JP6898078B2

JP6898078B2 - 摩擦材

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Publication number: JP6898078B2
Application number: JP2016214346A
Authority: JP
Inventors: 岩井　裕; 裕岩井; 早紀丸田; 庸一川島; 博司磯部
Original assignee: Akebono Brake Industry Co Ltd
Current assignee: Akebono Brake Industry Co Ltd
Priority date: 2016-11-01
Filing date: 2016-11-01
Publication date: 2021-07-07
Anticipated expiration: 2036-11-01
Also published as: JP2021143340A; EP3351819A1; CN108018022A; EP3351819B1; US10151367B2; CN108018022B; US20180119764A1; JP7128323B2; JP2018070810A

Description

本発明は、自動車、鉄道車両、産業機械等のディスクブレーキパッド、ブレーキライニング及びクラッチフェーシングに用いられる摩擦材に関する。

自動車等に使用されるディスクブレーキやドラムブレーキなどのブレーキ、またはクラッチなどに使用される摩擦材は、一般的に、摩擦作用を与え且つその摩擦性能を調整する摩擦調整材、補強作用を担う繊維基材、これらを一体化し強度を与える結合材等の材料からなっている。摩擦材は、その相手材と摩擦係合し、運動エネルギーを熱エネルギーに変える役割を担っているため、優れた耐熱性、耐摩耗性、高い摩擦係数、摩擦係数の安定性が必要とされ、さらには鳴きが発生しにくいことなども要求される。

繊維基材としては、従来から、摩擦材の強度向上、耐熱性向上、耐摩耗性向上、高負荷時の摩擦係数の確保を目的として、チタン酸カリウム繊維が使用されてきた。しかしながら、チタン酸カリウム繊維は吸入性サイズであり、細く割れてさらに吸入されやすい細い繊維になる可能性が指摘されており、作業環境衛生上使用することが好ましくない。

そこで、近年ではチタン酸カリウム繊維の代替として、繊維状ではないチタン酸塩を使用することが検討されている。例えば、特許文献１及び２では、ウィスカー状チタン酸化合物を使用せずに従来と同等の摩擦作用と強度が得られる摩擦材が開示されている。

また、他の繊維基材として、銅繊維は延性に富み、高い熱伝導性を持つ材料であることから耐フェード性を高める作用を有している。この銅繊維は、粉状の形態の銅粉末として用いられる場合もある。しかしながら、銅や銅合金を含有する摩擦材は、制動時に生成する摩耗粉に銅を含み、河川、湖や海洋汚染等の原因となる可能性が示唆されているため、使用を制限する動きが高まっている。

そこで、近年では環境負荷の高い銅成分の含有量が少なくても摩擦作用に優れた摩擦材が開発されている。例えば、特許文献３では、チタン酸塩としてトンネル状結晶構造のチタン酸塩及び層状結晶構造のチタン酸塩を含有させることにより、銅を含有しなくても、銅を含有する摩擦材と同水準の摩擦係数、耐摩耗性を示す摩擦材が開示されている。また、特許文献４では、銅粉末の有無にかかわらず、優れた耐フェード性を示す摩擦材が開示されている。

特開２００１―１７２６１２号公報特開２００７―２７７４１８号公報特開２０１５―１４７９１３号公報国際公開第２０１６／０６３６８８号

しかし、特許文献１及び２に記載の技術では、フェード特性の向上や高速効力、耐摩耗性、摩擦材の強度といった点で改善の余地があった。また、特許文献３に記載の技術においても、耐摩耗性や摩擦材の強度において課題があった。さらに、摩擦材には、鳴き発生を抑制するために高温・高負荷制動時における相手材への貼り付きの低減が求められるが、特許文献４に記載の摩擦材においては、高温での相手材への貼り付きについては検討されておらず、その効果は不明であった。

本発明は、上記従来の実情を鑑みてなされたものであって、銅成分を含有しない摩擦材において、高温・高負荷制動時での摩擦係数を確保しつつ、耐摩耗性を向上させ、さらに高温での相手材への貼り付きを抑制した摩擦材を提供することを課題としている。

