JPH093565A - 銅系焼結摩擦材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 相手部材との接触性が改善され、同時に高い
摩擦係数および耐摩耗性をも備えた、ブレーキシステム
の小型化、軽量化が可能な摩擦材料を提供することにあ
る。 【構成】 結合材の主成分である銅として平均粒径５〜
３０μｍの銅微粉末を含み、これに充填材を配合した配
合組成物を焼結して、ＨＲＲ（鋼球１／２インチ、荷重
６０ｋｇ）で測定した硬度が４０〜７０であり、且つ気
孔率が２０〜３０ｖｏｌ％である銅系焼結摩擦材料とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、銅系焼結摩擦材料およ
びその製造方法に関する。詳しくは、本発明は、産業機
械、鉄道車両、商用車、乗用車などに使用される摩擦材
（ブレーキパッド、ブレーキライニング、クラッチフェ
ーシング等）、特に、ブレーキのスペースや重量の制限
により負荷の高いブレーキ設計が要求されるトラック、
バス等の商用車、新幹線等の鉄道車両用ブレーキに好適
に利用される摩擦材に関する。

【０００２】

【従来の技術】産業機械、鉄道車両、商用車、乗用車等
のブレーキやクラッチに用いられる摩擦材（ブレーキパ
ッド、ブレーキライニング、クラッチフェーシング等）
のうち、トラック、バス等の商用車、新幹線等の鉄道車
両等に用いられるものについては、ブレーキのスペース
や重量の制限により容量の大きいブレーキ設計が困難で
あるため、少ない摩擦面積でより高い摩擦係数と耐摩耗
性を有する小型で軽量の摩擦材が要求される。

【０００３】しかしながら、従来からブレーキ等の摩擦
材として一般的に用いられてきた結合材として熱硬化性
樹脂を用いた有機系の摩擦材では、高温で摩擦係数が低
下する傾向があり、また過酷な使用条件下での摩耗が多
いという欠点があるため、上述した高負荷の用途に対す
る摩擦材としては性能が不十分であった。

【０００４】一方、結合材として銅等の金属を用いた配
合組成物を焼結して得られる焼結摩擦材は、高温での摩
擦係数の低下が小さく、過酷な条件でも摩耗が少ないた
め、高負荷摩擦材として普及している。そして、かかる
焼結摩擦材を小型化、軽量化するために、摩擦材の硬度
を下げて軟質化し、摩擦面の実質的な接触面積を拡大す
ることが試みられている。

【０００５】しかし、焼結摩擦材を単に軟質化すると、
相手部材攻撃性は改善されるものの、耐摩耗性が悪化し
負荷の高い使用に問題が生じる恐れがあった。よって、
ブレーキシステムの小型化、軽量化は未だ十分に達成さ
れていないのが実情であった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、相手
部材（ディスクロータ等）との接触性（馴じみ）が改善
され、同時に高い摩擦係数および耐摩耗性をも備えた、
ブレーキシステムの小型化、軽量化が可能な摩擦材料を
提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、鋭意検討
した結果、摩擦材の硬度と気孔率を従来のものとは異な
る範囲に設定することにより、上記目的を達成できるこ
とを見出し、本発明に到達した。

【０００８】すなわち、本発明は、銅を主成分とする結
合材と充填材とを含む銅系焼結摩擦材料において、ＨＲ
Ｒ（鋼球１／２インチ、荷重６０ｋｇ）で測定した硬度
が４０〜７０であり、且つ気孔率が２０〜３０ｖｏｌ％
である銅系焼結摩擦材料、および、銅として平均粒径５
〜３０μｍの銅微粉末を用いることを特徴とする前記銅
系焼結摩擦材料の製造方法に関する。

