JP2007197533A

JP2007197533A - 摩擦材

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Publication number: JP2007197533A
Application number: JP2006016350A
Authority: JP
Inventors: Koji Kobayashi; 宏司小林; Hironari Kishimoto; 裕也岸本; Takaharu Kojima; 敬治小島
Original assignee: Advics Co Ltd
Current assignee: Advics Co Ltd
Priority date: 2006-01-25
Filing date: 2006-01-25
Publication date: 2007-08-09
Anticipated expiration: 2026-01-25
Also published as: JP4645458B2

Abstract

【課題】耐摩耗性に優れ、相手材への攻撃性が小さく、広い温度域において高い摩擦係数を有する摩擦材を提供する。
【解決手段】繊維基材と充填材を結合剤によって結着させた摩擦材であって、充填材として、非ウィスカー状チタン酸アルカリ金属塩と非ウィスカー状チタン酸アルカリ金属・アルカリ土類金属塩の少なくとも一つのチタン酸化合物塩と、平均粒径０．４〜４μｍのＦｅ₂Ｏ₃とを含んでいる。
【選択図】なし

Description

本発明は、自動車のブレーキ、クラッチ等に使用される摩擦材に関し、詳しくは、耐摩耗性に優れ、相手材への攻撃性が小さく、広い温度域において高い摩擦係数を有する摩擦材に関する。

従来、アスベスト繊維に代えてチタン酸カリウム繊維を繊維基材に有する摩擦材が知られている（特許文献１など）。チタン酸カリウム繊維を有する摩擦材は、耐摩耗性に優れており、しかも高温域（３００℃以上）において高い摩擦係数を有するという利点を有している。耐摩耗性が優れる原因は、チタン酸カリウム繊維がトランスファーフィルムを形成するからであると知られている。しかし本摩擦材は、低温域、とりわけ常温域（２０〜７０℃）での摩擦係数が低いという問題があった。

その対策として高硬度の摩擦調整剤（モース硬度６．５〜８）を増量させる方法が考えられる。しかし高硬度の摩擦調整剤を増量させると、相手材への攻撃性が高くなるという問題が生じる。また、一般使用温度域における摩擦係数が高くなりすぎることでブレーキ鳴きが生じたり、高い耐摩耗性が得られなくなったりするなどの問題も生じる。高い耐摩耗性が得られなくなる原因は、チタン酸カリウム繊維によるトランスファーフィルムの生成が高硬度の摩擦調整剤によって阻害されるためであると予測される。
そこで従来、特許文献２に記載の摩擦材も開発されている。該摩擦材は、繊維基材として六チタン酸カリウム結晶とチタニア結晶からなる複合多結晶繊維を含有することによって、高い耐摩耗性を維持しつつ、低温域においても高い摩擦係数を得るものである。しかし本摩擦材は、モース硬度７．５の硬いチタニア結晶が存在するために対面攻撃性が高くなることが懸念される。
特開昭６１−１９１５９９号公報特許第２９９０５６５号明細書

そこで本発明は、耐摩耗性に優れ、相手材への攻撃性が小さく、広い温度域において高い摩擦係数を有する摩擦材を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために本発明は、各請求項に記載の通りの構成を備える摩擦材であることを特徴とする。
すなわち請求項１に記載によると、繊維基材と充填材を結合剤によって結着させた摩擦材であって、充填材として、非ウィスカー状チタン酸アルカリ金属塩と非ウィスカー状チタン酸アルカリ金属・アルカリ土類金属塩の少なくとも一つのチタン酸化合物塩と、平均粒径０．４〜４μｍのＦｅ₂Ｏ₃とを含んでいる。

