WO2022172738A1

WO2022172738A1 - ブレーキ用摩擦材及びブレーキパッド

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Publication number: WO2022172738A1
Application number: PCT/JP2022/002432
Authority: WO
Inventors: 真安田; 優介岡村
Original assignee: 東海カーボン株式会社
Priority date: 2021-02-15
Filing date: 2022-01-24
Publication date: 2022-08-18
Also published as: JP2022124363A

Abstract

走行時及び駐車時の双方において使用されるブレーキ用摩擦材であって、２０～５０質量％の銅と、７～２５質量％の黒鉛と、８～３５質量％のニッケルと、粒径が４０～７０μｍのアブレシブ粒子と、を含む原料粉末の焼結体であり、前記アブレシブ粒子の修正モース硬度が８～１２であり、前記アブレシブ粒子が、前記ブレーキ用摩擦材中に、２０～５０（個／ｍｍ2）で存在する。

Description

ブレーキ用摩擦材及びブレーキパッド

　本発明は、ブレーキ用摩擦材及びブレーキパッドに関し、特に、走行時及び駐車時の双方において使用されるブレーキ用摩擦材及びブレーキパッドに関する。

　車両には、通常、制動装置として、ブレーキが設けられる。ブレーキは、通常、摩擦力を用いて制動を行う。そのようなブレーキには、摩擦材と相手材とが設けられる。相手材は、車輪等に連結される。摩擦材は、制動時に相手材に押し付けられるように構成される。摩擦材が相手材に押し付けられることにより、摩擦力が発生し、車輪の回転が抑制される。

　摩擦材に関連して、特許文献１（特許第４５８９２１５号）には、焼結摩擦材が開示されている。この焼結摩擦材は、それぞれ所定の量で、鋳鉄、アルミニウム、モース硬度６以下の研削成分及び黒鉛を配合した粉末を焼結してなる。特許文献１の記載によれば、この焼結摩擦材は、環境保護の面で好ましいとともに、摩擦係数、強度、耐摩耗性、相手材への低攻撃性等に優れている。

特許第４５８９２１５号

　ところで、一般的な乗用車には、走行時に減速を目的として使用される走行ブレーキ（フットブレーキ）と、駐車時に意に反して車両が動くことを防ぐために使用される駐車ブレーキ（サイドブレーキ）とが設けられる。走行ブレーキに使用される摩擦材には、高い「動摩擦係数」が求められる。一方、駐車ブレーキに使用される摩擦材には、高い「静摩擦係数」が求められる。

　一方で、例えばＡＤＴ（アーティキュレートダンプトラック）等の特殊車両には、駐車ブレーキが、走行時の緊急ブレーキとしても使用されるものがある。そのようなブレーキに対しては、動摩擦係数と静摩擦係数との双方が高いことが求められる。しかしながら、出願人が知る限り、ブレーキ用摩擦材において、動摩擦係数と静摩擦係数との双方を高めるための技術は、知られていない。

