JP4195791B2

JP4195791B2 - ブレーキ用摩擦材

Info

Publication number: JP4195791B2
Application number: JP2002126196A
Authority: JP
Inventors: 貴雄堀谷; 正規加藤; 長雄荻原
Original assignee: 株式会社曙ブレーキ中央技術研究所
Priority date: 2002-04-26
Filing date: 2002-04-26
Publication date: 2008-12-10
Anticipated expiration: 2022-04-26
Also published as: JP2003322183A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
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、さらに詳しくはＣｕ系金属や重金属を含まない、高温でのブレーキ摩擦性能及び機械的強度が良好なブレーキ用摩擦材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
摩擦材として一般に用いられている非石綿系摩擦材には、強度補強や摩擦係数の維持、品質向上などのために各種の繊維成分が使用されており、金属繊維としてＣｕ繊維やスチール繊維等が多量に使用されている。また、非石綿系摩擦材には、繊維成分の他、摩擦調整成分や結合成分等も含まれており、重金属のアンチモン（Ｓｂ）を含むＳｂ₂Ｓ₃やＳｂ₂Ｏ₃も摩擦調整成分として使用されている。
【０００３】
現在、一般に非石綿系摩擦材には、Ｃｕ繊維やＣｕ粉が０〜２０体積％程度含まれている。Ｃｕは摩擦材の強度補強や摩擦係数向上、さらに４００℃以上での摩擦係数の維持や放熱効率の向上に有効である。また、スチール繊維と異なり、ローター材等の摩耗量を増やしたりする相手攻撃性が小さい、錆を発生することが少ないなどの特徴がある。
【０００４】
また、重金属のアンチモン（Ｓｂ）を含むＳｂ₂Ｓ₃やＳｂ₂Ｏ₃等のアンチモン化合物は、通常、非石綿系摩擦材に０〜数体積％含まれており、高温での潤滑性の向上、摩擦材の難燃性の向上に有効である。
【０００５】
しかし、最近では、環境衛生上の配慮から欧米を中心にこれらの重金属系の材料を使用しない摩擦材の開発が望まれてきている。
【０００６】
今後、Ｃｕやアンチモンなどの重金属を含まず、且つ従来の摩擦材と同じ特性を持つ摩擦材が必要となるが、Ｃｕ系材料については容易にその代替となる材料が見つかっていない。例えば、Ｃｕ系材料の代わりに、スチール繊維やＦｅ粉を用いるセミメタリック系摩擦材が従来より存在するが、これは相手攻撃性があり、且つ錆が出やすい、鳴き・ジャダー等が発生しやすいなどの問題がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題点を解決しようとするものであり、Ｃｕやアンチモン等の重金属を含む材料を含有しないブレーキ用摩擦材を提供することを目的とする。さらには、高温での摩擦性能、耐摩耗性及び機械的強度が良好なブレーキ用摩擦材を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記目的を達成するべく、Ｃｕ繊維やＣｕ粉及びＳｂ₂Ｓ₃やＳｂ₂Ｏ₃粉の代替となる材料を検討した結果、セラミック粒子の中でも比較的柔らかいため相手攻撃性が小さく且つ熱伝導性が高い酸化マグネシウム（ＭｇＯ）と、４００℃以下での摩擦係数を維持し、さらに潤滑性や熱伝導性の確保に有効である黒鉛（グラファイト）と、原料粒子を結合し摩擦材の硬度や機械的性質に大きな影響を及ぼす熱硬化性樹脂を特定量で且つ特定の割合で含む摩擦材が、上記の目的を達成できることを知得した。さらに特定の繊維成分及び／又は摩擦調整成分を特定量含有させることで、摩擦係数や機械的性質がより向上することができることを知得した。
