JP5455196B2 - ブレーキ用摩擦材およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、自動車、鉄道車両、産業機械等のブレーキ等に使用される摩擦材およびその製造方法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ディスクブレーキ用パッドに関する。

自動車の摩擦材の摩擦係数は通常は０．３以上であるが、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以下に低下し、効きが悪くなるフェード現象が発生する。これは頻繁に制動を行う等、ロータとの摩擦により、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、内部に閉じこめられ、その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。

この問題は、近年の車両の高速化、高重量化によって、またバネ下重量軽減による車両燃費向上の要求の中で、より一般的なものとなっており、問題解決のための技術開発が急務となっている。

特許文献１は、炭素繊維からなる繊維基材と、不完全炭化した高炭素化合物を含むマトリックス材とからなる単層のブレーキ用摩擦材を開示しており、このブレーキ用摩擦材は、高温におけるフェードを防止したものであるが、十分に大きい圧縮変形特性を得ることが困難であり、実用的なブレーキフィーリングを得ることができないという問題点やバネ下重量軽減の観点からは従来の鋼板製のプレッシャプレートと接合して使用しなければならないという問題点がある。

特開平７−３３２４１４号公報

本発明は、このような事情のもとで、高温におけるフェードを防止でき、十分に大きい圧縮変形特性を有し、従来の鋼板製プレッシャプレートと接合することなく使用可能な、焼成炭化されているブレーキ用摩擦材およびその製造方法を提供することを目的とするものである。

本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意研究を重ねた結果、ブレーキ用摩擦材を第１層と第２層とからなる２層構造又は第１層と第２層と第３層とからなり、第３層が第１層と第２層との間に存在する３層構造とし、２層構造の場合の全体の厚みに対する第１層の厚みの割合及び３層構造の場合の全体の厚みに対する第１層と第３層の厚みの割合と第３層の厚みの割合を規定することにより、上記目的が達成されることを見い出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、
（１）必須の層として、繊維基材と有機結合材とを含む第１層と、繊維基材と摩擦調整材と有機結合材とを含む第２層とを有し、繊維基材と有機結合材とを含む第３層を上記第１層と第２層との間に有し、これらの層が焼成炭化されているブレーキ用摩擦材であって、
３層構造の第１層と第３層の厚みが全体の厚みの２０〜５０％であり、第３層の厚みが全体の厚みの５〜３０％であり、
第３層におけるガラス繊維および／または生体溶解性無機繊維の割合が３０〜５０体積％であることを特徴とするブレーキ用摩擦材、
（２）上記（１）に記載のブレーキ用摩擦材を製造する方法において、
繊維基材と有機結合材とを含む第１層の材料と、繊維基材と摩擦調整材と有機結合材とを含む第２層の材料とを、繊維基材と有機結合材とを含む第３層の材料を上記第１層の材料と第２層の材料との間に介在させて、一体成形して積層体を得、得られた積層体を焼成炭化することを特徴とするブレーキ用摩擦材の製造方法、および
（３）焼成炭化が、積層体を無荷重下又は荷重下に真空、還元性ガス又は不活性ガスの雰囲気中で５５０〜１３００℃の温度で処理することにより行われる上記（２）に記載のブレーキ用摩擦材の製造方法
を提供するものである。

本発明によれば、高温におけるフェードを防止でき、十分に大きい圧縮変形特性を有し、従来の鋼板製プレッシャプレートと接合することなく使用することが可能な、焼成炭化されているブレーキ用摩擦材およびその製造方法を提供することができた。

（Ｉ）ブレーキ用摩擦材
先ず本発明のブレーキ用摩擦材について説明する。
本発明のブレーキ用摩擦材は、必須の層として第１層と第２層とを有し、任意の層として第３層を上記第１層と第２層との間に有するものである。

本発明において、必須の層である第１層は、ピストン等の押圧部材側にあり、繊維基材と有機結合材を含むものであるが、繊維基材としては、鉄、ステンレス、鋼、銅、青銅、真ちゅうなどの金属繊維、生体溶解性無機繊維、ガラス繊維、炭素繊維などの無機繊維が好ましく用いられ、また有機結合材としては、熱硬化性樹脂、特に、フェノール樹脂が好ましく用いられる。

