ／Ｃ複合材）製摩擦部材である。そして摩擦部材１０は、摩擦部材本体（芯金となる部分）と摩擦層（後記するセパレータプレート２０に摺接する部分）とが前記前駆体により一体的に形成されてなる。
本実施形態の摩擦係合装置１は、図示しないエンジンとモータ・ジェネレータＭＧとを備えたハイブリッド車に適用されるものであり、図示しないエンジンからのクランクシャフト２と、トランスミッション（図示せず）からのメインシャフト３との間に、前記モータ・ジェネレータＭＧと、ダンパＤと、前記湿式多板クラッチＣとが直列に配置されて構成される。
モータ・ジェネレータＭＧは、そのロータ４がボルト１ａを介してクランクシャフト２に固定されており、そのロータ４に、ボールベアリング５を介して湿式多板クラッチＣのクラッチ入力軸６が支持される。クラッチ入力軸６には、クラッチケース７の一端側が溶接されて固定される。クラッチケース７は、第１ケース７ａと、この第１ケース７ａの外周部に重ね合わされて溶接された第２ケース７ｂとから構成される。クラッチケース７の第１ケース７ａの内面には、クラッチガイド８が固定される。一方、第２ケース７ｂは、オイルポンプ（図示せず）を駆動するためのオイルポンプハブ９に溶接される。このオイルポンプハブ９は、ミッションケース３０にボールベアリング１１を介して支持され、オイルポンプハブ９とミッションケース３０との間にオイルシール１２が配置される。
トランスミッションのメインシャフト３は、その小径端部３ａがクラッチ入力軸６の支持孔に軸受メタル６ａを介して支持される。メインシャフト３の外周部には、クラッチハブ１３がスプライン結合され、その一端部がスラストベアリング１３ａを介してクラッチ入力軸６の端面に対向しているとともに、他端部がスラストベアリング１３ａを介して第２ケース７ｂの内面に対向している。
また、メインシャフト３の外周面とオイルポンプハブ９の内周面との間には、筒状のオイルセパレータ９ａが配置されており、このオイルセパレータ９ａの端部外周面とクラッチハブ１３の端部内周面との間にシールリング１３ｃが配置される。
また、メインシャフト３の外周面とオイルポンプハブ９の内周面との間には、筒状のオイルセパレータ９ａが配置されており、このオイルセパレータ９ａの端部外周面とクラッチハブ１３の端部内周面との間にシールリング１３ｃが配置される。
湿式多板クラッチＣは、摩擦部材１０および相手材としてのセパレータプレート２０が交互に重ねられて各５枚ずつ配置されている。摩擦部材１０は、クラッチハブ１３の外周部に、その内歯１０ａ（図２（ａ），（ｂ）参照）がスプライン嵌合した状態に設けられ、また、セパレータプレート２０は、クラッチガイド８の内周部に、その外歯２０ａ（図３（ａ），（ｂ）参照）がスプライン嵌合した状態に設けられる。図１に示すように、最外側に配置される摩擦部材１０の側方には、エンドプレート１７が配置される。このエンドプレート１７は、シールリング１７ａを介して、クラッチハブ１３の外周部に設けられた環状の仕切り部材１７ｂに当接している。また、エンドプレート１７の側方で、第２ケース７ｂの内側面には、エンドプレート１７と密着し得る平坦な複数の受圧面７ｃが形成されており、各受圧面７ｃ（図では１つのみ図示）の間には、オイル溝７ｄが放射方向に形成されている。
クラッチガイド８とクラッチ入力軸６との間には、内外一対のＯリング８ａ，８ａを介してクラッチピストン１４が摺動自在に嵌合しており、そのクラッチピストン１４と第１ケース７ａとの間にクラッチ油室１４ａが区画される。このクラッチ油室１４ａは、クラッチ入力軸６を半径方向に貫通するオイル通路６ｂを介してメインシャフト３の内部に形成されたオイル通路３ｂに連通している。また、クラッチピストン１４には、最外側のセパレータプレート２０が当接可能に対向している。
湿式多板クラッチＣの内側において、クラッチ入力軸６には、クリップ１５ａでスプリングシート１５が支持されており、このスプリングシート１５とクラッチピストン１４との間に、クラッチスプリング１６が圧縮状態で挿入されている。これにより、クラッチピストン１４は、最外側のセパレータプレート２０から離れる方向（係合解除方向）に付勢されるようになっている。
摩擦部材１０、セパレータプレート２０およびエンドプレート１７の摺動領域は、クラッチハブ１３を貫通する複数の貫通孔１３ｂ（図では１つのみ図示）を介して、メインシャフト３とオイルセパレータ９ａとの間に形成されたオイル通路１８に連通している。また、前記摺動領域は、第２ケース７ｂの各オイル溝７ｄ（図では１つのみ図示）からクラッチハブ１３とオイルポンプハブ９との間に形成されたオイル通路１９ａを介して、オイルポンプハブ９の内周面とオイルセパレータ９ａの外周面との間に形成されたオイル通路１９ｂに連通している。したがって、前記摺動領域には、これらの通路を介してオイルが供給されるようになっている。
本実施形態の摩擦部材１０は、前記のように、前駆体を３００〜６００℃の低温焼成で、マトリックスが残留した状態に加熱処理を行うことにより、炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材の気孔率が２０〜６０％にされてなるように形成した。また、後記するように、非酸化雰囲気下において６００℃まで昇温した際の前駆体の重量減少率が２０％を超えないように形成するとともに、曲げ強さＲが６０ＭＰａ以上になるように形成した。
