JP2009221303A - 摩擦材とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】耐摩耗性とフェード特性を両立させることのできる鋳鉄製ロータ用摩擦材とその製造方法を提供することである。
【解決手段】鋳鉄製のロータとの摩擦係合に用いられる摩擦材において、ノンアスベスト摩擦材の配合基材に更に繊維長３ｍｍ以上１２ｍｍ以下の熱可塑性繊維を３体積％以上１２体積％以下配合し、摩擦材の熱成形後に前記熱可塑性繊維の融点以上の温度で加熱処理することにより、摩擦材内部に空孔を形成させた摩擦材とその製造方法。前記熱可塑性材料として、ポリプロピレン繊維を用いることが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車、鉄道車両、産業機械等のブレーキ等に使用されるフェード特性と耐熱劣化特性を両立させた摩擦材に関し、特に、鋳鉄製ロータ（以下ＦＣロータともいう）との摩擦係合に用いられる摩擦材であって、より具体的には前記の用途に使用されるブレーキパッド、ブレーキライニング、クラッチフェーシング等に関するものである。

近年、環境汚染防止のため、各種車両や産業機械等のブレーキパッド、ブレーキライニングやクラッチフェーシング等に広く使用される摩擦材は、基材に石綿を使用しない所謂ノンアスベスト摩擦材が主流となっている。このノンアスベスト摩擦材は、耐熱性有機繊維や石綿以外の無機繊維、有機フリクションダスト、金属や金属酸化物からなる摩擦調整材、固体潤滑材、その他の充填材を熱硬化性樹脂からなるバインダーで結合したものである。
しかし、公害防止のため摩擦材のノンアスベスト化が進むにつれて使用可能な材料が限定されるようになってきており、このノンアスベスト摩擦材に含有される無機充填材においても粉状の材料の使用が多くなってきた。このため摩擦材の性状としては硬度が大きく気孔率が小さくなる傾向にある。そして、摩擦特性は、初期摩擦係数は上記硬度に依存しているので低下し、また高速効力及びフェード特性は前記気孔率に関連しているのでこれらも低下する傾向にあった。これに加えてノイズも発生しやすくなっていた。

車両に搭載されるブレーキロータのような耐摩耗性が求められる部品については、通常鋳鉄が使用されている。
昨今、自動車の高速化に伴い、ブレーキロータ等の摩擦材として、高温域での使用に耐え得るブレーキパッドの開発が急務となっている。ロータは摩擦界面（ロータと摩擦材界面）での急激な温度上昇を引き起こしやすく、２５０℃以上になると、摩擦係数が０．２５以下に低下する所謂フェード現象が発生する。また、そのロータの表面温度上昇によってブレーキ液温度の上昇を引き起こし、さらにべーパロック現象の要因となる。

特許文献１には、水ガラスから得られるシラノールを熱硬化性樹脂中に微細分散させ、この熱硬化性樹脂をパッド配合材料のバインダーとして用いた摩擦材組成物を加熱・加圧成形後、高温でアフタキュアさせてシラノールを脱水縮合させることにより、摩擦材組成物中に微細分散したシラノールからナノメートルサイズの微細シリカ粒子が生成するとともに、発生した縮合水が高温のため気化して微細気孔が摩擦材中に均一に形成されるので、従来技術と異なり、ナノメートルサイズの微細気孔が形成されるので、気孔率が高くても摩擦材の強度低下や耐久性低下の恐れがないことを記載している。

特許文献２には、充填材として少なくともコークスを１０〜１６体積％、カシューダストを５〜１０体積％、未焼成バーミキュライトを７〜１４体積％含有する摩擦材中のカシューダストを３００℃以上で熱分解すると摩擦材の表面に高い気孔率が得られることを利用し、耐摩耗性と耐熱性が向上した摩擦材を得ている。
しかし、フェード特性と耐熱劣化特性を完全に両立させる摩擦材は実用化されていない。

