JPH08337802A - 傾斜機能焼結材料の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、車両、産業機械等のブレーキパッ
ド（摩擦パッド）、ライニングに使用される摩擦材料に
適用することができ、これらの材料が急激に加熱、冷却
された時にクラックの発生を防止することができる。熱
応力緩和型の傾斜機能材料に関する。 【構成】 ２種類以上の材料を積層させ、これに振動を
付加させた後焼結させて得られることを特徴とする傾斜
機能を有する焼結材料、及び、２種類以上の材料を傾斜
的な分布になるように積層させ、これに振動を付加させ
た後焼結させて得られることを特徴とする傾斜機能を有
する焼結材料の製造方法。また、これらの傾斜機能を有
する焼結材料を裏金と摩擦材との間に積層させて得られ
た摩擦パッド

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、傾斜機能焼結材料に関
し、焼結時ならびに焼結体を加熱冷却した場合にクラッ
クの発生しない、熱応力緩和型の傾斜機能材料に関する
ものである。

【０００２】例えば本発明は、車両、産業機械等のブレ
ーキバッド（摩擦パッド）、ライニングに使用される摩
擦材料に適用することができ、これらの材料が急激に加
熱、冷却された時にクラックの発生を防止することがで
きる。

【０００３】即ち、本発明はセラミックス―金属のよう
に結合性が悪い又は熱膨張率が大きく異なる、又は密度
が大きく異なる機能性材料について適用されるものであ
り、特に高温加熱、冷却が頻繁に加えられるような材料
を使用する必要がある場合に効果を発揮するものであ
る。

【０００４】

【従来の技術】近年、新しい機能材料として傾斜機能材
料が開発されている。これは主としてセラミックスと金
属間の熱膨張差によるクラック発生の防止を考慮したも
のであり、金型内に材料である粉末を１層ずつ積み上げ
て階段上の組成傾斜に充填し焼結するものである。

【０００５】本発明はこのようなセラミックス、金属を
中心にした材料を取り扱う分野に関するものであるが、
以下焼結金属を用いた摩擦材料について従来の技術を説
明する。

【０００６】従来、例えば高速車両、高重量の車両には
これを減速或いは停止させるためのブレーキ材料として
焼結金属材料が用いられている。これは焼結金属材料が
アスベスト等他の摩擦材よりも耐摩耗性に優れており、
苛酷な使用に耐えることができるためである。

【０００７】しかし、焼結金属は熱伝導が大きいという
欠点があり、ブレーキをかけた際に熱が他の機材に伝わ
り損傷を与えたり、ブレーキ液等の液体に伝わりそれら
の温度を高めてベーパーロック現象等を起こすという問
題がある。

【０００８】これを防止するために、一般的に断熱層を
設けて制動により発生した熱を遮断する方法が考え出さ
れている。例えば特開昭６１―９６２２６では断熱層と
して断熱繊維を含む材料を用いる方法が開示されている
し、特開平３―３７４３１では裏金にセラミックスを溶
射して断熱する方法が開示されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の異種の
材料を結合させる方法においては、熱膨張率等が異なる
材料をそのまま結合させたものであり、熱応力に対して
は充分に強いとはいえない。例えば高速車両のブレーキ
装置が制動中に水と接触した場合、摩擦層と断熱層の境
界面で亀裂が発生する恐れがある。

