JP6360270B1

JP6360270B1 - ブレーキ用焼結摩擦材

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Publication number: JP6360270B1
Application number: JP2018046328A
Authority: JP
Inventors: 星明寺尾; 雷太和田; 毅仲辻; 佳範品川
Original assignee: Sunstar Giken KK; JFE Precision Corp
Current assignee: Sunstar Giken KK; JFE Precision Corp
Priority date: 2017-03-14
Filing date: 2018-03-14
Publication date: 2018-07-18
Anticipated expiration: 2038-03-14
Also published as: EP3597718A1; EP3597718B1; US20200263750A1; US11635120B2; JP2018150532A; EP3597718A4; WO2018168968A1

Abstract

【課題】高い摩擦係数を有するとともに、高温域でも摩擦係数の低下が抑えられ、安定したブレーキ性能を維持できるブレーキ用焼結摩擦材を提供する。
【解決手段】
Ｎｉ又はＮｉ＋Ｆｅ（少量）を金属マトリックスとし、固体潤滑材（a）と摩擦調整材（b）を含有する焼結摩擦材であって、摩擦調整材（b）として、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、ＦｅＷの中から選ばれる１種以上からなる平均粒径が５０μｍ以上の金属又は合金粒子（b1）と、酸化物、窒化物、炭化物、金属間化合物の中から選ばれる１種以上からなる無機粒子（b2）を含有し、金属又は合金粒子（b1）の平均粒径ｄ_ｂ１と無機粒子（b2）の平均粒径ｄ_ｂ２がｄ_ｂ１＜ｄ_ｂ２を満足する。Ｎｉ又はＮｉ＋Ｆｅ（少量）の金属マトリックスに、摩擦調整材（b）として特定の条件を満足する金属又は合金粒子（b1）と無機粒子（b2）を分散させることにより、焼結摩擦材の塑性変形を抑制するのに適した粒子の幾何学構造（粒子の高充填密度構造）が得られる。
【選択図】なし

Description

本発明は、金属系のブレーキ用焼結摩擦材であって、特にレース用自動二輪車のブレーキ材に好適なブレーキ用摩擦材に関するものである。

金属や合金をマトリックスとする金属系摩擦材は、樹脂系摩擦材に比べて高温での耐熱性が高いため、レース用などの高速性能を有する自動車や自動二輪車などのブレーキ材（ブレーキパッド）として使用されている。
レース用の自動二輪車は、例えば２００ｋｍ／ｈｒ以上の速度から急な減速を行う必要があり、ブレーキパッドと相手材のＳＵＳ製ディスクとの摩擦熱によりパッド温度が５００℃にも達する。また、最近では３００ｋｍ／ｈｒ以上の速度からの急減速にも耐え得る高耐熱性ＳＵＳ材も商品化され、パッド温度は６５０℃程度にまで上昇することもある。このため、そのような高温となっても安定したブレーキ制動ができるブレーキパッドが要望されている。

一般に金属系摩擦材は、金属マトリックス中に摩擦調整材（金属酸化物、金属窒化物など）と固体潤滑材（黒鉛、ＣａＦ_２など）を分散させた焼結体からなるが、従来の金属系摩擦材は、金属マトリックスの一部又は主成分にＣｕを用いており、耐熱性や機械的強度を確保するために、Ｃｕを合金化して固溶強化、析出強化などにより合金強度を高めるようにしている（例えば、特許文献１〜３）。

特開２０００−３４５１４０号公報特開２０００−３４５１４１号公報特許第２５１６４１４号公報

伊藤、外２名、「２成分粒子群のランダム充てんモデルによる充てん密度の解析」、日本金属学会誌、１９８６年、第５０巻、第５号、p.４７５−４７９

しかし、金属マトリックスがＣｕ合金からなる従来の金属系摩擦材は、温度上昇に伴い耐力、強度ともに直線的に低下し、４００〜５００℃ではさらに大きく低下する。このため、この金属系摩擦材を用いたブレーキパッドは、３００℃程度までは大きな摩擦係数の変化が見られず安定しているが、それ以上の温度になると急激に摩擦係数が低下し、ブレーキの制動が劣化するという問題がある。
また、特許文献３の金属系摩擦材は、Ｃｕ合金からなる金属マトリックスに対して、モース硬度４以上の金属酸化物とＦｅＷやＦｅＭｏなどの合金鉄を含有させ、耐摩耗性と摩擦係数の改善を図っているが、この金属系摩擦材でも高温域での摩擦係数の低下を十分に抑えることはできない。

したがって本発明の目的は、以上のような従来技術の課題を解決し、高い摩擦係数を有するとともに、３００℃を超えるような高温域でも摩擦係数の低下が抑えられ、安定したブレーキ性能を維持することができるブレーキ用焼結摩擦材を提供することにある。