したがって本摩擦材は、チタン酸化合物塩を有しているために、チタン酸化合物塩によってトランスファーフィルムを形成することができ、トランスファーフィルムによって高い耐摩耗性を得ることができる。また本摩擦材は、Ｆｅ₂Ｏ₃も有しているが、Ｆｅ₂Ｏ₃は、モース硬度が６．０程度であって、ＺｒＯ₂（モース硬度６．５）やＺｒＳｉＯ₄（モース硬度７．５）などの一般的な摩擦調整剤に比べて低い。そのためＦｅ₂Ｏ₃を添加してもトランスファーフィルムが破壊される心配が少なく、高い耐摩耗性を維持することができる。

またＦｅ₂Ｏ₃のモース硬度が６．０程度であるために、Ｆｅ₂Ｏ₃を添加しても一般的な摩擦調整剤を添加した場合よりも、相手材に対する攻撃性が大きくなってしまうことがない。また一般使用温度域（１００〜２００℃）における摩擦係数が高くなりすぎることもなく、これによってブレーキ鳴きが発生することも抑制できる。
またＦｅ₂Ｏ₃は、平均粒径が０．４〜４μｍであるために、耐摩耗性等の特性を高い状態で維持したまま添加量を多くすることができ、Ｆｅ₂Ｏ₃の添加量を多くすることによって黒鉛等の潤滑性が高い常温域（２０〜７０℃）においても高い摩擦係数を得ることができる。

またＦｅ₂Ｏ₃は、同じ酸化鉄であるＦｅ₃Ｏ₄に比べて不定形であり、熱的に安定している。
またチタン酸化合物塩は、非ウィスカー状であるために、環境衛生上好ましくない長さ５μｍ以上、直径３μｍ以下、アスペクト比（長さ／直径）が３を超えるウィスカー状繊維を含んでいない。したがって人体に対する発ガン性の心配もない。
また本摩擦材によると、特許文献２に記載するようなモース硬度７．５の硬いチタニア結晶を含むような繊維等を必要としないために、対面攻撃性が高くなる懸念もない。

請求項２に記載の発明によると、Ｆｅ₂Ｏ₃の添加量が、摩擦材全体の６〜２２重量％である。
したがってＦｅ₂Ｏ₃の添加量が摩擦材全体の６重量％以上であるために、Ｆｅ₂Ｏ₃と相手材との接触面積が十分に広くなり、これによって常温域（２０〜７０℃）における摩擦係数を十分に高くなる。
またＦｅ₂Ｏ₃の添加量が摩擦材全体の２２重量％以下であるために、Ｆｅ₂Ｏ₃が多すぎることによって耐摩耗性が低減することが抑制されている。

請求項３に記載の発明によると、チタン酸化合物塩が、板状、フレーク状または粉状の非ウィスカー状になっている。
請求項４に記載の発明によると、チタン酸化合物塩の添加量が、摩擦材全体の６〜３８重量％である。
したがってチタン酸化合物塩の添加量が摩擦材全体の６重量％以上であるために、耐摩耗性を十分に大きく確保することができる。

本発明にかかる摩擦材は、繊維基材と充填材（摩擦調整剤）と結合剤を主体に有している。
充填材（摩擦調整剤）は、摩擦係数の調整、異音調整、錆防止などのために含まれるものであって、本発明に係る摩擦材は、非ウィスカー状のチタン酸化合物塩とＦｅ₂Ｏ₃とを含んでいる。

チタン酸化合物塩は、非ウィスカー状チタン酸アルカリ金属塩と非ウィスカー状チタン酸アルカリ金属・アルカリ土類金属塩の少なくとも一つ、すなわちいずれか一つまたは両方を有している。
チタン酸化合物塩の添加量は、摩擦材全体の６〜３８重量％であることが好ましく、１０重量％以上、１８重量％以上、２０重量％以上、３０重量％以下、２４重量％以下であることがより好ましい。
非ウィスカー状とは、ウィスカーを含んでいないことを意味し、板状、フレーク状（薄片状、魚鱗状）、粉状などであることを意味する。したがってチタン酸化合物塩には、環境衛生上好ましくない長さ５μｍ以上、直径３μｍ以下、アスペクト比（長さ／直径）３を超えるウィスカー（針状結晶、ひげ結晶）が含まれていない。

