JP2018002775A - ブレーキ摩擦材 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、摩耗特性に優れ、十分な摩擦特性と鳴き特性が得られるブレーキ摩擦材を提供することを目的とする。【解決手段】本発明は、少なくとも強化繊維材、結合材、摩擦調整材、充填材、およびｐＨ調整材を含有してなるブレーキ摩擦材において、前記ブレーキ摩擦材の全体量を１００質量％としたとき、酸化ジルコニウムを７質量％以上かつ１５質量％以下、チタン酸カリウムを２１質量％以上かつ３０質量％以下、鉱物繊維を６質量％以上かつ１０質量％以下、金属繊維を８質量％以上１５質量％以下含有することを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、ブレーキ摩擦材に関する。

従来、自動車等のブレーキ摩擦材には、繊維材として銅繊維、スチール繊維等の金属繊維、アラミド繊維等の有機繊維、チタン酸カリウム繊維、チタン酸ナトリウム多結晶繊維等の無機繊維、ウォラストナイト、セピオライト、あるいはロックウール等の鉱物繊維が使用されている。
このブレーキ摩擦材は、上記の繊維材の他、フェノール樹脂等の結合材、黒鉛、二硫化モリブデン等の潤滑材、アルミナ粉、ジルコンサンド、カシューダスト、セラミック粉、金属粉等の摩擦調整材、硫酸バリウム等の充填材、および水酸化カルシウム等のｐＨ調整材を混合することにより、強度、接着性、摩擦特性、摩耗特性、鳴き特性等のブレーキ特性を満足するように調整されている（特許文献１参照）。

以下の特許文献２によると、金属繊維である銅繊維の含有量が５質量％以下、銅と銅合金以外の金属繊維含有量が０．５質量％以下であり、１０〜３５質量％のチタン酸塩と粒子径が３０μｍ以下の酸化ジルコニウムを１〜４０質量％含有することで、摩擦特性と摩耗特性を確保し得るブレーキ摩擦材が開示されている。
また、以下の特許文献３では、モース硬度７以上の研削材として安定化ジルコニア、珪酸ジルコニウム、およびアルミナからなる群より選ばれる少なくとも１種を含有することを特徴とし、銅を含有していなくても高速・高負荷での摩擦係数を得ることが可能なブレーキ摩擦材が開示されている。さらに、以下の特許文献４では、強化繊維としてウォラストナイトを含有することを特徴とし、製造時に亀裂や割れによる不良率の低下を抑制し、静止摩擦係数が異常に高くなり過ぎることを防止することでグー音等の異音を防止することが可能なブレーキ摩擦材が開示されている。

特開２０１２−２３３０６４号公報 特開２０１２−２５５０５２号公報 特開２０１４−１２２３１４号公報 特開２００８−０５７６９３号公報

上記従来のブレーキ摩擦材は、一般的な乗用車用としては十分な性能を発揮できるが、制動頻度が多い商用車用として使用するためには、更なる摩耗特性の向上が必要であると考えられる。
そこで本発明では、摩耗特性に優れ、十分な摩擦特性と鳴き特性が得られるブレーキ摩擦材を提供することを目的とする。

本発明のブレーキ摩擦材は、少なくとも強化繊維材、結合材、摩擦調整材、充填材、およびｐＨ調整材を含有してなるブレーキ摩擦材において、前記ブレーキ摩擦材の全体量を１００質量％としたとき、酸化ジルコニウムを７質量％以上かつ１５質量％以下、チタン酸カリウムを２１質量％以上かつ３０質量％以下、鉱物繊維を６質量％以上かつ１０質量％以下、金属繊維を８質量％以上１５質量％以下含有することを特徴とする。

本発明によれば、酸化ジルコニウムとチタン酸カリウムを所定量配合することにより優れた摩耗特性を発揮できるとともに、鉱物繊維と金属繊維を適切に配合することで優れた摩擦特性と鳴き特性のブレーキ摩擦材を提供することができる。
酸化ジルコニウムとチタン酸カリウムの所定量配合により、ディスクロータ等の被制動部材の表面にトランスファフィルムが形成され、優れた摩耗特性が得られる。

