JP5756103B2 - 摩擦材 - Google Patents

Description

本発明は、摩擦材に関するものであり、特に自動車、鉄道車両、産業機械などに用いられるディスクブレーキパッド、ブレーキライニング等の摩擦材に関するものである。

昨今の車両の高性能化、高速化に伴い、ブレーキの役割は益々過酷なものとなっている。
特許文献１は、繊維基材と、結合剤と、潤滑材と、その他の充填材とからなり、充填材としてピロリン酸カルシウムを摩擦材全体に対して４〜６ｖｏｌ％含有し、かつ氷晶石を摩擦材全体に対して３〜５ｖｏｌ％含有し、フェード時の摩擦係数を良好に保ちながら、高温域でのフェード後に加圧停止状態が維持されても、摩擦材の一部が剥離して相手材へ貼り付くことのない無石綿摩擦材を提案している。

日本国特開２００９−１３２８１６号公報

しかしながら、昨今の車両軽量化の動きの中で、高温高負荷フェード時のより摩擦係数低下を抑制した摩擦材が求められている。更に、フェード相当の熱履歴の直後、摩擦材が加圧状態にさらされるときにおける、摩擦材のディスクロータへの貼り付きは、摩擦材の偏摩耗や振動といった不具合を生じる事があり、貼り付き防止は重要である。

また、該車両軽量化の動きの中で、摩擦材の高温強度向上が早急に必要となってきている。
従来の摩擦材においては、その強度を高めるために補強フィラーが使用されてきたが、これらのフィラーの中でもウィスカー状フィラーは、環境衛生上好ましくない。ウィスカー状フィラーの代わりに板状や鱗片状フィラーが使用されているが、ウィスカー状フィラーを使用するのと比較し、高温高負荷において、摩擦材強度不足により摩耗増大やクラック、カケが発生し、ブレーキ機能を低下させる可能性がある。特に、ロータ温度４００℃以上の高温域で強度が十分に確保される摩擦材が望まれている。

本発明は、高温高負荷フェード時の摩擦係数低下を抑制し、且つ熱履歴直後のディスクロータへの貼り付きを抑制し、更に高温域での摩擦材強度を向上させた摩擦材を提供することを課題とする。

本発明は以下の摩擦材に関する。
〔１〕 繊維基材、結合材及び摩擦調整材を含む摩擦材であって、該摩擦調整材として、平均粒子径１０００〜３０００μｍの人造黒鉛と、複数の凸部を有する無機フィラーとを含む摩擦材。
〔２〕 前記摩擦調整材として、亜鉛粉をさらに含む、上記〔１〕に記載の摩擦材。
〔３〕 前記人造黒鉛の含有量は、摩擦材全体中において１〜９体積％であり、前記複数の凸部を有する無機フィラーの含有量は、摩擦材全体中において２〜３５体積％である、上記〔１〕又は〔２〕記載の摩擦材。
〔４〕 前記亜鉛粉の含有量は、摩擦材全体中において０．２〜３体積％である、上記〔２〕又は〔３〕に記載の摩擦材。
〔５〕 前記複数の凸部を有する無機フィラーは、硫酸バリウム、炭酸カルシウム、及びチタン酸カリウムからなる群より選ばれる少なくとも１つである、上記〔１〕〜〔４〕のいずれか１項に記載の摩擦材。

本発明によれば、高温高負荷フェード時の摩擦係数低下を抑制し、且つ熱履歴直後のディスクロータへの貼り付きを抑制し、ロータ温度４００℃以上の高温域での摩擦材強度を向上させるとともに同温度での摩擦材摩耗量を抑制することができる。

本発明に用いる複数の凸部を有する無機フィラーの例を説明するための投影図である。

本発明の摩擦材は、平均粒子径１０００〜３０００μｍの人造黒鉛と、複数の凸部を有する無機フィラーとを含むことを特徴とする。
本発明は、摩擦調整材の一部に上記特定サイズの人造黒鉛を用いることで、高温での潤滑効果及び生成した該成分の被膜がパッド表面を覆うことで摩擦材を保護し、高温高負荷フェード時のロータと摩擦材の界面状態が該成分の寄与により改善される。また、該摩擦調整材の一部として複数の凸部を有する無機フィラーを用いることで、主として高温域での摩擦材強度を向上させるために寄与し、該両成分により上記本発明の効果が発揮されるものと考えられる。この効果は、該両成分に加え、更に、亜鉛粉を併用すると更に改善される。
以下、本発明の摩擦材について、成分毎に記載する。

