JP2014224175A - 摩擦材及びドラムブレーキ用摩擦材 - Google Patents

Abstract

【課題】優れたフェード特性及び耐摩耗性を有した摩擦材及びドラムブレーキ用摩擦材を提供する。
【解決手段】チタン酸塩化合物と、結合材とを含有した摩擦材であって、チタン酸塩化合物が摩擦材全体の１〜２２体積％含有されており、結合材が摩擦材全体の１８体積％以上含有されていることを特徴とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、摩擦材及びドラムブレーキ用摩擦材に関するものである。

各種車両や産業機械等のブレーキシステムに用いられる摩擦材は、耐摩耗性が優れていること、摩擦係数が高く安定していることが求められている。これらの特性を満足させるために摩擦調整材、潤滑材、充填材などと、これらを結合するバインダー樹脂（結合材）からなる摩擦材が使用されている。

ブレーキを連続使用すると、摩擦材が高温になり、極端に摩擦係数が小さくなることがある（フェード現象）。ブレーキシステムの中でもドラムブレーキは、密閉構造のため放熱性が悪く、フェード現象が発生しやすいという問題がある。フェード現象は、前記摩擦材中の有機成分が分解してガスが発生し、そのガスが摩擦材とドラムの間に介在する事で発生すると考えられている。

特許文献１に、平均粒子径３．５μｍ以上の、酸化鉄又はチタン酸カリウムを配合することでフェード現象を抑制できることが開示されているが、結合材を多く配合した摩擦材のフェード現象を抑制する手段は提案されていない。ドラムブレーキの摩擦材は、円弧状であることから、摩擦材の強度保持のために結合材の配合量を多くする必要がある。

ドラムブレーキは、回転するドラムの内側から、ライニングと呼ばれる摩擦材を貼ったブレーキシューを押しつけることで、ドラムに引き込まれる力が発生するため、入力より大きな制動力を発生することができる（セルフサーボ効果）。摩擦材の摩擦係数が大きいほど大きなセルフサーボ効果が得られる。しかし、摩擦係数が使用環境により変動すると、前記変動がセルフサーボ効果で増幅されるため、制動力の精密な調整が難しくなる。

特開２０１１−２３６３３２号公報

本発明の目的は、優れたフェード特性及び耐摩耗性を有した摩擦材及びドラムブレーキ用摩擦材を提供することにある。

本発明は、以下の摩擦材及びドラムブレーキ用摩擦材を提供する。

項１ チタン酸塩化合物と、結合材とを含有した摩擦材であって、前記チタン酸塩化合物が摩擦材全体の１〜２２体積％含有されており、前記結合材が摩擦材全体の１８体積％以上含有されていることを特徴とする摩擦材。

項２ ドラムブレーキ用摩擦材であることを特徴とする項１に記載の摩擦材。

項３ チタン酸塩化合物と結合材との体積比が、チタン酸塩化合物：結合材＝０．１：１〜１：１であることを特徴とする項１または２に記載の摩擦材。

項４ さらに無機繊維を含有していることを特徴とする項１〜３のいずれか一項に記載の摩擦材。

項５ 前記結合材が、フェノール樹脂であることを特徴とする項１〜４のいずれか一項に記載の摩擦材。

項６ 前記チタン酸塩化合物のアルカリ溶出率が、１５質量％以下であることを特徴とする項１〜５のいずれか一項に記載の摩擦材。

本発明の摩擦材及びドラムブレーキ用摩擦材は、優れたフェード特性及び耐摩耗性を有している。

以下、本発明を実施した好ましい形態の一例について説明する。但し、下記の実施形態は単なる例示である。本発明は、下記の実施形態に何ら限定されない。

本発明の摩擦材は、チタン酸塩化合物と、結合材とを含有した摩擦材であって、チタン酸塩化合物が摩擦材全体の１〜２２体積％含有されており、結合材が摩擦材全体の１８体積％以上含有されていることを特徴とする。

チタン酸塩化合物の含有量は、摩擦材全体の１〜２２体積％であればよく、好ましくは２〜１５体積％、より好ましくは２〜１０体積％である。チタン酸塩化合物の含有量が２２体積％より多いと、摩擦係数が上昇する逆フェード現象が生じるため好ましくない。有機成分が分解し無機成分が摩擦面に露出する量が増加していくため発生すると推測される。チタン酸塩化合物の含有量が１体積％より少ないと、十分な耐摩耗性を得ることができないため好ましくない。

