JP2008280521A - 非石綿系摩擦材 - Google Patents

Abstract

【課題】高温域での摩擦係数低下が抑制され、摩擦係数の安定性に優れるとともに相手攻撃性が低減した非石綿系摩擦材を提供すること。
【解決手段】非石綿系摩擦材は、金属繊維から成る骨材繊維と、有機繊維と、結合材を含有する。骨材繊維を構成する金属繊維は、８５〜１４５Ｈｖの硬さ、４００〜６００Ｎ／ｍｍ^２の引張強さ、２０〜４９％の伸びを有し、融点が１４５０℃以上である。高温摩擦後にこの摩擦材の表面から２００μｍ以浅に形成される摩擦劣化相に含まれる骨材繊維の繊維径が、この高温摩擦前の１００〜２０％の大きさを有する。
８０Ｈｖ以下の硬さ、１５０〜４００Ｎ／ｍｍ^２の引張強さ、１０％以上の伸びを有し、融点が７００〜１１００℃の金属繊維から成る高温潤滑性繊維を含む。骨材繊維及び／又は高温潤滑性繊維から成る金属繊維分の骨材機能値が３０以上で、その硬さ機能値が１０以下である。
【選択図】なし

Description

本発明は、非石綿系摩擦材に係り、更に詳細には、石綿を用いない摩擦材であって車両用のブレーキパッドなどに使用される非石綿系摩擦材に関する。

一般に、車両用のブレーキパッドなどに用いられる非石綿系の摩擦材は、５００℃以上の高温下での摩擦係数低下が大きく、５００℃以上の高温環境下での使用に際しては、鉄繊維を配合するか、焼結系摩擦材を用いることが知られている。

また、従来、金属繊維、耐熱性有機繊維、所定の繊維基材、熱硬化性樹脂及び摩擦調整剤から成るブレーキ用摩擦材が知られている（例えば、特許文献１参照）。
また、このような摩擦材において、孔系と累積気孔率を調整して耐フェード性を向上するとともに相手攻撃性を低下させたものも知られている（例えば、特許文献２参照）。
特開昭６３−２６６２３１号公報 特開平１１−３２２９５９号公報

しかしながら、上述のような摩擦材において、鉄繊維を配合したものや、焼結系摩擦材は、５００℃以下の摩耗と摩擦係数安定性に劣るという問題があった。
また、上記従来の摩擦材にあっては、５００℃を超える高温域での摩擦係数低下が必ずしも小さいといえず、また、５００℃以下における摩擦係数の安定性も十分とはいえなかった。更には、高温域での摩耗特性、特に相手攻撃性などについても更なる改善余地があった。

本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、高温域での摩擦係数低下が抑制され、摩擦係数の安定性に優れるとともに相手攻撃性が低減した非石綿系摩擦材を提供することにある。

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、所定の金属繊維から成る骨材繊維を用い、必要に応じて所定の高温潤滑性繊維を用いることにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明の非石綿系摩擦材は、８５〜１４５Ｈｖの硬さ、４００〜６００Ｎ／ｍｍ^２の引張強さ、２０〜４９％の伸びを有し、融点が１４５０℃以上の金属繊維から成る骨材繊維と、有機繊維と、結合材を含有する非石綿系摩擦材である。
高温摩擦後にこの非石綿系摩擦材の表面から２００μｍ以浅に形成される摩擦劣化層に含まれる上記骨材繊維の繊維径が、この高温摩擦前の１００〜２０％の大きさを有することを特徴とする。

なお、後述するが、非石綿系摩擦材において、「骨材機能値」は骨材繊維及び高温潤滑性繊維の少なくとも一方の引張強さとその繊維の含有量で定まる値であり、「硬さ機能値」は骨材繊維及び高温潤滑性繊維の少なくとも一方のビッカース硬度と含有量で定まる値である。

