JPH10310764A - 摩擦材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 摩擦係数を向上させるためのセラミックス粒
子が相手側部材に線状の傷を発生させたりヒートスポッ
トを形成することのない摩擦材を得る。 【解決手段】 摩擦材２０に含有させる研削材としての
セラミックス粒子は、熱伝導性に優れた金属粉１５の表
面にセラミックス粒子１６を固着させたセラミックス複
合粉体１７とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自動車、鉄道車
両、産業機械等のブレーキに使用される摩擦材に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば自動車のディスクブレーキ用パッ
ドは、まず、略粉粒状の各種構成成分を撹拌機によって
撹拌混合して良好に分散した摩擦材原料の混合物を形成
した後、その摩擦材原料の混合物を予備成形金型に投入
して圧縮成形し、次いで、その予備成形品に対して所定
の圧力、温度による熱成形処理を施して所定の摩擦材形
状に成形し、さらに、その成形品に対して後熱処理や研
磨処理等を適宜実施することで、所望形状の摩擦材とし
て製作される。

【０００３】ここに、前記摩擦材原料の混合物の構成成
分は、繊維材、結合材、各種添加剤等である。前記繊維
材は、補強材として使用されるもので、一般に、金属繊
維や、無機繊維又は有機繊維等からなる各種の断熱繊維
材が使用される。また、結合材としては、フェノール樹
脂等の熱硬化性樹脂粉末が使用される。そして、各種添
加剤としては、例えば、摩擦調整剤や、潤滑剤や、機械
的強度アップのための増量剤（充填材）等があり、摩擦
調整剤としてはセラミックス粒子やゴムダスト等が、潤
滑剤としては黒鉛等が、そして増量剤としては炭酸カル
シウムや硫酸バリウム等のフィラーが使用されている。
このような摩擦材原料の混合物は、摩擦材として要求さ
れる物理的性能等に応じて、構成成分相互の配合比が調
整されることになる。

【０００４】前述の摩擦調整剤として配合されるセラミ
ックス粒子は、摩擦係数を向上させる目的で配合された
研削材で、従来では、数百μｍ程度の比較的に大粒径の
ものが使用されて所望の効果を得ている。図３は、ディ
スクブレーキのロータに押し付けられる摩擦材１の摺動
面１ａに設けられたセラミックス粒子２の状態を示した
ものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
大粒径のセラミックス粒子２は、制動動作時に摩擦材１
が押し付けられた際にロータ表面へ深く食い込んで、ロ
ータに線状痕またはスコーリングと呼ばれる線状の傷を
発生させ、ロータを痛める虞があった。また、セラミッ
クス材は一般に熱伝導性が悪く、制動動作時にロータと
の間の摺動摩擦によって発生する熱が大粒径のセラミッ
クス粒子２の部分に蓄熱され、該セラミックス粒子２の
部分がヒートスポットと呼ばれる局部的な過熱部となっ
て、制動性能を低下させる虞があった。さらに、摩擦材
の各種構成成分は、通常、所定の重量比で配合している
が、大粒径のセラミックス粒子２は、微小粒径のセラミ
ックス粒子を採用する場合と比較して、１粒あたりの重
量が大きくなるため所定の配合重量における粒子数が少
なくなる。従って、摩擦材上に分散しているセラミック
ス粒子２相互間の離間間隔が大きくなり、摺動面におけ
る単位領域当たりのセラミックス粒子の存在数を考える
と、セラミックス粒子の存在しない領域が増えるため、
摺動面上の摩擦係数を均一化することが難しくなるとい
う問題があった。

【０００６】そこで、摩擦調整剤として配合されるセラ
ミックス粒子として、粒径を微細化したセラミックス粒
子を採用することが検討された。図４は、粒径を数十μ
ｍに微細化したセラミックス粒子４を使用した摩擦材５
の摺動面５ａの状態を示したものである。以上のように
粒径を微細化したセラミックス粒子４の採用により、大
粒径のセラミックス粒子２によって引き起こされていた
不都合が解決されると期待されたが、実際に制動試験を
行うと、大粒径のセラミックス粒子２を使用した摩擦材
１と比較して、制動性能が低下することが判った。

【０００７】この理由として、次のことが推察できた。
即ち、制動動作時には、ロータの摺動面に食い込むセラ
ミックス粒子には大きな摩擦力（剪断力）がかかるが、
セラミックス粒子は、制動時に作用する剪断力で摩擦材
から脱落しないように制動時の剪断力以上に強固な接着
強度で摩擦材に保持されていなければならない。ところ
が、摩擦材がセラミックス粒子を保持している接着強度
は、図３及び図４から明らかなように、セラミックス粒
子２、４の摩擦材１、５に埋没している部分の表面積
（図３及び図４の斜線部）に比例する。つまり、粒径の
小さなセラミックス粒子４は、大粒径のセラミックス粒
子２よりも摩擦材との接触面積が小さいために摩擦材と
の接着力が弱く、ロータとの摺動で作用する剪断力に負
けて摩擦材表面から脱落してしまい、本来の目的である
摩擦係数の向上に寄与しないためと考えられた。

