JP2007126738A - 焼結摩擦材 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＰＲＴＲ法指定化学物質の使用量を極力減らし、環境保護の面での改善を図るとともに、高温制動時の摩擦特性が向上した鉄系焼結摩擦材を提供する。
【解決手段】 本焼結摩擦材は、金属材料をマトリックスとし、研削材と潤滑材とを含む焼結摩擦材であり、マトリックスの金属材料として、主成分が鉄系材料としての鋳鉄２５〜５０ｖｏｌ％と、銅１〜７ｖｏｌ％と、その他、研削材等のセラミックス、潤滑材の黒鉛を含んでいる。銅は、ＰＲＴＲ法指定化学物質であるが、アルミニウムより融点が高く高温摩擦特性に優れており、その含有量を従来材と比較して約１／５（７ｖｏｌ％）以下と大幅に低減させることで環境保護にも配慮している。銅の添加により、摩擦材中の鉄と鉄系材料の相手材中の鉄同士の同種摩擦を防止することができ、摩擦材と相手材の摩耗量が少なく、高温摩擦係数も確保できる。
【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摩擦材、特に焼結金属からなる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。

しかし近年、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前記材料のうちで、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から成る焼結摩擦材の研究・開発が行われてきた。しかしこれまで主成分としていた銅や錫を使用せず、鉄系材料を主成分とした焼結摩擦材の場合には、ブレーキ制動による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問題点があり、しかも、要求される摩擦係数の確保との両立が困難である。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。

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、安定した摩擦面を得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。

また、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、耐熱性が良好であり、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。
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

鉄系の焼結摩擦材は、ブレーキディスクのような相手材と同様の材料となるので、ブレーキを掛けるときの鉄系同種の摩擦摺動に起因して摩耗量が多くなる傾向にある。このような場合、摩擦摺動面間に異種材料を介在させると、固体潤滑材としての機能が働いて摩耗量を軽減できることが判っている。そこで、従来、摩擦材の成分としてアルミニウム粉末を配合することで、焼結摩擦材の表面には常に薄いアルミニウムの膜が形成され、摩擦材中の鉄と相手材中の鉄同士の同種摩擦が回避される。アルミニウムは融点が低いため高温制動時における摩擦係数の低下及び摩擦材摩耗量の増加が課題となっていた。

本出願人は、鉄系材料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、これらを出願している（特願２００５−３００８１２等）。しかし、近年の車両高速化に伴い高速制動時の摩擦性能（高温時の摩擦係数確保、摩擦材と相手材摩耗量の低減）の確保が要求されているが、ＰＲＴＲ法指定化学物質を全く含まない鉄系焼結摩擦材の高温摩擦性能を硝保することは非常に困難である。そこで、ＰＲＴＲ法指定化学物質である銅の使用量を大幅に低減させて、摩擦材と相手材の同種摩擦を回避し、高温摩擦特性を向上させる点で解決すべき課題がある。

この発明の目的は、ＰＲＴＲ法指定化学物質の使用量を極力減らし、環境保護の面での改善を図るとともに、高温制動時の摩擦特性が向上した鉄系焼結摩擦材を提供することである。

この発明による焼結摩擦材は、金属材料をマトリックスとし、研削材と潤滑材とを含む焼結摩擦材であり、前記マトリックスの金属材料として、鋳鉄２５〜５０ｖｏｌ％と、銅１〜７ｖｏｌ％とを含むことから成っている。

この焼結摩擦材によれば、主成分が鉄系材料で、他の配合材は鉄の同種摩擦を防ぐための銅粉、研削材等のセラミックス、潤滑材の黒鉛を使用している。銅は、ＰＲＴＲ法指定化学物質であるが、アルミニウムより融点が高く高温摩擦特性に優れており、その含有量を従来材と比較して約１／５（７ｖｏｌ％）以下と大幅に低減して添加することで環境保護にも配慮している。銅の添加により、摩擦材中の鉄と相手材（主として普通鋳鉄、低合金鋼、ステンレス等の鉄系材料）中の鉄との同種摩擦を防止することができ、摩擦材と相手材の摩耗量が少なく、高温摩擦係数も確保できる焼結摩擦材が得られる。

また、主成分を鋳鉄粉に設定することで、鋳鉄粉中の潤滑性を有する遊離黒鉛により、鉄同士の同種摩擦を軽減することができる。即ち、摩擦材と相手材とが鉄同士の同種摩擦となると、摩擦材と相手材の摩耗量とが大幅に増加してしまうが、潤滑性のある遊離黒鉛を含む鋳鉄粉を摩擦材主成分とすることで、両摩耗量が低減される。