通常、摩擦材の製造は、摩擦材原料の配合、撹拌、常温における予備成形、熱成形、加熱（アフタキュア）、研磨等の仕上げ加工の各工程を経て行われている。その中でも熱成形工程における成形条件が製品の性能を直接左右するので、熱成形は重要な工程である。
熱成形工程では、結合材を熱による反応で硬化させることにより、摩擦材全体を強固に結合させて一体化させ、強度と硬度をもたせるので、この工程の良否で摩擦材の性能が決まってくる。
配合材料としては、有機繊維、ガラス繊維などの無機繊維、鉄および銅繊維などの金属繊維等の繊維基材、炭酸カルシウム、硫酸バリウム等の充填材、ゴムダスト、カシューダスト、金属酸化物、金属粒子、セラミック粒子等の摩擦調整材、黒鉛、二硫化モリブデン等の潤滑材、フェノール樹脂等の結合材が使用されるが、従来の配合材料を使用した製造方法ではＦＣロータとの係合に適した気孔を有する摩擦材の製造は難しく、耐摩耗性、耐熱劣化特性の確保とフェード特性の両立に課題が残されていた。

特開２００５−２９９６８８号公報 特開２００７−１１２９５２号公報

一般に、耐摩耗性、耐熱劣化特性およびフェード特性を両立させるために、摩擦材の気孔率を調整することは以前から行われている。しかし、加熱成形時の成形圧力と温度を変えて気孔率を増加させたり単に多孔質無機粒子を使用する方法では、機械的強度及び耐摩耗性が低下することが多い。
従って、本発明の課題は、他の摩擦特性を犠牲にせず、摩擦材の熱処理によって気孔率を調整して、摩擦材が車両のディスクブレーキ等、特に鋳鉄製ロータと組み合わされたとき、耐熱性、耐摩耗性とフェード特性とを両立させ、高温域での使用に耐えうる摩擦材とその製造方法を提供することである。

本発明者は、ポリプロピレン・ポリエチレンに代表される熱可塑性樹脂を摩擦材に配合することによる摩擦材の気孔率調整手法を検討した結果、摩擦材の配合材料の撹拌工程における分散性を考慮すると熱可塑性樹脂は繊維形状が望ましいことを見出し、その結果、気孔率の調整が可能になり、摩擦材の熱伝導率（断熱効果）の調整手法が確立され、急激な温度変化でフェード現象を抑制することの出来る摩擦材を実現した。
すなわち、本発明は下記（１）〜（５）により達成された。

（１）少なくとも繊維基材、摩擦調整材、潤滑材、充填材及び結合材からなる摩擦材において、該摩擦材の配合材料に更に融点が前記摩擦材の成形温度以上であり、後の加熱工程の加熱処理温度以下である繊維長３ｍｍ以上１２ｍｍ以下の熱可塑性繊維を３体積％以上１２体積％以下配合し、摩擦材の熱成形後に該熱可塑性繊維の融点以上の温度で加熱処理することにより、摩擦材内部に空孔を形成させることを特徴とする摩擦材。
（２）前記熱可塑性繊維の直径が１５μｍ以上５００μｍ以下であることを特徴とする上記（１）に記載の摩擦材。
（３）前記熱可塑性繊維がポリプロピレン繊維であることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の摩擦材。
（４）鋳鉄製ロータとの摩擦係合に用いられる摩擦材の製造方法において、少なくとも繊維基材、摩擦調整材、潤滑材、充填材、結合材からなる摩擦材の配合材料に更に融点が摩擦材の成形温度以上であり、後の加熱工程の加熱処理温度以下である熱可塑性繊維材料を配合し、摩擦材の熱成形後に前記熱可塑性繊維材料の融点以上の温度で加熱処理することにより、摩擦材内部に空孔を形成させることを特徴とする摩擦材の製造方法。
（５）前記摩擦材の加熱処理において、温度２００℃以上３００℃以下で１時間以上５時間以下加熱処理を行うことにより、摩擦材内部に空孔を形成させることを特徴とする上記（４）に記載の摩擦材の製造方法。

従来、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂によって成形された摩擦材は、内部に均一で大きい気孔を持ちにくいが、本発明のＦＣロータ用摩擦材は摩擦材内部に大きな空孔（気孔）を持つことによって発生したガスを界面に貯めることなく排出することが可能であり、フェード現象を防止することが出来る。

