JP2007277418A - 摩擦材 - Google Patents

Abstract

【課題】チタン酸化合物塩をウィスカー形状から非ウィスカー形状に変更することによって生じる気孔率の低下を防止することでフェード特性の悪化や高速効力の低下を防止し、かつ湿度によって摩擦係数が大きく変化することのない摩擦材を提供する。
【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、非ウィスカー状のチタン酸化合物塩と、生体溶解性の無機繊維を有しており、非ウィスカー状のチタン酸化合物塩は、非ウィスカー状のチタン酸アルカリ金属塩と、非ウィスカー状の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を含んでいる。そして無機繊維は、生体溶解性であるとともに、平均繊維径が２〜７μｍ、アスペクト比が３以上である。
【選択図】なし

Description

本発明は、乗用車、鉄道車両、荷物車両、産業機械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などに利用される摩擦材に関する。

従来、様々な摩擦材が知られており、例えば、非ウィスカー状のチタン酸カリウムを有している摩擦材が知られている（特許文献１など）。この摩擦材は、チタン酸カリウムによって耐摩耗性や対面攻撃性等に優れており、非ウィスカー状のチタン酸カリウムが選択されているために、作業環境衛生上にも良好な摩擦材になっている。
非ウィスカー状のチタン酸カリウムとしては、例えば板状、鱗片状などが使用されるが、非ウィスカー状のものは、ウィスカー状のものに比べて摩擦材の気孔率を低下させるという問題がある。そして気孔率の低下によって、フェード特性が悪化したり、高速効力の低下が生じるなどの問題がある。
この対策としてゼオライトなどの無機多孔質充填材を併用して気孔率を上げた摩擦材も知られている（特許文献１）。
特開２００５−３６１５７号公報

しかしゼオライトなどの無機多孔質充填材は、吸湿性が高いために、湿度の影響を受けやすく、摩擦材の摩擦係数が湿度によって変化し不安定になるという問題があった。例えば、高湿条件下で長時間駐車した場合に、無機多孔質充填材が吸湿して摩擦材の摩擦係数が高くなり、車を発進させた直後数回の制動においてブレーキ鳴きが生じたり、あるいは減速が急激になったりするなどの問題があった。
そこで本発明は、チタン酸化合物塩をウィスカー形状から非ウィスカー形状に変更することによって生じる気孔率の低下を防止することでフェード特性の悪化や高速効力の低下を防止し、かつ湿度によって摩擦係数が大きく変化することのない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、摩擦材は、非ウィスカー状のチタン酸化合物塩と、生体溶解性の無機繊維を有している。非ウィスカー状のチタン酸化合物塩は、非ウィスカー状のチタン酸アルカリ金属塩と、非ウィスカー状の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を含んでいる。そして前記無機繊維は、生体溶解性であるとともに、平均繊維径が２〜７μｍ、アスペクト比が３以上である。

したがって本摩擦材は、径の細い無機繊維を有している。したがって径の細い無機繊維が混合時に毛玉を作って摩擦材内に気孔を作り、摩擦材の気孔率が上昇する。しかも毛玉は、無機繊維によって形成されるために、有機繊維に比べて圧縮成形時に潰れにくく、気孔を維持することができる。そのため非ウィスカー状のチタン酸化合物塩を含むことで生じる気孔率の低下を無機繊維の毛玉によって防止することができる。その結果、摩擦材の気孔率を高くして、耐フェードや高速効力を向上させることができる。

また生体溶解性の無機繊維は、ゼオライトのように吸湿性が高い物質ではないために湿度によって影響を受け難い。したがって本摩擦材の摩擦係数は、ゼオライトを含む従来の摩擦材に比べて湿度によって大きく変化しない。
また上記無機繊維は、生体溶解性であって、人体に残留しない。またチタン酸化合物塩は、非ウィスカー状であるために人体への発ガン性などの心配がない。したがって本発明に係る摩擦材は、環境衛生上良好な原料から形成される。
また生体溶解性の無機繊維は、チタン酸化合物塩によって得られる高い耐磨耗性をほとんど阻害することがないことが実験結果からわかった。

生体溶解性の無機繊維としては、例えば生体溶解性のロックウールを使用することができる。あるいは請求項２に記載の発明のように、ウィスカー状の生体溶解性セラミックスファイバーを使用することができる。

請求項３に記載の発明によると、生体溶解性の無機繊維は、平均繊維長さが１０００μｍ以下である。
したがって生体溶解性の無機繊維は、平均繊維長さが１０００μｍ以下であるために、摩擦材原料を攪拌した際に均一に攪拌されやすく、摩擦材内に均一に分散される。そのため摩擦材の均質性を保つことができる。

請求項４に記載の発明によると、生体溶解性の無機繊維の添加量が、摩擦材全体の１〜７重量％である。
したがって摩擦材は、生体溶解性の無機繊維を１重量％以上有しているために、気孔率が十分に高くなる。そのためチタン酸化合物塩をウィスカー形状から非ウィスカー形状に変更することによって生じる気孔率の低下を十分に防止することができ、摩擦材の耐フェードや高速効力の悪化を十分に防止することができる。
また生体溶解性の無機繊維の添加量が７重量％以下であるために、摩擦材の気孔率が高くなりすぎて摩擦材の強度が低下することを防止することができる。