　そこで、本発明の課題は、動摩擦係数と静摩擦係数との双方が高められたブレーキ用摩擦材、及びブレーキパッドを提供することにある。

　本発明者らは、検討の結果、特定の組成を採用することによって、上記課題が解決できることを見出した。すなわち、本発明は以下の事項を含んでいる。
［１］走行時及び駐車時の双方において使用されるブレーキ用摩擦材であって、２０～５０質量％の銅と、７～２５質量％の黒鉛と、８～３５質量％のニッケルと、粒径が４０～７０μｍのアブレシブ粒子と、を含む原料粉末の焼結体であり、前記アブレシブ粒子の修正モース硬度が８～１２であり、前記アブレシブ粒子が、前記ブレーキ用摩擦材中に、２０～５０（個／ｍｍ²）で存在する、ブレーキ用摩擦材。
［２］前記原料粉末中の前記アブレシブ粒子の含有量が、１～１０質量％である、［１］に記載のブレーキ用摩擦材。
［３］前記アブレシブ粒子が、アルミナ、ジルコニア、及び、タングステンカーバイドからなる群から選択される少なくとも１種の粒子を含む、［１］又は［２］に記載のブレーキ用摩擦材。
［４］前記原料粉末が、更に、錫を含む、［１］乃至［３］のいずれか一項に記載のブレーキ用摩擦材。
［５］前記原料粉末が、更に、亜鉛を含む、［１］乃至［４］のいずれか一項に記載のブレーキ用摩擦材。
［６］前記原料粉末が、更に、鉄を含む、［１］乃至［５］のいずれか一項に記載のブレーキ用摩擦材。
［７］制動時に相手材に押し付けられるブレーキ用摩擦材であり、前記相手材が炭素鋼、ステンレス鋼、及び、炭素とシリコンとを含む鉄からなる群から選択される少なくとも一種である、［１］乃至［６］のいずれか一項に記載のブレーキ用摩擦材。
［８］アーティキュレートダンプトラック用である、［１］乃至［７］のいずれか一項に記載のブレーキ用摩擦材。
［９］緊急ブレーキ用である、［１］乃至［８］のいずれか一項に記載のブレーキ用摩擦材。
［１０］基材と、前記基材上に設けられた［１］乃至［９］のいずれか一項に記載のブレーキ用摩擦材と、を備える、ブレーキパッド。

　本発明によれば、動摩擦係数と静摩擦係数との双方が高められたブレーキ用摩擦材、及びブレーキパッドが提供される。

図１は、ＡＴＤ用ブレーキ装置を示す概略図である。

　以下、本発明の一実施形態について説明する。

　本実施形態に係るブレーキ用摩擦材は、例えば鉱山等で使用されるＡＴＤ用ブレーキ装置に用いられるものである。

（ＡＴＤ用ブレーキ装置）
　図１は、そのＡＴＤ用ブレーキ装置１を示す概略図である。ＡＴＤ用ブレーキ装置１は、一対のブレーキパッド４、一対のキャリパ５、一対のバネ６、及びディスク７（相手材）を備えている。ディスク７は、ＡＴＤの車輪（図示せず）に機械的に接続されており、車輪の回転に応じて回転する。一対のブレーキパッド４は、制動時にディスク７に押し付けられる部材であり、ディスク７を挟むように配置されている。各ブレーキパッド４は、各キャリパ５により支持されており、各キャリパ５には各バネ６が連結されている。各バネ６は、油圧機構等の加圧機構（図示せず）に連結されている。ここで、各バネ６は、加圧機構の非動作時（例えば、油圧非動作時）には各キャリパ５を介して各ブレーキパッド４をディスク７に押し付け、加圧機構の動作時には各ブレーキパッド４をディスク７から離すように構成されている。

　上記のようなＡＴＤ用ブレーキ装置１によれば、駐車時には、一対のブレーキパッド４によりディスク７が挟まれ、ディスク７の回転が抑制される。すなわち、ＡＴＤが意に反して動くことが防止される。一方で、走行時は、加圧機構が動作し、各ブレーキパッド４がディスク７から離される。しかし、走行時に何らかの事情により加圧機構の機能が失われた場合（例えば、油圧機構の配管破損により油圧が失われた場合）、駐車時と同じく、一対のブレーキパッド４によりディスク７が挟まれ、ＡＴＤが緊急的に停車させられる。すなわち、ＡＴＤ用ブレーキ装置１は、駐車ブレーキと緊急ブレーキとを兼ねており、走行時及び駐車時の双方において使用される。

　そして、本実施形態においては、駐車ブレーキに求められる静摩擦係数特性と、緊急ブレーキに求められる動摩擦係数特性との双方が優れたものになるように、ブレーキパッド４の構成が工夫されている。

　各ブレーキパッド４は、基材３と、基材３の表面に設けられたブレーキ用摩擦材２とを備えている。基材３は、キャリパ５に支持されている。基材３は、例えば鋼材等により実現される。
　ブレーキ用摩擦材２は、ディスク７に押し付けられる部分であり、銅めっき層等を介して、基材３の表面に配置されている。
　相手材となるディスク７は、例えば、炭素鋼、ステンレス鋼又は炭素とシリコンとを含む鉄により形成されている。