【０００９】
即ち、本発明は以下の通りである。
（１）繊維成分、結合成分及び摩擦調整成分を含むブレーキ用摩擦材において、Ｃｕおよびアンチモンを含有せず、前記摩擦調整成分として酸化マグネシウム（ＭｇＯ）と黒鉛とを摩擦材中に合計で４０〜８５体積％含有し、前記酸化マグネシウム（ＭｇＯ）と黒鉛の体積比率（ＭｇＯ／黒鉛）が１／１〜６／１であり、且つ結合成分として熱硬化性樹脂を３〜２０体積％含有し、前記酸化マグネシウム（ＭｇＯ）と該熱硬化性樹脂の体積比率（ＭｇＯ／熱硬化性樹脂）が２／１〜１５／１であることを特徴とするブレーキ用摩擦材。（２）前記繊維成分として、耐熱性有機繊維を２〜２０体積％含有することを特徴とする（１）のブレーキ用摩擦材。
（３）前記繊維成分として、スチール繊維ステンレス繊維から選ばれる１種又は２種を合計で０．２〜１０体積％含有することを特徴とする（１）又は（２）のブレーキ用摩擦材。
（４）前記繊維成分として、カーボン繊維を２〜２０体積％含有することを特徴とする（１）〜（３）のいずれかのブレーキ用摩擦材。
（５）前記繊維成分として、アルミナ−シリカ系セラミックス繊維を０．２〜１０体積％含有することを特徴とする（１）〜（４）のいずれかのブレーキ用摩擦材。
（６）前記摩擦調整成分としてＡｌ₂Ｏ₃、ＺｒＯ₂、ＳｉＣ、ＳｉＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＡｌＮ、Ｆｅ₂Ｏ₃からなる群より選ばれる１種又は２種以上の硬質粒子を合計で１〜１５体積％含有することを特徴とする（１）〜（５）のいずれかのブレーキ用摩擦材。
（７）前記摩擦調整成分としてＢａ₂ＳＯ₄、ＣａＣＯ₃、Ｃａ₃（ＰＯ₄）₂、ＣａＦ₂、アパタイトからなる群より選ばれる１種又は２種以上を合計で１〜１５体積％含有することを特徴とする（１）〜（６）のいずれかのブレーキ用摩擦材。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を詳細に説明する。
【００１１】
本発明は、繊維成分、結合成分及び摩擦調整成分を含むブレーキ用摩擦材であって、前記摩擦調整成分として、特定量の酸化マグネシウム（ＭｇＯ）と黒鉛とを含有し、前記結合成分として、特定量の熱硬化性樹脂を含有するブレーキ用摩擦材である。
【００１２】
本発明のブレーキ用摩擦材は、前記摩擦調整成分のＭｇＯと黒鉛がブレーキ用摩擦材中に４０〜８５体積％含まれており、前記結合成分の熱硬化性樹脂が３〜２０体積％含まれている。
【００１３】
前記繊維成分としては、耐熱性有機繊維、ガラス繊維、ロックウール繊維、カーボン繊維、アルミナ−シリカ系セラミックス繊維、スチール繊維、ステンレス繊維等が挙げられる。
【００１４】
耐熱性有機繊維としては、アラミド繊維、アクリル繊維、ポリイミド繊維、フェノール繊維等が挙げられ、本発明のブレーキ用摩擦材に、耐熱性有機繊維を２〜２０体積％含有するのが好ましい。上記範囲で耐熱性有機繊維を含有させることで、摩擦材の機械的強度を確保することができる。
【００１５】
なお、耐熱性有機繊維の好ましい繊維径、繊維長は繊維の種類によって異なるが、例えばアラミド繊維の場合、繊維径０．１〜３０μｍ、繊維長０．５〜６ｍｍのものが好ましい。
【００１６】
また、本発明のブレーキ用摩擦材は、スチール繊維及び／又はステンレス繊維を０．２〜１０体積％含有することが好ましい。上記範囲でスチール繊維及び／又はステンレス繊維を含有させることで、高温での摩擦材の機械的強度を向上させることができる。スチール繊維、ステンレス繊維の組成成分は特に制限はなく、様々な組成のものを用いることができる。また、スチール繊維及びステンレス繊維は、繊維径３〜３００μｍ、繊維長０．１〜５ｍｍ、ビッカーズ硬度５００以下のものが好ましい。
【００１７】