本発明者らは、金属系摩擦材の上記課題を解決するために検討を重ねた結果、（i）Ｎｉ又はＮｉに少量のＦｅを加えた金属マトリックスに対して、特定の金属粒子と無機粒子からなる摩擦調整材であって、金属粒子と無機粒子の粒度を最適化した摩擦調整材を分散させることにより、高い摩擦係数が得られるとともに、高温域でも摩擦係数の低下が抑えられ、安定したブレーキ性能を維持できること、（ii）さらに、摩擦調整材と固体潤滑材の粒度をともに最適化することにより、摩擦係数の高温安定性をさらに高めることができること、を見出した。

本発明は、以上のような知見に基づきなされたもので、以下を要旨とするものである。
［1］Ｎｉ又はＮｉと１０vol%未満のＦｅを金属マトリックスとし、固体潤滑材（a）と摩擦調整材（b）を含有する焼結摩擦材であって、摩擦調整材（b）として、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、ＦｅＷの中から選ばれる１種以上からなる平均粒径が５０μｍ以上の金属又は合金粒子（b1）と、酸化物、窒化物、炭化物、金属間化合物の中から選ばれる１種以上からなる無機粒子（b2）を含有し、金属又は合金粒子（b1）の平均粒径ｄ_ｂ１と無機粒子（b2）の平均粒径ｄ_ｂ２がｄ_ｂ１＜ｄ_ｂ２であることを特徴とするブレーキ用焼結摩擦材。
［2］上記［1］のブレーキ用焼結摩擦材において、無機粒子（b2）として、平均粒径が異なる２種以上の無機粒子を含有することを特徴とするブレーキ用焼結摩擦材。

［3］上記［1］又は［2］のブレーキ用焼結摩擦材において、摩擦調整材（b）を２０〜５０vol％含有するとともに、摩擦調整材（b）を構成する金属又は合金粒子（b1）を１vol%以上含有することを特徴とするブレーキ用焼結摩擦材。
［4］上記［1］〜［3］のいずれかのブレーキ用焼結摩擦材において、固体潤滑材（a）が黒鉛又は黒鉛とＣａＦ_２からなり、黒鉛の平均粒径ｄ_ｃ（但し、平均粒径が異なる２種以上の黒鉛を含む場合には、平均粒径が最も大きい黒鉛の平均粒径）が１００〜９００μｍであり、黒鉛の平均粒径ｄ_ｃ（但し、平均粒径が異なる２種以上の黒鉛を含む場合には、平均粒径が最も大きい黒鉛の平均粒径）と無機粒子（b2）の平均粒径ｄ_ｂ２（但し、平均粒径が異なる２種以上の無機粒子（b2）を含む場合には、平均粒径が最も大きい無機粒子（b2）の平均粒径）がｄ_ｃ／ｄ_ｂ２≦１．３を満足し、固体潤滑材（a）を３０〜５０vol％含有することを特徴とするブレーキ用焼結摩擦材。

［5］上記［1］〜［4］のいずれかのブレーキ用焼結摩擦材において、金属又は合金粒子（b1）が１種又は平均粒径が異なる２種以上の粒子群からなり、無機粒子（b2）が１種又は平均粒径が異なる２種以上の粒子群からなり、固体潤滑材（a）が１種又は平均粒径が異なる２種以上の粒子群からなる場合において、前記粒子群のうちの平均粒径が２００μｍ以上の粒子群の合計体積ｖ_Ｌと、金属又は合金粒子（b1）、無機粒子（b2）及び固体潤滑材（a）の合計体積ｖとの体積比ｖ_Ｌ／ｖが０．５〜０．９であることを特徴とするブレーキ用焼結摩擦材。
［6］上記［1］〜［5］のいずれかのブレーキ用焼結摩擦材において、摩擦調整材（b）を構成する無機粒子（b2）はモース硬度が９未満であることを特徴とするブレーキ用焼結摩擦材。
［7］上記［1］〜［6］のいずれかに記載の焼結摩擦材を備えることを特徴とするブレーキパッド。

本発明のブレーキ用焼結摩擦材は、高い摩擦係数を有するとともに、３００℃を超えるような高温域でも摩擦係数の低下が抑えられ、安定したブレーキ性能を維持することができる高温安定性を有する。

本発明の焼結摩擦材は、Ｎｉ（残部は不可避不純物）又はＮｉと１０vol％未満のＦｅ（残部は不可避不純物）を金属マトリックスとし、固体潤滑材（a）と摩擦調整材（b）を含有する焼結体（固相焼結体）である。
本発明の焼結摩擦材の基本的な特徴は、（i）金属マトリックスがＮｉ又はＮｉ＋Ｆｅ（少量）からなること、（ii）摩擦調整材（b）として特定の条件を満足する金属粒子（b1）と無機粒子（b2）を含有すること、の組み合わせによって、高い摩擦係数を有するとともに、高温でも摩擦係数の低下が抑えられる高温安定性を有することにある。

