JPH05179232A

JPH05179232A - ブレーキ用焼結金属摩擦材

Info

Publication number: JPH05179232A
Application number: JP3357894A
Authority: JP
Inventors: Kenji Fukazawa; 建二深沢
Original assignee: Toshiba Tungaloy Co Ltd
Current assignee: Tungaloy Corp
Priority date: 1991-12-26
Filing date: 1991-12-26
Publication date: 1993-07-20

Abstract

(57)【要約】【目的】耐熱フェード性および耐水フェード性にすぐ
れ、高速、高負荷さらに降雨等の環境でも摩擦係数が安
定したブレーキ用焼結金属摩擦材を提供する。【構成】銅合金とフェラーより構成するブレーキ用焼
結金属摩擦材に、周期律表４ａ，５ａ，６ａ族金属の炭
化物を添加し、この添加物を効果的ならしめるための銅
合金およびフェラーの成分を限定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、自動車、二輪車、鉄道
車両、産業機械等に使用される制動性能に優れたブレー
キ用焼結金属摩擦材に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、銅基焼結金属摩擦材は黄銅，
あるいは青銅をマトリックスに，潤滑成分として黒鉛、
二硫化モリブデン、摩擦調整成分としてアルミナ、シリ
カ等金属酸化物の硬質粒子を分散し焼結した摩擦材に例
えば、特開昭５８−７９０７３号公報がある。

【０００３】金属あるいは鉱物繊維、炭酸カルシウム、
硫酸バリュウム等の充填材、黒鉛、二硫化モリブデン等
潤滑材成分、アルミナ、シリカ、ムライト等摩擦調整成
分をフェノール樹脂等で結合させた、いわゆる有機系摩
擦材に比べ、銅基焼結金属摩擦材は、摩擦係数が高い、
機械的強度が高い、摩耗量が少ない、降雨時の制動にお
いて摩擦係数が安定している等の長所を有しており、耐
久性と高い信頼性があるので、主に、高速、高負荷条件
のブレーキに用いられている。

【０００４】元素周期律表４ａ，５ａ，６ａ族金属の炭
化物を摩擦材料乃至銅基焼結合金に用いた例としては、
まず特開平３−４３４８５号公報に記載された発明があ
る。この材料では、摩擦材の種類は特に制限されないと
しているが、記載された実施例は全てレジンモールド系
の摩擦材であって、材質を異にする銅基焼結摩擦材につ
いて前記炭化物の効果的添加を可能にするための実質的
な構成や構造の記述は全くなかった。

【０００５】また、特開平３−８７３２７号公報に記載
された発明で、銅基合金に珪化物および硼化物とともに
高融点炭化物粒子を分散させることによって、耐摩耗性
と固体潤滑特性が優れるというものがある。しかし前記
発明合金は、ブレーキ用などの摩擦材料でなく、低摩擦
係数であればあるほど好ましい軸受、バルブシート等の
用途の耐摩耗性合金である。

【０００６】また特開昭５０−９３２１０号公報に記載
された発明で銅基合金に鉄−クロム合金とモリブデンと
を分散させて耐摩耗性と耐アーク性が優れるというもの
がある。この合金ではクロム、モリブデンの一部が炭化
物になっていることが考えられる。しかしこの合金もブ
レーキ用など摩擦材料とは構成および技術思想の異なる
パンタグラフすり板材料などの摺動材料である。

【０００７】このように用途が本発明と異なる合金にお
いては、後記のような本発明技術分野での課題は全く問
題にならず、したがって、課題を解決することができな
かったのも当然であった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】最近の内熱機関の高性
能化、車両の大型化、さらにバネ下重量の軽減化に伴う
ブレーキ構成部品の軽量化等と相まって、ブレーキ材料
に負荷するエネルギーは著しい増大傾向となっている。
このため従来の銅基ブレーキ用焼結金属摩擦材では、高
速、高負荷時におけるブレーキ制動で発生する摩擦熱に
より、摩擦係数が急激に低下する熱フェード現象をきた
し、安定した摩擦係数を維持するのが困難となってい
る。さらに、降雨時の制動で水分が介在した場合、摩擦
係数が安定しているとはいうものの、しばしば形成され
る水膜の破断作用が不十分で極端に摩擦係数が低下する
水フェード現象が発生する。特に大型二輪車のディスク
ブレーキにおいては、摩擦材、相手板とも露出状態で装
着されている場合が多く、晴天時の乾燥状態での使用、
降雨時での使用、あるいは水中に没する場所での使用な
ど使用環境は常に一定でなくあらゆる条件下で使用され
るため、耐熱フェード性、耐水フェード性、耐摩耗性等
総合的に安定した摩擦係数を保持する銅基ブレーキ用焼
結金属摩擦材の開発要求が高まっている。