[摩擦調整材]
（人造黒鉛）
本発明に用いられる人造黒鉛は、平均粒子径が１０００〜３０００μｍであり、好ましくは、１０００〜２０００μｍであり、更に好ましくは、１０００〜１５００μｍである。ここで、平均粒子径が１０００μｍより小さいと、ロータへの接触面積が大きくなり、高温高負荷フェード時のパッドのロータへの貼り付きが発生する。平均粒子径が３０００μｍより大きいと、配合材料としての分散性が著しく悪化し、均一に配合できない。この平均粒子径は、レーザー回折式粒度分布計により測定される値である。なお、他の粉体の平均粒子径も同様である。
該人造黒鉛としては、コークス粉末等にピッチ等を混ぜ合わせたものを成型し、１０００〜１３００℃程度の仮焼成、３０００℃程度の黒鉛化工程を経て人工的に結晶を成長させた黒鉛等が挙げられるが、特にその製法は限定されない。該人造黒鉛のショア硬さは、１７〜２７が好ましい。該人造黒鉛の結晶構造は、六方晶が好ましい。
本発明に用いる人造黒鉛は、摩擦材全体中、１〜９体積％が好ましく、２〜６体積％が更に好ましい。ここで、１体積％より小さいと人造黒鉛の潤滑性能が不足し、摩擦材の摩耗量が大きくなる。９体積％を超えると潤滑性能が過剰となり、摩擦係数（効き）が下がってしまう。
本発明において人造黒鉛は、上記の内、特定の好ましい範囲を採用することにより本発明の効果、特に貼り付き防止及び制動特性をより有効に発揮させることができる。

（複数の凸部を有する無機フィラー）
本発明の摩擦材は、複数の凸部を有する無機フィラーを含む。複数の凸部を有する無機フィラーは、主として高温域での摩擦材強度を向上させた摩擦材を得るためにより有効であり、上記高温高負荷フェード時の摩擦係数低下の抑制並びに熱履歴直後のディスクロータへの貼り付き抑制を維持できる。この複数の凸部を有する無機フィラーを、以下「本願無機フィラー」ともいう。

本発明において、本願無機フィラーとは、粒子の３次元形状が複数の凸部を有することを意味する。ここで、複数の凸部を有するとは、本願無機フィラーの平面への投影形状が少なくとも通常の多角形、円、楕円等とは異なり２方向以上に凸部を有する形状を取りうるものであることを意味する。具体的にはこの凸部とは、光学乃至電子顕微鏡等による写真（投影図）に多角形、円、楕円等（基本図形）を当てはめ、それに対して突出した部分に対応する部分を言う。本願無機フィラー１の投影図としては、例えば、図１に記載のものが例示され、凸部は符号２で示される。本願無機フィラーの具体的３次元形状としては、ブーメラン状、十字架状、アメーバ状、種々の動植物の部分（例えば、手、角、葉等）又はその全体形状、あるいはそれらの類似形状、金平糖状、等が挙げられる。

本願無機フィラーの平均粒子径は、１〜５０μｍが好ましく、５〜２０μｍが更に好ましい。
本願無機フィラーとしては、硫酸バリウム、炭酸カルシウム、チタン酸カリウム等が挙げられる。例えば、国際公開第２００８／１２３０４６号に記載されるチタン酸カリウム等を使用することができる。
本願無機フィラーの製法は、本願無機フィラーが塩の場合、例えば、通常形状の無機フィラーを構成する原子の酸化物、塩等を物理的に粉砕し、次いで振動ミル等によりせん断応力を印加することにより、反応活性の高い混合物とし、これを焼成することにより、通常の形状のものとは異なる結晶構造に変化させることにより本願無機フィラーを製造すること等が挙げられる。

