KR102406253B1

KR102406253B1 - 마찰재

Info

Publication number: KR102406253B1
Application number: KR1020177001936A
Authority: KR
Inventors: 신야 카지; 마코토 타무라; 미츠아키 야구치
Original assignee: 닛신보 브레이크 가부시키가이샤
Priority date: 2014-07-24
Filing date: 2014-07-24
Publication date: 2022-06-10
Also published as: EP3173653A1; EP3173653A4; US20170234390A1; KR20170038798A; US10801571B2; WO2016013078A1; CN106574680B; CN106574680A; EP3173653B1

Abstract

구리 성분의 함유량에 관한 법규를 만족하면서, 고속 고부하시의 브레이크의 제동 성능, 내마모성을 확보할 수 있는 디스크 브레이크 패드용 마찰재를 제공하는 것을 과제로 하고, 윤활재로서 황화 제1철 입자를 마찰재 조성물 전체량에 대해 3~10중량% 함유하고, 마찰재 조성물에 포함되는 구리 성분의 총량이 마찰재 조성물 전체량에 대해 5중량% 미만인 마찰재 조성물을 사용하는 것에 의해 과제를 해결한다. 또한, 마찰재 조성물은, 마찰재 조성물 전체량에 대해, 평균 입경이 1~100㎛인 박편상 흑연 입자 또는 그 응집물을 0.3~5중량%, 결합재를 4~12중량%, 유기 섬유를 1~7중량%, 유기　마찰 조정재를 3~8중량% 함유하는 것이 바람직하다.

Description

마찰재{FRICTION MATERIAL}

본 발명은, 자동차 등의 디스크 브레이크 패드에 사용되는, NAO(Non-Asbestos-Organic)재의 마찰재 조성물을 성형한 마찰재에 관한 것이다.

종래에, 자동차의 제동 장치로서, 디스크 브레이크가 사용되고 있고, 그 마찰 부재로서, 금속제의 베이스 부재에 마찰재가 부착된 디스크 브레이크 패드가 사용되고 있다.

마찰재는, 섬유 기재로서 강섬유(steel fiber)를 마찰재 조성물 전체량에 대해 30중량% 이상 60중량% 미만 함유하는 세미 메탈릭 마찰재와, 섬유 기재의 일부에 강섬유를 포함하면서, 강섬유를 마찰재 조성물 전체량에 대해 30중량% 미만 함유하는 로우 스틸(low steel) 마찰재와, 섬유 기재로서 강섬유 및 스테인리스 섬유 등의 스틸계 섬유를 포함하지 않는 NAO재로 분류되고 있다.

브레이크 노이즈의 발생이 적은 마찰재가 요구되고 있는 최근에 있어서는, 강섬유와 스틸계 섬유를 포함하지 않으면서, 결합재, 섬유 기재, 윤활재, 티탄산 금속염, 무기 마찰 조정재, 유기　마찰 조정재, pH 조정재, 충전재 등으로 이루어지는, NAO재의 마찰재를 사용한 디스크 브레이크 패드가 널리 사용되고 있다.

디스크 브레이크 패드에 사용되는 NAO재의 마찰재에는, 고속 고부하 제동시의 브레이크의 제동 성능과 내마모성을 확보하기 위해, 구리나 구리 합금의 섬유 또는 입자 등의 구리 성분이 필수성분으로서 마찰재 조성물 전체량에 대해, 5~20중량% 정도 첨가되어 있다.

그러나 최근, 이와 같은 마찰재는 제동시에 마모 분말로서 구리를 배출하고, 이 배출된 구리가 하천, 호수, 해양에 유입되는 것에 의해 수역을 오염시킬 가능성이 있음이 시사되고 있다.

이와 같은 배경에서, 미국의 캘리포니아주나 워싱턴주에서는, 2021년 이후, 구리 성분을 5중량% 이상 함유하는 마찰재를 사용한 마찰 부재의 판매 및 신차에 대한 장착을 금지하고, 그 수년 후에, 구리 성분을 0.5중량% 이상 함유하는 마찰재를 사용한 마찰 부재의 판매 및 신차에 대한 장착을 금지하는 법안이 가결되었다.