　本実施形態においては、ブレーキ用摩擦材２の組成が特に工夫されている。以下に、ブレーキ用摩擦材２の組成を詳述する。

（ブレーキ用摩擦材）
　本実施形態に係るブレーキ用摩擦材は、原料粉末を焼結して得られる焼結体である。原料粉末中には、２０～５０質量％の銅と、８～３５質量％のニッケルと、７～２５質量％の黒鉛と、粒径が４０～７０μｍのアブレシブ粒子とが含まれる。アブレシブ粒子は、８～１２、好ましくは９～１２の修正モース硬度を有している。アブレシブ粒子は、焼結後のブレーキ用摩擦材中に、２０～５０（個／ｍｍ²）の量で存在するように、添加されている。
　上記のような構成を採用することにより、高い静摩擦係数と高い動摩擦係数とを有するブレーキ用摩擦材が実現される。
　以下に、各成分について詳細に説明する。

　銅は、金属マトリックスの主成分として配合されている。２０質量％以上の量で銅が含まれていることにより、十分な強度が得られる。また、銅の量が５０質量％以下であれば、摩擦特性が損なわれることもない。原料粉末中の銅の含有量は、好ましくは２５～５０質量％、より好ましくは３０～５０質量％である。
　銅の原料としては、例えば、電解銅粉等を用いることができる。電解銅粉の粒径（レーザー粒度計を用いて測定したＤ５０径）は、好ましくは１５～４０μｍである。

　ニッケルは、金属マトリックスを構成する金属として添加されている。ニッケルを含有させることにより、動摩擦係数を向上させることができる。原料粉末中のニッケル粉末の含有量は、８～３５質量％であればよく、このような量であれば、十分な動摩擦係数が得られる。また、強度低下や摩耗増大が生じることもない。
　原料粉末中のニッケルの粒径（レーザー粒度計を用いて測定したＤ５０径）は、好ましくは、５～２０μｍである。

　黒鉛は、潤滑剤として配合されている。黒鉛を用いることにより、低温での潤滑性や、高温での焼き付き防止が実現される。原料粉末中の黒鉛の含有量が７質量％以上であれば、所望する摩擦係数（静摩擦係数及び動摩擦係数）が得られやすい。また、黒鉛の含有量が２５質量％以下であれば、強度が低下することもない。黒鉛の含有量は、好ましくは１０～２０質量％である。
　黒鉛としては、例えば、粒径（ふるい法によるＤ５０径）が１５０～６００μｍである人造黒鉛粉を用いることができる。

　アブレシブ粒子は、静摩擦係数を向上させるために使用されている。アブレシブ粒子は、ブレーキ用摩擦材のマトリックス中に分散して存在する。アブレシブ粒子として、修正モース硬度が８～１２の粒子を使用することにより、アブレシブ粒子が相手材を引っ掻き、静摩擦係数が向上する。アブレシブ粒子の修正モース硬度は、好ましくは９～１２、より好ましくは１２である。より好適には、アブレシブ粒子として、アルミナ、ジルコニア、又はタングステンカーバイドが用いられる。最も好ましいアブレシブ粒子は、αアルミナである。
　ここで、修正モース硬度について説明する。モース硬度は、鉱物に対する硬さの尺度の1つである。硬さの尺度として、１～１０までの整数値を考え、それぞれに対応する標準鉱物を設定するものである。この１０段階のモース硬度に、工業分野で利用される物質を追加して、硬さの尺度を１５段階に修正したものを修正モース硬度という。修正モース硬度は、主に研磨剤などの硬さの指標として利用されている。
　原料粉末に含まれるアブレシブ粒子の粒径は、既述のように、４０～７０μｍである。尚、本発明において、アブレシブ粒子の粒径は、レーザー粒度計を用いて測定したＤ５０径を意味する。

