JP2007162891A - 焼結摩擦材 - Google Patents

Abstract

【課題】摩擦調整材を意図的に多量に添加することで、相手材への攻撃性を抑制した焼結摩擦材を提供する。
【解決手段】焼結摩擦材は、金属材料をマトリックスとし、固体潤滑材と摩擦調整材とを含んでおり、摩擦調整材として炭酸カルシウムを１〜１５ｖｏｌ％含んでいる。その配合材料中に炭酸カルシウムを多量に添加することにより、炭酸カルシウムが焼結（熱処理）過程中において、微粒子のカルシウム酸化物に分解され、摩擦界面に極めて穏やかな研削効果を出して、特に低温域での相手材攻撃性が大幅に改善される。相手材がアルミニウムやその合金およびアルミニウム複合材のような軽金属製ロータである場合でも、摩擦係数や耐摩耗性等の一定の摩擦性能を維持しながら相手材攻撃性を大幅に改善し、相手材と組み合わせて用いることができる。
【選択図】図１

Description

この発明は、鉄道車両を初めとする自動車、航空機、産業機械等の制動部材に用いられるブレーキライニング、ディスクパッド、クラッチフェーシング等に使用される焼結摩擦材に関する。

近年、自動車の高性能化、高出力化に伴い、ブレーキ等の制動条件も苛酷なものになっている。このような苛酷な制動のためには、摩擦材には高い摩擦係数の維持が必要とされる。このため、高い摩擦係数を有する高負荷摩擦材である焼結摩擦材が用いられてきている。

一般的に焼結摩擦材は、高い摩擦係数と耐摩耗性を有しているが、その代償として、相手材攻撃性が著しく高い。即ち、相手材への攻撃性が大きいために、相手材の摩耗量を増加させるという問題点を有している。一方、焼結摩擦材の相手材に対する攻撃性を低減させていくと、今度は逆に相手材に焼結摩擦材が溶着してしまい、耐摩耗性が悪化してしまうという問題が起こる。したがって、相手材に対する攻撃性の増加と相手材への溶着とを極力抑え、高い摩擦係数と耐摩耗性とを維持することが焼結摩擦材には求められている。

一方、相手材として、軽量化・高放熱性を目的として軽合金を用いた材質が開発されている。その軽合金材質の代表例として、アルミニウム、若しくはその合金、及び複合材が開発されている。

本出願人は、相手材に対する攻撃性の増加と相手材への溶着とを極力抑え、高い摩擦係数と耐摩耗性を維持できる焼結摩擦材を提供している（例えば、特許文献１参照）。この焼結摩擦材においては、銅又は銅合金をマトリックスとし、固体潤滑材と、研削材と、摩擦調整材とを有する鉄系焼結摩擦材であり、摩擦調整材として炭酸カルシウムを体積比率で１〜１０％配合している。この焼結摩擦材は、マトリックスに銅又は銅合金を用いた焼結摩擦材であり、マトリックス中に固体潤滑材、研削材、及び摩擦調整材として炭酸カルシウムとを配合し、その配合組成物を常法に従って所望の形状に圧縮成形し、焼結することにより得たものである。炭酸カルシウムをこの範囲で配合することにより、炭酸カルシウム中のカルシウムが焼結中に分解されて酸化カルシウム（ＣａＯ）となり、摩擦材中に穏やかな研削作用を生じさせていると考えられる。

焼結摩擦材は、相手材攻撃性が高いことから、相手材を過度に研削してしまい、スコーリング現象を引き起こすので、軽金属との相性を良好にすることが焼結摩擦材についての最大の課題となっている。これは、軽金属を主成分とする金属は、通常に鉄系原材料と比較して低融点で軟質であることが多いことに起因する。諸現象としては、特に低温域（金属同士の結合、凝着領域外）で悪影響を及ぼす。低温域では、金属凝着が起こりにくく、研削材（摺動時に引っ掻くことで摩擦力を得る）に頼った摩擦形態が生じ、相手材を過度に攻撃し、相手材表面にスコーリングを発生させることに繋がる。
特開２００１−２９４８４７号公報（段落［０００７］〜［００１１］）

