JP2010209214A - 摩擦対 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】互いの擦動により摩擦力を生じさせる摩擦対であって、硬質粒子(a)と、当該硬質粒子(a)よりもモース硬度が低く、且つ、当該硬質粒子(a)の全面を覆う樹脂(b)を含む、第1の摩擦材と、硬質粒子(A)と、当該硬質粒子(A)よりもモース硬度が低く、且つ、前記樹脂(b)よりもモース硬度が高く、且つ、当該硬質粒子(A)を連結する、金属材料又は無機材料(M)を含む、第2の摩擦材を有することを特徴とする、摩擦対。
【選択図】図3
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特に、制動性を高めるため、摩擦材には、摩擦材同士の摩擦係数を高める作用が高い、高い硬度を有する硬質粒子が配合されている。しかしながら、制動性を向上させるために、硬質粒子の配合量を高めると、制動性を確保することはできるが、硬質粒子が相手材を摩耗させる。このとき、硬質粒子による摩耗が局所的に生じやすく、相手材の摩擦面における偏摩耗が生じたり、また、相手材の摩耗により生じる摩耗粉が摩擦面に残留することで、摩擦対の各摩擦面の摩耗が進んだりする。その結果、摩擦材の耐摩耗性が低下し、さらには、ノイズや振動が発生しやすくなる。すなわち、摩擦材において、高い制動性を維持しつつ、優れた耐摩耗性、ノイズ特性及び振動特性を確保することは困難である。
条件(1):前記第1の摩擦材が、前記硬質粒子(a)よりもモース硬度の低い無機粒子(f)をさらに含有し、当該無機粒子(f)の平均直径rfに対する前記樹脂被覆硬質粒子(c)の平均直径rcの比率(rc/rf)が、0.2以上である。
条件(2):前記第2の摩擦材が、前記硬質粒子(A)よりもモース硬度の低い無機粒子(F)をさらに含有し、当該無機粒子(F)の平均直径RFに対する前記硬質粒子(A)の平均直径RAの比率(RA/RF)が、0.2以上である。
条件(3):前記第1の摩擦材において、下記式(1)が成り立つ。
条件(4):前記第1の摩擦材及び前記第2の摩擦材において、下記式(2)が成り立つ。
条件(1):前記第1の摩擦材が、前記硬質粒子(a)よりもモース硬度の低い無機粒子(f)をさらに含有し、当該無機粒子(f)の平均直径rfに対する前記樹脂被覆硬質粒子(c)の平均直径rcの比率(rc/rf)が、0.2以上である。
条件(2):前記第2の摩擦材が、前記硬質粒子(A)よりもモース硬度の低い無機粒子(F)をさらに含有し、当該無機粒子(F)の平均直径RFに対する前記硬質粒子(A)の平均直径RAの比率(RA/RF)が、0.2以上である。
条件(3):前記第1の摩擦材において、下記式(1)が成り立つ。
条件(4):前記第1の摩擦材及び前記第2の摩擦材において、下記式(2)が成り立つ。
また、条件(2)は、「第2の摩擦材が、硬質粒子(A)よりもモース硬度の低い無機粒子(F)をさらに含有し、当該無機粒子(F)の平均直径RFに対する硬質粒子(A)の平均直径RAの比率(RA/RF)が、0.2以上である。」という条件である。
実線で描かれた無機粒子(f)61と、当該無機粒子よりも紙面表側にある、点線で描かれた無機粒子(f)62とによって最密充填構造が取られている。当該最密充填構造中の空隙に、樹脂被覆硬質粒子(c)63が入り込んでいる。なお、無機粒子61及び62、樹脂被覆硬質粒子63は球であるものとし、且つ、図1中において、無機粒子62は樹脂被覆硬質粒子63の存在を示すために透明に記載されているものとする。
