JP2007107662A - 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、高温制動時の摩擦特性や相手材への低攻撃性を維持し、低い焼結温度で焼結可能な焼結摩擦材を提供する。
【解決手段】 金属材料をマトリックスとし潤滑材と研削材とを含む焼結摩擦材において、マトリックスの金属材料として鋳鉄粉と還元鉄粉とを使用した。鋳鉄粉は基材として用い、鋳鉄粉より融点が約３００℃高く且つ低炭素であり軟らかい還元鉄粉とを併用する。全体として焼結温度を低下させることができ、焼結摩擦材の製造が容易になるとともに、高温に耐えられる還元鉄粉の作用によって、高温制動下での摩擦特性や相手材への低攻撃性に優れた焼結摩擦材を得ることができる。
【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のブレーキ用摩擦材として用いられる焼結摩擦材に関する。

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（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。

銅系焼結摩擦材としては、本出願人は、以下のものを提案している。即ち、銅を主成分とする結合材と無機系充填材とを主原料とし、Ｎｉ−Ｃｒ合金（Ｎｉ：Ｃｒ＝８０：２０〜４０：６０重量比）を１０〜２５重量％含む配合組成物を成形、焼結することにより、耐摩耗性に優れ、且つフェード現象を容易に制御し得る銅系焼結摩擦材を提案している（特許文献１）。

また、結合材の主成分である銅として、平均粒径５〜３０μｍの銅微粉末を含み、これに充填材を配合した配合組成物を焼結して、ＨＲＲ（鋼球１／２インチ、荷重６０ｋｇ）で測定した硬度が４０〜７０であり、且つ気孔率を２０〜３０ｖｏｌ％として、相手材との接触性を改善し、高い摩擦係数及び耐摩耗性を備えた銅系焼結摩擦材を提案している（特許文献２）。

更に、銅又は銅合金をマトリックスとし、固体潤滑材、研削材及び摩擦調整材を含有しており、摩擦調整材として炭酸カルシウムを体積率で１〜１０％配合することで、相手材への攻撃性の増加と相手材との密着とを抑え、高い摩擦係数と耐摩耗性とを維持することを図った銅系焼結摩擦材を提案している（特許文献３）。

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。

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４）。
特開平９−３５６４号公報 特開平９−３５６５号公報 特開２００１−２９４８４７号公報 特開２００２−１８１０９５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ことが求められている。鉄系焼結摩擦材として、本発明者は、鋳鉄粉、或いは還元鉄粉を基材とした鉄系焼結摩擦材を発明し、銅系焼結摩擦材とほぼ同等の性能を得ている。しかしながら、鋳鉄粉基材では高温制動時の摩擦特性や相手材への低攻撃性が還元鉄粉基材よりやや劣り、還元鉄粉基材は焼結温度が高いことが認識されている。そこで、鉄系の焼結摩擦材において、これらの不利な点を解決するという課題がある。

この発明の目的は、従来の銅粉末が主体であった摩擦材に代えて、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、高温制動時の摩擦特性や相手材への低攻撃性を維持し、還元鉄粉のみの場合よりも低い焼結温度で焼結可能な焼結摩擦材を提供することである。

本発明者は、各課題を解決するために検討を重ねた結果、今回の発明に至った。即ち、この発明による焼結摩擦材は、金属材料をマトリックスとし潤滑材と研削材とを含む焼結摩擦材において、マトリックスの金属材料として鋳鉄粉と還元鉄粉とを使用したことから成っている。

主成分が鉄系の鋳鉄粉と還元鉄粉とであり、他の配合材は潤滑材と研削材であり、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。焼結摩擦材の骨格となるマトリックスを構成する金属主成分を鋳鉄粉と還元鉄粉としているので、鋳鉄粉の融点が還元鉄粉より融点が約３００℃低いことを利用して、還元鉄粉のみの場合と比較して焼結温度を下げることができる。また、鉄系の配合成分として、低炭素であるために軟らかい還元鉄粉も含んでいるので、還元鉄粉の作用によって、鋳鉄粉のみの場合と比較して高温制動下での良好な摩擦特性や低い相手材攻撃性を備えることができる。

