JP2007107660A - 焼結摩擦材 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＰＲＴＲ法の指定化学物質をまったく含まないことで、環境保護の面で好ましいとともに、摩擦係数、強度、耐摩耗性、相手材への低攻撃性等のブレーキ制動時の性能にも優れた焼結摩擦材を提供する。
【解決手段】 この発明による焼結摩擦材は、鋳鉄から形成された粉末をベースに構成されており、鋳鉄３０〜６５ｖｏｌ％、アルミニウム５〜２０ｖｏｌ％、モース硬度６以下の研削成分５〜１０ｖｏｌ％、及び黒鉛２５〜４０ｖｏｌ％を配合した配合粉末を焼結して得られる。アルミニウム粉末を配合することで、焼結摩擦材の表面には常に薄いアルミニウムの膜が形成され、摩擦材中の鉄と相手材中の鉄同士の同種摩擦が回避される。研削材としては、マグネシアのようなモース硬度を６以下の比較的柔らかいものを配合する。潤滑材としての黒鉛を通常よりも多量に含有することで、相手材攻撃性が更に低下する。
【選択図】 なし

Description

この発明は、自動車、二輪車、鉄道車両、産業機械等の制動装置に用いられるブレーキ用摩擦材に関する。

従来、ブレーキ用の焼結摩擦材としては、銅を主成分とし、錫や時により鉄、ニッケル、亜鉛、アンチモン、クロム、鉛等を添加した金属を基材とし、それにアルミナ、ムライト、ジルコニア等のセラミックス研削材や黒鉛、二硫化モリブデン等の潤滑材を添加した焼結摩擦材が用いられている。この種の焼結摩擦材は、レジン系摩擦材より重く、高価で、ブレーキノイズが発生し易い等の要改善点があるが、レジン系摩擦材に比較して摩擦材が高温になる制動条件下でもフェード現象（高温下で制動時の摩擦係数が大幅に低下する現象）を起こさず安定した性能が得られ、強度、耐摩耗性も優れているという長所があるため、過酷な制動条件下でも高い摩擦性能を要求されるブレーキにはこれまで多く採用されている。

しかし近年、環境保護の観点からＰＲＴＲ法（特定化学物質の環境への排出量の把握及び管理の改善の促進に関する法律）が制定され、ブレーキ用摩擦材として使用する材料も環境保護を考慮して、同法で定められている指定化学物質を用いないことが要求されるようになってきた。ところが、これまで焼結摩擦材の原材料として用いられている前記材料のうちで、鉄、セラミックス、黒鉛以外の材料はＰＲＴＲ法の指定化学物質に設定されており、今後はできるだけ使用しないことが望まれている。

このような背景から、これまでもＰＲＴＲ法の指定化学物質をできるだけ使用しない配合の焼結摩擦材の研究・開発が行われてきた。しかしこれまで主成分としていた銅や錫を使用せず、鉄系材料を主成分とした焼結摩擦材の場合には、ブレーキ制動による摩擦材の摩耗量や相手材（例えば、ブレーキディスク。主として普通鋳鉄、低合金鋼、ステンレス等の鉄系材料から成る。）の摩耗量が大幅に増加するという問題点があり、しかも、要求される摩擦係数を確保することができない。また鉄系材料以外でＰＲＴＲ法の指定化学物質でないアルミニウム、マグネシウム、チタン等の材料は焼結摩擦材の主成分としては問題が多く、環境保護に優れた焼結摩擦材の実用化はなかなか困難であった。

高い摩擦係数を安定的に得ることを図ったブロンズ系の乾式焼結摩擦材料の一例が提案されている（特許文献１）。この乾式焼結摩擦材料は、重量比で銅６０〜８０％、錫３〜２０％、アルミナ及び／又はシリカを３〜２０％、黒鉛３〜１０％、二硫化モリブデン１〜５％及びマンガン１５％以下を含むものであり、マトリックス成分として構成されることにより、制動時摩擦係数を安定させ、相手板との間の発熱によって表面に硬質の酸化銅皮膜を形成して、水フェード現象及び熱フェード現象に対して抵抗性を有し、安定した摩擦面を得ることを図っている。アルミナ、シリカは、高負荷、高温摩擦摺動に耐える目的で添加され、黒鉛、二硫化モリブデンは潤滑性向上も目的で添加され、マンガンは焼結中他金属の酸化皮膜を還元し、焼結性の向上目的で添加されている。

