JPH07149921A

JPH07149921A - 青銅系湿式摩擦材の製造方法

Info

Publication number: JPH07149921A
Application number: JP32596193A
Authority: JP
Inventors: Minoru Fukazawa; 稔深沢
Original assignee: Tokai Carbon Co Ltd
Current assignee: Tokai Carbon Co Ltd
Priority date: 1993-11-30
Filing date: 1993-11-30
Publication date: 1995-06-13

Abstract

(57)【要約】【目的】実用強度を保持しながら高い開気孔率を付与
することができ、優れたエネルギー吸収能と高摩擦特性
をバランスよく兼備する青銅系湿式摩擦材料の製造方法
を提供する。【構成】Ｓｎ粉２〜８重量％、ＳｉＯ₂粉２〜10重量
％、黒鉛粉（平均粒径20〜60μm で粒子径５〜100 μm
の粒分が90重量％以上、Ｃ₀層間距離0.672nm 以下) 18
〜33重量％、籾殻粉(200# 以下) ２〜８重量％、必要に
よりＺｎ粉８重量％以下、残部が電解銅粉からなる組成
の混合原料を圧粉成形し、成形体を芯材に当接した状態
で還元性もしくは不活性雰囲気中で、温度 750〜850
℃、圧力１〜10MPa の条件で加圧焼結する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ブレーキパッドあるい
はクラッチフェーシングとして好適な優れたエネルギー
吸収能と高摩擦特性を備える青銅系湿式摩擦材の製造方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】相対する摩擦面間に潤滑油などの液体が
介在する状態で使用される湿式摩擦材は、ブレーキパッ
ドやクラッチフェーシングとして有用されている。この
湿式摩擦材の材質は、ペーパー系、ゴム系などのものも
あるが、現状では耐熱性および機械的強度に優れる焼結
金属系の材質が主に用いられている。

【０００３】焼結金属系の湿式摩擦材料としては、従来
からＣｕを主成分とし、Ｓｎ、Ｚｎ、Ａｌ、Ａｌ
₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、ＭｏＳ₂等を添加した組成成分を焼
結した銅合金系材質のものが主流となっているが、これ
ら金属およびセラミック粉末に加えて黒鉛その他の炭素
質粉末を有効成分として添加する試みがなされている。
すなわち、黒鉛は本来的に優れた潤滑性と熱的・化学的
安定性を備えているため従来から摩擦材料のフィラーと
して用いられてきた（例えば特開昭61−67736 号公報）
が、炭素質物の添加による一層の材質改善を図ったもの
として、摩擦調整材の一部もしくは全部を結晶格子定数
Ｃ₀が６．７５〜６．８５のセミ黒鉛で構成することに
より潤滑性の温度影響を除いた摩擦材（特開昭64−4972
6 号公報）、フィラーとして膨張黒鉛を含有する高弾性
の摩擦材料（特開平３−282028号公報）、黒鉛粉末を１
０〜３０重量％、気孔率が１０〜２０％のコークス粉末
を３〜１５重量％含有し、残部が銅を主体とした金属成
分粉末の焼結体からなる安定した高摩擦係数を有する湿
式摩擦材料（特開平５−32955 号公報）などが提案され
ている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来技
術による青銅系湿式摩擦材は、油中における摩擦状況は
安定するものの、概して摩擦係数が低い欠点がある。本
発明者は、優れたエネルギー吸収能と安定した高摩擦特
性を保有する金属焼結系の湿式摩擦材料として、先に
Ｃ：２０〜３５重量％、Ｓｎ：２〜８重量％、Ｓｉ
Ｏ₂：４〜１０重量％、残部がＣｕからなり、前記Ｃが
平均粒子径２０〜６０μm で粒子径５〜１００μm の粒
分が９０％以上の粒子性状を有し、黒鉛結晶面間Ｃ₀の
層間距離が０．６７２nm以下の黒鉛粉末である組成の青
銅系成分を焼結してなる材料を開発した（特願平５−22
0732号）。

【０００５】本発明は、引き続き研究を重ねる過程で、
前記の原料組成に新たな添加成分として特定量の籾殻粉
を配合すると材質の開気孔率が増し、湿式摩擦材として
の摩擦特性が一層向上することを解明して開発に至った
ものである。