그리고, 향후 이와 같은 규제는 전세계에 파급될 것으로 예상되기 때문에, NAO재의 마찰재에 포함되는 구리 성분을 삭감하는 것이 급선무이고, NAO재의 마찰재에 포함되는 구리 성분을 삭감하는 것에 의해 저하되는, 고속 고부하 제동시의 브레이크의 제동 성능과 내마모성의 개선이 과제가 되고 있다.

특허문헌 1에는, 금속 주석 또는 주석 합금을 마찰재 조성물 전체량에 대해 0.5~50중량%와, 구리를 마찰재 조성물 전체량에 대해 0.001~4.999중량% 함유하는 마찰재 조성물을 성형하여 이루어지는 마찰재가 기재되어 있다.

특허문헌 2에는, 결합재, 유기 충전재, 무기 충전재 및 섬유 기재를 포함하는 마찰재 조성물이고, 해당 마찰재 조성물 중의 구리의 함유량이 구리 원소로서 5질량% 이하이고, 구리 및 구리 합금 이외의 금속 섬유의 함유량이 0.5질량% 이하이고, 티탄산염 및 삼황화안티몬을 함유하고, 해당 티탄산염의 함유량이 10~35질량%인 비석면 마찰재 조성물 및, 상기 비석면 마찰재 조성물을 성형하여 이루어지는 마찰재와 백 플레이트를 사용하여 형성되는 마찰 부재가 기재되어 있다.

그러나, 특허문헌 1이나 특허문헌 2에 기재된 마찰재는 구리 성분의 함유량에 대해 상기 법규를 만족하고 있지만, 고속 고부하 제동시의 브레이크의 제동 성능과 내마모성의 요구 성능을 충분히 확보했다고 할 수 없다.

미국 공개 특허 2010/0331447호 공보 일본국 특허공개공보 2012-255051호 공보

본 발명은, 디스크 브레이크 패드에 사용되는, NAO재의 마찰재 조성물을 성형한 마찰재에 있어서, 구리 성분의 함유량에 관한 법규를 만족하면서, 고속 고부하 제동시의 브레이크의 제동 성능과 내마모성의 요구 성능을 확보할 수 있는 마찰재를 제공하는 것을 과제로 한다.

본 발명자들은 예의 검토를 거듭한 결과, 디스크 브레이크 패드에 사용되는 NAO재의 마찰재 조성물을 성형한 마찰재에 있어서, 윤활재로서 황화 제1철(FeS) 입자를 특정량 함유하고, 마찰재 조성물에 포함되는 구리 성분의 총량이 마찰재 조성물 전체량에 대해 5중량% 미만인 마찰재 조성물을 사용하는 것에 의해 상기 과제를 해결 할 수 있음을 알아내고, 본 발명을 완성했다.

본 발명은, 디스크 브레이크 패드에 사용되는, NAO재의 마찰재 조성물을 성형한 마찰재이고, 이하의 기술을 기초로 하는 것이다.

(1) 디스크 브레이크 패드에 사용되는 마찰재이고, 마찰재 조성물을 성형하여 이루어지는 마찰재에 있어서, 상기 마찰재 조성물은, 윤활재로서 황화 제1철 입자를 마찰재 조성물 전체량에 대해 1~15중량% 함유하고, 마찰재 조성물에 포함되는 구리 성분의 총량이 마찰재 조성물 전체량에 대해 5중량% 미만인 것을 특징으로 하는 마찰재.

(2) 상기 마찰재 조성물은, 윤활재로서 평균 입경이 1~100㎛인 박편상 흑연 입자를 마찰재 조성물 전체량에 대해 0.3~5중량% 더 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (1)에 기재된 마찰재.

(3) 상기 박편상 흑연 입자가 응집물의 형태로 마찰재 조성물에 함유되는 것을 특징으로 하는 상기 (2)에 기재된 마찰재.

(4) 상기 마찰재 조성물은, 결합재를 마찰재 조성물 전체량에 대해 4~12중량%, 유기 섬유를 마찰재 조성물 전체량에 대해 1~7중량%, 유기　마찰 조정재를 마찰재 조성물 전체량에 대해 3~8중량% 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 및 (3)에 기재된 마찰재.

