JP7344694B2

JP7344694B2 - 摩擦材

Info

Publication number: JP7344694B2
Application number: JP2019135373A
Authority: JP
Inventors: 晶彦下崎; 拓人西川; 武田邊
Original assignee: Nisshinbo Brake Inc
Current assignee: Nisshinbo Brake Inc
Priority date: 2019-07-23
Filing date: 2019-07-23
Publication date: 2023-09-14
Anticipated expiration: 2039-07-23
Also published as: CN114174420A; EP4006120A4; JP2021017522A; US20220250984A1; WO2021015003A1; EP4006120A1; CN114174420B; EP4006120B1

Description

本発明は、ディスクブレーキパッドに使用される、結合材、繊維基材、有機摩擦調整材、無機摩擦調整材、潤滑材を含み、銅成分を含まないＮＡＯ（Non-Asbestos-Organic）材の摩擦材組成物を成型した摩擦材に関する。

従来から乗用車の制動装置としてディスクブレーキが使用されており、その摩擦部材として金属製のベース部材に摩擦材が貼り付けられたディスクブレーキパッドが使用されている。

ディスクブレーキパッドに使用される摩擦材は、主に次の３種に分類されている。
＜セミメタリック摩擦材＞
繊維基材としてスチール繊維を摩擦材組成物全量に対して３０重量％以上６０重量％未満含有する摩擦材。
＜ロースチール摩擦材＞
繊維基材の一部にスチール繊維を含み、且つ、スチール繊維を摩擦材組成物全量に対して３０重量％未満含有する摩擦材。
＜ＮＡＯ（Non-Asbestos-Organic）材＞
繊維基材としてスチール繊維やステンレス繊維等のスチール系繊維を含まない摩擦材。

また、従来の摩擦材には、要求される性能を確保するため、銅や銅合金の繊維又は粒子等の銅成分が必須成分として摩擦材組成物全量に対し、５～２０重量％程度添加されていた。

しかし近年、このような摩擦材には、制動時に摩耗粉として銅を排出し、この排出された銅が河川、湖、海洋に流入することにより水域を汚染する可能性があることが示されている。

このような背景から、アメリカのカリフォルニア州やワシントン州では、２０２１年以降、銅成分を５重量％以上含有する摩擦材を使用した摩擦部材の販売及び新車への組み付けを禁止し、さらにその数年後、銅成分を０．５重量％以上含有する摩擦材を使用した摩擦部材の販売及び新車への組み付けを禁止する法案が可決している。

今後このような規制は世界中に波及するものと予想されることから、摩擦材に含まれる銅成分を削減することが急務となっている。

しかし、摩擦材に含まれる銅成分を削減すると、摩擦材の熱伝導率が低下し、高温での制動時に摩擦材の摩擦面の熱が拡散せず、摩擦材の摩耗量が増大し、また、摩擦面温度の不均一な上昇に起因するブレーキ振動が発生するという問題がある。

従来技術として次の特許文献１及び２が挙げられる。
特許文献１には、結合剤、有機充填材、無機充填材および繊維基材を含む摩擦材組成物であって、該摩擦材組成物中に元素としての銅を含まない、または銅の含有量が０．５質量％以下であり、繊維長が２５００μｍ以下のスチール繊維を２～５質量％含有する摩擦材組成物および該摩擦材組成物を成形してなる摩擦材が記載されている。

特許文献２には、結合剤、有機充填材、無機充填材および繊維基材を含む摩擦材組成物であって、該摩擦材組成物中に元素としての銅を含まない、または銅の含有量が０．５質量％以下であり、繊維長が２５００μｍ以下のスチール繊維を２～５質量％含有し、チタン酸塩としてトンネル構造の結晶構造のチタン酸塩および層状構造の結晶構造のチタン酸塩を必須成分とする摩擦材組成物および該摩擦材組成物を成形してなる摩擦材が記載されている。

