JP5535509B2

JP5535509B2 - 摩擦材

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Inventors: 雅文安田; 健司東
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Description

本発明は、非晶質チタン酸アルカリ金属化合物、結晶質チタン酸化合物、及び有機結合材とを含有する、耐摩耗性に優れ及び相手攻撃性が小さい摩擦材に関するものである。

自動車、鉄道用車両、航空機、産業機械類等の摩擦材として、結晶質チタン酸アルカリ金属化合物を使用したものがある(例えば、特許文献１参照)。
結晶質チタン酸アルカリ金属化合物として、一般式Ｍ₂Ｏ・ｎＴｉＯ₂（式中、Ｍはアルカリ金属元素の１種又は２種以上）で表されるチタン酸アルカリ金属がある。チタン酸アルカリ金属は、通常、繊維状の化合物として得られ、例えば、Ｍがカリウム（Ｋ）でｎ＝２、４、６、８の二、四、六、八チタン酸カリウム、Ｍがナトリウム（Ｎａ）でｎ＝３、６の三、六チタン酸ナトリウムがある。

特開平０６-２４８０９１号公報

しかし、これらｎ＝２，４の二、四チタン酸カリウムやｎ＝３の三チタン酸ナトリウムの結晶質チタン酸化合物は、アルカリ成分が多いのに加え、結晶構造が層状であるため化学的に不安定であり、摩擦材の成形時に層間に存在するアルカリ金属イオンが溶出して、摩擦材のマトリックスを構成する樹脂の劣化を起こすことがある。
また、ｎ≧６結晶質チタン酸アルカリ金属化合物は、摩擦材としてブレーキパッドに用いたときに、アルカリ金属イオンの溶出が少なく、摩擦係数の安定性に優れ、特に高温域での摩擦係数確保に有効であるが、その反面、相手攻撃性が高く、相手部材となるディスク摩耗量が増大していた。従って、ブレーキパッドの耐摩耗性及びディスクに対する相手攻撃性に改善の余地があった。

そこで、発明者らは、非晶質チタン酸アルカリ金属化合物が化学的に安定で、摩擦材の成形時においてアルカリ金属のイオン溶出は防止され摩擦材のマトリックス構成樹脂に悪影響を及ぼすことなく摩擦材の基材材料として好適であることを見出した（特願２００７-２３８７６１号）。
しかしながら、非晶質チタン酸アルカリ金属化合物を摩擦材としてブレーキパッドとして用いた場合、パッド摩耗量及びディスク摩耗量は低減できるが、低速(５０ｋｍ／ｈ)と高速(１３０ｋｍ／ｈ)において、摩擦係数の差が大きくなることがあった。

発明者らは、上記の如き摩擦特性を生ずる理由として、ブレーキパッドとディスクの摩擦界面に形成される流動層とトランスファーフィルムの形成メカニズムに着目し、鋭意研究を重ねた。

その結果、流動層及びトランスファーフィルムの形成に、ブレーキパッド中のアルカリ成分の溶出が大きく寄与していると考えられることを見出した。
さらに、アルカリ成分の溶出は、結晶質チタン酸アルカリ金属化合物を基材として用いた摩擦材では、高温における摩滅によって、結晶質チタン酸アルカリ金属化合物の摩滅破壊により生じ、非晶質チタン酸アルカリ金属化合物では、軟化、溶融反応により低温域から高温域において生ずることを突き止めた。

そこで、摩擦材中のアルカリ成分の溶出量を好適に調整することで、流動層及びトランスファーフィルムに、安定してアルカリ成分を供給することのできるとの見地から、非晶質チタン酸アルカリ金属化合物、結晶質チタン酸化合物、及び、有機結合材とを含有する摩擦材の発明に至った。

上記課題を解決するために、本発明の摩擦材は、
少なくとも一種の非晶質チタン酸アルカリ金属化合物と、少なくとも一種の結晶質チタン酸化合物と、有機結合材とを含有するものである。

本発明の摩擦材は、少なくとも一種の非晶質チタン酸アルカリ金属化合物と、少なくとも一種のアルカリを含有するもしくは含有しない結晶質チタン酸化合物とを好適に組み合わせることによって、低温域から高温域においてアルカリ成分の溶出を適正に制御して、流動層及びトランスファーフィルムを好適に形成でき、何れか一方のみを含有した場合に比して、併用配合比率から想定される効果以上の耐摩耗性に優れ及び相手攻撃性が小さい摩擦摩耗特性を得ることができた。