さきに述べたように、従来の金属系摩擦材は、金属マトリックスの一部又は主成分にＣｕを用いており、耐熱性や機械的強度を確保するために、Ｃｕを合金化して固溶強化、析出強化などにより合金強度を高めるようにしている。例えば、特許文献１〜３の金属系摩擦材では、金属マトリックスの合金元素として、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｎｉ、Ｗ、Ｆｅなどを添加し、固溶強化や析出強化などによる金属マトリックスの強化を図っている。しかし、金属マトリックスがＣｕ合金からなる金属系摩擦材は、３００℃を超えるような高温域では耐力、強度の低下により摩擦係数が急激に低下し、ブレーキ性能が低下してしまう。

レース用の自動二輪車ではブレーキパッド温度が６５０℃程度にまで上昇することがあるので、それに適用される金属系摩擦材は、６５０℃程度の高温まで摩擦係数の低下が抑えられ、ブレーキ性能を維持できることが求められる。そのためには、金属マトリックスが摩擦調整材や固体潤滑材をしっかりと固定できることが重要であり、金属マトリックスがそのような機能を有するためには、耐熱性が高く、高温でも強度が低下しにくく、硬さはむしろ低い方が好ましい。このような条件を満たす金属マトリックスとして、本発明ではＮｉ又は少量のＦｅを配合したＮｉを用いる。Ｎｉは耐酸化性が高く、強度も６５０℃程度までは常温からの低下割合がＣｕ合金よりも少ない。しかも、硬さはビッカース硬度で１００程度と非常に軟らかく延性が高い。このためＮｉはブレーキパッド温度が上昇しても、強度、硬さの変化が少なく、しかも安定した酸化膜形成により相手材のＳＵＳ製ディスクとの凝着が生じにくい。また、Ｎｉは軟らかく塑性加工性（塑性変形能）が高いことから、摩耗が進んでも摩擦調整材や固体潤滑材との隙間の発生を抑制でき、それらの材料を固着することができる。以上の点から、Ｎｉからなる金属マトリックスは、摩擦調整材や固体潤滑材の粒子と高い密着性を維持することができる。

また、Ｆｅも軟らかく塑性加工性があり、Ｃｕよりも耐熱性が高く、また、Ｎｉよりも剛性及び耐熱性が高いため、純Ｎｉの一部をＦｅで置換することにより、摩擦係数の高温安定性をより高めることができる。しかし、ＦｅはＮｉよりも酸化しやすく、酸化すると金属マトリックスの延性が低下するため、摩擦調整材や固体潤滑材が脱落しやすくなる。Ｆｅの置換割合が１０vol％以上になると、そのような問題が顕在化するおそれがあり、また、相手材との凝着が生じやすく、高温での機械的性質の低下を招くおそれがあるので、金属マトリックスがＦｅを含む場合には、Ｆｅの含有量を１０vol％未満、好ましくは３vol％未満とする。

ここで、軟らかい金属（Ｎｉ又は少量のＦｅを配合したＮｉ）からなる金属マトリックスは、数μｍ程度の細かい粉末を固相焼結することで形成されるが、この固相焼結体は全体で５〜３０vol％程度の空孔を有しており、その空孔と軟らかい金属は、相手材との接触で圧縮応力が作用した時に緩衝材の役割を果たし、相手材との接触面積を増加させて摩擦係数を増加させる作用が得られる。
金属マトリックスに用いるＮｉ、Ｆｅは、塑性変形能が高い金属マトリックスとするために、ともに粒径が１０μｍ以下のものが適当である。

固体潤滑材（a）は相手材のＳＵＳ製ディスクとの間で潤滑膜を形成して焼結摩擦材の摩耗を抑えるとともに、焼結摩擦材を定常摩耗させる働きをする。固体潤滑材（a）としては、例えば、黒鉛、二硫化モリブデン、窒化ホウ素、ＣａＦ_２、ＢａＦ_２、フッ化黒鉛などが挙げられ、これらの１種以上を用いることができるが、これらのなかでも黒鉛が好ましい。また、ＣａＦ_２は高温域まで安定した潤滑性能を示すため、高温での潤滑性能を高めるという観点からは、黒鉛とともに適量のＣａＦ_２を用いることが好ましい。なお、黒鉛は人工黒鉛、天然黒鉛のいずれを用いてもよい。

摩擦調整材（b）は、（i）高温下での金属マトリックスの降伏応力の低下による焼結摩擦材の塑性変形を抑えること、（ii）相手材である高硬度のＳＵＳ製ディスクに対応した焼結摩擦材の剛性を確保すること、（iii）高温下でも焼結摩擦材を定常摩耗させること、などを目的として焼結摩擦材に含有させるものである。
摩擦調整材（b）は、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、ＦｅＷ（フェロタングステン）の中から選ばれる１種以上からなる平均粒径が５０μｍ以上の金属又は合金粒子（b1）（以下、説明の便宜上「金属粒子（b1）」という。）と、酸化物、窒化物、炭化物、金属間化合物の中から選ばれる１種以上からなる無機粒子（b2）を含有し、金属粒子（b1）と無機粒子（b2）が異なる平均粒径を有するものとする。特に、金属粒子（b1）の平均粒径ｄ_ｂ１と無機粒子（b2）の平均粒径ｄ_ｂ２はｄ_ｂ１＜ｄ_ｂ２であることが好ましく、さらに、無機粒子（b2）として、平均粒径が異なる２種以上の無機粒子を含有することが好ましい。