特許文献１及び２の発明によれば、環境負荷の高い銅を含有させなくても高温制動におけるブレーキ振動を抑制することができる。

しかし、特許文献１及び２に記載の摩擦材は、繊維基材としてスチール繊維を含む、いわゆるロースチール摩擦材であり、ホイール汚れやブレーキ鳴きが発生しやすいという問題がある。

繊維基材としてスチール繊維やステンレススチール繊維等のスチール系繊維を含まない摩擦材、いわゆるＮＡＯ材の摩擦材は、特許文献３等により知られているが、ＮＡＯ材の摩擦材はホイール汚れやブレーキ鳴きの発生が少ないものの、高温制動におけるブレーキ振動の問題を解決する手段が確立されていない。

特開２０１６－９８３６２号公報特開２０１６－１２１２４３号公報特開２０１７－１９３６１２号公報

本発明は、ディスクブレーキパッドに使用される、結合材、繊維基材、有機摩擦調整材、無機摩擦調整材、潤滑材を含み、銅成分を含まないＮＡＯ材の摩擦材組成物を成型した摩擦材において、高温制動におけるブレーキ振動を抑制できる摩擦材を提供する。

高温制動におけるブレーキ振動は次のようなメカニズムで発生するものと推測される。
摩擦材にはブレーキ効きを確保するため、有機摩擦調整材としてカシューダストが添加されている。
高速制動によりディスクロータの摩擦面の温度が高温になると、摩擦材に含まれるカシューダストが熱分解し、タール状物を生成する。このタール状物がディスクロータの摩擦面に不均一に移着し、被膜を形成する。そして、高速制動を繰り返すことによりディスクロータの摩擦面の温度が更に上昇する。
このときディスクロータの摩擦面のうち、移着したタール状物の被膜の特に厚い部分が高温になって熱膨張し、ディスクロータの摩擦面に肉厚差が生じる。
また、摩擦材が蓄熱することで、摩擦材の摩擦面も不均一に膨張するため、ディスクロータと摩擦材との当たりが不均一となりブレーキ振動が発生する。

本発明者らは鋭意検討を重ねた結果、ディスクブレーキパッドに使用される、結合材、繊維基材、有機摩擦調整材、無機摩擦調整材、潤滑材を含み、銅成分を含まないＮＡＯ材の摩擦材組成物を成型した摩擦材において、摩擦材組成物に特定量の結合材を含有させるとともに、結合材の一部として特定量のシリコーンゴム変性フェノール樹脂を含有させ、さらに、有機摩擦調整材として特定量のカシューダスト、無機摩擦調整材として特定の平均粒子径を有する溶融シリカを特定量、無機摩擦調整材として特定の平均粒子径を有する電融ケイ酸ジルコニウムビーズを特定量含有させることで高温制動時におけるタール状物の被膜の形成をコントロールし、ブレーキ振動を効果的に低減することが可能であることを見出した。

本発明は、ディスクブレーキパッドに使用される、結合材、繊維基材、有機摩擦調整材、無機摩擦調整材、潤滑材を含み、銅成分を含まないＮＡＯ材の摩擦材組成物を成型した摩擦材であって、以下の技術を基礎とするものである。

（１）ディスクブレーキパッドに使用される、結合材、繊維基材、有機摩擦調整材、無機摩擦調整材、潤滑材を含み、銅成分を含まないＮＡＯ材の摩擦材組成物を成型した摩擦材において、前記摩擦材組成物は、結合材を摩擦材組成物全量に対し５～９重量％含有するとともに、結合材の一部としてシリコーンゴム変性フェノール樹脂を摩擦材組成物全量に対し１～４重量％含有し、さらに、有機摩擦調整材としてカシューダストを摩擦材組成物全量に対し１～４重量％と、無機摩擦調整材として平均粒子径が１５～４０μｍの溶融シリカを摩擦材組成物全量に対し０．５～３重量％と、無機摩擦調整材として平均粒子径が１０～３０μｍの電融ケイ酸ジルコニウムビーズを摩擦材組成物全量に対し０．１～２重量％とを含む摩擦材。
（２）前記摩擦材組成物は潤滑材として弾性黒鉛化カーボンを摩擦材組成物全量に対し１～４重量％含む前記（１）に記載の摩擦材。