本発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、特定のチタン酸化合物を少なくとも２種組み合わせて用いることで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＞〜＜１０＞に関するものである。
＜１＞繊維基材、摩擦調整材及び結合材を含む摩擦材であって、前記摩擦調整材として、２種以上のチタン酸化合物を含有し、前記２種以上のチタン酸化合物のメディアン径（Ｄ５０）は２０μｍ以上であり、前記２種以上のチタン酸化合物のうち少なくとも１種が、多孔質のチタン酸化合物であり、銅成分を含有しないことを特徴とする摩擦材。
＜２＞前記２種以上のチタン酸化合物のうち、前記多孔質のチタン酸化合物のメディアン径（Ｄ５０）が最も大きいことを特徴とする＜１＞に記載の摩擦材。
＜３＞前記多孔質のチタン酸化合物のメディアン径（Ｄ５０）が、７０〜２００μｍであることを特徴とする＜１＞又は＜２＞に記載の摩擦材。
＜４＞前記２種以上のチタン酸化合物のうち、前記多孔質のチタン酸化合物以外の少なくとも１種のチタン酸化合物のメディアン径（Ｄ５０）が、２０〜６０μｍであることを特徴とする＜１＞〜＜３＞のいずれか１つに記載の摩擦材。
＜５＞前記２種以上のチタン酸化合物が、いずれもチタン酸カリウムであることを特徴とする＜１＞〜＜４＞のいずれか１つに記載の摩擦材。
＜６＞前記チタン酸カリウムが６チタン酸カリウムであることを特徴とする＜５＞に記載の摩擦材。
＜７＞前記２種以上のチタン酸化合物の含有量が、合計で５〜４０体積％であることを特徴とする＜１＞〜＜６＞のいずれか１つに記載の摩擦材。
＜８＞前記多孔質のチタン酸化合物の含有量が、１〜２０体積％であることを特徴とする＜１＞〜＜７＞のいずれか１つに記載の摩擦材。
＜９＞前記多孔質のチタン酸化合物以外の少なくとも１種のチタン酸化合物の含有量が、３〜２０体積％であることを特徴とする＜１＞〜＜８＞のいずれか１つに記載の摩擦材。
＜１０＞前記摩擦調整材として、２種類のチタン酸化合物を含有し、前記多孔質のチタン酸化合物ともう一方のチタン酸化合物の体積比率が、１：１０〜５：１であることを特徴とする＜１＞〜＜９＞のいずれか１つに記載の摩擦材。

本発明によれば、銅成分を含有しない摩擦材において、高温・高負荷制動時での摩擦係数を確保しつつ、耐摩耗性を向上させ、さらに高温での相手材への貼り付きを抑制した摩擦材を提供することができる。

以下、本発明について詳述するが、これらは望ましい実施態様の一例を示すものであり、これらの内容に特定されるものではない。
ただし、本発明の摩擦材は銅成分を含有しない。なお、「銅成分を含有しない」とは、銅成分を、耐摩耗性などの機能を発現させるための有効成分としては含有しないという意味であり、例えば、摩擦材中に不可避的にわずかに含まれる不純物等としての銅成分をも含まないことまでを意味するものではない。なお、環境負荷の観点から不純物等として混入する銅成分は０．５質量％以下であることが好ましい。

本発明の摩擦材は、摩擦調整材、繊維基材、結合材を含有する。

＜摩擦調整材＞
摩擦調整材は、耐摩耗性、耐熱性、耐フェード性等の所望の摩擦特性を摩擦材に付与するために用いられる。

本発明において、摩擦材は、２種以上のチタン酸化合物を含有し、前記２種以上のチタン酸化合物のメディアン径（Ｄ５０）は２０μｍ以上であり、前記２種以上のチタン酸化合物のうち少なくとも１種が、多孔質のチタン酸化合物（以下、チタン酸化合物Ａともいう。）であることを特徴とする。本発明では、これら２種以上のチタン酸化合物を含有することで、高温・高負荷制動時における摩擦係数の確保と耐摩耗性を両立させると共に、相手材への貼り付きを抑制できることを見出した。

チタン酸化合物Ａは、チタン酸化合物の結晶粒が焼結及び／又は融着等により結合してなる多孔質チタン酸化合物である。

チタン酸化合物Ａを本発明の摩擦材に含有させることにより、摩擦材の気孔率の調整に有効に機能し、摩擦材に適度の気孔を与える。本発明の摩擦材は、その気孔率調整効果として、高温・高負荷制動時に摩擦材中の有機成分が分解することでガスが発生し、そのガスが気孔から排出し易くなり、摩擦係数の低下が抑制される。また、チタン酸化合物Ａは高い耐熱性、耐摩耗性等を有する化合物であり、摩擦材の耐熱性、耐摩耗性等を高め、このことも摩擦材の高温・高負荷制動時の効力改善に寄与する。

チタン酸化合物Ａの粒子形状は、球状、不定形状等の粉末状であることが好ましく、特に、球状であることが好ましい。また、その結晶構造としてはトンネル構造であることが好ましい。