従来の金属系摩擦材には、金属マトリックスとして、主成分のＣｕに対して少量のＷやＭｏを添加したものがあるが、このように金属マトリックスとして含まれるＷやＭｏは、粒径が数μｍ程度の非常に細かい金属粒子であり、このような細かいＷやＭｏを配合することで金属マトリックス（Ｃｕ合金）の析出強化を図っている。これに対して、本発明において摩擦調整材（b）として含まれる金属粒子（b1）（Ｗ、Ｍｏなどの金属粒子、ＦｅＷ粒子の１種以上）は、平均粒径が５０μｍ以上の粗粒であり、これとは異なる平均粒径を有する無機粒子（b2）と協働して、高温下での焼結摩擦材の塑性変形を効果的に抑える働きをする。その作用の詳細ついては後述する。

金属粒子（b1）がＦｅＷ（フェロタングステン）からなる場合、そのＷ含有量に特別な制限はないが、高い比重のＦｅＷ粒子とするには、Ｗ含有量は７０〜８５質量％程度が好ましい。
金属粒子（b1）であるＷ、Ｍｏ、Ｃｒは比重の高い金属（Ｗ：１９．３、Ｍｏ：１０．２、Ｃｒ：７．２）であり、また、ＦｅＷも比重の高い合金（例えば、Ｗ含有量７８質量％で約１７．４）であり、このような高比重で粗粒（平均粒径５０μｍ以上）の金属粒子（b1）は、金属マトリックスに対する密着性が高く（脱落しにくい）、且つ焼結摩擦材の塑性変形を抑制する機能が高い。一般に広く使用されているＷ、Ｍｏの粉末は数μｍ程度（従来の金属系摩擦材に金属マトリックスの一部として添加されているＷやＭｏもこれに相当する）の粒径であり、本発明で金属粒子（b1）として使用する粗粒のＷ、Ｍｏは、特殊な粒径のものであると言える。ここで、金属粒子（b1）には、金属粉や合金粉を凝集させたものを焼結して粗粒としたようなものも含まれる。

本発明の焼結摩擦材において摩擦調整材（b）の一部として含まれる高比重で粗粒の金属粒子（b1）は、以下のような摩擦調整材としての機能・特性を有する。
（1）金属粒子（合金粒子を含む。以下同様。）からなる摩擦調整材は、金属マトリックスとの間で接合・拡散を生じやすく、特に高温時における密着性が高いため、脱落しにくい。
（2）無機粒子は角張った不規則な形状をしている場合も多く、金属マトリックスとの間で隙間を生じやすく、さらに金属マトリックスに対する密着性が劣る傾向があるためより脱落しやすい。これに対して、金属粒子は凹凸の大きな不規則の形状であっても無機粒子に較べて金属マトリックスに対する密着性が高く、この面からも脱落しにくい。
（3）高比重（特にＷ、ＦｅＷは高比重）で粗粒であるためアンカー効果が高く、焼結摩擦材の塑性変形の抑制作用が高い。

ここで、金属粒子（b1）の平均粒径が５０μｍ未満では、高比重で粗粒の金属粒子による焼結摩擦材の塑性変形抑制効果が低下するとともに、無機粒子（b2）の平均粒径との差が大きくなり過ぎるため、金属粒子（b1）と無機粒子（b2）（さらには固体潤滑材（a））で構成される幾何学構造（粒子の高充填密度構造）による塑性変形抑制効果も低下する。さらに、金属マトリックスを析出硬化させる作用が働き、本発明の特徴である「耐熱性が高いが軟らかく塑性加工性の高い金属マトリクス」が得られない。

無機粒子（b2）である酸化物、窒化物、炭化物（通常、これらは金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物である）、金属間化合物としては、例えば、アルミナ、シリカ、ムライト、珪酸ジルコニウム、窒化珪素、炭化珪素、チタンボライド、窒化チタン、Ｔｉ_３Ａｌ、Ｆｅ_３Ａｌ、ガラス、酸化鉄などが挙げられ、これらの１種以上を用いることができる。
ここで、金属粒子（b1）と無機粒子（b2）（さらには固体潤滑材（a））で構成される幾何学構造（粒子の高充填密度構造）による焼結摩擦材の塑性変形抑制効果を高めるには、金属粒子（b1）の平均粒径ｄ_ｂ１と無機粒子（b2）の平均粒径ｄ_ｂ２はｄ_ｂ１＜ｄ_ｂ２であることが好ましく、さらに、無機粒子（b2）として、平均粒径が異なる２種以上の無機粒子、望ましくは３種以上の無機粒子を含有することが好ましい。また、同様の理由で、無機粒子（b2）の平均粒径は１００μｍ以上であることが好ましい。