본 발명에 의하면, 디스크 브레이크 패드에 사용되는 NAO재의 마찰재 조성물을 성형한 마찰재에 있어서, 구리 성분의 함유량에 관한 법규를 만족하면서 고속 고부하 제동시의 브레이크의 제동 성능과 내마모성을 확보할 수 있는 마찰재를 제공할 수 있다.

본 발명에 있어서는, 디스크 브레이크 패드에 사용되는 마찰재 조성물을 성형한 마찰재에 있어서, 윤활재로서 황화 제1철 입자를 마찰재 조성물 전체량에 대해 1~15중량% 함유하고, 마찰재 조성물에 포함되는 구리 성분의 총량이 마찰재 조성물 전체량에 대해 5중량% 미만인 마찰재 조성물을 사용한다.

황화 제1철 입자는 내마모성을 향상시키는 윤활재로서 작용하는 한편, 고속 고부하 제동시에 있어서는 브레이크의 제동 성능을 향상시키는 마찰 조정재로서 작용한다.

이는, 황화 제1철의, 무산소 환경에서 1100℃의 온도에 노출되면, 철과 유황으로 분해되는 특성에 의한 것으로 추정된다.

고속 고부하 제동시에는, 마찰재와 상대 부재인 주철제의 디스크 로터의 접촉면의 온도는 순간적으로 1100℃ 이상에 달한다. 그와 동시에 마찰재에 포함되어 있는 유기물이 산화되기 때문에, 접촉면 근방은 산소가 현저하게 감소한 상태가 된다.

이와 같은 상태에 달하면, 마찰재의 마찰면에 노출되는 황화 제1철 입자는 철과 유황으로 분해되고, 마찰재의 마찰면에는 황화 제1철 입자에 유래하는 철성분의 피막이 형성된다.

이 철성분의 피막과, 상대 부재의 철성분이 응착 마찰을 발생시켜, 브레이크의 제동 성능이 향상되는 것이다.

한편, 황화 철로서는, 황화 제1철 이외에, 황화 제2철(Fe₂S₃)과 이황화철(FeS₂)이 있지만, 황화 제2철이나 이황화철은 상기와 같은 효과는 바랄 수 없다.

황화 제1철 입자로서는, 예를 들면, CATALISE사에서 제조한 EUROLUB-1010을 들 수 있고, 상업적으로 입수할 수 있다.

또한 본 발명은, 윤활재로서 평균 입경이 1~100㎛인 박편상 흑연 입자를 마찰재 조성물 전체량에 대해 0.3~5중량% 더 함유하는 것을 특징으로 한다.

박편상 흑연 입자는, 천연 인편상 흑연, 키시 흑연, 열분해 흑연 등의 흑연 입자를 고농도의 황산, 질산 및 산화제를 첨가하고, 적절한 온도에서 적절한 시간 반응시켜 황산-흑연층간 화합물을 합성하고, 이를 수세한 후, 1000℃의 고온으로 가열하는 것에 의해, 흑연 입자의 두께 방향으로 100~300배 팽창시켜 얻어지는 팽창 흑연을, 팽창 흑연 입자의 공극 내에 액체를 충전한 상태 또는 해당 액체를 동결한 상태로 분쇄하는 방법이나, 팽창 흑연 입자를 액체중에 분산시키고, 액체중에서 초음파를 작용시키는 방법이나, 팽창 흑연 입자를 액체중에 분산시키고, 액체중에서 미디어를 작용시켜 마쇄하는 방법이나, 팽창 흑연을 분산 매체에 침지한 후, 거칠게 분쇄하여 흑연 슬러리로 하고, 슬러리를 마쇄기로 미세하게 분쇄하는 방법 등에 의해 제조되는, 높은 열전도성을 갖는 흑연 입자이다.

이 박편상 흑연 입자를 마찰재 조성물에 적당량 첨가하는 것에 의해, 고속 고부하 제동시에 순간적으로 상승하는 마찰재의 온도를 신속하게 저하시킬 수 있고, 황화 제1철의 과도한 분해를 억제할 수 있다.

박편상 흑연 입자로서는, 예를 들면, ASBURYCARBONS, INC.에서 제조한 SURFACE ENHANCED FLAKE GRAPHITE 시리즈를 들 수 있고, 상업적으로 입수할 수 있다.

