JP2007107066A - 焼結摩擦材 - Google Patents

Abstract

【課題】主成分として鉄系材料を用い、ＰＲＴＲ法の指定化学物質を含まない,摩擦係数、強度、耐摩耗性、相手材への低攻撃性等のブレーキ性能にも一層優れた焼結摩擦材を提供する。
【解決手段】金属材料をマトリックスとし潤滑材と研削材とを含む焼結摩擦材において、金属材料として還元鉄粉を使用している。主成分が鉄系の還元鉄粉であり、他の配合材は潤滑材と研削材であり、ＰＲＴＲ法で指定されている指定化学物質をまったく使用することなく焼結摩擦材を得ることができる。焼結摩擦材の骨格となるマトリックスを構成する金属主成分を低炭素であるため軟らかい還元鉄粉を使用し、高温下での摩擦特性や相手材への低攻撃性の点で優れた焼結摩擦材が得られる。さらに、異種材料のアルミニウムを摺動面間に介在させることで、摩耗量の軽減を図る。
【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過酷な制動条件下でもフェード（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の焼結摩擦材の研究・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。

高い摩擦係数を安定的に得ることを図った銅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、相手材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）。アルカリ性物質の非存在下で焼結を行い、有孔の摩擦材の本体部を形成することによって、摩擦材の絶対的強度をアルカリ性物質に阻害されることなく確保でき、その後に、防錆効果の高いアルカリ性物質を孔内に固定することで防錆性の向上を図っている。

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。
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

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しないことで、環境保護にも貢献することが求められている。本出願人は、鋳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。しかし、更なる特性向上への強い要求があり、この要求に応える点で解決すべき課題がある。

この発明の目的は、従来の銅粉末が主体であった摩擦材に代えて、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、主成分として鋳鉄粉に比較してより融点が高く且つ柔らかい鉄系材料を求めることで、摩擦係数、強度、耐摩耗性、相手材への低攻撃性等のブレーキ制動時の性能にも一層優れた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潤滑材と研削材とを含む焼結摩擦材において、金属材料として還元鉄粉を使用したことから成っている。

主成分が鉄系の還元鉄粉であり、他の配合材は潤滑材と研削材であり、ＰＲＴＲ法で指定されている指定化学物質をまったく使用することなく焼結摩擦材を得ることができる。焼結摩擦材の骨格となるマトリックスを構成する金属主成分を鋳鉄粉から、鋳鉄粉よりも融点が約３００℃高く且つ低炭素であるため軟らかい還元鉄粉に変更したので、高温下での摩擦特性や相手材への低攻撃性の点で優れた焼結摩擦材が得られる。

この焼結摩擦材において、マトリックスの金属材料として、更にアルミニウム粉を含むことができる。この焼結摩擦材は、還元鉄粉から形成された粉末をベースに構成されているが、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、制動時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。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き、摩耗量が軽減できることが判っている。そこで、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。

この焼結摩擦材において、還元鉄粉の含有量が２６〜５３ｖｏｌ％であり、アルミニウム粉の含有量が５〜２０ｖｏｌ％であり、還元鉄粉とアルミニウム粉との合計含有量を４６〜５８ｖｏｌ％とすることが好ましい。還元鉄粉とアルミニウムとの合計含有量が４６％未満であると、金属粉末同士の結合力が落ちて、焼結摩擦材としての強度が低下するおそれがある。また、この合計含有量が５８％を超えると、他の配合成分を有効量確保するのが困難になる。

上記のアルミニウムを含有する焼結摩擦材において、アルミニウムの強化材として、平均粒径０．３〜２μｍの微細アルミナを２〜１０ｖｏｌ％含むことができる。還元鉄粉を主成分として含む焼結摩擦材は、銅系の焼結摩擦材と同等の性能を得ることができるが、高負荷条件の評価では銅系焼結摩擦材に及ばないことが判明した。これは、低融点のアルミニウムを含有させているので耐熱強度が低下しているのが原因と考えられる。そこで、平均粒径０．３〜２μｍの高融点で微細アルミナを添加することにより、アルミニウムを熱的に強化して耐熱強度向上に寄与し、これによって高負荷条件での耐摩耗性を向上させることができる。

この焼結摩擦材において、平均粒径５０〜２５０μｍのマグネシア１０ｖｏｌ％以下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、耐摩耗性向上と摩擦係数の確保の目的で配合される。研削材としてのマグネシアは、モース硬度を６以下の比較的柔らかいものを配合することで、相手材をあまり損傷することなく摩擦係数を確保することができる。

