JP2006306970A - 摩擦材 - Google Patents
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Abstract
【課題】Ｃ/Ｃコンポジットの欠点である低速・低温摩擦係数が低く、水分の影響を受け易い等の問題が生じずに、Ｃ/Ｃコンポジット、セラミック基複合材のロータの他に、一般路上走行に使用されている鋳鉄のロータとの摩擦でも安定した性能が得られ、尚且つ低価格の摩擦材を提供する。
【解決手段】有機材料を焼成炭素化して結合材とした摩擦材において、室温における圧縮変形量が荷重４ＭＰaの時に０.３〜２.５％であり、かつ荷重１０ＭＰaの時に１.０〜４.５％であることを特徴とする。また、前記室温における圧縮変形量と３００℃における圧縮変形量との圧縮変形比が荷重４〜１０ＭＰaの範囲の時に、１.０〜１.５の範囲である。更に、前記焼成炭素化は、真空、還元ガス、不活性ガスの何れかの雰囲気中で荷重をかけながら５５０℃〜１３００℃の温度で前記有機材料を炭素化してなる。
【選択図】 図１
【解決手段】有機材料を焼成炭素化して結合材とした摩擦材において、室温における圧縮変形量が荷重４ＭＰaの時に０.３〜２.５％であり、かつ荷重１０ＭＰaの時に１.０〜４.５％であることを特徴とする。また、前記室温における圧縮変形量と３００℃における圧縮変形量との圧縮変形比が荷重４〜１０ＭＰaの範囲の時に、１.０〜１.５の範囲である。更に、前記焼成炭素化は、真空、還元ガス、不活性ガスの何れかの雰囲気中で荷重をかけながら５５０℃〜１３００℃の温度で前記有機材料を炭素化してなる。
【選択図】 図１
Description
本発明は、自動車、鉄道、航空機、産業機械等に使われているブレーキ用摩擦材に関するものである。近年ブレーキは省エネルギー、効率化の観点から、小型、軽量化、高性能化などが強く求められ、ブレーキ用摩擦材には高温、高負荷条件に耐えうる耐熱性に優れた摩擦材の要求が高まっている。
主に自動車や鉄道で使われている摩擦材はフェノール樹脂を代表とする熱硬化性樹脂を結合材として成形されているが、結合材が有機材料である事から高速での摩擦係数が低くなったり、ブレーキ熱による有機材料の熱変形や軟化から圧縮変形量が増大したり、熱分解が原因となる摩擦係数の低下（フェード現象）が問題となっている。
自動車や鉄道などの高速化、高性能化と省エネルギー化が進むにつれ、ブレーキの小型・軽量化が更に進み摩擦材にかかる負荷は益々厳しくなっている。
自動車や鉄道などの高速化、高性能化と省エネルギー化が進むにつれ、ブレーキの小型・軽量化が更に進み摩擦材にかかる負荷は益々厳しくなっている。
これらの問題解決のため、有機材料を使わない銅系焼結合金による摺動部材（特許文献１参照）や、Ｃ/Ｃコンポジット（炭素繊維で強化した炭素複合材）のロータと摩擦材（特許文献２ 、特許文献３参照）や、更にセラミック基複合材（ＣＭＣ:セラミックマトリックスコンポジット）のロータ（特許文献４参照）等が提案されている。
特開平７-１０２３３５号公報
特許２８０５２６３号公報
特開平７-３３２４１４号公報
特開平４-３４７０２０号公報
特許第２６０１６５２号公報
特開昭６３−３１０７７０号公報
しかしながら、銅系焼結合金は熱分解しないものの、その金属の融点以上の耐熱性は得られず、またＣ/Ｃコンポジットはロータと摩擦材とをＣ/Ｃコンポジットにすることにより、軽量で高速の摩擦係数が高く、高温圧縮変形や耐フェード現象等に優れた摩擦特性となるが、低速・低温摩擦係数が低く、水分の影響を受け易い等の問題がある。
また、一般路上走行で使われている鋳鉄製ロータとの摩擦では摩擦特性が不安定になり、その製法上の困難性から価格が従来品の数百倍と高い事などが課題として残っている。
また、一般路上走行で使われている鋳鉄製ロータとの摩擦では摩擦特性が不安定になり、その製法上の困難性から価格が従来品の数百倍と高い事などが課題として残っている。
すなわち、Ｃ/Ｃコンポジットの製法は、補強材としての炭素繊維に高分子材料を含浸し成形した後、高温炭素化炉で焼成炭素化しているが、一回の焼成では、密度が低く目標とする強度が得られない。このため高分子材料の含浸と焼成を何度も繰り返し炭素化し密度を高める必要がある。
また、通常一回の焼成では、密度約１.５ｇ/ｃｍ2となり、これに含浸、焼成を繰り返して約１.８ｇ/ｃｍ2まで高め、その後２０００℃以上の高温で黒鉛化処理を行い摩擦材としている。この工程を全て完了するまでに数週間から数ヶ月が必要であり、高価格の原因となっている。
