JP2006348379A

JP2006348379A - 焼結金属摩擦材料および摩擦部材

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Publication number: JP2006348379A
Application number: JP2006093455A
Authority: JP
Inventors: Shiro Nakazawa; 士郎中沢
Original assignee: Tungaloy Corp
Current assignee: Tungaloy Corp
Priority date: 2005-05-17
Filing date: 2006-03-30
Publication date: 2006-12-28

Abstract

【課題】
Ｎｉを添加した焼結金属摩擦材料と同等の摩耗特性を有するＮｉを含まない焼結金属摩擦材料を提供する。
【解決手段】
金属、合金の中の少なくとも１種のマトリックスと、潤滑物質、硬質物質、摩擦調整物質、ｐＨ調整物質、補強物質の中の少なくとも１種のフィラーとからなる摩擦材料において、焼結金属摩擦材料は、マトリックス：焼結金属摩擦材料全体に対して４０〜９０重量％と、フィラー：残部とからなり、マトリックスは、Ｆｅ：マトリックス全体に対して３〜９２重量％と、Ａｌ：マトリックス全体に対して０．５６〜７０重量％とを含み、重量比で、Ｆｅ：Ａｌが９２：８〜３０：７０の範囲にあり、ＦｅとＡｌとの合計はマトリックス全体に対して７重量％以上である焼結金属摩擦材料。

Description

本発明は、工作機械、建設機械、農業機械、自動車、二輪車、鉄道、航空機および船舶などの、各種機械の回転あるいは移動を任意に制御する手段、いわゆるクラッチあるいはブレーキに使用する焼結金属摩擦材料および摩擦部材に関するものである。

焼結金属摩擦材料は、クラッチあるいはブレーキに使用され、焼結金属摩擦材料は一般的には、金属、合金などのマトリックス粉末に、潤滑物質、硬質物質、摩擦調整物質、ｐＨ調整物質、補強物質などから選ばれたフィラーを添加した混合粉末を焼結して得られるものである。焼結金属摩擦材料は、ブレーキ装置の小型化、軽量化の要求から摩擦係数を高くすることが必要である。焼結金属摩擦材料の従来技術として、摩擦係数を高くするためにマトリックスにマトリックス内の重量％でＮｉを１０〜７０％含む焼結金属摩擦材料がある（例えば、特許文献１参照。）。

特開昭６３−３０６１７号公報

近年、環境問題によりＮｉを削減する方向にあり、Ｎｉを含まない焼結金属摩擦材料が求められてきた。本発明は、Ｎｉを含まない高摩擦係数の焼結金属摩擦材料の提供を目的とする。

本発明者は、長年にわたって焼結金属摩擦材料の改良を行ってきたところ、マトリックスにＦｅとＡｌとを同時に添加することによってＦｅの欠点を大幅に改善して高い摩擦係数を安定的に得ることができるという知見を得て本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明の焼結金属摩擦材料は、金属、合金の中の少なくとも１種のマトリックスと、潤滑物質、硬質物質、摩擦調整物質、ｐＨ調整物質、補強物質の中の少なくとも１種のフィラーとからなる焼結金属摩擦材料において、焼結金属摩擦材料全体に対して４０〜９０重量％のマトリックスと、残部のフィラーとからなり、マトリックスは、マトリックス全体に対して３〜９２重量％のＦｅと、マトリックス全体に対して０．５６〜７０重量％のＡｌとを含み、マトリックスに含まれるＦｅとＡｌとは、重量比で、Ｆｅ：Ａｌが９２：８〜３０：７０の範囲にあり、マトリックスに含まれるＦｅとＡｌとの合計はマトリックス全体に対して７重量％以上の焼結金属摩擦材料からなるものである。

本発明の焼結金属摩擦材料は、金属、合金の中の少なくとも１種からなるマトリックス：焼結金属摩擦材料全体に対して４０〜９０重量％と、潤滑物質、硬質物質、摩擦調整物質、ｐＨ調整物質、補強物質の中の少なくとも１種からなるフィラー：残部とで構成される。これは、マトリックスが焼結金属摩擦材料全体に対して４０重量％未満となると、焼結金属摩擦材料として必要とされる強度が得られず、欠け、摩耗の増大などの不具合が発生し、また９０重量％を超えると、摩擦係数の低下、相手材への溶着、摩耗の増大などの不具合が発生するためである。