チタン酸塩化合物のアルカリ溶出率は１５質量％以下であればよく、好ましくは０．１〜１５質量％、より好ましくは０．１〜１０質量％、さらに好ましくは０．１〜６質量％である。このようなチタン酸塩化合物を用いることによりフェード現象を抑制し、耐摩耗性を向上することができる。チタン酸塩化合物の摩滅破壊により生ずるアルカリ成分が、有機成分の分解ガスやトランスファーフィルム（移着膜）の生成に作用しているものと推測される。

本発明で使用するチタン酸塩化合物は、水分散ｐＨが７〜１１であることが好ましく、８〜１０であることがより好ましく、９〜１０であることがさらに好ましい。チタン酸塩化合物の水分散ｐＨを、このような範囲内にすることにより、チタン酸塩化合物に含まれる酸性不純物による摩擦特性の低下を抑制することができる。

本発明においてアルカリ溶出率とは、８０℃の水中においてチタン酸塩化合物から水中に溶出したアルカリ金属及びアルカリ土類金属の質量割合のことをいう。アルカリ溶出率は、例えばイオンクロマトグラフにて測定することができる。本発明において水分散ｐＨとは、チタン酸塩化合物を２０℃の水に分散させて得られるスラリーのｐＨのことをいう。

本発明で使用するチタン酸塩化合物は、アルカリ金属及びアルカリ土類金属の群から選ばれる少なくとも１種の元素の塩であることが好ましい。アルカリ金属としては、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、フランシウムが挙げられ、好ましくはリチウム、ナトリウム、カリウムである。アルカリ土類金属としては、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、ラジウムが挙げられ、好ましくはマグネシウム、カルシウムである。

チタン酸塩化合物としては、例えば、一般式Ｍ_２Ｏ・ｎＴｉＯ_２（式中、Ｍはアルカリ金属の１種又は２種以上、ｎは４〜１１の数）で表わされるチタン酸アルカリ金属塩、一般式ＲＯ・ＴｉＯ_２（式中、Ｒはアルカリ土類金属の１種又は２種以上）で表わされるチタン酸アルカリ土類金属塩、一般式Ｍ_ｘＡ_ｙＴｉ_２−ｙＯ_４（式中、Ｍはリチウムを除くアルカリ金属、Ａはリチウム、マグネシウム、亜鉛、ニッケル、銅、鉄、アルミニウム、ガリウム、マンガンより選ばれる１種又は２種以上、ｘは０．５〜１．０、ｙは０．２５〜１．０の数）で表わされるチタン酸塩化合物、一般式Ｋ_{０．５〜０．8}Ｌｉ_０．２７Ｔｉ_１．７３Ｏ_{３．８５〜4}で表わされるレピドクロサイト型チタン酸リチウムカリウム、一般式Ｋ_{０．２〜０．8}Ｍｇ_０．４Ｔｉ_１．６Ｏ_{３．７〜４}で表わされるレピドクロサイト型チタン酸マグネシウムカリウム等を挙げることができる。これらの中でも結晶構造がトンネル構造のチタン酸塩化合物が好ましく、具体的には、Ｎａ_２Ｔｉ_６Ｏ_１３、Ｎａ_２Ｔｉ_８Ｏ_１７、Ｋ_２Ｔｉ_６Ｏ_１３、Ｋ_２Ｔｉ_８Ｏ_１７、Ｌｉ_４Ｔｉ_５Ｏ_１２、ＣａＴｉＯ_３、ＭｇＴｉＯ_３等を挙げることができる。トンネル構造にすることで、チタン酸塩化合物からのアルカリの溶出を抑えることできる。

チタン酸塩化合物の形状は、繊維状、球状、層状、板状、柱状、ブロック状、不定形状などの非繊維状の粒子があるが、作業環境や摩擦摩耗特性向上の観点から非繊維状であることが好ましい。平均粒子径は０．１〜５０μｍであることが好ましく、１〜５０μｍであることがより好ましく、１〜２０μｍであることがさらに好ましい。本発明において平均粒子径は、レーザー回折・散乱法によって求めた粒度分布における積算値５０％の粒子径を意味する。

本発明で使用する結合材としては、摩擦材で使用される公知の結合材の中から任意のものを適宜選択して用いることができる。例えばフェノール樹脂、ホルムアルデヒド樹脂、メラミン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、芳香族ポリエステル樹脂、ユリア樹脂等の熱硬化性樹脂を挙げることができ、これらの１種を単独又は２種以上を組み合わせて使用することができる。この中でもフェノール樹脂が好ましい。