また、焼結摩擦材の別の例として、鉄系焼結体からなる有孔の本体部と、この本体部の孔内に固定された水溶液がアルカリ性を示すアルカリ性物質とを有する鉄系焼結摩擦材が提案されている（特許文献２）。摩擦材の骨格となる金属基材は、鉄を主成分とする材料であり、ステンレス、鋳鉄等の一般的な鉄系金属、これらの混合物、その他金属との混合物でとすることができる。潤滑材としては黒鉛、二硫化モリブデン等が例示されている。

焼結摩擦材の更に別の例として、銅又は銅合金をマトリックスとする焼結摩擦材であって、安定化ジルコニアを２〜２０重量％含有するものが提案されている（特許文献３）。この焼結摩擦材によれば、銅系又は鉄系焼結摩擦材において、安定化ジルコニアを採用することで、広範な制動条件に対して適応性がよく、安定した摩擦係数が得られ、耐摩性、耐熱性がよく、相手材への攻撃性が少ない焼結摩擦材を得ることを図っている。
特公昭６３−１５９７６号公報（第２欄、第２行〜第４欄第１行） 特開２００２−１８１０９５号公報（段落［００２２］〜［００２６］） 特許第２９５８４９３号公報

そこで、焼結摩擦材の原材料として、ＰＲＴＲ法の特定第一種指定化学物質である六価クロム化合物やニッケル化合物は勿論のこと、第一種指定化学物質である亜鉛、アンチモン、銅、錫、鉛、モリブデン等の材料をまったく使用しないことで、環境保護にも貢献する点で解決すべき課題がある。

この発明の目的は、ＰＲＴＲ法の指定化学物質をまったく含まないことで、環境保護の面で好ましいとともに、摩擦係数、強度、耐摩耗性、相手材への低攻撃性等のブレーキ制動時の性能にも優れた焼結摩擦材を提供することである。

この発明による焼結摩擦材は、鋳鉄３０〜６５ｖｏｌ％、アルミニウム５〜２０ｖｏｌ％、モース硬度６以下の研削成分５〜１０ｖｏｌ％、及び黒鉛２５〜４０ｖｏｌ％を配合した配合粉末を焼結されたものである。

この焼結摩擦材は、従来の銅粉末が主体である摩擦材に代えて、鉄、ここでは鋳鉄から形成された粉末をベースに構成されている。鉄系の焼結摩擦材は、ブレーキディスクのような相手材と同様の材料となるので、ブレーキを掛けるときの鉄系同種の摩擦摺動に起因して摩耗量が多くなる傾向にある。このような場合、摩擦摺動面間に異種材料を介在させると、固体潤滑材としての機能が働き、摩耗量が軽減できることが判っている。そこで、摩擦材の成分としてアルミニウム粉末を配合することで、焼結摩擦材の表面には常に薄いアルミニウムの膜が形成され、摩擦材中の鉄と相手材中の鉄同士の同種摩擦が回避される。また、研削材としては、モース硬度を６以下の比較的柔らかいものを配合することで、相手材をあまり損傷することなく摩擦係数を確保することができる。更に、潤滑材としての黒鉛は、通常よりも多量に含有することにより、相手材攻撃性を更に低下させることができる。このように、本焼結摩擦材は、主成分が鉄系材料であり、他の配合材は鉄の同種摩擦を防ぐためのアルミニウム、モース硬度の低い研削材、潤滑材としての黒鉛であり、ＰＲＴＲ法で指定されている指定化学物質をまったく使用することなく焼結摩擦材を得ることができる。