【００１０】従って、本発明は急激な加熱冷却を受けた
場合においても、異種層の境界面にクラックが発生しな
いような焼結材料を提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するために成されたもので、（１）２種類以上の材料を
積層させ、これに振動を付加させた後焼結させて得られ
ることを特徴とする傾斜機能を有する焼結材料の製造方
法、（２）２種類以上の材料を傾斜的な分布になるよう
に積層させ、これに振動を付加させた後焼結させて得ら
れることを特徴とする傾斜機能を有する焼結材料の製造
方法、（３）積層材料の一部または全部を造粒或いは複
合化させることにより粒形、形状、密度をコントロール
した積層基材を用いた（１）又は（２）に記載の焼結材
料、（４）金属を含む摩擦材と裏金との間にセラミック
スを含む断熱層を積層させ、これに振動を付加させた後
焼結させて得られることを特徴とする傾斜機能を有する
摩擦パッド、（５）金属を含む摩擦材と裏金との間にセ
ラミックスを含む断熱層を積層させ、さらに摩擦材と断
熱層との間、あるいは裏金と断熱層との間に１種類以上
の材料を傾斜的な分布になるように積層させ、これに振
動を付加させた後焼結させて得られることを特徴とする
傾斜機能を有する摩擦パッド、（６）金属を含む摩擦材
と裏金との間にセラミックスを含む断熱層を積層させ、
さらに摩擦材と断熱層との間、或いは裏金と断熱層との
間に、２種類以上の材料を傾斜的な分布になるように積
層させ振動を付加させた傾斜機能を有する層を積層させ
た後焼結させて得られることを特徴とする傾斜機能を有
する摩擦パッド、（７）積層材料の一部または全部を造
粒或いは複合化させることにより粒径、形状、密度をコ
ントロールした摩擦材、断熱層、傾斜機能層を用いた
（４）又は（５）又は（６）に記載の摩擦パッド、であ
る。

【００１２】本発明において、傾斜機能層或いは傾斜機
能を有する層とは、振動を付加したことにより異種材料
層間の境界付近の材料が混在し、明確な境界面がなくな
った層を指し、傾斜機能を有する焼結材料、傾斜機能を
有する摩擦パッドとは、それぞれ傾斜機能を有する層を
持つ焼結材料、傾斜機能を有する層を持つ摩擦パッドを
指す。

【００１３】また本発明において、造流とは粉末原料を
均一な形状と大きさの粒状物にする操作を指し、複合化
とは２種類以上の粉末原料を溶融せずに均一に混合させ
る操作を指す。

【００１４】本発明の傾斜機能焼結材料は、最も単純な
場合は図１のような工程により製造できる。プロセスＡ
は請求項１に対応し、プロセスＢは請求項２に対応する
ものである。プロセスＡはプロセスＢに含まれるので以
下プロセスＢについて詳細に説明する。

【００１５】材料の配合、製造 ２種類以上の材料、たとえば、材料ａと材料ｂを製造す
る。材料ａと材料ｂは配合成分が異なっているか、また
は配合成分が同じでも配合比率が異なっている。

【００１６】２種類以上の材料とは、セラミックス粉末
と金属粉末を含むものが代表的で、本件に使用できるセ
ラミックスは次のようなものが挙げられる。

【００１７】（１）酸化物 ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｆｅ₂
Ｏ₃、ＴｉＯ₂、ＣａＯ、ＭｇＯ、Ｋ₂Ｏ、Ｎａ₂Ｏ、Ｂ₂
Ｏ₃、ＺｒＯ₂、Ｃｒ₂Ｏ₃、ＺｎＯ₂、ＺｒＯ₂・ＳｉＯ₂
（ケイ酸ジルコニウム）、Ａｌ₂Ｏ₃・ＳｉＯ₂（ムライ
ト） （２）窒化物 Ｓｉ₃Ｎ₄、ＢＮ、ＴｉＮ （３）炭化物 ＳｉＣ、ＷＣ、Ｂ₄Ｃ、ＴｉＣ （４）ホウ化物（上記と重複）（ＢＮ、Ｂ₄Ｃ、Ｂ
₂Ｏ₃）

【００１８】又、金属としては次のものが挙げられる。 （１）Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚ
ｎ、Ｍｏ、Ａｇ、Ｓｎ、Ｗ、Ａｕ、ｐｂ （２）（１）の金属を主成分とする合金（ステンレス、
真鍮等）

【００１９】また、材料ａと材料ｂを構成する成分はそ
れぞれ造粒あるいは複合化させてその粒径、形状、密度
をコントロールして傾斜機能付与に都合のよいものにす
ることができる。