焼結金属摩擦材料と相手部材との間の摩擦力の主な要因は金属の凝着と剪断と考えられる。そのため、焼結金属摩擦材料の摩擦において、焼結金属摩擦材料と相手部材との相互溶解度や剪断強度が重要になる。また、焼結金属摩擦材料は摩擦熱によって高温になるため、焼結金属摩擦材料の表面には酸化膜が形成される。Ｃｕ、Ｆｅおよびこれらの合金の酸化物の摩擦係数は低いものが多く、酸化膜が厚く形成されると摩擦力が低下する。一方、ＮｉはＣｕに比較して高温での剪断強度が高く、高温での耐酸化性に優れ、酸化膜が薄くて摩擦により容易に破断されるため相手部材と金属接触しやすい。さらに相手部材として用いられるＦｅ系材との相互溶解度に優れるため、高い摩擦係数が得られる。このような理由により焼結金属摩擦材料のマトリックスには、Ｎｉが用いられてきた。

Ｎｉを代用する材料には、相手部材であるＦｅ系材との相互溶解度が高いことと耐酸化性が高いことが要求される。Ｆｅ系材との相互溶解度の点から見るとＦｅが最も望ましい。しかし、ＦｅはＣｕよりも酸化しやすく、厚い酸化膜が形成されるため高い摩擦係数が得られず、摩擦係数の安定性も十分でない。ＦｅにＡｌを添加することによりＦｅの欠点を大幅に改善し、Ｎｉと同等の高い摩耗係数を得ることができた。

本発明のマトリックスは、マトリックス全体に対して３〜９２重量％のＦｅと、マトリックス全体に対して０．５６〜７０重量％のＡｌとを含み、マトリックスに含まれるＦｅとＡｌとは、重量比で、Ｆｅ：Ａｌが９２：８〜３０：７０の範囲にあり、マトリックスに含まれるＦｅとＡｌとの合計はマトリックス全体に対して７重量％以上の組成物である。これは以下の理由による。マトリックスに含まれるＦｅが３重量％未満になると相手材との相互溶解度が低下するなどの不具合が発生して所望の摩擦係数が得られず、マトリックスに含まれるＦｅが９２重量％を超えて多くなるとＦｅに対するＡｌの割合が減少して耐酸化性が低下するなどの不具合が発生して摩擦係数が低下する。マトリックスに含まれるＡｌが０．５６重量％未満になると耐酸化性が低下して摩擦係数が低下し、マトリックスに含まれるＡｌが７０重量％を超えて多くなると高温での剪断強度が低下する。マトリックスに含まれるＦｅとＡｌとの比率は、重量比で、Ｆｅ：Ａｌ＝９２：８のときよりもＦｅの重量比が増加しＡｌの重量比が減少すると耐酸化性が低下し、Ｆｅ：Ａｌ＝３０：７０のときよりもＡｌの重量比が増加しＦｅの重量比が減少すると高温での剪断強度が低下するため所望の摩擦係数が得られない。また、マトリックスに含まれるＦｅとＡｌとの合計はマトリックス全体に対して７重量％以上であると摩擦係数を高くすることができる。

マトリックスには、Ｆｅ、Ａｌ以外にＣｕ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｍｏを含有してもよい。また、マトリックス中に平均粒径５０μｍ未満のＦｅ₃ＡｌなどのＦｅ−Ａｌ合金粒子が含まれていてもよい。また、Ｆｅ−Ｃｒ合金、Ｆｅ−Ｍｎ合金などの合金粒子が含まれていてもよい。

本発明の焼結金属摩擦材料を製造する際には、Ｆｅ粉末とＡｌ粉末とを分けて原料粉末に添加するよりも、Ｆｅ−Ａｌ合金粉末として添加する方が、より少ないＡｌ添加量でマトリックスの耐酸化性を向上させることができ、その結果、高温での剪断強度を高く保持することができるので好ましい。

本発明のフィラーとしては、従来からのフィラーを使用することができ、具体的には、硫酸バリウム、タルク、珪藻土、蛇紋石、コークス、ＭｇＯ、Ｆｅ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂、Ｆｅ−Ｗ、Ｆｅ−Ｓｉなどの摩擦調整物質、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗの炭化物、窒化物、酸化物、珪化物およびこれらの相互固溶体、ＳｉＯ₂、ＡｌＮ、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＳｉＣ、Ｂ₄Ｃ、Ｃｒ₂Ｏ₃、ムライト、ジルコンサンドなどの硬質物質、黒鉛、ＭｏＳ₂、ＷＳ₂、ＢａＦ₂、ＣａＦ₂、ｈＢＮ、ＰｂＯ、フッ化黒鉛などの潤滑物質、パルプ繊維、レーヨン繊維、カーボン繊維、シリカ−アルミナ繊維、チタン酸カリウム繊維、炭化珪素繊維、ボロン繊維などの各種の繊維または各種のウィスカーなどの補強物質、炭酸カルシウム、酸化カルシウム、酸化バリウムなどのｐＨ調整物質の中から選ばれた少なくとも１種からなるものを挙げることができる。