上記の焼結摩擦材において、鋳鉄粉の含有量を１５〜４５ｖｏｌ％とし、還元鉄粉の含有量を５〜２５ｖｏｌ％とし、鋳鉄粉の含有量を還元鉄粉の含有量以上とし、鋳鉄粉と還元鉄粉との合計含有量を６０ｖｏｌ％以下にすることができる。合計含有量が６０％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。配合粉末においては、鋳鉄粉の含有量を還元鉄粉の含有量よりも多くすることによって、還元鉄粉より融点が約３００℃低い鋳鉄粉が基材となるため、鋳鉄粉の焼結温度約９５０〜１０００℃で還元鉄粉基材の焼結温度１１５０〜１２５０℃より約２００〜２５０℃低い温度で焼結することができる。しかも、低炭素であるために軟らかく融点の高い還元鉄粉が配合されているので、鋳鉄粉単独基材より摩擦性能（摩擦係数、摩擦材及び相手材摩耗量）が優れた焼結摩擦材が得られる。

この焼結摩擦材において、マトリックスとなる金属材料として、更にアルミニウム粉を５〜２０ｖｏｌ％の含有量で含むことができる。この焼結摩擦材は、鋳鉄粉と還元鉄粉から形成された粉末をベースに構成されているが、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。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、アルミニウム粉末を５〜２０ｖｏｌ％の含有量で配合することで、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。

上記のアルミニウムを含有する焼結摩擦材において、アルミニウム粉の強化材として、平均粒径０．３〜２μｍの微細アルミナを２〜７ｖｏｌ％以下の含有量で含むことが好ましい。還元鉄粉を主成分として含む焼結摩擦材は、銅系の焼結摩擦材と同等の性能を得ることができるが、高負荷条件の評価では銅系焼結摩擦材に及ばないことが判明した。これは、低融点のアルミニウムを含有させているので耐熱強度が低下しているのが原因と考えられる。そこで、平均粒径０．３〜２μｍの高融点で微細アルミナを添加することにより、アルミニウムを熱的に強化して耐熱強度向上に寄与し、これによって高負荷条件での耐摩耗性を向上させることができる。

上記の焼結摩擦材において、研削材として、平均粒径５０〜２５０μｍのマグネシアを０〜１０ｖｏｌ％の含有量で含むことが好ましい。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、耐摩耗性向上と摩擦係数の確保の目的で配合される。研削材としてのマグネシアは、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、ブレーキディスクのような相手材への攻撃性が低く、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。

上記のマグネシアを含む焼結摩擦材において、研削材として、更に、平均粒径５〜２０μｍの細粒アルミナを２〜１０ｖｏｌ％以下の含有量で含むことができる。硬度の低い材料であるマグネシアを含有する焼結摩擦材において、研削材として、平均粒径がマグネシアよりかなり小さい５〜２０μｍで硬質（モース硬さ９）な細粒アルミナを２〜１０ｖｏｌ％含んで併用する。マグネシアと微細アルミナとの２種類を組み合わせて使用することで、高い摩擦係数を確保し、制動時の摩擦材及び相手材攻撃性を抑制して摩耗量を少なくすることの両立が容易になる。細粒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。この際、マグネシアと細粒アルミナとの合計含有量が５〜１５ｖｏｌ％であるとすることができる。

この焼結摩擦材において、潤滑材として、黒鉛を通常よりも多い３０〜４５ｖｏｌ％の含有量で含むことができる。潤滑材としての黒鉛３０〜４５ｖｏｌ％を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、本発明品は主成分が鋳鉄粉と還元鉄粉とであり、他の配合材は潤滑材や研削材を使用しており、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。
基材としての鋳鉄粉と、鋳鉄粉より融点が約３００℃高く且つ低炭素であり軟らかい還元鉄粉とを用いているので、焼結温度を低下させることができて焼結摩擦材の製造が容易になるとともに、高温に耐えられる還元鉄粉の作用によって、高温制動下での摩擦特性や相手材への低攻撃性に優れた焼結摩擦材を得ることができる。
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。以上の相乗効果によって、必要な摩擦係数が確保でき、摩擦材や相手材の摩耗畳を少なくすることができる。
また、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）マグネシアを用いることによって、ブレーキ制動時の摩擦材及び相手材（鉄系材料）を損傷させることなく摩耗量を少なくするとともに、高い摩擦係数を確保することができる。更に、マグネシアと微細アルミナとの２種類を組み合わせて使用することで、高い摩擦係数を確保することと、制動時の摩擦材及び相手材攻撃性を抑制して摩耗量を少なくすることを、両立させることができる。
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。