球状の非晶質チタン酸アルカリ金属化合物 (化合物１)の顕微鏡写真(写真１)である。繊維状の非晶質チタン酸アルカリ金属化合物 (化合物２)の顕微鏡写真(写真２)である。扁平状の非晶質チタン酸アルカリ金属化合物 (化合物３)の顕微鏡写真(写真３)である。板状の結晶質六チタン酸カリウム(Ｋ₂Ｏ・６ＴｉＯ₂) (化合物４)の顕微鏡写真(写真４)である。粉状の結晶質チタン酸カルシウム(ＣａＴｉＯ₃) (化合物５)の顕微鏡写真(写真５)である。結晶質六チタン酸カリウム(Ｋ₂Ｏ・６ＴｉＯ₂)とチタニア(ＴｉＯ₂)の板状の複合物(化合物６)の顕微鏡写真(写真６)である。結晶質六チタン酸カリウム(Ｋ₂Ｏ・６ＴｉＯ₂)とチタン酸カルシウム(ＣａＴｉＯ₃)の球状の複合物(化合物７)の顕微鏡写真(写真７)である。結晶質六チタン酸カリウム(Ｋ₂Ｏ・６ＴｉＯ₂)とチタン酸カルシウム(ＣａＴｉＯ₃)の粉状の複合物(化合物８)の顕微鏡写真(写真８)である。扁平状のチタン酸亜鉛カリウム(Ｋ_0.8Ｚｎ_0.4Ｔｉ_1.6Ｏ₄)(化合物９)の顕微鏡写真(写真９)である。

本発明の摩擦材は、少なくとも一種の非晶質チタン酸アルカリ金属化合物と、少なくとも一種の結晶質チタン酸化合物と、有機結合材とを含有するものであり、自動車、鉄道用車両、航空機、産業機械類等の摩擦材、例えば、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の摺動面を構成する摩擦材として好適に適用することができる。

[非晶質チタン酸アルカリ金属化合物]
非晶質チタン酸アルカリ金属化合物は、一般式Ｍ₂Ｏ・ｎＴｉＯ₂(式中、Ｍはアルカリ金属元素の１種又は２種以上であり、ｎは２〜８の数)で表わされるチタン酸アルカリ金属を例示することができる。結晶質チタン酸化合物を使用するブレーキパッドに非晶質チタン酸アルカリ金属化合物を含有することで、軟化もしくは溶融反応によりブレーキパッドとディスクの摩擦界面へのアルカリ成分の供給を適正化でき、安定した流動層及びトランスファーフィルムの形成を達成できる。

非晶質チタン酸アルカリ金属化合物は、一種のみを用いてもよいし、二種以上を混合して使用することもできる。

非晶質チタン酸アルカリ金属化合物は、少なくとも一種のチタン酸アルカリ金属でも用いることができるが、ＳｉＯ₂(後述する)との複合体とすることが望ましい。この場合、チタン酸アルカリ金属６０重量％以上と、ＳｉＯ₂１０重量％以上を含み、重量比にて、Ｍ₂Ｏ／ＳｉＯ₂≦２.５であり、所望により、Ｂ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｐ、Ｃａ及びＺｎからなる群から選択される少なくとも１種の元素の酸化物、及び／又は、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ及びＢａからなる群から選択される少なくとも１種の元素の酸化物を含むことができる（特願２００７-２３８７６１公報）。

ブレーキパッドの摩擦特性は、非晶質チタン酸アルカリ金属化合物の形状によって種々の特性をもたせることができるので、用途や要求される性能に応じて扁平状、繊維状、球状又は粉状を用いることができる。形状を変化させることで、要求される摩擦材物性特性に対してバリエーションがあることで調整できるからである。

アルカリ金属元素は、元素周期律表の第１族元素であり、具体的には、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｃｓ又はＲｂである。
チタン酸アルカリ金属化合物の非晶質性は、出発原料混合物を加熱溶融した後、その溶融物を急冷処理に付すことで得られる。急冷処理は、典型的には、双ロール法により行われ、向かい合う一対の金属ロールを高速回転させながら、双ロール間隙に溶融物を流下させるもので、溶融物は金属ロールに接触して急冷されつつロール間隙を通過し、薄片状の凝固物として下方に排出される。その急冷効果により、非晶質となる。
その他の急冷方法としては、溶融物を、底部にノズル孔を有する加熱坩堝に移し変え、ノズル先端からの細流とし、これに圧縮空気を吹き飛ばすことにより、非晶質繊維となる。また溶融物を溶射し、水中で急冷することにより非晶質粉末となる。
このようにして得られる非晶質チタン酸アルカリ金属化合物は、式Ｍ₂Ｏ・ｎＴｉＯ₂中、ｎの数が４以下の場合でも、ＳｉＯ₂を共含有することにより、摩擦材の成形時において、アルカリ金属イオンの溶出は防止され、摩擦材のマトリックス構成樹脂に悪影響を及ぼすことはない。