請求項５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６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。
したがって摩擦材は、チタン酸化合物塩を６重量％以上有しているために、チタン酸化合物塩によって得られる耐摩耗性を十分に得ることができる。

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、本形態では、非ウィスカー状のチタン酸化合物塩と、生体溶解性の無機繊維が含まれている。

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含んでいる。
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、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ており、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状（針状結晶、ひげ結晶）のものを含んでいない。

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。
チタン酸化合物塩の平均粒径は、０．１〜１００μｍが好ましく、アスペクト比が３以下であることが好ましい。またチタン酸化合物塩は、シランカップリング剤によって表面処理したものを用いても良い。

生体溶解性の無機繊維は、気孔率を増加させるために加えられるものであって、生体溶解性のセラミックスファイバー、生体溶解性の人造鉱物繊維などを使用することができる。
生体溶解性のセラミックスファイバーとしては、シリカ・カルシア系繊維、シリカ・カルシア・マグネシア系繊維などを使用することができる。生体溶解性の人造鉱物繊維としては、高炉スラグや玄武岩やその他の天然鉱物などを主原料とするロックウールなどを使用することができる。

生体溶解性の無機繊維は、平均繊維径が２〜７μｍであり、好ましくは平均繊維径が６μｍ以下、５μｍ以下である。アスペクト比は、３以上であり、平均繊維長さは、５０μｍ以上、１５００μｍ以下であり、好ましくは１００μｍ以上、１０００μｍ以下である。
したがって生体溶解性の無機繊維は、細くて長いために混合の際に毛玉になりやすく、毛玉の状態で摩擦材に分散される。そして毛玉は、無機繊維によって形成されるために、有機繊維に比べて圧縮成形時に潰れにくく、気孔を維持することができる。そのため摩擦材は、生体溶解性の無機繊維によって形成された毛玉によって気孔率が高くなっている。

生体溶解性の無機繊維としては、例えば、ウィスカー状の生体溶解性のセラミックスファイバーを利用することができる。ウィスカー状の生体溶解性のセラミックスファイバーは、平均繊維長さが５μｍ以上であり、直径が３μｍ以下であり、アスペクト比が３以上である。

他の充填材としては、その他の無機充填材，有機充填材，潤滑剤、金属粉が適宜含まれる。
その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，アルミナ，シリカ，マグネシア，雲母（マイカ），カオリン，タルク、硫化物などが含まれる。有機充填材としては、ゴム，カシューダストなどが含まれる。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。

繊維基材としては、金属繊維、有機繊維を適宜選択して含まれる。金属繊維としては、銅繊維，鉄繊維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（芳香族ポリアミド繊維）、耐炎性アクリル繊維などを使用することができる。これら繊維基材は、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。
繊維基材の添加量は、摩擦材全体の５〜３０重量％であることが好ましく、１０重量％以上、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。これら結合剤は、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１〜１８と比較例１，２を具体的な数字を用いて説明する。
実施例１〜１８に係る摩擦材と比較例１，２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１〜１８に係る摩擦材は、図１，２に示すように板状６チタン酸カリウムと、生体溶解性の無機繊維を有している。板状６チタン酸カリウムとしては、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。生体溶解性の無機繊維としては、シリカ・カルシア・マグネシア系のウィスカー状の生体溶解性セラミックスファイバー（新日化サーマルセラミックス製のＳＷ６０７ＭＡＸ）を使用した。

比較例１に係る摩擦材は、図１に示すように板状６チタン酸カリウムと生体溶解性の無機繊維に代えて、ウィスカー状の８チタン酸カリウムを有している点において実施例と相違している。
比較例２に係る摩擦材は、生体溶解性の無機繊維に代えて、ゼオライトを有している点において実施例と相違している。

実施例１〜５に係る摩擦材は、生体溶解性の無機繊維の平均繊維長さが異なっており、実施例１〜５の順に平均繊維長さが長くなっている。
実施例６〜１１に係る摩擦材は、生体溶解性の無機繊維の添加量が異なっており、実施例６〜１１の順に生体溶解性の無機繊維の添加量が多くなっている。
実施例１２〜１８に係る摩擦材は、板状６チタン酸カリウムの添加量が異なっており、実施例１２〜１８の順に板状６チタン酸カリウムの添加量が多くなっている。

実施例１〜１８と比較例１，２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＞ 「第１フェードμ」：ＪＡＳＯ Ｃ４０６に準拠して、第１フェードにおける最低摩擦係数を測定し、０．２以上であれば○、０．２未満であれば△として判定した。
「高速効力μ」：ＪＡＳＯ Ｃ４０６に準拠して、初速度１３０ｋｍ／ｈ、減速度０．６Ｇでの第２効力における平均摩擦係数を測定し、０．３以上であれば○、０．３未満であれば△として判定した。