マグネシアを含有する上記の焼結摩擦材において、研削材として、更に、平均粒径５〜２０μｍのアルミナを２〜１０ｖｏｌ％含むことができる。マグネシアは硬度の低い材料であるので、摩擦係数を確保する目的で、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、アルミナの粒径をマグネシアの粒径よりも小さくしているので、相手材への攻撃性を低くすることができる。この際、マグネシアとアルミナとの合計含有量が５〜１５ｖｏｌ％にすることが好ましい。

潤滑材としての黒鉛を通常よりも多量である２５〜４０ｖｏｌ％を含有することにより、相手材攻撃性を更に低下させることができる。更に、配合粉末を加圧焼結することにより、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。焼結摩擦材の相対密度については、８０％以上であるとすることができる。相対密度は、理論密度を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、温度、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、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還元鉄粉で、他の配合材は潤滑材や研削材を使用しており、ＰＲＴＲ法の指定化学物質をまったく使用していないので、本焼結摩擦材は環境保護の点で優れた摩擦材を提供することができる。
主成分として鋳鉄粉より融点が約３００℃高く且つ低炭素であり軟らかい還元鉄粉を用いているので、高温下での摩擦特性や相手材への低攻撃性に優れた焼結摩擦材を得ることができる。
また、アルミニウムを添加することによって、摩擦界面にアルミの薄膜が形成され、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防ぐことができる。以上の相乗効果によって、必要な摩擦係数が確保でき、摩擦材や相手材の摩耗畳を少なくすることができる。アルミニウムを添加する場合、更に平均粒径０．３〜２μｍの高融点で微細アルミナを添加することにより、低融点のアルミニウムの耐熱強度向上に寄与し、高負荷状態での耐摩耗性を向上することができる。
また、他の配合材としての研削材には、平均粒径が約５０〜２５０μｍでセラミックスとしてはあまり硬くない（モース硬さ６）マグネシアを用いることによって、ブレーキ制動時の摩擦材及び相手材（鉄系材料）を損傷させることなく摩耗量を少なくするとともに、高い摩擦係数を確保することができる。更に平均粒径がマグネシアよりかなり小さい約５〜２０μｍで硬質（モース硬さ９）なアルミナを用いると、アルミナの粒径が小さいため、アルミナ（５〜１５ｖｏｌ％の範囲）だけでも攻撃性を抑制しブレーキ制動時の摩擦材及び相手材（鉄系材料）摩耗量を少なくすることができる。マグネシアとアルミナとの２種類を組み合わせて併用することで、高い摩擦係数を確保し、制動時の摩擦材及び相手材攻撃性を抑制して摩耗量を少なくすることの両立が容易になる。
更に、潤滑材の黒鉛を多量に含有することにより主成分が鉄系材料であるのにもかかわらず相手材攻撃性を小さくすることができる。潤滑材の黒鉛を多量に含むため、結合材の働きをする金属成分が少なくなるが、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、温度や圧力を調整して焼結条件を適正に設定することによって、焼結後の相対密度（焼結体密度／真密度の百分率）８０％以上を確保することが可能になるため、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を得ることができる。

以下に、実施例を挙げて、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１６０μｍの還元鉄粉と、平均粒径約１９０μｍのマグネシア粉末と、平均粒径約１２μｍ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の人造黒鉛粉末と、平均粒径約２２μｍのアルミニウム粉末を用意した。

次に、上記の各原材料を表１に試料記号Ｃ１〜Ｃ３で示す配合（鋳鉄粉を還元鉄粉に変えたので、鋳鉄粉中に含有していた黒鉛相当量分を増量）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Ａの混合粉末と、鋳鉄粉を基材とした配合の代表例Ｂの混合粉末も用意した。

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１４ＭＰａ、昇温速度１００℃／ｍｉｎ、焼結温度８００〜１１５０℃、保持時間５ｍｉｎの条件で焼結を行った。なお、銅系焼結材Ａの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、その中から代表的な試料を選別し、ブレーキ性能試験を行い、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。硬さはロックウェル硬さ試験機のＳスケール（ＨＲＳ）で測定した。ブレーキ性能試験は当社所有の１／１０スケールテスタ試験機を用いて実施した。

表１に代表的な試料の配合、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。

還元鉄粉を主成分とした本発明品Ｃ１〜Ｃ３の摩擦係数は、鋳鉄粉を主成分とした比較材Ｂよりは低いが、現行の銅系焼結材Ａと同等であり、摩擦材及び相手材摩耗量はＢよりも少なかつた。
配合の摩擦試験結果に与える影響から判断して、配合粉末の各成分の適正範囲は下記の通りである。
還元鉄粉：２６〜５３ｖｏｌ％、
アルミニウム：５〜２０ｖｏｌ％
（但し、還元鉄＋アルミニウム：４６〜５８ｖｏｌ％の範囲）、
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：５〜１５ｖｏｌ％の範囲）、
黒鉛：３０〜４５ｖｏｌ％
ここで各成分の範囲設定の理由は、還元鉄が２６ｖｏｌ％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、５３ｖｏｌ％を越えると他の成分が不足し問題点が生じる。