前記摩擦部材１０の材料として用いられる炭素繊維（ＣＦ）としては、ピッチ系やＰＡＮ（ポリアクリロニトリル）系、レーヨン系等の任意のものを使用することができる。また、炭素繊維としては未炭化炭素質繊維も使用することができる。炭素繊維の繊維長さおよび繊維径は特に限定されるものではなく、任意のものを使用することができる。炭素系バインダとしては、フェノール樹脂、フラン樹脂、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂、または、石油系、石炭系等のピッチ類、または、これらの樹脂にピッチ類を配合してなる組成物質を使用することができ、この中でも高い結合強度を得ることができるフェノール樹脂が好ましい。このような炭素系バインダは前駆体（または炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材）の靱性を高めるためのバインダとしても作用する。添加物としては、石油系および／または石炭系コークス粉末や適宜のセラミック粉末、繊維質や有機質バインダ等を用いることができる。
このような摩擦係合装置１に用いられる摩擦部材１０を次のような方法で製造した。
（１）前記炭素繊維、炭素系バインダ、添加物をよくかき混ぜて、ドーナツ状金型に充填し、金型温度を２５０℃、圧力を１０ＭＰａの条件下でホットプレスを行い、前駆体を形成した。なお、炭素繊維（ＣＦ）とマトリックスとの配合割合は、特に制限はないが、例えば、表１の例１〜１４に示すように、種々の態様を採り得る。
（２）次いで、得られた前駆体を加熱炉内に設置して、窒素ガス雰囲気中、焼成温度３００〜６００℃で、約２時間の低温焼成（加熱処理）を行い、炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材を得た。このときの、炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材のデータを焼成温度３００℃、４００℃、５００℃、６００℃に分けて表１に示した。
（３）得られた炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材にプレス打ち抜き機で内歯１０ａおよび外周部１０ｂ（図２（ａ），（ｂ）参照）を形成し、その後、仕上げ加工として摩擦面（セパレータプレート２０との摺動面）に対して研削を行った。これにより、厚さ１．８ｍｍの摩擦部材１０が形成された。
（１）前記炭素繊維、炭素系バインダ、添加物をよくかき混ぜて、ドーナツ状金型に充填し、金型温度を２５０℃、圧力を１０ＭＰａの条件下でホットプレスを行い、前駆体を形成した。なお、炭素繊維（ＣＦ）とマトリックスとの配合割合は、特に制限はないが、例えば、表１の例１〜１４に示すように、種々の態様を採り得る。
（２）次いで、得られた前駆体を加熱炉内に設置して、窒素ガス雰囲気中、焼成温度３００〜６００℃で、約２時間の低温焼成（加熱処理）を行い、炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材を得た。このときの、炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材のデータを焼成温度３００℃、４００℃、５００℃、６００℃に分けて表１に示した。
（３）得られた炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材にプレス打ち抜き機で内歯１０ａおよび外周部１０ｂ（図２（ａ），（ｂ）参照）を形成し、その後、仕上げ加工として摩擦面（セパレータプレート２０との摺動面）に対して研削を行った。これにより、厚さ１．８ｍｍの摩擦部材１０が形成された。
この表１の炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材のデータに基づいて、炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材の気孔率Ｐ（％）と曲げ強さＲ（ＭＰａ）との関係を表したものが図４に示すグラフである。図４に示すように、焼成温度が高くなると、相対的に曲げ強さＲ（ＭＰａ）が低下することが分かる。これは、低温焼成により炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材にはマトリックスが残留した状態となるが、焼成温度が上がることにより揮発するマトリックスの分量が増えるためである。また、気孔率Ｐ（％）が上がると、その分、炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材には隙間が多くなるため、曲げ強さＲ（ＭＰａ）が低下することとなる。ここで、摩擦係合装置１（図１参照）に適用される摩擦部材１０の良好な曲げ強さＲ（ＭＰａ）を考えると、例えば、摩擦係合装置１に対する衝撃性の高い入力を考慮した場合に、摩擦特性（気孔率Ｐ（％）に影響される）が良好に維持されることが望ましい。そのことからすると、曲げ強さＲ（ＭＰａ）は、摩擦部材１０における内歯１０ａの耐久要件等、これまでの知見から６０ＭＰａ以上必要であると考えた。