また、効力確保の観点から、前記２種以上のチタン酸化合物のうち、チタン酸化合物Ａのメディアン径（Ｄ５０）が最も大きいことが好ましい。

さらに、チタン酸化合物Ａの粒子のメディアン径（Ｄ５０）は、７０〜２００μｍであることが好ましく、より好ましくは７０〜１７０μｍ、さらに好ましくは７０〜１５０μｍである。チタン酸化合物Ａの粒子のメディアン径（Ｄ５０）が７０μｍ以上であると摩擦材に適度に気孔を付与することが可能であり、２００μｍ以下であると摩擦材中に均一に分散させることができるためである。

チタン酸化合物Ａの含有量は、摩擦材全体中の１〜２０体積％であることが好ましく、より好ましくは２〜１５体積％、さらに好ましくは５〜１５体積％である。摩擦材全体中のチタン酸化合物Ａの含有量が１体積％以上であると、気孔付与効果が向上し、２０体積％以下であると、摩擦材の耐摩耗性を悪化させることなく、適度な気孔を付与できるからである。

チタン酸化合物Ａの比表面積は、１〜１３ｍ^２／ｇであることが好ましく、より好ましくは３〜９ｍ^２／ｇである。チタン酸化合物Ａの比表面積を１〜１３ｍ^２／ｇとすることで、高速効力を確保することができるからである。

また、本発明の摩擦材は、上述したように、チタン酸化合物Ａの他に、少なくとも１種のチタン酸化合物（以下、チタン酸化合物Ｂともいう。）も含有する。

チタン酸化合物Ｂを本発明の摩擦材に含有させることにより、高温・高負荷制動時における相手材への貼り付きの低減に寄与する。また、ブレーキパッド摩耗量を低減することも可能となることが判った。

チタン酸化合物Ｂは、鱗片状（層状）、柱状、板状又は扁平状と呼ばれる形状が好ましく、特に、柱状であることが好ましい。また、その結晶構造としては、トンネル構造であることが好ましい。また、チタン酸化合物Ｂのメディアン径（Ｄ５０）は、機械的強度の観点から、２０〜６０μｍであることが好ましく、より好ましくは２０〜５５μｍ、さらに好ましくは２０〜５０μｍである。

なお、本明細書において、メディアン径（Ｄ５０）とは、ナノ粒子径分布測定装置により粒度分布を求め、測定される体積基準の累積百分率５０％相当粒子径のことをいう。

本発明では、チタン酸化合物Ｂの含有量は、摩擦材全体中の３〜２０体積％であることが好ましく、より好ましくは５〜１８体積％、さらに好ましくは５〜１５体積％である。該チタン酸化合物Ｂの含有量が、３体積％以上であると相手材への貼り付き抑制効果が向上し、２０体積％以下であると摩擦材の耐摩耗性が良好となるためである。

チタン酸化合物Ｂの比表面積は、０．１〜２．０ｍ^２／ｇであることが好ましく、より好ましくは０．２〜１．５ｍ^２／ｇである。チタン酸化合物Ｂの比表面積を０．１〜２．０ｍ^２／ｇとすることで、結合材との密着性が良好となり、摩擦材の強度や耐摩耗性が向上する。

本明細書において、比表面積は、窒素ガス吸着によるＢＥＴ法によって測定された値である。

本発明において、チタン酸化合物の総含有量は、摩擦材全体中の５〜４０体積％の範囲であることが好ましく、より好ましくは１０〜３０体積％、さらに好ましくは１５〜２５体積％である。チタン酸化合物の総含有量が、５体積％以上であると高温・高負荷制動時の摩擦係数の確保及び耐摩耗性が向上し、４０体積％以下であると摩擦材の耐摩耗性を悪化させることなく高温・高負荷制動時の摩擦係数の確保及び高温での相手材への貼り付き抑制を両立させることが可能となるためである。

また、摩擦調整材として、２種類のチタン酸化合物を含有する場合、チタン酸化合物Ａともう一方のチタン酸化合物の体積比率は、分散性の観点から、１：１０〜５：１であることが好ましく、より好ましくは１：３〜３：１である。

ここで、チタン酸化合物としては、６チタン酸カリウムや８チタン酸カリウム等のチタン酸カリウム、チタン酸リチウム、チタン酸リチウムカリウム、チタン酸ナトリウム、チタン酸カルシウム、チタン酸マグネシウム、チタン酸マグネシウムカリウム、チタン酸バリウムなどが挙げられるが、耐摩耗性が向上する点から、６チタン酸カリウム、８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が好ましく、チタン酸カリウムのなかでも特に６チタン酸カリウムが好ましい。