【００２０】これは、本発明の目的が振動付加すること
によって各層の境界付近の粉末を混在させて熱応力の緩
和を図ることにあり、例えば小径粒子を上層側に大径粒
子を下層側に充填しこれに振動を付加すると小径粒子が
大径粒子の間に潜り込む特性（フィルタ効果）を利用し
たものである。

【００２１】造粒方法については転動造粒、流動層造
粒、撹拌造粒等の混合造粒、圧縮造粒、押出し造粒、破
解造粒等の強制造粒、溶融造粒等の熱利用造粒が挙げら
れる。

【００２２】また複合化方法についてはクリプトロン処
理、ハイブリダイゼーション処理、メカノフュージョン
処理等の方法が挙げられる。

【００２３】尚、粒径比或いは密度比があまり大きすぎ
る場合は小径粒子或いは高密度粒子が粗大粒子、低密度
粒子の空隙を速い速度で流下し、反転した２層分離状態
となる。このため適切な選択をすることが必要である。

【００２４】階層充填するための材料の製造 ２種類以上の材料を傾斜的な分布になるよう積層させる
ため、材料ａと材料ｂを用いて配合比ａ：ｂが異なる１
種類または複数種類の材料を製造する。

【００２５】しかし、後工程で行なう振動付加の振動
数、振幅により境界付近の粉末がよく混在されるので必
ずしもこの階層充填するための材料は必要としない。

【００２６】充填、振動付加 例えば図２に示す通りダイス１の下パンチ２に支えられ
たスペーサー３の上に直接配合比率ごとに階層充填さ
せ、粉体層４をつくり、これに振動を付加する。

【００２７】或いは図４に示す通り薄肉セル５に材料を
積層充填させた後スピーカー６で振動付加し、そのセル
をいったんダイスに充填し、その後セルのみ除去する。
図３に円筒セルと配合比ごとの粉末階層充填の模式図を
示す。

【００２８】振動付加の条件は材料の種類、量、ダイス
の質量等によって異なるが、おおよそ振動数３０〜５０
０Ｈｚ，振幅０．１〜５μｍ，振動時間５〜１２０秒の
範囲である。

【００２９】振動付加によって階層界面が不明瞭となる
が、その程度は振動付加の条件によって異なり、その後
の焼結工程に影響を与える。

【００３０】焼結 焼結については従来一般に行なわれている方法が使用で
きる。

【００３１】又、上記のプロセスを断熱層を含む焼結金
属摩擦パッドへ応用した典型的な製造工程図を図９に示
す。摩擦パッドの基本的な構成は、金属を含む摩擦材、
セラミックスを含む断熱層、裏金であり、断熱層は摩擦
材表面で発生した熱を裏金に伝えにくくする役目を持っ
ている。

【００３２】プロセスＣは請求項４に対応するもので最
も単純なものである。その工程は金属を含む摩擦材と裏
金との間にセラミックスを含む断熱層を積層させ、これ
に振動を付加させた後、焼結するものである。

【００３３】振動付加の目的は、摩擦材と断熱層の境界
付近の材料を混在させて熱応力の緩和を図ることであ
り、材料を造粒或いは複合化することによるフィルター
効果を利用することも可能である。

【００３４】また、後述のプロセスＤ，Ｅも同様である
が、振動付加の条件はおおよそ振動数３０〜５００Ｈ
ｚ，振幅０．１〜５μｍ，振動時間５〜１２０秒の範囲
である。

【００３５】プロセスＤは請求項５に対応するもので、
プロセスＣにおいて摩擦材と断熱層との間、或いは裏金
と断熱層との間に傾斜的な分布になるように１種類また
は複数種類の材料を積層させるものである。

【００３６】摩擦材と断熱層との間に積層させる傾斜材
料は、摩擦材に使用される材料と断熱層に使用される材
料の中間的な性質の材料になる。例えば摩擦材がＣｕ
１００％，断熱層がＺｒＯ₂ １００％で構成される場
合、傾斜材料層が１層ならばその層はＣｕ ５０％，Ｚ
ｒＯ₂ ５０％の混合層になり、傾斜材料層が２層なら
ば第１層はＣｕ ６７％，ＺｒＯ₂ ３３％の混合層、
第２層はＣｕ ３３％，ＺｒＯ₂ ６７％の混合層にな
ることが理想的である。また裏金と断熱層との間に積層
させる傾斜材料も同様である。