本発明では、ポリプロピレンに代表される低燃焼温度の樹脂を摩擦材に配合し、これを成形後に融点以上の温度で高温加熱処理をして、気孔率を調整することにより発生した熱が摩擦材内部まで拡散することを遮断し、摩擦材の摩耗量の増加を防止する。又、摩擦材内部に大きな気孔を持つことにより発生したガスを界面に貯めることなく排出することが可能であり、フェード現象を防止することが出来る。
更に、本発明の摩擦材は気孔率を調整することによって、発生した熱を摩擦材内部まで伝えることを防ぎ、摩耗量の増加を防止することが出来る。
従って、本発明の製造方法による均一で大きい気孔径の気孔を有する摩擦材の使用により耐摩耗性とフェード特性を両立させることが可能になった。

以下、本発明の実施態様について詳細に説明する。
従来、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂によって成形された摩擦材は、内部に均一で大きい気孔を持ちにくい。本発明においては、ポリプロピレンに代表される低燃焼温度の樹脂を摩擦材に配合し、これを摩擦材の成形後に樹脂の融点以上の温度で高温加熱処理することによって、摩擦材内部に空孔を作ることが可能となる。ここで配合される熱可塑性樹脂の融点は成形温度以上であり、後加熱処理温度（摩擦材の加熱処理工程の温度）以下であることが望ましい。
融点が摩擦材の成形温度以上であり後加熱処理温度以下にある熱可塑性樹脂として、ポリオレフィン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリメタクリル樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリオキシアルキレン樹脂およびそれらの混合物等の中から選択することができる。

上記の樹脂の中でもポリオレフィン樹脂が好ましく、具体的な樹脂としては炭素数２〜８のモノマーからなるポリオレフィンであり、ポリプロピレン、ポリエチレン、プロピレン・エチレン共重合体、ポリ−１−ブテン、ポリ−１−ペンテン、ポリ−４−メチルペンテン等を使用することが出来る。中でも、ポリプロピレンおよびポリエチレンが更に好ましい。ちなみに、ポリプロピレンの融点は１７０℃である。
最も好ましいのは、ポリプロピレンであり、ポリプロピレンは単独重合体であってもよく、プロピレンと、エチレン、１−ブテンおよびイソプレン等をブロック的に共重合し、プロピレンとコモノマーをランダムに共重合した共重合体であってもよい。前記したポリオレフィンの物性値はポリオレフィンの製造法と用途により異なるが、摩擦材に配合する際の物性値は、摩擦材の目標性能により当業者の裁量で決定することが出来る。
ポリプロピレンは比重が０．９０〜０．９１と汎用プラスチックではもっとも小さく、熱成形時の樹脂流動性に優れ、成形収縮率は１〜２％の範囲であり、ポリスチレン等の非晶性樹脂よりも比較的大きく、成形収縮率の異方性バランスも良好である。

本発明においては、摩擦材の配合材料としてポリプロピレン、ポリエチエレンに代表される融点が後加熱処理温度以下にある熱可塑性樹脂を１体積％以上１２体積％以下配合することによる気孔率の調整手法が採用されるが、フェード現象に対する効果を確実にするためには、配合量は３体積％以上１２体積％以下配合することが望ましい。一方、撹拌工程における分散性を考慮すると樹脂の形態としては繊維状であることが望ましく、また更に効果を確実にするためには繊維長さを好ましくは１〜１５ｍｍ、より好ましくは３〜１２ｍｍの範囲とすることが好ましい。また、繊維の直径を好ましくは５０〜２０００μｍ、より好ましくは２００〜１０００μｍ、更に好ましくは１５〜５００μｍの範囲とすることが好ましい。

上記した繊維状の熱可塑性樹脂は、気孔率を調整するために摩擦材の全配合材料と共に配合され、熱成形工程に移される。通常、熱成形は１４０〜１６０℃で１〜１０分間行われる。この工程で予備成形したワークに製品形状が付与され、次に高温加熱処理工程で２００〜３００℃、１〜５時間熱処理され、熱可塑性樹脂が融解若しくは熱分解反応を起こし、または一部焼失し、摩擦材に空孔が生ずる。