【０００９】上記現象について詳細に観察すると、熱フ
ェードに対しては、高温時化学反応により生成した凝着
物による摩擦係数の低下とマトリックス材料の耐熱性不
足による塑性流動が起因しており、また、水介在時の水
フェードに対しては、金属との親和性に劣る金属酸化物
粒子がパッドしゅう動面からの脱落により、パッドとデ
ィスクの間に形成した水膜を破断できないことが起因し
ていることが明らかとなった。さらに、水による空気の
遮断や水による冷却効果のため、通常パット表面に形成
されるべきマトリッックス金属の酸化物生成が阻害され
るため、金属同志の摩擦となるためディスク面に強固な
凝着物を形成して異常摩耗現象を起こすことが判った。

【００１０】

【課題を解決するための手段】従来の銅基焼結摩擦材の
長所を損なう事なく、さらに耐熱フェード性、耐水フェ
ード性、耐摩耗性に優れたブレーキ用焼結金属摩擦材の
研究開発を行った結果、銅合金とフィラーより構成する
摩擦材料において、銅合金中に占める成分は、錫および
／または亜鉛の含有量が５〜２０重量％、ニッケルが５
〜２５重量％、鉄、クロム、モリブデン、タングステン
のうち１種または２種以上２〜８重量％よりなるマトリ
ックスに周期律表４ａ，５ａ，６ａ族金属から選ばれる
１種または２種以上の炭化物０．５〜８重量％とフェロ
クロム、フェロモリブデン、フェロタングステンから選
ばれる１種または２種以上の金属間化合物２〜１０重量
％とを分散した残部銅である銅合金に、摩擦材料全体に
対するフィラー成分の重量比が、アルミナ、シリカ、ム
ライトから選ばれる１種または２種以上の金属酸化物粒
子５〜２２％、黒鉛および／またはコークス粒子５〜２
５％、フッ化カルシュウム、二硫化モリブデン、二硫化
タングステン、窒化ホウ素から選ばれる１種または２種
以上の固体潤滑剤２〜１２％のフィラー粒子を分散した
複合材料である銅基焼結金属摩擦材が、耐熱フェード
性、耐水フェード性、耐摩耗性に優れ、従来の銅基焼結
金属摩擦材では得られない、乾燥、湿潤、いずれの環境
下に於ても安定した摩擦係数、耐摩耗性を有することが
確認された。

【００１１】

【作用】本発明のよるブレーキ用焼結金属摩擦材の各添
加成分の作用および限定の理由を以下に説明する。

【００１２】まず、銅合金の構成成分および作用につい
て述べる。銅合金は銅、錫、亜鉛、ニッケル、鉄などの
金属成分マトリックスにフェロクロムなどの金属間化合
物および炭化チタンや炭化タングステンなどの硬質物質
を分散した組織を示す。

【００１３】銅合金中に占める錫および／亜鉛を５〜２
０重量％とした。錫や亜鉛はマトリックスと一部固溶し
マトリックスの機械的強度を高めるとともに各種添加物
を強固に保持する。５重量％未満では、摩擦材の機械的
強度が低下し、添加物の保持力が弱くなり、さらに耐摩
耗性も悪くなる。２０重量％を越えると高温制動時にお
いてマトリックスの塑性流動を生じて摩擦係数の低下を
まねく。

【００１４】ニッケルを５〜２５重量％とした。ニッケ
ルは銅と全率固溶しマトリックスの融点を上昇せしめ、
従来材の銅基焼結材より優れた耐熱性向上と摩擦係数の
安定化に効果を発揮する。さらに耐蝕性においても優れ
た効果を発揮する。５重量％未満では耐熱性の効果が不
十分で摩擦係数が安定せず、２０重量％以上では焼結性
が低下し摩擦材の機械的強度低下をまねく。

【００１５】鉄、クロム、モリブデン、タングステンな
どの金属成分を２〜１０重量％とした。これら金属成分
はマトリックスの機械的強度と耐熱性を向上させる。さ
らに制動時に発生する摩擦熱により空気中の酸素と反応
して金属酸化物を生成するので耐摩耗性を向上する。２
％未満では機械的強度や耐熱性の向上が望めず、１０重
量％以上では焼結性低下による機械的強度低下をまね
き、さらに耐蝕性も低下する。