本実施形態のブレーキ摩擦材の一適用例としてのブレーキパッドを示す正面図。

以下、ブレーキ摩擦材を実施するための形態について説明する。
なお、この形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。

本実施形態のブレーキ摩擦材は、自動車などの車両の制動に用いられるディスクブレーキ用のブレーキパッド及びドラムブレーキ用のブレーキシュー等に用いられるブレーキ摩擦材である。これらのブレーキパッドやブレーキシューは、ディスクロータやブレーキドラム等の被制動部材に当接して摩擦力を生じさせることで車両を制動する。
図１に一例として、ディスクブレーキ用のブレーキパッド１を示す。このブレーキパッド１は、バックプレート２と、バックプレート２の表面に接着されたブレーキ摩擦材３とからなっている。このブレーキパッド１は、バックプレート２において車両の非回転部に支持されることになり、バックプレート２のブレーキ摩擦材３と反対側がディスクブレーキキャリパで押圧されることにより、ブレーキ摩擦材３が車輪とともに回転するディスクに接触してディスクの回転にブレーキをかけるものである。

本実施形態のブレーキ摩擦材３は、少なくとも強化繊維材、結合材、潤滑材、摩擦調整材（有機系摩擦調整材または無機系摩擦調整材）、充填材、およびｐＨ調整材を含有してなるブレーキ摩擦材において、ブレーキ摩擦材の全体量を１００質量％としたとき、酸化ジルコニウムを７質量％以上かつ１５質量％以下、チタン酸カリウムを２１質量％以上かつ３０質量％以下、鉱物繊維を６質量％以上かつ１０質量％以下、金属繊維を８質量％以上１５質量％以下含有する。
本実施形態のブレーキ摩擦材３において、前記強化繊維としてアラミド繊維などを適用することができ、前記結合材としてフェノール樹脂などを適用することができ、前記潤滑剤として黒鉛、コークス、三硫化アンチモン、二硫化モリブデンなどを適用することができる。また、有機系摩擦調整材としてカシューダスト、ゴム粉などを適用することができ、無機系摩擦調整材としてマイカなどの粉末あるいは亜鉛粉末、錫粉末などの金属粉末を適用することができ、充填材として硫酸バリウムなどを適用することができ、ｐＨ調整材として水酸化カルシウムなどを適用することができる。

一般のブレーキ摩擦材では研削材、増μ材としてジルコンサンド、珪酸ジルコニウムおよびアルミナに代表されるモース硬度５．０以上の粒子を添加することがあるが、本実施形態のブレーキ摩擦材３では酸化ジルコニウム以外のモース硬度５．０以上の材料を含まない。ブレーキ摩擦材３に酸化ジルコニウム以外のモース硬度５．０以上の材料を含んでいると、酸化ジルコニウムのみを添加する場合に比較してディスクロータ等の被制動部材への攻撃性が高くなり、ブレーキ摩擦材３の摩耗やブレーキ鳴きの発生を助長することから、使用しないことが望ましい。

ブレーキ摩擦材３に含まれている鉱物繊維はロックウールまたはウォラストナイトが好ましい。
ブレーキ摩擦材３に含まれている金属繊維はアスペクト比４０以上６０以下（４０〜６０）の金属繊維であることが好ましい。アスペクト比４０〜６０の金属繊維として、例えば銅繊維、スチール繊維などを適用することができる。アスペクト比４０〜６０の金属繊維を用いることでブレーキ摩擦材３に効果的な導電性を付与することができ、溶剤を用いた塗装を行う必要が無くなり、粉体塗装を採用できるようになる。
金属繊維のアスペクト比が４０未満であると、繊維長が短くなるため粉体塗装に必要な導電性を十分に得ることができないという問題があり、金属繊維のアスペクト比が６０を超えるようであると、材料混合時の分散性が悪化するという問題がある。