上記の焼結摩擦材において、前記鋳鉄と前記アルミニウムの合計含有量を５０〜７０ｖｏｌ％とすることが好ましい。この合計含有量が５０％未満であると、金属粉末同士の結合力が落ちて、焼結摩擦材としての強度が低下するおそれがある。また、この合計含有量が７０％を超えると、他の配合成分を有効量確保するのが困難になる。

上記の焼結摩擦材において、前記配合粉末を加圧焼結することが好ましい。配合粉末を加圧することにより、粉末は緻密に形成され、焼結したときの製品の強度を確保することができる。

更に、上記の焼結摩擦材において、前記焼結摩擦材の相対密度を８０％以上であるとすることができる。相対密度は、理論密度を１００としたとき、実際の焼結体の密度を相対割合（百分率）で示したものである。放電プラズマ焼結やホットプレス等の加圧焼結法を用い、温度、圧力を調整することにより、焼結体の相対密度を８０％以上とすることで、遜色のない強度の焼結摩擦材を得ることができる。

更にまた、上記の焼結摩擦材において、前記研削成分として粒径５０〜２５０μｍのマグネシアを含むことができる。マグネシアは、マグネシウムの酸化物であって高硬度ではないセラミックスであり、相手材をあまり損傷することなく摩擦係数を確保する目的で配合される。

マグネシアを含有する上記の焼結摩擦材において、前記研削成分として粒径５〜２０μｍのアルミナを更に含むことができる。マグネシアは硬度の低い材料であるので、摩擦係数を更に確保する目的で、硬度のより高いアルミナを含有させることができる。この場合、アルミナの粒径をマグネシアの粒径よりも小さくしているので、相手材への攻撃性を低くすることができる。

この発明による焼結摩擦材は、上記のように構成されているので、次のような効果を奏する。即ち、先ず、本発明品は主成分が鉄系材料で、他の配合材は鉄の同種摩擦を防ぐためのアルミニウム、潤滑材の黒鉛、研削材のマグネシアを使用しており、ＰＲＴＲ法の指定化学物質をまったく使用していないので、本焼結摩擦材は環境保護の点で優れた摩擦材を提供することができる。
また、アルミニウムを添加することによって、摩擦界面にアルミの薄膜が形成され、摩擦材中の鉄と相手材（主として普通鋳鉄、低合金鋼、ステンレス等の鉄系材料）中の鉄同士の同種摩擦を防ぐことができる。また、セラミックスとしてはあまり硬くない（モース硬さ６以下）マグネシアを研削材として使用することにより、相手材をあまり損傷することなく摩擦係数を確保することができ、更に潤滑材の黒鉛を多量に含有することにより主成分が鉄系材料であるのにもかかわらず相手材攻撃性を小さくすることができる。以上の相乗効果によって、必要な摩擦係数が確保でき、制動時の摩擦材や相手材の摩耗畳を少なくすることができる。
潤滑材の黒鉛を多量に含むため、結合材の働きをする金属成分が少なくなるが、放電プラズマ焼結やホットプレス等の加圧焼結法を用い、温度や圧力を調整して焼結条件を適正に設定することによって、焼結後の相対密度（焼結体密度／真密度の百分率）８０％以上を確保することが可能になるため、鉄系材料間の結合力が強く、強度、耐摩耗性に優れている焼結摩擦材を得ることができる。
更に、他の配合材としての研削材には、平均粒径が約５０〜２５０μｍでセラミックスとしてはあまり硬くない（モース硬さ６）マグネシアと、平均粒径がマグネシアよりかなり小さい約５〜２０μｍで硬質（モース硬さ９）なアルミナとの２種類を組み合わせて併用することで、高い摩擦係数を確保し、ブレーキ制動時の摩擦材及び相手材（鉄系材料）摩耗量を少なくして耐摩耗性を向上させることができる。