また、チタン酸化合物は、摩擦材の強度を向上させるという観点から、その表面にシランカップリング剤等により表面処理が施されていてもよい。さらに、摩擦材の撥水性を高めるという観点から、その表面に撥水剤により表面処理が施されていてもよい。

摩擦材の錆発生を抑制させるという観点から、摩擦材中の硫酸イオン濃度を低減させることが望ましく、硫酸イオンの少ないチタン酸化合物を使用することも可能である。

本発明の摩擦材に含まれる摩擦調整材には、無機充填材、有機充填材、研削材、固体潤
滑材などを適宜混合することもできる。チタン酸化合物を含んだ摩擦材における摩擦調整材は摩擦材全体中、好ましくは５０〜９０体積％、より好ましくは６０〜８０体積％用いられる。

無機充填材としては、上記チタン酸化合物以外に、硫酸バリウム、炭酸カルシウム、水酸化カルシウム、バーミキュライト、マイカ等の無機材料や、アルミニウム、スズ、亜鉛等の金属粉末が挙げられる。これらは各々単独で、または２種以上組み合わせて用いられる。

有機充填材としては、各種ゴム粉末（生ゴム粉末、タイヤ粉末等）、カシューダスト、メラミンダスト等が挙げられる。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。

研削材としては、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）、クロマイト等が挙げられる。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。

固体潤滑材としては、黒鉛（グラファイト）、三硫化アンチモン、二硫化モリブデン、硫化スズ、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等が挙げられる。また、黒鉛の粒径は１〜１０００μｍが好ましい。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。

＜繊維基材＞
本発明に係る摩擦材に含まれる繊維基材には、通常用いられる繊維基材を通常用いられる量で使用することができ、具体的には、有機繊維、無機繊維、金属繊維が使用されるが、銅成分を含む銅繊維や青銅繊維は使用しない。

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が使用され、無機繊維としては、例えばセラミック繊維、生体溶解性無機繊維、ガラス繊維、カーボン繊維、ロックウール等が使用され、また、金属繊維としては、例えばスチール繊維が使用される。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。
また、摩擦材における繊維基材は摩擦材全体中、好ましくは１〜４０体積％、より好ましくは５〜３０体積％用いられる。

中でも無機繊維としては、生体溶解性無機繊維が人体への影響が少ない点から好ましい。このような生体溶解性無機繊維は、ＳｉＯ_２−ＣａＯ−ＭｇＯ系繊維やＳｉＯ_２−ＣａＯ−ＭｇＯ−Ａｌ_２Ｏ_３系繊維、ＳｉＯ_２−ＭｇＯ−ＳｒＯ系繊維等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等が挙げられる。

生体溶解性無機繊維は、繊維径０．１〜２０μｍ、繊維長１００〜５０００μｍであることが好ましい。
また、生体溶解性無機繊維は、摩擦材の強度を向上させるという観点からその表面にシランカップリング剤等により表面処理が施されていてもよい。

＜結合材＞
本発明に係る摩擦材に含まれる結合材としては、通常用いられる種々の結合材を用いることができる。具体的には、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、ニトリルゴム（ＮＢＲ）変性フェノール樹脂等が挙げられる。なお、これらの結合材は単独または２種以上組み合わせて用いることができる。
また、摩擦材における結合材は摩擦材全体中、好ましくは５〜３０体積％、より好ましくは１０〜２５体積％用いられる。

本発明に係る摩擦材の製造方法の具体的な態様としては、公知の製造工程により行うことができ、例えば、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、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。
摩擦材を備えた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、化成処理及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、摩擦調整材、及び結合材等の原料を配合し、撹拌により十分に均質化して、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、所定の温度及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、表面焼き、及び塗装等の仕上げ処理を施す工程。

以下に実施例を挙げ、本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によってなんら限定されるものではない。

（実施例１〜６、比較例１〜５、参考例１〜２）
＜摩擦材の作製＞
表１に示す摩擦材配合組成の原材料をミキサーにて５分間混合し、混合された攪拌材料を金型に投入し、予備成形及び加熱加圧成形を実施し摩擦材を作製した。
予備成形は圧力２０ＭＰａにて５秒間加圧することによって実施した。
この予備成形体を圧力５０ＭＰａ、成形温度１５０℃にて６分間加熱加圧成形を行い、温度２５０℃にてアフターキュアを実施し加工、研摩、表面焼きを実施して、実施例１〜６、比較例１〜５及び参考例１〜２の摩擦材を作製した。

