JP2009209288A - 摩擦材 - Google Patents

Abstract

【課題】摩耗性とフェード特性を両立させ、ロータ温度３００℃以上の高温域での摩擦材の強度を向上させた摩擦材を提供する。
【解決手段】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において、該摩擦調整材の一部として硫化銅及び硫化鉄のうちの少なくとも一種の金属硫化物を含むことを特徴とする摩擦材。前記金属硫化物が硫化銅（II）であることが好ましく、前記摩擦調整材の一部としてさらに硫化錫を含むことができ、前記硫化銅、硫化鉄及び硫化錫の含有量が合計で摩擦材の全組成物中の１１〜３０体積％であること、摩擦材組成物の有機成分の総体積量が４２体積％以下であることが好ましい。
【選択図】なし

Description

本発明は、産業機械、鉄道車両、荷物車両、乗用車などに用いられる摩擦材に関するものであり、より具体的には前記の用途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関するものである。

摩擦材は、粒状、粉状及び繊維状物質を種々混合して加熱成形することにより製造されている。しかし、公害防止等のため摩擦材のノンアスベスト化が進むにつれて有機系配合材の配合割合が増加する傾向にある。自動車の摩擦材の摩擦係数は通常は０．３〜０．４であるが、高負荷時に摩擦材の温度が３００℃以上になると、摩擦係数が０．２５以下に低下する所謂フェード現象が発生する。これは、頻繁にブレーキを使う等摩擦により高温になった摩擦材中の有機材組成物の有機成分が分解してガスが発生し内部に閉じ込められ、ガス圧によって摩擦材の接触面積が減少するためとされている。

耐摩耗性を向上させるためには黒鉛、二硫化モリブデンを配合することが行われているし、高温域で発生するメタルキャッチによる対面攻撃性の悪化を抑制するために、硫化鉛、酸化アンチモン、硫化アンチモン等の鉛及びアンチモン化合物が効果があることが知られている。しかし、これらの化合物は環境保全のため使用を抑制する動きが高まっている。
一方、昨今の車両の高性能化、高速化に伴い、ブレーキの役割はますます過酷なものとなっている。更に車両の軽量化の動きの中で、摩擦材の高温での強度向上が早急に必要となってきている。そのため、特許文献１では、ブレーキディスクパッド、ブレーキドラム、およびクラッチディスクのような用途のブレーキライニングに用いるため硫化ビスマスを約２から約１０容量パーセントの量で摩擦材に配合し、更に硫化モリブデン、硫化銅、硫化亜鉛、硫化アンチモン、硫化スズ、硫化チタン、硫化鉄、硫化タングステン、及びこれらの混合物からなる群から選ばれる１種の化合物をさらに添加することが記載されている。

又、特許文献２には、硫化チタン及び金属複合硫化物以外の金属硫化物を３種以上含有し、かつアンチモン及び鉛化合物を含まない非石綿系摩擦材が記載され、具体例として、硫化亜鉛、硫化銅、硫化ビスマス、硫化錫、硫化鉄、硫化マンガン、硫化モリブデンからなる群から選ばれる３種以上の金属硫化物を含有する摩擦材が開示され、これには硫化銅が１〜２体積％配合されている。
しかしながら、上記の発明でもロータ温度３００℃以上の高温域での摩擦材強度を画期的に高めることは難しい。
特表２００３−５０３５５５号公報 特開２００３−３１３３１２号公報

一般に、耐摩耗性、耐熱劣化特性あるいはフェード特性を両立させるために、摩擦材の気孔率を調整することが以前から行われている。しかし、加熱成形時の成形圧力と温度を変えて気孔率を増加させたり単に無機粒子を使用する方法では、機械的強度及び耐摩耗性が低下することが多い。
本発明は、他の摩擦特性を犠牲にせず、摩擦材に配合する摩擦調整材の種類とその添加量を適宜選択することにより、摩擦材が車両のディスクブレーキ等、特にロータと組み合わされたとき、耐熱性、耐摩耗性とフェード特性とを両立させ、ロータ温度３００℃以上の高温域での摩擦材の強度を向上させた摩擦材を提供することを課題とするものである。

本発明者は、有機系配合材と硫化銅あるいは硫化鉄などの配合比率及びロータ温度３００℃以上の高温域での摩擦材強度との関係を検討した結果、硫化銅あるいは硫化鉄などの配合比率を従来よりも増やすと摩擦材強度が顕著に増大することを見出し、本発明を完成した。