なお、少なくとも一方の前記無機粒子のモース硬度が3.5以下であることが特に好ましく、3以下であることが最も好ましい。
図5において、摩擦面70上に、いま、摩擦材において応力が生じる前の弾性材料(m)71m、及び樹脂被覆硬質粒子(c)73cが、それぞれ載置されている。なお、図5においては、弾性材料71mと粒子73cは、共に点線で描かれている。
これら弾性材料71mと粒子73cに、紙面に平行且つ紙面の上から縦方向に、摩擦により生じた応力σm及びσcがそれぞれ加わった後の様子を示したのが、弾性材料(m)72m、及び樹脂被覆硬質粒子(c)74cである。なお、図5においては、弾性材料72mと粒子74cは、共に実線で描かれている。
粒子73c又は粒子74cは、それぞれ硬質粒子(a)73aと被覆樹脂(b)73b、又は硬質粒子(a)74aと被覆樹脂(b)74bからなる。
図5に示すように、硬質粒子73aの平均粒径をra、被覆樹脂73bの平均膜厚をsとする。
σa=σb=σc=εb・Eb=εa・Ea 式(1a)
と表すことができる。なお、式(1a)中、εa及びεbは、それぞれ硬質粒子74a及び被覆樹脂74bの歪量、Ea及びEbは、それぞれ硬質粒子74a及び被覆樹脂74bの弾性率を示している。
ここで、一般にEb≪Eaであるから、εa=εb・(Eb/Ea)≒0。したがって、樹脂被覆硬質粒子74cにおいて、硬質粒子74aの歪量(変位量)εaは無視できるので、
εb≒εc=γ/(2s) 式(1b)
と表すことができる。なお、式(1b)中、εcは、樹脂被覆硬質粒子74cの歪量、γは、樹脂被覆硬質粒子74cの大きさ分の変位量をそれぞれ示している。
εm=γ/(ra+2s) 式(1c)
と表すことができる。なお、式(1c)においては、図5に示すように、樹脂被覆硬質粒子74cの大きさ分の変位量と、弾性材料72mの大きさ分の変位量が略等しいものと仮定している。
εm・Em≦εb・Eb 式(1d)
と表すことができる。上記式(1b)及び上記式(1c)を、上記式(1d)に代入して、
(Em・γ)/(ra+2s)≦(Eb・γ)/(2s) 式(1e)
と表すことができる。上記式(1e)をsについて整理することで、上記式(1)を得ることができる。なお、上記式(1)において、Em>Ebである。
なお、Ebが2GPa以上であることが特に好ましく、Ebが3GPa以上であることが最も好ましい。
本発明の摩擦対は、摩擦力が主に硬質粒子において発生するように設計される。いま、第1の摩擦材と第2の摩擦材との間で摩擦が生じたとすると、第1の摩擦材が第2の摩擦材から受ける摩擦力F1は、第1の摩擦材の最表面層内の硬質粒子(a)に集中し、その摩擦力F1は、最表面層内の硬質粒子(a)と、硬質粒子(a)を取り巻く周囲の成分(弾性材料(m)、硬質粒子を被覆している樹脂(b)と無機粒子(f))とによって支持されなければならない。第1の摩擦材は、硬質粒子(a)と上記周囲の成分とからなるので、硬質粒子(a)を支持する材料の降伏応力は、すなわち第1の摩擦材の降伏応力σ1となる。したがって、第1の摩擦材における硬質粒子(a)の含有率をCa、第1の摩擦材の硬質粒子(a)の平均直径をraとすると、
F1 ∝ σ1 ・ ra 2 ・ Ca 式(2a)
と表すことができる。
F2 ∝ σ2 ・ RA 2 ・ CA 式(2b)
と表すことができる。
作用・反作用の法則により、F1=F2であるのが理想的であるが、接触確率のばらつきを考慮し、0.2≦(F2/F1)≦5とし、上記式(2)を求めることができる。