摩擦材中に形成された気孔径とその分布は水銀圧入法を用いて測定する。最初に摩擦材を適当なサイズに切って測定用試料を用意する。次に、計測機であるポロシメータの試料容器に試験片を収納し、０〜１００ＭＰaまでの測定圧力で、水銀をテストピース中に圧入していき、その変化量を積算することによって測定する。加圧力を次第に高くしていくと、気孔径の大きな部分から気孔が水銀に置換される。気孔径と水銀を圧入する加圧力との間に相関関係があるので、ある気孔径を有する気孔の体積を水銀の加圧力から求めることができる。
従って、水銀の加圧力を連続的に増大させていくことにより、気孔径とその体積が順次積算されていき、積算値を微分するとグラフの縦軸には微分細孔容積が示される。

本発明で用いたポリプロピレン繊維のような熱可塑性樹脂を配合して成形された摩擦材は、内部に均一で気孔径の大きい気孔を有し、気孔径は５〜５０μｍの範囲で調整することが出来る。その場合、ＦＣロータ用摩擦材としては気孔径２μｍ以上の気孔の累積気孔率が４〜１２体積％であり、全体の気孔率は１５〜２５体積％であることが好ましい。
摩擦材の気孔率を大きくすると、ブレーキをかけたときに発生するガス圧を下げることができるため、フェード特性が向上する。本発明の摩擦材は均一で大きい気孔径を有し、しかも所定の気孔率を確保できるため、特に、ＦＣロータの急激な温度変化でフェード現象を抑制する摩擦材として有用である。又、ＦＣロータの急激な温度変化に対する摩擦材熱伝導率（断熱効果）の調整手法としても有効である。

本発明の摩擦材は、繊維基材、摩擦調整材、潤滑材、充填材、結合材からなる摩擦材用原材料を配合し、その配合物を通常の製法に従って予備成形し、熱成形することにより製造される。摩擦材の組成としては、種々の配合割合を採用することができる。すなわち、製品に要求される摩擦特性、例えば、摩擦係数、耐摩耗性、振動特性、鳴き特性等に応じて配合すればよい。
具体的な配合割合を示すなら、補強用の繊維基材は、摩擦材全体の５〜３０体積％、摩擦調整材が１０〜３０体積％、潤滑材が５〜１５体積％、充填材が２０〜５５体積％、結合材が５〜１５体積％とするのが好ましい。

ディスクブレーキ用ブレーキパッドの製造も、通常の摩擦材の製造と同様に周知の製造工程により行われ、例えば、予備成形、熱成形、加熱、研磨等の工程を経て作製することができる。具体的には、板金プレスにより所定の形状に成形され、脱脂処理及びプライマー処理が施され、そして接着剤が塗布されたプレッシャプレートと、耐熱性有機繊維や無機繊維、金属繊維等の繊維基材と、無機・有機充填材、摩擦調整材及び熱硬化性樹脂樹脂等の粉末原料とを配合し、撹拌により十分に均質化した原材料を常温にて所定の圧力で成形（予備成形）して作製した予備成形体とを、熱成形工程において所定の温度及び圧力で熱成形して両部材を一体に固着し、アフタキュアを行い、最終的に仕上げ処理を施す工程が行われている。本発明においては、前記粉末原料の配合の際に、熱可塑性樹脂を一緒に配合し、かつ前記アフタキュアの際の熱処理温度を高くするか、又はその後に熱可塑性樹脂が融解若しくは熱分解する高い温度で熱処理をする。

以下、実施例により本発明を具体的に説明する。ただし、本発明の範囲はこれらの実施例のみに限定されるものではない。

実施例１〜６及び比較例１
＜摩擦材の作成＞
第１表は熱可塑性樹脂材料を除いたノンアスベスト摩擦材の基本摩擦材処方を示す。次に、第２表に示すように、基本摩擦材に対し、合計が１００体積％となるようにポリプロピレン（ＰＰ）を１体積％（実施例１）、３体積％（実施例２）、５体積％（実施例３）、９体積％（実施例４）、１２体積％（実施例５）及び１５体積％（実施例６）配合して定法により摩擦材を作成した。