結合材の配合量は、摩擦材全体に対して、１８体積％以上であればよく、好ましくは１９体積％以上、より好ましくは２０体積％以上である。配合量の上限値は、好ましくは４０体積％、より好ましくは３０体積％、さらに好ましくは２５％である。結合材の配合量が少ないと、十分な耐摩耗性を得ることができないため好ましくない。チタン酸塩化合物と結合材との体積比は、チタン酸塩化合物：結合材＝０．１：１〜１：１であることが好ましく、０．１〜０．７であることがより好ましく、０．１〜０．５であることがさらに好ましく。このような配合比率にすることによりフェード現象を抑制し、耐摩耗性を向上することができる。

本発明の摩擦材は、さらに無機繊維を配合することが好ましい。無機繊維の配合量は、摩擦材全体に対して１〜２０体積％であることが好ましく、５〜１５体積％であることがより好ましい。本発明において、無機繊維とチタン酸塩化合物を併用することで、フェード特性と耐摩耗性をさらに向上させる働きがある。無機繊維の平均繊維径は０．１〜１０μｍ、平均繊維長は１００〜８００μｍであることが好ましい。

本発明で使用する無機繊維は、摩擦材で使用される公知の無機繊維の中から任意のものを適宜選択して用いることができる。例えば、ロックウール、ワラストナイト繊維、Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系セラミック繊維、生体溶解性セラミック繊維、ガラス繊維、炭素繊維等を挙げることができ、これらの１種を単独又は２種以上を組み合わせて使用することができる。この中でもロックウールが好ましい。

本発明の摩擦材には、その好ましい物性を損なわない範囲で、従来、摩擦材に一般に摩擦調整材として使用される添加材等を１種又は２種以上を組み合わせて配合することができる。このような摩擦調整材としては、例えば、研削材、潤滑材、有機ダスト、金属類、充填材などを挙げることができる。これらは、製品に要求される摩擦特性、例えば、摩擦係数、耐摩耗性、振動特性、鳴き特性等に応じて配合することができる。

本発明の摩擦材を製造するには、上記の結合材、チタン酸塩化合物に、必要に応じて無機繊維、摩擦調整材等を混合したものを、常温にて所定圧力で成形し、次いで所定温度にて熱成形し、熱処理及び仕上げ処理することにより摩擦材の成形体に仕上げることができる。

本発明の摩擦材は、ディスクブレーキ、ドラムブレーキなどに使用することができる。特に摩擦係数の変動がセルフサーボ効果で増幅され、またフェード現象が発生しやすいドラムブレーキに好適に使用することができる。ドラムブレーキとしては、具体的にはリーディング・トレーリング型、ツーリーディング型、デュオ・ツーリング型、デュオサーボ型などのドラムブレーキが挙げられる。

以下、本発明について、具体的な実施例に基づいて、さらに詳細に説明する。本発明は、以下の実施例に何ら限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施することが可能である。

実施例及び比較例には以下のチタン酸塩化合物を用いた。なお、アルカリ溶出率及び水分散ｐＨは、下記の方法に従って測定した。

（チタン酸塩化合物Ａ）
組成：８チタン酸カリウム（組成式Ｋ_２Ｏ・８ＴｉＯ_２）、粒子形状：板状、平均粒子径：８μｍ、アルカリ溶出率：０．２質量％、水分散ｐＨ：９．４
（チタン酸塩化合物Ｂ）
組成：チタン酸マグネシウムカリウム（組成式Ｋ_０．７Ｍｇ_０．４Ｔｉ_１．６Ｏ_３．９５）、粒子形状：板状、平均粒子径：４μｍ、アルカリ溶出率：５．３質量％、水分散ｐＨ：１１
（チタン酸塩化合物Ｃ）
組成：６チタン酸カリウム（組成式Ｋ_２Ｏ・６ＴｉＯ_２）、粒子形状：板状、平均粒子径：２７μｍ、アルカリ溶出率：０．２質量％、水分散ｐＨ：９．２
（チタン酸塩化合物Ｄ）
組成：６チタン酸カリウム（組成式Ｋ_２Ｏ・６ＴｉＯ_２）、粒子形状：柱状、平均長：２．０μｍ、平均径：０．４μｍ、アルカリ溶出率：０．２質量％、水分散ｐＨ：９．５
（チタン酸塩化合物Ｅ）
組成：６チタン酸カリウム（組成式Ｋ_２Ｏ・６ＴｉＯ_２）、粒子形状：繊維状、平均長：１３μｍ、平均径：０．４μｍ、アルカリ溶出率：０．１質量％、水分散ｐＨ：７．０