チタン酸アルカリ金属塩は、例えば、チタン酸カリウム，チタン酸リチウム，チタン酸リチウム・カリウム等であって、カリウムやリチウムに代えて他のアルカリ金属（ナトリウム等）を有するものであっても良い。
チタン酸カリウムとしては、６チタン酸カリウム，８チタン酸カリウム、例えば、板状の６チタン酸カリウム（Ｋ₂Ｔｉ₆Ｏ₁₃），フレーク状の８チタン酸カリウム（Ｋ_1.88〜_2.13Ｔｉ₈Ｏ_16.94〜_17.07）などを利用することができる。
チタン酸リチウム・カリウムとしては、フレーク状のチタン酸リチウム・カリウム（Ｋ_0.5〜_0.7Ｌｉ_0.27Ｔｉ_1.6Ｏ_3.85〜_3.95）などを利用することができる。

チタン酸アルカリ金属・アルカリ土類金属塩は、例えば、チタン酸マグネシウム・カリウムなどであって、カリウムに代えて他のアルカリ金属（リチウム等）、マグネシウムに代えて他のアルカリ土類金属（ベリリウム，カルシウム等）を有するものであっても良い。

Ｆｅ₂Ｏ₃は、平均粒径が０．４〜４μｍであって、好ましくは、１μｍ以上、２μｍ以上、４μｍ、３μｍ以下である。
Ｆｅ₂Ｏ₃は、マグヘマタイト（γ型）であっても良いが、へマタイト（α型、赤鉄鋼）であることが好ましい。
Ｆｅ₂Ｏ₃の添加量は、摩擦材全体の６〜２２重量％であることが好ましく、１０重量％以上、２０重量％以下、１５重量％以下であることがより好ましい。

本摩擦材は、充填材（摩擦調整剤）として、チタン酸化合物塩とＦｅ₂Ｏ₃以外の無機充填材，有機充填材，潤滑剤などを適宜含んでいる。
他の無機充填材としては、硫酸バリウム，水酸化カルシウム，酸化ジルコニウム，珪酸ジルコニウム，炭酸カルシウム，雲母（マイカ），カオリン，タルク、硫化物などが必要に応じて含まれる。有機充填材としては、ゴム，カシューダストなどが含まれ、潤滑剤としては、黒鉛（グラファイト），三硫化アンチモン，二硫化モリブデン，二硫化亜鉛などが含まれる。モース硬度が６．５以上の高硬度の摩擦調整剤は、要求される摩擦係数、耐摩耗性に応じて適宜添加される。例えば１０重量％以下含まれる。

摩擦材は、繊維基材として無機繊維、有機繊維および粉末体を適宜選択して含んでいる。金属繊維としては、例えば銅繊維，鉄繊維を使用することができ、金属粉としては、銅粉などを使用することができる。有機繊維としては、アラミド繊維などを使用することができる。
繊維基材の添加量は、摩擦材全体の５〜４０重量％であることが好ましく、１０重量％以上、１５重量％以上、３０重量％以下、２０重量％以下であることがより好ましい。

結合剤は、繊維基材と充填材を結着させるものであって、結合剤として有機物である樹脂やゴムが使用される。例えばフェノール樹脂，イミド樹脂，ゴム変性フェノール樹脂，メラミン樹脂，エポキシ樹脂，ＮＢＲ，ニトリルゴム，アクリルゴムなどが使用される。結合剤は、一種を単独で使用することもできるし、二種以上を組み合せて使用することもできる。結合剤の添加量は、摩擦材全体の５〜３０重量％であることが好ましく、１５重量％以下であることがより好ましい。