以下に、実施例を挙げて、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１６０μｍの還元鉄粉と、平均粒径約１９０μｍのマグネシア粉末と、平均粒径約１２のアルミナ粉末と、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と、平均粒径約１．２μｍのアルミナ粉末を用意した。

次に、上記の各原材料を表１に試料記号Ｄ１〜Ｄ４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、鋳鉄基材Ｂ、還元鉄基材Ｃの混合粉末も用意した。

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１４ＭＰａ、昇温速度１００℃／ｍｉｎ、焼結温度８００〜１１５０℃、保持時間５ｍｉｎの条件で焼結を行った。なお、Ａ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（昇温速度１０〜２０℃／ｍｉｎ、加圧０．７ＭＰａ）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。

鋳鉄と還元鉄を配合した本発明品Ｄ（Ｄ１〜Ｄ４）の摩擦性能（摩擦係数、摩擦材及び相手材摩耗量）は鋳鉄基材Ｂよりも優れており、現行の銅系焼結材Ａ及び還元鉄基材Ｃとほぼ同等であった。

配合の摩擦試験結果に与える影響から判断して、配合粉末の各成分の適正範囲は下記の通りである。
鋳鉄粉 ：１５〜４５ｖｏｌ％
還元鉄粉 ：５〜２５ｖｏｌ％
（但し、鋳鉄粉＋還元鉄≦６０ｖｏｌ％、鋳鉄粉≧還元鉄）
アルミニウム：５〜２０ｖｏｌ％
微細アルミナ（平均粒径０．３〜２μｍ）：２〜７ｖｏｌ％
マグネシア（平均粒径５０〜２５０μｍ）：０〜１０ｖｏｌ％、
アルミナ（平均粒径５〜２０μｍ）：２〜１０ｖｏｌ％
（但し、マグネシア十アルミナ：５〜１５ｖｏｌ％の範囲）、
黒鉛：３０〜４５ｖｏｌ％

この配合粉末を焼結して得られる焼結摩擦材は、摩擦係数が高く、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ことができる。また、平均粒径が約０．３〜２μｍの微細アルミナ（２〜７ｖｏｌ％）を添加しているので、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、粉末は緻密に形成されて焼結したときの製品の強度を確保することができ、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、耐摩籍性に優れている焼結摩擦材を得ることができる。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。

Claims (7)

1. 金属材料をマトリックスとし潤滑材と研削材とを含む焼結摩擦材において、前記金属材料として、鋳鉄粉と還元鉄粉とを使用したことから成る焼結摩擦材。
2. 前記鋳鉄粉の含有量が１５〜４５ｖｏｌ％であり、前記還元鉄粉の含有量が５〜２５ｖｏｌ％であり、前記鋳鉄粉の含有量が前記還元鉄粉の含有量以上であり、前記鋳鉄粉と前記還元鉄粉との合計含有量が６０ｖｏｌ％以下であることから成る請求項１に記載の焼結摩擦材。
3. 前記金属材料として、更にアルミニウム粉を５〜２０ｖｏｌ％の含有量で含むことから成る請求項２に記載の焼結摩擦材。
4. 前記アルミニウム粉の強化材として、平均粒径０．３〜２μｍの微細アルミナを２〜７ｖｏｌ％以下の含有量で含むことから成る請求項３に記載の焼結摩擦材。
5. 前記研削材として、平均粒径５０〜２５０μｍのマグネシアを０〜１０ｖｏｌ％の含有量で含むことから成る請求項２に記載の焼結摩擦材。
6. 前記研削材として、更に、平均粒径５〜２０μｍの細粒アルミナを２〜１０ｖｏｌ％以下の含有量で含むことから成る請求項５に記載の焼結摩擦材。
7. 前記潤滑材として、黒鉛を３０〜４５ｖｏｌ％の含有量で含むことから成る請求項４に記載の焼結摩擦材。