本発明のブレーキ用摩擦材は、カーボン繊維を２〜２０体積％含有することが好ましい。上記範囲でカーボン繊維を含有させることで、高温での摩擦材の機械的強度を向上させることができる。カーボン繊維は特に制限はないが、繊維径１〜２００μｍ、繊維長１μｍ〜５ｍｍのものが好ましい。
【００１８】
本発明のブレーキ用摩擦材は、アルミナ−シリカ系セラミックス繊維を０．２〜１０体積％含有するのが好ましい。上記範囲でアルミナ−シリカ系セラミックス繊維を含有させることで、高温での摩擦材の機械的強度を向上させることができる。アルミナ−シリカ系セラミックス繊維も特に制限はないが、繊維径１〜２００μｍ、繊維長１μｍ〜５ｍｍのものが好ましい。
【００１９】
上記繊維成分は、これらの中から選んだ１種又は適宜組み合わせた２種以上を使用することができる。
【００２０】
前記結合成分としては熱硬化性樹脂を用いる。熱硬化性樹脂としては、フェノール樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、又はそれらの変性樹脂等が挙げられ、摩擦材中に３〜２０体積％含有される。
【００２１】
摩擦調整成分は、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）と黒鉛を含む。酸化マグネシウム（ＭｇＯ）と黒鉛は、摩擦材中に４０〜８５体積％含有される。ＭｇＯと黒鉛以外の摩擦調整成分として、カシューダスト、ゴムダスト、Ａｌ₂Ｏ₃、ＺｒＯ₂、ＳｉＣ、ＳｉＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＡｌＮ、Ｆｅ₂Ｏ₃等の硬質粒子、Ｂａ₂ＳＯ₄、ＣａＣＯ₃、Ｃａ₃（ＰＯ₄）₂、ＣａＦ₂、アパタイト等を耐熱性向上、潤滑効果、摩擦係数調整、ブレーキノイズ対策等のために適量用いてもよい。
【００２２】
本発明のブレーキ用摩擦材は、前記摩擦調整成分としてＡｌ₂Ｏ₃、ＺｒＯ₂、ＳｉＣ、ＳｉＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＡｌＮ、Ｆｅ₂Ｏ₃からなる群より選ばれる１種又は２種以上の硬質粒子を１〜１５体積％含有することが好ましい。Ａｌ₂Ｏ₃、ＺｒＯ₂、ＳｉＣ、ＳｉＯ₂、Ｆｅ₂Ｏ₃等の硬質粒子は、いずれも平均粒径１〜２００μｍのものが好ましい。
【００２３】
また、前記摩擦調整成分としてＢａ₂ＳＯ₄、ＣａＣＯ₃、Ｃａ₃（ＰＯ₄）₂、ＣａＦ₂、アパタイトからなる群より選ばれる１種又は２種以上を１〜１５体積％含有することも好ましい。これらはいずれも平均粒径１〜２００μｍのものが好ましい。
【００２４】
本発明のブレーキ用摩擦材は、前記摩擦調整成分のＭｇＯと黒鉛を４０〜８５体積％含み、前記結合成分の熱硬化性樹脂を３〜２０体積％含む。
【００２５】
ＭｇＯ、黒鉛、熱硬化性樹脂の最適な混合量を決定すべく、図１〜５に、摩擦材中のＭｇＯ、黒鉛、熱硬化性樹脂の含有量、混合比を変えて検討した結果を示す。具体的には、相手材として、ローターの１／１０の大きさの鋳鉄及びＴｉＡｌ金属間化合物からなる試験片を用い、ダイナモ式慣性型摩耗試験機を使用し、高温（〜５００℃）で摩擦試験を繰り返し実施した。
【００２６】
図１は摩擦材中のＭｇＯと黒鉛の含有量を変えたときの摩耗量を示し、図２は熱硬化性樹脂（本試験においてはフェノール樹脂を使用）の含有量を変えたときのロックウェル硬度を示す。また、図３及び図４は摩擦材中のＭｇＯ＋黒鉛の含有量を６０体積％に固定して、ＭｇＯ／黒鉛の体積混合比を変えたときの摩擦係数及び摩耗量を示し、図５は摩擦材中の熱硬化性樹脂を７体積％に固定してＭｇＯ／熱硬化性樹脂の体積混合比を変えたときの摩耗量を示す。
【００２７】
その結果、ＭｇＯと黒鉛の含有量が４０体積％より少ないと高温での摩耗が激しくなり、８５体積％を超えると高温下での機械的強度が低く、摩耗量が増加する傾向があることが判明した。より好ましいＭｇＯと黒鉛の含有量は、４５〜７５体積％である。
【００２８】