【０００６】したがって、本発明の目的は、実用強度を
保持しながら高い開気孔率を付与することができ、優れ
たエネルギー吸収能と高度の摩擦特性をバランスよく保
有する青銅系湿式摩擦材の製造方法を提供することにあ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明による青銅系湿式摩擦材の製造方法は、Ｓｎ
粉２〜８重量％、ＳｉＯ₂粉２〜１０重量％、黒鉛粉１
８〜３３重量％、籾殻粉２〜８重量％、残部が電解銅粉
からなる組成の混合原料を圧粉成形し、成形体を芯材に
当接した状態で還元性もしくは不活性雰囲気中で温度７
５０〜８５０℃、圧力１〜１０MPa の条件により加圧焼
結することを構成上の特徴とする。

【０００８】本発明の原料成分は、Ｃｕを主要成分と
し、これにＳｎを配合する青銅系合金成分に、更に非金
属成分としてＳｉＯ₂、黒鉛および籾殻を加えた組成か
らなりそれぞれ粉末として混合原料とする。このうち、
主要成分となるＣｕとしては圧粉成形時の材質強度を維
持するために好適な樹枝状の電解銅粉が用いられる。Ｓ
ｎ粉は焼結時にＣｕに固溶して焼結を促進し、７５０〜
８５０℃範囲での焼結化を可能にすると共に焼結体の開
気孔率を増大させる合金成分となる。その配合量は２〜
８重量％、好ましくは３〜４重量％の範囲に設定する。
２重量％未満ではＣｕの焼結が困難となり、８重量％を
越えるとＳｎ成分の凝固偏析を生じて摩擦特性を劣化さ
せる原因となる。なお、Ｓｎ粉としては、粒度２００メ
ッシュ以下のアトマイズ粉またはスタンプ粉を用いるこ
とが望ましい。

【０００９】合金成分としては、必要に応じてＺｎ粉を
８重量％以下、好ましくは３〜５重量％の量比で配合す
ることができる。Ｚｎ粉はＳｎ粉と同様に焼結助剤およ
び開気孔率形成剤として機能する成分となる。このた
め、Ｓｎ量を多くした際には無添加でもよいが、高価な
Ｓｎの添加量を少なくしてＺｎを添加することが良好な
配合手段となる。しかし、Ｚｎの添加量が８重量％を上
廻ると、凝固偏析を生じて摩擦性能の低下原因となる。
Ｚｎ粉としては、粒度２００メッシュ以下のアトマイズ
粉またはスタンプ粉が好適に用いられる。

【００１０】非金属成分のうち、ＳｉＯ₂は耐摩耗性を
付与し、同時に相手部材を適度に削磨して新たな摩擦面
を露出させることにより摩擦特性を安定させる成分とな
るもので、２〜１０重量％、好ましくは５〜７重量％の
範囲で添加する。この添加量が２重量％未満であると耐
摩耗性および摩擦係数が低下し、１０重量％を越えると
相手部材に対する削磨性が増大し過ぎるうえ、焼結体の
強度低下を招く。

【００１１】黒鉛粉は、摩擦特性を安定させるために不
可欠の成分で、１８〜３３重量％、好ましくは２０〜３
０重量％の範囲で配合される。この配合量が１８重量％
を下廻ると摩擦特性を安定させる機能が発揮されず、３
３重量％を越えると焼結体の強度ならびに摩擦係数の低
下を招く。

【００１２】なお、黒鉛粉は平均粒子径が２０〜６０μ
m の範囲にあって粒子径５〜１００μm の粒分含有率が
９０重量％以上の粒子性状を有し、かつ黒鉛結晶を構成
するＣ₀面間の層間距離が０．６７２nm以下の高結晶質
黒鉛粉末を選択使用することが好ましい。この理由は、
平均粒子径２０〜６０μm で粒子径５〜１００μm の粒
分が９０重量％以上の条件を満たす場合に優れたエネル
ギー吸収能が付与され、安定した摩擦特性と高い材質強
度の保持が可能となるためである。例えば、５μm 未満
の微細黒鉛粉末が多くなるとＣｕ合金マトリックスの結
合を分断して焼結体の強度低下を招き、逆に１００μm
を上廻る粒分が多くなると摩擦係数が減退する。黒鉛結
晶面間Ｃ₀の層間距離が０．６７２nm以下の黒鉛粉末を
用いるのは、この高黒鉛性が摩擦特性を安定化させるた
めに有効に機能するからである。