この焼結摩擦材において、前記研削材として、粒径０．３〜２μｍの微細アルミナ２〜１５ｖｏｌ％と、粒径５〜２０μｍのアルミナ２〜１０ｖｏｌ％と、粒径５０〜２５０μｍのマグネシア１０ｖｏｌ％以下とを含むことができる。マグネシアは、マグネシウムの酸化物であって高硬度ではないセラミックスであり、相手材をあまり損傷することなく摩擦係数を確保する目的で配合される。マグネシアは硬度の低い材料であるので、摩擦係数を更に確保する目的で、硬度のより高いアルミナを含有させることができる。この場合、粒径５〜２０μｍのアルミナの粒径はマグネシアの粒径よりも小さくすることで、相手材への攻撃性を低くすることができる。更に、微細アルミナは、相手材への攻撃性が殆どなく、融点が銅より高いため、銅の耐熱性を向上させる目的で配合されている。

上記研削材を含む焼結摩擦材において、前記粒径５〜２０μｍのアルミナと前記マグネシアとの合計含有量を５〜１５ｖｏｌ％とすることができる。アルミナとマグネシアとの合計含有量が５ｖｏｌ％未満の場合は摩擦係数が低下し、また１５ｖｏｌ％を超えると相手材摩耗量の増加が顕著になる。そして、耐熱性の向上を目的としている微細アルミナは、２ｖｏｌ％未満では耐熱性の向上効果が低く、１５ｖｏｌ％を超えると、焼結性が低下して焼結材の相対密度、強度が低くなり、摩擦材摩耗量が増える。

この焼結摩擦材において、前記潤滑材として、黒鉛３０〜４５ｖｏｌ％を含むことができる。一方で潤滑効果を確保して摩擦材及び相手材の摩耗量を抑制し、他方で摩擦係数の低下を防止するため、黒鉛の含有量が上記の範囲に定められる。

この焼結摩擦材において、前記焼結摩擦材は加圧焼結されたものとすることができる。配合粉末を加圧することにより、粉末は緻密に形成され、焼結したときの製品の強度を確保することができる。結合材の働きをする金属成分が従来と比較して少ないが、加圧焼結により、摩擦材の強度を維持しており、耐摩耗性が低下しない。

この焼結摩擦材において、前記焼結摩擦材の相対密度を８０％以上とすることができる。相対密度は、理論密度（真密度）を１００としたとき、実際の焼結体の密度を相対割合（百分率）で示したものである。放電プラズマ焼結やホットプレス等の加圧焼結法を用い、焼結温度と圧力を調整することにより、焼結体の相対密度を８０％以上とすることで、鉄系材料間の結合力が強く、耐摩耗性及び遜色のない強度の焼結摩擦材を得ることができる。

この発明による焼結摩擦材は、上記のように構成されているので、次のような効果を奏する。即ち、本発明品は主成分が鉄系材料で、他の配合材は鉄の同種摩擦を防ぐための銅粉、研削材等のセラミックス、潤滑材の黒鉛を使用しており、従来材と比較してＰＲＴＲ法の指定化学物質の使用量を約１／５（７ｖｏｌ％）以下と大幅に低減した環境保護の点で好ましい焼結摩擦材を提供している。ＰＲＴＲ法指定化学物質であるが、アルミニウムより融点が高く且つ高温摩擦特性に優れる銅を、従来材より大幅に低減して添加することで、摩擦材中の鉄と相手材（主として普通鋳鉄、低合金鋼、ステンレス等の鉄系材料）中の鉄同士の同種摩擦を回避可能とした。また、主成分に鉄系材料を使用することで、制動時に摩擦材と相手材の鉄同士の同種摩擦となり摩擦材摩耗量と相手材摩耗量が大幅に増加してしまうが、摩擦材主成分を鋳鉄粉にすると、鋳鉄は潤滑性のある遊離黒鉛を含むため、遊離黒鉛が摩擦材摩耗量と相手材摩耗量を低減させることができる。更に、放電プラズマ焼結やホットプレス等の加圧焼結法を用い、焼結温度と圧力を調整することにより、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く、強度、耐摩耗性に優れている焼結摩擦材が得られる。

以下に、実施例１を挙げて、本発明による焼結摩擦材を更に、詳細に説明する。

まず、原材料として平均粒径約８５μｍの鋳鉄粉末（ＦＣ２５０を粉砕、篩別した粉末）と、平均粒径約５９μｍの電解銅粉と、平均粒径約１９０μｍのマグネシア粉末と、平均粒径約１２μｍと平均粒径約１μｍの２種類のアルミナ粉末と、平均粒径約１７０μｍの天然黒鉛粉末と、平均粒径約２４０μｍの人造黒鉛粉末を用意した。