仮に、第1の摩擦材の降伏応力σ1が、10MPa未満である場合には、十分な摩擦力を発生させることができず、また仮に、σ1が100MPaを超える値である場合には、相対して摩擦力を発生させる第2の摩擦材を摩耗させ過ぎてしまうおそれがある。
なお、σ1は22MPa以上であることが好ましく、24MPa以上であることが特に好ましい。また、σ1は38MPa以下であることが好ましく、36MPa以下であることが特に好ましい。
なお、σ2は110MPa以上であることが好ましく、120MPa以上であることが特に好ましい。また、σ1は790MPa以下であることが好ましく、780MPa以下であることが特に好ましい。
なお、CAは0.15vol%以上であることが好ましく、0.2vol%以上であることが特に好ましい。また、CAは92.5vol%以下であることが好ましく、90vol%以下であることが特に好ましい。
1≦(σ2/σ1)≦80 式(2c)
という不等式が成り立つ。また、式(2c)及び式(2)より、下記に示す不等式である式(2d)を導出することができる。
なお、硬質粒子(a)及び(A)としては、共通の上記材料を用いてもよいし、異なる材料を用いてもよい。また、硬質粒子(a)及び(A)のそれぞれが、2種類以上の異なる上記材料を混合して用いてもよい。
なお、少なくとも一方の前記硬質粒子のモース硬度が4.75以上であることが特に好ましく、5以上であることが最も好ましい。
なお、樹脂(b)として、2種類以上の異なる上記材料を混合して用いてもよい。
このように樹脂で被覆された硬質粒子を用いることによって、硬質粒子と弾性樹脂をそれぞれ独立に摩擦材中に含有させるのとは異なり、硬質粒子の摩擦面からの突出量を十分に吸収させる働きを、弾性樹脂が発揮すると共に、硬質粒子が十分に高い摩擦の効きを発現することができる。
弾性樹脂による被覆の厚さ(例えば、上述した条件(3)における平均被膜厚さs)をより精密に設計できるという観点からは、これらの被覆方法のうち、塗布法を用いることが特に好ましい。
仮に、樹脂被覆硬質粒子(c)及び弾性材料(m)の合計の含有率が5vol%未満であるとすると、上述した応力分散機構の観点から、摩擦力安定性及びノイズ・振動抑制効果、耐摩耗性の両立の効果を得ることができない。
また、樹脂被覆硬質粒子(c)と弾性材料(m)の体積比において、樹脂被覆硬質粒子(c):弾性材料(m)=2:1よりも樹脂被覆硬質粒子(c)の含有比率が高い場合には、第1の摩擦材と相対する第2の摩擦材の摩耗量が多くなり、また、樹脂被覆硬質粒子(c):弾性材料(m)=1:50よりも弾性材料(m)の含有比率が高い場合には、摩擦力が低減してしまう。
なお、樹脂被覆硬質粒子(c)及び弾性材料(m)を合計で6vol%以上含有し、且つ、樹脂被覆硬質粒子(c)と弾性材料(m)の体積比が、樹脂被覆硬質粒子(c):弾性材料(m)=1:1〜1:30であるのが特に好ましく、樹脂被覆硬質粒子(c)及び弾性材料(m)を合計で7vol%以上含有し、且つ、樹脂被覆硬質粒子(c)と弾性材料(m)の体積比が、樹脂被覆硬質粒子(c):弾性材料(m)=1:2〜1:10であるのが最も好ましい。
なお、第1の摩擦材の弾性率は、120MPa以上であることが特に好ましく、140MPa以上であることが最も好ましい。また、第1の摩擦材の弾性率は、280MPa以下であることが特に好ましく、260MPa以下であることが最も好ましい。
なお、第1の摩擦材の弾性率の測定方法は、上述した弾性樹脂の弾性率、又は弾性材料の弾性率と同様の測定方法を用いることができる。
ここでいう表面粗さとは、JIS B601のRzJIS(10点平均粗さ)で決定する。