更に、摩擦性能が不安定となる主要因は、摩擦中の接触状態が安定しないことにあり、有機系摩擦材においても接触状態を改良するために、制動時の加圧によって摩擦材が変形して接触状態を安定させるために、圧縮変形量が重要な要素となっていた。圧縮変形量に
おける有機系摩擦材の課題は、高温で有機材料が溶融したり分解して高温圧縮変形が異常に大きくなり、異常摩耗や引きずり現象など悪影響があり、圧縮変形量の制御に制約があった。一方、無機系材料だけで造られたＣ/Ｃコンポジット摩擦材では、このような現象が少なく温度条件によるメリットは大きいが、その成分と製法上から必要な摩擦強度を維持した上で圧縮変形量を大きく調整する事が出来ていなかった。
おける有機系摩擦材の課題は、高温で有機材料が溶融したり分解して高温圧縮変形が異常に大きくなり、異常摩耗や引きずり現象など悪影響があり、圧縮変形量の制御に制約があった。一方、無機系材料だけで造られたＣ/Ｃコンポジット摩擦材では、このような現象が少なく温度条件によるメリットは大きいが、その成分と製法上から必要な摩擦強度を維持した上で圧縮変形量を大きく調整する事が出来ていなかった。
更に、一回の焼成で高密度品とならない主な原因は、補強材として使われている繊維や織布が焼成により構造変化を起こさない安定した炭素繊維であるのに対して、結合材は高分子材料が炭素化して約１/２に減量収縮（炭素化収率として約５０％）するため、その収縮部分が気孔として残ってしまう結果と考えられる。
以上から本発明の目的は、Ｃ/Ｃコンポジットの欠点である低速・低温摩擦係数が低く、水分の影響を受け易い等の問題が生じずに、Ｃ/Ｃコンポジット、セラミック基複合材のロータの他に、一般路上走行に使用されている鋳鉄のロータとの摩擦でも安定した性能が得られ、尚且つ低価格の摩擦材を提供することに有る。
本発明は、上記のような問題点を解決するため、下記の手段を採用した。
すなわち、本発明の摩擦材は、有機材料を焼成炭素化して結合材とした摩擦材において、室温における圧縮変形量が荷重４ＭＰaの時に０.３〜２.５％であり、かつ荷重１０ＭＰaの時に１.０〜４.５％であることを特徴とする。
すなわち、本発明の摩擦材は、有機材料を焼成炭素化して結合材とした摩擦材において、室温における圧縮変形量が荷重４ＭＰaの時に０.３〜２.５％であり、かつ荷重１０ＭＰaの時に１.０〜４.５％であることを特徴とする。
また、本発明の摩擦材は、前記室温における圧縮変形量と３００℃における圧縮変形量との圧縮変形比が荷重４〜１０ＭＰaの範囲の時に、１.０〜１.５の範囲であることを特徴とする。
更に、本発明の摩擦材において、前記焼成炭素化は、真空、還元ガス、不活性ガスの何れかの雰囲気中で荷重をかけながら５５０℃〜１３００℃の温度で前記有機材料を炭素化してなることを特徴とする。
更にまた、本発明の摩擦材において、前記摩擦材の成形材料の真密度に対する成形物密度の比である充填率が、６５〜８５％の範囲で焼成炭素化してなることを特徴とする。
更にまた、本発明の摩擦材において、前記焼成炭素化して結合材となる有機材料が３〜３０容量％、摩擦調整材として無機充填材が１０〜４０容量％、固体潤滑材が１５〜５０容量％、金属材料が５〜３５容量％、とを含むことを特徴とする。
更にまた、本発明の摩擦材において、前記有機材料が焼成によって炭素化する炭素化収率が５０％以上の高分子材料からなることを特徴とする。
更にまた、本発明の摩擦材において、前記高分子材料がピッチ、メソフェーズカーボン、フェノール樹脂、コプナ樹脂の１種もしくは複数の高分子材料で構成されていることを特徴とする。
更にまた、本発明の摩擦材において、前記固体潤滑材は、炭素質材料（例えば、カーボンブラック）、黒鉛質材料（例えば、天然黒鉛、人造黒鉛）の粉粒体もしくは繊維からなり、１種もしくは複数種により構成されていることを特徴とする。
更にまた、本発明の摩擦材において、前記金属材料は、鉄、ステンレス、銅、青銅、真鍮、アルミニウム、錫などの粉粒体もしくは繊維からなり、１種または複数により構成さ
れていることを特徴とする。
れていることを特徴とする。
更にまた、本発明の摩擦材において、前記充填率が６５〜８５％の範囲である摩擦材は、５ｋＰa〜３ＭＰaの荷重をかけながら焼成炭素化してなることを特徴とする。