【００３７】このように傾斜材料を用いた理由は、境界
付近の材料を混在しやすくさせ傾斜機能層を作りやすく
するためである。

【００３８】プロセスＥは予め傾斜材料層に振動付加を
与え、その後摩擦材と断熱層の間、或いは裏金と断熱層
の間にこれを積層させ、焼結するものである。

【００３９】プロセスＤ、Ｅにおいては、傾斜材料は摩
擦材―断熱層間、裏金―断熱層間の両方またはどちらか
片方に使用することができる。

【００４０】次にプロセスＥを例にして各工程の詳細に
ついて説明する。

【００４１】図９において、配合工程における材料の混
合は、ボールミル，Ｖミキサ，オングミル等を使用し均
一に混合する。

【００４２】傾斜機能材の配合、充填は、金属粉末とセ
ラミックス粉末の割合を段階的に変化させた組成の混合
品を積層する。このとき粒径の大きな粉末または密度の
小さな粉末の割合が大きい組成から順に下層から上層へ
と積層する。

【００４３】後工程で摩擦材、断熱材、裏金と結合する
際に傾斜機能部を金属の割合が大きい層が摩擦材あるい
は裏金と接するように設置する。

【００４４】傾斜機能部に使用するセラミックス粉末
は、酸化物，窒化物あるいはホウ化物の何れを使用して
も良い。その際に、使用する金属粉末は摩擦材母材或い
は裏金に使用している素地金属が好ましい。

【００４５】振動付加は振動数３０〜５００Ｈｚ，振幅
０．１〜５．０μｍ，振動時間５〜１２０秒（ｓ）の範
囲である。

【００４６】次に傾斜機能層のみを第１成型する。成型
条件は０〜４ｔｆ／ｃｍ²、１０〜３０ｓ程度でよい。
これは材料の形を整えるための予備成型で行わなくても
よい。

【００４７】次いで摩擦材、傾斜機能部、断熱材、傾斜
機能部、裏金の順に積層させた後１―４ｔｆ／ｃｍ²，
１０―３０ｓで第二成型を行って、これらを必要に応じ
一体成型してもよい。

【００４８】焼結は真空中または不活性ガス中で、 焼結温度 Ｃｕ系７８０―９００℃、Ｆｅ系１０５０―
１５００℃ 加圧力 ０―１００ｋｇｆ／ｃｍ² で行う。時間は１時間程度（３０分〜９０分程度）であ
る。

【００４９】金属プレートとの接合は、焼結時にＣｕメ
ッキを行ったプレートと拡散接合によるもの、または、
焼結後にリベット止めなどによって行っても良い。

【００５０】

【実施例】

【００５１】

【実施例１】 ダイスの上層側にジルコニア粉末、下層側にステンレ
ス粉末、その中間に配合比が１０％ずつ異なるジルコニ
ア粉末／ステンレス粉末の複合粒子の層を９層充填した
（図２，図３）。各々の粉末材料はメカノフュージョン
処理（複合化）されたものを使用した。

【００５２】次に振動試験機にて振動数１００Ｈｚ，振
幅０．５μｍ，振動時間６０秒の条件で振動を付加し
た。これを粉末の種類の相違による焼結収縮による寸法
変化を避けるためホットプレス焼結した。焼結温度は１
１００℃、加圧力１０ｋｇｆ／ｃｍ²で１時間行った。

【００５３】次に図４に示す高分子製のフィルムで作
成した円筒状セル５にと同様に粉末を充填した。

【００５４】これをフルレンジスピーカーで振動数５０
Ｈｚ，振幅０．５μｍ，振動時間１５秒の条件で加振し
た後、これを図５に示すダイスに装填した。上パンチ７
をセットしてから図６に示すようにそのままダイスを上
下反対にしてセルを抜き取った。これをホットプレスし
て焼結体を作製した。焼結条件はと同じである。