本発明において、必須の層である第２層は、ロータ等の回転部材側にあり、繊維基材と摩擦調整材と有機結合材を含むものであり、繊維基材としては、鉄、ステンレス、鋼、銅、青銅、真ちゅうなどの金属繊維、生体溶解性無機繊維、ガラス繊維、炭素繊維などの無機繊維やアラミド繊維、アクリル繊維、セルロース繊維などの有機繊維が好ましく用いられ、また摩擦調整材としては、鉄、銅、アルミニウム、真ちゅうなどの金属粉、アルミナ、シリカ、ムライトなどの研削ないし切削材、炭酸カルシウム、硫酸バリウム、酸化アンチモンなどの無機充填材、ゴムダスト、カシューダスト、レジン（ポリマー）ダストなどの有機充填材、黒鉛系潤滑材、二酸化モリブデンなどの非黒鉛系潤滑材などが好ましく用いられ、さらに有機結合材としては、熱硬化性樹脂、特にフェノール樹脂が好ましく用いられる。

本発明において、任意の層である第３層は、断熱効果を更に向上させた層であり、繊維基材と有機結合材を含むものであり、繊維基材としては、鉄、ステンレス、鋼、銅、青銅、真ちゅうなどの金属繊維、生体溶解性無機繊維、ガラス繊維、炭素繊維などの無機繊維が好ましく用いられ、また有機結合材としては、熱硬化性樹脂、特にフェノール樹脂が好ましく用いられる。本発明において、第３層におけるガラス繊維および／または生体溶解性無機繊維の割合が３０〜５０体積％であるのが好ましい。その理由は、３０体積％未満であると、制動時、高温での摩擦材構造体の断熱効果を十分に得ることができないことがあり、一方、５０体積％を超えると、後述するフェード耐久性試験において従来の鋼板製プレッシャプレートの役割をする補強層のトルク受け部圧壊が発生することがあるからである。

本発明のブレーキ用摩擦材において、第１層、第２層及び第３層は焼成炭化されており、これらの層が焼成炭化されていることにより、制動時、３００℃以上の高温においてもフェードを防止できるという利点が得られる。

本発明のブレーキ用摩擦材においては、第１層や第３層の厚みも重要であり、ブレーキ用摩擦材が第１層と第２層の２層構造である場合の第１層の厚みは全体の厚みの２０〜５０％であり、ブレーキ用摩擦材が第１層と第２層と第３層の３層構造である場合の第１層と第３層の厚みは全体の厚みの２０〜５０％であり、第３層の厚みは全体の厚みの０％超３０％以下である。

先ず、２層構造の場合に第１層の厚みを全体の厚みの２０〜５０％に限定する理由は、２０％未満であると、後述するフェード耐久性試験において第１層のピストン押圧面に破壊が生じることがあり、一方、５０％を超えると、第２層厚みが十分とはいえずパッド摩耗代が確保できないことから商品性の欠落が生じることがあるのに対し、２０〜５０％であると、上述の諸問題がなく、３００℃以上の高温においてもフェードを防止でき、十分に大きい圧縮変形特性を有し、実用的なブレーキフィーリングを得ることができるからである。

次に３層構造の場合に第１層と第３層の厚みを全体の厚みの２０〜５０％に限定する理由は、２０％未満であると、３００℃以上の高温での断熱効果が十分とはいえないことがあり、一方、５０％を超えると、第２層厚みが十分であるといえず、摩耗代が十分に確保できないため、商品性が欠落することがあるのに対し、２０〜５０％であると、上述の諸問題がなく、３００℃以上の高温でのフェードを防止でき、十分に大きい圧縮変形特性を有し、実用的なブレーキフィーリングを得られるからである。

３層構造の場合に第３層の厚みを全体の厚みの５〜３０％に限定する理由は、３０％を超えると、第１層の厚みが２０％以下となり、後述するフェード耐久性試験において従来の鋼板製プレッシャプレートの役割をする第１層のピストン押圧面に破壊が生じることがあるのに対し、５〜３０％であると、上述の問題がなく、３００℃以上の高温でのフェードを防止でき、十分に大きい圧縮変形特性を有し、実用的なブレーキフィーリングを得られるからである。