なお、非晶質チタン酸アルカリ金属は、式Ｍ₂Ｏ・ｎＴｉＯ₂中、ｎの数が４より大きいチタン酸の場合、ＳｉＯ₂を含有していなくとも安定しているが、ＳｉＯ₂や、Ｂ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｐ、Ｃａ、Ｚｎ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｂａ等の酸化物を含有してもよい。

さらに、チタン酸アルカリ金属化合物の非晶質構造は、摩擦材に適用されたときに、摩擦条件(温度、速度、圧力など)に応じた軟化、溶融反応が起こり、摩擦界面へ適量のアルカリ成分及びチタン成分が供給されることによって様々な条件下で耐摩耗性が有意に向上する効果をもたらすことがわかった。これらの効果を得るために、非晶質チタン酸アルカリ金属化合物にＳｉＯ₂を含有する場合は、含まれるチタン酸アルカリ金属化合物は６０重量％以上とすることが好ましい。

［ＳｉＯ₂］
ＳｉＯ₂は、非晶質チタン酸アルカリ金属の非晶質構造のネットワークを強固にし、常態時でのアルカリ金属の溶出を抑えることにより、化学的安定性の向上に寄与する。
このため、非晶質チタン酸アルカリ金属化合物には、少なくとも１０重量％以上のＳｉＯ₂を含有させると共に、チタン酸アルカリ金属化合物のＭ₂ＯとＳｉＯ₂の重量比、すなわちＭ₂Ｏ／ＳｉＯ₂を２.５以下とすることが望ましい。

非晶質チタン酸アルカリ金属化合物に含まれるＳｉＯ₂の含有量は１０重量％以上であるから、チタン酸アルカリ金属化合物は９０重量％以下となる。なお、チタン酸アルカリ金属が６０重量％以上の場合は、ＳｉＯ₂は４０重量％以下となる。

［Ｂ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｐ、Ｃａ及びＺｎの酸化物］
Ｂ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｐ、Ｃａ及びＺｎの酸化物は、化学的安定性・耐久性を高める作用があり、また熱的安定性を向上させる働きがある。このため、Ｂ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｐ、Ｃａ及びＺｎからなる群から選択される少なくとも１種の元素の酸化物を含むことが望ましい。しかし、含有量があまり多くなると、チタン酸アルカリ金属とＳｉＯ₂との配合バランスが崩れるので、上限は１０重量％とする。
なお、Ｂ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｐ、Ｃａ及びＺｎからなる群から選択される少なくとも１種の元素の酸化物を含む場合、チタン酸アルカリ金属化合物は９０重量％未満であり、ＳｉＯ₂は４０重量％未満である。

［Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ及びＢａの酸化物］
Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ及びＢａの酸化物は、摩擦材として使用したとき、摩擦係数の向上に有意に寄与する。このため、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ及びＢａからなる群から選択される少なくとも１種の酸化物を含むことが望ましい。しかし、含有量があまり多くなると、チタン酸アルカリ金属とＳｉＯ₂との配合バランスが崩れるので、上限は１０重量％とする。
Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ及びＢａからなる群から選択される少なくとも１種の元素の酸化物を含む場合、チタン酸アルカリ金属は９０重量％未満であり、ＳｉＯ₂は４０重量％未満である。なお、これら元素の酸化物を、前記のＢ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｐ、Ｃａ及びＺｎからなる群から選択される少なくとも１種の元素の酸化物に加えてさらに含む場合も同様である。

[結晶質チタン酸化合物]
結晶質チタン酸化合物を摩擦材に添加することで、流動層及びトランスファーフィルムの形成を安定化させ、摩擦係数の安定性に優れ、特に高温域での摩擦係数確保に有効となる。