또한, 박편상 흑연 입자는 응집물의 형태로 마찰재 조성물에 함유되는 것이 바람직하다.

박편상 흑연 입자를 응집물의 형태로 마찰재 조성물에 첨가하는 것에 의해, 박편상 흑연 입자를 마찰재중에 균일하게 분산시킬 수 있다. 조립물은 평균 입경이 30~500㎛인 것이 바람직하다.

박편상 흑연 입자의 응집물은, 박편상 흑연 입자를 롤러 콤팩터로 압축하고, 정립기로 정립하는 방법이나, 회전식 드럼 조립 장치나 유동층 조립 장치나 전동 유동층 조립 장치 등의 통상의 조립 장치를 사용하여 조립하는 방법 등, 통상 실시되는 조립 방법을 사용하여 제조된다.

박편상 흑연 입자의 응집물로서는, 예를 들면, TIMCALS.A.에서 제조한 C-THERM(미국 등록상표) 시리즈를 들 수 있고, 상업적으로 입수할 수 있다.

한편, 본 발명에 있어서, 평균 입경은 레이저 회절 입도 분포법에 의해 측정한 50% 입경의 수치를 사용했다.

또한 본 발명은, 마찰재 조성물에, 결합재를 마찰재 조성물 전체량에 대해 4~12중량%, 유기 섬유를 마찰재 조성물 전체량에 대해 1~7중량%, 유기　마찰 조정재를 마찰재 조성물 전체량에 대해 3~8중량% 함유시키는 것을 특징으로 한다.

유기물인 결합재, 유기 섬유, 유기　마찰 조정재의 함유량을 상기한 양으로 하는 것에 의해, 내마모성을 저하시키지 않고, 고속 고부하 제동시에 마찰재와 디스크 로터의 접촉면 근방을 무산소의 상태에 접근시킬 수 있다.

상기한 마찰재 조성물을 사용하는 것에 의해, 디스크 브레이크 패드에 사용되는, NAO재의 마찰재 조성물을 성형한 마찰재에 있어서, 구리 성분의 함유량에 관한 법규를 만족하면서, 고속 고부하 제동시의 브레이크의 제동 성능과 내마모성의 요구 성능을 확보할 수 있는 마찰재를 제공할 수 있다.

본 발명의 마찰재는, 상기한 황화 제1철, 박편상 흑연 입자, 박편상 흑연 입자의 응집물 이외에, 통상 마찰재에 사용되는 결합재, 섬유 기재, 티탄산염, 윤활재, 무기 마찰 조정재, 유기　마찰 조정재, pH 조정재, 충전재 등을 포함하는 마찰재 조성물로 이루어진다.

결합재로서, 스트레이트 페놀 수지나, 페놀 수지를 캐슈 오일이나 실리콘 오일, 아크릴 고무 등의 각종 엘라스토머로 변성한 수지, 페놀류와 아랄킬에테르류와 알데히드류를 반응시켜 얻어지는 아랄킬 변성 페놀 수지, 페놀 수지에 각종 엘라스토머, 불소 폴리머 등을 분산시킨 열경화성 수지 등의 마찰재에 통상 사용되는 결합재를 들 수 있고, 이들은 1종을 단독으로 또는 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다. 결합재의 함유량은, 마찰재 조성물 전체량에 대해 4~12중량%로 하는 것이 바람직하고, 5~8중량%로 하는 것이 더욱 바람직하다.

섬유 기재로서는, 아라미드 섬유, 셀룰로오스 섬유, 폴리파라페닐렌벤조비스옥사졸 섬유, 아크릴 섬유 등의 마찰재에 통상 사용되는 유기 섬유나, 구리 섬유, 청동 섬유, 황동 섬유, 알루미늄 섬유, 아연 섬유 등의 마찰재에 통상 사용되는 금속 섬유를 들 수 있고, 이들은 1종을 단독으로 또는 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다.

유기 섬유의 함유량은, 마찰재 조성물 전체량에 대해 1~7중량%로 하는 것이 바람직하고, 2~4중량%로 하는 것이 더욱 바람직하다.

