JP5405725B2 - 焼結摩擦材 - Google Patents

Description

この発明は、自動車、二輪車、鉄道車両、産業機械等の制動装置に用いられるブレーキ用摩擦材としての焼結摩擦材に関する。

従来、ブレーキ用の焼結摩擦材としては、銅を主成分とし、錫や時により鉄、ニッケル、亜鉛、アンチモン、クロム、鉛等を添加した金属を基材とし、それにアルミナ、ムライト、ジルコニア等のセラミックス研削材や黒鉛、二硫化モリブデン等の潤滑材を添加した焼結摩擦材が用いられている。この種の焼結摩擦材は、レジン系摩擦材より重く、高価で、ブレーキノイズが発生し易い等の要改善点があるが、レジン系摩擦材に比較して摩擦材が高温になる制動条件下でもフェード現象（高温下で制動時の摩擦係数が大幅に低下する現象）を起こさず安定した性能が得られ、強度、耐摩耗性も優れているという長所があるため、過酷な制動条件下でも高い摩擦性能を要求されるブレーキにはこれまで多く採用されている。

高い摩擦係数を安定的に得ることを図ったブロンズ系の乾式焼結摩擦材料の一例が提案されている（特許文献１）。この乾式焼結摩擦材料は、重量比で銅６０〜８０％、錫３〜２０％、アルミナ及び／又はシリカを３〜２０％、黒鉛３〜１０％、二硫化モリブデン１〜５％及びマンガン１５％以下を含むものであり、マトリックス成分として構成されることにより、制動時摩擦係数を安定させ、相手板との間の発熱によって表面に硬質の酸化銅皮膜を形成して、水フェード現象及び熱フェード現象に対して抵抗性を有し、安定した摩擦面をうることを図っている。アルミナ、シリカは、高負荷、高温摩擦摺動に耐える目的で添加され、黒鉛、二硫化モリブデンは潤滑性向上も目的で添加され、マンガンは焼結中他金属の酸化皮膜を還元し、焼結性の向上目的で添加されている。

焼結摩擦材の別の例として、鉄系焼結体からなる有孔の本体部と、この本体部の孔内に固定された水溶液がアルカリ性を示すアルカリ性物質とを有する鉄系焼結摩擦材が提案されている（特許文献２）。摩擦材の骨格となる金属基材は、鉄を主成分とする材料であり、ステンレス、鋳鉄等の一般的な鉄系金属、これらの混合物、その他金属との混合物でとすることができる。潤滑材としては黒鉛、二硫化モリブデン等が例示されている。

焼結摩擦材の更に別の例として、銅又は銅合金をマトリックスとする焼結摩擦材であって、安定化ジルコニアを２〜２０重量％含有するものが提案されている（特許文献３）。この焼結摩擦材によれば、銅系又は鉄系焼結摩擦材において、安定化ジルコニアを採用することで、広範な制動条件に対して適応性がよく、安定した摩擦係数が得られ、耐摩性、耐熱性がよく、相手材への攻撃性が少ない焼結摩擦材を得ることを図っている。

近年、環境保護の観点からＰＲＴＲ法（特定化学物質の環境への排出量の把握及び管理の改善の促進に関する法律）が制定され、ブレーキ用摩擦材として使用する材料も環境保護を考慮して、同法で定められている指定化学物質を用いないことが要求されるようになってきた。ところが、これまで焼結摩擦材の原材料として用いられている上記の銅、錫、鉄、ニッケル、亜鉛、アンチモン、クロム、鉛等の金属材料とセラミックス、黒鉛のうちで、鉄、セラミックス、黒鉛以外の材料はＰＲＴＲ法の指定化学物質に設定されており、今後はできるだけ使用しないことが望まれている。

このような背景から、これまでもＰＲＴＲ法の指定化学物質をできるだけ使用しない配合の焼結摩擦材の研究・開発が行われてきた。しかしながら、これまで主成分として使用してきた銅や錫を使用しない鉄系材料を主成分とした焼結摩擦材の場合、制動時に摩擦材の摩耗量や相手材（例えば、ブレーキディスク。主として普通鋳鉄、低合金鋼、ステンレス等の鉄系材料から成る。）の摩耗量が大幅に増加するという現象が生じ、しかも要求される摩擦係数を確保することができない。また、鉄系材料以外でＰＲＴＲ法の指定化学物質でないアルミニウム、マグネシウム、チタン等の材料は焼結摩擦材の主成分としては問題が多く、環境保護に優れた焼結摩擦材の実用化はなかなか困難であった。