【００５５】このようにして配合比の異なる複合粒子を
段階的に層状に充填したものに振動を付加して焼結した
場合に、振動の付加条件によって焼結時あるいはその後
の熱落差試験（一方を冷却、一方を加熱する試験）でセ
ラミックス側を１６００℃に加熱しても熱応力によるク
ラックの発生しない良好な焼結体を作製することができ
た。

【００５６】焼結体の断面組織をＸ線走査分析（ＥＰＭ
Ａ）してみると、振動付加しない場合に各層の境界が明
瞭で段階状であるのに対し、振動付加したものは連続的
な組成勾配に近づいていることがわかった。このことか
ら振動の効果が確かめられた。

【００５７】また、ボールミルによる混合のみの粒子混
合よりもメカノフュージョン処理を施した複合粒子を用
いた方が熱応力緩和効果が大きい傾向があることも確か
められた。

【００５８】図１０（試料Ａ）、図１１（試料Ｂ）、図
１２（試料Ｃ）は焼結体の組織を示す写真である。

【００５９】試料Ａは振動付加をしないもの、試料Ｂ、
Ｃは振動付加をしたもので、さらにＣは複合粒子を用い
たものである。試料Ａは大きなクラックが生じたが、試
料Ｂは微小な内部クラックが発生し、試料Ｃはクラック
の発生は見られなかった。

【００６０】

【実施例２】本発明の摩擦パッドへの応用例を以下に述
べる。

【００６１】以下の実施例では摩擦材と断熱層間のみに
ついて実施した。

【００６２】摩擦パッドは図７に模式的に示すように、
裏金１１の上に、摩擦材１２が設けられ、その両者の間
に本発明の傾斜機能焼結材料１３を断熱層として設け
る。

【００６３】ここで使用する摩擦材は、焼結摩擦材料で
一般的なＣｕ系の摩擦材料での例を示す。組成を第１表
に示す。その他第２表に示す組成のものも用いた。

【００６４】

【表１】

【００６５】ダイスの上層側にＣｕ ３０―ＺｒＯ₂ ７
０の重量比率の混合粉末を配し、その下側にはその配合
比が１０％ずつ変化させた混合品をＣｕ ９０―ＺｒＯ₂
１０までの７層充填する。組成を第３表（Ａ）に示
す。

【００６６】ここで使用した原料は、Ｃｕが中心粒径７
０μｍ、ＺｒＯ₂が中心粒径１５μｍのものを使用し
た。ＺｒＯ₂の代わりにＳｉＯ₂を用いたものもテストし
た。ＳｉＯ₂の中心粒径は１０μｍである。組成を第３
表（Ｂ）に示す。

【００６７】以下、第２表の組成の摩擦材に第３表のＡ
またはＢの傾斜機能部の材料を組合せて１Ａ〜８Ｂの実
施例の摩擦パッドを作製した。

【００６８】振動発振器により所定条件加振した後成型
する。振動数１５０Ｈｚ、振幅１μｍ、時間６０秒とし
た。その成形体を上下反転し、摩擦材組成の混合品を投
入して成型し一体品とする。その一体成型体を焼結温度
８２０℃、加圧力１０ｋｇｆ／ｃｍ²、１時間の条件に
て、焼結する。

【００６９】尚、金属プレートとの一体化は焼結時に成
型体と一体化して拡散接合を行っても、リベットを用い
て機能的に接合を行っても良い。

【００７０】このように配合比の異なる混合粉を段階的
に層状に充填したものに振動を付加して焼結した場合に
は、焼結時あるいは亀裂試験（バーナ加熱試験）で熱応
力によるクラックの発生しない良好な焼結体を作成する
ことができた。