本発明によれば、所定の金属繊維から成る骨材繊維を用い、必要に応じて所定の高温潤滑性繊維を用いることとしたため、高温域での摩擦係数低下が抑制され、摩擦係数の安定性に優れるとともに相手攻撃性が低減した非石綿系摩擦材を提供することができる。

以下、本発明の非石綿系摩擦材につき詳細に説明する。
上述の如く、本発明の非石綿系摩擦材は、骨材繊維と、有機繊維と、結合材を含有するものであり、この骨材繊維は、８５〜１４５Ｈｖの硬さ、４００〜６００Ｎ／ｍｍ^２の引張強さ、２０〜４９％の伸びを有し、融点が１４５０℃以上の金属繊維から成る。

ここで、骨材繊維は、この非石綿系摩擦材の骨格を形成する機能を有し、摩擦係数の低下、特に５００℃を超える高温下での摩擦係数の低下を抑制する役割を果たす。
なお、この骨材繊維の繊維径及び繊維長は、特に限定されるものではないが、３０〜１００μｍφ×１〜５ｍｍとすることが好ましい。

本発明において、骨材繊維としては、上述のような特性を有する金属繊維から構成されるものであればよく、かかる金属繊維としては、チタン（Ｔｉ）、チタン合金、ニッケル（Ｎｉ）、ニッケル合金、ステンレスから成る金属繊維を挙げることができ、本発明ではこれらを単独で又は混合して用いることができる。
チタン合金、及びニッケル合金の特徴は、８５〜３５０Ｈｖの硬さ、３００〜１０００Ｎ／ｍｍ^２の引張強さ、１０〜５０％の伸びを有することである。

また、有機繊維は、摩擦材を補強する機能を有し、耐熱性を有するものがよく、例えば、アラミド繊維、フェノール繊維、及びアクリル繊維を挙げることができる。
結合材は、各種成分を相互に結合させる機能を有し、例えば、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、及びフラン樹脂を挙げることができる。

なお、本発明の非石綿系摩擦材においては、上述の骨材繊維以外の金属繊維として、８０Ｈｖ以下の硬さ、１５０〜４００Ｎ／ｍｍ^２の引張強さ、１０％以上の伸びを有し、融点が７００〜１１００℃の金属繊維から成る高温潤滑性繊維を配合することできる。
かかる高温潤滑性繊維の配合により、高温域での相手攻撃性を有意に低減させることができる。

即ち、本発明の非石綿系摩擦材において、構成材である金属繊維として、高温下でも強度を保持できる金属繊維（骨材繊維）と潤滑効果のある金属繊維（高温潤滑性繊維）を併用すると、５００℃以上の高温下での摩擦係数の低下が効果的に抑制されるが、これとともに、摩擦材の骨格を維持でき、摩擦材とロータの両者の急激な摩耗増を抑制できる。

ここで、このような摩擦材骨格の維持性は、以下の骨格機能値によって評価することができる。
この「骨格機能値」は、ともに金属繊維である骨材繊維及び高温潤滑性繊維の少なくとも一方から成る金属繊維分の室温における引張強さ（Ｎ／ｍｍ^２）とこれら金属繊維分の含有量（ｖｏｌ％）との積を、１００で除した値を示す。
例えば、金属繊維分が骨材繊維から成り、骨材繊維量が２０ｖｏｌ％で、その骨材繊維の引張強さ（室温）が３００Ｎ／ｍｍ^２の場合、骨材機能値は、２０×３００÷１００で６０となる。

本発明の非石綿系摩擦材においては、この骨材機能値が３０以上であることが好ましい。
骨材機能値が３０未満では、５００℃以上の高温下で骨材繊維が摩擦材を保持できなくなるとともに、摩擦劣化層に存在する骨材繊維の繊維径が高温摩擦前の２０％未満の大きさになり、摩擦材の骨格を維持できず、高温での摩擦係数の低下が起こることがある。