＜摩擦材の評価試験＞
上記作製した実施例１〜６、比較例１〜５及び参考例１〜２の摩擦材について、効力試験、摩耗試験、高温貼り付き試験を行った。得られた結果を表１に示す。

（１）効力試験
ＪＡＳＯＣ４０６「乗用車ブレーキ装置ダイナモメータ試験方法」に準拠した効力試験を行い、第２効力（初速度１３０ｋｍ／ｈ、減速度０．６Ｇ）の摩擦係数（μ）を測定した。その測定値に基づき、下記の判定基準により評価した。
判定基準：μ＞０．４０；◎、０．４０≧μ＞０．３６；○、０．３６≧μ；×

（２）摩耗試験
上記効力試験を行った後の、摩擦材摩耗量Ｘ［ｍｍ］を測定した。その測定値に基づき、下記の判定基準により評価した。
判定基準：Ｘ≦０．５；◎、０．５＜Ｘ≦０．６５；○、０．６５＜Ｘ；×

（３）高温貼り付き試験
ＪＡＳＯＣ４０６「乗用車ブレーキ装置ダイナモメータ試験方法」の摺り合わせと第１フェードの組み合わせのみで試験を行い、第１フェードにおける１０回制動目のロータファイナル温度が６５０〜７００℃となるように設定した。１０回制動目において、停止時に液圧１０ＭＰａを作用させたまま２分間保持し、液圧開放時にロータを回転させ、摩擦材のロータへの貼り付きの有無を目視にて確認し、下記の判定基準により評価した。
判定基準：貼り付き無し；◎、貼り付き部分が摺動面積の０％より大きく〜１５％未満；○、貼り付き部分が摺動面積の１５％以上；×

一定のメディアン径（Ｄ５０）以上の、多孔質のチタン酸化合物（チタン酸カリウム１）及び他のチタン酸化合物（チタン酸カリウム２）の２種のチタン酸化合物を含有した実施例１〜６の摩擦材は、繊維基材として銅成分を含有した参考例１と同様に、前記チタン酸化合物の組み合わせを有していない比較例１〜５に比べ、効力試験、摩耗試験、及び高温貼り付き試験における評価として優れたものを得ることができた。
また、チタン酸カリウム１を使用せずに、チタン酸カリウム２を含有した参考例２では、摩耗試験及び高温貼り付き試験では良好な結果を得ることができたが、効力試験における結果は不良であった。

以上より、本発明によれば、銅成分を含有しない摩擦材において、高温・高負荷制動時での摩擦係数を確保しつつ、耐摩耗性を向上させ、さらに高温での相手材への貼り付きを抑制した摩擦材を得ることができる。

Claims

繊維基材、摩擦調整材及び結合材を含む摩擦材であって、
前記摩擦調整材として、２種以上のチタン酸化合物を含有し、
前記２種以上のチタン酸化合物のメディアン径（Ｄ５０）は２０μｍ以上であり、
前記２種以上のチタン酸化合物のうち少なくとも１種が、多孔質のチタン酸化合物であり、
前記２種以上のチタン酸化合物のうち、前記多孔質のチタン酸化合物以外の少なくとも１種のチタン酸化合物のメディアン径（Ｄ５０）が、２０〜６０μｍであり、
銅成分を含有しないことを特徴とする摩擦材。
前記２種以上のチタン酸化合物のうち、前記多孔質のチタン酸化合物のメディアン径（Ｄ５０）が最も大きいことを特徴とする請求項１に記載の摩擦材。
前記多孔質のチタン酸化合物のメディアン径（Ｄ５０）が、７０〜２００μｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載の摩擦材。
前記２種以上のチタン酸化合物が、いずれもチタン酸カリウムである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。
前記チタン酸カリウムが６チタン酸カリウムであることを特徴とする請求項４に記載の摩擦材。
前記２種以上のチタン酸化合物の含有量が、合計で５〜４０体積％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。
前記多孔質のチタン酸化合物の含有量が、１〜２０体積％であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の摩擦材。
前記多孔質のチタン酸化合物以外の少なくとも１種のチタン酸化合物の含有量が、３〜２０体積％であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の摩擦材。
前記摩擦調整材として、２種類のチタン酸化合物を含有し、前記多孔質のチタン酸化合物ともう一方のチタン酸化合物の体積比率が、１：１０〜５：１であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の摩擦材。