なお、第2の摩擦材の摩擦面における表面粗さは、9μm以下であることが特に好ましく、8μm以下であることが最も好ましい。また、第2の摩擦材の摩擦面における表面粗さは、少なくとも、0.01μm以上であれば、上記効果を十分に果たすことができる。
摩擦材の成形方法としては、上記混合方法において得られる混合物を、加熱した金型中に入れて加圧する方法や、上記混合方法において得られる混合物を、基本材料に接着する方法が例示できる。この際、摩擦材の形状は、線状、棒状、板状、シート状その他の任意の形状に加工することができる。
本発明の摩擦対100は、第1の摩擦材1と第2の摩擦材2を有し、当該第1の摩擦材1の摩擦面41と、当該第2の摩擦材2の摩擦面43とが当接している。
第1の摩擦材1は、硬質粒子(a)11を樹脂(b)12で被覆した樹脂被覆硬質粒子(c)13、及び、前記粒子(c)13以外の当該第1の摩擦材のマトリックスを構成する弾性材料(m)14を有している。第2の摩擦材2は、硬質粒子(A)21、及び金属材料又は無機材料(M)24を有している。
なお、摩擦対100は、少なくとも上述した条件(1)と(3)をいずれも満たすものであることが好ましい。
図4(a)は、上記摩擦対の典型例に応力が付与される前の様子、すなわち摺動前の様子を示したものである。硬質粒子(a)11及び(A)21が各摩擦材の摩擦面から突出した突出部50は、従来技術においては、摩擦対に応力が付与された際に、硬質粒子が降伏応力を迎えやすい原因となるものであった。
図4(b)は、上記摩擦対の典型例に応力が付与された後の様子、すなわち摺動中の様子を示したものである。図に示すように、摩擦対100は、応力が付与されても、硬質粒子(a)11に被覆された樹脂(b)12及び金属材料又は無機材料(M)24がひずむことによって、硬質粒子(a)11又は(A)21に付与される過剰な応力を、樹脂(b)12又は金属材料若しくは無機材料(M)24がそれぞれ十分に吸収できるという応力分散機構を有することから、各硬質粒子が降伏応力を迎えにくい構成となっている。さらに、第1の摩擦材中に含まれる弾性材料(m)14によって、摩擦面全体に接触面15が確保されることから、摩擦面間全体において摩擦の効きを発生させることができる。
硬質粒子(a)としては、SiC(炭化ケイ素。モース硬度9.3。昭和電工製。商品名:グリーンデンシック(GC))を用いた。また、樹脂(b)としては、ポリアミドイミド(以下PAIと略す。東レダウコーニング製。商品名:モリコート(PA−744))を用いた。
硬質粒子(a)への樹脂(b)被覆は、溶媒に溶かしたPAIに、SICを、PAIとSiC(溶媒中の固形分)が同体積(1:1)になる割合で混合し、その後溶媒を揮発させることによって完了した。
樹脂被覆の厚さ(s)は、樹脂被覆前後のSiCの粒径をレーザー回折粒度測定器でそれぞれ測定し、樹脂被覆後のSiCの平均粒径と樹脂被覆前のSiCの平均粒径との差をとることによって算出した。
[実施例]
第1の摩擦材(ブレーキパッド)は、下記表1に示す材料を、下記表1の実施例の欄に示した配合(vol%)で混合して作製した。なお、下記表1中の「SiC(PAI被覆)」は、上記樹脂被覆硬質粒子の作製において得られた樹脂被覆炭化ケイ素のことである。また、下記表1に記載された粒径は、上述したようなレーザー回折粒度測定器でそれぞれ測定した。
下記表1に示された材料のうち、SiC(硬質粒子(a))は、モース硬度が9.3であり、また、樹脂被覆したSiCの平均粒径は26μmである。また、マイカ(無機粒子(f)。平均粒径:15μm)はモース硬度が2.5〜3.0である。さらに、硫酸バリウム(無機粒子(f)。平均粒径:10μm)はモース硬度が3.5である。したがって、本実施例中の第1の摩擦材は、上記条件(1)を満たすものである。