一方、高温域における相手攻撃性は、以下の硬さ機能値によって評価することができる。
この「硬さ機能値」は、ともに金属繊維である骨材繊維及び／又は高温潤滑性繊維から成る金属繊維分の室温におけるビッカース硬さ（Ｈｖ）とこれら金属繊維分の含有量（ｖｏｌ％）との積を、１００で除した値を示す。
例えば、金属繊維分が骨材繊維から成り、骨材繊維量が２０ｖｏｌ％で、その骨材繊維の硬さが９０Ｈｖの場合、硬さ機能値は、２０×９０÷１００で１８となる。

本発明の非石綿系摩擦材においては、この硬さ機能値が１０以下であることが好ましい。
骨材機能値が１０を超えると、金属繊維の硬さが大きく、総量も多くなることから相手攻撃性が増大するとともに、その金属繊維が摩耗分として脱落することにより、ローターと摩擦材の間に介在することで、摩擦材の摩耗も悪化することがある。

本発明の非石綿系摩擦材において、金属繊維繊維分として骨材繊維と高温潤滑性繊維の双方を含み、上記の骨材機能値が３０以上で、硬さ機能値が１０以下の場合、この金属繊維分が１０〜６０質量％の割合で含まれ、このうち上記骨材繊維が５〜４０質量％分、上記高温潤滑性繊維が５〜２０質量％分を占めることが好ましい。

金属繊維分が１０質量％未満では、高温下での摩擦係数の低下を抑制することができず、６０質量％を超えると、高温下での摩擦係数の低下を抑制することは可能であるが、相手攻撃性が増大し、ローター摩耗と摩擦材の摩耗が増大するとともに、異音や鳴きが発生し易くなる。
骨材繊維が５質量％未満では、高温下での摩擦係数の低下を抑制することができず、４０質量％を超えると、高温下での摩擦係数の低下を抑制することは可能であるが、相手攻撃性増大し、ローター摩耗と摩擦材の摩耗が増大するとともに、異音や鳴きが発生し易くなる。
また、高温潤滑性繊維が５質量％未満では、潤滑性繊維の機能を果たすことができなくなることがあり、異音や鳴きが発生し易く、また、高温下での潤滑性能が低下することで、骨材繊維及び研削材によるローター摩耗が増大することがある。２０質量％を超えると、潤滑性能が過剰となり高温下での摩擦係数の保持を阻害することがある。

上述のような高温潤滑性繊維を構成する金属繊維としては、上記の特性を満足する限り特に限定されるものではないが、典型的には、銅（Ｃｕ）、銅合金から成る繊維を例示できる。

なお、本発明の非石綿系摩擦材は、上述の成分以外にも、無機繊維、有機充填材、充填材、潤滑材、及び研削材などを含有することができる。
無機繊維としては、ロックウールやガラス繊維などを例示でき、有機充填材としては、ゴムやダストなど、充填材としては、硫酸バリウムやマイカ、酸化カルシウムなど、潤滑材としては、黒鉛やカーボン、金属硫化物など、研削材としてはジルコニアやアルミナ、マイカなどを例示できる。

また、本発明の非石綿系摩擦材は、高温摩擦後にこの非石綿系摩擦材の表面から２００μｍ以浅に形成される摩擦劣化層において、この層に存在する骨材繊維の繊維径が、高温摩擦前の１００〜２０％の大きさを有する。
即ち、高温摩擦後においても、上記骨材繊維の繊維径は余り小さくならず、このことからも、上記骨材繊維が骨格形成材としての機能を十分に果たし、当該非石綿系摩擦材の高温域での摩擦係数低下を十分に抑制していることが分かる。

更に、本発明の非石綿系摩擦材は、上記摩擦劣化層において、この層に存在する骨材繊維の繊維量が、この高温摩擦前の８０〜１００質量％の量を有することが好ましい。
即ち、高温摩擦後においても、上記骨材繊維の繊維量を余り減少させず、このことからも、上記骨材繊維が骨格形成材としての機能を十分に果たし、当該非石綿系摩擦材の高温域での摩擦係数低下を十分に抑制していることが分かる。