結晶質チタン酸化合物は、一般式Ｍ₂Ｏ・ｎＴｉＯ₂（式中、Ｍはアルカリ金属元素の１種又は２種以上、ｎは６〜８の数）で表されるチタン酸アルカリ金属、一般式ＲＯ・ＴｉＯ₂（式中、Ｒはアルカリ土類金属元素の１種又は２種以上）で表されるチタン酸アルカリ土類金属、一般式Ｍ₂Ｏ・ｎＴｉＯ₂（式中、Ｍはアルカリ金属元素の１種又は２種以上、ｎは６〜８の数）で表されるチタン酸アルカリ金属結晶にチタニア結晶、又は／及び、一般式ＲＯ・ＴｉＯ₂（式中、Ｒはアルカリ土類金属元素の１種又は２種以上）で表されるチタン酸アルカリ土類金属結晶が分散混在した複合チタン酸化合物、一般式Ｍ_xＡ_yＴｉ_2-yＯ₄（式中、ＭはＬｉを除くアルカリ金属、ＡはＬｉ、Ｍｇ、Ｚｎ，Ｆｅ，Ａｌからなる群から選択される少なくとも１種、ｘは０．１〜１．０、ｙは０．２〜１．０の数）で表されるチタン酸化合物等を例示できる。

ブレーキパッドの摩擦特性は、結晶質チタン酸化合物の形状によって種々の特性をもたせることができるので、形状は、板状、球状、扁平状、繊維状又は粉状であることが望ましい。形状を変化させることで要求される摩擦特性に対してバリエーションのある調整ができるからである。

非晶質チタン酸アルカリ金属化合物および結晶質チタン酸化合物として、板状、扁平状又は繊維状を用いる場合は、気孔形成及び強度のさらなる向上の点で平均長が、５〜５００μｍとすることが望ましい。

また、非晶質チタン酸アルカリ金属化合物および結晶質チタン酸化合物として、球状又は粉状を用いる場合は、相手攻撃性等の観点から平均粒径は、５００μｍ以下であることが望ましい。なお、平均粒径は、レーザ回折散乱式粒度分布測定による５０％累積度数分布粒子径(Ｄ５０値)により測定した。

[有機結合材]
前記非晶質チタン酸アルカリ金属化合物と結晶質チタン酸化合物とを結着させるために、有機結合材を使用する。
有機結合材として、フェノール樹脂を例示することができる。

［摩擦材］
本発明の非晶質複合チタン酸アルカリ金属化合物は、摩擦材、具体的には、自動車、鉄道車両、航空機、産業機械類等の制動装置におけるブレーキパッド、ブレーキライニング、クラッチフェーシング等の摺動面を構成する摩擦材の基材として好適に適用される。

摩擦材の基材として適用される非晶質チタン酸アルカリ金属化合物と結晶質チタン酸化合物の配合量は、合計量で、４〜５０重量％、かついずれの化合物とも少なくとも２重量％以上を占めることが好ましい。
合計量が４重量％未満であると、十分にアルカリ溶出が行なわれず、流動層及びトランスファーフィルムが形成されないためである。さらに、いずれの化合物も２重量％を下回る配合では、その配合効果が発揮されず、当然複合効果は見られないからである。また、５０重量％を越えると、これらのアルカリ溶出効果が飽和すると共に、摩擦摩耗特性の効果改善がそれ以上期待できないため経済的にコスト高になるためである。

なお、摩擦材には、非晶質チタン酸アルカリ金属化合物と結晶質チタン酸化合物と共に、所望により、公知の他材種のもの(例えばポリアミド繊維、アラミド繊維、スチール繊維、銅繊維、ガラス繊維、セラミック繊維等)を複合的に配合することができる。また、基材は必要に応じて、分散性、有機結合材との結着性の向上等を目的として、シラン系カップリング剤、チタネート系カップリング剤による表面処理(カップリング処理)が常法に従って施されて使用される。

摩擦材には、所望により、公知の摩擦摩耗調整剤(例えば、天然・合成ゴム粉末、カシュー樹脂粉粒体、有機物粉末、黒鉛、二硫化モリブデン、無機質粉末、金属粉末、酸化物粉末等)を適量配合することができるし、各種添加剤(例えば防錆剤、潤滑剤、研削剤等)についても、その用途・使用態様等に応じて適量配合することもできる。

本発明の摩擦材は、非晶質チタン酸アルカリ金属化合物と結晶質チタン酸化合物とを含む基材を有機結合材中に分散させ、必要に応じて配合される摩擦摩耗調整剤及び添加剤を添加し、均一に混合して原料化合物を調製し、予備成形の後、金型成形を行ない、加熱・加圧下(加圧力約１０〜４０ＭＰａ、温度約１５０〜２００℃)にて結着成形を行ない、型から取り出した後、所望により加熱炉内で熱処理(１５０〜２００℃、保持約１〜１２時間)を施し、しかる後その成形体に機械加工、研磨加工を加えて所定の形状を有する摩擦材に仕上げることができる。