【０００９】以下、本発明を詳細に説明する。尚、以下
において特に断らない限り、各配合成分の含有割合（重
量％）は、摩擦材料全量に対する値を表す。

【００１０】本発明における銅系焼結摩擦材料とは、結
合材すなわちマトリックス成分の主体に銅を用いた焼結
摩擦材料をいう。本発明の銅系焼結摩擦材料は、硬度の
低い軟質化されたものであり、ＨＲＲ（ＪＩＳ規定：鋼
球１／２インチ、荷重６０ｋｇ）で測定した硬度（以
下、「硬度（ＨＲＲ）」と表す。）が４０〜７０、好ま
しくは５０〜６０である。また、気孔率（水銀圧入法で
測定した値）が高く、２０〜３０ｖｏｌ％である。硬度
および気孔率をこの範囲とすることにより、相手部材と
の実質的な接触面積が増大して接触性が向上し、同時に
摩擦係数（μ値）および耐摩耗性をも高めることができ
る。

【００１１】尚、通常の有機系摩擦材の場合は、ＨＲＳ
（鋼球１／２インチ、荷重１００ｋｇ）で測定した硬度
（以下、「硬度（ＨＲＳ）」と表す。）が６０〜９０で
あり、気孔率は８〜１５ｖｏｌ％である。また、従来か
ら新幹線等に使用されている一般の銅系焼結摩擦材は硬
度（ＨＲＳ）が５０〜７０、ＨＲＬ（鋼球１／４イン
チ、荷重６０ｋｇ）で測定した硬度（ＨＲＬ）が７０〜
９０であり、気孔率が８〜１０ｖｏｌ％である。本発明
の銅系焼結摩擦材料の硬度（ＨＲＲ）＝４０〜７０を比
較のため硬度（ＨＲＳ）で表すと、硬度（ＨＲＳ）＝２
０〜４０となる。

【００１２】このように、本発明の銅系焼結摩擦材料
は、従来の摩擦材料に比べて格段に軟質化されており、
且つ気孔率が増加されている。

【００１３】このような特有の物性を有する本発明の銅
系焼結摩擦材料は、銅を主成分とする結合材と充填材
（潤滑材、研削材、および摩擦調整材）とを含む原料成
分を配合し、得られる配合組成物を常法に従って所望の
形状に圧縮成形して焼結することにより得られる。

【００１４】焼結摩擦材料の結合材は、摩擦材のマトリ
ックスとして各充填材を結合させて固める役割を有する
ものであるが、本発明の銅系焼結摩擦材料においては、
銅を主成分とし、その他に、錫、リン、亜鉛等が配合さ
れていてもよい。

【００１５】摩擦材料全体に対して結合材が占める割合
は、通常４０〜６０重量％であり、そのうち銅３５〜５
５重量％、錫３〜５重量％、およびリン０．４〜０．６
重量％を含むリン青銅系とするのが好ましい。

【００１６】ここで、本発明においては結合材の主成分
である銅として、平均粒径５〜３０μｍの銅微粉末を用
いるのが好ましい。更に、前記銅微粉末の見掛けの密度
が１．０〜１．２ｇ／ｃｍ³であるのが好ましい。この
ような銅微粉末を銅成分の原料として使用することによ
り、焼結後の摩擦材料の気孔率を増加させ、上述した特
定の硬度と気孔率を有する摩擦材料を得ることができ
る。尚、従来の新幹線等に使用される一般の銅系焼結摩
擦材に用いられる銅の平均粒径は１００〜１５０μｍ、
見掛けの密度は１．７〜２．０ｇ／ｃｍ³程度である。

【００１７】本発明では、充填材として摩擦調整材、潤
滑材、および研削材を配合する。これら充填材は通常、
合計で摩擦材料全量に対して２０〜３０重量％使用され
る。摩擦調整材としては、マイカ、硫酸バリウム、炭酸
カルシウム、バーミキュライト、コークス等の無機粒子
が配合される。特に、バーミキュライト、マイカ等の層
状構造を有する劈開面を有するものを使用するのが好ま
しい。このような層状構造を有する充填材を配合するこ
とにより、得られる摩擦材料の気孔率を増加させ、且つ
硬度を低下させ、相手部材との実質的な接触面積を増大
させることができる。かかる摩擦調整材は摩擦材料全体
に対して通常１〜５重量％使用するのが好ましい。

【００１８】潤滑材としては、黒鉛、鱗片状黒鉛、二硫
化モリブデン、フッ化カルシウム、窒化硼素等の固体潤
滑材を挙げることができる。このうち、劈開面を有する
層状構造のものを使用するのが好ましい。 固体潤滑材
の配合量は通常１０〜２５重量％である。