高温摩擦は、具体的には、７００℃において、ロータなどの回転体をパッド形状に形成した非石綿系摩擦材で挟んで制動させることによって行うことができ、例えば、自動車の速度換算としては、時速１４４ｋｍから時速８０ｋｍ相当に減速する条件下で行うことができる。

このような骨材特性の観点からは、チタン（Ｔｉ）及びチタン合金が良好であり、例えば、３０μｍの繊維径を有するチタン（Ｔｉ）は、高温摩擦後も繊維径が変化せず、しかも摩擦劣化相も摩擦材表面から３０μｍ以浅程度の範囲にしか存在しない。
また、ニッケル（Ｎｉ）及びニッケル合金も使用可能であり、例えば、５０μｍの繊維径を有するニッケル（Ｎｉ）では、高温摩擦後の繊維径は１０μｍ程度への低減に留まる。なお、摩擦劣化相も摩擦材表面から２００μｍ以浅程度の範囲である。但し、ニッケルを骨材繊維として用いた場合、骨材機能としての効果は高いが、ニッケルと硫化物の関係から、硫化物と合せて使用しないほうが好ましい。

本発明の非石綿系摩擦材において、各種成分の配合量は、上記の高温摩擦後の特性を満足する限り特に限定されるものではないが、骨材繊維を５〜４０質量％、必要に応じて高温潤滑性繊維を５〜２０質量％の割合で配合することが好ましい。
骨材繊維の配合量が５質量％未満では、骨格を維持できなくなり、高温摩擦時の骨格形成機能を果たす事ができなくなることがある。また、４０質量％を超えると異音や鳴きが発生し易く、また摩耗も多くなることがある。
また、高温潤滑性繊維の配合量が５質量％未満では、潤滑性繊維の機能を果たす事ができなくなることがあり、異音や鳴きが発生し易く、また摩耗も多くなることがある。また、２０質量％を超えると、高温摩擦時の骨格形成機能を阻害し、高温時の摩擦係数が低下することがある。

次に、本発明の非石綿系摩擦材の製造方法について説明する。
本発明の非石綿系摩擦材は、上述の各種成分を均一に混合した後、予備成形し、次いで金型内に裏金及び予備成形体を挿入した後、加熱加圧成形法で成形した後、熱処理を行うことにより製造することや、均一に混合した後、金型内に混合粉と裏金を挿入した後、加熱加圧成形法で成形すること、又は加熱加圧成形法で成形した後、熱処理を行うことにより製造することができる。

以下、本発明を実施例及び比較例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

表１に示す各種配合成分を均一に混合した後、予備成形し、次いで金型内に裏金及び予備成形体を挿入した後、加熱加圧成形法で成形した後、熱処理を行い、各例の摩擦材を製造した。
なお、表１において、チタン２８質量％、１４質量％及び７質量％はそれぞれ１０ｖｏｌ％、５ｖｏｌ％及び２．５ｖｏｌ％、ニッケル２８質量％は１０ｖｏｌ％、銅１４質量％及び７質量％はそれぞれ５ｖｏｌ％及び２．５ｖｏｌ％、ステンレス２８質量％は１０ｖｏｌ％、スチール２８質量％は１０ｖｏｌ％に相当し、その他使用している摩擦材成分の使用量、密度と摩擦材の重量、密度の関係から測定することができる。

［性能評価］
（１）フェード時の摩擦係数変化
各例の摩擦材を１／５サイズブレーキダイナモスケール試験機を用いて、下記の試験条件に供した。具体的には、すり合わせ１→すり合わせ２→本試験の順で処理し、本試験での摩擦係数を測定し、得られた結果を表２に示した。