ブレーキ摩擦材３に導電性を付与し、粉体塗装を可能とするため，金属繊維の繊維径は３０〜８０μｍの範囲であることが望ましい。
繊維径が３０μｍ未満では，繊維長が短くなるため，導電性を十分に確保できなくなり、繊維径が８０μｍを超えるようでは金属繊維１本あたりの体積が増加し，ブレーキ摩擦材３の単位体積あたりに含まれる金属繊維の本数が減少し，導電性を満足に得ることができなくなる。

以上説明したブレーキ摩擦材３は、上述の各成分を必要量秤量して混合し、混合材を金型によって圧縮成形して得られる。また、この圧縮成形品をバックプレート２に接着剤で接着し、必要な研磨や溝加工を施すことで図１に示すブレーキパッド１を得ることができる。

上述の配合のブレーキ摩擦材３であるならば、酸化ジルコニウム以外にモース硬度５．０以上の材料を含まず、モース硬度５．０以上の材料に比べて被制動部材への攻撃性の低い酸化ジルコニウムを７質量％以上かつ１５質量％以下含有し、これに加えて適量のチタン酸カリウム、鉱物繊維、金属繊維を含有しているため、十分な摩擦特性を確保した上で、摩耗が少なく、ブレーキ鳴きの発生頻度も少ないブレーキ摩擦材３を提供できる。特に、酸化ジルコニウムとチタン酸カリウムを所定量配合していることでディスクロータ表面に平滑なトランスファフィルムを形成でき、優れた摩耗特性を有するブレーキ摩擦材とすることができる。
即ち、酸化ジルコニウムとチタン酸カリウムを上述の範囲に従い配合することで制動の繰り返しによりディスクロータ等の被制動部材表面に平滑なトランスファフィルムを形成でき、このトランスファフィルムの生成により相手攻撃性を緩和して優れた摩耗特性を発揮できる。

また、前記適量の酸化ジルコニウムとチタン酸カリウムに加え、鉱物繊維を６質量％以上かつ１０質量％以下、金属繊維を８質量％以上１５質量％以下含有しているため、優れた摩耗特性に加え、摩擦特性と鳴き特性に優れたブレーキ摩擦材３とすることができる。
さらに、ブレーキ摩擦材３に含まれている金属繊維のアスペクト比を４０〜６０の範囲とすることで、ブレーキ摩擦材３に効果的に導電性を付与することができ、粉体塗装を可能とする。これにより溶剤塗装を用いる必要が無くなるため、環境負荷を低減できる。例えば、ブレーキ摩擦材３の導電性を利用して静電塗装を行えば、塗装工程において溶剤が不要となり、環境面で負担の少ない製造が可能となる。

ブレーキ摩擦材を取り付けるためのバックプレートを十分に洗浄した後、ブレーキ摩擦材と接する面に接着剤を塗布し乾燥させた。
次に、以下の表１、表２に示すように酸化ジルコニウムを６〜１６質量％、チタン酸カリウムを２０〜３１質量％、鉱物繊維（ウォラストナイト）を５〜１１質量％、金属繊維として銅繊維を７〜１６質量％含有し、更に、アラミド繊維、フェノール樹脂、黒鉛／三硫化アンチモン（一例として、黒鉛５質量％、三硫化アンチモン５質量％）、カシューダスト／ゴム粉（一例として、カシューダスト２．５質量％、ゴム粉２．５質量％）、無機摩擦調整材（マイカ）、水酸化カルシウム、硫酸バリウムを個々に所定量配合して実施例１〜９、比較例１〜９のための原料混合物を作製した。なお、ここで用いた金属繊維の繊維径は６０μｍであり、アスペクト比５０の金属繊維を用いた。表１、表２において各成分の配合量の単位は全て質量％を示す。