금속 섬유의 함유량은, 마찰재 조성물 전체량에 대해 7중량% 미만으로 하는 것이 바람직하고, 4중량% 미만으로 하는 것이 더욱 바람직하다. 구리 성분을 함유하는 금속 섬유를 사용할 경우에는, 구리 성분의 총량이 마찰재 조성물 전체량에 대해 5중량% 미만, 바람직하게는 0.5중량% 미만이 되도록 한다. 한편, 환경부하 저감의 관점에서 마찰재 조성물에는 구리 성분을 포함하지 않는 것이 더욱 바람직하다.

티탄산염으로서는, 판상이나, 복수의 돌출부를 갖는 부정형 형상을 갖는 것이 바람직하고, 티탄산 칼륨, 티탄산 리튬 칼륨, 티탄산 칼륨 마그네슘 등의 마찰재에 통상 사용되는 티탄산염을 들 수 있고, 이들은 1종을 단독으로 또는 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다. 티탄산염의 함유량은 마찰재 조성물 전체량에 대해 7~35중량%로 하는 것이 바람직하고, 17~25중량%로 하는 것이 더욱 바람직하다.

윤활재로서는, 상기한 황화 제1철 입자, 박편상 흑연 입자, 박편상 흑연 입자의 응집물 이외에, 이황화 몰리브덴, 황화 아연, 황화 주석, 복합 금속 황화물 등의 금속 황화물계 윤활재나, 상기 박편상 흑연 입자 이외의 흑연, 석유 코크스, 활성탄, 산화 폴리아크릴로니트릴 섬유 분쇄 분말 등의 탄소질계 윤활재 등의 마찰재에 통상 사용되는 윤활재를 들 수 있고, 이들은 1종을 단독으로 또는 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다. 윤활재의 함유량은, 상기한 황화 제1철, 박편상 흑연 입자, 박편상 흑연 입자와 함께 마찰재 조성물 전체량에 대해 2~21중량%로 하는 것이 바람직하고, 10~16중량%로 하는 것이 더욱 바람직하다.

무기 마찰 조정재로서, 운모, 질석, 사삼산화철, 규산 칼슘 수화물, 글라스 비즈, 산화 마그네슘, 산화 지르코늄, 규산 지르코늄, 알루미나, 탄화 규소 등의 입자 형태의 무기 마찰 조정재나, 규회석, 세피오라이트, 현무암 섬유, 유리 섬유, 생체 용해성 인조광물 섬유, 암면 등의 섬유 형태의 무기 마찰 조정재를 들 수 있고, 이들은 1종을 단독으로 또는 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다. 무기 마찰 조정재의 함유량은, 상기한 운모와 함께 마찰재 조성물 전체량에 대해 15~50중량%로 하는 것이 바람직하고, 20~45중량%로 하는 것이 더욱 바람직하다.

유기　마찰 조정재로서, 캐슈 더스트, 타이어 트레드 고무의 분쇄 분말이나, 니트릴 고무, 아크릴 고무, 실리콘 고무, 부틸 고무 등의 가황 고무 분말 또는 미가황 고무 분말 등의 마찰재에 통상 사용되는 유기　마찰 조정재를 들 수 있고, 이들은 1종을 단독으로 또는 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다. 유기　마찰 조정재의 함유량은, 마찰재 조성물 전체량에 대해 3~8중량%로 하는 것이 바람직하고, 4~7중량%로 하는 것이 더욱 바람직하다.

pH 조정재로서 수산화 칼슘 등의 통상 마찰재에 사용되는 pH 조정재를 사용할 수 있다. pH 조정재는, 마찰재 조성물 전체량에 대해 2~6중량%로 하는 것이 바람직하고, 2~3중량%로 하는 것이 더욱 바람직하다.

마찰재 조성물의 잔부로서는, 황산 바륨, 탄산 칼슘 등의 충전재를 사용한다.