本発明の焼結金属摩擦材料は支持材と一体化させた摩擦部材として用いられると強度が高くなり、好ましい。本発明の摩擦部材は、本発明の焼結金属摩擦材料と支持材とからなり、該焼結金属摩擦材料および該支持材の表面の少なくとも一部にＡｌ含有膜が被覆されたものである。

本発明の摩擦部材に用いられる支持材は、鋼板の表面にＣｕメッキ、Ｎｉメッキ、Ｓｎメッキ、これらの多層メッキおよびこれらの複合メッキの中から選ばれた少なくとも１種を施したものが好ましい。これらのメッキは、焼結金属摩擦材料と鋼板とを接合する時の接合成分として作用するものである。加えて鋼板の耐酸化性の向上と防錆に有効であり外観を美しくする。なお、ブレーキパッド型摩擦部材の支持材は裏板と呼ばれることが多く、ディスク型摩擦部材の支持材は芯板と呼ばれることが多い。

本発明の摩擦部材は、本発明の焼結金属摩擦材料の原料粉末を混合し、成形したものを、支持材とともに焼結を行って一体化して製造することができる。本発明の焼結金属摩擦材料はＡｌを含んでいるため、焼結時に焼結金属摩擦材料に含まれるＡｌの一部が蒸発して摩擦部材の表面、すなわち支持材と焼結金属摩擦材料の表面に付着する。Ａｌが付着する部分は、焼結金属摩擦材料近傍の支持材の表面、焼結金属摩擦材料の表面、焼結金属摩擦材料に含まれる気孔の内壁などを挙げることができる。焼結時の温度が高い場合、支持材の表面に付着したＡｌの一部は、支持材のメッキに溶融し合金を形成することもある。すなわち、焼結金属摩擦材料および支持材の表面の少なくとも一部にＡｌおよびＡｌとメッキ成分との合金の少なくとも一方からなるＡｌ含有膜が被覆される。

本発明の摩擦部材のように、焼結金属摩擦材料および支持材の表面のＡｌ含有膜が被覆されると支持材から焼結金属摩擦材料が剥がれにくくなる。従来の摩擦部材は摩擦熱で高温になると、支持材のメッキが酸化する。メッキは焼結金属摩擦材料と支持材とを接合する作用があり、メッキが酸化すると接合作用が低下し、支持材から焼結金属摩擦材料が剥離するという問題を生じる。しかしながら本発明の摩擦部材は表面にＡｌ含有膜が被覆されているためメッキが酸化されにくく接合作用が低下しにくいという効果が得られる。さらにＡｌ含有膜はメッキの酸化を防ぐことから防錆の効果と外観を美しく保つという作用がある。本発明のＡｌ含有膜の膜厚は、０．１〜３μｍが好ましい。これは、膜厚が０．１μｍ以上になると耐酸化性を向上させる効果が顕著になり、３μｍを超えて厚くなると酸化防止効果の増加が少なく、逆にＡｌを析出させるための焼結条件やＡｌ量などの要件が摩擦特性に悪影響を及ぼすためである。

本発明の焼結金属摩擦材料は、環境面から問題が懸念されるＮｉを含有せず、Ｎｉを含有する焼結金属摩擦材料と同等の高い摩擦係数を示すなどの優れた摩擦特性を示す。本発明の焼結金属摩擦材料を、例えば、工作機械、建設機械、農業機械、自動車、二輪車、鉄道、航空機および船舶などのクラッチ用摩擦材料あるいはブレーキ用摩擦材料として使用すると優れた性能を発揮する。

本発明の摩擦部材は、支持材から焼結金属摩擦材料が剥離しにくい。本発明の摩擦部材は、耐酸化性が高く、防錆に優れ、美しい外観を保つ。

本発明の焼結金属摩擦材料の一実施例の断面組織概略図を図１に示す。フィラー２の隙間に連続的なマトリックス１が存在するという特徴的な組織形態を示している。また、マトリックス１中には気孔３が見られる。本発明の摩擦部材の一実施例の概略図を図２に示す。本発明の焼結金属摩擦材料４と支持材５とで構成される。