すなわち、本発明は、下記の手段により前記課題を解決した。
（１）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において、該摩擦調整材の一部として硫化銅及び硫化鉄のうちの少なくとも一種の金属硫化物を含むことを特徴とする摩擦材。
（２）前記金属硫化物が硫化銅（II）であることを特徴とする前記（１）に記載の摩擦材。
（３）前記摩擦調整材の一部としてさらに硫化錫を含むことを特徴とする前記（１）又は（２）に記載の摩擦材。
（４）前記硫化銅、硫化鉄及び硫化錫の含有量が合計で摩擦材の全組成物中の１１〜３０体積％であることを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれか１項に記載の摩擦材。
（５）摩擦材組成物の有機成分の総体積量が４２体積％以下であることを特徴とする前記（１）〜（４）のいずれか１項に記載の摩擦材。

硫化銅、硫化鉄及び硫化錫を摩擦調整材として摩擦材へ利用することにより、高温での潤滑効果及び生成した被膜がパッド表面を覆うことにより摩擦材を保護し、ロータ温度３００℃以上の高温域での摩擦材強度を高く保つことが出来る。
更に、熱に弱い有機成分の総添加量を少なく保つことにより耐摩耗性、耐熱劣化特性あるいはフェード特性を両立させることが可能となり、摩擦材の耐熱性、高温強度を大きく向上させた摩擦材を提供することが出来る。

以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。
本発明の摩擦材では、硫化銅、硫化鉄のうちの少なくとも一種、又はこれらに加えてさらに硫化錫の含有量を摩擦調整材として摩擦材全体に対して１１〜３０体積％含有させるが、１１〜２７体積％が好ましく、１１〜２０体積％が特に好ましい。これにより、高温での強度を高めることができる。
本発明の摩擦材に配合される硫化銅、硫化鉄及び硫化錫の粒子径はどのようなサイズでも差し支えないが、１〜４００μｍ、好ましくは、５〜５０μｍの範囲にある粉末である。又、配合される硫化銅、硫化鉄及び硫化錫は市販品として容易に入手することが出来る。

硫化銅は、銅や硫黄の酸化数の違いにより、硫化銅（Ｉ）（化学式Ｃｕ_２Ｓ）と硫化銅（II）（化学式ＣｕＳ）があるが、使用する場合にはほとんどが硫化銅（II）である。硫化銅（II）は比重４．６４ｇ／ｃｍ^３の結晶であるが、２２０℃以上で分解してＣｕ_２Ｓとなる。

なお、本発明においては、硫化銅又は硫化鉄と共に硫化錫のような他の金属硫化物を含有させてもかまわない。硫化錫は１〜３体積％位含有させることができる。金属硫化物の総含有量は配合材全組成物中に、１１〜３０体積％、更に１３〜１５体積％配合することが好ましい。

本発明の摩擦材においては、配合材中の有機成分の配合比率を一定比率以下に抑えることにより、摩擦材の機械的強度を高めることができる。前記有機成分とは、配合材中の有機繊維基材、有機結合材及び有機摩擦調整材（黒鉛を除く）の合計量である。有機成分（有機材）の総量は配合材料１００体積％に対し、４２体積％以下、好ましくは３５体積％以下である。硫化銅、硫化鉄及び硫化錫を前記のように多量に含有させるのに対応して、有機成分（有機材）の総量をこのように減らすと、摩擦材の強度を増大させることができるが、反面高温域での摩擦量が多少増加する。しかし、実用上には影響がない程度である。この場合、有機成分が１５体積％以下になると、摩擦材が脆くなったりして、高温時の摩擦が増大するなどのため好ましくない。
本発明の更に好ましい態様としては、配合材１００体積％に対し、硫化銅が１３〜１５体積％であって、有機成分（有機材料）の総量が２０〜３０体積％配合された摩擦材である。

摩擦材の配合に際しては、通常用いられる配合材料が使用される。補強用の繊維基材としては、耐熱性有機繊維、無機繊維、金属繊維が使用される。前記した耐熱性有機繊維としては、例えば芳香族ポリアミド繊維、アラミド繊維、耐炎性アクリル繊維等が挙げられ、無機繊維としては例えばチタン酸カリウム繊維やアルミナ繊維等のセラミックス繊維、ガラス繊維、カーボン繊維、ロックウール等が挙げられ、また金属繊維としては例えば銅繊維やスチール繊維が挙げられる。無機充填材としては、例えば銅やアルミニウム、亜鉛等の金属粒子、バーミキュライトやマイカ等の鱗片状無機物、炭酸カルシウム等の粒子が挙げられ、有機充填材としては、例えば合成ゴムやカシューダストが挙げられる。