　アブレシブ粒子は、ブレーキ用摩擦材中に、２０～５０（個／ｍｍ²）の量で存在している。
　アブレシブ粒子の存在個数が２０（個／ｍｍ²）以上であれば、所望の静摩擦係数が得られる。アブレシブ粒子の存在個数が５０（個／ｍｍ²）以下であれば、ブレーキ用摩擦材の硬度等が損なわれることもない。
　アブレシブ粒子の存在個数（個／ｍｍ²）は、例えば、ブレーキ用摩擦材をアクリル樹脂に埋め込み、湿式研磨を行って鏡面仕上げを行い、その断面をマイクロスコープ等により観察することにより、測定することができる。

　また、アブレシブ粒子は、原料粉末中に、１～１０質量％の量で含まれていることが好ましい。このような範囲内であれば、十分な静摩擦係数が得られる。また、硬度等の物性が低下することもない。原料粉末中のアブレシブ粒子の含有量は、より好ましくは１．５～４．５質量％である。

　本実施形態に係るブレーキ用摩擦材には、上記の成分の他にも、必要に応じて、他の成分が含まれていてもよい。以下に、他の成分について説明する。

　好ましくは、ブレーキ用摩擦材には、金属マトリックスとして、錫が含まれる。錫を添加することにより、錫が焼結時に銅と固溶し、ブレーキ用摩擦材の強度を高めることができる。
　原料粉末中の錫の含有量は、例えば、１～５質量％である。このような範囲内であれば、十分な強度が得られる。また、摩擦特性が低下することもない。
　錫の原料としては、粒径（レーザー粒度計を用いて測定したＤ５０径）が２０～５０μｍのアトマイズ粉等を用いることができる。

　好ましくは、ブレーキ用摩擦材には、金属マトリックスとして、亜鉛が含まれる。亜鉛を添加することにより、亜鉛が焼結時に銅と固溶し、ブレーキ用摩擦材の強度を高めることができる。
　原料粉末中の亜鉛の含有量は、例えば、１～１０質量％である。このような範囲内であれば、十分な強度が得られる。また、摩擦特性が低下することもない。
　亜鉛の原料としては、粒径（レーザー粒度計を用いて測定したＤ５０径）が３５～６５μｍのアトマイズ粉等を用いることができる。

　好ましくは、ブレーキ用摩擦材には、金属マトリックスとして、鉄が含まれる。鉄を添加することにより、耐熱性を高めることができる。
　原料粉末中の鉄の含有量は、例えば、３～１５質量％である。このような範囲内であれば、十分な耐熱性が得られる。また、強度が損なわれることもない。
　鉄の原料としては、例えば還元鉄粉等を用いることができる。還元鉄粉の粒径（レーザー粒度計を用いて測定したＤ５０径）は、例えば、４０～１５０μｍである。

　好ましくは、ブレーキ用摩擦材には、粒径（原料粉末中の粒径、レーザー粒度計を用いて測定したＤ５０径）が４０μｍ未満のタングステン粒子が含まれる。タングステンを添加することにより、動摩擦係数を高めることができる。
　原料粉末中におけるタングステンの粒径は、より好ましくは、１０～１８μｍである。
　タングステンの含有量は、例えば、１～５質量％である。このような範囲内であれば、十分な動摩擦係数が得られる。また、ブレーキ用摩擦材が摩耗しやすくなることもない。

　好ましくは、ブレーキ用摩擦材には、ムライトが含まれる。ムライトを添加することにより、静摩擦係数を高めることができる。
　原料粉末中のムライトの含有量は、例えば、１～１０質量％である。このような範囲内であれば、十分な静摩擦係数が得られる。また、ブレーキ用摩擦材が摩耗しやすくなることもない。
　ムライトの原料としては、粒径（ふるい法によるＤ５０径）が１００～３５０μｍの粉末等を用いることができる。

　好ましくは、ブレーキ用摩擦材には、ジルコンサンドが含まれる。ジルコンサンドを添加することにより、耐摩耗性を高めることができる。
　原料粉末中のジルコンサンドの含有量は、例えば、３～１５質量％である。このような範囲内であれば、十分な耐摩耗性が得られる。また、強度が低下することもない。
　ジルコンサンドの原料としては、例えば、粒径（ふるい法によるＤ５０径）が１００～２００μｍの粉末等を用いることができる。