熱硬化性樹脂の含有量は、３体積％より少ないと硬度が低すぎて機械的強度が著しく低下し、１０体積％を超えると逆に硬度が高すぎてローター攻撃性が顕著に増加する傾向があると判明した。より好ましい熱硬化性樹脂の含有量は、４〜１２体積％である。
【００２９】
また、図３及び図４からもわかるように、ＭｇＯと黒鉛の体積比率（ＭｇＯ／黒鉛）は１／１〜６／１がよい。ＭｇＯが黒鉛に対して１より少ないと高温での耐熱性が低くなり摩擦係数が低下し、６を超えると高温での相手材のローター及び摩擦材の摩耗量が著しく増加する傾向があることが判明した。
【００３０】
図５から、ＭｇＯと熱硬化性樹脂の体積比率（ＭｇＯ／熱硬化性樹脂）は２／１〜１５／１のときに、良好な高温摩耗特性及び機械的性質を示すことがわかった。
【００３１】
本発明におけるＭｇＯは、一般に用いられているものでよく、活性ＭｇＯ及び電融ＭｇＯのいずれでもよい。ＭｇＯの平均粒径は、１０〜４００μｍが望ましく、さらに望ましくは５０〜２００μｍである。
【００３２】
また、本発明における黒鉛は、摩擦材に通常用いられるものを使用することができ、天然黒鉛又は人造黒鉛のいずれでもよい。黒鉛の平均粒径は５〜５００μｍが望ましく、さらに望ましくは５０〜１５０μｍである。
【００３３】
本発明のブレーキ用摩擦材は、通常の方法により製造可能であるが、具体的に例えば以下のようにして製造できる。
【００３４】
まず、上述のブレーキ用摩擦材の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型金型に投入し、予備成型して予備成型物を形成する。その後、予備成型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。予備成形、加圧加熱成形、熱処理の条件は、特に制限はなく、通常の方法で行うことができるが、加圧加熱成形時の温度は１２０〜２５０℃、最終の熱加圧は２０〜８０ＭＰａ、加圧時間を１００〜１２００ｓｅｃで成型することが望ましい。
【００３５】
【実施例】
以下に実施例により本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されない。
【００３６】
摩擦調整成分としてＭｇＯと黒鉛を、結合成分としてフェノール樹脂を、繊維成分として耐熱性有機繊維であるケブラー繊維（商品名、デュポン社製）を用いた。
【００３７】
その他、繊維成分として、スチール繊維、ステンレス繊維、カーボン繊維、アルミナ−シリカ系セラミックス繊維を、摩擦調整成分として、Ｂａ₂ＳＯ₄、ＣａＣＯ₃、Ａｌ₂Ｏ₃、ＺｒＯ₂、ＳｉＯ₂を適宜用いた。
【００３８】
表１に示す組成の原料を用いて実施例１〜１５及び表２に示す組成の原料を用いて比較例１〜９のブレーキ用摩擦材を作製した。なお、比較例９においてはＣｕ繊維を用いた従来の非石綿系摩擦材とした。
【００３９】
【表１】

【００４０】
【表２】

摩擦材の作製は、まず摩擦材原料をブレンダで十分に均一に混合した後、粉末状混合物を予備成型金型に投入し、常温下、圧力約７．２ＭＰａで約５秒間加圧し、予備成型物を形成した。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ープレートとともに熱成型金型にセットし、加圧圧力５０ＭＰａ、温度１６０℃で５分間熱成型した。これをさらに２００℃で５時間熱処理してブレーキ用摩擦材を得た。
【００４１】
作製したブレーキ用摩擦材と下記のローターを用いて、ダイナモ式慣性型摩耗試験機による摩耗試験を行った。試験条件は以下の通りである。
ローター材：鋳鉄材（ＦＣ２００）あるいは軽量金属間化合物（ＴｉＡｌ）
試験パターン：初速８５ｋｍ／ｈ、減速度４．４１ｍ／ｓ²（０．４５Ｇ）、
制動開始前温度２００℃又は５００℃、繰り返し４５回
摺り合わせ条件：初速５０ｋｍ／ｈ、減速度３．４３ｍ／ｓ²（０．３５Ｇ）、
制動開始前温度１３５℃、繰り返し１００回
測定項目：摩擦係数（１ブレーキごとの平均摩擦係数）、