本発明によれば、ディスクブレーキパッドに使用される、結合材、繊維基材、有機摩擦調整材、無機摩擦調整材、潤滑材を含み、銅成分を含まないＮＡＯ材の摩擦材組成物を成型した摩擦材であって、高温制動におけるブレーキ振動を抑制できる摩擦材を提供することができる。

本発明は結合材、繊維基材、有機摩擦調整材、無機摩擦調整材、潤滑材を含み、銅成分を含まないＮＡＯ材の摩擦材組成物に、結合材を摩擦材組成物全量に対し５～９重量％、結合材の一部としてシリコーンゴム変性フェノール樹脂を摩擦材組成物全量に対し１～４重量％、有機摩擦調整材としてカシューダストを摩擦材組成物全量に対し１～４重量％、無機摩擦調整材として平均粒子径が１５～４０μｍの溶融シリカを摩擦材組成物全量に対し０．５～３重量％、無機摩擦調整材として平均粒子径が１０～３０μｍの電融ケイ酸ジルコニウムビーズを摩擦材組成物全量に対し０．１～２重量％含有させる。

＜結合材・シリコーンゴム変性フェノール樹脂＞
結合材の一部としてシリコーンゴム変性フェノール樹脂を添加することにより、摩擦材の圧縮歪量を大きくすることができる。そして、ディスクロータの摩擦面に肉厚差が生じた場合でも、摩擦材の圧縮歪量が大きいと摩擦材がその肉厚差に追従するため、当たりが均一となりブレーキ振動を抑制することができる。

結合材の含有量は摩擦材組成物全量に対し５～９重量％、かつシリコーンゴム変性フェノール樹脂の含有量は摩擦材組成物全量に対し１～４重量％であり、結合材の含有量を摩擦材組成物全量に対し６～８重量％、シリコーンゴム変性フェノール樹脂の含有量を摩擦材組成物全量に対し２～３重量％とするのが好ましい。
結合材の含有量が５重量％未満であると十分な耐摩耗性が得られず、結合材の含有量が９重量％を超えると十分な耐フェード性が得られなくなる。

また、シリコーンゴム変性フェノール樹脂の含有量が１重量％未満であるとブレーキ振動の抑制効果が得られず、シリコーンゴム変性フェノール樹脂の含有量が４重量％を超えると耐フェード性が低下するという問題が生じる。

シリコーンゴム変性フェノール樹脂以外の結合材としては、ストレートフェノール樹脂、カシューオイル変性フェノール樹脂、アクリル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、フェノール・アラルキル樹脂（アラルキル変性フェノール樹脂）、フルオロポリマー分散フェノール樹脂等の摩擦材に通常用いられる結合材が挙げられ、これらは１種を単独で又は２種以上を組み合わせて使用することができる。

＜カシューダスト＞
有機摩擦調整材であるカシューダストの添加量を比較的少なくすることにより、高速制動時のタール状物の生成を最低限に抑えながら、良好なブレーキ効きを得ることができる。

カシューダストの添加量は摩擦材組成物全量に対し１～４重量％であり、１．５～２重量％が好ましい。
カシューダストの添加量が１重量％未満であると、ブレーキ効きが不十分となり、カシューダストの添加量が４重量％を超えると、高速制動時にタール状物がディスクロータの摩擦面に不均一に移着し、ブレーキ振動が発生しやすくなる。

＜溶融シリカ・電融ケイ酸ジルコニウムビーズ＞
無機摩擦調整材である平均粒子径が１５～４０μｍの溶融シリカと、平均粒子径が１０～３０μｍの電融ケイ酸ジルコニウムビーズを特定量添加することにより、相手材の摩擦面を過度に研削することなく摩擦面に形成されるタール状物の被膜を適度にクリーニングすることができ、タール状物の不均一な移着に起因するブレーキ振動の発生を防止することができる。