【００１６】フェロクロム、フェロモリブデン、フェロ
タングステンなどを２〜１５重量％とした。フェロクロ
ムなどの硬質成分は耐摩耗性を向上する。セラミックス
系硬質粒子に比べ、マトリックスとの濡れ姓が良く粒子
を強固に保持されるため脱落による摩耗が少ない。銅合
金中、２重量％以下では耐摩耗性効果が得られず、１５
重量％以上では焼結性が低下し摩擦材料の機械的強度低
下する。

【００１７】元素周期律表４ａ，５ａ，６ａ族金属より
なる群から選ばれた１種または２種以上の炭化物を銅合
金中、０．５〜８重量％とした。本発明で特に特徴づけ
られるのは、これら炭化物と高融点金属との複合化によ
る相乗効果を生み出したことである。炭化チタンや炭化
タングステンなどの炭化物はいずれも１８００℃以上の
高融点物質であり、Ｈｖ１３００以上の高硬度物質であ
る。マトリックス中に分散させることによりマトリック
スと強固に結合するため、常温はもちろん高温機械的強
度が高くなる。硬質粒子として、高温時に熱フェードを
起こすマトリックスの塑性流動に対しくさび止め効果が
あり、ディスク面へのスパイク作用による高摩擦係数効
果がある。さらに、水介在時の環境下での使用において
も、摩擦面に化学的に安定な炭化物があるため相手ディ
スクに凝着することなく、前記と同様にディスク面への
スパイク作用により高摩擦係数化効果と、耐水フェード
性向上、耐摩耗性向上に有効な成分として働く。これら
の効果は、本発明と構成または用途を異にする前記特開
平３−４３４８５号公報、特開平３−８７３２７号公報
および特開昭５０−９３２１０号公報の発明には記載も
示唆もされていない。

【００１８】銅合金中、０．５重量％以下では顕著な効
果が見られず、８重量％以上では硬さが高くなり過ぎ摩
擦材料として好ましくなく、相手材への攻撃性が大きく
なり過度に相手材を摩耗させる。粉末粒子の大きさは１
５０μｍ以下が適当である。

【００１９】次に、摩擦材料全体に対して、各フィラー
の構成成分および作用について述べる。

【００２０】黒鉛および／またはコークスを５〜２５重
量％とした。黒鉛などは自己潤滑成分であり、相手ディ
スク面への金属成分の凝着を防止し、摩擦係数の安定化
と耐摩耗性に効果がある。５重量％未満では上記の効果
がなく２５重量％以上では、摩擦係数の低下が大きくな
り、さらに摩擦材料の機械的強度を低下させる。

【００２１】フッ化カルシュウム、二硫化モリブデン、
二硫化タングステンなどを５〜１２重量％とした。フッ
化カルシュウムなどは黒鉛と同様に自己潤滑成分であっ
て、高温域まで優れた潤滑性能を示し相手ディスク面へ
の金属成分の過度の凝着を防止し、摩擦係数の安定化と
耐摩耗性向上に効果がある。５重量％未満では摩擦係数
安定化の効果が少なく、１２％以上では摩擦材の機械的
強度低下し、摩擦係数も低下する。

【００２２】アルミナ、ムライト、シリカ等モース硬度
４以上の金属酸化物を５〜２２重量％とした。これら金
属酸化物は、高硬度による耐摩耗性向上に優れた効果が
あり、掘り起こし作業による高摩擦係数化と、相手材に
付着生成する物質を適当に除去する作用があり摩擦係数
の安定化に有効に働く。５重量％未満では効果が無く２
２重量％以上では相手材への攻撃性が大きくなり過度の
相手材摩耗をきたすとともに、摩擦材の機械的強度低下
をまねき破損や異常摩耗が生じ適当でない。なお、これ
ら金属酸化物粒子の一部を炭化珪素のような硬質粒子に
置き換えても同様な効果が得られる。

【００２３】本発明の特徴は、従来のブレーキ用焼結金
属摩擦材に対して、高強度と高耐熱性、高温時および水
介在時など多様な摩擦環境下の摩擦係数安定性化と耐摩
耗性に優れた性能を実現するため、前記の新規な技術思
想に基づき技術課題を解決したものである。すなわち、
摩擦材料中の銅合金の果たす機能に注目して、銅合金中
にニッケルと高融点金属と元素周期律表４ａ，５ａ，６
ａ族金属よりなる群から選ばれた１種または２種以上の
炭化物とを選択して種々複合化するなかで好適な組み合
わせを実験の結果獲得したものである。なお、摩擦材料
中には適当な連通空孔を分布させ摩擦材料に弾力性を付
与する上で必要であり、本発明においても適当な連通空
孔を設けている。