本発明によれば、圧縮変形量を制御した摩擦材は、比較材に対して高速時における摩擦係数が高く、耐フェード性（高温における摩擦係数の低下）、スピードスプレッド、Ｇスプレッドにも優れており、当初より狙いとしていた耐熱性に優れたものとなった。更に摩擦材は、圧縮変形量を広い範囲に設計できる上に、圧縮変形量の変化が高温になっても少なく安定している事等から、自動車、鉄道、航空機、産業機械等のブレーキで使われるあらゆる摩擦条件に適応した最適変形量とする事によって安全性の向上が計れ、小型軽量化を目指す上でブレーキやそのシステム設計全体に与える期待も大きい。
以下に図面を参照して、この発明である摩擦材を実施するための最良の形態を例示的に詳しく説明する。
従来のＣ/Ｃコンポジットの製法では、金属や無機材料との複合化による摩擦特性や圧縮変形量の調整に問題があった。その理由は高温（２０００℃以上）で繰り返し焼成しているため、金属や無機材料等が溶融流出したり、分解、昇華し易くなり複合化が出来なかった事にある。
従来のＣ/Ｃコンポジットの製法では、金属や無機材料との複合化による摩擦特性や圧縮変形量の調整に問題があった。その理由は高温（２０００℃以上）で繰り返し焼成しているため、金属や無機材料等が溶融流出したり、分解、昇華し易くなり複合化が出来なかった事にある。
これ等の課題を解決する手法として、低温での炭素化や複合化についても従来より検討され（例えば、特許文献５、特許文献６）、その実施例の中で圧縮変形量の代用値として硬さ（ロックウェル硬度計：ＨＲＳ）を測定しているが、従来材より硬く十分な圧縮変形量になっていない。
これ等従来の技術との詳細な比較を、焼成炭素を結合材とした摩擦材の硬さ（ＨＲＳ）と圧縮変形の関係で図３に示した。ただし、フェノール樹脂を結合材とした従来の摩擦材は、弾性率がかなり異なるため傾きが変わってしまう。
ＨＲＳスケールでのロックウェル硬度測定では、その値が５０〜１１５の範囲が精度を維持できる測定範囲であり、ＨＲＳスケールでの測定下限を下回る柔らかい材料はＨＲＲスケールにて測定する必要がある。
よって、本実施の形態の発明材は、精度の良いロックウェル硬度ＨＲＲで測定した。
この測定結果に基づき、荷重８ＭＰa時の圧縮変形量との相関(図３参照)を作成し、その後ＨＲＳとＨＲＲの相関（図２参照）に基づいて変換してＨＲＲと圧縮変形の相関図（図１参照）を作成した。
この測定結果に基づき、荷重８ＭＰa時の圧縮変形量との相関(図３参照)を作成し、その後ＨＲＳとＨＲＲの相関（図２参照）に基づいて変換してＨＲＲと圧縮変形の相関図（図１参照）を作成した。
前述の特許文献５では、従来材の硬さはＨＲＳ６５〜７０で、この範囲の硬さの一般的な摩擦材の圧縮変形量２０〜３０×１０-2ｍｍに対して発明材の硬さはＨＲＳ７５〜８３、圧縮変形量も図１から８×１０-2ｍｍ以下と小さい。
さらに図５に示した発明材の圧縮変形量１９〜７７×１０-2ｍｍの１/２以下であり制動時の接触が悪いことがわかる。前述の特許文献５の実施例１ではバルクメソフェーズカーボン（ＢＭＣ）をバインダーとしたオーガニックパッドを４００℃〜６５０℃、荷重１００〜７００ｋｇ/ｃｍ2で成型しているが、ＢＭＣ単独のバインダーとしているため成型時の流動性が悪く、１０ＭＰa以上の高い荷重を必要としていることに起因しているものと思われる。
次に、この特許文献５の実施例２におけるセミメタリックパッド材料においても同様に、従来材の硬さがＨＲＳ７２〜７８で、この硬さの一般的なセミメタリック材の圧縮変形量１０〜１５×１０-2ｍｍに対してＨＲＳ８０〜９０で圧縮変形量が図３より８.９×１０-2ｍｍ以下と変形量が少なく良好な接触状態を保てる圧縮変形量にはなっていない。
特許文献５の図１、２によれば、実施例は温度５００℃以下で従来材より優れた結果を示しているが、それ以上の高温での結果は明らかにされていない。
特許文献５の図１、２によれば、実施例は温度５００℃以下で従来材より優れた結果を示しているが、それ以上の高温での結果は明らかにされていない。
特許文献６における発明は、ＢＭＣをバインダーとしてスチールファイバーを含む摩擦材を特許文献５と同様に成形した後、水素雰囲気中で１０５０〜１１５０℃、１０〜４０分処理してスチールファイバー表面を浸炭しカーボンと一体化することによって強化する発明であるが、この事によって、圧縮変形が大きくなり接触状態が良くなることは記載されていない。
これらの研究は継続して行われているが、接触状態を従来の有機系摩擦材より良くして高温まで安定した無機系摩擦材の開発はされておらず実用化レベルに至っていなかった。
本実施の形態の具体的内容は、低コストで安定した摩擦材とするために、炭素化条件を低温、短時間、一回として、摩擦特性の安定性改良にとって重要な圧縮変形量を複合化技術と焼成炭素化技術により従来の有機系摩擦材より大きくして、高負荷条件でも安定した性能を得ることにある。
