JP2007107067A

JP2007107067A - 銅系焼結摩擦材

Info

Publication number: JP2007107067A
Application number: JP2005300816A
Authority: JP
Inventors: Katsuo Arai; 勝男新井; Tsukasa Baba; 司馬場
Original assignee: Akebono Brake Industry Co Ltd
Current assignee: Akebono Brake Industry Co Ltd
Priority date: 2005-10-14
Filing date: 2005-10-14
Publication date: 2007-04-26

Abstract

【課題】銅の基材に強化粒子を適用して、摩擦材が５００℃以上になるような高温になるときでも、銅の塑性流動を抑制して耐摩耗性や高い摩擦係数の維持をすることができる銅系焼結摩擦材を提供する。
【解決手段】銅を基材とし、潤滑材と研削材とを含む配合粉末を焼結して得られる銅系焼結摩擦材において、銅の基材中に電解銅粉に炭化タングステン粉末１〜７．５ｍｏｌ％を微細分散させた混合基材とすることで、炭化タングステン粉末が銅基材の高温時における塑性流動を抑制する。また、銅系焼結摩擦材の製造方法として、銅と炭化タングステンとを混合して得られた混合基材と、他の配合材料を更に混合後、加圧焼結する。炭化タングステンは少ない混合量であるので、予め銅と混合することにより、銅基材と炭化タングステンとの材料複合化を図り、炭化タングステンが強化粒子として有効に作用する。
【選択図】なし

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の銅系焼結摩擦材及びその製造方法に関する。

鉄道車両の高速化や自動車・二輪車の高性能化に伴い、摩擦材の高温強度、耐熱・耐摩耗、高摩擦係数（μ）等の要求が高まっている。従来の焼結摩擦材では潤滑材として黒鉛、金属硫化物などを使用している。しかしながら、従来の焼結摩擦材では基材である銅の耐熱性が劣るため、５００℃以上の高温になると塑性流動を生じ、摩耗増大や摩擦係数の低下につながっている。この現象は、銅基材の物理特性や機械的特性に支配されるため、摩擦材の配合技術のみでは大幅に改良することは困難である。

産業機械や鉄道車両、自動車用のブレーキに用いられる銅系焼結摩擦材の一例として、銅を主成分とする結合材と、摩擦調整材、潤滑材及び研削材を含む充填材とを主原料とする銅系の焼結摩擦材が用いられている。耐摩耗性の向上と一定の摩擦係数の確保のために、研削材としてジルコニア等の金属酸化物等の硬質粒子を含有させることがあるが、相手材（ブレーキディスク）に対する攻撃性が高まるおそれがある。一定の摩擦係数を確保しながら、摩擦材の耐摩耗性と相手材攻撃性の低減を両立するのは容易ではない。本出願人は、摩擦調整材として、一定量のＮｉとＣｒの合金を使用すると、硬質粒子の使用量を少なくしても上記特性の両立を図ることができることを提案している（特許文献１）。

また、焼結摩擦材において、銅系金属をマトリックスとし、摩擦調整材として酸化ジルコニウム、黒鉛及びチタン酸カリウムを含み、酸化ジルコニウムは体積比率で１〜１５％、黒鉛は体積比率で１０〜５０％、チタン酸カリウムは体積比率で５〜３０％の割合で配合することにより、摩擦材の耐摩耗性の向上と相手材の摩耗抑制とを両立した焼結摩擦材が提案されている（特許文献２）。ここでは酸化ジルコニウム（粒径０．５〜２００μｍ）は相手材表面に付着した酸化被膜などを除去することにより摩擦力向上を図っている。チタン酸カリウムの形状はウィスカ状、板状、球状の少なくとも１種類とされる。

更に、銅合金とフィラーより構成されるブレーキ用焼結金属摩擦材に、周期律表４ａ、５ａ，６ａ族金属の炭化物を添加して、この添加物を効果的にする銅合金及びフィラーの成分を限定することで、耐熱フェード性及び耐水フェード性に優れ、高速、高負荷更に降雨等の環境でも摩擦係数が安定したブレーキ用焼結金属摩擦材が提案されている（特許文献３）。

ドラムとブレーキシューとの間に、銅系の焼結摩擦材が組み込まれたローラーブレーキ用の焼結摩擦材料が開示されている。高摩擦係数化及び耐摩耗性の向上に効果のあるモース硬さ３以上の硬質成分の一例として、炭化タングステンが挙げられている（特許文献４）。
特開平９−１３１３１号公報（段落［００１０］〜［００１１］）特開平１１−８０８５５号公報（段落［０００７］，［００１３］），［００２３］，［００２６］）特開平５−１７９２３２号公報（段落［００１０］）特開平１０−３１８３０８号公報（段落［００１６］）