【００１９】研削材としては、通常モース硬度６〜９程
度の硬質の金属酸化物粒子を用いるのが好ましい。具体
的には、ジルコニア（ＺｒＯ₂）、マグネシア（Ｍｇ
Ｏ）、ムライト（３Ａｌ₂Ｏ₃・２ＳｉＯ₂）、およびシ
リカ（ＳｉＯ₂）等が挙げられる。研削材の配合量は、
通常４〜１５重量％である。

【００２０】以上の配合成分を、撹拌機で均一に混合・
撹拌し、所望の金型で圧力３〜５ｔｏｎ／ｃｍ²にて圧
縮成形して圧粉体を作り、これを補強鋼板と重ねて水素
等の還元雰囲気中で圧力４〜７ｋｇｆ／ｃｍ²、８００
〜９５０℃にて３０〜１００分間焼結する。尚、この焼
結温度は通常の銅系焼結摩擦材の製造に採用される焼結
温度（７８０〜８００℃）より高温である。また、焼結
時の加圧圧力は、通常の焼結に採用される圧力（１０〜
１５ｋｇｆ／ｃｍ²）より低圧である。このような高温
且つ低加圧の焼結条件を採用することにより、摩擦材料
の軟質化および気孔率の増加をより容易に達成すること
ができ、また製造時間の短縮化を図ることもできる。

【００２１】前記焼結後、得られた摩擦材料に形状加工
を施せば、所定の硬度および気孔率を有する摩擦材料を
得ることができる。

【００２２】本発明で規定する物性を有する摩擦材料
は、相手部材との接触状態が良好であるため、より大き
な摩擦力を発揮する。すなわち、一般に無機系の摩擦材
料の摩擦力は以下に示す数式１で表され、Ａｒ（相手部
材との真の接触面積）が増大すれば、より大きなＦ（摩
擦力）を得ることが可能になる。Ａｒは気孔率を増加さ
せることにより増大する。また、Ａｒは硬さの逆数でも
あるため、硬さを低下させることによってＡｒを増大さ
せることもできる。

【００２３】

【数１】Ｆ＝（Ａｒ）×（Ｓ） （Ｆ：摩擦力、Ａｒ：相手部材と摩擦材料との真の接触
面積、Ｓ：相手部材と摩擦材料との接触部の凝着力）

【００２４】

【実施例】以下に、本発明を実施例によって説明する。 ＜実施例１＞ブレーキパッドの硬度（ＨＲＲ）と摩耗量
および摩擦係数との関係を調べるため、以下の実験を行
った：

【００２５】表１に示す種類および量の配合成分（銅微
粉末の平均粒径は１０μｍ、密度は１．１ｇ／ｃｍ³）
を十分に撹拌、混合し、得られた配合組成物を圧力３〜
５ｔｏｎ／ｃｍ²で圧縮成形して圧粉体を得た。この圧
粉体を予め銅メッキを施した補強鋼板と重ね、硬度（Ｈ
ＲＲ）が表２に示す２０〜７０の各値となるように圧力
４〜７ｋｇｆ／ｃｍ²、温度８００〜９５０℃、時間３
０〜１００分の範囲で条件を選択して焼結し、一体化し
てブレーキパッドを作製した。得られたブレーキパッド
の厚さは２２ｍｍ、摩擦面のパッド面積は１００ｃｍ²
であった。

【００２６】

【表１】

【００２７】これを試験片として用い、次の条件［Ｖ
（ブレーキ開始速度）＝６５ｋｍ／ｈ、Ｇ（減速度）＝
３ｍ／ｓ²、Ｔｉ（ブレーキ開始温度）＝１００℃、Ｎ
（ブレーキ回数）＝１０００回、Ｉ（慣性）＝３４ｋｇ
・ｍ・ｓ²］にてパッド摩耗量（ｍｍ）および摩擦係数
（μ値）を測定した。結果を表２および図１に示す。

【００２８】

【表２】

【００２９】図１からもわかるように、摩擦係数（μ
値）は、ほぼ硬度の逆数になっている。また、摩耗量
（ｍｍ）は硬すぎても軟らかすぎてもよくなく、材質固
有の適当な硬さが必要である。