本発明の焼成炭化されているブレーキ用摩擦材は、次のような利点を有する。
（ａ）高温におけるフェードを防止でき、十分に大きい圧縮変形特性を有し、実用的なブレーキフィーリングを得ることができる。
（ｂ）従来の鋼板製プレッシャプレートを、繊維基材と有機結合材とを含む第１層に置き換えたことにより、車両のバネ下重量を軽減することができる。

（II）ブレーキ用摩擦材の製造方法
本発明のブレーキ用摩擦材の製造方法は、上述の本発明のブレーキ用摩擦材を製造する方法に関するものであり、繊維基材と有機結合材とを含む第１層の材料と、繊維基材と摩擦調整材と有機結合材とを含む第２層の材料とを、必要に応じて、繊維基材と有機結合材とを含む第３層の材料を上記第１層の材料と第２層の材料との間に介在させて、一体成形して積層体を得、得られた積層体を焼成炭化することを特徴とする。

本発明のブレーキ用摩擦材の製造方法において用いられる第１層、第２層及び第３層の各材料は、上述の本発明のブレーキ用摩擦材において詳述したので、ここでの説明は省略する。

本発明の方法においては、先ず、第１層の材料と第２層の材料とを、必要に応じて第３層の材料を上記第１層の材料と第２層の材料との間に介在させて、一体成形して積層体を得る。この一体成形は、ブレーキ用摩擦材を構成する上記の２層又は３層を金型内に積層したのち、１５０〜２００℃の温度で３０〜８０ＭＰａの圧力下に加圧するホットプレス法により行うのが好ましい。

本発明の方法においては、次に、一体成形により得られた２層又は３層の積層体を焼成炭化することにより、ブレーキ用摩擦材を得る。この焼成炭化は、上記積層体を無荷重下又は荷重下に真空、還元性ガス又は不活性ガスの雰囲気中で５５０〜１３００℃の温度で処理することにより行うのが好ましい。焼成炭化を荷重下で行う場合の圧力は０．１〜３．０ＭＰａであるのが好ましい。

本発明の方法により得られたブレーキ用摩擦材は、上述した本発明のブレーキ用摩擦材と同様の利点を有する。

以下、実施例により本発明をさらに説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
実施例１（２層構造のブレーキ用摩擦材）
第１層の材料および第２層の材料として表１に示すものを表１に示す割合で用い、最終的に得られるブレーキ用摩擦材の全体の厚みに対する第１層の厚みが１０％、２０％、３０％、５０％および７０％になるように金型内で第１層の材料と第２層の材料とを積層し、ホットプレス法にて１８０℃で３００秒間、圧縮成形することにより、一体成形して、５種類の積層体を得た。

このようにして得られた５種類の積層体を無荷重下、窒素雰囲気中で７００℃の温度で１時間処理することにより、焼成炭化したのち、５種類のブレーキ用摩擦材（Ａ）〜（Ｅ）をブレーキパッドのサイズ（面積９３ｃｍ^２、全厚１６ｍｍ）に機械加工した。
このようにして得られた５種類のブレーキ用パッド（Ａ）〜（Ｅ）のフェード耐久性試験および圧縮変形性試験を下記の方法により行った。

（ｉ）フェード耐久性試験（１／１ダイナモ試験機で実施）
［すりあわせ］
初速度１５０ｋｍ／ｈ⇒５０ｋｍ／ｈ 液圧３ＭＰａ イニシャル温度１２０℃（ローター表面深さ１．０ｍｍ）
［フェード試験］
初速度２４０ｋｍ／ｈ⇒９０ｋｍ／ｈ 減速度０．８Ｇ 出力一定試験
ブレーキ開始温度：１００℃ ブレーキインターバル３０秒
ローターサイズ φ３５０ ロータ材質：ＦＣ２５０（鋳鉄）