【００７１】また実施例１Ａと１Ｂで振動を付加しない
比較例９Ａ、９Ｂ及び第３表の傾斜機能部の材料を用い
ず振動を付加しない比較例１０を同様に作製した。

【００７２】この際、振動を付加せずに作成したもの
は、バーナ加熱試験を実施した際に組成不連続面で亀裂
が発生した。

【００７３】亀裂試験（バーナ加熱試験）は、金属プレ
ート側を氷を使用して冷却しながら、摩擦材表面をバー
ナーにて加熱。摩擦材表面は、６５０℃まで上昇させ
た。

【００７４】また、断熱効果については４００℃に加熱
した熱板上に摩擦材料面を下にして２分間放置した後の
金属プレート面温度を図８に示す。

【００７５】傾斜機能なしのもの（１０）で３２５℃ま
で上昇した。それに対して、傾斜機能を採用したものは
２３０℃、加振したものは２２５℃となり断熱効果も認
められた。

【００７６】

【表２】

【００７７】

【表３】

【００７８】

【発明の効果】本発明により、焼結時ならびに焼結体を
加熱冷却した場合に、クラックの発生しない、傾斜機能
材料が得られた。

【図面の簡単な説明】

【図１】傾斜機能焼結材料の製造工程を示す説明図。

【図２】ダイスと粉末充填を示す説明図。

【図３】円筒セルと配合比ごとの粉末階層充填を示す説
明図。

【図４】スピーカを用いた振動付加を示す説明図。

【図５】粉末充填セル装填の状態を示す説明図。

【図６】ダイスを上下反転させセルを除去する状態を示
す説明図。

【図７】摩擦パッドを示す説明図。

【図８】焼結体の断面組織をＸ線走査分析（ＥＰＭＡ）
した結果を示す説明図。

【図９】傾斜機能焼結材料の典型的な製造工程を示す説
明図。

【図１０】実施例１の金属焼結体（試料Ａ）の組織を示
す写真。

【図１１】実施例１の金属焼結体（試料Ｂ）の組織を示
す写真。

【図１２】実施例１の金属焼結体（試料Ｃ）の組織を示
す写真。

【符号の説明】

１ ダイス ２ 下パンチ ３ スペーサ ４ 配合比ごとに階層充填した粉体層 ５ 粉体充填セル ６ スピーカ ７ 上パンチ １０ 摩擦パッド １１ 裏金 １２ 摩擦材 １３ 傾斜機能部分

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２種類以上の材料を積層させ、これに振
   動を付加させた後焼結させて得られることを特徴とする
   傾斜機能を有する焼結材料の製造方法。
2. 【請求項２】 ２種類以上の材料を傾斜的な分布になる
   ように積層させ、これに振動を付加させた後焼結させて
   得られることを特徴とする傾斜機能を有する焼結材料の
   製造方法。
3. 【請求項３】 積層材料の一部または全部を造粒或いは
   複合化させることにより粒形、形状、密度をコントロー
   ルした積層基材を用いた請求項１又は２に記載の焼結材
   料。
4. 【請求項４】 金属を含む摩擦材と裏金との間にセラミ
   ックスを含む断熱層を積層させ、これに振動を付加させ
   た後焼結させて得られることを特徴とする傾斜機能を有
   する摩擦パッド。
5. 【請求項５】 金属を含む摩擦材と裏金との間にセラミ
   ックスを含む断熱層を積層させ、さらに摩擦材と断熱層
   との間、あるいは裏金と断熱層との間に１種類以上の材
   料を傾斜的な分布になるように積層させ、これに振動を
   付加させた後焼結させて得られることを特徴とする傾斜
   機能を有する摩擦パッド。
6. 【請求項６】 金属を含む摩擦材と裏金との間にセラミ
   ックスを含む断熱層を積層させ、さらに摩擦材と断熱層
   との間、或いは裏金と断熱層との間に、２種類以上の材
   料を傾斜的な分布になるように積層させ振動を付加させ
   た傾斜機能を有する層を、積層させた後焼結させて得ら
   れることを特徴とする傾斜機能を有する摩擦パッド。
7. 【請求項７】 積層材料の一部または全部を造粒或いは
   複合化させることにより粒径、形状、密度をコントロー
   ルした摩擦材、断熱層、傾斜機能層を用いた請求項４又
   は５又は６に記載の摩擦パッド。