【００１３】籾殻粉は、本発明の重要な原料要素となる
もので、この添加によって最終的に得られる摩擦材組織
に強度低下を伴うことなくエネルギー吸収能と摩擦特性
をバランスよく向上させるために好適な開気孔率が付与
される。籾殻粉以外の空隙形成材、例えば鋸屑、アクリ
ル繊維チョップ、メソフェーズピッチ粉、珪藻土粉など
を配合しても、籾殻粉配合時に匹敵する高水準の摩擦係
数ならびに限界数値を同時に得ることはできない。

【００１４】該籾殻粉は、２〜８重量％の範囲で配合さ
れる。２重量％未満であると摩擦特性の改善効果が得ら
れず、８重量％を越えると強度低下が生じる。また、籾
殻粉は粒度が２００メッシュ以下の微粉を用いることが
好ましく、これより粉末粒度が粗くなると焼結組織のポ
ア径が大きくなって、材質強度を減退させる原因とな
る。

【００１５】上記組成の原料成分は、均一になるように
機械混合して混合原料としたのち圧粉成形する。圧粉成
形は、混合原料を金型に充填し、１００〜１０００MPa
の範囲内で得られる焼結体の開気孔率を考慮した加圧力
を適用しておこなう。得られた成形体は、ついで加圧焼
結される。加圧焼結時の処理条件は、成形体を芯材に当
接した状態で還元性もしくは不活性雰囲気中で、温度７
５０〜８５０℃、圧力１〜１０MPa に設定する。焼結温
度が７５０℃未満であると籾殻成分の炭化が不足し、同
時に金属成分の合金化が円滑に進行しないため焼結体の
強度が減退し、８５０℃を越えると籾殻成分から生成し
た無定形ＳｉＯ₂がクリストバライトに結晶化して相手
部材に対する削磨性が増大するうえ、芯材の損傷も大き
くなる。また、焼結圧力が１MPa を下廻ると材質強度の
低下を招き、他方、１０MPa を上廻ると開気孔率が減少
する。より好ましい焼結圧力範囲は、１．５〜３．５MP
aである。

【００１６】上記の工程で製造された青銅系湿式摩擦材
は、最終的に所定の摩擦材形状に沿う油溝、厚みおよび
表面研磨などの加工を施して製品とする。

【００１７】

【作用】本発明に係る青銅系湿式摩擦材によれば、Ｓｎ
粉２〜８重量％、ＳｉＯ₂粉２〜１０重量％、黒鉛粉１
８〜３３重量％、籾殻粉２〜８重量％、残部が電解銅粉
からなる組成、またはこれに必要に応じてＺｎ粉を８重
量％以下の量比で配合した組成の混合原料が、圧粉成形
および特定条件下による加圧焼結工程を介して焼結体に
高水準の開気孔率と実用範囲の材質強度を与え、同時に
優れた耐摩耗性と安定した摩擦性能ならびに相手材に対
する適度の削磨性を付与するために有効に機能する。

【００１８】特に配合した籾殻粉は、焼成段階で炭化さ
れて無定形炭素と無定形ＳｉＯ₂に転化し、同時に揮発
成分の揮散に伴う収縮作用で無数の微細気孔が発生す
る。そして、形成された微細気孔の周辺は前記の無定形
ＳｉＯ₂成分により強固に結合しているから、開気孔率
の増大によって材質強度が損なわれることはない。この
開気孔率の増大作用に基づいて摩擦時のエネルギー吸収
能が増大し、一層安定した高水準の摩擦特性を保持させ
ることが可能となる。