この時の摩擦材製造条件は熱型温度１５０℃、ホットプレス法にて成形し、後加熱処理として、３００℃雰囲気下で３時間熱処理した後、摩擦材の表面をガスバーナを用いて６００℃で６０秒間表面焼き処理を施した。加工した摩擦材のサイズは１００ｃｍ^２である。この時使用したポリプロピレンは、原材料の撹拌工程における分散性を考慮し繊維状の形状（長さ：３ｍｍ、６ｍｍ、１２ｍｍ、直径：１５μｍ、４０μｍ、４００μｍの組み合わせ）とした。そして、ポリプロピレンを配合しない（０％）摩擦材を比較用（比較例１）とした。

＜気孔径と気孔率の測定＞
次に、実施例３、実施例４、実施例５及び比較例１の４水準の摩擦材をポロシメータにより測定したときの気孔径と気孔率の関係を図１に示す。図１から、実施例３の摩擦材は気孔径が５μｍに分布のピークがあり、実施例４では２０μｍ付近、実施例５では３０μｍ付近にピークのあることが分かった。一方、比較例１の摩擦材の気孔径は０．１〜１μｍにピークのあることが分かった。
図１から分かるように、ポリプロピレンが配合された摩擦材は配合しないものに対して大きな気孔径を成形物内にもつことが観測され、また配合量を増やすことによって、気孔径をさらに大きくすることが出来た。
又、理解を容易にするために、ＰＰ量７水準のポリプロピレンの配合量と摩擦材の気孔率の関係を図２に示したが、実施例５の摩擦材の気孔率が２１％であり、比較例１の摩擦材の気孔率が１８％であることを考慮すると、ＰＰ量を増やすことで、摩擦材内部の総気孔率を増やせることが分かった。又、本発明の製造方法による摩擦材は均一で気孔径の大きい気孔を有することが分かった。

＜摩擦材の評価＞
フェード試験の制動条件は、ＦＣロータを使用して時速２８０ｋｍから１００ｋｍ、減速度９．８ｍ／ｓ^２、４５秒間隔で２５回制動の摩擦係数を測定し、最小摩擦係数（μ）を計測した。パッドの摩耗量はマイクロメーターにより測定した。４００℃における高温圧変量はＩＳＯ ＧｌｏｂａｌＳｐｅｃ．「乗用車用ディスクブレーキパッド試験仕様」の「高温圧縮測定試験」に基づき測定した。

図３は、ポリプロピレン（ＰＰ）の配合量と摩擦材のパッド摩耗量及びフェードμとの関係を示す図である。図３から分かるように気孔率の増加に伴い、フェード時の効力が向上するが、反面、パッド摩耗も増加し続け、ＰＰ量３体積％以上でＰＰ量によるフェード効力の飽和と考えられる領域の１５質量％内に入っていた。ただし、１２体積％より多くなるとパッド摩耗量が劇的に増加することが分かった。
図４はポリプロピレン（ＰＰ）の配合量と摩擦材の４００℃における高温圧変量（μｍ）も関係を示す図である。同様にＰＰ配合量の増加に従い、高温（４００℃）圧変量も増加を続け、１２％より多い場合、非常に大きな変形量を示した。目標値である１８０μｍ以上２３０μｍ以下の数値にＰＰ量３〜１２体積％の高温圧変量が入っていた。このことから、ＰＰ配合量は３〜１２体積％が望ましいことが分かった。

ポリプロピレンの繊維径と、気孔率比較、パッド摩耗量及びフェードμとの関係を繊維径が１５、４０及び４００μｍの３水準場合について、図５、図６にそれぞれ示した。
実施例は、前記の４００μｍ径３ｍｍ長繊維の９％配合をベースとした繊維径違い（１５μｍ、４０μｍ）のポリプロピレン繊維を使用した。
１５、４０μｍ径のポリプロピレン繊維から得られる気孔率は、図５からベースである４００μｍ径のそれと比較すると５％内の気孔率低下に留まることが分かった。図６に示すように、フェード評価時のパッド摩耗量及びフェードμでもベースである４００μｍと同等の特性を示した。以上からポリプロピレン繊維径の望ましい使用範囲は１５μｍ〜５００μｍであることが分かった。