以下の要領にて、非晶質チタン酸アルカリ金属化合物(化合物１〜３)と、結晶質チタン酸化合物(化合物４〜９)を準備し、それらを摩擦材用原料として用いた摩擦材を作製し、摩擦試験を行なった。

［非晶質チタン酸アルカリ金属化合物(化合物１：球状)］
炭酸カリウム(Ｋ₂ＣＯ₃)と二酸化チタン(ＴｉＯ₂)を、Ｋ₂ＯとＴｉＯ₂のモル比が４となるように計量し、均一混合したものを８００℃で２時間の加熱処理を行ない、四チタン酸カリウム(Ｋ₂Ｏ・４ＴｉＯ₂)の粉末を得る。得られた四チタン酸カリウム(Ｋ₂Ｏ・４ＴｉＯ₂)を溶射装置(日本ユテク株式会社製、CASTON DYNDS8000)で溶射し、水中で急冷することにより粉末を得た。

得られた粉末を走査型電子顕微鏡で観察し、その顕微鏡写真を図１に示す。また、Ｘ線回折による結晶相の有無を調べ、蛍光Ｘ線分析により成分の定量を行なった結果、原料組成にほぼ一致する組成で、平均粒径３０μｍの球状の非晶質チタン酸アルカリ金属化合物であることを確認した。
上記供試化合物は、表１中、化合物１として示している。

［非晶質チタン酸アルカリ金属化合物(化合物２：繊維状)］
炭酸カリウム(Ｋ₂ＣＯ₃)と二酸化チタン(ＴｉＯ₂)を、ＴｉＯ₂／Ｋ₂Ｏのモル比が１.９となるように計量し、均一混合したものを８００℃で２時間の加熱処理を行ない、チタン酸カリウム(Ｋ₂Ｏ・１.９ＴｉＯ₂)の粉末を得る。得られたチタン酸カリウム(Ｋ₂Ｏ・１.９ＴｉＯ₂)に、シリカ(ＳｉＯ₂)を、Ｋ₂Ｏ・１.９ＴｉＯ₂／ＳｉＯ₂＝８２／１８の重量比となるように加え、これらの混合物を白金坩堝に入れて１１５０℃で２時間溶融する。
得られた溶融物を、底部にノズル孔を有する加熱坩堝に移し変え、ノズル先端からの細流とし、これに圧縮空気を吹き飛ばすことにより、繊維を得た。

得られた粉末を走査型電子顕微鏡で観察し、その顕微鏡写真を図２に示す。また、Ｘ線回折による結晶相の有無を調べ、蛍光Ｘ線分析により成分の定量を行なった結果、原料組成にほぼ一致する組成で、平均繊維長１.５ｍｍ、平均繊維幅３０μｍの繊維状の非晶質チタン酸アルカリ金属化合物であることを確認した。
上記供試化合物は、表１中、化合物２として示している。

［非晶質チタン酸アルカリ金属化合物(化合物３：扁平状)］
炭酸カリウム(Ｋ₂ＣＯ₃)と二酸化チタン(ＴｉＯ₂)を、ＴｉＯ₂／Ｋ₂Ｏのモル比が２となるように計量し、均一混合したものを８００℃で２時間の加熱処理を行ない、チタン酸カリウム(Ｋ₂Ｏ・２ＴｉＯ₂)の粉末を得る。得られたチタン酸カリウム(Ｋ₂Ｏ・２ＴｉＯ₂)に、シリカ(ＳｉＯ₂)と水酸化マグネシウム(Ｍｇ(ＯＨ)₂)を、Ｋ₂Ｏ・２ＴｉＯ₂／ＳｉＯ₂／ＭｇＯ＝７５／２０／５の重量比となるように加え、これらの混合物を白金坩堝に入れて１２００℃で１時間溶融する。
得られた溶融物を、周速３.６ｍ／ｓで回転する金属双ロール間に流し込み、急冷した後、得られた急冷固化物をハンマーミルで粉砕することにより粉末を得る。

得られた粉末を走査型電子顕微鏡で観察し、その顕微鏡写真を図３に示す。また、Ｘ線回折による結晶相の有無を調べ、蛍光Ｘ線分析により成分の定量を行なった結果、原料組成にほぼ一致する組成で、平均さし渡し径約３００μｍ、平均厚み約９０μｍの扁平状の非晶質チタン酸アルカリ金属化合物であることを確認した。
上記供試化合物は、表１中、化合物３として示している。

