JP2010235730A - 摩擦材 - Google Patents
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【解決手段】少なくとも一種の非晶質チタン酸アルカリ金属化合物と、少なくとも一種の結晶質チタン酸化合物と、有機結合材とを含有する。
【選択図】図1
Description
結晶質チタン酸アルカリ金属化合物として、一般式M2O・nTiO2(式中、Mはアルカリ金属元素の1種又は2種以上)で表されるチタン酸アルカリ金属がある。チタン酸アルカリ金属は、通常、繊維状の化合物として得られ、例えば、Mがカリウム(K)でn=2、4、6、8の二、四、六、八チタン酸カリウム、Mがナトリウム(Na)でn=3、6の三、六チタン酸ナトリウムがある。
また、n≧6結晶質チタン酸アルカリ金属化合物は、摩擦材としてブレーキパッドに用いたときに、アルカリ金属イオンの溶出が少なく、摩擦係数の安定性に優れ、特に高温域での摩擦係数確保に有効であるが、その反面、相手攻撃性が高く、相手部材となるディスク摩耗量が増大していた。従って、ブレーキパッドの耐摩耗性及びディスクに対する相手攻撃性に改善の余地があった。
しかしながら、非晶質チタン酸アルカリ金属化合物を摩擦材としてブレーキパッドとして用いた場合、パッド摩耗量及びディスク摩耗量は低減できるが、低速(50km/h)と高速(130km/h)において、摩擦係数の差が大きくなることがあった。
さらに、アルカリ成分の溶出は、結晶質チタン酸アルカリ金属化合物を基材として用いた摩擦材では、高温における摩滅によって、結晶質チタン酸アルカリ金属化合物の摩滅破壊により生じ、非晶質チタン酸アルカリ金属化合物では、軟化、溶融反応により低温域から高温域において生ずることを突き止めた。
少なくとも一種の非晶質チタン酸アルカリ金属化合物と、少なくとも一種の結晶質チタン酸化合物と、有機結合材とを含有するものである。
非晶質チタン酸アルカリ金属化合物は、一般式M2O・nTiO2(式中、Mはアルカリ金属元素の1種又は2種以上であり、nは2〜8の数)で表わされるチタン酸アルカリ金属を例示することができる。結晶質チタン酸化合物を使用するブレーキパッドに非晶質チタン酸アルカリ金属化合物を含有することで、軟化もしくは溶融反応によりブレーキパッドとディスクの摩擦界面へのアルカリ成分の供給を適正化でき、安定した流動層及びトランスファーフィルムの形成を達成できる。
チタン酸アルカリ金属化合物の非晶質性は、出発原料混合物を加熱溶融した後、その溶融物を急冷処理に付すことで得られる。急冷処理は、典型的には、双ロール法により行われ、向かい合う一対の金属ロールを高速回転させながら、双ロール間隙に溶融物を流下させるもので、溶融物は金属ロールに接触して急冷されつつロール間隙を通過し、薄片状の凝固物として下方に排出される。その急冷効果により、非晶質となる。
その他の急冷方法としては、溶融物を、底部にノズル孔を有する加熱坩堝に移し変え、ノズル先端からの細流とし、これに圧縮空気を吹き飛ばすことにより、非晶質繊維となる。また溶融物を溶射し、水中で急冷することにより非晶質粉末となる。
このようにして得られる非晶質チタン酸アルカリ金属化合物は、式M2O・nTiO2中、nの数が4以下の場合でも、SiO2を共含有することにより、摩擦材の成形時において、アルカリ金属イオンの溶出は防止され、摩擦材のマトリックス構成樹脂に悪影響を及ぼすことはない。
SiO2は、非晶質チタン酸アルカリ金属の非晶質構造のネットワークを強固にし、常態時でのアルカリ金属の溶出を抑えることにより、化学的安定性の向上に寄与する。
このため、非晶質チタン酸アルカリ金属化合物には、少なくとも10重量%以上のSiO2を含有させると共に、チタン酸アルカリ金属化合物のM2OとSiO2の重量比、すなわちM2O/SiO2を2.5以下とすることが望ましい。
B、Mg、Al、P、Ca及びZnの酸化物は、化学的安定性・耐久性を高める作用があり、また熱的安定性を向上させる働きがある。このため、B、Mg、Al、P、Ca及びZnからなる群から選択される少なくとも1種の元素の酸化物を含むことが望ましい。しかし、含有量があまり多くなると、チタン酸アルカリ金属とSiO2との配合バランスが崩れるので、上限は10重量%とする。
なお、B、Mg、Al、P、Ca及びZnからなる群から選択される少なくとも1種の元素の酸化物を含む場合、チタン酸アルカリ金属化合物は90重量%未満であり、SiO2は40重量%未満である。