　好ましくは、ブレーキ用摩擦材には、シリカが含まれる。シリカを添加することにより、静摩擦係数を高めることができる。
　原料粉末中のシリカの含有量は、例えば、１～５質量％である。このような範囲内であれば、十分な静摩擦係数が得られる。また、その他の物性が低下することもない。
　シリカの原料としては、例えば、粒径（レーザー粒度計を用いて測定したＤ５０径）が７～１４μｍの粉末等を用いることができる。

　好ましくは、ブレーキ用摩擦材には、フッ化カルシウムが含まれる。フッ化カルシウムを添加することにより、耐摩耗性を高めることができる。
　原料粉末中のフッ化カルシウムの含有量は、例えば、２～１０質量％である。このような範囲内であれば、十分な耐摩耗性が得られる。また、強度が低下することもない。
　フッ化カルシウムの原料としては、例えば、粒径（レーザー粒度計を用いて測定したＤ５０またはふるい法を用いて測定したＤ５０径）が６０～３５０μｍの粉末等を用いることができる。

　好ましくは、ブレーキ用摩擦材には、マイカが含まれる。マイカを添加することにより、相手材との馴染みやすさが向上する。
　原料粉末中のマイカの含有量は、例えば、１～５質量％である。このような範囲内であれば、十分な効果が得られる。また、強度が低下することもない。
　マイカの原料としては、例えば、粒径（ふるい法を用いて測定したＤ５０径）が１５０～３５０μｍの粉末等を用いることができる。

（製造方法）
　本実施形態に係るブレーキ用摩擦材は、上述の通り、原料粉末を焼結することにより、得ることができる。
　例えば、まず、所定の組成で原料粉末を調製する。次いで、原料粉末を、所定形状に加圧成形する。次いで、加圧成形体を、例えば銅めっきが施された鋼板（基材）上に載せる。そして、還元雰囲気中、加圧焼結することにより、得ることができる。上記成形時および加圧焼結処理時における処理条件については、従来公知の条件を採用することができる。

　以下に、本発明をより詳細に説明するため、実施例について説明する。但し、本発明は、以下の実施例に限定されて解釈されるべきものではない。

（試験例１）ベース組成の検討
　表１に示される組成にて、参考例１～２及び比較例１～５に係る原料粉末を準備した。尚、原料粉末に含まれる各原料としては、表２に記載されたものを用いた。尚、ムライトについては、粒径（ふるい法によるＤ５０）が２００μｍの粉末と、粒径が１３０μｍの粉末との混合物を用いた。

　準備した原料粉末を所定形状に加圧成形した。更に、加圧成形体を、銅メッキを施した鋼板（基材に相当）に載せ、還元雰囲気中、８５０℃で加圧焼結した。これにより、基材上に摩擦材が形成されたブレーキパッドを得た。

　得られた各ブレーキパッドについて、剪断強度、硬度、動摩擦係数を、それぞれ以下の方法により測定した。また、参考例１及び２については、静摩擦係数についても測定した。
（剪断強度）
　ＪＩＳ　Ｄ４４２２に記載の方法により、摩擦材の剪断強度を測定した。
（硬度）
　ロックウェル硬度計を使用し、１／４インチ鋼球で６０ｋｇｆの試験荷重を加え硬度を測定した。
（動摩擦係数及び静摩擦係数）
　実機相当の慣性型試験機を用いた。イナーシャ：７５０ｋｇｍ²、ディスク：φ４９０×ｔ１６ｍｍ　Ｓ４５Ｃ、回転数：１２４０ｒｐｍ、面圧：１０ＭＰａ

　得られた結果を表１に示す。表１に示すように、２０～５０質量％の銅と、８～３５質量％のニッケルと、７～２５質量％の黒鉛とを含む参考例１及び２は、０．２５（μｄ）以上の動摩擦係数が得られた。一方、銅、ニッケル、及び黒鉛の含有量のいずれかがその範囲を外れる比較例１～５においては、０．２５（μｄ）以上の動摩擦係数は得られなかった。
　また、参考例１及び２は、いずれも、６．０ＭＰａ以上の剪断強度と、硬度がＨＲＬ６０以上を有しており、機械的特性も問題のないレベルであった。