平均粒子径が１５～４０μｍの溶融シリカの添加量は、摩擦材組成物全量に対し０．５～３重量％、平均粒子径が１０～３０μｍの電融ケイ酸ジルコニウムビーズの添加量は、摩擦材組成物全量に対し０．１～２重量％である。平均粒子径が１５～４０μｍの溶融シリカの添加量は摩擦材組成物全量に対し１～２重量％、平均粒子径が１０～３０μｍの電融ケイ酸ジルコニウムビーズの添加量は摩擦材組成物全量に対し０．２～１重量％とするのが好ましい。

本発明において、平均粒子径はレーザー回折粒度分布法により測定した５０％粒子径の数値である。

なお、溶融シリカは、粉砕した原料珪石を高温の火炎中で溶融し、表面張力により球状化させたシリカ粒子である。溶融シリカとしては、デンカ株式会社の球状溶融シリカＦＢシリーズ等を使用することができる。
また、電融ケイ酸ジルコニウムビーズは、結晶質ジルコニアと非結晶質酸化硅素を電融法により融解して製造されたビーズ状のケイ酸ジルコニウムである。電融ケイ酸ジルコニウムビーズとしては、サンゴバン社のマイクロブラストシリーズ等を使用することができる。

＜弾性黒鉛化カーボン＞
さらに、本発明では潤滑材として弾性黒鉛化カーボンを摩擦材組成物全量に対し１～４重量％添加するのが好ましい。

弾性黒鉛化カーボンを摩擦材組成物全量に対し１～４重量％添加することにより、摩擦材の圧縮歪がより増大し、ブレーキ振動の抑制効果がより向上する。

弾性黒鉛化カーボンは、炭素質メソフェース又はコークスからなる炭素素材を膨張・発泡処理した後、Ｘ線回折の測定による黒鉛化度が８０～９５％となるよう１９００℃～２７００℃の温度で黒鉛化処理したものであり、圧縮荷重を加えた後、荷重を除いたときの体積の復元率が大きいという特性を有している。弾性黒鉛化カーボンとしては、ＳｕｐｅｒｉｏｒＧｒａｐｈｉｔｅ社のＲＧＣシリーズ等を使用することができる。

＜その他成分＞
本発明の摩擦材は、上記の結合材、カシューダスト、平均粒子径が１５～４０μｍの溶融シリカ、平均粒子径が１０～３０μｍの電融ケイ酸ジルコニウムビーズ、弾性黒鉛化カーボンのほかに、通常摩擦材に使用される繊維基材、潤滑材、有機摩擦調整材、無機摩擦調整材、ｐＨ調整材、充填材等を含む摩擦材組成物から成る。

繊維基材としては、アラミド繊維、セルロース繊維、ポリ-パラフェニレンベンゾビスオキサゾール繊維、アクリル繊維等の摩擦材に通常用いられる有機繊維、アルミニウム繊維、アルミニウム合金繊維、亜鉛繊維等の摩擦材に通常用いられる金属繊維が挙げられ、これらは１種を単独で又は２種以上を組み合わせて使用することができる。
繊維基材の含有量は摩擦材組成物全量に対して１～５重量％とするのが好ましく、１．５～３重量％とするのがより好ましい。

有機摩擦調整材として、上記のカシューダストのほかに、タイヤトレッドゴム粉砕粉や、ニトリルゴム、アクリルゴム、シリコーンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴム等の加硫ゴム粉末又は未加硫ゴム粉末等の摩擦材に通常用いられる有機摩擦調整材が挙げられ、これらは１種を単独で又は２種以上を組み合わせて用いることができる。
有機摩擦調整材の含有量は上記のカシューダストを合わせて摩擦材組成物全量に対して２～７重量％とするのが好ましく、３～５重量％とするのがより好ましい。