また、金属マトリックス中に分散する無機粒子（b2）の硬度が高いと、焼結摩擦材（ブレーキパッド）の偏摩耗を生じやすいので、焼結摩擦材の偏摩耗を防止する観点からは、無機粒子（b2）はモース硬度が９未満のものが好ましい。
すなわち、無機粒子（b2）が硬い（モース硬度９以上）と粒子が砕けにくいため、ブレーキパッドの使用時に砕けることなく粒子ごと脱落してしまい、焼結摩擦材（ブレーキパッド）の偏摩耗を生じやすい。この点、アルミナ、窒化珪素、炭化珪素、チタンボライド、窒化チタンは特に硬いため、焼結摩擦材の偏摩耗を抑えるという観点からは不向きな粒子である。これに対してモース硬度が９未満の粒子は、ブレーキパッドの使用時に徐々に砕けて摩擦面から逃げるため、砕ける前に粒子ごと脱落してしまうようなことがなく、焼結摩擦材（ブレーキパッド）の偏摩耗が生じにくい。
モース硬度が９未満の無機粒子（b2）としては、例えば、シリカ、珪酸ジルコニウム、ムライト、ガラス、酸化鉄などが挙げられ、これらの１種以上を用いることができる。

本発明の焼結摩擦材において、Ｎｉ又はＮｉ＋Ｆｅ（少量）からなる金属マトリックスに、摩擦調整材（b）として、特定の条件を満足する金属粒子（b1）と無機粒子（b2）を分散させることにより、以下のような作用効果が得られる。
高比重で粗粒（平均粒径５０μｍ以上）の金属粒子（b1）には上記（1）〜（3）のような機能・特性があるが、このような粗粒の金属粒子（b1）と、これとは平均粒径が異なる粗粒の無機粒子（b2）（好ましくは金属粒子（b1）よりも平均粒径が大きい無機粒子（b2））を複合添加することにより、焼結摩擦材の塑性変形を抑制するのに好適な幾何学構造（粒子の高充填密度構造）が得られる。すなわち、異なる平均粒径を有する金属粒子（b1）と無機粒子（b2）からなる摩擦調整材（b）は比較的広い粒度分布を持つため、金属マトリックス中で高い充填密度が得られ、その結果、焼結摩擦材の塑性変形を抑制する効果が高まり、高い摩擦係数を有するとともに、高温でも摩擦係数の低下が抑えられる高温安定性を有する焼結摩擦材が得られることになる。また、金属粒子（b1）の平均粒径ｄ_ｂ１と無機粒子（b2）の平均粒径ｄ_ｂ２がｄ_ｂ１＜ｄ_ｂ２である場合、さらには、無機粒子（b2）として、平均粒径が異なる２種以上の無機粒子（望ましくは３種以上の無機粒子）を含有する場合には、その効果がより高まることになる。

すなわち、焼結摩擦材の剛性は、金属粒子（b1）と無機粒子（b2）からなる摩擦調整材（b）による幾何学的構造により支え、その摩擦調整材（b）と脆い固体潤滑材（a）を軟らかい金属マトリックスで固着する。また、固体潤滑材（a）と摩擦調整材（b）はともに６５０℃程度の高温に耐え得る耐熱性を有するので、これら耐熱性のある粒子で構成される幾何学構造（粒子の高充填密度構造）と耐熱性の高いＮｉ又はＮｉ＋Ｆｅ（少量）からなる金属マトリックスの固着により、高い耐熱性及び焼結摩擦材全体の剛性と強度が確保される。焼結摩擦材の相手材との接触面では、数μｍ程度の細かい粉末を固相焼結し、空孔を有する軟らかい金属マトリックスが相手材との接触で圧縮応力が作用した時に緩衝材の役目を果たし、かつ金属マトリックスの高い塑性変形能により、高い摩擦力が作用する中で摩擦調整材（b）と固体潤滑材（a）との隙間の発生を防ぎ、強く固着することにより、それらの脱落を防止し、安定した高い摩擦係数が得られ、かつ磨耗量を低減する。
なお、金属マトリックスを構成するＦｅは、粉末冶金で一般的に使用される、アトマイズ鉄粉や還元鉄粉のような大きな粒子ではなく、カーボニル鉄のような粒径１０μｍ以下（通常数μｍ）の粒子でないと、上述したような金属マトリックスの機能を十分に果たさない。