（ii）圧縮変形性試験
試験方法：ＪＩＳ Ｄ４４１３準拠 常温、３００℃高温試験
試験サンプル：ブレーキパッド（面積９３ｃｍ^２、全厚１６ｍｍ）
試験結果の「＠４ＭＰａ」とは試験前のパッド厚みに対する荷重４ＭＰａでのパッド圧縮変形量（常温試験）を百分率（％）で表わしたものである。
また、「常温・３００℃比」とは荷重４ＭＰａでの圧縮変形量（％）を３００℃／常温の比として求めたデータである。

本実施例で得られた第１層と第２層の２層構造からなり、プレッシャプレートを有しない５種のブレーキパッド（Ａ）〜（Ｅ）の試験結果を特許文献１（特開平７−３３２４１４号公報）に記載の、本発明でいう第２層のみからなる単層のブレーキ用摩擦材を鋼板製プレッシャプレートに接合したもの（比較例１）の試験結果とともに表１に示す。

なお、（ｉ）のフェード耐久性試験について、ブレーキ開始温度は１００℃であるが、高速から３０秒間隔で制動をするため、ロータの最高到達温度は５００℃に及んだ。ロータは、鋳鉄（ＦＣ２５０）に限定されるものではなく、熱衝撃に強く、高い熱伝導度を有する、より軽量なセラミック複合材（ＣＭＣ）ロータを使用することも可能である。

また、（ii）の圧縮変形性試験について、本発明者らは、一般に流通・販売されている鋼板製プレッシャプレートを有するブレーキパッドのベンチマーク結果から、常温での圧縮変形量が荷重４ＭＰａ時に０．３〜２．５％の範囲で実用的なブレーキフィーリングが得られることを確認している。一般のブレーキシステムにおいては、この範囲を下回ると板踏み感とよばれる、ブレーキペダルの踏み込み量が通常より小さくなり効きの急激な立ち上がりが生じるという制御しづらい不具合が生じる。一方、この範囲を上回ると、ブレーキペダルの踏み応えが不足するといった問題が生じる。

表１より次のことが明らかとなった。
（１）本実施例で得られた５種のブレーキパッドのうち、第１層の厚みがそれぞれ２０％、３０％、５０％であるブレーキパッド（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）は、フェード耐久性試験においてピストン押圧面破壊がなく、トルク受け部圧壊もないので、フェード耐久性に優れており、また圧縮変形性試験において４ＭＰａにおける圧縮変形量が０．５０％、０．４６％、０．４０％であって、圧縮変形性に優れている。これに対して、第１層の厚みが１０％であるブレーキパッド（Ａ）は、圧縮変形性試験において４ＭＰａにおける圧縮変形量が０．５２％であって、圧縮変形性は優れているが、フェード耐久性試験において、トルク受け部圧壊はないが、ピストン押圧面破壊があり、フェード耐久性に劣っており、また第１層の厚みが７０％であるブレーキパッド（Ｅ）は、圧縮変形性およびフェード耐久性に問題はないが、制動部の厚みが全厚１６ｍｍに対して４．８ｍｍしかないため、十分な摩耗代を確保できず商品性が欠落する。

以上のことから、第１層と第２層の２層構造のブレーキパッドにおいて第１層の厚みは、全体の厚みの２０〜５０％に限定すべきである。
（２）単層の第２層からなるブレーキ用摩擦材を鋼板製プレッシャプレートに接合した比較例１のものは、４ＭＰａにおける圧縮変形量が０．２１％であり、圧縮変形性に劣っていた。

実施例２（３層構造のブレーキ用摩擦材）
６種類の３層構造のブレーキパッド（Ｆ）〜（Ｋ）を下記の方法で作製した。
第１層、第２層および第３層のそれぞれの材料として表２に示すものを表２に示す割合で用い、最終的に得られるブレーキ用摩擦材の全体の厚みに対する第１層の厚みを２０％一定とし、第３層の厚みがそれぞれ５％、２０％、３０％、３０％、３０％および３０％となり、第１層と第３層の合計厚みがそれぞれ２５％、４０％、５０％、５０％、５０％および５０％になるように金型内で第１層の材料、第２層の材料および第３層の材料を、第３層が第１層と第２層との間になるように積層し、ホットプレス法にて１８０℃で３００秒間圧縮成形することにより、一体成形して、６種類の積層体を得た。