以下に、実施例１及び実施例２を挙げて、本発明による焼結摩擦材を更に、詳細に説明する。

まず、原材料として平均粒径約８５μｍの鋳鉄粉末（ＦＣ２５０を粉砕、篩別した粉末）と、平均粒径約１９０μｍのマグネシア粉末と、平均粒径約１７０μｍの天然黒鉛粉末と、平均粒径約２４０μｍの人造黒鉛粉末と、平均粒径約２２μｍのアルミニウム粉末を用意した。

次に、上記の各原材料を表１に示す配合に各々秤量後、撹拌らい潰機（（株）石川工場製）を用い、混合時の偏析を防ぐため混合物に４％のメタノールを添加して１０分間混合することにより混合粉末を作製した。なお比較材として現在量産されている銅系焼結材Ａの混合粉末と、銅系焼結材Ａ中の銅、錫等の金属成分を鋳鉄粉に、珪酸アルミをマグネシアに等量置換したＢの混合粉末と、量産材の高燐鋳鉄Ｃ（鋳造品、Ｐ：１．１２ｗｔ％）も用意した。

更に、各混合粉末を２３ｍｍ×３５ｍｍのキャビティを有する黒鉛型に充填し、放電プラズマ焼結装置（住友石炭鉱業製、型式ＳＰＳ−５１５Ｓ）を用い、圧力７〜４２ＭＰａ（各７ＫＰａ間隔の圧力）、昇温速度１００℃／ｍｉｎ、焼結温度７５０〜１０２５℃（各２５℃間隔の温度）、保持時間５ｍｉｎの条件で焼結を行った。なお、一部の配合材は量産材と同条件で作製するため、バッチ式焼結炉（加圧０．７ＭＰａ、昇温速度２０℃／ｍｉｎ，保持２ｈｒｓ）でも焼結を行い、放電プラズマ焼結装置で焼結したものと比較した。

焼結後、各焼結体の相対密度（焼結体の見掛け密度／焼結体の真密度の百分率）、硬さを測定し、その中から代表的な試料を選別し、ブレーキ性能試験を行い、摩擦係数、摩擦材及び相手材摩耗量を求めた。焼結体の見掛け密度は大気及び水中の重量から算出し、真密度は原材料の真密度と配合割合から算出した。硬さはロックウェル硬さ試験機のＳスケール（ＨＲＳ）で測定した。ブレーキ性能試験は当社所有の１／１０スケールテスタ試験機を用いて実施した。

表１に代表的な試料の配合、焼結条件、相対密度、硬さとブレーキ性能試験における平均摩擦係数、摩擦材と相手材の摩耗量を示す。本実施例の試料は、試料記号Ｄ１〜Ｄ５で示されている。

同一配合では、焼結圧力が大きい放電プラズマ焼結の方がバッチ式焼結炉で焼結した試料より相対密度、硬さは大きく、摩擦材摩耗量は少ない。また、焼結条件が同じ場合、金属成分の多い（黒鉛＋マグネシアが少ない）方が相対密度、硬さが大きい。
配合の摩擦試験結果に与える影響から判断して、各成分の適正範囲は下記の通りであった。
鋳鉄：３０〜６５ｖｏｌ％、アルミニウム：５〜２０ｖｏｌ％（但し、鋳鉄＋アルミニウム：５０〜７０ｖｏｌ％の範囲）、黒鉛：２５〜４０ｖｏｌ％、マグネシア：５〜１０ｖｏｌ％
ここで各成分の範囲設定の理由は、鋳鉄が３０ｖｏｌ％未満では摩擦材中の結合力不足により摩擦材摩耗量が急激に増加し、６５ｖｏｌ％を越えると他の成分が不足し問題点が生じる。

マグネシア粉末が５ｖｏｌ％未満の場合は摩擦係数が低下し、また１０ｖｏｌ％を超えると相手材摩耗量が増加する。黒鉛粉末が２５ｖｏｌ％未満の場合、潤滑効果が低下するため摩擦材及び相手材摩耗量ともに増加し、４０ｖｏｌ％を越えた場合は摩擦係数の低下が大きくなる。またアルミが５ｖｏｌ％未満では同種摩擦回避が不十分で摩擦材及び相手材摩耗量が多くなり、２０ｖｏｌ％を越えると摩擦係数の低下が顕著になる。