無機摩擦調整材としては、上記の平均粒子径が１５～４０μｍの溶融シリカ、平均粒子径が１０～３０μｍの電融ケイ酸ジルコニウムビーズのほかに、タルク、クレー、ドロマイト、金雲母、白雲母、バーミキュライト、四三酸化鉄、ケイ酸カルシウム水和物、ガラスビーズ、ゼオライト、ムライト、クロマイト、酸化チタン、酸化マグネシウム、安定化酸化ジルコニウム、単斜晶酸化ジルコニウム、電融ケイ酸ジルコニウムビーズ以外のケイ酸ジルコニウム、γ－アルミナ、α－アルミナ、炭化ケイ素、アルミニウム粒子、鉄粒子、亜鉛粒子、スズ粒子、非ウィスカー状（板状、柱状、鱗片状、複数の凸部を有する不定形状）のチタン酸塩（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）等の摩擦材に通常用いられる粒子状無機摩擦調整材や、ウォラストナイト、セピオライト、バサルト繊維、ガラス繊維、生体溶解性人造鉱物繊維、ロックウール等の摩擦材に通常用いられる繊維状無機摩擦調整材が挙げられ、これらは１種を単独で又は２種以上を組み合わせて用いることができる。

無機摩擦調整材の含有量は、上記の平均粒子径が１５～４０μｍの溶融シリカ、平均粒子径が１０～３０μｍの電融ケイ酸ジルコニウムビーズと合わせて摩擦材組成物全量に対して４０～７０重量％とするのが好ましく、５０～６０重量％とするのがより好ましい。

潤滑材としては、上記の弾性黒鉛化カーボンのほかに、二硫化モリブデン、硫化スズ、硫化亜鉛、硫化ビスマス、硫化タングステン、複合金属硫化物等の摩擦材に通常用いられる金属硫化物系潤滑材や、人造黒鉛、天然黒鉛、薄片状黒鉛、石油コークス、活性炭、酸化ポリアクリロニトリル繊維粉砕粉等の摩擦材に通常用いられる炭素質系潤滑材等の潤滑材が挙げられ、これらは１種を単独で又は２種以上を組み合わせて使用することができる。
潤滑材の含有量は上記の弾性黒鉛化カーボンと合わせて摩擦材組成物全量に対して５～１３重量％とするのが好ましく、７～１１重量％とするのがより好ましい。

ｐＨ調整材として水酸化カルシウム等の通常摩擦材に通常用いられるｐＨ調整材を使用することができる。
ｐＨ調整材は、摩擦材組成物全量に対して１～５重量％とするのが好ましく、２～４重量％とするのがより好ましい。

摩擦材組成物の残部としては、硫酸バリウム、炭酸カルシウム等の充填材を使用する。

本発明のディスクブレーキに使用される摩擦材は、所定量配合した摩擦材組成物を、混合機を用いて均一に混合する混合工程、得られた摩擦材原料混合物と、別途、予め洗浄、表面処理し、接着材を塗布したバックプレートとを重ねて熱成型型に投入し、加熱加圧して成型する加熱加圧成型工程、得られた成型品を加熱して結合材の硬化反応を完了させる熱処理工程、粉体塗料を塗装する静電粉体塗装工程、塗料を焼き付ける塗装焼き付け工程、回転砥石により摩擦面を形成する研磨工程を経て製造される。なお、加熱加圧成型工程の後、塗装工程、塗料焼き付けを兼ねた熱処理工程、研磨工程の順で製造する場合もある。

必要に応じて、加熱加圧成型工程の前に、摩擦材原料混合物を造粒する造粒工程、摩擦材原料混合物を混練する混練工程、摩擦材原料混合物、造粒工程で得られた摩擦材原料造粒物、又は混練工程で得られた摩擦材原料混練物を予備成型型に投入し、予備成型物を成型する予備成型工程が実施され、加熱加圧成型工程の後にスコーチ工程が実施される。

以下、実施例及び比較例を示し、本発明を具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に制限されるものではない。

［実施例１～１９・比較例１～１４の摩擦材の製造方法］
表１、表２、表３、表４に示す組成の摩擦材組成物をレディゲミキサーにて５分間混合し、成型金型内で３０ＭＰaにて１０秒間加圧して予備成型をした。この予備成型物を、予め洗浄、表面処理、接着材を塗布した鋼鉄製のバックプレート上に重ね、熱成型型内で成型温度１５０℃、成型圧力４０ＭＰaの条件下で１０分間成型した後、２００℃で５時間熱処理（後硬化）を行い、研磨して摩擦面を形成し、乗用車用ディスクブレーキパッドを作製した（実施例１～１９、比較例１～１４）。