製造方法の詳細としては、まず、縦型ミキサーによって各種原料を5分間均一に混合し、摩擦材原料混合物を得た。次の工程の熱成形は、150℃に加熱した金型中に摩擦材原料混合物を投入した後、10分間、200kg/cm2で加圧して行った。その後200℃、2時間硬化を行い、第1の摩擦材を得た。
第2の摩擦材(ローター)の製造方法は以下のとおりである。硬質粒子(A)としては、平均粒径3μmのWC(炭化タングステン。モース硬度9)を用い、金属材料又は無機材料(M)としては、コバルト(モース硬度5.5)を用いた。第2の摩擦材は、コバルトをバインダーとして、鋳鉄製のローターにWCをプラズマ溶射することによって得られた。このとき、溶射層におけるWC含有率は90vol%であった。
これら第1の摩擦材(ブレーキパッド)及び第2の摩擦材(ローター)を合わせて、実施例の摩擦対とした。
第1の摩擦材(ブレーキパッド)は、下記表1に示す材料を、下記表1の比較例の欄に示した配合(vol%)で混合して作製した。なお、下記表1中の「SiC(被覆なし)」は、SiC(炭化ケイ素。モース硬度9.3。昭和電工製。商品名:グリーンデンシック(GC))を、樹脂被覆を行わないままで用いたもののことである。また、下記表1に記載された粒径は、上述したようなレーザー回折粒度測定器でそれぞれ測定した。
下記表1に示された材料のうち、SiCはそもそも樹脂被覆されていないので、本比較例中の第1の摩擦材は、上記条件(1)を満たすものではない。
製造方法の詳細としては、まず、縦型ミキサーによって各種原料を5分間均一に混合し、摩擦材原料混合物を得た。次の工程の熱成形は、150℃に加熱した金型中に摩擦材原料混合物を投入した後、10分間、200kg/cm2で加圧して行った。その後200℃、2時間硬化を行い、第1の摩擦材を得た。
第2の摩擦材(ローター)の製造方法は、実施例の摩擦対の製造法における、第2の摩擦材の製造方法と同様とした。
これら第1の摩擦材(ブレーキパッド)及び第2の摩擦材(ローター)を合わせて、比較例の摩擦対とした。
実施例及び比較例の摩擦対について、100℃又は300℃の温度条件において、テストピース形状で200Nの荷重のもと、1m/sの速度で1時間すり合わせを行い、その後、1m/s→0m/sの制動を行った。その際の摩擦係数(μ)、及び一制動中の摩擦係数の変動量(Δμ)、摩耗量を比較したものを表2に示す。
実施例及び比較例の摩擦対について、各摩擦対を自動車に搭載した際の、市街地走行を模擬した走行(速度:40km/h、減速度:0.1〜1.5m/s2、温度:50〜150℃において、100回の制動)における鳴きの測定を行った。その際の鳴きの発生回数、及び鳴きの音量を比較したものを表3に示す。
2…第2の摩擦材
11…硬質粒子(a)
12…樹脂(b)
13…樹脂被覆硬質粒子(c)
14…弾性材料(m)
15…接触面
21…硬質粒子(A)
24…金属材料又は無機材料(M)
41…第1の摩擦材の摩擦面
43…第2の摩擦材の摩擦面
50…突出部
61,62…無機粒子(f)
63…樹脂被覆硬質粒子(c)
100…摩擦対
Claims (13)
- 互いの擦動により摩擦力を生じさせる摩擦対であって、
硬質粒子(a)と、当該硬質粒子(a)よりもモース硬度が低く、且つ、当該硬質粒子(a)の全面を覆う樹脂(b)を含む、第1の摩擦材と、