本願無機フィラーは、摩擦材全体中に２〜３５体積％含有することが好ましく、１０〜２０体積％含有することが更に好ましい。ここで、２体積％より小さいと、本願無機フィラーによる補強効果が望めず、３５体積％を超えると、パッドの圧縮変形量が小さくなり、振動特性が悪化する。

本願無機フィラーは、上記の内、特定の好ましい範囲を採用することにより本願発明の効果、特に機械的強度及び耐摩耗性をより有効に発揮させることができる。
本発明において、本願無機フィラーは、その凸部が結合材に対して投錨し、上記効果を発揮するのに寄与しているものと考えられる。なお、本願無機フィラーは、摩擦調整材の一部を構成する。

（亜鉛粉）
本発明に用いられる亜鉛粉は、平均粒子径が１〜２０μｍであることが好ましく、１〜１０μｍが、更に好ましく、２〜６μｍが特に好ましい。
該亜鉛粉としては、特にその製法は限定されない。
本発明に用いる亜鉛粉は、摩擦材全体中、０．２〜３体積％含有することが好ましく、０．２〜１．５体積％含有することが更に好ましい。ここで、０．２体積％より小さいと、亜鉛の保護膜がロータ表面にできないため、高温高負荷フェード時のパッドのロータへの貼り付きが発生する。３体積％を超えると、低融点金属である亜鉛のロータへの移着量が著しく増え、高温高負荷フェード時の摩擦係数（効き）が下がってしまう。
本発明において亜鉛粉は、上記の内、特定の好ましい範囲を採用することにより本願発明の効果、特に貼り付き防止及び制動特性をより有効に発揮させることができる。

（その他の摩擦調整材）
本発明に用いられる摩擦調整材としては、例えば、本願無機フィラー以外のアルミナ、シリカ、マグネシア、ジルコニア、酸化クロム、二酸化モリブデン、ケイ酸ジルコニウム等の金属酸化物、合成ゴム、カシュー樹脂等の有機物ダスト、銅、アルミニウム、錫等の金属、バーミキュライト、マイカ等の鉱物、本願無機フィラー以外の硫酸バリウム、チタン酸カリウム、炭酸カルシウム等の塩等を挙げることができ、単独または２種以上組み合わせて用いることができる。これらは、粉体等で用いられ、粒径等は種々選定される。

本発明において、摩擦調整材は、摩擦材全体中、通常、３０〜８０体積％、好ましくは、６０〜８０体積％用いられる。ここで、摩擦調整材は、本願人造黒鉛、亜鉛粉、及び本願無機フィラーを含む。

[繊維基材]
本発明に用いられる繊維基材としては、有機系でも無機系でもよい。例えば、有機系としては、芳香族ポリアミド（アラミド）繊維、ポリアクリル系繊維等が挙げられ、無機系としては、銅、スチール等の金属繊維、チタン酸カリウム繊維、Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系セラミック繊維、ガラス繊維、炭素繊維、ロックウール等が挙げられる。これらは各々単独、または２種以上組み合わせて用いられる。
本発明において、繊維基材は、摩擦材全体中、通常、２〜４０体積％、好ましくは、５〜２０体積％用いられる。

[結合材]
本発明に用いられる結合材としては、フェノール樹脂（ストレートフェノール樹脂、ゴム等による各種変性フェノール樹脂を含む）、メラミン樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂を挙げることができる。
本発明において、繊維基材は、摩擦材全体中、通常、１０〜３０体積％、好ましくは、１４〜２０体積％用いられる。

[摩擦材の製造]
本発明の摩擦材を製造するには、上記各成分を配合し、その配合物を通常の製法に従って予備成形し、熱成形、加熱、研摩等の処理を施すことにより製造することができる。
上記摩擦材を備えたブレーキパッドは、板金プレスにより所定の形状に成形され、脱脂処理及びプライマー処理が施され、そして接着剤が塗布されたプレッシャプレートと、上記摩擦材の予備成形体とを、熱成形工程において所定の温度及び圧力で熱成形して両部材を一体に固着し、アフタキュアを行い、最終的に仕上げ処理を施す工程により製造することができる。