そこで、焼結摩擦材において、摩擦調整材を意図的に多量に添加することで、相手材への攻撃性を抑制する点で解決すべき課題がある。

この発明の目的は、相手材がアルミニウムやその合金またはアルミニウム複合材のような軽金属製ロータである場合でも、摩擦係数や耐摩耗性等の一定の摩擦性能を維持しながら相手材攻撃性を大幅に改善し、相手材と組み合わせて用いることができる焼結摩擦材を提供することである。

上記の課題を解決するため、この発明による焼結摩擦材は、金属材料をマトリックスとし、固体潤滑材と摩擦調整材とを含む焼結摩擦材において、前記摩擦調整材として炭酸カルシウムを１〜１５ｖｏｌ％含むことから成っている。

この焼結摩擦材によれば、その配合材料中に炭酸カルシウムを多量に添加することにより、炭酸カルシウムが焼結（熱処理）過程中において、微粒子のカルシウム酸化物に分解され、摩擦界面に極めて穏やかな研削効果を出して、特に低温域での相手材攻撃性が大幅に改善される。

この焼結摩擦材において、前記摩擦調整材として更にフッ化カルシウムを含み、且つ前記炭酸カルシウムとの合計含有量が１５ｖｏｌ％以下であるとすることができる。フッ化カルシウムは、炭酸カルシウムに近似した、過度に高くない硬度を有する研削材の一つであり、炭酸カルシウム添加量の中で部分置換され、低速域での摩擦性能を維持しながら、高温時（高速制動時）の摩擦性能が確保され、摩擦性能の温度依存性が是正される。これはセラミックスが持つところの、比較的高温時の耐熱性と適度な研削性が有効に作用したものと考えられる。

摩擦調整材として炭酸カルシウムとフッ化カルシウムとを含む上記焼結摩擦材において、炭酸カルシウムとフッ化カルシウムとを等量含むことが好ましい。炭酸カルシウムとフッ化カルシウムとを１対１の等量配合することにより、良好な摩擦性能を得ることができる。

上記の焼結摩擦材は、アルミニウム又はその合金等の軽金属製ロータと組み合わせた制動装置の摩擦材として適用することができる。鋳鉄製のロータであると、通常、摩擦材には硬質の研削材が含まれる。ロータがアルミニウム又はその合金等の軽金属製であるときには、ロータは柔らかいので研削材を含む摩擦材では摩耗が進行してしまうが、本発明による本焼結摩擦材は、硬質の研削材を使用しておらず相手材の攻撃性が低いので、軽金属製のロータと組み合わせられる摩擦材であり、相手材を考慮した制動装置として成立し、使用することができる。

この発明による焼結摩擦材は、上記のように構成されているので、多量に添加されている炭酸カルシウムが焼結（熱処理）過程中において微粒子のカルシウム酸化物に分解され、特に低温域において、摩擦界面に極めて穏やかな研削効果を出し過度な研削を抑制してスコーリングを発生させない。攻撃性と研削とを両立させるという一次作用とともに、摩擦材が凝着領域（高温域）にシフトするときに、金属の凝着を阻害せず、金属の相手材キャッチングを適正に切る効果がある。また、摩擦調整材として更にフッ化カルシウムを含む場合には、低速域での摩擦性能を維持しながら、高温時（高速制動時）の摩擦性能確保を有することが確かめられており、摩擦性能の温度依存性が是正される。また成形性も、炭酸カルシウム単独使用時よりも向上している。

以下、添付した図面に基づいて、この発明による焼結摩擦材の実施例を説明する。

表１には、本発明による焼結摩擦材の配合を示す実施例１及び実施例２が、比較例１〜３とともに示されている。実施例１及び２においては、配合は、金属マトリックス４５ｖｏｌ％と、無鉛の固体潤滑材４１ｖｏｌ％とを含み、摩擦調整材として、実施例１では炭酸カルシウム１４ｖｏｌ％を、また実施例２では、酸カルシウム７ｖｏｌ％とフッ化カルシウム７ｖｏｌ％（モース硬度４）とを含んでいる。なお、比較例としては、比較例１が金属マトリックス５５ｖｏｌ％と無鉛の固体潤滑材３３ｖｏｌ％とを含み、摩擦調整材として酸化ジルコニウム８ｖｏｌ％と酸化マグネシウム４ｖｏｌ％とを含んでいる。更に、比較例２及び３においては、比較例１と成分が同じであるが配合量が表のとおり相違している。