焼成炭素化プロセスは、真空、還元ガス、不活性ガスの何れかの雰囲気の中で必要とする荷重をかけながら、有機質材料が炭素化する温度（約５５０℃以上）まで昇温して保持する事とし、複合化に使われる材料は、主に従来の有機系摩擦材等で市場実績のある材料の中から選ばれるが、焼成炭素化条件によって溶融したり分解、合成、昇華等の化学反応が起こりにくい材料から選択する事を原則とした。
本実施の形態の摩擦材を構成する複合化材料は、焼成により炭素化して結合材となる有機材料３〜３０容量％、摩擦係数、摩耗などの摩擦特性を調整する摩擦調整材として無機充填材１０〜４０容量％、固体潤滑材１５〜５０容量％、金属材料５〜３５容量％より構成されるが、無機充填材、固体潤滑材、金属材料等が摩擦中に起こる摩擦相手材との物理的、化学的反応を考慮して成分とその比率を変えて行う。
本実施の形態に用いられる有機材料は、一回の焼成で高密度、高強度製品を得るために炭素化収率が５０％以上の高分子材料が望ましく、例えばピッチ、メソフェーズカーボン等やフェノール樹脂、コプナ樹脂等の易炭素化材料が好ましい。
更に、摩擦材にとって重要な物理特性、特に圧縮変形量と強度を調整する技術としては、これら有機材料を複数組み合わせたり、焼成時における昇温速度、焼成温度、炭素化時間、荷重などの要因を組み合わせて行う。
本実施の形態で用いられた摩擦調整材としての無機充填材は、炭酸カルシウム、硫酸バリウム、アルミナ、炭化珪素、酸化マグネシウム、ムライト、シリマナイト、アンダルサイト、ジルコニア、ジルコンサンド、チタン酸カリウム、アパタイト、タルク（フェリパイロフィライト）、カオリン、海緑石、発泡蛭石、パーライト、緑泥石等の鉱物質や粘土質材料である。
また、固体潤滑材としては炭素質材料（例えば、カーボンブラック）、黒鉛質材料（例えば、天然黒鉛、人造黒鉛）等の材料が用いられる。
また、金属材料としては、鉄、ステンレス、銅、青銅、真鍮、アルミニウム、錫等の材料が用いられる。これらの材料を実際に使用する場合は、粉体、粒状，繊維状等様々な形状やサイズを考慮して複数種類の材料を組み合わせて使用するが、摩擦中の摩擦熱によりこれらの材料が相互に作用しあい起こる酸化、還元、分解、再結晶等の現象と影響についても考慮してその組み合わせを決める必要がある。
本実施の形態の摩擦材は、還元ガス、不活性ガス雰囲気または真空中で、有機材料が炭素化する温度５５０℃以上で炭素化されるが、炭素化収率の向上と配合される成分が溶融流出したり化学反応を起こしにくい炭素化雰囲気や条件を決める必要がある。例えば配合成分にアルミニウム金属が有る場合は焼成温度６００℃前後、銅又はその合金では８００℃〜１,０００℃、鉄系であれば１０００℃から１３００℃が好ましい条件といえる。また焼成炭素化温度は環境、省エネルギー、ひいてはコストに大きく影響してくる事から、可能な限り低温焼成により炭素化して目標とする摩擦性能を得ることが好ましい。
焼成炭素化プロセスは、炭素化炉などで昇温炭素化する間接昇温法や誘電、通電等による直接昇温法等、何れの方法であっても目標とする炭素化が可能である。更に成形方法としては、直接型内に成形材料を充填して荷重をかけながら焼成炭素化したり、予め高圧で冷間成形した後焼成炭素化する事も可能である。
ブレーキが安定した性能を維持するためには、ブレーキ時の加圧力によって摩擦材が適度に変形して広い温度範囲で安定した接触状態を保つ必要がある。本発明の摩擦材は、加圧時の変形量を多くして良好な接触状態を維持するため鋭意検討した結果、焼成炭素化された複合材の充填率を変える事によって圧縮変形量の制御が可能となり、現在市場実績の有る有機系摩擦材と同等以上の圧縮変形量とすることが可能となった。一般に充填率の制御は、焼成炭素化時の荷重を変更して制御しているが、型成形の場合には予め決められた充填量を型内に装填して焼成炭素化する容積制御も可能である。
本実施の形態の摩擦材の充填率を６５％〜８５％とする事によって室温でテストピースサイズ５０ｍｍ×５０ｍｍ、テストピース厚み１０ｍｍの試料二枚を重ねて、荷重２０ｋＮの加圧条件で圧縮変形量が１０〜８０×１０-2ｍｍとなり、テストピース２枚の厚みに対する変化率としてみると荷重約８ＭＰaの条件で変化率約０.５〜４％（ＪＩＳ Ｄ４４１３）と広い範囲の設計が可能となった。