また、表１の炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材（例１〜１４）に基づいて、炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材の気孔率Ｐ（％）とμ０／μｄとの関係を表したものが図５に示すグラフであり、また、摩擦特性を評価すべくＳＡＥ Ｎｏ．２試験機におけるトルク波形図を示したものが図６である。
摩擦評価試験は、炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材（摩擦部材１０、表１参照）例１〜１４のそれぞれについて、次のように行った。これら炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材からなる摩擦部材１０を２つのセパレータプレート２０，２０で挟み、それらを、ＳＡＥ Ｎｏ．２試験機に組み込み、面圧：０．９５ＭＰａ、回転速度：２９４０ｒｐｍ、イナーシャ：０．１２ｋｇ・ｍ2、試験油温：１００℃、試験サイクル数：５００サイクルの条件で摩擦評価試験を行って、摩擦係数μ０、μｄを測定した。これらのμ０、μｄは、図６のＳＡＥ Ｎｏ．２試験機におけるトルク波形に示されており、μｄは回転数１２００ｒｐｍ時の摩擦係数、μ０はトルクが急激に減少する直前の回転数２００ｒｐｍ時の摩擦係数である。ここで、μはトルクを、クラッチが係合するときの面圧で除した値である。これらの摩擦係数は回転マスを止めるブレーキングテストによる。なお、セパレータプレート２０にはカニゼンメッキを施した。
摩擦評価試験は、炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材（摩擦部材１０、表１参照）例１〜１４のそれぞれについて、次のように行った。これら炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材からなる摩擦部材１０を２つのセパレータプレート２０，２０で挟み、それらを、ＳＡＥ Ｎｏ．２試験機に組み込み、面圧：０．９５ＭＰａ、回転速度：２９４０ｒｐｍ、イナーシャ：０．１２ｋｇ・ｍ2、試験油温：１００℃、試験サイクル数：５００サイクルの条件で摩擦評価試験を行って、摩擦係数μ０、μｄを測定した。これらのμ０、μｄは、図６のＳＡＥ Ｎｏ．２試験機におけるトルク波形に示されており、μｄは回転数１２００ｒｐｍ時の摩擦係数、μ０はトルクが急激に減少する直前の回転数２００ｒｐｍ時の摩擦係数である。ここで、μはトルクを、クラッチが係合するときの面圧で除した値である。これらの摩擦係数は回転マスを止めるブレーキングテストによる。なお、セパレータプレート２０にはカニゼンメッキを施した。
図５に示すように、気孔率Ｐ（％）が上がる（オイル潤滑性が上がる）と、摩擦特性の指標としてのμ０／μｄが小さくなり、ジャダー振動を防止する上で優れたものとなる。ここで、前記のように、摩擦係合装置１に対する衝撃性の高い入力を考慮した場合にμ０／μｄは、条件的に１．０４以下に設定されることが望ましく、その点から気孔率Ｐ（％）を見てみると、気孔率Ｐ（％）は、２０〜６０％に設定されることが好ましい。なお、上限を６０％としたのは、気孔率Ｐ（％）が６０％を超えると、μ０／μｄにほとんど変化が見られず、また、この条件では摩擦部材１０が形成し難くなることと、図４に示したように十分な曲げ強さＲ（ＭＰａ）を得られなくなるからである。
ここで、摩擦部材１０における気孔は、主として、前駆体中の揮発成分が低温焼成により除去されることによって形成されるものであり、その気孔率Ｐ（％）の測定は、顕微鏡により表面に形成された気孔の大きさを測定する方法や公知の方法を用いることにより行うことができる。
ここで、摩擦部材１０における気孔は、主として、前駆体中の揮発成分が低温焼成により除去されることによって形成されるものであり、その気孔率Ｐ（％）の測定は、顕微鏡により表面に形成された気孔の大きさを測定する方法や公知の方法を用いることにより行うことができる。
次に、図７を参照して、使用環境下に曝された後の焼成温度に対する曲げ強さ低下率について説明する。図７に示すように、焼成温度が３００℃を下回ると、曲げ強さ低下率が極端に上昇することが分かる。これは、例えば、焼成温度が２００℃に下がると、炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材におけるマトリックスの残留量が過剰となり、摩擦部材１０として使用したときに、熱劣化を引き起こし易くなるためである。この点、焼成温度が３００〜６００℃の領域においては、曲げ強さ低下率（％）が２０％以下に抑えられることが分かり、耐久性に問題がなく使用に耐えうる摩擦部材１０が得られる。