[結晶質チタン酸化合物]
結晶質チタン酸化合物として、結晶質六チタン酸カリウム(Ｋ₂Ｏ・６ＴｉＯ₂)を用いた。ＴｉＯ₂／Ｋ₂Ｏのモル比が２となるように配合した混合物を１２００℃で１時間加熱溶融し、得られた溶融物を冷却固化させて、二チタン酸カリウムの繊維塊を作成し、水和反応により繊維塊を膨潤させて分離し、酸処理及びカリウム溶脱処理の後、固液分離及び熱処理を行なうことにより作製した。平均繊維長は１５０μｍ、平均繊維幅は約３０μｍである。
得られた粉末の走査型電子顕微鏡による顕微鏡写真を図４に示す。
上記供試化合物は、表１中、化合物４として示している。

さらに、結晶質チタン酸化合物としてＣａＴｉＯ₃で示されるチタン酸化合物を用いた。ＴｉＯ₂、ＣａＯ及びフラックス成分のＫＣｌをモル比１：１：０.２で混合し、スプレードライヤーで造粒後、１０５０℃で焼成することにより粉末を得た。この粉末を水洗し、フラックス成分を除去した後、乾燥することにより、平均粒径１０μｍの供試化合物を得た。
得られた粉末の走査型電子顕微鏡による顕微鏡写真を図５に示す。
得られた供試化合物は、表１中、化合物５として示している。

さらに、結晶質チタン酸化合物としてＫ₂Ｏ・６ＴｉＯ₂／ＴｉＯ₂＝９５／５の重量比で示される複合チタン酸化合物を用いた。ＴｉＯ₂ ／Ｋ₂Ｏのモル比が２となる割合に混合した混合物を加熱溶融し、加熱溶融物を冷却して二チタン酸カリウム繊維からなる繊維塊を得、繊維塊を、洗液中で処理することにより、解繊しながら、繊維中のカリウム含有量が１３．０重量％になるまでＫ+ イオンを溶出した後、温度１０５０℃で焼成することにより平均長６５μｍ、平均繊維幅１３μｍの供試化合物を得た。
得られた粉末の走査型電子顕微鏡による顕微鏡写真を図６に示す。
得られた供試化合物は、表１中、化合物６として示している。

さらに、結晶質チタン酸化合物としてＫ₂Ｏ・６ＴｉＯ₂／ＣａＴｉＯ₃で示される複合チタン酸化合物を用いた。ＴｉＯ₂とＣａＯとＫ₂Ｏとをモル比１３：１：２で混合し、スプレードライヤーで造粒後１１５０℃で焼成することにより粉末を得た。
得られた粉末を走査型電子顕微鏡で観察し、その顕微鏡写真を図６に示す。また、Ｘ線回折により結晶相を調べ、蛍光Ｘ線分析により成分の定量を行なった結果、Ｋ₂Ｏ・６ＴｉＯ₂／ＣａＴｉＯ₃＝９０／１０（重量比）の原料組成にほぼ一致する組成で、平均粒径約４５μｍの球状の結晶質チタン酸アルカリ金属化合物であることを確認した。なお、平均粒径は、レーザ回折散乱式粒度分布測定による５０％累積度数分布粒子径(Ｄ５０値)により測定した。
得られた粉末の走査型電子顕微鏡による顕微鏡写真を図７に示す。
得られた供試化合物は、表１中、化合物７として示される。

また、上記において、Ｋ₂Ｏ・６ＴｉＯ₂／ＣａＴｉＯ₃＝６８／３２の重量比となるように六チタン酸カリウム(Ｋ₂Ｏ・６ＴｉＯ₂)とチタン酸カルシウム(ＣａＴｉＯ₃)の配合比を変えて、平均粒径約５μｍの供試化合物を得た。
得られた粉末の走査型電子顕微鏡による顕微鏡写真を図８に示す。
上記供試化合物は、表１中、化合物８として示している。

また、ＴｉＯ₂、Ｋ₂Ｏ及びＺｎＯをモル比４：１：１で混合し、１１００℃で焼成した後、粉砕することにより、チタン酸カリウム亜鉛を得た。
得られた粉末の走査型電子顕微鏡による顕微鏡写真を図９に示す。
上記供試化合物は、表１中、化合物９として示している。