（アルカリ溶出率の測定方法）
チタン酸塩化合物の質量（Ｘ）を測定し、次いで該チタン酸塩化合物を蒸留水に加えて１質量％のスラリーを調製し、８０℃で４時間撹拌後、ポアサイズ０．２μｍのメンブレンフィルターで固形分を除去し、抽出液を得た。得られた抽出液のアルカリ金属とアルカリ土類金属の総質量（Ｙ）をイオンクロマトグラフ（ダイオネクス社製、ＩＣＳ−１１００）にて測定した。次いで、前記質量（Ｘ）及び（Ｙ）の値を用い、式［（Ｙ）／（Ｘ）］×１００に基づいて、アルカリ溶出率を算出した。

（水分散ｐＨの測定方法）
チタン酸塩化合物１ｇを蒸留水１００ｍＬに加えて１質量％のスラリーを調製し、得られたスラリーのｐＨ（温度２０℃）をｐＨメーター（堀場製作所社製、Ｆ２１）にて測定し、水分散ｐＨとした。

＜摩擦材の製造＞
（実施例１〜実施例８、比較例１〜比較例２）
表１に示す組成で各種材料を配合し、レーディゲミキサーにて混合後、得られた混合物を仮成型（１０ＭＰａ）、熱成形（１５０℃、２０ＭＰａ）を行い、さらに熱処理（２１０℃）を行い、摩擦材を製造した。摩擦材を面積５．５ｃｍ^２の扇型のテストピースに加工し、得られたテストピースの摩擦試験を行った。

摩擦試験は、スケールダイナモメーターを用いてＪＡＳＯ Ｃ４０６：２０００に準拠して行い、ローターはφ１１０ｍｍの鋳鉄（炭素含有量３．３％）を用い、イナーシャは２ｔ−２５ｔトラックのドラムブレーキ用摩擦材の単位面積当たりの吸収エネルギー１２００Ｊ／ｃｍ^２（初速１００ｋｍ／ｈ）になるように設定した。２^ｎｄフェード試験時における摩擦係数を測定し、初期摩擦係数、最低摩擦係数、フェード率を表１に示した。フェード率は、式［最低摩擦係数／低下直前摩擦係数］×１００に基づき算出し、逆フェード現象が見られた比較例２のフェード率は、式［最終回摩擦係数／初回摩擦係数］×１００に基づき算出した。２^ｎｄフェード試験は、初速１００ｋｍ／ｈ、減速度０．５Ｇ、制動回数３０回で行った。さらに、摩擦試験終了後の摩擦材（テストピース）及びローターの摩耗量を測定し、表１に示した。

なお、表中の「ロックウール」は繊維長１２５μｍのロックウール（ラピナス社製、ＲＢ２９５−Ｒｏｘｕｌ１０００）であり、「フェノール樹脂」はノボラック型のフェノール樹脂（住友ベークライト社製、ＰＲ−５１５１０）である。

表１に示すように、本発明に従う実施例１〜８の摩擦材は、比較例１の摩擦材に比べ、優れたフェード特性及び耐摩耗性を有している。チタン酸塩化合物を本発明の範囲よりも多く含む比較例２の摩擦材は、フェード率が高くなり、フェード特性が低下していることがわかる。また、実施例２と実施例８との比較から、無機繊維であるロックウールを含有することにより、耐摩耗性がさらに向上することがわかる。

Claims (6)

1. チタン酸塩化合物と、結合材とを含有した摩擦材であって、前記チタン酸塩化合物が摩擦材全体の１〜２２体積％含有されており、前記結合材が摩擦材全体の１８体積％以上含有されていることを特徴とする摩擦材。
2. ドラムブレーキ用摩擦材であることを特徴とする請求項１に記載の摩擦材。
3. チタン酸塩化合物と結合材との体積比が、チタン酸塩化合物：結合材＝０．１：１〜１：１であることを特徴とする請求項１または２に記載の摩擦材。
4. さらに無機繊維を含有していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の摩擦材。
5. 前記結合材が、フェノール樹脂であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の摩擦材。
6. 前記チタン酸塩化合物のアルカリ溶出率が、１５質量％以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の摩擦材。