ここで、焼成温度に対する炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材の重量減少率を図８を参照して説明する。図８は３００℃、４００℃、５００℃、６００℃の各焼成温度でそれぞれ焼成した炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材を、非酸化雰囲気下（窒素雰囲気下）において、６００℃までの温度に各１時間放置したときの重量減少率を表したグラフである。
図中線（１）は雰囲気温度３００℃における炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材の重量変化を示し、以下、図中線（２）は雰囲気温度４００℃、図中線（３）は雰囲気温度５００℃、図中線（４）は雰囲気温度６００℃における重量変化を示している。
なお、図から明らかであるように、４００℃、５００℃、６００℃のいずれの雰囲気温度においても、高温域となるにつれて、雰囲気温度３００℃時の線（１）上に重なってくる。
初めに、３００℃を下回る低温域について、図中線（１）を参照して説明すると、３００℃で焼成した炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材の重量を１００としたとき、３００℃を下回る低温域では、重量減少がほとんど表れていないことが分かる。これは、マトリックスの炭素化が進んでいない状態を表している。
次に、３００℃焼成品における重量変化について説明する。図８中線（１）で示すように、３００〜６００℃における重量減少を見ると、３００℃においては、重量が約１００％（符号（イ）を付した箇所）であったが、６００℃においては、重量が約８０．０％（符号（ロ）を付した箇所）となった。これにより、この間における重量減少率は、約２０％となった。
また、図８中線（２）で示すように、４００℃焼成品における重量変化について、４００〜６００℃における重量減少を見ると、４００℃においては、重量が約９４．９％（符号（ハ）を付した箇所）であったが、６００℃においては、前記同様に重量が８０．０％（符号（ロ）を付した箇所）となった。これにより、この間における重量減少率は、約１５．７％となった。
さらに、図８中線（３）で示すように、５００℃焼成品における重量変化について、５００〜６００℃における重量減少を見ると、５００℃においては、重量が約８６．１％（符号（ニ）を付した箇所）であったが、６００℃においては、前記同様に重量が８０．０％（符号（ロ）を付した箇所）となった。これにより、この間における重量減少率は、約７．１％となった。
なお、６００℃焼成品においては、重量が８０．０％（図中符号（ホ）を付した箇所：図中符号（ロ）を付した箇所と同じ）から高温焼成域となるにつれて、３００℃焼成品の線（１）上に重なる。
以上のように、各焼成温度３００℃、４００℃、５００℃、６００℃である焼成品のそれぞれの３００〜６００℃の重量減少率は、約２０％以下（２０％を超えない）に収まる結果となった。したがって、この範囲（３００〜６００℃）で低温焼成を行うことにより、炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材の気孔率や強度、摩擦特性が好適とされた摩擦部材１０を得ることができる。
なお、前記した気孔率Ｐ（％）は、マトリックスの配合量により前記２０〜６０％の範囲で変動を生じるため、このように炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材の重量減少率を規定することは、所望の強度を備えた品質のよい摩擦部材１０を得る上で有効であると言える。
図中線（１）は雰囲気温度３００℃における炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材の重量変化を示し、以下、図中線（２）は雰囲気温度４００℃、図中線（３）は雰囲気温度５００℃、図中線（４）は雰囲気温度６００℃における重量変化を示している。
なお、図から明らかであるように、４００℃、５００℃、６００℃のいずれの雰囲気温度においても、高温域となるにつれて、雰囲気温度３００℃時の線（１）上に重なってくる。
初めに、３００℃を下回る低温域について、図中線（１）を参照して説明すると、３００℃で焼成した炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材の重量を１００としたとき、３００℃を下回る低温域では、重量減少がほとんど表れていないことが分かる。これは、マトリックスの炭素化が進んでいない状態を表している。
次に、３００℃焼成品における重量変化について説明する。図８中線（１）で示すように、３００〜６００℃における重量減少を見ると、３００℃においては、重量が約１００％（符号（イ）を付した箇所）であったが、６００℃においては、重量が約８０．０％（符号（ロ）を付した箇所）となった。これにより、この間における重量減少率は、約２０％となった。