以下、本発明の好ましい条件について説明する。
まず、金属粒子（b1）と無機粒子（b2）のより好ましい粒度条件としては、金属粒子（b1）の平均粒径を５０〜１５０μｍ、無機粒子（b2）の平均粒径を１００〜７００μｍとし、金属粒子（b1）の平均粒径ｄ_ｂ１と無機粒子（b2）の平均粒径ｄ_ｂ２をｄ_ｂ１＜ｄ_ｂ２とすることが好ましく、これにより、焼結摩擦材の塑性変形を抑制する効果をさらに高めることができる。すなわち、平均粒径に適度な差がある金属粒子（b1）と無機粒子（b2）からなる摩擦調整材（b）は広い粒度分布を持つため、金属マトリックス中で特に高い充填密度が得られ、その結果、焼結摩擦材の塑性変形を抑制する効果がより高まる。これにより、より高い摩擦係数が得られるとともに、摩擦係数の高温安定性も高まる。
なお、金属粒子（b1）の平均粒径が１５０μｍを超えると無機粒子（b2）の平均粒径との差が小さくなるため、また、無機粒子（b2）の平均粒径が７００μｍを超えると金属粒子（b1）の平均粒径との差が大きくなるため、いずれの場合も金属粒子（b1）と無機粒子（b2）（さらには固体潤滑材（a））で構成される幾何学構造（粒子の高充填密度構造）による焼結摩擦材の塑性変形抑制効果が低下するおそれがある。

焼結摩擦材中での金属マトリックスの含有量は２０〜４０vol％程度が好ましい。金属マトリックスは、摩擦調整材（b）や固体潤滑材（a）による幾何学構造をしっかり固定する最低限の量が必要であるため、その含有量は２０vol％以上が好ましい。特にＮｉ又はＮｉ＋Ｆｅ（少量）の金属マトリックスは塑性変形能が高く、Ｃｕ合金などに較べて摩擦調整材や固体潤滑材を固定しやすい特性があるが、このような特性を活かすためにも２０vol％以上の含有量とすることが好ましい。一方、金属マトリックスの含有量が多すぎると、焼結摩擦材の剛性が低下して摩擦量が増加するので、その含有量は４０vol％以下が好ましい。

焼結摩擦材中での固体潤滑材（a）の含有量は３０〜５０vol％程度が好ましい。固体潤滑材（a）の含有量が３０vol％未満では潤滑効果が不十分となるおそれがあり、一方、含有量が５０vol％を超えると、焼結摩擦材の強度や剛性が低下するおそれがある。また、固体潤滑材（a）が黒鉛とＣａＦ_２からなる場合は、ＣａＦ_２の含有量は３〜１０vol％程度が好ましい。ＣａＦ_２の含有量が３vol％未満では、ＣａＦ_２の添加効果が十分に得られず、一方、含有量が１０vol％を超えると、焼結摩擦材の強度や剛性が低下するおそれがある。

焼結摩擦材中での摩擦調整材（b）の含有量は２０〜５０vol％程度とすることが好ましい。摩擦調整材（b）の含有量が２０vol％未満では、さきに述べたような摩擦調整材による効果が十分に得られないおそれがある。一方、摩擦調整材（b）の含有量が５０vol％を超えると、金属マトリックスの割合が少なくなり、金属マトリックスにより固体潤滑材（a）や摩擦調整材（b）を固定する作用が低下するおそれがある。
また、摩擦調整材（b）を構成する金属粒子（b1）の含有量は１vol％以上とすることが好ましい。金属粒子（b1）の含有量が１vol％未満では、金属粒子（b1）を配合することによる効果や、金属粒子（b1）と無機粒子（b2）を複合添加することによる効果が十分に得られないおそれがある。一方、金属粒子（b1）の含有量が多すぎると無機粒子（b2）の割合が少なくなり、焼結摩擦材の剛性や硬さが低下するおそれがあるので、金属粒子（b1）と無機粒子（b2）の含有量は、金属粒子（b1）＜無機粒子（b2）であることが好ましい。

また、固体潤滑材（a）が黒鉛又は黒鉛＋ＣａＦ_２からなる場合、黒鉛の平均粒径と、黒鉛と無機粒子（b2）の平均粒径の関係を最適化することが好ましい。すなわち、黒鉛は他の成分（摩擦調整材など）と較べて比重が小さいため、粒度が小さいと他の成分と混合する際に飛散して偏析を起こしやすく、また、混合中に砕けて細かくなっていくことから、安定成分組織を形成するために、黒鉛は粒径が１００μｍ以上（好ましくは数百μｍ程度）のものを使用することが好ましい。また、そのような粒径が大きい黒鉛の方が潤滑性能にも優れるので好ましい。しかし、強度が低い黒鉛でそのような粒径の大きいものを用いる場合、それに見合う大きさの摩擦調整材を用いないと、黒鉛が砕けやすくなり、安定した潤滑性能が得られないおそれがあり、また、固体潤滑材（a）と摩擦調整材（b）による剛性の高い幾何学構造（粒子の高充填密度構造）が十分に機能しないおそれがある。