V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Y、Zr、Nb及びBaの酸化物は、摩擦材として使用したとき、摩擦係数の向上に有意に寄与する。このため、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Y、Zr、Nb及びBaからなる群から選択される少なくとも1種の酸化物を含むことが望ましい。しかし、含有量があまり多くなると、チタン酸アルカリ金属とSiO2との配合バランスが崩れるので、上限は10重量%とする。
V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Y、Zr、Nb及びBaからなる群から選択される少なくとも1種の元素の酸化物を含む場合、チタン酸アルカリ金属は90重量%未満であり、SiO2は40重量%未満である。なお、これら元素の酸化物を、前記のB、Mg、Al、P、Ca及びZnからなる群から選択される少なくとも1種の元素の酸化物に加えてさらに含む場合も同様である。
結晶質チタン酸化合物を摩擦材に添加することで、流動層及びトランスファーフィルムの形成を安定化させ、摩擦係数の安定性に優れ、特に高温域での摩擦係数確保に有効となる。
前記非晶質チタン酸アルカリ金属化合物と結晶質チタン酸化合物とを結着させるために、有機結合材を使用する。
有機結合材として、フェノール樹脂を例示することができる。
本発明の非晶質複合チタン酸アルカリ金属化合物は、摩擦材、具体的には、自動車、鉄道車両、航空機、産業機械類等の制動装置におけるブレーキパッド、ブレーキライニング、クラッチフェーシング等の摺動面を構成する摩擦材の基材として好適に適用される。
合計量が4重量%未満であると、十分にアルカリ溶出が行なわれず、流動層及びトランスファーフィルムが形成されないためである。さらに、いずれの化合物も2重量%を下回る配合では、その配合効果が発揮されず、当然複合効果は見られないからである。また、50重量%を越えると、これらのアルカリ溶出効果が飽和すると共に、摩擦摩耗特性の効果改善がそれ以上期待できないため経済的にコスト高になるためである。
炭酸カリウム(K2CO3)と二酸化チタン(TiO2)を、K2OとTiO2のモル比が4となるように計量し、均一混合したものを800℃で2時間の加熱処理を行ない、四チタン酸カリウム(K2O・4TiO2)の粉末を得る。得られた四チタン酸カリウム(K2O・4TiO2)を溶射装置(日本ユテク株式会社製、CASTON DYNDS8000)で溶射し、水中で急冷することにより粉末を得た。
上記供試化合物は、表1中、化合物1として示している。
炭酸カリウム(K2CO3)と二酸化チタン(TiO2)を、TiO2/K2Oのモル比が1.9となるように計量し、均一混合したものを800℃で2時間の加熱処理を行ない、チタン酸カリウム(K2O・1.9TiO2)の粉末を得る。得られたチタン酸カリウム(K2O・1.9TiO2)に、シリカ(SiO2)を、K2O・1.9TiO2/SiO2=82/18の重量比となるように加え、これらの混合物を白金坩堝に入れて1150℃で2時間溶融する。
得られた溶融物を、底部にノズル孔を有する加熱坩堝に移し変え、ノズル先端からの細流とし、これに圧縮空気を吹き飛ばすことにより、繊維を得た。
上記供試化合物は、表1中、化合物2として示している。
炭酸カリウム(K2CO3)と二酸化チタン(TiO2)を、TiO2/K2Oのモル比が2となるように計量し、均一混合したものを800℃で2時間の加熱処理を行ない、チタン酸カリウム(K2O・2TiO2)の粉末を得る。得られたチタン酸カリウム(K2O・2TiO2)に、シリカ(SiO2)と水酸化マグネシウム(Mg(OH)2)を、K2O・2TiO2/SiO2/MgO=75/20/5の重量比となるように加え、これらの混合物を白金坩堝に入れて1200℃で1時間溶融する。
得られた溶融物を、周速3.6m/sで回転する金属双ロール間に流し込み、急冷した後、得られた急冷固化物をハンマーミルで粉砕することにより粉末を得る。
上記供試化合物は、表1中、化合物3として示している。
結晶質チタン酸化合物として、結晶質六チタン酸カリウム(K2O・6TiO2)を用いた。TiO2/K2Oのモル比が2となるように配合した混合物を1200℃で1時間加熱溶融し、得られた溶融物を冷却固化させて、二チタン酸カリウムの繊維塊を作成し、水和反応により繊維塊を膨潤させて分離し、酸処理及びカリウム溶脱処理の後、固液分離及び熱処理を行なうことにより作製した。平均繊維長は150μm、平均繊維幅は約30μmである。
得られた粉末の走査型電子顕微鏡による顕微鏡写真を図4に示す。
上記供試化合物は、表1中、化合物4として示している。
得られた粉末の走査型電子顕微鏡による顕微鏡写真を図5に示す。
得られた供試化合物は、表1中、化合物5として示している。
得られた粉末の走査型電子顕微鏡による顕微鏡写真を図6に示す。
得られた供試化合物は、表1中、化合物6として示している。