・すり合わせ１
制動前温度：１２０℃
制動初速度：６０ｋｍ／ｈ
制動終速度： ０ｋｍ／ｈ
減速度 ：０．３Ｇ
制動回数 ：２００回

・すり合わせ２
制動前温度：８０℃
制動初速度：１３０ｋｍ／ｈ
制動終速度： ０ｋｍ／ｈ
減速度 ：０．６Ｇ
制動回数 ：１０回

・本試験
制動前温度：６０℃
制動初速度：１４４ｋｍ／ｈ
制動終速度： ８０ｋｍ／ｈ
減速度 ：０．５Ｇ
制動間隔 ：２２秒
制動回数 ：摩擦材が７００℃に到達するまで実施

（２）摩耗量
ＪＡＳＯ Ｃ４０６：２０００に準拠したテストピース試験を行った後、各例の摩擦材の摩耗量を測定した。得られた結果を表３に示す。

（３）フェード後における摩擦材の表面観察
実施例１、実施例２、実施例３及び比較例３の摩擦材について、それぞれ以下の試験条件下でフェード処理を行った後、その断面を光学顕微鏡で観察した。これらの光学顕微鏡写真をそれぞれ、図１、図２、図３及び図４に示す。

（ａ）試験条件
ねずみ鋳鉄製のロータを用い、実施例１の摩擦材をパッドとして試験を行った。速度１４４ｋｍ／ｈから８０ｋｍ／ｈに減速させた。初期温度は６０゜、減速度は０．５Ｇとした。

（ｂ）試験結果
実施例１の摩擦材では、温度が７００℃のとき、制動回数は６回で、摩擦係数μは０．３０であった。また、ロータ厚さ減は、０．０４１ｍｍ、パッド厚さ減は１．４０ｍｍとなった。
実施例２の摩擦材では、温度が７００℃のとき、制動回数は８回で、摩擦係数μは０．１９であった。また、ロータ厚さ減は０．０３８ｍｍ、パッド厚さ減は１．３３ｍｍとなった。
実施例３の摩擦材では、温度は７００℃のとき、制動回数は７回で、摩擦係数μは０．２３であった。また、ロータ厚さ減は０．０２８ｍｍ、パッド厚さ減は０．８７ｍｍとなった。
一方、比較例３の摩擦材では、温度は７００℃のとき、制動回数は９回で、摩擦係数μは０．１７であった。また、ロータ厚さ減は０．０３１ｍｍ、パッド厚さ減は０．７９ｍｍとなった。

以上の結果から、実施例１〜３は、比較例３と比較し、骨材繊維を配合することで、その骨格機能を充分に果たす働きから、高温下での摩擦係数低下が抑制でき、骨材繊維と高温潤滑繊維の配合を最適化することによって、高温下での摩擦係数低下の抑制とパッド、ロータの摩耗低減の両立が可能であることが分かる。

また、図１〜図４より、断面観察から、劣化層の厚さ及び骨材繊維、潤滑性繊維の高温摩擦後の状態が確認することができる。骨材繊維、潤滑性繊維の配合をコントロールすることで、劣化層の厚さ、劣化層内における骨材繊維の繊維径をコントロールすることができ、高温下での摩擦係数低下の抑制とパッド、ロータの摩耗低減の両立が可能であることが分かる。

（４）摩擦材表面の金属量分析など
また、実施例１、実施例２、実施例３及び比較例３の摩擦材について、それぞれ上記の試験条件下でフェード処理を行った後、その摩擦材表面の金属成分分析、及び蛍光Ｘ線ライン分析を実施し、摩擦材表面の金属量、金属繊維量の維持率について分析した。
これらの分析結果をそれぞれ表４及び表５に示す。表４は、摩擦材に使用している金属全体の成分量に対する、使用している金属繊維成分量の維持率を示す。但し、粉末や繊維以外の成分として含まれる成分も検出している場合がある。表５は、限りなく繊維に近いと考えられる物を測定したときの維持率を示す。

