JPH0788500B2 - 摩擦材料 - Google Patents

摩擦材料

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JPH0788500B2 JP61137902A JP13790286A JPH0788500B2 JP H0788500 B2 JPH0788500 B2 JP H0788500B2 JP 61137902 A JP61137902 A JP 61137902A JP 13790286 A JP13790286 A JP 13790286A JP H0788500 B2 JPH0788500 B2 JP H0788500B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は摩擦材料、さらに詳しくは金属を溶浸した炭素
繊維/炭素コンポジット摩擦材に関し、摩擦特性、耐摩
耗性および機械的強度を向上せしめてかつ中ないし高摩
擦係数のブレーキ材を提供するものである。
〔従来の技術および発明が解決すべき問題点〕
炭素繊維/炭素材料(以下C/Cコンポジットと略す)
は、炭素繊維(ポリアクリロニトリル系,ピッチ系等)
を補強材とし、ピッチ,フェノール樹脂,フラン樹脂等
をバインダーとして熱成形したものを、焼成によって炭
素化または黒鉛化して得られる工業用素材である。該C/
Cコンポジットは、これを摩擦材料として使用する場
合、耐熱性には優れているものの、C/Cコンポジット同
志の摩擦組合せではニーズによって多様化する摩擦性能
を満足させるに限度があり、また摩擦相手材として使用
する場合は機械的強度が十分でないという欠点があっ
た。
本発明はC/Cコンポジットのもつこのような欠点を解消
するためになされたもので、C/Cコンポジットの気孔に
少量の金属を溶浸することによって摩擦性能を大幅に向
上させ、所期の目的を達成したものである。
C/Cコンポジットに金属を含有せしめた含金属複合材料
は公知である。たとえば特公昭53−27205においては、
気孔率が10〜50vol%(炭素繊維含有率40〜60vol%)の
C/Cコンポジットに融点が200〜1100℃の非鉄金属または
その2種以上からなる合金を10〜50vol%含有せしめて
強度および潤滑性能に優れた摺動材を得ており、また特
開昭60−162748においても、C/Cコンポジットの炭素マ
トリックス中の連通孔を金属で埋めた複合材料得が提案
されている。後者においては気孔率および金属含有率に
ついての明記はないが(実施例中に炭素繊維約70vol%
とのみ記載)、常温強度が高く、耐熱性に優れているた
め、航空,宇宙用途ならびに自動車や航空機のブレーキ
シューその他の構成材料としての使用が示唆されてい
る。
上記2件の発明はその目的および用途において本発明と
は全く異なり、とくに特公昭53−27205は本発明で意図
する摩擦材とは正反対の摺動材に関するものである。
本発明者は金属を溶浸した上記C/Cコンポジットの摩擦
性能に関し種々検討の結果、摩擦に対しては特公昭53−
27205の記述する溶浸金属量よりも低い一定の溶浸範囲
において著しい性能改善が得られることを見出したので
ある。
〔問題点を解決するための手段〕
すなわち本発明の摩擦材料においては、炭素繊維で補強
した炭素材料からなるコンポジットの気孔率を5〜15vo
l%に調整し、該気孔中に融点125〜1100℃の金属または
合金を3〜10vol%溶浸することを特徴とし、この処理
によって摩擦材料の摩擦係数μは0.3以上、総摩耗量A
は0.20mm以下となり、かつ強度が上昇するとともに、摩
擦温度,速度ならびに圧力の変化による摩擦係数の変動
が小さいという著しい効果が得られる。
〔作 用〕
本発明において摩擦材料の基材となるC/Cコンポジット
は公知の方法によって製造することができる。すなわち
炭素繊維の集合体に樹脂バインダーを含浸し熱成形した