熱硬化性樹脂としては、例えばフェノール樹脂（ストレートフェノール樹脂、ゴム等による各種変性フェノール樹脂を含む）、メラミン樹脂、エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂等を挙げることができる。また、摩擦調整材としては、本発明で使用する硫化銅以外に、例えば、アルミナやシリカ、マグネシア、ジルコニウム、酸化クロム、石英等の金属酸化物、硫酸バリウム、黒鉛、カシューダスト、ゴムダスト等を併用しても差し支えない。固体潤滑材としては、例えば、二硫化モリブデン等を挙げることができる。
具体的な配合割合としては、補強用の繊維基材は摩擦材全体の２〜４０体積％、好ましくは５〜２０体積％、結合材は摩擦材全体の１０〜３０体積％、好ましくは１４〜２０体積％、摩擦調整材が摩擦材全体の３０〜８０体積％、好ましくは６０〜８０体積％とすることが好ましい。

摩擦材の製造においては、周知の製造工程により行うことができ、例えば、予備成形、熱成形、加熱、研磨等の工程を経て摩擦材を作製することができる。ディスクブレーキ用摩擦パットの製造工程の場合においては、板金プレスにより所定の形状に成形され、脱脂処理及びプライマー処理が施され、そして接着剤が塗布されたプレッシャプレートと、耐熱性有機繊維や無機繊維、金属繊維等の繊維基材と、無機・有機充填材、摩擦調整材及び熱硬化性樹脂バインダ等の粉末原料とを配合し、攪拌により十分に均質化した原材料を常温にて所定の圧力で成形（予備成形）して作製した予備成形体とを、熱成形工程において所定の温度及び圧力で熱成形して両部材を一体に固着し、アフタキュアを行い、最終的に仕上げ処理を施す工程が行われており、このような工程により製造することができる。

以下、実施例により本発明を具体的に説明する。ただし、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。

＜実施例及び比較例＞
（摩擦材の調製）
アラミド繊維、銅繊維、フェノール樹脂、カシューダスト、ゴムダスト、硫酸バリウム、ジルコニア、硫化錫、硫化銅（II）及び黒鉛からなる配合材料を第１表に示した配合処方に従い、攪拌機で均一に混合し、摩擦材料混合品を得た。また、硫化銅（II）の代わりに硫化鉄を配合した配合材料を第２表に示した配合処方に従い、攪拌機で均一に混合し、摩擦材料混合品を得た。次いで、摩擦材料混合品を金型に投入し成形温度１４０〜１７０℃、成形面厚３０〜８０ＭＰａで成形した。その後、１５０〜３００℃で１〜４時間焼成し、実施例１〜１０及び比較例１〜３の摩擦材を得た。なお、第１表及び第２表の数値は体積％を示す。
（性能試験）
次に、実施例１〜１０及び比較例１〜３の摩擦材について、テストピースでの４００℃せん断強度をＪＩＳ Ｄ４４２２により測定した。更にダイナモ試験機により高温域（３００℃、４００℃）での摩耗試験（ＪＡＳＯ Ｌ４２７準拠）を実施し、１０００回あたりの摩耗量で換算して評価した。試験結果は第１表及び第２表に示す。

第１表から分かるように、硫化銅（II）を１１〜２７体積％配合した実施例１〜５の本発明の摩擦材は、比較例１の摩擦材に対してロータ温度３００℃、４００℃での高温域での強度が大幅に向上している。また、比較例２の摩擦材の結果から、硫化銅の配合量が３３．０体積％と過剰になると、高温域での摩耗量が大きくなり、摩擦材の強度が低下することが示された。さらに、第２表から分かるように、硫化鉄を１１〜２７体積％配合した実施例６〜１０の本発明の摩擦材も、比較例１の摩擦材に対してロータ温度３００℃、４００℃での高温域での強度が大幅に向上している。また、比較例３の摩擦材の結果から、硫化鉄の配合量が３３．０体積％と過剰になると、高温域での摩耗量が大きくなり、摩擦材の強度が低下することが示された。
従って、摩擦材料全体に対し特定の比率の範囲で摩擦材の強度が増大することが示された。

本発明の摩擦材は、ロータ温度３００℃以上の高温域での強度が著しく改善され、フェード特性と耐摩耗性が両立した摩擦材が実用化された。従って、本発明の摩擦材は、自動車、鉄道、産業用機械などのブレーキパッド、ブレーキライニング、クラッチフェーシング等として使用される摩擦材として有用である。

Claims (5)

1. 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において、該摩擦調整材の一部として硫化銅及び硫化鉄のうちの少なくとも一種の金属硫化物を含むことを特徴とする摩擦材。
2. 前記金属硫化物が硫化銅（II）であることを特徴とする請求項１に記載の摩擦材。
3. 前記摩擦調整材の一部としてさらに硫化錫を含むことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の摩擦材。
4. 前記硫化銅、硫化鉄及び硫化錫の含有量が合計で摩擦材の全組成物中の１１〜３０体積％であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の摩擦材。
5. 摩擦材組成物の有機成分の総体積量が４２体積％以下であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の摩擦材。