このため、黒鉛の平均粒径ｄ_ｃ（但し、平均粒径が異なる２種以上の黒鉛を含む場合には、平均粒径が最も大きい黒鉛の平均粒径）を１００〜９００μｍとするとともに、黒鉛の平均粒径ｄ_ｃ（但し、平均粒径が異なる２種以上の黒鉛を含む場合には、平均粒径が最も大きい黒鉛の平均粒径）と無機粒子（b2）の平均粒径ｄ_ｂ２（但し、平均粒径が異なる２種以上の無機粒子（b2）を含む場合には、平均粒径が最も大きい無機粒子（b2）の平均粒径）がｄ_ｃ／ｄ_ｂ２≦１．３を満足することが好ましい。なお、黒鉛の平均粒径が９００μｍを超えると、金属マトリックスによる黒鉛の保持が難しくなるので、焼結摩擦材の性能が低下しやすい。

また、粒度が異なる２つの粒子群（粉末）を特定の割合で配合することにより、粉末の充填性が向上することが知られている（例えば、非特許文献１）。この場合、粒径が大きい方の粒子群の体積ｖ_０と２つの粒子群の合計体積ｖ_ｔの比ｖ_０／ｖ_ｔが約０．７２のときに充填密度が最も高くなるとされている。したがって、高い剛性を有し、摩擦係数が高く且つ摩擦係数の高温安定性を有する焼結摩擦材を得るには、固体潤滑材（a）と摩擦調整材（b）を配合するに当たって、そのような異なる平均粒径をもつ粉末群（粉末）の組み合わせにより、粒子の高い充填密度を実現することが好ましい。このため、金属粒子（b1）が１種又は平均粒径が異なる２種以上の粒子群（粉末）からなり、無機粒子（b2）が１種又は平均粒径が異なる２種以上の粒子群（粉末）からなり、固体潤滑材（a）が１種又は平均粒径が異なる２種以上の粒子群（粉末）からなる場合において、前記粒子群（粉末）のうちの平均粒径が２００μｍ以上の粒子群（粉末）の合計体積ｖ_Ｌと、金属粒子（b1）、無機粒子（b2）及び固体潤滑材（a）の合計体積ｖとの体積比ｖ_Ｌ／ｖを０．５〜０．９とすることが好ましく、０．６〜０．９とすることがより好ましい。

本発明において、固体潤滑材（a）、金属粒子（b1）、無機粒子（b2）の平均粒径は、以下のようにして求める。すなわち、焼結摩耗材の断面（任意の位置）を電子顕微鏡で拡大観察（視野２ｍｍ×２．５ｍｍ、倍率約５０倍）し、その観察画像に写っている各成分粒子についてそれぞれ２０サンプルを任意で選び（１視野で２０サンプルが抽出できない場合は２視野を観察する）、各サンプルの粒子長径を測定し、２０サンプルの平均値をもって平均粒径とする。
また、本発明において、金属粒子（b1）として平均粒径が異なる２種以上の金属粒子を用いる場合、特に断わりがない限り、金属粒子（b1）の平均粒径は、各金属粒子の平均粒径をその体積に応じて加重平均した平均粒子径とする。同様に、無機粒子（b2）として平均粒径が異なる２種以上の無機粒子を用いる場合、特に断わりがない限り、無機粒子（b2）の平均粒径は、各無機粒子の平均粒径をその体積に応じて加重平均した平均粒子径とする。
本発明のブレーキ用焼結摩擦材は、ブレーキパッドに適用されるものであるが、特にレース用自動二輪車のブレーキ材に好適である。

本発明の焼結摩擦材は、例えば、以下のようにして製造することができる。すなわち、金属マトリックス用の金属粉末（Ｎｉ粉末又はＮｉ粉末＋Ｆｅ粉末）、固体潤滑材（a）の粉末、摩擦調整材（b）（金属粒子（b1）及び無機粒子（b2））の粉末を配合して混合機で混合し、その混合粉を２００〜６００ＭＰａ程度の圧力で所定形状に成形した後、その成形体をＣｕメッキした鋼板（芯材）の上に載せ、還元性雰囲気中で圧力５〜２０ＭＰａ、温度７００〜１１００℃で２０〜２４０分程度焼結（固相焼結）し、さらに必要に応じてその焼結体に平面研削などの加工を施し、ブレーキパッドなどに適用される焼結摩擦材が得られる。

表１、表３、表５に示す各成分の粉体を混合機で混合し、この混合粉を３８０ＭＰａの圧力で所定形状に成形した後、その成形体をＣｕメッキした鋼板（芯材）の上に載せ、還元性雰囲気中で圧力８．４ＭＰａ、温度９００℃の条件下で６０分間焼結して、本発明例及び比較例の焼結摩擦材を得た。比較例は、本発明の金属粒子（b1）に相当する摩擦調整材を含有しない焼結摩擦材である。なお、表１、表３、表５には、焼結摩擦材を構成する各成分の配合量（vol％）と、焼結摩擦材の空孔率（vol％）を示してあるが、当然、各成分の配合量は空孔を除いた焼結摩擦材の体積中での割合である。

