JP6509054B2

JP6509054B2 - 摩擦材

Info

Publication number: JP6509054B2
Application number: JP2015127984A
Authority: JP
Inventors: 聡日下
Original assignee: Akebono Brake Industry Co Ltd
Current assignee: Akebono Brake Industry Co Ltd
Priority date: 2015-06-25
Filing date: 2015-06-25
Publication date: 2019-05-08
Anticipated expiration: 2035-06-25
Also published as: JP2017008270A

Description

本発明は摩擦材に関し、特に、産業機械、鉄道車両、荷物車両、乗用車等のブレーキパッド、ブレーキライニング、クラッチフェーシング等に用いられる摩擦材に関する。

ディスクブレーキやドラムブレーキなどのブレーキ、あるいはクラッチなどに使用される摩擦材は、補強作用をする繊維基材、摩擦作用を与えかつその摩擦性能を調整する摩擦調整材、これらの成分を一体化する結合材などの原材料からなっている。
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きており、十分に高い摩擦係数（効き）を有するとともに、相手材（例えばブレーキロータ）に対する攻撃性を緩和して優れた耐摩耗性を有することも強く求められている。

そこで、下記特許文献１には、充填材として、モース硬度４．５以下のＣａＯ化合物と、非ウィスカー状チタン酸アルカリ金属塩および非ウィスカー状チタン酸アルカリ金属・第２属元素塩から選ばれる少なくとも１種のチタン酸化合物塩と、Ｆｅ_２Ｏ_３とを含有する摩擦材が提案されている。
また、下記特許文献２には、全組成物中に硫酸カルシウムを５〜１５容量％含有せしめてなる摩擦材組成物が提案されている。

特開２００８−２９１１０８号公報特開平１−１５００３３号公報

しかしながら、硫酸カルシウムは耐摩耗性に優れた効果を奏するものの、水に対する溶解度が高く、硫酸イオンが溶出して相手材に錆を発生させ、それに伴う錆の固着が起こるため、実用上問題がある。
したがって、本発明の目的は、高負荷制動の使用条件下においても優れた耐摩擦性を維持し、さらに相手材に対する錆の発生を抑制し得る摩擦材を提供することにある。

本発明者は鋭意研究を重ねた結果、硫酸カルシウムを使用した摩擦材において、炭酸リチウムと水酸化カルシウムをさらに含有させることにより上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、下記（１）〜（６）により達成されるものである。
（１）少なくとも硫酸カルシウム、炭酸リチウムおよび水酸化カルシウムを含むことを特徴とする摩擦材。
（２）前記硫酸カルシウムを２質量％以上含むことを特徴とする前記（１）に記載の摩擦材。
（３）前記硫酸カルシウムを２〜１８質量％含むことを特徴とする前記（２）に記載の摩擦材。
（４）前記炭酸リチウムを２〜１０質量％含むことを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれか１つに記載の摩擦材。
（５）前記水酸化カルシウムを１〜５質量％含むことを特徴とする前記（１）〜（４）のいずれか１つに記載の摩擦材。
（６）前記摩擦材が、銅の含有量が０．５質量％以下のノンアスベスト摩擦材であることを特徴とする前記（１）〜（５）のいずれか１つに記載の摩擦材。

本発明の摩擦材は、硫酸カルシウム、炭酸リチウムおよび水酸化カルシウムを含有することで、高負荷制動の使用条件下においても優れた耐摩耗性を発揮し、且つ相手材に対する錆の発生を抑制し得る摩擦材を提供することができる。

以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。
本発明の摩擦材は、硫酸カルシウムと、炭酸リチウムと、水酸化カルシウムとを含むことを特徴とする。

本発明で使用される硫酸カルシウムは、制動中に相手材表面に適度なトランスファーフィルムを形成するとともに、摩擦材表面に摩耗粉凝集層を形成し、高負荷な摩擦条件であっても摩擦材および相手材の摩耗を抑制し、摩耗寿命を向上させる効果を奏する。なお、硫酸カルシウムは水和物の有無、数によって、いくつかの種類が存在するが、無水硫酸カルシウム（硬石膏、ＣａＳＯ_４）が好ましく、半水石膏（ＣａＳＯ_４・１／２Ｈ_２Ｏ）や二水石膏（ＣａＳＯ_４・２Ｈ_２Ｏ）は、摩擦材が高温に晒されたときに水和水を放出し、水蒸気のガス圧による摩擦材の損傷や効き低下が生じる恐れがあり、好ましくない。