硬質粒子(A)と、当該硬質粒子(A)よりもモース硬度が低く、且つ、前記樹脂(b)よりもモース硬度が高く、且つ、当該硬質粒子(A)を連結する、金属材料又は無機材料(M)を含む、第2の摩擦材を有することを特徴とする、摩擦対。 - 前記第1の摩擦材が、前記硬質粒子(a)を前記樹脂(b)で被覆した樹脂被覆硬質粒子(c)、及び、前記樹脂被覆硬質粒子以外の当該第1の摩擦材のマトリックスを構成する弾性材料(m)を含有し、
前記第2の摩擦材が、前記硬質粒子(A)及び当該第2の摩擦材のマトリックスを構成する前記金属材料又は無機材料(M)を含有し、
下記条件(1)〜(4)の少なくとも1つを満たす、請求項1に記載の摩擦対。
条件(1):前記第1の摩擦材が、前記硬質粒子(a)よりもモース硬度の低い無機粒子(f)をさらに含有し、当該無機粒子(f)の平均直径rfに対する前記樹脂被覆硬質粒子(c)の平均直径rcの比率(rc/rf)が、0.2以上である。
条件(2):前記第2の摩擦材が、前記硬質粒子(A)よりもモース硬度の低い無機粒子(F)をさらに含有し、当該無機粒子(F)の平均直径RFに対する前記硬質粒子(A)の平均直径RAの比率(RA/RF)が、0.2以上である。
条件(3):前記第1の摩擦材において、下記式(1)が成り立つ。
条件(4):前記第1の摩擦材及び前記第2の摩擦材において、下記式(2)が成り立つ。
- 前記条件(1)〜(4)を全て満たす、請求項2に記載の摩擦対。
- 前記硬質粒子(a)及び前記硬質粒子(A)の少なくともいずれか一方が、モース硬度が4.5以上である、請求項1乃至3のいずれか一項に記載の摩擦対。
- 前記条件(3)においてEbが1GPa以上である、請求項2乃至4のいずれか一項に記載の摩擦対。
- 前記樹脂(b)が、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリカーボネート、ポリフェニレンエーテル、ポリアリレート、ポリスルホン及びポリエーテルスルホンから選ばれる少なくとも1種の非結晶性樹脂から選ばれる、請求項1乃至5のいずれか一項に記載の摩擦対。
- 前記条件(1)における前記無機粒子(f)、及び前記条件(2)における前記無機粒子(F)の少なくともいずれか一方が、モース硬度が4以下である、請求項2乃至6のいずれか一項に記載の摩擦対。
- 前記条件(3)においてEmが1GPa以上である、請求項2乃至7のいずれか一項に記載の摩擦対。
- 前記弾性材料(m)が、フェノール系樹脂、変性フェノール樹脂、アミノ樹脂、フラン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ジアリルフタレート樹脂、アルキド樹脂、エポキシ樹脂、熱硬化性ポリアミドイミド樹脂、熱硬化性ポリイミド樹脂及びシリコーン樹脂から選ばれる少なくとも1種を含む、請求項2乃至8のいずれか一項に記載の摩擦対。
- 前記条件(1)においてrc/rfが0.3以上、及び/又は、前記条件(2)においてRA/RFが0.3以上である、請求項2乃至9のいずれか一項に記載の摩擦対。
- 前記第1の摩擦材は、前記樹脂被覆硬質粒子(c)及び前記弾性材料(m)を合計で5vol%以上含有し、且つ、前記樹脂被覆硬質粒子(c)と前記弾性材料(m)の体積比が、前記樹脂被覆硬質粒子(c):前記弾性材料(m)=2:1〜1:50である、請求項2乃至10のいずれか一項に記載の摩擦対。
- 前記第1の摩擦材の弾性率が100〜300MPaである、請求項1乃至11のいずれか一項に記載の摩擦対。
- 前記第2の摩擦材の摩擦面における表面粗さが、10μm以下である、請求項1乃至12のいずれか一項に記載の摩擦対。
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