【００３０】気孔率を測定した結果、配合材料が一定の
場合は気孔率は大きく変化することはなく、上記硬度の
範囲では２０〜３０ｖｏｌ％の範囲であることがわかっ
た。尚、気孔率は、水銀圧入法により測定した。この実
験結果から、硬度を一定範囲にすることにより摩耗を少
なくすることができることがわかった。

【００３１】硬さと気孔率はお互いに密接な関連がある
ものである。気孔率の大きい材質はソフトであることか
ら、両者は一見、全く独立した物性項目であるが、お互
いに相関がある。本発明において、硬度をＨＲＲで測定
した値で４０〜７０とし、且つ気孔率を２０〜３０ｖｏ
ｌ％に設定した理由を、以下に述べる。

【００３２】トラック等の商用車は、乗用車と異なり、
ブレーキ負荷を大きく設定せざるを得ないため、摩擦材
（ブレーキパッド）の相手部材（ブレーキディスク）へ
の押付力が高く、その際の押付力に対するパッドの厚み
変化（圧変）が大きくなる。実車試験の結果、硬さの低
い（気孔率の大きい）パッドは、ブレーキ解放後もパッ
ド圧変が大きいため残圧があり、パッドに引摺りが発生
するという不都合が確認された。表３に、本発明に規定
する範囲内の硬度および気孔率を有するブレーキパッド
と、本発明の範囲外の硬度および気孔率を有するブレー
キパッド（材質ＡおよびＢ）とについて、３点曲げ試験
にて曲げ強度、たわみ量、および破壊エネルギーを測定
した結果を示す。

【００３３】

【表３】

【００３４】硬度（ＨＲＲ）が４０以下で且つ気孔率が
３０％以上のブレーキパッド（表３の材質Ａ）の強度
は、本発明に規定する範囲内の硬度（６５）および気孔
率（２３ｖｏｌ％）を有するブレーキパッドに比較して
強度が低く、ダイナモメータ試験でもパッドの端部に欠
けや亀裂が生じることがわかった。よって、このような
物性では実用的な摩擦材の作製は困難であると思われ
る。

【００３５】一方、本発明に規定する範囲より高い硬度
と低い気孔率を有するブレーキパッド（表３の材質Ｂ）
は、強度は高いが、硬い（気孔率が少ない）ため、ブレ
ーキディスクとの接触性が悪く、μ値の立ち上がり、お
よびμレベルも十分でなく、且つ高負荷時にブレーキパ
ッドにヒートスポットが発生することが確認された。従
って、これは本発明の意図に合わず、実用上も問題があ
るものと思われる。このように、本発明においては、摩
擦性能、強度、圧変等を考慮し、硬度（ＨＲＲ）を４０
〜７０、且つ気孔率（ｖｏｌ％）を２０〜３０とするこ
とにより、格段に優れた摩擦材を得ることができる。

【００３６】＜実施例２＞ブレーキパッドの面積を変化
させて摩耗量および摩擦係数との関係を調べるため、以
下の実験を行った：実施例１で用いたのと同じ種類およ
び量の配合成分を実施例１と同様にして成形、焼結して
試験片を作製した。得られたブレーキパッドの厚さは２
２ｍｍであり、パッド面積は、市販製品の一般的なパッ
ド面積（１００ｃｍ²）を基準とし、それに対して一定
割合で縮小した面積を有するものを用いた。前記基準に
対する各パッドの面積割合（％）は表４に示した。ま
た、このブレーキパッドの硬度（ＨＲＲ）は６５、気孔
率は２３ｖｏｌ％であった。

【００３７】得られた試験片について、実施例１と同様
にして摩耗量（ｍｍ）および摩擦係数（μ値）を測定し
た。結果を表４および図２に示す。

【００３８】

【表４】

【００３９】図２からもわかるように、パッド面積を基
準製品の２０％減とした場合は、摩擦特性にほとんど変
化は見られず、３０％減とした場合に摩耗量が若干増加
する傾向が見られただけであった。これはパッドを押し
付けるシリンダー部からはずれたパッド部分が実際には
仕事をしていない見掛けの面積であり、また本発明のパ
ッドの実質的な接触面積の増大によって、パッド自体の
面積が減少しても摩擦性能が低下しなかったためと考え
られる。