比較例１は本発明で規定する量より酸化ジルコニウム含有量の少ない例、比較例２は酸化ジルコニウム含有量の多い例、比較例３はチタン酸カリウムが少ない例、比較例４はチタン酸カリウムが多い例である。また、比較例５は本発明で規定する量より鉱物繊維が少ない例、比較例６は鉱物繊維が多い例、比較例７は金属繊維が少ない例、比較例８は金属繊維が多い例、比較例９は酸化ジルコニウム以外のモース硬度５．０以上の材料（珪酸ジルコニウム）を含む例である。

前記各原料混合物について、常温にて所定の金型を用いて圧力５０ＭＰａにて冷間圧縮成形した。この冷間圧縮成形品と接着剤を塗布したバックプレートを１５０℃に温度設定した金型に投入し、所定の圧力、時間で加熱圧縮成形した。更に、金型から取り出した成形品を２２０℃で６時間熱処理し、研磨加工、溝加工を行って実施例１〜９、比較例１〜９のブレーキパッドを得た。
これらのブレーキパッドについて、摩耗量評価、寿命の推定、摩擦特性の測定および鳴き特性評価を行った。

自動車市場ではブレーキパッドの交換目安として走行距離３００００ｋｍが一般化されており、これより摩耗が多くなると商品として必要な特性の欠落となる。そのため、寿命が前記を満たさない場合は摩耗特性を満足しないと判断した。
寿命の推定は自動車工業規格ＪＡＳＯ Ｃ ４２７での評価結果と実車での摩耗量を比較することにより行った。
また、自動車市場においてはブレーキ摩擦材の効力に対し、フェード時の摩擦係数μが０．２以下程度の場合にフェード性に優れない、と判断されるので、同等の判断基準とした。フェードとは、ブレーキの繰り返しによりディスクパッドが高温になり、摩擦係数が急激に低下する現象として知られており、ブレーキ摩擦材に含まれているフェノール樹脂等の有機分の熱分解物が摩擦界面を潤滑するために、摩擦抵抗が減少する現象として知られている。フェード時の摩擦係数μが０．２以下程度の場合にフェード性に優れないと判断する技術の例として特開２０１０−２２２５５５号公報、特開２０１０−２８５５５８号公報に記載の技術が知られている。
フェード時の摩擦係数μの求め方は、ＪＡＳＯ Ｃ ４０６に規定された方法に従った。

鳴き／異音発生頻度は、ブレーキパッドの温度を外気温から最高２５０℃の温度範囲とし、ディスクブレーキキャリパへの供給液圧を０．２〜３．０ＭＰａの範囲としたときのそれぞれの組み合わせで所定回数（２８３４回）、台上鳴き試験を行い、このときに発生する音の大きさのレベルが一定値（７５ｄＢ）以上となったときの回数を計数して、その割合を算出した。ブレーキ装置の市場において鳴き頻度１％以下が要求されるので、鳴き頻度１％以下を判断基準とした。
以上の評価結果について以下の表３、表４に纏めて示す。

＜実施例の評価結果＞
表１と表３に示す実施例の結果を見ると、実施例１〜実施例９のブレーキパッドは摩耗特性を満足し、かつ十分な摩擦特性と鳴き特性を確保可能なことを確認できた。
また、これらのブレーキパッドを製造した工程は従来のブレーキパッドの製造工程と変わらないので製造工程は従来方法をそのまま適用することができ、製造に格別困難性はなく、製造が容易な特徴を有する。

表１、表３に示す実施例１〜実施例９は、ブレーキ摩擦材の全体量を１００質量％としたとき、酸化ジルコニウムを７質量％以上かつ１５質量％以下、チタン酸カリウムを２１質量％以上かつ３０質量％以下、鉱物繊維を６質量％以上かつ１０質量％以下、金属繊維を８質量％以上１５質量％以下含有し、強化繊維材（アラミド繊維）、結合材（フェノール樹脂）、摩擦調整材（カシューダスト、ゴム粉）、潤滑剤（黒鉛、三硫化アンチモン）、充填材（硫酸バリウム）、ｐＨ調整材（水酸化カルシウム）を含んでいるので、上述の優れた特性を発揮する。

