JP2009073908A

JP2009073908A - 摩擦材

Info

Publication number: JP2009073908A
Application number: JP2007243406A
Authority: JP
Inventors: Takao Horitani; 貴雄堀谷; Katsuyoshi Kondo; 勝義近藤
Original assignee: Akebono Brake Industry Co Ltd
Current assignee: Akebono Brake Industry Co Ltd
Priority date: 2007-09-20
Filing date: 2007-09-20
Publication date: 2009-04-09

Abstract

【課題】自動車、トラック、鉄道車輌、各種産業機械等のブレーキ、クラッチに使用され、高温での摩擦係数μが高く安定していて、フェード現象を抑制でき、耐ロータ攻撃性に優れた摩擦材を提供する。
【解決手段】繊維基材、結合材及び摩擦調整材を含む摩擦材であって、Ｍｇ_２Ｓｉ粉末またはＭｇ_２Ｓｉを含む複合粉末を含有することを特徴とする。なお、前記Ｍｇ_２Ｓｉ粉末またはＭｇ_２Ｓｉを含む複合粉末の平均粒径が１〜３００μｍで、摩擦材全量に対する含有率が０．０５〜２５体積％であることが好ましい。
【選択図】なし

Description

本発明は自動車や産業機械のブレーキに用いられるブレーキ用摩擦材に関して、さらに詳しくは、高温での摩擦特性に優れロータ攻撃性が低減したブレーキ用摩擦材に関する。

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、制輪子等に用いられる摩擦材は、通常、耐熱性有機繊維、無機繊維、金属繊維等の繊維成分、無機および有機充填材等を含む摩擦調整材、熱硬化性樹脂結合材等の粉末原料を混合した混合物を出発原料として、該出発原料を計量して成形型に投入し、常温で所定圧力で予備成形し、次いで所定温度、圧力にて熱成形し、熱処理（アフタキュア）及び仕上げ処理して製造されている。

自動車、トラック、鉄道車輌などのブレーキに使用されている摩擦材は、高負荷時や高速からのブレーキ時などに、摩擦係数（μ）が低下したり、フェード現象が生じたり、ロータ摩耗が増加したりする。一般に摩擦材には結合材としてフェノール樹脂等の熱硬化樹脂が使用されており、２５０℃以上の高温になるとこれらの樹脂が熱分解して炭化したり、液状分解物が生成することが主因である。このため、高温時の摩擦係数μの低下抑制、耐フェード性の確保やロータ攻撃性の低減は、摩擦材の配合、製造条件を決める場合の大きな課題となっており、これまでいろいろな対策が取られている。

例えば、特許文献１〜２に示すように、摩擦材の耐熱性を向上させるため金属繊維や金属粉を使用したり、高温でも特性が安定している高硬度セラミック粉を配合したりしている。また、高温の耐摩耗性を向上させるため高温潤滑材として硫化物やグラファイトを配合している。しかし、いずれの方策も欠点があるため前記課題に対する方策としてはいずれも不十分である。
すなわち、従来摩擦材に配合されている金属繊維や金属粉はいずれも融点が１０００℃以上の高温であり、ロータ表面への金属凝着による摩擦係数μの向上が有効に働くブレーキ温度範囲が限られている。また、硬質セラミックを配合した場合は、特に４００℃以上の高温になるとロータ材との硬度差が増大しロータへの攻撃性が大きくなり、ロータ表面の凹凸が増大し振動やノイズ発生の原因になる可能性がある。さらに、高温での摩耗を抑制させる高温潤滑材は、潤滑効果の有効温度範囲、コストおよび環境などの面から問題になるものが多く、不十分である。

最近では、例えば、特許文献３に記載されているように、マグネシウムシリサイド（Ｍｇ_２Ｓｉ）を含有するマグネシウム基複合材料は、軽量化に加えて、高強度・高耐摩耗性・高耐食性を有することから、それらの特性が同時に望まれる自動車用部品の構造用部品材料として注目されているが、ブレーキ用摩擦材に適用された例はない。
特開平５−２４７４４２号公報特開平９−２２１６５８号公報特開２００５−３２５４４１号公報

従って、本発明は上記の状況を改善するためになされたもので、高速・高負荷時における摩擦係数μが高く安定しており、フェード現象を抑制でき、耐ロータ攻撃性に優れた摩擦材を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するため、金属とセラミックスの中間的な特性を持つ金属間化合物のＭｇ_２Ｓｉに注目し、高温での適度の硬度低下及びＭｇ成分のロータ表面への凝着により、高温での摩擦係数μの向上・安定化、耐フェード性や耐ロータ攻撃性の向上が達成できることを発想したものである。そして、Ｍｇ_２Ｓｉ粉またはＭｇ_２Ｓｉを含む複合粉の平均粒径が１〜３００μｍであり、かつ含有率が０．０５〜２５％である場合の摩擦材が好適であることを見出して本発明を完成させた。