ものを非酸化性雰囲気で約800℃に加熱焼成して炭素化
する。ただし本発明においてはC/Cコンポジットの気孔
率を5〜15vol%に調整することが必要である関係上、
上記炭素繊維集合体を密にし、かつ樹脂含浸と焼成、熱
処理を繰返して所定の気孔率が得られるようにする。最
終段階の焼成では温度を2000℃以上に上げて、黒鉛化し
てもよい。
かくして得られるC/Cコンポジットの気孔部に金属溶湯
を圧入する。加圧下において金属は気孔中に溶浸する
が、これは連続気孔のみにとどまり、独立気孔(独立し
たクローズド気孔)には入らない。加えて炭素に対する
金属溶湯の濡れ性が悪いため、実験の範囲内では溶浸金
属量は全気孔容積に対し約70%が上限であった。
本発明においては作業上および製品の特性の面から融点
125〜1100℃の金属または合金を溶浸に使用する。かか
る金属または合金としては、Cu,Zn,Sn,Pb,Sb,Bi,Cu−S
n,Cu−Zn,などを例示することができる。溶浸金属は摩
擦中の高温時にマトリックスとしての炭素や補強繊維と
しての炭素繊維と反応しないことが本発明では必須の条
件であり、とくに金属間化合物などの硬いぜい弱物質を
生ずると摩擦特性が不安定化し、軟らかい部分が選択的
に摩耗するようになるので好ましくない。この意味でAl
およびその合金は本発明の目的には不適当であり、また
FeやFe合金も融点以外にこのような問題があるため除外
される。
本発明における金属または合金の溶浸量は3〜10vol
%、望ましくは4〜8vol%である。溶浸金属量が10vol
%以上であると耐摩耗性は良好となるが、摩擦係数μが
0.3以下に低下し、また金属量が3vol%以下であると逆
にμは増大するが、同時に総摩耗量Aが増加し、さらに
摩擦材としての強度が低下する。第1表はCu−14Snを5
〜9vol%溶浸した場合のC/Cコンポジットの物性を未溶
浸のそれと比較して示したもので、曲げ強度値および衝
撃値の著しい向上が認められる。
本発明により金属を溶浸したC/Cコンポジットの摩擦性
能が著しく改善される理由についてはつぎのように考え
られる。すなわち溶浸した金属の一部が摩擦時に発生す
る摩擦熱によって溶解し、摩擦材の表面を被覆する。こ
の溶融した金属皮膜のせん断強度(粘性抵抗)が摩擦係
数μの増加と総摩耗量Aの低減に寄与するものと思われ
る。金属溶融膜の厚さとμおよびAの関係を定性的に示
すと第1図のようになり、溶融膜の厚さの増加とともに
μおよびAは低下し、膜がある一定の厚さtに達すると
μおよびAはレベルオフしてほぼ一定の値をとるように
なる。厚さt以上の領域では溶融金属が流体潤滑に近い
状態となり、この膜によって摩擦材面相互の直接接触が
妨げられる。同様の理由により第2図のように、溶浸金
属の融点が低いと金属溶融膜が形成されやすいためμお
よびAの値は低く、融点が上昇するとμおよびAは増大
する。
以下に本発明を実施例によってさらに詳細に説明する
が、本発明はこれらの例によって限定されるものではな
い。なお実施例中の摩擦係数μおよび総摩耗量Aの測定
には自動車用ブレーキダイナモメータを使用し、圧力F
を50および100kgf、速度Vを50および100km/hrとし、こ
れらを組合せた4通りの条件下のμを測定し、さらにそ
れぞれの条件で各100回、計400回の摩擦を行った後のテ
ストピースの厚み減をもってA(mm)とした。
〔実施例〕
実施例1 気孔率を10vol%に調整したC/Cコンポジットを基材と
し、これに金属量が6vol%となるようCu−14Sn合金を溶
浸した。この含金属複合材料を用いて同種摩擦を行い摩
擦係数μを測定したところ第3図に示す結果が得られた
(一点鎖線)。同図には未溶浸C/Cコンポジットのμも
比較して示したが(実線)、Cu−Snの溶浸により、F,V
の各条件下でμが著しく上昇していることがわかる。こ
の場合、摩擦条件が苛酷となるにしたがってμは低下す