【００１９】このような作用が相俟って、ブレーキパッ
ドあるいはクラッチフェーシングとした場合に常に安定
した高摩擦性能が発揮される。

【００２０】

【実施例】以下、本発明の実施例を比較例と対比して具
体的に説明する。

【００２１】実施例１〜７、比較例１〜４Ｃｕ粉（電解銅粉）、Ｓｎ粉末（スタンプ粉、200#以
下) 、Ｚｎ粉（スタンプ粉、200#以下) 、ＳｉＯ₂粉
（珪石粉、平均粒径17μm ）、黒鉛粉（平均粒径37μm
、５〜100 μm 粒分98重量％、Ｃ₀ 層間距離0.671nm
）および籾殻粉（200#以下）を、表１に示す割合で配
合し、Ｖ型混合機により２０分間乾式混合して均質な混
合粉末を調製した。各混合原料を外径３３５mm、内径２
８０mmのリング状金型に充填し、５００MPa の圧力を適
用して圧粉成形して、内径２８０mm、厚さ１．５mmの円
板成形体を得た。ついで、各成形体を外径３４０mmの鉄
芯板の両面に当接した状態で所定の加圧力を付与しなが
らＨ₂ガス雰囲気下で所定温度に加熱して加圧焼結を施
した。得られた焼結材料を平面研削加工し、更に油溝と
して螺旋溝および放射溝（中心から外側に両面で38本)
を加工形成して湿式摩擦材を得た。

【００２２】得られた各摩擦材（焼結体）の開気孔率お
よび抗折力を測定し、原料組成および焼結条件と併せて
表１に示した。なお、開気孔率の測定は真空中で焼結体
に水を含浸させ、その含浸量から算出した。また、抗折
力の測定は焼結体から幅１５mm、長さ３５mmの試片を切
り出し、２５mmのスパンによる３点曲げ法（試験速度２
mm/minによる破壊荷重測定）によった。

【００２３】

【表１】

【００２４】表１の結果から、実施例による摩擦材は高
い開気孔率と実用上十分な材質強度がバランスよく付与
されていることが認められる。これに対し、籾殻粉配合
量が２重量％未満の比較例１、２では材質強度は高いも
のの開気孔率が低く、また籾殻粉配合量が８重量％を越
える比較例３、４では開気孔率は高くなるが、材質強度
が低下する結果を示した。

【００２５】次に、上記の各摩擦材につき、下記の条件
で慣性型試験機により湿式摩擦試験をおこない、限界状
況となった時点の限界数値および摩擦係数を籾殻粉配合
量と対比したグラフとして図１および図２に示した。

【００２６】湿式摩擦試験条件；摩擦板（摩擦面積292.
2cm²、有効半径0.1550m)を各３枚用い、相手材としてＳ
４５Ｃを４枚使って交互に組み合わせて摩擦面数６面と
した。慣性モーメントを１０．５kgfms²、係合い面圧を
２０kgf/cm²にそれぞれ設定し、周速を６．５m/s から
０．８m/s づつ上昇してトルク波形の異常などの限界状
況が発生するまで摩擦試験をおこなった。潤滑油にはエ
ンジン油〔三菱石油（株）製、SAE#30〕を用い、油温７
０℃、供給油量２０ml/cm².minとした。なお、周速は焼
付きが発生した時点の周速で、数値が大きいほど高負荷
条件で使用できることを示す。限界数値はエネルギー吸
収量を見掛け上の摩擦面積当たりの慣性体の回転運動エ
ネルギーで示し、エネルギー吸収量を停止時間で除した
エネルギー吸収工率の値で示した場合に〔エネルギー吸
収量(kgfm/cm²)×エネルギー吸収工率(kgfm/cm²/s)〕で
算出した値であり、焼付き発生時の負荷に相当する。し
たがって、限界数値が大きいほど焼付きなしに高負荷条
件で使用し得ることを示す。また、摩擦係数は周速１０
m/s 時のトルクから〔μ＝Ｔ／Ｐ×Ｚ×Ｒ〕式（但し、
Ｔはトルク、Ｐは総押付け力、Ｚは摩擦面数、Ｒは有効
半径）で算出した値で、大きいほど摩擦特性に優れてい
ることを示すものである。

【００２７】図１および図２の結果から、籾殻粉の配合
量が２〜８重量％範囲で製造された摩擦材は、限界数値
が１０００kgfm/cm²×kgfm/cm²/s) を越え、摩擦係数も
０．１２以上の高い値を示している。しかし、籾殻粉の
配合量が２重量％未満の場合には限界数値、摩擦係数と
もに極端に低下し、また籾殻粉が８重量％を越えると限
界数値が激減し、９重量％の配合時には摩擦ライニング
の摩耗量が限界に達する。

【００２８】比較例５〜７実施例１、４および６の原料組成において、籾殻粉に替
えて鋸粉(200# 以下)を配合し、その他の条件は実施例
と同一条件により摩擦材を製造した。得られた各摩擦材
の開気孔率と抗折力を測定し、その結果を表２に示し
た。また、鋸粉配合量と限界数値との関係グラフを図３
に、鋸粉配合量と摩擦係数の関係グラフを図４に示し
た。