次に、上記の各原材料を表１に示す配合Ｃに各々秤量後、攪拌らい潰機（（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。なお比較材として現在量産されている銅系焼結材Ａ１の混合粉末と、ＰＲＴＲ法指定化学物質を鉄系材料に置換したＢ２、本出願人による先願（特願２００５−３００８１３）で発明した還元鉄粉を基材に微細アルミナを添加した配合の代表例Ｂ１の混合粉末も用意した。

更に、各混合粉末を２３ｍｍ×８５１ｍｍ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１４ＭＰａ、昇温速度１００℃／ｍｉｎ、焼結温度８００〜１１００℃、保持時間５ｍｉｎの条件で焼結を行った。なお、Ａ配合材は量産材と同条件で作製するため、バッチ式焼結炉（昇温速度１０〜２０℃／ｍｉｎ、加圧０．７ＭＰａ）でも焼結を行い、放電プラズマ焼結装置で焼結したものと比較した。

焼結後、各焼結体の相対密度（焼結体の見掛け密度／焼結体の真密度の百分率）、硬さを測定した。またブレーキ性能試験を実施し、摩擦係数、摩擦材及び相手材摩耗量を求めた。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。ブレーキ性能試験は当祉所有の１／１０スケールテスタ試験機を用いて実施した。

表１に焼結条件、相対密度、硬さとブレーキ性能試験における平均摩擦係数、摩擦材と相手材の摩耗量を示す。発明材は従来の鉄系焼結材と比較して摩擦材摩耗量と相手材摩耗量が少なく、６００℃高温時の平均摩擦係数が高いことを特徴としている。

配合の摩擦試験結果に与える影響から判断して、各成分の適正範囲は下記の通りであった。
鋳鉄：２５〜５０ｖｏｌ％、
銅：１〜７ｖｏｌ％、
微細アルミナ（平均粒径：０．３〜２μｍ）：２〜１５ｖｏｌ％、
マグネシア（平均粒径：５０〜２５０μｍ）：０〜１０ｖｏｌ％、
アルミナ（平均粒径：５〜２０μｍ） ：２〜１０ｖｏｌ％
（但し、マグネシア＋アルミナ（平均粒径：５〜２０μｍ）：５〜１５ｖｏｌ％の範囲）、
黒鉛：３０〜４５ｖｏｌ％
ここで各成分の範囲設定の理由は、鋳鉄が２５ｖｏｌ％未満では摩擦材中の結合力不足により摩擦材摩耗量が急激に増加し、５０ｖｏｌ％を超えると他の成分が不足し問題点（摩耗増と摩擦係数低下）が生じる。

マグネシア＋アルミナが５ｖｏｌ％未満の場合は摩擦係数が低下し、また１５ｖｏｌ％を超えると相手材摩耗量が増加する。黒鉛粉末が３０ｖｏｌ％未満の揚合、潤滑効果が低下するため、摩擦材及び相手材摩耗量ともに増加し、４５ｖｏｌ％を超えた場合は摩擦係数の低下が大きくなる。微細アルミナは２ｖｏｌ％未満では耐熱性向上の効果が低く、１５ｖｏｌ％を超えると焼結性が低下して焼結材の相対密度、強度が低くなり摩擦材摩耗量が増加する。また銅が７ｖｏｌ％を超えると加圧焼結時に銅が溶融して問題となる。

Claims (6)

1. 金属材料をマトリックスとし、研削材と潤滑材とを含む焼結摩擦材において、前記マトリックスの金属材料として、鋳鉄２５〜５０ｖｏｌ％と、銅１〜７ｖｏｌ％とを含む焼結摩擦材。
2. 前記研削材として、粒径０．３〜２μｍのアルミナ２〜１５ｖｏｌ％と、粒径５〜２０μｍのアルミナ２〜１０ｖｏｌ％と、粒径５０〜２５０μｍのマグネシア１０ｖｏｌ％以下とを含むことから成る請求項１に記載の焼結摩擦材。
3. 前記粒径５〜２０μｍのアルミナと前記マグネシアとの合計含有量が５〜１５ｖｏｌ％であることから成る請求項２に記載の焼結摩擦材。
4. 前記潤滑材として、黒鉛３０〜４５ｖｏｌ％を含むことから成る請求項１に記載の焼結摩擦材。
5. 前記焼結摩擦材は加圧焼結されたものであることから成る請求項１に記載の焼結摩擦材。
6. 前記焼結摩擦材の相対密度が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。