すなわち、本発明は下記（１）〜（５）により達成された。
（１）繊維基材、結合材及び摩擦調整材を含むブレーキ用摩擦材において、Ｍｇ_２Ｓｉ粉末またはＭｇ_２Ｓｉを含む複合粉末を含有することを特徴とする摩擦材。
（２）前記Ｍｇ_２Ｓｉ粉末またはＭｇ_２Ｓｉを含む複合粉末の平均粒径が１〜３００μｍである、上記（１）に記載の摩擦材。
（３）前記Ｍｇ_２Ｓｉ粉末またはＭｇ_２Ｓｉを含む複合粉末の摩擦材全量に対する含有率が０．０５〜２５体積％である、上記（１）または（２）に記載の摩擦材。
（４）前記Ｍｇ_２Ｓｉを含む複合粉末が、ＭｇＯ、ＳｉＯ_２、Ｍｇ_２ＳｉＯ_４、Ｍｇ_１７Ａｌ_１４、Ｓｉからなる群から選ばれた少なくとも１種類以上の粉末組成物を含む、上記（１）〜（３）のいずれか１項に記載の摩擦材。
（５）前記Ｍｇ_２Ｓｉを含む複合粉末のＭｇ_２Ｓｉ含有量が３０〜８０体積％である、上記（１）〜（４）のいずれか１項に記載の摩擦材

本発明は、Ｍｇ_２Ｓｉ粉を摩擦材に配合することにより、低温では高硬度Ｍｇ_２Ｓｉの研削能力を活用し、高温では金属成分Ｍｇのロータ表面への凝着による摩擦係数μの向上作用を活用することにより、摩擦材の高温での摩擦係数μの向上と安定化、耐フェード性、耐ロータ攻撃性の向上を達成したものである。

Ｍｇ_２Ｓｉ粉は従来研削材として使用されているＺｒＯ、Ａｌ_２Ｏ_３などのセラミックと異なり、高温ではロータ材との硬度差が少ないためロータ攻撃性が抑制でき、また同時にＦｅやＣｕに比べ融点の低い「Ｍｇ」の凝着による摩擦係数μの向上・安定化が期待できる。

更に、Ｍｇ_２Ｓｉを含む複合粉末の場合は、硬質セラミックと複合化することで常温付近の硬度をより高くして研削能力をさらに向上させ、またＭｇ系のセラミック粉と複合化することでＭｇ成分の割合を多くして凝着による摩擦係数μの向上をより確実にすることが出来る。すなわち、Ｍｇ_２Ｓｉ粉の複合化により摩擦材への配合効果をより一層大きくすることが可能である。

以下、本発明の実施態様について詳細に説明する。
本発明の摩擦材は、少なくとも、繊維基材、結合材及び摩擦調整材を含む摩擦材であって、摩擦調整材としてＭｇ_２Ｓｉ粉またはＭｇ_２Ｓｉを含む複合粉を含有することを特徴とする。その好ましい態様としては次のものが包含される。

Ｍｇ_２Ｓｉ粉またはＭｇ_２Ｓｉを含む複合粉の粒径は、好ましくは１〜３００μｍ、より好ましくは５〜２５０μｍである。１μｍ未満では摩擦材への均一分散が困難となり、３００μｍを超えると研削能が著しく低下し、低温でのμが確保が出来ない。

さらに、Ｍｇ_２Ｓｉ粉またはＭｇ_２Ｓｉを含む複合粉は、摩擦材全量に対し、好ましくは０．０５〜２５体積％、より好ましくは、０．１〜２０体積％とする。０．１体積％未満では配合の効果が認められず、２０体積％を超えると相手材への攻撃性が大となる恐れがある。

Ｍｇ_２Ｓｉ複合粉におけるＭｇ_２Ｓｉの組成割合は、好ましくは３０〜８０体積％、より好ましくは４０〜７０体積％とする。３０体積％未満だと高温でのμ向上が期待できず、８０体積％を超えると複合化による常温付近での十分な研削能向上が期待できない。

本発明の最も好ましい態様としては、Ｍｇ_２Ｓｉ粉またはＭｇ_２Ｓｉを含む複合粉の粒径が５〜２５０μｍであり、前記摩擦調整材を摩擦材全体に対し４０〜７０体積％含有する摩擦材である。

Ｍｇ_２Ｓｉ粉の製造法は特に限定されないが、例えば、純Ｍｇ粉と純Ｓｉ粉を２：１のモル比で混合、成形した後加熱する合成焼結法が好ましい。その際の純粉末（Ｍｇ、Ｓｉ）の粒径は０．１〜３００μｍが好ましい。Ｍｇ_２Ｓｉは、それ単独でＭｇに比べて高剛性及び高硬度、並びに優れた耐腐食性と耐熱性を有している。