本出願人は、鋳鉄粉又は還元鉄粉を基材とした鉄系焼結摩擦材を発明し、銅系焼結摩擦材と同等の性能を得ている（例えば、特許文献４）。本出願人は、更に、フェライト組織を保持した基材によれば、高温域の摩擦特性が上記の性能を上回る結果を得た（特願２００６−２２８３５８）。基地組織を制御した鉄系焼結摩擦材において６００℃までの摩擦特性が銅系焼結摩擦材よりも優れた摩擦材が得られている。しかしながら、更に過酷なロータ最高温度９００℃においては鉄の同種摩擦が顕著になり、摩擦係数の低下や多量の火花の発生という問題点が生じることが判明した。
特公昭６３−１５９７６号公報（第２欄、第２行〜第４欄第１行） 特開２００２−１８１０９５号公報（段落［００２２］〜［００２６］） 特許第２９５８４９３号公報 特開２００７−１０７０６８号公報

そこで、焼結摩擦材の原材料として、ＰＲＴＲ法の特定第一種指定化学物質である六価クロム化合物やニッケル化合物は勿論のこと、第一種指定化学物質である亜鉛、アンチモン、銅、錫、鉛、モリブデン等の材料をまったく使用せずに、鉄系の摩擦材とすることで環境保護に貢献するとともに、金属量と黒鉛量とに着目して、高温域における上記問題点の解決を図る点で解決すべき課題がある。

この発明の目的は、ＰＲＴＲ法の指定化学物質をまったく含まないことで、環境保護の面で好ましいとともに、高温域における同種摩擦の発生を回避して摩擦係数の低下を防止するとともに、潤滑性を高めて多量の火花の発生を防止することができる焼結摩擦材を提供することである。

本出願人は、更に高温域の摩擦特性を改善するため、検討を重ね今回の発明に至った。即ち、この発明による焼結摩擦材は、金属量：１８〜２６ｖｏｌ％及び黒鉛量：４５〜６５ｖｏｌ％を含んで構成されている。

この焼結摩擦材によれば、同種摩擦の原因となる金属量を１８〜２６ｖｏｌ％としており、また潤滑効果の高い黒鉛量を４５〜６５ｖｏｌ％として潤滑効果を高めているので、従来の金属系焼結摩擦材と比較して金属量が少なく、同種摩擦に起因した摩擦係数の低下が防止される。また、潤滑性を高めることで制動時に多量の火花が発生するのを防止している。

この焼結摩擦材において、黒鉛化促進元素として、アルミニウム、シリコン、チタンの元素群から選ばれる１又は２以上の元素を添加することができる。黒鉛化傾向は、大きいほうから、アルミニウム、シリコン、チタン、炭素の順である。

この焼結摩擦材において、金属量の成分として、還元鉄粉と鋳鉄粉とは組み合わせて用いることが好ましい。

上記の効果を出すための成分範囲は、金属量が還元鉄：３〜８ｖｏｌ％及び鋳鉄粉：１０〜２０ｖｏｌ％とアルミニウム・チタン・シリコンとを含んで合計で１８〜２６ｖｏｌ％であり、更に、黒鉛：４５〜６５ｖｏｌ％の他に添加する成分として、微細アルミナ（平均粒径：０．３〜２μｍ）：３〜１０ｖｏｌ％、マグネシア（平均粒径：５０〜２５０μｍ）：２〜１０ｖｏｌ％及びアルミナ（平均粒径：５〜２０μｍ）：２〜２０ｖｏｌ％であることが好ましい。

上記の効果を出すため、真密度に対する焼結体密度の相対密度を／百分率として８０％以上とすることが好ましい。焼結後の上記相対密度が百分率として８０％以上とすることで、鉄系材料間の結合力が強くなり、強度、耐摩耗性に優れた焼結摩擦材を得ることができる。焼結法としては、加圧焼結法を用いることができる。