図５は、評価前後の金属性分量につき蛍光Ｘ線表面分析を実施した結果を示す。
それぞれの金属成分において、ピーク値が高いものが表面で検出された成分であり、主に金属繊維である。但し、評価後に鉄の検出値が高いのは、摩耗によるロータ成分が付着したものが検出された結果である。これらの金属繊維を定量値にしたものが表４及び５である。

表４の金属成分分析では、評価前の金属成分量に対し、評価終了後の劣化層を含んだ摩擦材表面の金属成分量を比較し維持率で表したが、実施例１、２が減少しているのに対し、実施例３、比較例４は、増加している。
これは、劣化層にローターの摩耗粉成分である鉄が含まれ、その鉄成分を検出したことで評価前に検出された金属成分量が減少した実施例１、２に対し、高温潤滑繊維である銅が高温で劣化し、劣化層に含まれ、その銅成分も検出した為に増加したものと考えられる。

それに対し、表５は、限りなく金属繊維に近いと考えられる物を測定し、その維持率を記した。実施例１〜３は、評価前の金属繊維量に対し、評価終了後の２００μｍ以浅に形成される摩擦劣化層に含まれる骨材繊維が８０％以上の繊維量を含有していることが検出された。但し、比較例３は、骨材繊維として使用した銅は、８０％以上の繊維量を含有しているが、表４からも明らかであるように、高温潤滑繊維としても働き、劣化層に含まれることで、潤滑機能として摩擦係数の低下を促進していることが確認できる。

上記の分析結果から、骨材繊維、潤滑性繊維の高温摩擦後の状態を確認することができる。骨材繊維、潤滑性繊維の配合をコントロールすることで、劣化層の厚さ、劣化層内における骨材繊維の繊維径、繊維量をコントロールすることができ、高温下での摩擦係数低下の抑制とパッド、ロータの摩耗低減の両立が可能であることが分かる。

フェード後における摩擦材の表面を示した光学顕微鏡写真である。 フェード後における摩擦材の表面を示した光学顕微鏡写真である。 フェード後における摩擦材の表面を示した光学顕微鏡写真である。 フェード後における摩擦材の表面を示した光学顕微鏡写真である。 金属性分量につき蛍光Ｘ線表面分析を実施した結果を示すチャートである。

Claims (7)

1. ８５〜１４５Ｈｖの硬さ、４００〜６００Ｎ／ｍｍ^２の引張強さ、２０〜４９％の伸びを有し、融点が１４５０℃以上の金属繊維から成る骨材繊維と、有機繊維と、結合材を含有する非石綿系摩擦材であって、
   高温摩擦後にこの非石綿系摩擦材の表面から２００μｍ以浅に形成される摩擦劣化層に含まれる上記骨材繊維の繊維径が、この高温摩擦前の１００〜２０％の大きさを有することを特徴とする非石綿系摩擦材。
2. 更に、８０Ｈｖ以下の硬さ、１５０〜４００Ｎ／ｍｍ^２の引張強さ、１０％以上の伸びを有し、融点が７００〜１１００℃の金属繊維から成る高温潤滑性繊維を含むことを特徴とする請求項１に記載の非石綿系摩擦材。
3. 上記骨材繊維、又は上記骨材繊維及び上記高温潤滑性繊維から成る金属繊維分の骨材機能値が３０以上であり、且つその硬さ機能値が１０以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の非石綿系摩擦材。
4. 上記金属繊維分が１０〜６０質量％の割合で含まれ、このうち上記骨材繊維が５〜４０質量％分、上記高温潤滑性繊維が５〜２０質量％分を占めることを特徴とする請求項３に記載の非石綿系摩擦材。
5. 上記摩擦劣化層に含まれる上記骨材繊維の繊維量が、上記高温摩擦前の量の８０〜１００質量％であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の非石綿系摩擦材。
6. 上記骨材繊維を５〜４０質量％の割合で含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の非石綿系摩擦材。
7. 上記高温潤滑性繊維を５〜２０質量％の割合で含むことを特徴とする請求項２〜６のいずれか１つの項に記載の非石綿系摩擦材。

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