また、Ｍｇ_２Ｓｉを含む複合粉の製造方法は、焼結法、機械的混合法、溶解法などあり特に限定されないが、好ましくはＭｇ及びＭｇ合金粉とＳｉＯ_２粉やＳｉ系セラミック粉との固相反応焼結法により合成焼結材を作製し、それを粉砕・ふるい分けし、平均粒径が０．１〜３００μｍとなるように調整されたものを用いる。Ｍｇが合金である場合、Ｍｇ以外に含まれるものとして、Ａｌ、Ｚｎ、Ｍｏ、Ｍｎ、Ｚｒ、Ｃｅ又はＬｉ等を挙げることができるが、これらに限定されない。

Ｍｇ_２Ｓｉ複合粉に含まれる、ＭｇＯ、ＳｉＯ_２、ＭｇＳｉＯ_４、Ｍｇ_１７Ａｌ_１４、Ｓｉの含有量は、複合粉全体に対し１０〜８０体積％、好ましくは２０〜７０体積％である。

本発明の摩擦材を製造するには、補強繊維、摩擦調整材、結合材とを含む摩擦材において、前記原料又は原料類を配合し、その配合物を通常の製法に従って予備成形し、熱成形することにより製造することができる。

摩擦材の組成としては、種々の組成割合を採ることができる。すなわち、これらは、製品に要求される特性、例えば、摩擦係数、耐摩耗性、振動特性、鳴き特性等に応じて、単独でまたは２種以上を組み合わせて配合すればよい。

摩擦材に配合する補強用の繊維基材としては、摩擦材全体の５〜４０体積％、摩擦調整材が１０〜５５体積％、充填材が５〜３５体積％、結合材が５〜１５体積％とするのが好ましい。

本発明の摩擦材に用いることが出来る繊維基材としては、無機繊維、有機繊維、金属繊維があげられる。例えば、アラミド繊維、アクリル繊維、ポリイミド繊維、フェノール繊維、ガラス繊維、セラミック繊維、天然鉱物繊維、炭素繊維、チタン酸カリウム繊維、銅（及び銅合金）繊維、スチール繊維、ステンレス繊維などがあり、これら１種を単独でまたは２種以上を組み合わせて使用することができる。

また、結合材として使用される熱硬化性樹脂としては、一般に用いられているフェノール樹脂や尿素樹脂、メラミン樹脂またはそれらの変性樹脂が挙げられる。そしてこれらは適宜組み合わせて使用することができる。

更に、摩擦調整材としては有機系、無機系、金属系いずれでも良く、例えば黒鉛（天然および人造）、カシュ−ダスト、ゴムダスト、硫化アンチモン、硫酸バリウム、二硫化モリブデン、水酸化カルシウム、炭酸カルシウム、マイカ等、また銅、黄銅、青銅、スズ、亜鉛、鉄等の金属粉が挙げられるが、これらは耐熱性向上、潤滑効果、摩擦係数μの調整、ブレーキノイズ対策などのため適量使用することができる。

本発明の摩擦材は通常の方法により製造可能であり、上述の摩擦材原料をブレンダ等で混合し、得られた粉末状混合物を予備成形金型に入れ予備成形し、その後当該予備成形物を加圧加熱成形し、さらに熱処理を行うことにより本発明のブレーキ用摩擦材を得ることができる。

なお、摩擦材組成物の予備成形、加圧加熱成形、熱処理の条件については特に制限はないが、熱成形時の温度は１２０〜２５０℃、最終の熱加圧は２０〜８０ＭＰａ、加圧時間を１００〜１２００ｓｅｃで成形することが望ましい。加熱処理温度は１００〜３００℃が望ましい。なお必要に応じ加熱処理後さらに４００〜８００゜Ｃの高温で成形体の表面を焼き付けてもよい。

以下、実施例を挙げて本発明を更に具体的に説明するが、本発明の範囲はこれらの実施例のみに限定されるものではない。

Ｍｇ_２Ｓｉ粉末は、純Ｍｇ粉末（純度９９．９％）とＳｉ粉末（純度９９．９％）を準備し、両粉末をＭｇ：Ｓｉ＝２：１（モル比）で配合した後、ボールミルを用いて３０分間混合処理した。

得られた混合粉末をカーボン製型（内径１０５ｍｍφ）に充填した状態で放電プラズマ焼結装置にセットして、真空中で圧力２０ＭＰａ、試料温度６００℃となるように調整して１５分間焼結し、Ｍｇ_２Ｓｉの多孔質焼結体を得た。前記Ｍｇ_２Ｓｉをロッキングミル加工機によって粉砕し、篩粉処理を行うことで摩擦材の配合に用いた平均粒径の試料を準備した。