本発明による焼結摩擦材は、同種摩擦の原因となる金属量を１８〜２６ｖｏｌ％としており、また潤滑効果の高い黒鉛量を４５〜６５ｖｏｌ％としているので、従来の金属系焼結摩擦材と比較して金属量の配合を抑えていて同種摩擦に起因した摩擦係数の低下を防止しているとともに、黒鉛量の配合を増やすことで潤滑性を高めることで多量の火花の発生を防止している。したがって、本発明によれば、高温域での摩擦係数の低下や摩耗量の増加・火花の発生を抑制する焼結摩擦材を提供することができる。

また、この焼結摩擦材において、黒鉛化傾向（Ａｌ＞Ｓｉ＞Ｔｉ＞Ｃ）の大きい元素を添加することにより基地組織の一部をフェライトに保つことができる。基地組織の一部をフェライトに保つことで、主成分の鉄の融点の低下が少なく、高温特性・耐蝕性に優れた摩擦材とすることができる。フェライトは黒鉛が固溶した（Ｆｅ，Ｃ）より軟らかいため、相手材攻撃性も少ない。

また、この焼結摩擦材において、還元鉄粉と鋳鉄粉とを組み合わせて用いることにより、各鉄粉の特徴を活かした基材とすることができる。具体的には、還元鉄粉は融点が高く比較的軟らかいため、耐熱性・耐摩耗性・相手材攻撃性の改善を期待することができ、鋳鉄粉は還元鉄粉より融点は低いがセメンタイトの存在により比較的硬いため、摩擦係数の向上が期待できる。

更に、この焼結摩擦材において、還元鉄：３〜８ｖｏｌ％及び鋳鉄粉：１０〜２０ｖｏｌ％と、アルミニウム・チタン・シリコンとを含む金属量が合計で１８〜２６ｖｏｌ％を含み、更に、黒鉛：４５〜６５ｖｏｌ％の他に、微細アルミナ（平均粒径：０．３〜２μｍ）：３〜１０ｖｏｌ％、マグネシア（平均粒径：５０〜２５０μｍ）：２〜１０ｖｏｌ％、及びアルミナ（平均粒径：５〜２０μｍ）：２〜２０ｖｏｌ％を添加することができる。このような配合とした理由は、高温の摩擦係数を確保するために還元鉄の配合量よりも鋳鉄の配合量を多くし、鉄成分と基地組織をフェライトに保つための黒鉛化促進元素（アルミニウム・チタン・シリコン）との合計が１８ｖｏｌ％未満であると、強度確保が困難であり、２６ｖｏｌ％より多いと高温域における鉄の同種摩擦による摩擦係数の低下・摩耗量の増加・火花の発生を抑制することができない、ということによる。黒鉛量は潤滑効果を増すために多く配合したが、６５ｖｏｌ％よりも多いと、他の成分が不足し、４５ｖｏｌ％未満であると潤滑効果が充分に発揮されない。

更にまた、加圧焼結法を用い、焼結後の相対密度（焼結体密度／真密度の百分率）が８０％以上で鉄系材料間の結合力が強いため、強度、耐摩耗性に優れている。

以下、本発明による焼結摩擦材の実施例について更に詳細に説明する。
まず、原材料として平均粒径約１６０μｍの還元鉄粉末と、平均粒径約８５μｍの鋳鉄粉末（ＦＣ２５０を粉砕、篩別した粉末）と、基地組織をフェライトに保つための黒鉛化促進元素である平均粒径約２０μｍのアルミニウム粉末、平均粒径約２４μｍのシリコン（珪素）、平均粒径約１０μｍのチタン粉末、平均粒径約１２μｍと平均粒径約１μｍとの二種類のアルミナ粉末、平均粒径約１９０μｍのマグネシア粉末、平均粒径約１７０μｍの天然黒鉛粉末、及び平均粒径約２４０μｍと平均粒径約７００μｍとの二種類の人造黒鉛粉未を用意した。

表１に示すように、本発明による焼結摩擦材（発明材）であるＡ１〜Ａ６は還元鉄の配合割合が３〜６ｖｏｌ％の範囲内にあり、その一方で鋳鉄の配合割合は１１〜１７ｖｏｌ％であり、試料記号の順に漸増している。黒鉛化傾向の大きい元素としてアルミニウム２ｖｏｌ％、チタン０．５ｖｏｌ％及びシリコン０．５ｖｏｌ％が添加されている。鉄系成分と黒鉛化促進元素との合計金属量は、Ａ１〜Ａ６の順に１８〜２６ｖｏｌ％と漸増している。一方、４５〜６２ｖｏｌ％の黒鉛が添加されており、その他に更に、微細アルミナが５〜９ｖｏｌ％、マグネシアが５〜８ｖｏｌ％、アルミナが１０〜１８ｖｏｌ％、及び黒鉛：４５〜６５ｖｏｌ％が添加されている。