また、図８中線（２）で示すように、４００℃焼成品における重量変化について、４００〜６００℃における重量減少を見ると、４００℃においては、重量が約９４．９％（符号（ハ）を付した箇所）であったが、６００℃においては、前記同様に重量が８０．０％（符号（ロ）を付した箇所）となった。これにより、この間における重量減少率は、約１５．７％となった。
さらに、図８中線（３）で示すように、５００℃焼成品における重量変化について、５００〜６００℃における重量減少を見ると、５００℃においては、重量が約８６．１％（符号（ニ）を付した箇所）であったが、６００℃においては、前記同様に重量が８０．０％（符号（ロ）を付した箇所）となった。これにより、この間における重量減少率は、約７．１％となった。
なお、６００℃焼成品においては、重量が８０．０％（図中符号（ホ）を付した箇所：図中符号（ロ）を付した箇所と同じ）から高温焼成域となるにつれて、３００℃焼成品の線（１）上に重なる。
以上のように、各焼成温度３００℃、４００℃、５００℃、６００℃である焼成品のそれぞれの３００〜６００℃の重量減少率は、約２０％以下（２０％を超えない）に収まる結果となった。したがって、この範囲（３００〜６００℃）で低温焼成を行うことにより、炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材の気孔率や強度、摩擦特性が好適とされた摩擦部材１０を得ることができる。
なお、前記した気孔率Ｐ（％）は、マトリックスの配合量により前記２０〜６０％の範囲で変動を生じるため、このように炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材の重量減少率を規定することは、所望の強度を備えた品質のよい摩擦部材１０を得る上で有効であると言える。
以上説明したように、本実施形態の摩擦部材１０は、炭素系バインダおよび添加物からなるマトリックスと、そのマトリックスに分散する炭素繊維とにより形成した前駆体を、低温焼成することにより形成することができる。
そして、前駆体の低温焼成は、従来の焼成技術には無い３００〜６００℃で行われるので、マトリックスが完全に焼き固められず、マトリックスが完全に炭素化しない状態とされるので、炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材にはマトリックスが残留されるようになる。これにより、従来のように全体を焼き固めして形成したものに比べて、炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材に靱性や弾性が備わるようになり、例えば、自動変速機用クラッチ等の摩擦係合装置の摩擦部材として適用した場合に好適な、衝撃性に耐え得る所望の強度を有したものとすることができる。
そして、前駆体の低温焼成は、従来の焼成技術には無い３００〜６００℃で行われるので、マトリックスが完全に焼き固められず、マトリックスが完全に炭素化しない状態とされるので、炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材にはマトリックスが残留されるようになる。これにより、従来のように全体を焼き固めして形成したものに比べて、炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材に靱性や弾性が備わるようになり、例えば、自動変速機用クラッチ等の摩擦係合装置の摩擦部材として適用した場合に好適な、衝撃性に耐え得る所望の強度を有したものとすることができる。
また、完全に焼き固める必要が無くなるので、従来のような、炭素繊維を完全に焼き固める際の煩雑な作業を排除することができ、１回の加熱処理により、所望の炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材を得ることができる。これにより、従来に比べ短時間で、かつ安価に摩擦部材１０を形成することができる。
さらに、気孔率が２０〜６０％とされるので、気孔の存在による摩擦抵抗の向上を図ることができ、摩擦係合装置１の摩擦部材１０として適用した場合に必要な特性を満たすことができる。ここで、気孔率が２０％を下回ると、気孔量が不十分となるため、気孔に保持されるオイルによる潤滑が速やかに行われ難くなり、良好な摩擦特性が得られないとともに、摩擦部の冷却不足を招きやすくなる。また、気孔率が６０％を超えると、摩擦部材１０の靱性に影響が出やすくなり、自動変速機用クラッチ等の摩擦係合装置の摩擦部材として適用した場合に所望の強度を得ることができず、耐久性が早期に低下しやすくなる。
これに対し、本実施の形態では、気孔率が２０〜６０％とされるので、摩擦面に潤滑供給されるオイルの保持力が高まり、良好な摩擦特性を得ることができるとともに、その耐久性を向上させることができる。
これに対し、本実施の形態では、気孔率が２０〜６０％とされるので、摩擦面に潤滑供給されるオイルの保持力が高まり、良好な摩擦特性を得ることができるとともに、その耐久性を向上させることができる。