そこで、銅を基材とする配合粉末を焼結して得られる銅系焼結摩擦材において、基材に強化粒子を適用して高温時の銅基材の塑性流動を抑制する点、及びそうした銅基材の塑性流動の抑制を可能にする銅系焼結摩擦材の製造手順を得る点で解決すべき課題がある。

この発明の目的は、銅の基材に強化粒子を適用して、高負荷・長時間でのブレーキ動作に起因して摩擦材が５００℃以上になるような高温になるときでも、銅の塑性流動を抑制して耐摩耗性や高い摩擦係数の維持をすることができる銅系焼結摩擦材及びその製造方法を提供することである。

上記の課題を解決するため、本発明者は、強化粒子として炭化タングステン（ＷＣ）を銅基材中に微細分散させると、高温時における基材の塑性流動を抑制することができることを見いだし、本発明に至った。

即ち、第１発明は、銅を基材とし、潤滑材と研削材とを含む配合粉末を焼結して得られる銅系焼結摩擦材において、前記基材の銅は、電解銅粉に炭化タングステン粉末１〜７．５ｍｏｌ％を分散させた混合基材であることを特徴とする銅系焼結摩擦材である。銅基材中に微細分散された炭化タングステン粉末は、銅から成る基材の高温時における塑性流動を抑制する作用を奏するものと考えられる。

また、第２発明は、銅とタングステンとを混合して得られた混合基材と、潤滑材と研削材とを含む他の配合材料を更に混合後、加圧焼結することを特徴とする銅系焼結摩擦材の製造方法である。タングステンは少ない混合量であるので、潤滑材と研削材を含む他の配合材料との混合の前に予め銅と混合することにより、炭化タングステン（ＷＣ）を銅基材中に微細分散させることが可能になり、銅基材とタングステンとの材料複合化を図ることができる。

上記銅系焼結摩擦材の製造方法において、加圧焼結は、放電プラズマ焼結により製造することができる。

この発明による銅系焼結摩擦材は、上記のように構成されているので、銅基材中に微細分散された炭化タングステン粉末は、銅から成る基材の高温時における塑性流動を抑制するので、高温時の摩擦材の強度、耐摩耗性及び高温摩擦特性（摩擦係数特性）を向上させることができる。また、銅系焼結摩擦材の製造については、銅と炭化タングステンとを混合して得られた混合基材に、潤滑材と研削材とを含む他の配合材料を更に混合した後、加圧焼結しているので、焼結時には銅基材と炭化タングステンとの混合基材について材料複合化が行われ、タングステンが銅の基材の強化粒子として有効に機能させることができる。

以下、この発明による銅系焼結摩擦材とその製造方法の実施例について説明する。

まず、粒子強化基材の作製方法について説明する。
原材料として従来の銅系焼結摩擦材の基材に使用されている電解銅粉（平均粒子径、約６０μｍ）と、強化粒子として炭化タングステン粉末（平均粒子径、約１μｍ）と、及び比較として酸化ジルコニウム粉末（平均粒子径、約１μｍ）を用意し、表１に示す基材用原材料を各々秤量後、乳鉢で十分に混合して得られた混合物を摩擦材の基材として使用した。
なお、比較例４は実施例との比較のため、乳鉢で電解銅粉と炭化タングステンを混合せずに使用した。また、比較例５については強化粒子を使用しないため、混合工程は行わない。

表１中の実施例１〜４の基材は、乳鉢で十分混合した基材であり、その基材組成は、Ｃｕ（電解銅粉）に、強化粒子としてそれぞれ１、２．５、５及び７．５ｍｏｌ％の炭化タングステン（ＷＣ）を添加したものである。
比較例１〜３の基材は、乳鉢で十分混合した基材であり、その基材組成は、Ｃｕ（電解銅粉）に、強化粒子としてそれぞれ１、２．５、５ｍｏｌ％の酸化ジルコニウム粉末（ＺｒＯ_２）を添加したものである。
また、比較例４の基材は、上記のとおり、乳鉢で混合処理を行わない基材であり、その基材組成は、Ｃｕ（電解銅粉）に、強化粒子として２．５ｍｏｌ％の炭化タングステン（ＷＣ）を添加したものである。
更に、比較例５の基材は、上記のとおり、強化粒子を使用しないＣｕ（電解銅粉）から成る従来の基材である。