　但し、参考例１及び２は、静摩擦係数が、それぞれ、０．２３（μｓ）及び０．２１（μｓ）であり、さらに改善の余地があった。そこで、以下の試験例２において、アブレシブ粒子の検討を行った。

（試験例２）アブレシブ粒子の検討
　表３に記載の組成で実施例１～５及び比較例７～１１に係る原料粉末を準備し、試験例１と同様の方法により、ブレーキパッドを作成した。尚、アブレシブ粒子としては、アルミナ又はジルコニアを用いた。アルミナとしては、修正モース硬度が１２であって、粒径が３００μｍ、６０μｍ、又は８μｍのものを用いた。ジルコニアとしては、修正モース硬度が１１であって、粒径が１５０μｍのものを用いた。

　得られたブレーキパッドについて、試験例１と同様の方法により、剪断強度、硬度、動摩擦係数、及び静摩擦係数を測定した。加えて、単位面積当たりのアブレシブ粒子の存在個数についても測定した。

　結果を表４に示す。

　表４に示されるように、アブレシブ粒子の粒径が４０～７０μｍの範囲内にあり、存在個数が２０～６０個（個／ｍｍ²）の範囲内にある実施例１～５においては、０．２５（μｄ）以上の動摩擦係数に加えて、０．３２（μｓ）以上の静摩擦係数が得られた。また、剪断強度が６．０ＭＰa以上、硬度がＨＲＬ６０以上であり、機械的特性の点で問題がなかった。

　これに対して、アブレシブ粒子の存在個数が２０～６０個（個／ｍｍ²）の範囲を外れる比較例７～８、及び、アブレシブ粒子の粒径が４０～７０μｍの範囲を外れる比較例９～１１においては、動摩擦係数の値が０．２５（μｄ）に満たないか、又は、静摩擦係数の値が０．３２（μｓ）に満たなかった。

　１　ＡＤＴ用ブレーキ装置
　２　ブレーキ用摩擦材
　３　基材
　４　ブレーキパッド
　５　キャリパ
　６　バネ
　７　ディスク（相手材）

Claims

　走行時及び駐車時の双方において使用されるブレーキ用摩擦材であって、
　２０～５０質量％の銅と、
　７～２５質量％の黒鉛と、
　８～３５質量％のニッケルと、
　粒径が４０～７０μｍのアブレシブ粒子と、
を含む原料粉末の焼結体であり、
　前記アブレシブ粒子の修正モース硬度が８～１２であり、
　前記アブレシブ粒子が、前記ブレーキ用摩擦材中に、２０～５０（個／ｍｍ²）で存在する、
ブレーキ用摩擦材。
　前記原料粉末中の前記アブレシブ粒子の含有量が、１～１０質量％である、請求項１に記載のブレーキ用摩擦材。
　前記アブレシブ粒子が、アルミナ、ジルコニア、及び、タングステンカーバイドからなる群から選択される少なくとも１種の粒子を含む、請求項１又は２に記載のブレーキ用摩擦材。
　前記原料粉末が、更に、錫を含む、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のブレーキ用摩擦材。
　前記原料粉末が、更に、亜鉛を含む、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のブレーキ用摩擦材。
　前記原料粉末が、更に、鉄を含む、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のブレーキ用摩擦材。
　制動時に相手材に押し付けられるブレーキ用摩擦材であり、
　前記相手材が炭素鋼、ステンレス鋼、及び、炭素とシリコンとを含む鉄からなる群から選択される少なくとも一種である、
請求項１乃至６のいずれか一項に記載のブレーキ用摩擦材。
　アーティキュレートダンプトラック用である、請求項１乃至７のいずれか一項に記載のブレーキ用摩擦材。
　緊急ブレーキ用である、請求項１乃至８のいずれか一項に記載のブレーキ用摩擦材。
　基材と、
　前記基材上に設けられた請求項１乃至９のいずれか一項に記載のブレーキ用摩擦材と、
を備える、
ブレーキパッド。