マグネシア粉末が１０ｖｏｌ％を超えると相手材摩耗量が増加する。黒鉛粉末が３０ｖｏｌ％未満の場合、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％を越えた場合は摩擦係数の低下が大きくなる。またアルミニウムが５ｖｏｌ％未満では同種摩擦回避が不十分で摩擦材及び相手材摩耗量が多くなり、２０ｖｏｌ％を越えると摩擦係数の低下が顕著になる。

実施例１を基本として、アルミニウムの強化材として微細アルミナを添加した例を実施例２として、以下に説明する。まず、原材料として、実施例１の場合に用意した原料に加えて、平均粒径約１．２μｍの微細アルミナ粉末を用意した。

各原料の秤量と混合による混合粉末の作製については、実施例１の場合と同様である。作製した混合粉末の焼結についても、焼結条件を含めて実施例１の場合と同様である。焼結して得られた摩擦材の相対密度や硬さの測定、摩擦係数、摩擦材及び相手材の摩耗量、並びにブレーキ試験の条件についても実施例１の場合と同様である。

実施例２による焼結摩擦材は、試料番号Ｃ４〜Ｃ８についてのものであり、その原材料の配合、焼結条件、特性値が示されている。微細アルミナを添加した本実施例品Ｃ４〜Ｃ８の摩擦係数については、銅系現行焼結材Ａ、及び還元鉄粉基材Ｃ１〜Ｃ３よりも高く、摩擦材摩耗量については銅系現行焼結材Ａと同等で鋳鉄を基材とした焼結材Ｂ及び還元鉄粉基材Ｃ１〜Ｃ３よりも少なく、相手材摩耗量については銅系現行焼結材Ａ、鋳鉄を基材とした焼結材Ｂ、及び還元鉄粉基材Ｃ１〜Ｃ３よりも少なかった。

配合の摩擦試験結果に与える影響から判断して、配合粉末の各成分の適正範囲は下記の通りである。
還元鉄粉 ：２６〜５３ｖｏｌ％、
アルミニウム：５〜２０ｖｏｌ％、
微細アルミナ（平均粒径０．３〜２μｍ）：２〜７ｖｏｌ％
（但し、還元鉄＋アルミニウム＋微細アルミナ：４６〜６０ｖｏｌ％の範囲）、
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、マグネシア十アルミナ：５〜１５ｖｏｌ％の範囲）、
黒鉛：３０〜４５ｖｏｌ％
この配合粉末を焼結して得られる焼結摩擦材は、摩擦係数が高く、ブレーキ制動時の摩擦材及び相手材（鉄系材料）摩耗量を少なくすることができる。また、平均粒径が約０．３〜２μｍの微細アルミナ（２〜７ｖｏｌ％）を添加しているので、ブレーキ制動時の摩擦材及び相手材（鉄系材料）摩耗量を少なくすることができる。

Claims (8)

1. 金属材料をマトリックスとし潤滑材と研削材とを含む焼結摩擦材において、前記金属材料として還元鉄粉を使用したことから成る焼結摩擦材。
2. 前記金属材料として、更にアルミニウム粉を含むことから成る請求項１に記載の焼結摩擦材。
3. 前記還元鉄粉の含有量が２６〜５３ｖｏｌ％であり、前記アルミニウム粉の含有量が５〜２０ｖｏｌ％であり、前記還元鉄粉と前記アルミニウム粉との合計含有量が４６〜６０ｖｏｌ％であることから成る請求項２に記載の焼結摩擦材。
4. 前記アルミニウムの強化材として、平均粒径０．３〜２μｍの微細アルミナを２〜１０ｖｏｌ％含むことから成る請求項２又は３に記載の焼結摩擦材。
5. 前記研削材として、平均粒径５０〜２５０μｍのマグネシア１０ｖｏｌ％以下を含むことから成る請求項１に記載の焼結摩擦材。
6. 前記研削材として、更に、平均粒径５〜２０μｍのアルミナを２〜１０ｖｏｌ％含み、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５に記載の焼結摩擦材。
7. 前記還元鉄粉、前記潤滑材及び前記研削材から成る配合粉末を加圧焼結して成る請求項１に記載の焼結摩擦材。
8. 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７に記載の焼結摩擦材。