市販されている平均粒径２０μｍのＦｅ粉末、平均粒径２０μｍのＡｌ粉末、平均粒径２０μｍのＣｕ粉末、平均粒径２０μｍのＳｎ粉末、平均粒径２０μｍのＺｎ粉末、平均粒径２０μｍのＭｎ粉末、８３重量％Ｆｅ−１７重量％Ｃｒからなる平均粒径２０μｍのＦｅ−Ｃｒ合金粉末、平均粒径２０μｍのＣｒ粉末、平均粒径３μｍのＮｉ粉末、フィラーとしてＺｒＳｉＯ₄粉末、ＷＣ粉末、黒鉛（以下Ｇｒと記す。）粉末、ＣａＦ₂粉末、ＦｅＷ粉末、ＦｅＳｉ粉末を用意した。発明品１３〜２２のＦｅ−Ａｌ合金については、あらかじめ、表６〜９に示す割合に秤量したＦｅ粉末とＡｌ粉末とを溶融してＦｅ−Ａｌ合金とし、それを粉砕して得られた平均粒径１５μｍのＦｅ−Ａｌ合金粉末を原料粉末とした。これらの原料粉末を表１〜１０に示す割合で秤量、混合し、常温にてブレーキパッド形状に加圧成形し、銅メッキした鋼板の裏板にセットして、加圧しながら組成に応じて表１〜１０に示す焼結温度で焼結した。また、発明品２４は、焼結時、摩擦部材の周囲をセラミックファイバーで覆い、Ａｌが支持材に効率よく付着するように焼結した。焼結後、摩擦面を研磨して発明品１〜２４と比較品１〜３を得た。得られた発明品１〜２４の常温における剪断強度は９．７〜１１．１ＭＰａであった。またマトリックスに含まれるＦｅとＡｌの含有量、ＦｅとＡｌの合計量、Ｆｅ：Ａｌの重量比をそれぞれ表１１に示した。

こうして得られた発明品１〜２４および比較品１〜３を用いて、ディスクブレーキの乾式摩擦試験を行った。相手部材として市販の二輪車用ステンレススチール製ディスクを用いた。相手部材の形状はディスク半径０．１３ｍ、ディスク厚さ５ｍｍとし、発明品１〜２４および比較品１〜３のブレーキパッド形状は、パッド面積２０ｃｍ²、パッド厚さ８ｍｍ（このときの焼結金属摩擦材料の厚さは４ｍｍ）とした。

ブレーキ試験条件は、ＪＡＳＯ−Ｔ２０４の中から抜粋した簡易試験に従った。試験項目は、第２再すり合わせ、第２効力試験、第４再すり合わせ、第２フェード試験、第５再すりあわせ、第３効力試験とし、第２再すり合わせのみ制動回数を５０回と増加した。ブレーキ試験による総摩耗量を測定した。これらの結果を表１２に示す。

また、試料は常温における剪断強度、高温酸化後の剪断強度および塩水急冷後の剪断強度を測定する試験を行った。高温酸化後の剪断強度は、試料を５００℃の酸化雰囲気中に３０日間暴露した後の剪断強度を調べた。塩水急冷後の剪断強度試験は、試料を３００℃に２時間保持した後、常温の飽和食塩水中に投入、急冷する方法で１日につき１回、計３０回繰り返し、剪断強度を調べた。さらに、各試料について焼結金属摩擦材料から２ｍｍ離れた支持材の表面に被覆されたＡｌ含有膜の膜厚を測定した。これらの結果は表１２に示す。

Ｎｉを含まない比較品２および比較品３は高温酸化後の剪断強度が大きく低下するのに対し、発明品１〜２４のいずれもＮｉを添加している比較品１と同等またはそれ以上の剪断強度を示している。また、飽和塩水中に投入し急冷した後に剪断強度を測定する試験では耐塩水性および耐熱衝撃性を評価できるが、発明品１〜２４はＮｉを添加している比較品１と同等以上の剪断強度を示している。Ｎｉを添加しない比較例２と比較例３の摩擦係数は低く、比較品３は総摩耗量が多い。これに対して、発明品１〜２４は、Ｎｉを添加している比較品１と同等の摩擦係数および総摩耗量を示し、本発明の効果が確認された。

本発明の焼結金属摩擦材料の一実施例の断面組織概略図を示す。本発明の摩擦部材の一実施例の概略図を示す。

符号の説明

１…マトリックス
２…フィラー
３…気孔
４…焼結金属摩擦材料
５…支持材

Claims

金属、合金の中の少なくとも１種のマトリックスと、潤滑物質、硬質物質、摩擦調整物質、ｐＨ調整物質、補強物質の中の少なくとも１種のフィラーとからなる焼結金属摩擦材料において、焼結金属摩擦材料は、焼結金属摩擦材料全体に対して４０〜９０重量％のマトリックスと、残部のフィラーとからなり、マトリックスは、マトリックス全体に対して３〜９２重量％のＦｅと、マトリックス全体に対して０．５６〜７０重量％のＡｌとを含み、マトリックスに含まれるＦｅとＡｌとは、重量比で、Ｆｅ：Ａｌが９２：８〜３０：７０の範囲にあり、マトリックスに含まれるＦｅとＡｌとの合計はマトリックス全体に対して７重量％以上である焼結金属摩擦材料。
請求項１に記載の焼結金属摩擦材料と支持材とからなり、該焼結金属摩擦材料および該支持材の表面の少なくとも一部にＡｌ含有膜が被覆された摩擦部材。
Ａｌ含有膜の膜厚が０．１〜３μｍである請求項２に記載の摩擦部材。