摩耗量（５００℃摩耗試験後の摩擦材、ローターの肉厚変化を測定）高温での摩擦材の機械的強度（５００℃摩擦試験後の摩擦材表面の崩れ具合を崩れた場所の面積率で評価する。評価基準は○：３０％以下、△：３０〜５０％、×：５０％以上）
硬度（ロックウェル硬度、Ｓスケール）、ロックウェル硬度は、ＪＩＳＺ２２４５のロックウェル硬さ試験方法に準じて測定した。
【００４２】
試験結果を表１〜３にまとめて示す。
【００４３】
【表３】

実施例１〜１５のブレーキ用摩擦材は、比較例９のブレーキ用摩擦材（従来の摩擦材）に比べて、同じか優れた値を示している。
【００４４】
また、比較例１〜８のブレーキ用摩擦材（ＭｇＯと黒鉛の含有量、ＭｇＯ／黒鉛の比、熱硬化性樹脂の含有量、ＭｇＯ／熱硬化性樹脂の比が本発明の範囲外の摩擦材）は、摩擦係数の安定性と摩耗量が比較例９のブレーキ用摩擦材より劣っており、特に５００℃摩耗試験では摩擦材、ローター材の摩耗量が比較例９の２〜５倍になっており、摩擦係数も０．２４以下になっている。また、試験後のブレーキ用摩擦材表面の崩れ方も比較例に比べて激しかった。
【００４５】
【発明の効果】
本発明により、Ｃｕ繊維、Ｃｕ粉及びＳｂＳ粉等の重金属を含まなくても従来の非石綿系摩擦材と同等以上の高温摩擦性能及び機械的性質を有するブレーキ用摩擦材を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】摩擦材中におけるＭｇＯ＋黒鉛の含有量と摩耗量の関係を示す。
【図２】摩擦材中におけるフェノール樹脂の含有量と硬度の関係を示す。
【図３】摩擦材中におけるＭｇＯ／黒鉛の体積比率と摩擦係数の関係を示す。
【図４】摩擦材中におけるＭｇＯ／黒鉛の体積比率と摩耗量の関係を示す。
【図５】摩擦材中におけるＭｇＯ／フェノール樹脂の体積比率と摩耗量の関係を示す。

Claims

繊維成分、結合成分及び摩擦調整成分を含むブレーキ用摩擦材において、Ｃｕおよびアンチモンを含有せず、前記摩擦調整成分として酸化マグネシウム（ＭｇＯ）と黒鉛とを摩擦材中に合計で４０〜８５体積％含有し、前記酸化マグネシウム（ＭｇＯ）と黒鉛の体積比率（ＭｇＯ／黒鉛）が１／１〜６／１であり、且つ結合成分として熱硬化性樹脂を３〜２０体積％含有し、前記酸化マグネシウム（ＭｇＯ）と該熱硬化性樹脂の体積比率（ＭｇＯ／熱硬化性樹脂）が２／１〜１５／１であることを特徴とするブレーキ用摩擦材。
前記繊維成分として、耐熱性有機繊維を２〜２０体積％含有することを特徴とする請求項１記載のブレーキ用摩擦材。
前記繊維成分として、スチール繊維及びステンレス繊維から選ばれる１種又は２種を合計で０．２〜１０体積％含有することを特徴とする請求項１又は２記載のブレーキ用摩擦材。
前記繊維成分として、カーボン繊維を２〜２０体積％含有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載のブレーキ用摩擦材。
前記繊維成分として、アルミナ−シリカ系セラミックス繊維を０．２〜１０体積％含有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載のブレーキ用摩擦材。
前記摩擦調整成分として、Ａｌ₂Ｏ₃、ＺｒＯ₂、ＳｉＣ、ＳｉＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＡｌＮ、Ｆｅ₂Ｏ₃からなる群より選ばれる１種又は２種以上の硬質粒子を合計で１〜１５体積％含有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載のブレーキ用摩擦材。
前記摩擦調整成分として、Ｂａ₂ＳＯ₄、ＣａＣＯ₃、Ｃａ₃（ＰＯ₄）₂、ＣａＦ₂、アパタイトからなる群より選ばれる１種又は２種以上を合計で１〜１５体積％含有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項記載のブレーキ用摩擦材。