摩擦性能の安定性にとって摩擦材の圧縮変形量は、摩擦中に破壊や異常摩耗等の異常を起こさない限り大きい方が好ましい事は良く知られているが、用途によってはシステム上の制約がある。例えば、自動車では小さい値が求められ、鉄道では余り重要な項目となっていない。
本実施の形態は、広範囲の圧縮変形量を設計できることから、自動車、鉄道、産業機械、航空機などのブレーキに制約される条件の範囲以内で、摩擦材の接触状態を最適にした設計が可能である。
更に、高温（３００℃以上）では、現在使われている有機系摩擦材は有機材料の軟化や熱変形、熱分解が原因となり圧縮変形量が大きく変化するのに対して、本実施の形態は５５０℃以上の高温で焼成されることで有機質が炭素化し無機質複合材となっているため温度による変化が少ない。室温と高温（３００℃）ので圧縮変形量の変化を変化率としてみると、有機系摩擦材の変化量が約２倍以上に対して、本発明品は１.５倍以下と低く、高温（図７）の温度に対する安定性が優れていることを示している。
充填率は焼成前の成分や焼成法によっても異なってくるが、荷重制御によって行う場合は、充填率を６５％前後とするためには約５〜１０ｋＰa、充填率を８５％前後とするためには約２〜３ＭＰaの荷重で達成できる事も明らかにした。
本実験の焼成炭素化は、通常の炭素化炉を用いて窒素ガス中で昇温炭素化する方法と、市販の放電プラズマ焼結機を用いて真空中で昇温炭素化する方法について実施した。
［予備実験］
炭素化複合摩擦材の試作は、窒素ガス中、窒素ガス中、燃焼温度９００℃で１時間保持して行い、５０ｍｍ×５０ｍｍの試料に２.５ｋＮから３０ｋＮの荷重をかけて実施した。このとき、摩擦材に必要となる圧縮変形量を充填率を変えることで調整した。
炭素化複合摩擦材の試作は、窒素ガス中、窒素ガス中、燃焼温度９００℃で１時間保持して行い、５０ｍｍ×５０ｍｍの試料に２.５ｋＮから３０ｋＮの荷重をかけて実施した。このとき、摩擦材に必要となる圧縮変形量を充填率を変えることで調整した。
実験に入る前に予備実験として充填率の上限下限の範囲を予測するため充填率６１％から８８％の範囲を約５％毎に試作して簡略試験で調査をした。簡略試験は「テストコード(1)」の第一フェード試験で実施し、その結果を表１に示した。
表１から予備実験Ｎｏ．１の充填率が６１％では摩擦材の摩耗が異常に多くなり、テストピースの端面にはクズレが生じ強度面からも実用性に欠けている事を示している。
尚、予備実験Ｎｏ．２の充填率６５％では摩耗量も付着物も少なく良好な結果を示した。一方、予備実験Ｎｏ．７充填率が８８％では耐摩耗性は優れているが摩擦回数を重ねると摩擦振動が発生し試験継続が困難となり試験を中止した。
尚、予備実験Ｎｏ．２の充填率６５％では摩耗量も付着物も少なく良好な結果を示した。一方、予備実験Ｎｏ．７充填率が８８％では耐摩耗性は優れているが摩擦回数を重ねると摩擦振動が発生し試験継続が困難となり試験を中止した。
試験後のロータ観察では付着物が多く、摩擦材の圧縮変形が少ないため制動中の接触状態が悪くなり、その結果摩擦熱による高温部で凝着力が大きくなり摩擦振動に繋がったことを示している。
予備実験Ｎｏ．６の８５％でも摩擦振動は発生したが軽微なもので試験継続に支障が無く、実用上問題ないレベルと判断した。
予備実験の結果から、この実施例では接触状態を良い状態に保てる範囲として、充填率６５〜８５％の範囲に絞って実施することにした。
［本実験］
本実験において、実施例(1)〜(5)は充填率を６５〜８５％の範囲として、
実施例(6)〜(15)では７０〜８０％の範囲に試作して下記の調査をした。
本実験において、実施例(1)〜(5)は充填率を６５〜８５％の範囲として、
実施例(6)〜(15)では７０〜８０％の範囲に試作して下記の調査をした。
［試作品の調査項目］
物性値：充填率、圧縮変形（試験条件：サイズ５０ｍｍ×５０ｍｍ、厚み１０ｍｍ、
試験方法：ＪＩＳ Ｄ４４１３、室温、３００℃）
摩擦特性：フェード、摩耗，高速性能
物性値：充填率、圧縮変形（試験条件：サイズ５０ｍｍ×５０ｍｍ、厚み１０ｍｍ、
試験方法：ＪＩＳ Ｄ４４１３、室温、３００℃）
摩擦特性：フェード、摩耗，高速性能
実施例(1)〜(5)
炭素化収率の高い有機材料としてフェノール樹脂とピッチ、金属として銅粉、潤滑材として人造黒鉛、無機充填材として電融酸化マグネシウム、アルミナを混合し通常の炭素化炉を用いて焼成炭素化した。
炭素化収率の高い有機材料としてフェノール樹脂とピッチ、金属として銅粉、潤滑材として人造黒鉛、無機充填材として電融酸化マグネシウム、アルミナを混合し通常の炭素化炉を用いて焼成炭素化した。