【００４０】ただし、４０％減になると、パッド温度も
上昇し、摩耗が急増することがわかった。このことか
ら、パッド面積は基準製品の３０％減までが実用的に成
立すると判断できる。

【００４１】＜実施例３、比較例１＞実施例２で用いた
基準に対し１００％の面積を有するパッド（パッド面
積：１００ｃｍ²）と、これに対して３０％縮小した面
積を有するパッドとについて、総摩擦量を測定した（実
施例３）。また、熱硬化性樹脂を結合材とした従来の有
機系摩擦材からなるパッド（パッド面積：１００ｃ
ｍ²）についても同様に総摩耗量を測定し、摩擦性能を
比較した（比較例１）。総摩耗量（ｍｍ）は、テストコ
ードとしてＪＡＳＯフルコード［条件：Ｖ＝５０〜１５
０ｋｍ／ｈ、Ｇ＝１．５〜７．５ｍ／ｓ²、Ｔｉ＝１０
０〜１８０℃、Ｉ＝１２５ｋｇ・ｍ・ｓ²、Ｎ＝１３５
３回］にて測定した。結果を表５に示す。

【００４２】

【表５】

【００４３】本発明のパッドにおいては、パッド面積３
０％減で摩耗は１８％増加したが、従来の有機系パッド
の約３倍の耐摩耗性を有しており、摩擦性能の確保と共
に十分実用性があるがわかった。

【００４４】このように、本発明の特定の物性を有する
焼結摩擦材料は、相手部材との接触性に優れており、パ
ッドのサイズを縮小しても高い摩擦係数と耐摩耗性を維
持することができるという特性を有する。

【００４５】よって、本発明の摩擦材料を使用してパッ
ドサイズを縮小することにより、高い摩擦係数と耐摩耗
性を維持したまま、シリンダー面積の縮小を図ることが
できる。そして、これにより更にパッド面積およびパッ
ド厚さを減少させ、ひいてはキャリパーのサイズを減少
することが可能となり、バネ下荷重の軽減による乗り心
地の改良、燃費改善、保守費用の低減、コスト低減等を
図ることができる。

【００４６】

【発明の効果】本発明によれば、焼結摩擦材料の物性
（硬度、気孔率）を従来のものとは異なる範囲に設定す
ることにより、相手部材との接触性を改善し、同時に摩
擦係数および耐摩耗性を高めることが可能となり、これ
によって、ブレーキシステムの小型化、軽量化を図るこ
とができる。本発明の摩擦材料は、特にブレーキのスペ
ースや重量の制限により容量の大きいブレーキ設計が容
易でないトラック、バス、新幹線等のブレーキに好適に
用いることができる。

【００４７】また、本発明の焼結摩擦材料は、耐フェー
ド性が制御可能であり、また相手部材攻撃性も少ないパ
ッドである。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施例１におけるブレーキパッドの
硬度（ＨＲＲ）と摩擦係数（μ値）および摩耗量（ｍ
ｍ）との関係を示す図である。

【図２】 本発明の実施例２におけるブレーキパッドの
パッド面積（基準製品の面積に対する割合：％）と摩擦
係数（μ値）および摩耗量（ｍｍ）との関係を示す図で
ある。

【符号の説明】

１・・・摩擦係数（μ値） ２・・・摩耗量（ｍｍ） ３・・・摩擦係数（μ値） ４・・・摩耗量（ｍｍ）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】銅を主成分とする結合材と充填材とを含む
   銅系焼結摩擦材料において、ＨＲＲ（鋼球１／２イン
   チ、荷重６０ｋｇ）で測定した硬度が４０〜７０であ
   り、且つ気孔率が２０〜３０ｖｏｌ％である、銅系焼結
   摩擦材料。
2. 【請求項２】銅を主成分とする結合材と充填材とを含む
   配合組成物を焼結する工程を含む請求項１記載の銅系焼
   結摩擦材料の製造方法において、前記銅として平均粒径
   ５〜３０μｍの銅微粉末を用いることを特徴とする、銅
   系焼結摩擦材料の製造方法。