本発明において、摩擦材には、硫酸カルシウムを２質量％以上含むことが好ましい。摩擦材中に硫酸カルシウムを２質量％以上含むことによって、上記の耐摩耗性の効果を高めることができる。
硫酸カルシウムの含有量の上限は特に限定されないが、過剰に多く配合しても硫酸カルシウムによる耐摩耗性の効果は向上しないことと、要求性能調整のために他の材料成分組成とのバランスをとる観点から１８質量％以下であることが好ましく、１５質量％以下がより好ましい。すなわち、摩擦材中の硫酸カルシウムの含有量は、２〜１８質量％であることがより好ましく、２〜１５質量％であることが更に好ましい。

なお、硫酸カルシウムの平均粒子径は特に制限されないが、本発明の効果が向上するという観点から、１〜５００μｍであることが好ましく、５〜１００μｍであることがより好ましい。
なお、平均粒子径は、レーザー回折式粒度分布計によって測定することができる。

本発明で使用される炭酸リチウム（Ｌｉ_２ＣＯ_３）および水酸化カルシウム（Ｃａ（ＯＨ）_２）は、水の存在下で下記反応を生じさせて、水酸化リチウムを生成する。
Ｌｉ_２ＣＯ_３＋Ｃａ（ＯＨ）_２（ａｑ） → ２ＬｉＯＨ（ａｑ）＋ＣａＣＯ_３↓
水中で水酸化リチウムは電離し、Ｌｉ^＋とＯＨ⁻が生成し、強いアルカリ性を示すようになる。２５℃の水に対する水酸化カルシウムの溶解度は０．０００２３ｍｏｌ／Ｌ、ｐＫｂ＝１．６であり、炭酸リチウムの溶解度は５．２ｍｏｌ／Ｌ、ｐＫｂ＝−０．３６であり、水酸化リチウムの方が水に対する溶解度が高くかつアルカリ性が強いため、例えば相手材が鋳鉄である場合に高い防錆効果を発揮することができる。また、アルカリ条件下では鉄表面に生成する酸化鉄（ＩＩＩ）（Ｆｅ_２Ｏ_３）が不動態皮膜として機能し、錆の進展を抑制する。

なお、水酸化リチウムそのものは吸湿性が強く、１水和物を生成し、また、空気中の炭酸ガスと反応し炭酸リチウムに変化してしまう。水酸化リチウムは、１水和物化により体積が１．７倍、炭酸塩化により体積が２．１倍に増加するため、摩擦材の製造段階や使用時に内部で体積膨張が起こり、割れ、欠けの原因となり、また、強アルカリ性により結合剤の硬化反応を阻害して摩擦材の強度低下を引き起こすことがあり、水酸化リチウムそのものを摩擦材に配合することは好ましくない。

本発明において、摩擦材には、炭酸リチウムを２〜１０質量％含むことが好ましい。炭酸リチウムの含有量が２質量％以上であれば、十分な防錆効果を得ることができ、１０質量％以下であれば、摩擦材の耐摩耗性を悪化させることなく防錆効果を発揮させることができる。炭酸リチウムは、摩擦材中、２〜８質量％含むことがより好ましい。

また、本発明において、摩擦材には、水酸化カルシウムを１〜５質量％含むことが好ましい。水酸化カルシウムの含有量が１質量％以上であれば、十分な防錆効果を得ることができ、５質量％以下であれば、結合材であるフェノール樹脂等の硬化反応に悪影響を与えることなく防錆効果を発揮させることができる。水酸化カルシウムは、摩擦材中、２〜４質量％含むことがより好ましい。

なお、炭酸リチウムおよび水酸化カルシウムの平均粒子径は特に制限されないが、本発明の効果が向上するという観点から、炭酸リチウムの平均粒子径は、好ましくは１〜１０００μｍであり、より好ましくは１０〜５００μｍであり、また、水酸化カルシウムの平均粒子径は、好ましくは１〜５００μｍであり、より好ましくは５〜１００μｍである。
なお、平均粒子径は、レーザー回折式粒度分布計によって測定することができる。