以下、実施例により本発明を具体的に説明する。ただし、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。

＜参考例１〜４、実施例５〜１５、比較例１〜１１＞
表１〜３に示す組成（体積％）の摩擦材の配合材料を攪拌機にて均一に混合し、摩擦材混合物を得た。続いて摩擦材混合品を室温、圧力６ＭＰａで予備成形した後、温度１５０℃、圧力９ＭＰａで６．５分間加熱加圧成形し、次いで温度２５０℃、締め付け３９２０Ｎで３．５時間熱処理し、摩擦材を得た。得られた摩擦材を以下により評価した。なお、実施例７と実施例１４は同じ摩擦材である。
１）フェード１０制動目 摩擦係数、並びに貼り付き：
ダイナモ試験機でＪＡＳＯ Ｃ４０６の摺り合せと、第１フェードのみの組み合わせを実施し、摩擦係数とロータへの貼り付きの有無を目視で確認した。摺り合せ回数は２００回で設定し、フェード試験時の減速度９．８ｍ／ｓ^２、１０回目ロータファイナル温度が６５０℃となるように設定した。１０回目において、停止時に摩擦材への圧力１０ＭＰａを作用させたまま２分間保持し、圧力開放後ロータを回転させ、貼り付きについて確認した。評価は以下の通りである。
摩擦係数：摩擦係数の値が０．３０以上を○とした。
貼り付き：高温・高負荷制動により、摩擦材の一部がパッドからはがれ、ロータに貼り付いたかどうかを目視にて確認した。
２）４００℃せん断強度：
上記摩擦材のテストピース（３０×１０×厚み４．８ｍｍ）を作製し、ＪＩＳ Ｄ４４２２に準拠して実施した。
３）４００℃摩擦材摩耗量：
ＪＡＳＯ Ｃ４２７に準拠し、ダイナモ試験機で４００℃での摩耗試験を実施した。

なお、表中、チタン酸カリウム（本願）は、平均粒子径１０μｍの本願無機フィラーである（大塚化学株式会社製 商品名：ＴＥＲＲＡＣＥＳＳ ＪＰ）。また、チタン酸カリウム（板状）は、平均粒子径１０μｍの板状粒子であり、本願無機フィラーとは異なる。なお、人造黒鉛の粒度は、平均粒子径と同義である。また、上記摩擦調整材のうち、チタン酸カリウム（本願）以外は、本願無機フィラーではない。

上記表から、本願の平均粒子径を有する人造黒鉛を用いたものは、フェード１０制動目の摩擦係数が大きく、かつ貼り付きがなく、更に４００℃でのせん断強度が高くかつ摩擦材摩耗量が小さいことから、ロータ温度４００℃以上の高温域での強度を向上させることができるとともに耐久性にも優れることが分かる。また、実施例１３〜１５と比較例９〜１１の比較から、板状フィラーに代えて本願無機フィラーを人造黒鉛及び亜鉛粉と併用すると４００℃でのせん断強度及び摩擦材摩耗量が一層改善されることが分かる。

本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。本出願は２０１０年６月１８日出願の日本特許出願（特願２０１０−１３９５１７）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

本発明の摩擦材は、特に自動車、鉄道車両、産業機械などに用いられるディスクブレーキパッド、ブレーキライニング等の摩擦材として有用である。

１…複数の凸部を有する無機フィラー、２…凸部

Claims (2)

1. 繊維基材、結合材及び摩擦調整材を含む摩擦材であって、該摩擦調整材として、平均粒子径１０００〜３０００μｍの人造黒鉛と、複数の凸部を有する無機フィラーと、亜鉛粉とを含む摩擦材であって、
   前記人造黒鉛の含有量は、摩擦材全体中において１〜９体積％であり、
   前記複数の凸部を有する無機フィラーの含有量は、摩擦材全体中において２〜３５体積％であり、
   前記亜鉛粉の含有量は、摩擦材全体中において０．２〜３体積％である摩擦材。
2. 前記複数の凸部を有する無機フィラーは、硫酸バリウム、炭酸カルシウム、及びチタン酸カリウムからなる群より選ばれる少なくとも１つである、請求項１に記載の摩擦材。

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