【００２９】比較例８〜１０実施例１、４および６の原料組成において、籾殻粉に替
えてアクリル繊維粉（繊維径20μm 、長さ２mmのチョッ
プ）を配合し、その他の条件は実施例と同一条件により
摩擦材を製造した。得られた各摩擦材の開気孔率と抗折
力を測定し、結果を表２に併載した。また、アクリル繊
維粉の配合量と限界数値との関係グラフを図３に、同様
に摩擦係数との関係グラフを図４に併せて示した。

【００３０】比較例１１〜１３実施例１、４および６の原料組成において、籾殻粉に替
えてメソフェーズピッチ粉（平均粒子径10μm)を配合
し、その他の条件は実施例と同一条件により摩擦材を製
造した。得られた各摩擦材の開気孔率と抗折力を測定
し、結果を表２に併載した。また、メソフェーズピッチ
粉の配合量と限界数値との関係グラフを図３に、同様に
摩擦係数との関係グラフを図４に併せて示した。

【００３１】比較例１４〜１６実施例１、４および６の原料組成において、籾殻粉に替
えて珪藻土粉（平均粒径15μm)を配合し、その他の条件
は実施例と同一条件により摩擦材を製造した。得られた
各摩擦材の開気孔率と抗折力を測定し、結果を表２に併
載した。また、珪藻土粉の配合量と限界数値との関係グ
ラフを図３に、同等に摩擦係数との関係グラフを図４に
併せて示した。

【００３２】

【表２】

【００３３】表２、図３および図４の結果を考察して明
らかなとおり、籾殻粉以外の気孔率付与添加材を配合し
た比較例５〜１６の摩擦材は、開気孔率および材質強度
は実施例品と同等の値を示したが、限界数値と摩擦係数
のいずれかが低い値を示し、籾殻粉配合時のように両特
性を高水準域でバランスよく満たすことができなかっ
た。

【００３４】

【発明の効果】以上のとおり、本発明によれば特定配合
比率のＳｎ粉、ＳｉＯ₂粉、黒鉛粉および籾殻粉、必要
に応じてＺｎ粉を添加した組成からなる混合原料を選択
し、これを圧粉成形および加圧焼結することにより、実
用強度を保持しながら優れたエネルギー吸収能ならびに
高摩擦性能をバランスよく兼備する青銅系湿式摩擦材を
効率よく製造することが可能となる。したがって、高性
能が要求されるブレーキバッドあるいはクラッチフェー
シングの製造技術として極めて有用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１〜７、比較例１〜４の摩擦材における
籾殻粉配合量と限界数値との関係を示したグラフであ
る。

【図２】実施例１〜７、比較例１〜４の摩擦材における
籾殻粉配合量と摩擦係数との関係を示したグラフであ
る。

【図３】比較例５〜１６の各摩擦材における添加物量と
限界数値との関係を示したグラフである。

【図４】比較例５〜１６の各摩擦材における添加物量と
摩擦係数との関係を示したグラフである。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｓｎ粉２〜８重量％、ＳｉＯ₂粉２〜１
０重量％、黒鉛粉１８〜３３重量％、籾殻粉２〜８重量
％、残部が電解銅粉からなる組成の混合原料を圧粉成形
し、成形体を芯材に当接した状態で還元性もしくは不活
性雰囲気中で温度７５０〜８５０℃、圧力１〜１０MPa
の条件により加圧焼結することを特徴とする青銅系湿式
摩擦材の製造方法。
【請求項２】混合原料に、Ｚｎ粉８重量％以下を配合
する請求項１記載の青銅系湿式摩擦材の製造方法。
【請求項３】籾殻粉の粒度が、２００メッシュ以下で
ある請求項１記載の青銅系湿式摩擦材の製造方法。
【請求項４】黒鉛粉が、平均粒径２０〜６０μm で粒
子径５〜１００μmの粒分が９０重量％以上の粒子性状
を有し、かつ黒鉛結晶面間Ｃ₀の層間距離が０．６７２
nm以下の高結晶質黒鉛である請求項１記載の青銅系湿式
摩擦材の製造方法。