＜比較例の評価結果＞
本発明の望ましい範囲より酸化ジルコニウムを少なくした比較例１は、寿命が短く摩耗特性が悪化し、酸化ジルコニウムを多くした比較例２はブレーキ鳴きの頻度が１％を超えたのでブレーキ鳴きが発生した。
本発明の望ましい範囲よりチタン酸カリウムの配合量を少なくした比較例３は寿命が短く摩耗特性が悪化し、チタン酸カリウムの配合量を多くした比較例４はブレーキ鳴きの頻度が１％となりブレーキ鳴きが発生した。
本発明の望ましい範囲より鉱物繊維の配合量を少なくした比較例５はブレーキ摩擦材の気孔率が低下し、フェード時のμが０.２を下回って低下し、鉱物繊維の配合量を多くした比較例６は寿命が短く摩耗特性を満足できなかった。
本発明の望ましい範囲より金属繊維の配合量を少なくした比較例７は摩擦係数が上昇してブレーキ鳴きが発生し、金属繊維を多くした比較例８はフェード時のμが０.２を下回って低下した。
比較例９はモース硬度５.０を超える材料（珪酸ジルコニウム）を添加した試料であるが、摩耗特性が悪化し、摩擦係数が上昇したことによりブレーキ鳴きの頻度が１％を超えたのでブレーキ鳴きが発生した。

先に説明した実施例１〜９では金属繊維として繊維径６０μｍであって、アスペクト比５０の銅繊維を用いた。
これらの実施例に対し、実施例１の配合比であるが、銅繊維の繊維径とアスペクト比を以下の表５に示すように変更した実施例と、銅繊維の繊維径とアスペクト比を以下の表５のように変更した参考例の試料を作製し、各試料の導電率を測定した。

表５に示すように銅繊維アスペクト比と銅繊維径はブレーキ摩擦材の導電率に影響を及ぼすことがわかる。ブレーキ摩擦材に導電性を付与することはブレーキ摩擦材の粉体塗装を可能とする場合に重要となる。
銅繊維のアスペクト比は４０〜６０の範囲が望ましく、４０未満であると繊維長が長いために粉体塗装に必要な導電率を得ることができ難く、６０を超えると材料混合時の分散性の悪化により必要な導電率を得ることができない。
銅繊維（金属繊維）の繊維径が３０〜８０μｍの場合は粉体塗装に必要な導電率を得られるが、銅繊維径２５μｍあるいは銅繊維径９０μｍでは抵抗値が大きくなりすぎるので粉体塗装には不都合となるおそれがある。

１ ブレーキパッド
２ バックプレート
３ ブレーキ摩擦材

Claims (4)

1. 少なくとも強化繊維材、結合材、摩擦調整材、充填材、およびｐＨ調整材を含有してなるブレーキ摩擦材において、前記ブレーキ摩擦材の全体量を１００質量％としたとき、
   酸化ジルコニウムを７質量％以上かつ１５質量％以下、チタン酸カリウムを２１質量％以上かつ３０質量％以下、鉱物繊維を６質量％以上かつ１０質量％以下、金属繊維を８質量％以上１５質量％以下含有することを特徴とするブレーキ摩擦材。
2. 前記酸化ジルコニウム以外のモース硬度５．０以上の材料を含有しないことを特徴とする請求項１に記載のブレーキ摩擦材。
3. 前記鉱物繊維は、ロックウールまたはウォラストナイトであることを特徴とする請求項１に記載のブレーキ摩擦材。
4. 前記金属繊維のアスペクト比が４０〜６０であることを特徴とする請求項１に記載のブレーキ摩擦材。

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