[摩擦材の成形]
得られた供試化合物１〜９を、表２に示す要領にて、単独で又は所定量毎に配合することで、これら化合物を基材として含む摩擦材用原料として準備した。

なお、発明例１〜１２は、摩擦材用原料として、非晶質チタン酸アルカリ金属化合物と結晶質チタン酸化合物とを配合したもの、比較例１〜９は、摩擦材用原料として、非晶質チタン酸アルカリ金属化合物のみを使用したもの(比較例１〜３)、及び結晶質チタン酸化合物のみを使用したもの(比較例４〜９)である。

前記摩擦材用原料には、重量％にて、基材成分（非晶質チタン酸アルカリ金属化合物及び結晶質チタン酸化合物）２０％、ケブラーパルプ４％、銅繊維１７％、セラミックファイバー４％、ジルコニア２％、四三酸化鉄８％、グラファイト４％、白雲母５％、三硫化アンチモン２％、ゴム粉２％、ガシュウダスト２％、硫酸バリウム２０％、及び、有機材としてフェノール樹脂１０％を添加し、アイリッヒミキサーで３分間混合した後、予備成形(１６ＭＰａ、常温、２分)と、熱間成形(４０ＭＰａ、１７０℃、１０分、成形２回の徐圧によるガス抜き)を行なう。成形後、熱処理(２００℃、５時間)を施し、所定の寸法に切断し、研磨加工を施して、供試摩擦材(発明例１〜１２、比較例１〜９)を得た。

得られた供試摩擦材に対し、以下の摩擦試験を実施した。

[摩擦試験]
各供試摩擦材について、ＪＡＳＯＣ４０６「乗用車ブレーキ装置ダイナモメータ試験方法」に準拠した抗力試験(５０ｋｍ／ｈ、１００ｋｍ／ｈ及び１３０ｋｍ／ｈ)と、ＪＡＳＯＣ４２７「ブレーキライニング、パッド摩耗ダイナモメータ試験方法」に準拠した摩耗試験を行ない、第二効力摩擦係数(μ)、パッド摩耗量(ｍｍ)及びディスク摩耗量(μｍ)について、表２に示す結果を得た。なお、摩擦係数は、各速度における平均摩擦係数であり、パッド摩耗量及びディスク摩耗量は、制動１０００回当たりの平均摩耗量である。

表２を参照すると、発明例１〜１２（３及び７を除く）は、第二効力試験摩擦係数の差が、比較例１〜３に比して同等又は小さくなっている。これは、発明例が、摩擦材用原料として、結晶質チタン酸化合物を含有しているのに対し、参考例１〜３が、摩擦材用原料として、非晶質チタン酸アルカリ金属化合物のみを含有していることに起因する。摩擦材用原料として、結晶質維チタン酸化合物を含有することで、摩擦特性が向上し、高速域における摩擦係数が確保され、制動性、安定化が達成される。

また、パッド摩耗量及びディスク摩耗量について、発明例は、比較例４〜９に比して、比較的低い制動初速度に対応する温度域(１００℃)から、摩擦面の昇温を伴う高い制動初速度に対応する高温域(４００℃)に至るまで、パッド及びディスクの摩耗量が少なく、耐摩耗性にすぐれていることがわかる。これは、発明例が、摩擦用原料として、結晶質チタン酸化合物のみでなく、非晶質チタン酸アルカリ金属化合物を含有しているためであり、非晶質チタン酸アルカリ金属化合物と、結晶質チタン酸化合物とを好適に組み合わせることによって、低温域から高温域においてアルカリ成分の溶出が適正に制御され、摩擦界面に安定した流動層が形成されると共に、安定したトランスファーフィルムが形成されることで、パッドの摩耗が少なく、相手ディスクへの摩擦攻撃性を小さくできたことによるものである。

上記のように、本発明の摩擦材は、非晶質チタン酸アルカリ金属化合物と結晶質チタン酸化合物の両方を摩擦材用原料として含有することで、何れか一方のみを含有した場合に比して、併用配合比率から想定される効果以上のすぐれた摩擦摩耗特性を獲得できたことがわかる。

なお、非晶質チタン酸アルカリ金属化合物が摩擦材全体の２重量％を下回る発明例３においては、比較例４と同等にパッド及びディスクの摩耗量が、多くなっている。また、結晶質チタン酸化合物が摩擦材全体の２重量％を下回る発明例７においては、比較例３と同等に第二効力試験摩擦係数の差が、大きくなっていることがわかる。これは、発明例３及び７が、摩擦材全体に対して、非晶質チタン酸アルカリ金属化合物又は結晶質チタン酸化合物の含有量が少ないため、非晶質チタン酸アルカリ金属化合物と結晶質チタン酸化合物による上記相乗効果を十分に発揮できていないからである。従って、非晶質チタン酸アルカリ金属化合物と結晶質チタン酸化合物の何れの化合物とも摩擦材全体に対し、２重量％以上を占めることがより望ましい。