まず、原材料として、実施例１の場合に用意した原料に加えて、平均粒径約１２μｍのアルミナ粉末を用意した。本実施例の試料は、試料記号Ｅ１〜Ｅ６で示されている。

同一配合のＥ５とＦの比較では、焼結圧力が大きい放電プラズマ焼結の方がバッチ式焼結炉で焼結した試料より相対密度、硬さは大きく、摩擦材摩耗量は少ない。また、焼結条件が同じ場合、アルミナ５〜７％添加材は相対密度、硬さが大きく、ブレーキ性能試験の平均摩擦係数は高く、摩擦材と相手材の摩耗量が少ないことが判る。

配合の摩擦試験結果に与える影響から判断して、各成分の適正範囲は下記の通りであった。
鋳鉄：３０〜６５ｖｏｌ％、アルミニウム：５〜２０ｖｏｌ％（但し、鋳鉄＋アルミニウム：５０〜７０ｖｏｌ％の範囲）、黒鉛：２５〜４０ｖｏｌ％、マグネシア（平均粒径５０〜２５０μｍ）：０〜１０ｖｏｌ％、アルミナ（平均粒径５〜２０μｍ）：２〜１５ｖｏｌ％（但し、マグネシア＋アルミナ：５〜１５ｖｏｌ％の範囲）
ここで各成分の範囲設定の理由は、鋳鉄が３０ｖｏｌ％未満では摩擦材中の結合力不足により摩擦材摩耗量が急激に増加し、６５ｖｏｌ％を越えると他の成分が不足し問題点が生じる。

マグネシア＋アルミナが５ｖｏｌ％未満の場合は摩擦係数が低下し、また１５ｖｏｌ％を超えると相手材摩耗量の増加が顕著になる。アルミナの粒径が小さいためアルミナ（２〜１５ｖｏｌ％の範囲）だけでも攻撃性を抑制しブレーキ制動時の摩擦材及び相手材（鉄系材料）摩耗量を少なくするが、マグネシアと併用することで摩擦係数の確保と相手材攻撃性の抑制を両立させることが容易になる。黒鉛粉末が２５ｖｏｌ％未満の場合、潤滑効果が低下するため摩擦材及び相手材摩耗量ともに増加し、４０ｖｏｌ％を越えた場合は摩擦係数の低下が大きくなる。またアルミニウムが５ｖｏｌ％未満では同種摩擦回避が不十分で摩擦材及び相手材摩耗量が多くなり、２０ｖｏｌ％を超えると摩擦係数の低下が顕著になる。

Claims (7)

1. 鋳鉄３０〜６５ｖｏｌ％、アルミニウム５〜２０ｖｏｌ％、モース硬度６以下の研削成分５〜１０ｖｏｌ％、及び黒鉛２５〜４０ｖｏｌ％を配合した配合粉末を焼結して成る焼結摩擦材。
2. 前記鋳鉄と前記アルミニウムの合計含有量が５０〜７０ｖｏｌ％であることから成る請求項１に記載の焼結摩擦材。
3. 前記配合粉末を加圧焼結して成る請求項１に記載の焼結摩擦材。
4. 前記焼結摩擦材の相対密度が８０％以上であることから成る請求項１に記載の焼結摩擦材。
5. 前記研削成分として平均粒径５０〜２５０μｍのマグネシアを含むことから成る請求項１に記載の焼結摩擦材。
6. 前記研削成分として平均粒径５〜２０μｍのアルミナを更に含むことから成る請求項５に記載の焼結摩擦材。
7. 前記マグネシアを０〜１０ｖｏｌ％、前記アルミナを２〜１５ｖｏｌ％、含み、前記マグネシアと前記アルミナの合計含有量が５〜１５ｖｏｌ％の範囲にあることから成る請求項６に記載の焼結摩擦材。