본 발명의 디스크 브레이크에 사용되는 마찰재는, 소정량 배합한 마찰재 조성물을, 혼합기를 사용하여 균일하게 혼합하는 혼합 공정, 얻어진 마찰재 원료 혼합물과, 별도로, 미리 세정, 표면처리 하고, 접착재를 도포한 백 플레이트를 중첩하여 열성형용 금형에 투입하고, 가열 가압하여 성형하는 가열 가압 성형 공정, 얻어진 성형품을 가열하여 결합재의 경화 반응을 완료시키는 열처리 공정, 분말 도료를 코팅하는 정전 분말 코팅 공정, 도료를 베이킹하는 코팅 베이킹 공정, 그라인더에 의해 마찰면을 형성하는 연마 공정을 거쳐 제조된다. 한편, 가열 가압 성형 공정 후, 코팅 공정, 도료 베이킹을 겸한 열처리 공정, 연마 공정의 순으로 제조하는 경우도 있다.

필요에 따라, 가열 가압 성형 공정 전에, 마찰재 원료 혼합물을 조립하는 조립 공정, 마찰재 원료 혼합물을 혼련하는 혼련 공정, 마찰재 원료 혼합물 또는 조립 공정에서 얻어진 조립물, 혼련 공정에서 얻어진 혼련물을 예비 성형용 금형에 투입하고, 예비 성형물을 성형하는 예비 성형 공정이 실시되고, 가열 가압 성형 공정 후에 스코치(scorching) 공정이 실시된다.

[실시예]

이하, 실시예 및 비교예를 제시하면서, 본 발명을 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 하기의 실시예에 제한되는 것은 아니다.

[실시예 1~15 및 비교예 1~4의 마찰재의 제조 방법]

표 1, 표 2 및 표 3에 나타내는 조성의 마찰재 조성물을 LOEDIGE MIXER로 5분간 혼합하고, 성형 금형 내에서 30MPa로 10초간 가압하여 예비 성형을 했다. 이 예비 성형물을, 미리 세정, 표면 처리, 접착재를 도포한 강철제의 백 플레이트 상에 중첩하고, 열성형용 금형 내에서 성형 온도 150℃, 성형 압력 40MPa의 조건하에서 10분간 성형한 후, 200℃에서 5시간 열처리(후 경화)를 하고, 연마하여 마찰면을 형성하여, 승용차용 디스크 브레이크 패드를 제작했다(실시예 1~15, 비교예 1~4).

얻어진 마찰재에 대해, 고속 고부하시의 브레이크의 제동 성능, 내마모성을 평가했다. 평가 결과를 표 1, 표 2 및 표 3에, 평가 기준을 표 4에 나타낸다.

본 발명에 의하면, 디스크 브레이크 패드에 사용되는, NAO재의 마찰재 조성물을 성형한 마찰재에 있어서, 구리 성분의 함유량에 관한 법규를 만족하면서, 고속 고부하시의 브레이크의 제동 성능, 내마모성을 확보할 수 있는 마찰재를 얻을 수 있어, 실용적 가치가 매우 높은 것이다.

Claims

디스크 브레이크 패드에 사용되는 마찰재이고, 마찰재 조성물을 성형하여 이루어지는 마찰재에 있어서,
상기 마찰재 조성물은, 윤활재로서 황화 제1철(FeS) 입자를 마찰재 조성물 전체량에 대해 1~15중량% 함유하고,
상기 마찰재 조성물은, 구리 성분을 함유하지 않고, 또한 강섬유를 함유하지 않으며,
상기 마찰재 조성물은,
윤활재로서 흑연 입자를 팽창시켜 팽창 흑연으로 한 후, 그 팽창 흑연을 분쇄하여 제조된 박편상 흑연이고, 평균 입경이 1~100㎛인 박편상 흑연(flake graphite) 입자(인편상 천연 흑연을 조립하여 얻은 박편상 조립 흑연을 제외함)를 마찰재 조성물 전체량에 대해 0.3~5중량% 함유하는 것을 특징으로 하는 마찰재.
삭제
제1항에 있어서,
상기 박편상 흑연 입자가 응집물의 형태로 마찰재 조성물에 함유되는 것을 특징으로 하는 마찰재.
제1항 또는 제3항에 있어서,
상기 마찰재 조성물은, 결합재를 마찰재 조성물 전체량에 대해 4~12중량%, 유기 섬유를 마찰재 조성물 전체량에 대해 1~7중량%, 유기　마찰 조정재를 마찰재 조성물 전체량에 대해 3~8중량% 함유하는 것을 특징으로 하는 마찰재.