次に、銅系焼結摩擦材の作製方法について説明する。
原材料として電解銅粉基材（平均粒子径、約６０μｍ）と、電解銅粉と炭化タングステン粉末を混合して得られた粒子強化基材（Ｃｕ−ＷＣ基材）と、電解銅粉と酸化ジルコニウム粉末を混合して得られた粒子強化基材（Ｃｕ−ＺｒＯ_２基材）と、酸化ジルコニウム粉末（平均粒子径、約１５０μｍ）と、人造黒鉛粉末（平均粒子径、約２４０μｍ）と、スズ粉末（平均粒子径、約４５μｍ）を用意した。
上記の各原材料を表１に示す摩擦材配合に各々秤量後、撹拌らい潰機（（株）石川工場製）を用い、混合時の偏析を防ぐため混合物に１０ｗｔ％のメチルアルコールを添加して０．６ｋｓ（６００秒）混合することにより摩擦材の混合粉末を作製した。
摩擦材の混合粉末を２３×３５ｍｍ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１０ＭＰａ、焼結温度１０７３Ｋ、保持時間０．６ｋｓ（６００秒）の条件で焼結を行い、焼結摩擦材を作製した。

次に、銅系焼結摩擦材の摩擦評価方法について説明する。
焼結後得られた焼結摩擦材について、各摩擦材の相対密度（摩擦材の見掛け密度／摩擦材の真密度の百分率）、硬さを測定し、その中から代表的な試料を選別し摩擦試験を行い、摩擦材及び相手材の体積摩粍率及び摩擦係数を求めた。摩擦材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。硬さはロックウェル硬さ試験機のＳスケール（ＨＲＳ）で測定した。摩擦試験は当社所有の１／１０スケールテスタ試験機を用いて、相手材温度５００℃一定のもと、減速度５．８８ｍ／ｓ^２、初速度１２０ｋｍ／ｈから０ｋｍ／ｈ（停止する）までの制動を１００回実施した。表１に各焼結体の相対密度と硬さ、摩擦試験における焼結体及び相手材の体積摩耗率と摩擦係数を示す。

更に、得られた銅系焼結摩擦材の評価結果について記す。
電解銅粉と炭化タングステン粉末（平均粒子径、約１μｍ）を乳鉢で十分に混合して得られた粒子強化基材を使用した摩擦材（実施例１〜４）は、従来の銅系焼結摩擦材（比較例５）に対して摩擦材の体積摩耗率、相手材体積摩耗率が大幅に低下し、摩擦係数は増大した。また、電解銅粉と炭化タングステンを乳鉢で混合しない摩擦材（比較例４）も従来の摩擦材（比較例５）に対して、摩擦材の体積摩耗率、相手材体積摩耗率が低下し、摩擦係数が増大するが、乳鉢で十分に混合処理を行った同組成の摩擦材（実施例２）と比較すると、効果は小さい。即ち、同じ量の炭化タングステンを摩擦材に使用する場合、混合処理により電解銅粉と炭化タングステン粉末との材料複合化が行われ、摩擦特性の効果を大きく引き出すことができる。なお、混合処理法については乳鉢のほかに、メカニカルアロイング法などの機械的混合法が挙げられる。
強化粒子の最適添加量の範囲は、５ｍｏｌ％（実施例３）と７．５ｍｏｌ％（実施例４）では同等であることから、５ｍｏｌ％程度までが好ましい。
強化粒子の種類については、比較例１から３のように強化粒子として酸化ジルコニウム粉末（ＺｒＯ_２）を用いると摩擦材摩耗率及び相手材摩耗率が低下するものの、摩擦係数も低下する結果となる。また、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３、平均粒子径、約１μｍ）や炭化ケイ素（ＳｉＣ、平均粒子径、約１μｍ）も酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）に近い特性を示すことから、摩擦材に用いるセラミックス系強化粒子については炭化タングステンが望ましい。

Claims

銅を基材とし、潤滑材と研削材とを含む配合粉末を焼結して得られる銅系焼結摩擦材において、
前記基材の銅は、電解銅粉に炭化タングステン粉末１〜７．５ｍｏｌ％を分散させた混合基材であることを特徴とする銅系焼結摩擦材。
銅とタングステンとを混合して得られた混合基材と、潤滑材と研削材とを含む他の配合材料を更に混合後、加圧焼結することを特徴とする銅系焼結摩擦材の製造方法。
放電プラズマ焼結により製造することを特徴とする請求項２に記載の銅系焼結摩擦材の製造方法。