るが、F50kgf/V50km/hrでμ=0.49,F100kgf/V100km/hr
でμ=0.38とμの変動幅も比較的小さく良好である。ま
た総摩耗量Aは金属溶浸の場合0.14mmであり、未溶浸の
場合の0.60mmより著しく優れていた。
比較例1 炭素繊維の容積率を50%とし、樹脂の再含浸を行わない
で得た気孔率約30vol%のC/Cコンポジットを用いた以外
は実施例1と全く同様に操作し、Cu−14Sn溶浸量20vol
%の複合材料を得た。このものについて実施例1と同様
にμを測定した結果は第4図のようであった(一点鎖
線)。同図に記載の未溶浸C/Cコンポジット(実線)と
比較すると、F50kgf/V50km/hrの比較的緩和な条件では
μ=0.49と高いが、それ以外の条件下ではいずれもμは
0.3以下となり、とくにF100kgf/V100km/hrの組合せでは
μ=0.22で、未溶浸の場合よりも低く、変動幅も大であ
った。また上記溶浸摩擦材のAは0.28mmであり、実施例
1の6vol%溶浸材よりも劣っていた。
実施例2 気孔率8,10および15vol%のC/Cコンポジットを使用し、
Zn,Pb,Sb,Pb−55Bi,Cu−14Sn,およびCuの各金属または
合金をそれぞれ3,6,10および20vol%溶浸した。これら
溶浸摩擦材のμ値(F50kgf/V50km/hrとF100kgf/V100km/
hrの両極条件におけるμを変動幅として表示)およびA
の値を第2表に示した。
第2表から明らかなように、実施例2〜8の各金属とも
溶浸量3−10vol%において良好な摩擦性能を示し、金
属を溶浸しないC/Cコンポジット(実施例1または比較
例1参照)に比べ著しい改善効果が認められる。しかし
ながら溶浸量10vol%においてはμの下限がいずれも本
発明の目指す0.3の線を切っており、また溶浸量3vol%
においては、Aが目標とする0.20mmを越えているものが
ある。したがって本発明をより安全に実施するために
は、これらの限界量を避けることが望ましい。
実施例9 本例は低融点金属を溶浸した場合の摩擦性能試験の例を
示す。実施例1において溶浸材としてPb−55Bi(融点12
5℃)を用い、溶浸量6vol%の条件で同様に実施し、第
5図の如き結果を得た。尚Pb−55Bi溶浸したC/Cコンポ
ジットの総摩耗量は0.11mm、未溶浸C/Cコンポジットの
それは0.60mmであった。
比較例2 比較例1において溶浸量を同じく20vol%とし、低融点
溶浸(Pb−55Bi合金)を行った結果を第6図に示した。
尚Pb−55Bi溶浸したC/Cコンポジットの総摩耗量は0.03m
m、未溶浸C/Cコンポジットのそれは0.60mmであった。
〔発明の効果〕
以上の説明によって明らかなように、C/Cコンポジット
の摩擦特性は金属または合金の少量の含浸によって顕著
な改善が見られ、新摩擦材料としてブレーキ材その他に
広範な用途が開けるため、工業的な意義はきわめて大き
い。
【図面の簡単な説明】
第1図および第2図はそれぞれ金属溶融膜の厚さおよび
溶浸金属の融点と摩擦係数μおよび総摩耗量Aの関係を
示す定性図、第3図,第4図,第5図および第6図はそ
れぞれ実施例1,比較例1,実施例9および比較例2の溶浸
摩擦材の各測定条件(摩擦圧力Fと摩擦速度Vの4種の
組合せ)における摩擦係数μの値とその変動を示すグラ
フである。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】炭素繊維で補強した炭素材料からなるコン
    ポジットの気孔部に金属を溶浸せしめた金属複合材料に
    おいて、該コンポジットの気孔率を5〜15vol%に調整
    し、該気孔中に融点125〜1100℃の金属または合金を3
    〜10vol%溶浸したことを特徴とする摩擦材料。
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