ブレーキパッドに加工した各焼結摩擦材を制動試験に供した。すなわち、ステンレス鋼を相手材として、十分なすり合わせ後（ブレーキ初速６５ｋｍ／ｈ、ブレーキ終速０ｋｍ／ｈ、イナーシャ１９．６ｋｇｍ^２、減速度３ｍ／ｓ^２、ブレーキ前パッド温度１２０℃、ブレーキ回数１００回）、ブレーキ初速１６２ｋｍ／ｈ、ブレーキ終速５０ｋｍ／ｈの制動試験を行い、摩擦係数及び試験後の摩耗量を測定した。試験条件は、ディスク有効径を３１０ｍｍとし、パッド形状は長さ７０ｍｍ、幅３０．５ｍｍ、面積２０．６ｃｍ^２とした。また、イナーシャ１９．６ｋｇｍ^２、減速度４．６ｍ／ｓ^２、ブレーキ前パッド温度１００℃、２００℃、３００℃、４００℃、５００℃、ブレーキ回数５０回とした。平均摩擦係数はブレーキ回数４０〜５０回の平均値を採用した。パッド磨耗は摺り合わせを含めた試験後の値を採用した。その試験結果を表２、表４、表６に示す。

表２、表４、表６に示されるように、発明例は比較例に較べて、高温での摩擦係数の低下量と低下率が小さく、摩擦係数の高温安定性に優れており、また、偏摩耗も大幅に抑えられている。なお、発明例３は、金属マトリックスがＦｅを含まないため、発明例１、２に較べて摩擦係数の高温安定性が低くなっている。また、発明例２は黒鉛の平均粒径が８００μｍで、ｄ_ｃ／ｄ_ｂ２≦２．０であるため、発明例１に較べて摩擦係数の高温安定性が若干低くなっている。

Claims

Ｎｉ又はＮｉと１０vol%未満のＦｅを金属マトリックスとし、固体潤滑材（a）と摩擦調整材（b）を含有する焼結摩擦材であって、
摩擦調整材（b）として、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、ＦｅＷの中から選ばれる１種以上からなる平均粒径が５０μｍ以上の金属又は合金粒子（b1）と、酸化物、窒化物、炭化物、金属間化合物の中から選ばれる１種以上からなる無機粒子（b2）を含有し、
金属又は合金粒子（b1）の平均粒径ｄ_ｂ１と無機粒子（b2）の平均粒径ｄ_ｂ２がｄ_ｂ１＜ｄ_ｂ２であることを特徴とするブレーキ用焼結摩擦材。
無機粒子（b2）として、平均粒径が異なる２種以上の無機粒子を含有することを特徴とする請求項１に記載のブレーキ用焼結摩擦材。
摩擦調整材（b）を２０〜５０vol％含有するとともに、摩擦調整材（b）を構成する金属又は合金粒子（b1）を１vol%以上含有することを特徴とする請求項１又は２に記載のブレーキ用焼結摩擦材。
固体潤滑材（a）が黒鉛又は黒鉛とＣａＦ_２からなり、
黒鉛の平均粒径ｄ_ｃ（但し、平均粒径が異なる２種以上の黒鉛を含む場合には、平均粒径が最も大きい黒鉛の平均粒径）が１００〜９００μｍであり、
黒鉛の平均粒径ｄ_ｃ（但し、平均粒径が異なる２種以上の黒鉛を含む場合には、平均粒径が最も大きい黒鉛の平均粒径）と無機粒子（b2）の平均粒径ｄ_ｂ２（但し、平均粒径が異なる２種以上の無機粒子（b2）を含む場合には、平均粒径が最も大きい無機粒子（b2）の平均粒径）がｄ_ｃ／ｄ_ｂ２≦１．３を満足し、
固体潤滑材（a）を３０〜５０vol％含有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか記載のブレーキ用焼結摩擦材。
金属又は合金粒子（b1）が１種又は平均粒径が異なる２種以上の粒子群からなり、無機粒子（b2）が１種又は平均粒径が異なる２種以上の粒子群からなり、固体潤滑材（a）が１種又は平均粒径が異なる２種以上の粒子群からなる場合において、
前記粒子群のうちの平均粒径が２００μｍ以上の粒子群の合計体積ｖ_Ｌと、金属又は合金粒子（b1）、無機粒子（b2）及び固体潤滑材（a）の合計体積ｖとの体積比ｖ_Ｌ／ｖが０．５〜０．９であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のブレーキ用焼結摩擦材。
摩擦調整材（b）を構成する無機粒子（b2）はモース硬度が９未満であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のブレーキ用焼結摩擦材。
請求項１〜６のいずれかに記載の焼結摩擦材を備えることを特徴とするブレーキパッド。