得られた粉末を走査型電子顕微鏡で観察し、その顕微鏡写真を図6に示す。また、X線回折により結晶相を調べ、蛍光X線分析により成分の定量を行なった結果、K2O・6TiO2/CaTiO3=90/10(重量比)の原料組成にほぼ一致する組成で、平均粒径約45μmの球状の結晶質チタン酸アルカリ金属化合物であることを確認した。なお、平均粒径は、レーザ回折散乱式粒度分布測定による50%累積度数分布粒子径(D50値)により測定した。
得られた粉末の走査型電子顕微鏡による顕微鏡写真を図7に示す。
得られた供試化合物は、表1中、化合物7として示される。
得られた粉末の走査型電子顕微鏡による顕微鏡写真を図8に示す。
上記供試化合物は、表1中、化合物8として示している。
得られた粉末の走査型電子顕微鏡による顕微鏡写真を図9に示す。
上記供試化合物は、表1中、化合物9として示している。
得られた供試化合物1〜9を、表2に示す要領にて、単独で又は所定量毎に配合することで、これら化合物を基材として含む摩擦材用原料として準備した。
各供試摩擦材について、JASO C406「乗用車ブレーキ装置ダイナモメータ試験方法」に準拠した抗力試験(50km/h、100km/h及び130km/h)と、JASO C427「ブレーキライニング、パッド摩耗ダイナモメータ試験方法」に準拠した摩耗試験を行ない、第二効力摩擦係数(μ)、パッド摩耗量(mm)及びディスク摩耗量(μm)について、表2に示す結果を得た。なお、摩擦係数は、各速度における平均摩擦係数であり、パッド摩耗量及びディスク摩耗量は、制動1000回当たりの平均摩耗量である。
Claims (11)
- 少なくとも一種の非晶質チタン酸アルカリ金属化合物と、少なくとも一種の結晶質チタン酸化合物と、有機結合材とを含有していることを特徴とする摩擦材。
- 非晶質チタン酸アルカリ金属化合物は、一般式M2O・nTiO2(式中、Mはアルカリ金属元素の1種又は2種以上、nは1〜8の数)で表されるチタン酸アルカリ金属である請求項1に記載の摩擦材。
- 非晶質チタン酸アルカリ金属化合物は、一般式M2O・nTiO2(式中、Mはアルカリ金属元素の1種又は2種以上、nは1〜4の数)で表されるチタン酸アルカリ金属:60〜90重量%、SiO2:10〜40重量%の組成を有し、M2O/SiO2≦2.5である非晶質複合チタン酸アルカリ金属化合物である請求項1に記載の摩擦材。
- 非晶質チタン酸アルカリ金属化合物は、一般式M2O・nTiO2(式中、Mはアルカリ金属元素の1種又は2種以上、nは1〜4の数)で表されるチタン酸アルカリ金属:60重量%以上90重量%未満、SiO2:10重量%以上40重量%未満、B、Mg、Al、P、Ca、Zn、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Y、Zr、Nb及びBaからなる群から選択される少なくとも1種の元素の酸化物:0重量%を超えて20重量%以下の組成を有し、M2O/SiO2≦2.5である非晶質複合チタン酸アルカリ金属化合物である請求項1に記載の摩擦材。
- 結晶質チタン酸化合物は、一般式M2O・nTiO2(式中、Mはアルカリ金属元素の1種又は2種以上、nは6〜8の数)で表されるチタン酸アルカリ金属である請求項1に記載の摩擦材。
- 結晶質チタン酸化合物は、一般式RO・TiO2(式中、Rはアルカリ土類金属元素の1種又は2種以上)で表されるチタン酸アルカリ土類金属である請求項1に記載の摩擦材。
- 結晶質チタン酸化合物は、一般式M2O・nTiO2(式中、Mはアルカリ金属元素の1種又は2種以上、nは6〜8の数)で表されるチタン酸アルカリ金属結晶にチタニア結晶、又は/及び、一般式RO・TiO2(式中、Rはアルカリ土類金属元素の1種又は2種以上)で表されるチタン酸アルカリ土類金属結晶が分散混在した複合チタン酸化合物である請求項1に記載の摩擦材。
- 結晶質チタン酸化合物は、一般式MxAyTi2-yO4(式中、MはLiを除くアルカリ金属、AはLi、Mg、Zn,Fe,Alからなる群から選択される少なくとも1種、xは0.1〜1.0、yは0.2〜1.0の数)で表されるチタン酸化合物である請求項1に記載の摩擦材。
- 非晶質チタン酸アルカリ金属化合物と結晶質チタン酸化合物は、合計量にて、摩擦材全体の4〜50重量%であって、且つ何れの化合物とも少なくとも2重量%以上を占める請求項1乃至8に記載の摩擦材。
- 非晶質チタン酸アルカリ金属化合物は、形状が、扁平状、繊維状、球状又は粉状である請求項1乃至請求項9の何れかに記載の摩擦材。
- 結晶質チタン酸化合物は、形状が、板状、球状、扁平状、繊維状又は粉状である請求項1乃至10に記載の摩擦材。
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