摩擦材の製造方法は、先ず、摩擦材原料を混合機で混合して原料混合物を得る。混合機としては、アイリッヒミキサー、ユニバーサルミキサー、レーディゲミキサーなどを利用することができる。
次に、原料混合物を予備金型によって予備成形し、予備成形品を成形用金型によって加圧加熱成形する。加圧加熱成形における成形温度は、１３０〜２００℃、成形圧力は、１０〜１００ＭＰａ、成形時間は、２〜１５分である。次に、成形体を１４０〜４００℃で２〜４８時間硬化させる。

以下に、本発明に係る実施例１〜１５と、比較例１〜８を具体的な数字を用いて説明する。
実施例１〜１５に係る摩擦材と比較例１〜８に係る摩擦材は、図１，２に示す原料成分と配合量を有する原料混合物から得た。
実施例１〜５と比較例１〜５に係る摩擦材は、図１に示すように板状６チタン酸カリウムを有しており、板状６チタン酸カリウムとして、メルト法によって生成した板状の６チタン酸カリウム（Ｋ₂Ｔｉ₆Ｏ₁₃）（株式会社クボタ製のＴＸＡＸ−Ａ）を使用した。

実施例１〜５と比較例４，５は、Ｆｅ₂Ｏ₃を有しており、Ｆｅ₂Ｏ₃の平均粒径が比較例４、実施例１〜５、比較例５の順に大きい。なお図１，２中のＦｅ₂Ｏ₃欄内の数値は、平均粒径の大きさを示している。
比較例１，２は、図１に示すようにＦｅ₂Ｏ₃に代えて珪酸ジルコニウムを有しており、珪酸ジルコニウムの添加量が比較例１，２の順に多い。
比較例３は、Ｆｅ₂Ｏ₃に代えてジルコニアを有している。

実施例６〜９と比較例６，７に係る摩擦材は、図２に示すようにＦｅ₂Ｏ₃を有しており、Ｆｅ₂Ｏ₃の添加量が比較例６、実施例６〜９、比較例７の順に多い。
実施例１０〜１５と比較例８に係る摩擦材は、図２に示すように板状６チタン酸カリウムを有しており、その添加量が比較例８、実施例１０〜１５の順に多い。

実施例１〜１５と比較例１〜８に係る摩擦材の製造方法は、先ず、図１，２に示す原料をアイリッヒミキサーによって５分間乾式にて混合することで原料混合物を得た。次に、原料混合物を成形温度１６０℃、成形圧力２０ＭＰａ、成形時間１０分の条件において加圧加熱成形し、成形物を２３０℃、３時間の条件において硬化させた。

次に、摩擦材の特性を測定するための実験を行い、その実験結果を図３，４にまとめた。各特性は、以下のように測定した。
＜摩擦性能＞ＪＡＳＯＣ４０６に従って摩擦性能試験を行い、一般使用温度域（１００℃）と常温域（５０℃）における平均摩擦係数を測定し、下記の基準によって判定した。
○：０．３５以上、 ×：０．３５未満
＜鳴き性能＞ＪＡＳＯＣ４２７に従って温度別摩擦試験を行い、試験中に所定のレベル以上の高周波音（５００Ｈｚ以上の音）の発生回数を測定し、鳴き発生が多い場合に×を付し、少ない場合に○を付した。

＜耐摩耗性＞Ｌ.Ａ.市街地の実車走行試験を台上試験機に落とし込んだ試験（通称ＬＡＣＴ試験、ＬＡＣＴシミュレーション試験）を行って推定寿命を測定し、下記の基準によって判定した。
○：２．１万ｋｍ以上、 ×：２．１万ｋｍ未満
＜対面攻撃性＞ＪＩＳＤ４４１１に準じた試験方法により相手材（鋳鉄製のディスクロータ）に摩擦材を低面圧（Ｐ＝０．０５ＭＰａ）で押圧して摺動させ、規定時間試験後における相手材の摩耗量を測定した。
○：１０μｍ未満、 ×：１０μｍ以上