ところで、炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材の気孔率が上がると、その分、炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材に多くの隙間が生じることとなるが、炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材には、前記のようにマトリックスが残留するので、この残留したマトリックスがバインダの役割を成し、炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材の靱性が良好に保持されるようになる。換言すると、マトリックスを完全に焼成しないことにより、摩擦部材１０に形成される内歯１０ａ（図２（ａ），（ｂ）参照）を含む全体の強度が確保されるようになる。したがって、例えば、気孔率が６０％といったように高く設定されても、摩擦部材１０の肉厚を厚く形成して強度を確保する必要が無くなり、摩擦部材１０の薄肉化を実現することができる。したがって、摩擦係合装置１の小型化に寄与する摩擦部材１０が得られる。
さらに、炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材の曲げ強さＲを６０ＭＰａ以上としたので、衝撃性に強く、摩擦係合装置１に好適な摩擦部材１０が得られる。
また、摩擦部材１０は、摩擦部材本体と摩擦層とが前駆体により一体的に形成されてなるので、従来のような芯金を用いた摩擦部材に比べて、大幅な軽量化を図ることができる。このように軽量化されることにより、摩擦部材１０が回転することにより生じる慣性を低減することができるようになり、駆動力の伝達ロスを少なくすることができる。これにより、自動車の自動変速機用クラッチ等の摩擦係合装置に用いた場合、燃料消費量の低減を図ることも可能となる。
前記した実施の形態では、摩擦部材本体と摩擦層とが前駆体により一体的に形成されてなる摩擦部材１０について説明したが、本発明はこれに限られることはなく、例えば、芯金に接合される摩擦部材に対しても適用することができる。
１ 摩擦係合装置
２ クランクシャフト
１０ 摩擦部材（摩擦係合装置用摩擦部材）
１０ａ 内歯（歯形部）
１０ｂ 外周部
２０ セパレータプレート
２０ａ 外歯
Ｃ 湿式多板クラッチ
２ クランクシャフト
１０ 摩擦部材（摩擦係合装置用摩擦部材）
１０ａ 内歯（歯形部）
１０ｂ 外周部
２０ セパレータプレート
２０ａ 外歯
Ｃ 湿式多板クラッチ
Claims (7)
- 炭素系バインダおよび添加物からなるマトリックスと、そのマトリックスに分散する炭素繊維とにより形成した前駆体を、加熱処理することにより得られた炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材であって、その気孔率が２０〜６０％にされてなることを特徴とする摩擦係合装置用摩擦部材。
- 炭素系バインダおよび添加物からなるマトリックスと、そのマトリックスに分散する炭素繊維とにより形成した前駆体を、前記マトリックスが残留した状態に加熱処理することにより得られた炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材であって、その気孔率が２０〜６０％にされてなることを特徴とする摩擦係合装置用摩擦部材。
- 炭素系バインダおよび添加物からなるマトリックスと、そのマトリックスに分散する炭素繊維とにより形成した前駆体を、３００〜６００℃で低温焼成することにより得られた炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材であって、その気孔率が２０〜６０％にされてなることを特徴とする摩擦係合装置用摩擦部材。
- 前記炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材における重量減少率が、非酸化雰囲気下において６００℃まで昇温した際に２０％を超えないようにされてなることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の摩擦係合装置用摩擦部材。
- 前記炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材の曲げ強さＲが６０ＭＰａ以上にされてなることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の摩擦係合装置用摩擦部材。
- 摩擦部材本体と摩擦層とが前記前駆体により一体的に形成されてなることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の摩擦係合装置用摩擦部材。
- 炭素系バインダおよび添加物からなるマトリックスとそのマトリックスに分散する炭素繊維とにより前駆体を形成し、前記マトリクッスが残留した状態に前記前駆体を低温焼成して、炭素繊維／炭素質複合材製摩擦部材の気孔率を２０〜６０％にさせることを特徴とする摩擦係合装置用摩擦部材の製造方法。
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