焼成炭素化成形条件は、窒素ガス中、焼成炭素化温度９００℃、荷重５ｋＰa〜３ＭＰaで１時間保持して、充填率が６５〜８５％となるように荷重を設定した。
実施例(6)〜(10)
炭素化収率の高い有機材料としてフェノール樹脂とピッチ、金属材料としては鉄粉、潤滑材として人造黒鉛、無機充填材として電融酸化マグネシウムと発泡蛭石を混合し放電プラズマ焼結機を用いて焼成炭素化した。
炭素化収率の高い有機材料としてフェノール樹脂とピッチ、金属材料としては鉄粉、潤滑材として人造黒鉛、無機充填材として電融酸化マグネシウムと発泡蛭石を混合し放電プラズマ焼結機を用いて焼成炭素化した。
焼成炭素化成形条件は、真空中、炭素化温度１,０００℃で荷重１ＭＰa〜３ＭＰaをかけて５分間保持して、充填率が７０〜８０％となるように荷重を設定した。
実施例(11)〜(15)
炭素化収率の高い有機材料としてフェノール樹脂とピッチ、金属としては銅粉とアルミニウム粉、潤滑材として人造黒鉛、無機充填材として電融酸化マグネシウム、アルミナを混合し焼成炭素化した。
炭素化収率の高い有機材料としてフェノール樹脂とピッチ、金属としては銅粉とアルミニウム粉、潤滑材として人造黒鉛、無機充填材として電融酸化マグネシウム、アルミナを混合し焼成炭素化した。
焼成炭素化成形条件は、窒素ガス中、炭素化温度６００℃で荷重１ＭＰa〜３ＭＰaをかけて５分間保持して、充填率が７０〜８０％となるように荷重を設定した。
［摩擦試験機］
摩擦試験は、車両総重量２０００ｋｇの車両の１/１０相当の小型テストピース試験機を用いて特性の有意差を明確にするため、摩擦負荷を通常乗用車（エナージーローディン
グ：通常乗用車では約５４０Ｎ・ｍ/ｃｍ2・ｓ、本試験条件は約８８０Ｎ・ｍ/ｃｍ2・ｓ）の約１.６倍と厳しい条件に設定して、フェードを重視した「テストコード(1)」と高速性能を重視した「テストコード(2)」を実施した。
摩擦試験は、車両総重量２０００ｋｇの車両の１/１０相当の小型テストピース試験機を用いて特性の有意差を明確にするため、摩擦負荷を通常乗用車（エナージーローディン
グ：通常乗用車では約５４０Ｎ・ｍ/ｃｍ2・ｓ、本試験条件は約８８０Ｎ・ｍ/ｃｍ2・ｓ）の約１.６倍と厳しい条件に設定して、フェードを重視した「テストコード(1)」と高速性能を重視した「テストコード(2)」を実施した。
[試験機条件] 慣性：０.９ｋｇｍ2
ロータサイズ：８８φ
摩擦材サイズ：１３ｍｍ×３５ｍｍ
テストコード テストコード(1)：フェード試験
テストコード(2)：高速性能試験
ロータサイズ：８８φ
摩擦材サイズ：１３ｍｍ×３５ｍｍ
テストコード テストコード(1)：フェード試験
テストコード(2)：高速性能試験
［テストコード(1)：フェード試験］
すり合わせ 初速度：６５ｋｍ/ｈ 減速度：０.３Ｇ イニシャル温度：１２０℃
フェード試験 初速度１３０ｋｍ/ｈ ⇒ 停止
減速度：０.４Ｇ、出力一定試験
ロータ材：ＦＣ２５０
ブレーキ開始温度：６５℃
ブレーキインターバル：３５sec
ブレーキ回数：第一フェード１０回、第二フェード１５回
データ解析：第一フェード試験
摩耗量測定：第二フェード試験後
ロータ温度１５回目：８００℃以上
すり合わせ 初速度：６５ｋｍ/ｈ 減速度：０.３Ｇ イニシャル温度：１２０℃
フェード試験 初速度１３０ｋｍ/ｈ ⇒ 停止
減速度：０.４Ｇ、出力一定試験
ロータ材：ＦＣ２５０
ブレーキ開始温度：６５℃
ブレーキインターバル：３５sec
ブレーキ回数：第一フェード１０回、第二フェード１５回
データ解析：第一フェード試験
摩耗量測定：第二フェード試験後
ロータ温度１５回目：８００℃以上
［テストコード(2)：高速性能試験］
すり合わせ 初速度：６５ｋｍ/ｈ 減速度：０.３Ｇ イニシャル温度：１２０℃
高速試験 初速度１３０ｋｍ/ｈ ⇒ 停止
イニシャル温度：９５℃
減速度：０.１５Ｇ〜０.７５Ｇ、出力一定試験
ロータ材：ＦＣ２５０
すり合わせ 初速度：６５ｋｍ/ｈ 減速度：０.３Ｇ イニシャル温度：１２０℃
高速試験 初速度１３０ｋｍ/ｈ ⇒ 停止
イニシャル温度：９５℃
減速度：０.１５Ｇ〜０.７５Ｇ、出力一定試験
ロータ材：ＦＣ２５０
［試験結果］
［物性値］
(1) 充填率と圧縮変形量
図４に実施例(1)〜(15)の「充填率と室温における圧縮変形量」の関係を示した。
図４は摩擦調整材の種類、量、焼成温度が変わっても、圧縮変形と充填率との間に一定の関係があり、摩擦に必要となる圧縮変形量は充填率を変えることによって調整可能となることを示している。
［物性値］