比較例１の実験結果から、板状６チタン酸カリウムと珪酸ジルコニウムとを含むことによって、一般使用温度域（１００℃）において高い摩擦係数を得ることがわかった。しかし常温域（５０℃）において摩擦係数が低くなることがわかった。
比較例２，３の実験結果から、珪酸ジルコニウムやジルコニアの添加量を比較例１よりも増量することによって、常温域（５０℃）における摩擦係数が高くなることがわかった。しかし耐摩耗性が低下し、対面攻撃性が高くなり、一般使用温度域（１００℃）においてブレーキ鳴きが発生することがわかった。

実施例１〜５の実験結果から、珪酸ジルコニウムの添加量を少ない添加量のまま（６重量％以下のまま）Ｆｅ₂Ｏ₃を添加することによって常温域（５０℃）における摩擦係数が高くなることがわかった。とりわけ平均粒径０．４μｍ以上のＦｅ₂Ｏ₃を添加することによって常温域（５０℃）における摩擦係数が高くなることがわかった。
比較例５の実験結果から、粒径の大きい（平均粒径５．０μｍ以上）Ｆｅ₂Ｏ₃を添加することで、摩擦材の推定寿命が短くなってしまうことがわかった。

実施例６〜９と比較例６の実験結果から、Ｆｅ₂Ｏ₃の添加量が多いほど、一般使用温度域（１００℃）と常温域（５０℃）における摩擦係数が高くなり、ロータ摩耗量が多くなることがわかった。とりわけＦｅ₂Ｏ₃の添加量を６重量％以上にすることによって常温域（５０℃）における摩擦係数が高くなることがわかった。
比較例７の実験結果から、Ｆｅ₂Ｏ₃の添加量が多すぎると（２７重量％以上にすると）摩擦材の推定寿命が短くなることがわかった。

実施例１０〜１５と比較例８の実験結果から、板状６チタン酸カリウムの添加量が多いほど、摩擦材の推定寿命が長くなることがわかった。

なお実験結果は省略しているが、板状６チタン酸カリウムに代えて、フレーク状の８チタン酸カリウム（大塚化学（株）製のＴＥＲＲＡＣＥＳＳＴＦ−ＬまたはＴＥＲＲＡＣＥＳＳＴＦ−Ｓ）、フレーク状のチタン酸リチウム・カリウム（大塚化学（株）製のＴＥＲＲＡＣＥＳＳＬ）、フレーク状のチタン酸マグネシウム・カリウム（大塚化学（株）製のＴＥＲＲＡＣＥＳＳＰＳ）、粉末状チタン酸カリウム（ＪＦＥミネラル（株）製のＴＩＢＲＥＸ−ＡＦ）等を利用することも可能である。

本発明は、産業機械、鉄道車両、荷物車両、乗用車に使用されるブレーキパッド、ブレーキライニング、クラッチフェーシング等に利用できるものである。

実施例と比較例に係る摩擦材の原料成分と配合量の図である。実施例と比較例に係る摩擦材の原料成分と配合量の図である。実施例と比較例に係る摩擦材の実験結果をまとめた図である。実施例と比較例に係る摩擦材の実験結果をまとめた図である。

Claims

繊維基材と充填材を結合剤によって結着させた摩擦材であって、
前記充填材として、非ウィスカー状チタン酸アルカリ金属塩と非ウィスカー状チタン酸アルカリ金属・アルカリ土類金属塩の少なくとも一つのチタン酸化合物塩と、平均粒径０．４〜４μｍのＦｅ₂Ｏ₃とを含んでいることを特徴とする摩擦材。
請求項１に記載の摩擦材であって、
Ｆｅ₂Ｏ₃の添加量が、摩擦材全体の６〜２２重量％であることを特徴とする摩擦材。
請求項１または２に記載の摩擦材であって、
チタン酸化合物塩が、板状、フレーク状または粉状であることを特徴とする摩擦材。
請求項１〜３のいずれかに記載の摩擦材であって、
チタン酸化合物塩の総添加量が、摩擦材全体の６〜３８重量％であることを特徴とする摩擦材。