【０００８】本発明は上記実情に鑑みなされたもので、
摺動面の摩擦係数を向上させることができ、しかも摺動
面が押し付けられる相手側部材を痛めることがなく、ま
た、ヒートスポットの形成による制動性能の低下を防止
することもできて、安定した制動性能を長期間にわたっ
て維持できる研削材を含有した摩擦材を提供することを
目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明に係る摩擦材は、摩擦係数を向上させる研削材
として、セラミックス粒子を含有させてなる摩擦材であ
って、熱伝導性に優れた金属粉の表面にセラミックス粒
子を固着させたセラミックス複合粉体を前記研削材とし
て含有させたことを特徴とするものである。

【００１０】なお、前記セラミックス粒子としては硅酸
ジルコニウムを使用し、前記金属粉としては銅粉を使用
することが望ましい。

【００１１】そして、セラミックス粒子は金属粉の表面
に複合化された一体化構造であり、摩擦材上でのセラミ
ックス粒子の保持力が、セラミックス粒子よりも粒径の
大きい金属粉と摩擦材との接触面積によって決まるた
め、たとえセラミックス粒子として粒径の微小なセラミ
ックス粒子を使用しても、摩擦材はこの微小セラミック
ス粒子を強固に保持する。従って、セラミックス粒子は
制動時に相手側部材から受ける大きな摩擦力（剪断力）
により生じる脱落が解消される。

【００１２】また、セラミックス粒子の微粒子化によっ
て、配合重量が同じでも、粒径の大きなセラミックス粒
子を使用した場合と比較すると、配合するセラミックス
粒子の粒子数を倍増して、摩擦材の摺動面上でのセラミ
ックス粒子の分散を均一かつ密にすることができる。

【００１３】また、制動時に、摩擦材の摺動面に突出し
ているセラミックス粒子は、該摩擦材の摺動面が押し付
けられる相手側部材に食い込むことによって、摩擦係数
を向上させるが、セラミックス粒子として粒径の微小な
微小セラミックス粒子を採用することで、相手側部材へ
の食い込みを小さくして、相手側部材に線状痕またはス
コーリングと呼ばれる線状の傷を発生させることを防止
することができる。

【００１４】さらに、制動時にセラミックス粒子に加わ
る熱は、熱伝導性に優れた金属粉を介して、セラミック
ス複合粉体の周囲の摩擦材構成成分中に広く、かつ速や
かに放熱される。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る摩擦材の好適
な実施の形態を図面により詳細に説明する。図１は、本
発明に係る摩擦材の一実施形態を示す要部の断面図であ
る。この一実施形態での摩擦材は、自動車のディスクブ
レーキ用パッドとして使用されるもので、従来例と同
様、まず、略粉粒状の各種構成成分を撹拌機によって撹
拌混合して各種構成成分が良好に分散した摩擦材原料の
混合物を形成した後、その摩擦材原料の混合物を予備成
形金型に投入して圧縮成形し、次いで、その予備成形品
に対して所定の圧力、温度による熱成形処理を施して所
定の摩擦材形状に成形し、さらに、その成形品に対して
後熱処理や研磨処理等を適宜実施することで、所望形状
の摩擦材として製作される。

【００１６】ここに、前記摩擦材原料の混合物の構成成
分は、下記表１に示す如きである。即ち、構成成分は繊
維材、結合材、各種添加剤等である。前記繊維材は、補
強材として使用されるもので、金属繊維や、無機繊維又
は有機繊維等からなる各種の断熱繊維材が使用される。
また、結合材としては、フェノール樹脂等の熱硬化性樹
脂粉末が使用される。

【００１７】

【表１】

【００１８】そして、各種添加剤としては、例えば、摩
擦調整剤や、潤滑剤や、機械的強度アップのための増量
剤（充填材）等があり、摩擦調整剤及び潤滑剤として
は、セラミックス粒子と金属粉と黒鉛が、そして増量剤
としては炭酸カルシウムや硫酸バリウム等のフィラーが
使用されている。