(1) 充填率と圧縮変形量
図４に実施例(1)〜(15)の「充填率と室温における圧縮変形量」の関係を示した。
図４は摩擦調整材の種類、量、焼成温度が変わっても、圧縮変形と充填率との間に一定の関係があり、摩擦に必要となる圧縮変形量は充填率を変えることによって調整可能となることを示している。
図５、６、７は「圧縮変形量と温度」の関係について試料Ｎｏ．(1)(4)(8)(13)と比較例について示した。図５、６は、室温と高温（試料温度３００℃）における圧縮変形量を示しているが、室温では試料Ｎｏ．(1)を除き比較例と同等の値を示している。
同時に試料Ｎｏ．(1)の圧縮変形量は特に大きく広範囲の設計が可能であることを示している。高温では試料Ｎｏ．(1)を除き比較例以上に大きく変形することなく、高温（厳しい摩擦条件）にも対応できることを示している。
同時に試料Ｎｏ．(1)の圧縮変形量は特に大きく広範囲の設計が可能であることを示している。高温では試料Ｎｏ．(1)を除き比較例以上に大きく変形することなく、高温（厳しい摩擦条件）にも対応できることを示している。
図７は、「室温と高温における圧縮変形量の変化率」を示している。図４から比較例では変化率が２倍以上であるのに対して実施例では１.５倍以下であり温度の変化に対して安定した特性を示している。
［摩擦試験］
(1) テストコード(1)（フェード試験）
図８に実施例(1)〜(15)、比較例の「摩擦係数とその低下率（フェード＝１−フェードμ/初期μ）」を示した。
(1) テストコード(1)（フェード試験）
図８に実施例(1)〜(15)、比較例の「摩擦係数とその低下率（フェード＝１−フェードμ/初期μ）」を示した。
本発明材は摩擦係数が０.３５以上でフェード時の摩擦係数も０.３０以上で比較材の摩擦係数０.３１、フェード０.２２に比べて高く安定した値を示している。また摩擦係数の低下率では試料Ｎｏ．(13)(14)が２５〜２６％と若干大きい値を示しているが、その他の試料では２０％以下であり、比較材の２９％より遥かに小さいくフェードし難い事が解る。
更に、図９には実施例Ｎｏ．(4)(8)(13)のフェード試験中における摩擦係数の変化を示した。
図９を耐熱性という観点で、フェードと温度の関係を見ると、本実施例で一番フェードの悪い試料Ｎｏ．(13)であっても４００℃付近では１０％前後の低下であり、比較例の２９％より遥かに耐熱性に優れている事が解る。
また、実施例は、何れも温度が上がると徐々に摩擦係数が下がる傾向にあるが、比較例では途中で最低値を示しその後上昇する傾向となっており、異なった特性を示している。比較例のこの特性は、有機材料が分解して生じる液又はガス潤滑によるものであり、有機材料が分解消失し残渣の構成が無機質になると再度上昇する、この傾向は有機系摩擦材の特徴である。本発明品はフェード現象を軽減するため、最初から無機質のみで構成しているため、このような現象を起こさないで当初の目的を達成する事が出来た。
図１０は実施例と比較例の摩耗量を示しているが、比較例に比べ何れも少なく優れた耐摩耗性を示している。
(2)テストコード(2)（高速性能）
高速性能テストは高速での摩擦係数、スピードスプレッド、Ｇスプレッドについた有意差を求めるため通常より厳しいし試験条件（乗用車の１．６倍）で実施した。図８には、表２，３，４の代表材として実施例Ｎｏ．(4)(8)(13)と比較例について実施した結果を、ブレーキ初速（１００ｋｍ/ｈと１３０ｋｍ/ｈ）と減速度（０.１５Ｇ、０.３５Ｇ、０.４５Ｇ、０.６Ｇ、０.７５Ｇ）毎に平均摩擦係数で示した。
高速性能テストは高速での摩擦係数、スピードスプレッド、Ｇスプレッドについた有意差を求めるため通常より厳しいし試験条件（乗用車の１．６倍）で実施した。図８には、表２，３，４の代表材として実施例Ｎｏ．(4)(8)(13)と比較例について実施した結果を、ブレーキ初速（１００ｋｍ/ｈと１３０ｋｍ/ｈ）と減速度（０.１５Ｇ、０.３５Ｇ、０.４５Ｇ、０.６Ｇ、０.７５Ｇ）毎に平均摩擦係数で示した。
図１１から摩擦特性の重要な特性である摩擦係数、スピードスプレッド、Ｇスプレッドについてみる。
［摩擦係数］
減速度０.４５Ｇ、初速度１００ｋｍ/hの摩擦係数は、比較材が０.３１に対して実施例では０.４２〜０.５６、初速度１３０ｋｍ/hの摩擦係数は、比較材０.２０に対して実施例では０.４〜０.４８と摩擦係数が高く安定している。
［摩擦係数］