本発明の摩擦材の配合に際しては、通常用いられる配合材料が使用される。摩擦材に含まれるその他の成分として、例えば、繊維基材、結合材、摩擦調整材等が挙げられる。

繊維基材としては、有機繊維、無機繊維、金属繊維が使用される。有機繊維としては、例えば、芳香族ポリアミド（アラミド）繊維、耐炎性アクリル繊維、セルロース繊維等が挙げられ、無機繊維としては、例えば、生体溶解性無機繊維、ガラス繊維、カーボン繊維、等が挙げられ、また、金属繊維としては、例えば、銅繊維、スチール繊維、アルミニウム繊維、亜鉛繊維、錫または錫合金繊維、ステンレス繊維が挙げられる。これらの繊維基材の中でも、生体溶解性無機繊維は、人体への影響が少ない点から好適に用いることができる。このような生体溶解性無機繊維としては、ＳｉＯ_２−ＣａＯ−ＭｇＯ系繊維やＳｉＯ_２−ＣａＯ−ＭｇＯ−Ａｌ_２Ｏ_３系繊維、ＳｉＯ_２−ＭｇＯ−ＳｒＯ系繊維などの生体溶解性セラミック繊維や生体溶解性ロックウールなどを挙げることができる。

結合材としては、例えば、ストレートフェノール樹脂、エラストマー等による各種変性フェノール樹脂、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が挙げられる。エラストマー変性フェノール樹脂としては、アクリルゴム変性フェノール樹脂やシリコーンゴム変性フェノール樹脂、ＮＢＲゴム変性フェノール樹脂などを挙げることができる。

摩擦調整材としては、例えば、硫酸バリウム、炭酸カルシウム等の無機化合物、バーミキュライト、マイカ等の鱗片状無機物、チタン酸カリウム、チタン酸リチウムカリウム、チタン酸マグネシウムカリウム等の非ウィスカー状チタン酸化合物等の無機充填材、アルミナ、シリカ、マグネシア、ジルコニア、ケイ酸ジルコニウム、酸化クロム、四三酸化鉄（Ｆｅ_３Ｏ_４）、等の研削材、銅、アルミニウム、青銅、亜鉛等の金属粉末、各種ゴム粉末（ゴムダスト、タイヤ粉末等）、カシューダスト、メラミンダスト等の有機充填材、黒鉛（グラファイト）、二硫化モリブデン、硫化錫、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の固体潤滑材等が挙げられる。

これらの具体的な配合割合としては、例えば、繊維基材を摩擦材全体の５〜５０質量％、摩擦調整材を１０〜６０質量％、結合材を５〜２０質量％とすることが好ましい。

なお、摩擦材が銅成分を含む場合、ブレーキ制動により銅成分が摩耗粉として放出されることから、自然環境への影響が指摘されている。そのため、本発明の摩擦材は、銅の含有量が０．５質量％以下のノンアスベスト摩擦材であることが好ましい。なお、本発明の摩擦材は、ロースチールの銅フリー材（すなわち、スチール繊維を２０〜４０質量％程度含む、実質的に銅を含有しない（銅含有量０．５質量％以下の）材質）にも適用可能である。

本発明の摩擦材の製造は、公知の製造工程により行うことができ、例えば、予備成形、熱成形、加熱、研摩等の工程を経て摩擦材を作製することができる。
ディスクブレーキ用ブレーキパッドの製造における一般的な工程を以下に示す。
（ａ）板金プレスにより鋼板（プレッシャプレート）を所定の形状に成形する工程
（ｂ）上記プレッシャプレートに脱脂処理、化成処理およびプライマー処理を施し、接着剤を塗布する工程
（ｃ）繊維基材と、本発明で規定する硫酸カルシウム、炭酸リチウムおよび水酸化カルシウムと、摩擦調整材と、結合材等の粉末原料と、必要に応じてその他の充填材とを配合し、撹拌により十分に均質化した原材料を、常温にて所定の圧力で成形して予備成形体を作製する工程
（ｄ）上記予備成形体と接着剤が塗布されたプレッシャプレートとを、所定の温度および圧力を加えて両部材を一体に固着する熱成形工程（成形温度１３０〜１８０℃、成形圧力３０〜８０ＭＰａ、成形時間２〜１０分間）
（ｅ）アフターキュア（１５０〜３００℃、１〜５時間）を行って、最終的に研摩や表面焼き、塗装等の仕上げ処理を施す工程
このような工程により、本発明の摩擦材を備えたディスクブレーキ用ブレーキパッドを製造することができる。

本発明の摩擦材によれば、硫酸カルシウムによる耐摩耗性を確保しつつ、硫酸カルシウムが水に溶解して溶出する硫酸イオンによる相手材への錆の発生のリスクを、炭酸リチウムと水酸化カルシウムが水と反応した際に生成される水酸化リチウムにより抑えることができるため、耐摩耗性と相手材に対する錆発生の抑制を両立させることができる。