【００２４】次に実施例により具体的に説明する。

【００２５】

【実施例１】本発明の構成および効果を比較するための
従来技術による比較例を以下に説明する。実施例およ
び比較例の配合組成（重量％）を表１に示す。なお、摩
擦調整成分として実施例１〜５はＳｉＯ₂を、実施例６
〜７はムライトを、実施例８〜１０はＡｌ₂Ｏ₃を用い、
従来技術比較例ではムライトを用いた。

【００２６】金属炭化物としてＴｉＣ，Ｍｏ₂Ｃ，Ｃｒ₃
Ｃ₂は１〜１０μｍ、ＺｒＣ，ＨｆＣ，ＮｂＣ，ＴａＣ
は１０〜３０μｍ、Ｂ₄Ｃは１００〜１５０μｍの粒径
粉末を用いた。表１に示した実施例１〜１０、比較例１
〜２組成をＶブレンダーで均一に混合し、成形圧３ｔ／
ｃｍ²でパット形状に常温成形後、Ｃｕメッキしたバッ
クプレート上に形成品をセットし、水素ガス雰囲気中
で、温度８５０℃、保持時間４５分、加圧力７ｋｇｆ／
ｃｍ²でホットプレス後、所定寸法に研摩加工し摩擦材
を得た。

【００２７】実施例で得られた摩擦材は、気孔率１５〜
２８％で、いずれもマトリックス中に金属炭化物が均一
分散した組織を有するものであった。

【００２８】実施例および比較例のブレーキ用摩擦材試
験の測定結果を表２に示す。試験条件はブレーキダイナ
モメーターを用い、相手材にステンレス、慣性力１．２
５ｋｇ・ｍ・ｓｅｃ²、ブレーキ初速度１５０ｋｇ／ｈ
ｒ、接触面積２０ｃｍ²、面圧１０ｋｇｆ／ｃｍ²、制動
温度３００℃で２０回制動を行なった。本発明品は摩擦
係数が安定しており、耐熱フェード性に優れた効果が得
られた。

【００２９】次に乾式、湿式ブレーキ条件の試験とし
て、実施例および比較例の摩擦材を使用し、ブレーキダ
イナモメーターを用い、相手材にステンレス、慣性力
１．０ｋｇ・ｍ・ｓｅｃ²、ブレーキ初速度５０ｋｇ／
ｈｒ、接触面積２０ｃｍ²、面圧１０ｋｇｆ／ｃｍ²、制
動間隔４５ｓｅｃで乾燥条件と湿潤条件（１２０ｃｃ／
ｍｉｎで散水）各１００回の制動を行ない平均摩擦係
数、および摩耗量の測定を行なった。この測定結果を表
３に示す。本発明品は乾燥条件と湿潤条件との摩擦係数
差が小さく、耐水フェード性の効果が現れている。

【００３０】

【表１】

【００３１】

【表２】＊制動試験条件として、１〜５回の制動回数で摩擦材温
度を３００℃以上に上昇させ５回以降３００℃制動を行
なった。

【００３２】

【表３】

【００３３】

【発明の効果】上記実施例で明らかなように、本発明の
ブレーキ用焼結金属摩擦材は高温における摩擦係数が安
定し（耐熱フェドー性）、乾燥、湿潤いずれの環境にお
いても安定した摩擦係数（耐水フェドー性）と耐摩耗性
が得られ、従来材に比較して高速、高負荷時さらに降雨
時等の環境変化に左右されない安定した摩擦係数が得ら
れる全天候型のブレーキ用焼結金属摩擦材を提供するも
のである。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】銅合金とフィラーより構成する摩擦材料
において、銅合金中に占める成分が、錫および／または
亜鉛の含有量が５〜２０重量％、ニッケルが５〜２５重
量％、鉄、クロム、モリブデン、タングステンのうち１
種または２種以上２〜１０重量％よりなるマトリックス
に周期律表４ａ，５ａ，６ａ族から選ばれる１種または
２種以上の炭化物０．５〜８重量％とフェロクロム、フ
ェロモリブデン、フェロタングステンから選ばれる１種
または２種以上の金属間化合物２〜１０重量％とを分散
した残部銅である銅合金と、摩擦材料全体に対するフィ
ラー成分の重量比が、アルミナ、シリカ、ムライトから
選ばれる１種または２種以上の金属酸化物粒子５〜２２
％、黒鉛および／またはコークス粒子５〜２５％、フッ
化カルシュウム、二硫化モリブデン、二硫化タングステ
ン、窒化ホウ素から選ばれる１種または２種以上の固体
潤滑剤２〜１２％のフィラーとを複合してなるブレーキ
用焼結金属摩擦材。