減速度０.４５Ｇ、初速度１００ｋｍ/hの摩擦係数は、比較材が０.３１に対して実施例では０.４２〜０.５６、初速度１３０ｋｍ/hの摩擦係数は、比較材０.２０に対して実施例では０.４〜０.４８と摩擦係数が高く安定している。
［スピードスプレッド（ブレーキ初速度と摩擦係数）］
減速度０.４５Ｇで初速度１００ｋｍ/ｈと１３０ｋｍ/ｈのスピードスプレッド（（１３０ｋｍ/ｈでの摩擦係数÷１００ｋｍ/ｈでの摩擦係数）×１００）は、比較材６５％に対して、実施例では８５〜１０２％と高速になっても摩擦係数が下がらないで、速度に対して安定した摩擦係数を示している。
減速度０.４５Ｇで初速度１００ｋｍ/ｈと１３０ｋｍ/ｈのスピードスプレッド（（１３０ｋｍ/ｈでの摩擦係数÷１００ｋｍ/ｈでの摩擦係数）×１００）は、比較材６５％に対して、実施例では８５〜１０２％と高速になっても摩擦係数が下がらないで、速度に対して安定した摩擦係数を示している。
［Ｇスプレッド（減速度と摩擦係数）］
ブレーキ初速度１００ｋｍ/ｈのＧスプレッド（０.７５Ｇでの摩擦係数÷０.１５Ｇでの摩擦係数×１００）は、比較材６５％に対して、実施例では８５〜１０９％と高い。ま
た初速度１３０ｋｍ／ｈでも比較材が５７％であるのに対して、実施例は６８〜１０８％と高く、減速度による摩擦係数の変化が少なく安定している。
以上の結果から本発明品は高速における摩擦係数も安定した摩擦材である。
ブレーキ初速度１００ｋｍ/ｈのＧスプレッド（０.７５Ｇでの摩擦係数÷０.１５Ｇでの摩擦係数×１００）は、比較材６５％に対して、実施例では８５〜１０９％と高い。ま
た初速度１３０ｋｍ／ｈでも比較材が５７％であるのに対して、実施例は６８〜１０８％と高く、減速度による摩擦係数の変化が少なく安定している。
以上の結果から本発明品は高速における摩擦係数も安定した摩擦材である。
以上、実施例が示しているように、圧縮変形量を制御した本発明品は、比較材に対して高速時における摩擦係数が高く、耐フェード性（高温における摩擦係数の低下）、スピードスプレッド、Ｇスプレッドにも優れており、当初より狙いとしていた耐熱性に優れた摩擦材となった。更に本発明品は、圧縮変形量を広い範囲に設計できる上に、圧縮変形量の変化が高温になっても少なく安定している事等から、自動車、鉄道、航空機、産業機械等のブレーキで使われるあらゆる摩擦条件に適応した最適変形量とする事によって安全性の向上が計れ、小型軽量化を目指す上でブレーキやそのシステム設計全体に与える期待も大きい。
Claims (10)
- 有機材料を焼成炭素化して結合材とした摩擦材において、
室温における圧縮変形量が荷重４ＭＰaの時に０.３〜２.５％であり、
かつ荷重１０ＭＰaの時に１.０〜４.５％である
ことを特徴とする摩擦材。 - 前記室温における圧縮変形量と３００℃における圧縮変形量との圧縮変形比が荷重４〜１０ＭＰaの範囲の時に、１.０〜１.５の範囲である請求項１に記載の摩擦材。
- 前記焼成炭素化は、真空、還元ガス、不活性ガスの何れかの雰囲気中で荷重をかけながら５５０℃〜１３００℃の温度で前記有機材料を炭素化してなる請求項１又は２に記載の摩擦材。
- 前記摩擦材の成形材料の真密度に対する成形物密度の比である充填率が、６５〜８５％の範囲で焼成炭素化してなる請求項１〜３のいずれかに記載の摩擦材。
- 前記焼成炭素化して結合材となる有機材料が３〜３０容量％、
摩擦調整材として無機充填材が１０〜４０容量％、
固体潤滑材が１５〜５０容量％、
金属材料が５〜３５容量％、
とを含む請求項１〜４のいずれかに記載の摩擦材。 - 前記有機材料が焼成によって炭素化する炭素化収率が５０％以上の高分子材料からなる請求項５に記載の摩擦材。
- 前記高分子材料が
ピッチ、メソフェーズカーボン、フェノール樹脂、コプナ樹脂の１種もしくは複数の高分子材料で構成されている請求項６に記載の摩擦材。 - 前記固体潤滑材は、
炭素質材料、黒鉛質材料の粉粒体もしくは繊維からなり、
１種もしくは複数種により構成されている請求項５に記載の摩擦材。 - 前記金属材料は、
鉄、ステンレス、銅、青銅、真鍮、アルミニウム、錫の粉粒体もしくは繊維からなり、１種または複数種の材料により構成されている請求項５に記載の摩擦材。 - 前記充填率が６５〜８５％の範囲である摩擦材は、
５ｋＰa〜３ＭＰaの荷重をかけながら焼成炭素化してなることを特徴とする請求項４に記載の摩擦材。
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2006
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