本発明は、低温域から高温域においてアルカリ成分の溶出が適正に制御され、摩擦界面に安定した流動層が形成されると共に、安定したトランスファーフィルムを形成することのできる非晶質複合チタン酸アルカリ金属化合物、結晶質チタン酸化合物、及び、有機結合材とを含有する摩擦材として好適である。

Claims

少なくとも一種の非晶質チタン酸アルカリ金属化合物と、少なくとも一種の結晶質チタン酸化合物と、有機結合材とを含有し、
非晶質チタン酸アルカリ金属化合物と結晶質チタン酸化合物は、合計量にて、摩擦材全体の４〜５０重量％であって、且つ何れの化合物とも少なくとも２重量％以上を占めていることを特徴とする摩擦材。
非晶質チタン酸アルカリ金属化合物は、一般式Ｍ₂Ｏ・ｎＴｉＯ₂（式中、Ｍはアルカリ金属元素の１種又は２種以上、ｎは１〜８の数）で表されるチタン酸アルカリ金属である請求項１に記載の摩擦材。
非晶質チタン酸アルカリ金属化合物は、一般式Ｍ₂Ｏ・ｎＴｉＯ₂（式中、Ｍはアルカリ金属元素の１種又は２種以上、ｎは１〜４の数）で表されるチタン酸アルカリ金属：６０〜９０重量％、ＳｉＯ₂：１０〜４０重量％の組成を有し、Ｍ₂Ｏ／ＳｉＯ₂≦２.５である非晶質複合チタン酸アルカリ金属化合物である請求項１に記載の摩擦材。
非晶質チタン酸アルカリ金属化合物は、一般式Ｍ₂Ｏ・ｎＴｉＯ₂（式中、Ｍはアルカリ金属元素の１種又は２種以上、ｎは１〜４の数）で表されるチタン酸アルカリ金属：６０重量％以上９０重量％未満、ＳｉＯ₂：１０重量％以上４０重量％未満、Ｂ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｐ、Ｃａ、Ｚｎ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ及びＢａからなる群から選択される少なくとも１種の元素の酸化物：０重量％を超えて２０重量％以下の組成を有し、Ｍ₂Ｏ／ＳｉＯ₂≦２.５である非晶質複合チタン酸アルカリ金属化合物である請求項１に記載の摩擦材。
結晶質チタン酸化合物は、一般式Ｍ₂Ｏ・ｎＴｉＯ₂（式中、Ｍはアルカリ金属元素の１種又は２種以上、ｎは６〜８の数）で表されるチタン酸アルカリ金属である請求項１に記載の摩擦材。
結晶質チタン酸化合物は、一般式ＲＯ・ＴｉＯ₂（式中、Ｒはアルカリ土類金属元素の１種又は２種以上）で表されるチタン酸アルカリ土類金属である請求項１に記載の摩擦材。
結晶質チタン酸化合物は、一般式Ｍ₂Ｏ・ｎＴｉＯ₂（式中、Ｍはアルカリ金属元素の１種又は２種以上、ｎは６〜８の数）で表されるチタン酸アルカリ金属結晶にチタニア結晶、又は／及び、一般式ＲＯ・ＴｉＯ₂（式中、Ｒはアルカリ土類金属元素の１種又は２種以上）で表されるチタン酸アルカリ土類金属結晶が分散混在した複合チタン酸化合物である請求項１に記載の摩擦材。
結晶質チタン酸化合物は、一般式Ｍ_xＡ_yＴｉ_2-yＯ₄（式中、ＭはＬｉを除くアルカリ金属、ＡはＬｉ、Ｍｇ、Ｚｎ，Ｆｅ，Ａｌからなる群から選択される少なくとも１種、ｘは０．１〜１．０、ｙは０．２〜１．０の数）で表されるチタン酸化合物である請求項１に記載の摩擦材。
非晶質チタン酸アルカリ金属化合物は、形状が、扁平状、繊維状、球状又は粉状である請求項１乃至請求項８の何れかに記載の摩擦材。
結晶質チタン酸化合物は、形状が、板状、球状、扁平状、繊維状又は粉状である請求項１乃至請求項９の何れかに記載の摩擦材。