得られた摩擦材において、通常の使用領域でのブレーキ効き、耐フェード性、高温制動におけるブレーキ振動、耐摩耗性、鳴きを評価した。

＜ブレーキ効き＞
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、第２効力試験の車速１３０ｋｍ／ｈ、減速度０．３Ｇにおける摩擦係数の平均値を下記基準にて評価した。
優：０．４０以上
良：０．３７以上０．４０未満
可：０．３４以上０．３７未満
不可：０．３４未満

＜耐フェード性＞
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、第１フェード試験での最少摩擦係数を計測し、下記基準で評価した。
優：０．３０以上
良：０．２５以上０．３０未満
可：０．２０以上０．２５未満
不可：０．２０未満

＜高温制動におけるブレーキ振動＞
ＪＡＳＯＣ４０２「乗用車用常用ブレーキ実車試験」に準拠し、フェード試験時の異音・振動を確認し、下記基準にて評価した。
優：発生なし
良：微弱発生
可：発生するが気にならない。
不可：発生大

＜耐摩耗性＞
ＪＡＳＯＣ４２７「自動車－ブレーキライニング及びディスクブレーキパッド－ダイナモメータ摩耗試験方法」に準拠し、制動初速度５０ｋｍ／ｈ、制動減速度０．３Ｇ、制動回数適宜、制動前ブレーキ温度２００℃の条件で、摩擦材の摩耗量（ｍｍ）を測定し、制動回数１０００回あたりの摩耗量に換算後、下記基準にて評価した。
優：０．１５ｍｍ未満
良：０．１５ｍｍ以上０．２０ｍｍ未満
可：０．２０ｍｍ以上０．５０ｍｍ未満
不可：０．５０ｍｍ以上

＜鳴き＞
ＪＡＳＯＣ４０２「乗用車常用ブレーキ実車試験方法」に準拠し、実車鳴き試験を行い、ブレーキの鳴き発生率を求め、下記基準にて評価した。
優：０％
良：０％を超え５％未満
可：５％以上１０％未満
不可：１０％以上

評価結果を表５、表６、表７、表８に示す。

各表より見てとれるように、本発明の組成を満足する組成物は、ブレーキ効き、耐フェード性、高温制動におけるブレーキ振動、耐摩耗性、鳴きについて良好な評価結果が得られている。

本発明によれば、ディスクブレーキパッドに使用される、結合材、繊維基材、有機摩擦調整材、無機摩擦調整材、潤滑材を含むＮＡＯ材の摩擦材組成物を成型した摩擦材において、銅成分の含有量に関する法規を満足しながら、高温制動におけるブレーキ振動が抑制された摩擦材を提供することができ、きわめて実用的価値の高いものである。

Claims

ディスクブレーキパッドに使用される、結合材、繊維基材、有機摩擦調整材、無機摩擦調整材、潤滑材を含み、銅成分を含まないＮＡＯ材の摩擦材組成物を成型した摩擦材において、
前記摩擦材組成物は、
結合材を摩擦材組成物全量に対し５～９重量％含有するとともに、結合材の一部としてシリコーンゴム変性フェノール樹脂を摩擦材組成物全量に対し１～４重量％含有し、さらに、
有機摩擦調整材としてカシューダストを摩擦材組成物全量に対し１～４重量％と、
無機摩擦調整材として平均粒子径が１５～４０μｍの溶融シリカを摩擦材組成物全量に対し０．５～３重量％と、
無機摩擦調整材として平均粒子径が１０～３０μｍの電融ケイ酸ジルコニウムビーズを摩擦材組成物全量に対し０．１～２重量％とを
含むことを特徴とする摩擦材。
前記摩擦材組成物は、潤滑材として弾性黒鉛化カーボンを摩擦材組成物全量に対し１～４重量％含むことを特徴とする請求項１に記載の摩擦材。