【００１９】以上の各構成成分は、表１に記載の配合比
（ｗｔ％）で配合されている。また、この一実施形態の
場合、前記セラミックス粒子としては硅酸ジルコニウム
を使用し、前記金属粉としては銅粉を使用している。さ
らに、特徴的なことは、前記硅酸ジルコニウムとして
は、平均粒径が５μｍ程度に微細化したものを使用して
いる。そして、この微粒子化した硅酸ジルコニウムは、
熱伝導性に優れた金属粉である銅粉の表面に固着させた
セラミックス複合粉体としてた上で、その他の構成成分
に混合されて、前述の摩擦材原料の混合物とされる。硅
酸ジルコニウムを固着させる銅粉は、平均粒径が３０μ
ｍ程度のものを使用している。

【００２０】前述のセラミックス複合粉体は、図２に示
す粒子複合化装置１０により生成される。この粒子複合
化装置１０は、シータ・コンポーザ（徳寿工作所製）と
呼ばれている装置で、ベッセル１１の楕円形の粒子充填
空間１２内に楕円形のロータ１３が配備された構成であ
る。この粒子複合化装置１０では、複合化させる粉粒体
（この場合は、硅酸ジルコニウムと銅粉）を前記粒子充
填空間１２に投入して、ロータ１３とベッセル１１とを
互いに逆向きに相対回転させると、投入された粉粒体相
互が撹拌・混合されると共に、混合された粒子がロータ
１３とベッセル１１との間の間隔の狭まった挟圧部１４
で挟圧されて、図１に示すように、粒径の大きな銅粉１
５の表面に粒径の小さな硅酸ジルコニウム１６が固着し
たセラミックス複合粉体１７が形成される。

【００２１】前記粒子複合化装置１０によってセラミッ
クス複合粉体１７を生成する際の各粉粒体の充填量や、
ベッセル１１及びロータ１３の回転速度、挟圧部１４の
クリアランス等の複合化条件は、次の表２に示す如きで
ある。

【００２２】

【表２】

【００２３】前記粒子複合化装置１０によりセラミック
ス複合粉体１７に形成された配合比分の硅酸ジルコニウ
ム１６は、その他の摩擦材構成成分と一緒に撹拌混合し
て、各種構成成分が良好に分散した摩擦材原料の混合物
を形成した後に、その混合物を予備成形金型に投入して
圧縮成形し、次いで、その予備成形品に対して所定の圧
力、温度による熱成形処理を施して所定の摩擦材形状に
成形し、さらに、その成形品に対して後熱処理や研磨処
理等を適宜実施することで、所望形状の摩擦材として完
成される。完成した摩擦材２０は、図１に示すように、
摺動面上に、セラミックス複合粉体１７の硅酸ジルコニ
ウム１６が分散した構造となる。

【００２４】以上の構成の摩擦材２０では、微小粒径の
硅酸ジルコニウム１６は大粒径の銅粉１５と一体であ
り、摩擦材２０上での硅酸ジルコニウム１６の保持力
は、硅酸ジルコニウム１６よりも粒径の大きな銅粉１５
と摩擦材２０との接触面積（図１に斜線を施した部分）
によって決まり、粒径の微小な硅酸ジルコニウム１６を
使用したとしても、摩擦材２０上でのセラミックス粒子
の保持力は大きくすることができる。即ち、セラミック
ス粒子として粒径の微小な硅酸ジルコニウム１６を使用
したとしても、制動時に、当該摩擦材２０の摺動面が押
し付けられる相手側部材から受ける大きな摩擦力に耐え
得る十分な保持力を確保することができる。

【００２５】そして、セラミックス粒子の微粒子化によ
って、配合重量が同じでも、粒径の大きなセラミックス
粒子を使用した場合と比較すると、配合するセラミック
ス粒子の粒子数を倍増して、摩擦材２０の摺動面上での
セラミックス粒子の分散を均一かつ密にすることができ
る。

【００２６】また、制動時に、摩擦材２０の摺動面に設
けられている硅酸ジルコニウム１６は、該摩擦材２０の
摺動面が押し付けられる相手側部材に食い込むことによ
って、摩擦係数を向上させるが、硅酸ジルコニウム１６
の粒径が小さいため、相手側部材への食い込みが小さ
く、相手側部材を傷つける力が小さい。

【００２７】さらに、制動時に硅酸ジルコニウム１６に
加わる熱は、熱伝導性に優れた銅粉１５を介してセラミ
ックス複合粉体１７の周囲の摩擦材２０構成成分中に広
く、かつ速やかに放熱されるため、微小な硅酸ジルコニ
ウム１６の部分に局部的に蓄熱されることがなくなる。