以下、実施例および比較例により本発明をさらに説明するが、本発明は下記例に制限されるものではない。

（実施例１〜９、比較例１〜３）
摩擦材の配合材料を表１に示す配合組成（質量％）に従って混合機で混合し、摩擦材混合物を得た。得られた摩擦材混合物を、圧力２０ＭＰａで１０秒間予備成形し、予備成形体を作製した。次いで、予備成形体を金型に投入し、予め接着剤を塗布した金属板（プレッシャプレート）を重ね、温度１５０℃、成形面圧５０ＭＰａで５分間加熱加圧成形を行った。その後、この加熱加圧成形体に対し、温度２５０℃で３時間のアフターキュアを行い、１５ｃｍの厚みに研摩・塗装することで、実施例１〜９および比較例１〜３の摩擦材を含むブレーキパッドを得た。
なお、硫酸カルシウム、炭酸リチウムおよび水酸化カルシウムの配合量の調整は、硫酸バリウムの配合量を調整することにより行い、その他の配合材料の配合率に変化が生じないようにした。

硫酸カルシウムは、株式会社ノリタケカンパニーリミテド製「Ｄ−１０１Ａ」を使用し、炭酸リチウムは、株式会社高純度化学研究所製無水炭酸リチウム（４Ｎグレード）を用い、その他の配合材料は、商業的に入手できる公知の材料を使用した。

＜一般性能試験（摩擦試験）＞
上記作製した摩擦材を含むブレーキパッドについて、ＪＡＳＯＣ４０６に準拠し、一般性能試験を行い、試験後におけるパッド摩耗量、ロータ摩耗量、第２効力平均μ（５０、１００、１３０ｋｍ／ｈの全制動）を測定した。なお、この一般性能試験におけるパッド摩耗量およびロータ摩耗量はほぼ高負荷セクション（フェード）の摩耗量を反映しており、この優劣の比較で高負荷摩耗特性の評価を行うことができる。
なお、パッド摩耗量１ｍｍ未満、ロータ摩耗量２μｍ未満、第２効力平均μ０．４０以上であるものを「〇」、左記以外を「×」と評価した。
結果を表２に示す。

＜錆固着試験＞
上記作製した摩擦材を含むブレーキパッドについて、錆固着の有無を確認するため、以下の試験を行った。
（１）ブレーキパッドの摩擦材側の表面を蒸留水に浸し取り出す。
（２）ネズミ鋳鉄（ＦＣ２５０材）のロータ表面に水を含んだ摩擦材を圧力０．５ＭＰａで押し付けながら２０回往復摩擦させ、その後摩擦したロータ上にそのまま摩擦材を置き、室温（約２０℃）環境下で２４時間放置する。
（３）２４時間放置後、（１）及び（２）の操作を再度実施し、２４時間放置する。
（４）ロータ上に置いた摩擦材の固着有無を確認後、ロータ表面の錆発生を目視確認する。
なお、摩擦材の錆の固着の有無は、プッシュプルゲージにより剥離力１Ｎ以上を要するものを「固着あり」とし、それ未満のものを「固着なし」と判断し、総合的に、錆の発生と摩擦材の固着のいずれもないものを「〇」、どちらか一方でもあるものを「×」と評価した。
結果を表２に示す。

表２の結果から分かるように、実施例１〜９の摩擦材は、硫酸カルシウム、炭酸リチウムおよび水酸化カルシウムを配合しているので、硫酸カルシウムの使用に基づく優れた耐摩耗性を維持しながら、相手材に対する錆の発生を抑制し得ることが分かる。
これに対し、比較例１は、硫酸カルシウムおよび炭酸リチウムを配合していないので、耐摩耗性が悪化した。比較例２は、硫酸カルシウムおよび水酸化カルシウムを配合しているものの、炭酸リチウムを配合していないので、錆の発生を抑制できず、比較例３は、硫酸カルシウムおよび炭酸リチウムを配合しているものの、水酸化カルシウムを配合していないので、錆の発生を抑制できなかった。

本発明の摩擦材は、産業機械、鉄道車両、荷物車両、乗用車等に有用であり、特に、前記の用途に使用されるブレーキパッド、ブレーキライニング、クラッチフェーシング等に有用である。

Claims

少なくとも硫酸カルシウム、炭酸リチウムおよび水酸化カルシウムを含むことを特徴とする摩擦材。
前記硫酸カルシウムを２質量％以上含むことを特徴とする請求項１に記載の摩擦材。
前記硫酸カルシウムを２〜１８質量％含むことを特徴とする請求項２に記載の摩擦材。
前記炭酸リチウムを２〜１０質量％含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の摩擦材。
前記水酸化カルシウムを１〜５質量％含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の摩擦材。
前記摩擦材が、銅の含有量が０．５質量％以下のノンアスベスト摩擦材であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の摩擦材。