次に、上記の各原材料を表１に示す配合（発明材Ａ１〜Ａ６）と比較材（Ｂ１〜Ｂ５）に各々秤量後、攪拌らい潰機（石川工場製）を用い、混合時の偏析を防ぐため混合物に４％のメタノールを添加して１０分間混合することにより混合粉末を作製した。

更に、各混合粉末を２３ｍｍ×３５ｍｍのキャビティを有する黒鉛型に充填し、放電プラズマ焼結装置（住友石炭鉱業製、型式ＳＰＳ−５１５Ｓ）を用い、圧力１４〜２５ＭＰａ、昇温速度１００℃／ｍｉｎ、焼結温度１０００〜１０２５℃、保持時間５ｍｉｎの条件で焼結を行った。

焼結後、各焼結体の相対密度（焼結体の見掛け密度／焼結体の真密度で算出される割合の百分率）、及び硬さを測定した。また、９００℃での高温ブレーキ性能試験を実施し、摩擦係数、摩擦材及び相手材の摩耗量を求めた。焼結体の見掛け密度は大気及び水中の重量から算出し、真密度は原材料の真密度と配合割合から算出した。硬さはロックウエル硬さ試験機のＳスケール（ＨＲＳ）で測定した。ブレーキ性能試験については、当社所有の１／１０スケールテスタ試験機及び１／５スケールテスタ試験機を用いて、相手材温度５００℃、減速度５．８８ｍ／ｓ²、初速度が１２０ｋｍ／ｈから０ｋｍ／ｈ（停止）までの制動を２０回、及び相手材温度９００℃、減速度０．３９ｍ／ｓ²、初速度が１２０ｋｍ／ｈから０ｋｍ／ｈ（停止）までの制動を実施した。表１に焼結条件、相対密度、硬さ、及びブレーキ性能試験における摩擦係数と摩擦材摩耗量と相手材摩耗量を示す。

比較材Ｂ１は金属量が１６ｖｏｌ％であるように本発明の構成外にある配合であり、金属量が少なく目標となる物性値が得られず、ブレーキ性能試験は実施できなかった。比較材Ｂ２は金属量が２８ｖｏｌ％であるように本発明の構成外にある配合であり、本発明材と比較して９００℃試験時の摩擦係数が低く、摩擦材と相手材の摩耗量が多い。更に金属量を増やしたＢ３〜Ｂ５については、９００℃試験時の摩擦係数は高いが摩擦材と相手材の摩耗量が大幅に増加している。

本発明材Ａ１〜Ａ６は、５００℃及び９００℃試験時の摩擦係数は高く、摩擦材及び相手材の摩耗量は少ないといった摩擦特性のバランスが良好である。その中で、発明材Ａ２，Ａ３（金属量２０ｖｏｌ％）は特に摩擦係数が高く、摩擦材と相手材の摩耗量が少なく良好な配合であることが判明した。

Claims (2)

1. 金属量の成分が、還元鉄及び鋳鉄粉、並びに黒鉛化促進元素として添加されたアルミニウム、シリコン、チタンの元素群から選ばれる１又は２以上の元素からなり、
   前記還元鉄が３〜８ｖｏｌ％、前記鋳鉄粉が１０〜２０ｖｏｌ％であり、かつ、前記黒鉛化促進元素との合計で１８〜２６ｖｏｌ％であり、
   更に、微細アルミナ（平均粒径：０．３〜２μｍ）が３〜１０ｖｏｌ％、マグネシア（平均粒径：５０〜２５０μｍ）が２〜１０ｖｏｌ％、及びアルミナ（平均粒径：５〜２０μｍ）が２〜２０ｖｏｌ％添加されてなり、残部として黒鉛量：４５〜６５ｖｏｌ％を含んで成る焼結摩擦材。
2. 真密度に対する焼結体密度の相対密度が、百分率として８０％以上であることから成る請求項１に記載の焼結摩擦材。