Ｍｇ_２Ｓｉを含む複合粉末は、Ｍｇ粒子（またはＭｇ合金粉末）とＳｉＯ_２粒子とを所定の比率で混合し、直径１０５ｍｍφの金型に充填して放電プラズマ焼結装置にて２０ＭＰａの圧力を付与し真空中で６００℃×１５分の合成焼結を施すことにより、Ｍｇ_２Ｓｉ粒子とＭｇＯ粒子が複合化した多孔質焼結体を得た。そして、この焼結体をロッキングミル装置で微細粉砕処理をし、篩粉処理を行い所定の平均粒径を有する試料を準備した。

摩擦材の配合は、繊維基材としてスチール繊維、その他の繊維成分としてケブラー繊維（商品名：デュポン社製）、Ｃｕ繊維、チタン酸カリウム繊維、結合材としてフェノール樹脂、摩擦調整材及び充填材として、黒鉛、硫酸バリウム、消石灰、ゴムダスト、カシューダスト、珪酸ジルコニア、などを適宜用いた。表１にそれらの配合比率を示す。

表１のａ〜ｌは本発明の摩擦調整材であるＭｇ_２Ｓｉ粉またはＭｇ_２Ｓｉ複合粉を含んでいる。１〜３は比較例であり、Ｍｇ_２Ｓｉ粉またはＭｇ_２Ｓｉ複合粉を含まない。配合量は体積％で示している。

実施例の摩擦材の作製は、まず摩擦原料をブレンダで十分均一に混合した後粉末状混合物を予備成形金型に投入し、常温下、圧力約７．２ＭＰａで約５秒間加圧し、予備成形物を形成した。次いで予め表面にフェノール樹脂系接着剤を塗布したプレッシャプレートとともに熱成形金型にセットし、加圧圧力５０ＭＰａ、温度１６０℃で５分間熱成形した。これをさらに２００℃で５時間熱処理しブレーキ用摩擦材を得た。

次に作製した摩擦材と実ロータを用いて、ブレーキダイナモメータ試験（ＪＡＳＯＣ４０６−００，ＪＡＳＯ４２７−８８）を実施し、高温における摩擦特性及び相手材への攻撃性を評価した。ロータ材は鋳鉄材（ＦＣ２００）を使用した。摩擦材の評価方法と判定基準を表２に示す。判定は◎、○、△及び×の４段階とした。

表２に示すように、高温における摩擦特性はダイナモメータ試験（ＪＡＳＯＣ４０６）の第２効力試験の高速・高Ｇ側（初速度：１３０ｋｍ／ｈ、減速度：０．５Ｇ以上）での平均摩擦係数や第１フェード試験での最少摩擦係数μ、相手材への攻撃性はダイナモ試験（ＪＡＳＯＣ４２７）での３００℃、４００℃におけるロータ摩耗量（μｍ）、でそれぞれ評価した。

試験結果を表１にまとめて示す。Ｍｇ_２ＳｉやＭｇ_２Ｓｉ系複合粉を含む本発明の摩擦材は、いずれも比較例１〜３に比べて高温での摩擦係数μ、耐フェード性において優れた結果を示した。また、高温（３００℃、４００℃）でのロータ摩耗量は比較材と比べ少なく、耐ロータ攻撃性にも優れていることが分かった。

本発明の摩擦材は高温での摩擦特性や摩擦相手材との相性もよいので自動車用として好適であるが、大型トラック、鉄道車輌、各種産業機械等の制動用ブレーキにも用いることが出来る。

Claims

繊維基材、結合材及び摩擦調整材を含むブレーキ用摩擦材において、Ｍｇ_２Ｓｉ粉末またはＭｇ_２Ｓｉを含む複合粉末を含有することを特徴とする摩擦材。
前記Ｍｇ_２Ｓｉ粉末またはＭｇ_２Ｓｉを含む複合粉末の平均粒径が１〜３００μｍである、請求項１に記載の摩擦材。
前記Ｍｇ_２Ｓｉ粉末またはＭｇ_２Ｓｉを含む複合粉末の摩擦材全量に対する含有率が０．０５〜２５体積％である、請求項１または２に記載の摩擦材。
前記Ｍｇ_２Ｓｉを含む複合粉末が、ＭｇＯ、ＳｉＯ_２、ＭｇＳｉＯ_４、Ｍｇ_１７Ａｌ_１４、Ｓｉからなる群から選ばれた少なくとも１種類以上の粉末組成物を含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の摩擦材。
前記Ｍｇ_２Ｓｉを含む複合粉末のＭｇ_２Ｓｉ含有量が３０〜８０体積％である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の摩擦材