このようにして得られた６種類の積層体を無荷重下、窒素雰囲気中で７００℃の温度で１時間処理することにより、焼成炭化したのち、６種類のブレーキ用摩擦材（Ｆ）〜（Ｋ）をブレーキパッドのサイズ（面積９３ｃｍ^２、全厚１６ｍｍ）に機械加工した。

このようにして得られた６種類のブレーキパッド（Ｆ）〜（Ｋ）のフェード耐久性試験および圧縮変形性試験を実施例１に記載の方法により行った。

本実施例で得られた第１層と第２層との間に第３層を有する３層構造からなり、プレッシャプレートを有しない６種のブレーキパッド（Ｆ）〜（Ｋ）の試験結果を、先の実施例１で得られた第１層および第２層の２層構造からなり、プレッシャプレートを有しないブレーキパッド（Ｄ）の試験結果とともに表２に示す。

表２より次のことが明らかとなった。
（１）本実施例で得られた、第１層と第２層との間に第３層を有する３層構造のブレーキパッド（Ｆ）、（Ｇ）、（Ｈ）、（Ｉ）、（Ｊ）、（Ｋ）は、圧縮変形性試験において、４ＭＰａにおける圧縮変形量が０．４０〜１．６０の範囲内にあり、圧縮変形性に優れており、またブレーキ液温度が１０７〜１３０℃の範囲内にあり、実施例１で得られた第３層を有しない２層構造のブレーキパッド（Ｄ）におけるブレーキ液温度１４２℃よりもはるかに低く、優れたブレーキ液温度低下効果を示した。

（２）第３層におけるガラス繊維および／または生体溶解性無機繊維の割合が３０〜５０体積％の範囲にあるブレーキパッド（Ｆ）、（Ｇ）、（Ｈ）、（Ｉ）、（Ｋ）はフェード耐久性試験においてピストン押圧面破壊がなく、トルク受け部圧壊もなく、フェード耐久性に優れているのに対し、第３層におけるガラス繊維および／または生体溶解性無機繊維の割合が５５％であるブレーキパッド（Ｊ）はフェード耐久性試験においてトルク受け部圧壊があり、フェード耐久性に劣っていることから、第３層におけるガラス繊維および／または生体溶解性無機繊維の割合は３０〜５０体積％が好ましい。

本発明によれば、高温におけるフェードを防止できるとともに、十分に大きい圧縮変形特性を有し、従来の鋼板製プレッシャプレートと接合することなく使用することが可能な、焼成炭化されているブレーキ用摩擦材およびその製造方法を提供することができた。

Claims (3)

1. 必須の層として、繊維基材と有機結合材とを含む第１層と、繊維基材と摩擦調整材と有機結合材とを含む第２層とを有し、繊維基材と有機結合材とを含む第３層を上記第１層と第２層との間に有し、これらの層が焼成炭化されているブレーキ用摩擦材であって、
   ３層構造の第１層と第３層の厚みが全体の厚みの２０〜５０％であり、 第３層の厚みが全体の厚みの５〜３０％であり、
   第３層におけるガラス繊維および／または生体溶解性無機繊維の割合が３０〜５０体積％であることを特徴とするブレーキ用摩擦材。
2. 請求項１に記載のブレーキ用摩擦材を製造する方法において、
   繊維基材と有機結合材とを含む第１層の材料と、繊維基材と摩擦調整材と有機結合材とを含む第２層の材料とを、繊維基材と有機結合材とを含む第３層の材料を上記第１層の材料と第２層の材料との間に介在させて、一体成形して積層体を得、得られた積層体を焼成炭化することを特徴とするブレーキ用摩擦材の製造方法。
3. 焼成炭化が、積層体を無荷重下又は荷重下に真空、還元性ガス又は不活性ガスの雰囲気中で５５０〜１３００℃の温度で処理することにより行われる請求項２に記載のブレーキ用摩擦材の製造方法。