同様に、ポリプロピレンの繊維長と、気孔率、パッド摩耗量及びフェードμとの関係を繊維長さが３ｍｍ、６ｍｍ及び１２ｍｍの３水準場合について、図７、図８にそれぞれ示した。
実施例は、前記の４００μｍ径の３ｍｍ長繊維をベースとした繊維長違い（６ｍｍ、１２ｍｍ）のポリプロピレン繊維を使用した。
ベースである３ｍｍ長の繊維と比較すると気孔率の低下が見られたが、前記のフェードμ飽和の１０％の範囲内の効力を確保できることが分かった。このことからポリプロピレン繊維長の範囲は今回実施した３〜１２ｍｍの範囲で望まれる気孔率及びフェード効力を確保できることが分かった。
以上の測定結果から、ポリプロピレン繊維を５体積％（実施例１）添加するだけでも最小摩擦係数（μ）が比較例１に対して著しく増加したことが示されており、ポリプロピレン繊維を配合して気孔率を調整することでフェード現象を解決できることが分かった。又、本発明の製造方法による摩擦材はＦＣロータ用摩擦材として優れていることが確認できた。

本発明により、摩擦材の温度上昇が抑えられ、フェード特性と耐摩耗性が両立した摩擦材が実用化された。従って、本発明の摩擦材は、産業機械、鉄道車両、荷物車両、乗用車などに使用されるブレーキパッド、ブレーキライニング、クラッチフェーシング等に特に有用なものである。

本発明の摩擦材の気孔径と気孔率分布をポロシメータにより測定したときの関係を表す図である。 摩擦材のポリプロピレンの配合量と気孔率（％）の関係を表す図である。 ポリプロピレンの配合量とパッド摩耗量及びフェードμとの関係を示す図である。 ポリプロピレンの配合量と摩擦材の４００℃における高温圧変量（μｍ）の関係を示す図である。 ポリプロピレン繊維径と摩擦材の気孔率（％）の関係を示す図である。 ポリプロピレン繊維径とパッド摩耗量及びフェードμとの関係を示す図である。 ポリプロピレンの繊維長と摩擦材の気孔率（％）の関係を示す図である。 ポリプロピレンの繊維長とパッド摩耗量及びフェードμとの関係を示す図である。

Claims (5)

1. 少なくとも繊維基材、摩擦調整材、潤滑材、充填材及び結合材からなる摩擦材において、該摩擦材の配合材料に更に融点が前記摩擦材の成形温度以上であり、後の加熱工程の加熱処理温度以下である繊維長３ｍｍ以上１２ｍｍ以下の熱可塑性繊維を３体積％以上１２体積％以下配合し、摩擦材の熱成形後に該熱可塑性繊維の融点以上の温度で加熱処理することにより、摩擦材内部に空孔を形成させることを特徴とする摩擦材。
2. 前記熱可塑性繊維の直径が１５μｍ以上５００μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の摩擦材。
3. 前記熱可塑性繊維がポリプロピレン繊維であることを特徴とする請求項１又は２に記載の摩擦材。
4. 鋳鉄製ロータとの摩擦係合に用いられる摩擦材の製造方法において、少なくとも繊維基材、摩擦調整材、潤滑材、充填材、結合材からなる摩擦材の配合材料に更に融点が摩擦材の成形温度以上であり、後の加熱工程の加熱処理温度以下である熱可塑性繊維材料を配合し、摩擦材の熱成形後に前記熱可塑性繊維材料の融点以上の温度で加熱処理することにより、摩擦材内部に空孔を形成させることを特徴とする摩擦材の製造方法。
5. 前記摩擦材の加熱処理において、温度２００℃以上３００℃以下で１時間以上５時間以下加熱処理を行うことにより、摩擦材内部に空孔を形成させることを特徴とする請求項４に記載の摩擦材の製造方法。

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