＜環境試験＞ 温度と湿度の異なる複数の環境下において摩擦性能試験を行い、環境の違いによる摩擦係数の差を測定して、その差が小さいものを○、大きいものを×として判定した。
＜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）を行い、摩擦材の推定寿命を測定し、２．１万ｋｍ以上であれば○、２．１万ｋｍ未満であれば△として判定した。
＜気孔率＞ ＪＩＳ Ｄ４４１８に準拠して、オイル含浸気孔率を測定した。

図３に示すように比較例１に係る摩擦材は、摩擦性能、環境試験、及び磨耗試験の各試験において良好な結果を得ることができた。しかし比較例１に係る摩擦材は、ウィスカー状のチタン酸カリウムを含んでいるために、環境衛生上好ましくないという問題があった。

比較例２に係る摩擦材は、摩擦性能と磨耗試験において良好な結果を得ることができたが、環境試験において良好な結果を得られなかった。詳しくは、低温多湿時において摩擦係数が特に高くなることがわかった。このことからゼオライトを含むことによって、多湿時において摩擦材の摩擦係数が高くなり、摩擦係数が湿度によって不安定になることがわかった。

実施例１〜５に係る摩擦材は、摩擦性能、環境試験及び磨耗試験の各試験において良好な結果が得られた。そして実施例１〜５の間で大きな差は、現れなかった。しかし実施例５に係る摩擦材は、実施例１〜４に係る摩擦材に比べて、混合分散が不均一になることがわかった。このことから生体溶解性の無機繊維の長さが１５００μｍ以上になることによって、混合が不十分になることがわかった。したがって分散性の観点から、平均繊維長さが１０００μｍ以下であることが好ましいことがわかった。

実施例６〜１１の実験結果から、実施例６〜１１の順に気孔率が高くなることがわかった。そして気孔率が高くなることに連動して、フェード特性と高速効力が向上することがわかった。このことから生体溶解性の無機繊維の混合量を多くすることで気孔率が高くなり、フェード特性と高速効力が向上することがわかった。

実施例６では、十分に高い気孔率が得られず、十分なフェード特性と高速効力を得ることができなかった。したがって生体溶解性の無機繊維の混合量が１重量％以上であることが好ましいことがわかった。
実施例１１では、摩擦材の強度低下が生じることがわかった。その理由は、生体溶解性の無機繊維の混合量が多すぎて、気孔率が高くなりすぎるためである。したがって生体溶解性の無機繊維の混合量は、摩擦材の強度の観点から、８重量％以下、７重量％以下であることが好ましいことがわかった。

実施例１２〜１８に係る摩擦材は、実施例１２〜１８の順に耐磨耗性が高くなることがわかった。したがって板状６チタン酸カリウムの混合量が多くなることで耐磨耗性が高くなることがわかった。そして耐磨耗性の観点から、その混合量が５重量％以上、６重量％以上であることが好ましいことがわかった。

実施例では、上記特性の他に、相手材に生じるトランスファーフィルムの観察した。その結果、板状６チタン酸カリウムの効果によって生じるトランスファーフィルムの生成が生体溶解性の無機繊維によって阻害されないことがわかった。
また高温域（３００℃以上）における摩擦係数も測定した。その結果、板状６チタン酸カリウムによって高い摩擦係数を得ることができ、生体溶解性の無機繊維による影響がほとんどないこともわかった。

また板状６チタン酸カリウムに代えて、他の非ウィスカー状のチタン酸化合物塩を利用することが可能である。例えば、フレーク状の８チタン酸カリウム（大塚化学（株）製のＴＥＲＲＡＣＥＳＳ ＴＦ−ＬまたはＴＥＲＲＡＣＥＳＳ ＴＦ−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ＴＥＲＲＡＣＥＳＳ Ｌ）、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ＴＥＲＲＡＣＥＳＳ ＰＳ）、粉末状チタン酸カリウム（ＪＦＥミネラル（株）製のＴＩＢＲＥＸ−ＡＦ）等を利用することが可能である。

本発明は、乗用車、鉄道車両、荷物車両、産業機械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 (6)

1. 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、
   非ウィスカー状のチタン酸化合物塩と、生体溶解性の無機繊維を有しており、
   前記非ウィスカー状のチタン酸化合物塩は、非ウィスカー状のチタン酸アルカリ金属塩と、非ウィスカー状の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を含んでおり、
   前記無機繊維は、生体溶解性であるとともに、平均繊維径が２〜７μｍ、アスペクト比が３以上であることを特徴とする摩擦材。
2. 請求項１に記載の摩擦材であって、
   生体溶解性の無機繊維が、ウィスカー状の生体溶解性セラミックスファイバーであることを特徴とする摩擦材。
3. 請求項１または２に記載の摩擦材であって、
   生体溶解性の無機繊維は、平均繊維長さが１０００μｍ以下であることを特徴とする摩擦材。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の摩擦材であって、
   生体溶解性の無機繊維の添加量が、摩擦材全体の１〜７重量％であることを特徴とする摩擦材。
5. 請求項１〜４のいずれか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の非ウィスカー状であることを特徴とする摩擦材。
6. 請求項１〜５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。
   
   

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