表２は、表１に示した実施例１及び２、並びに比較例１〜３についての、低速（５０ｋｍ／ｈ）と高速（１５０ｋｍ／ｈ）とにおける、１制動当たりの相手材攻撃性（単位：μｍ）を示している。表２から、相手材（アルミニウム複合材製ロータ）の摩耗量については、比較例ではどのものも正の値であって摩耗が生じている（低速時の方が高速時よりも摩耗量が多い）が、実施例１及び２では、低速時及び高速時のどちらの場合も、マイナス値であって、却って凝着が生じていることが解る。また、凝着量は、低速時よりも高速時の方が多いことが解る。図１には、これら実施例１及び２、並びに比較例１〜３の相手材攻撃性（相手材の摩耗量）が比較しやすいようにグラフ化して示されている。

表３は、表１に示した実施例１及び２、並びに比較例１〜３についての、低速（５０ｋｍ／ｈ）と高速（１５０ｋｍ／ｈ）とにおける、１制動当たりのライニング摩耗量（単位：ｍｍ）を示している。表３から、実施例１では高速時では比較例１〜３よりも高い値が測定されるが、低速ではほぼ同等の摩耗量に抑えられていることが解る。また、実施例２では比較例１〜３と比べて、高速時では僅かに高い値が測定されるが、低速時では遜色のない値が得られている。図２には、これら実施例１及び２、並びに比較例１〜３の摩擦材の摩耗量が比較しやすいようにグラフ化して示されている。

表４は、表１に示した実施例１及び２、並びに比較例１〜３についての、低速（５０ｋｍ／ｈ）と高速（１５０ｋｍ／ｈ）とにおける、平均摩擦係数を示している。表４から、実施例１及び２は、比較例１〜３と比べて、遜色のない摩擦係数が得られていることが解る。図３には、これら実施例１及び２、並びに比較例１〜３の摩擦材の摩耗係数が比較しやすいようにグラフ化して示されている。

上記のように、炭酸カルシウム単独を添加した焼結摩擦材の場合、実験上、１ｖｏｌ％で最も効果が確認できた。１５ｖｏｌ％を超えると、成形性が悪くなり、製造上歩留りが悪い。常用域での摩擦性能は（初速度１７０ｋｍ／ｈ）充分実用域として摩擦性能は確保されている。また、フッ化カルシウムをも添加する場合、炭酸カルシウム添加量：７ｖｏｌ％、フッ化カルシウム添加量：７ｖｏｌ％（等量添加が実験的には最も良い）のとき、低速〜高速（３００ｋｍ／ｈ）まで、安定した摩擦性能が得られた。

本発明による焼結摩擦材の実施例及び比較例１〜３の相手材攻撃性（相手材の摩耗量）を比較してグラフ化して示した図である。 本発明による焼結摩擦材の実施例及び比較例１〜３の摩擦材の摩耗量を比較してグラフ化して示した図である。 本発明による焼結摩擦材の実施例及び比較例１〜３の摩擦材の摩耗係数を比較してグラフ化して示した図である。

Claims (4)

1. 金属材料をマトリックスとし、固体潤滑材と摩擦調整材とを含む焼結摩擦材において、前記摩擦調整材として炭酸カルシウムを１〜１５ｖｏｌ％含むことから成る焼結摩擦材。
2. 前記摩擦調整材として更にフッ化カルシウムを含み、且つ前記炭酸カルシウムとの合計含有量が１５ｖｏｌ％以下であることから成る請求項１に記載の焼結摩擦材。
3. 前記炭酸カルシウムと前記フッ化カルシウムとが等量含まれることから成る請求項２に記載の焼結摩擦材。
4. アルミニウム又はその合金等の軽金属製ロータと組み合わせて制動装置として適用されることから成る請求項１〜３のいずれか１項に記載の焼結摩擦材。

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