【００２８】本発明者は、前述の一実施形態の摩擦材２
０と、配合成分は同じであるが配合するセラミックス粒
子として大粒径の硅酸ジルコニウムをそのまま他の構成
成分に撹拌混合させた従来の摩擦材１とを、慣性型ブレ
ーキ制動試験機（ダイナモテスター）を用いて、同一の
摩擦性能試験を実施した。その結果、両摩擦材１と摩擦
材２０とでは、平均摩擦係数では大差なかったが、相手
側部材の摺動面に生じたセラミックス粒子による擦り傷
は、本実施形態の摩擦材２０の方が明らかに少なかっ
た。また、従来の摩擦材１の場合は、試験の後半では、
セラミックス粒子によって相手側部材の摺動面に生じた
線状傷のために摩擦係数の変動が大きくなる現象が生じ
たが、本実施形態の摩擦材２０では、そのような不都合
が生じることがなく、摩擦係数は、試験の終了まで、ほ
ぼ一定で安定していた。

【００２９】なお、本発明の摩擦材の用途は、自動車の
ディスクブレーキ用に限らない。ドラムブレーキ用のラ
イニングにも適用可能であり、また、鉄道車両、産業機
械等における種々のブレーキに使用可能である。

【００３０】また、前述の実施形態の場合は、平均粒径
が５μｍの硅酸ジルコニウム１６を平均粒径が３０μｍ
の銅粉１５に複合化させたが、銅粉１５の粒径は５００
μｍ程度まで大きくすることが可能で、その場合に、銅
粉に複合化させるセラミックス粒子の粒径は銅粉の粒径
の１０分の１程度に設定するとよい。

【００３１】

【発明の効果】本発明の摩擦材によれば、セラミックス
粒子は金属粉の表面に複合化されて金属粉と一体であ
り、摩擦材上でのセラミックス粒子の保持力は、セラミ
ックス粒子よりも粒径の大きな金属粉と摩擦材との接触
面積によって決まり、セラミックス粒子として粒径の微
小なセラミックス粒子を使用したとしても、摩擦材上で
のセラミックス粒子の保持力は大きくすることができ
る。即ち、セラミックス粒子として粒径の微小なセラミ
ックス粒子を使用したとしても、制動時に、当該摩擦材
の摺動面が押し付けられる相手側部材から受ける大きな
摩擦力に耐え得る十分な保持力を確保することができ、
制動時に相手側部材から受ける摩擦力で摩擦材上からセ
ラミックス粒子が脱落する等の不都合が発生せず、摩擦
係数の向上という当初の目的を十分に達成することがで
きる。

【００３２】そして、セラミックス粒子の微粒子化によ
って、配合重量が同じでも、粒径の大きなセラミックス
粒子を使用した場合と比較すると、配合するセラミック
ス粒子の粒子数を倍増して、摩擦材の摺動面上でのセラ
ミックス粒子の分散を均一かつ密にすることができ、摺
動面上の摩擦係数を均一化することができる。

【００３３】また、制動時に、摩擦材の摺動面に突出し
ているセラミックス粒子は、該摩擦材の摺動面が押し付
けられる相手側部材に食い込むことによって、摩擦係数
を向上させるが、セラミックス粒子として粒径の微小な
セラミックス粒子を採用することで、相手側部材への食
い込みを小さくして、相手側部材に線状痕またはスコー
リングと呼ばれる線状の傷を発生させることを防止する
ことができる。

【００３４】さらに、制動時にセラミックス粒子に加わ
る熱は、熱伝導性に優れた金属粉を介してセラミックス
複合粉体の周囲の摩擦材構成成分中に広く、かつ速やか
に放熱されるため、微小なセラミックス粒子の部分に局
部的に蓄熱されることがなくなり、局部的に過熱された
ヒートスポットの形成が防止され、ヒートスポットの形
成による制動性能の低下を防止することもでき、安定し
た制動性能を長期間にわたって維持可能になる。

【００３５】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る摩擦材の一実施形態の要部断面図
である。

【図２】本発明の一実施形態に示したセラミックス複合
粉体を生成する粒子複合化装置の説明図である。

【図３】大粒径のセラミックス粒子を配合した従来の摩
擦材の要部断面図である。

【図４】微小粒径のセラミックス粒子を配合した従来の
摩擦材の要部断面図である。

【符号の説明】

１５ 銅粉 １６ 硅酸ジルコニウム １７ セラミックス複合粉体 ２０ 摩擦材

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 摩擦係数を向上させる研削材として、セ
   ラミックス粒子を含有させてなる摩擦材であって、 熱伝導性に優れた金属粉の表面にセラミックス粒子を固
   着させたセラミックス複合粉体を前記研削材として含有
   させたことを特徴とする摩擦材。
2. 【請求項２】 前記セラミックス粒子としては硅酸ジル
   コニウムを使用し、前記金属粉としては銅粉を使用した
   ことを特徴とする請求項１記載の摩擦材。