JPS5925831B2 - 摩擦調節材としてスピネル固溶体を含む摩擦材料 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、摩擦調節材（ｆｒｉｃｔｉｏｎｍｏｄｉｆｉ
ｅｒ）として、スピネル固溶体を含む摩擦材料及びそれ
から形成される摩擦部材、特にブレーキライニングに関
する。

ブレーキライニング、クラッチなどに使用されるような
摩擦材料は、厳格な性能が要求される。

ブレーキライニングのような摩擦素子の主な機能は、摩
擦を通じて摩擦材料とそれに係合する部品との間の相対
運動を減少せしめると同時に、運動エネルギーを熱に転
換し且つ該熱を吸収するか又は消散させることにある。
かゝる目的を達成するためには、摩擦材料と部品との間
の摩擦係数が作動条件の変化にかゝわりなくできるだけ
高くなるように係合させ、また接触部品の最少の摩耗に
より必要なエネルギー転換を達成することが必要である
。特に、摩擦材料は、比較的高い摩擦係数を有するばか
りでなく、同時に耐久性、熱安定性を有し、また回転子
などの摩擦部品と摩擦接触する間、ほとんどが全然音を
たてなく、更には係合部品の摩耗を最少にすべきである
。一般に、摩擦材料は、熱硬化性樹脂又は加硫したゴム
などのユトリクス又はバインダー、繊維補強材及び摩擦
調節材を含んでいる。

摩擦調節材は、摩擦材料に所望の摩擦係数を付与するの
に寄与する。しばしば、摩擦材料は、その物理的特性を
改善しまたそのコストを減少させる充填材（ｆｉｌｌｅ
ｒ）又は増量材（ｅｘｔｅｎｄｅｒ）をも含んでいる。
繊維補強材は、通常アスベスト（石綿）であるが、他の
耐高温性材料の繊維も、摩擦材料の成分を支持又は結合
するために使用できる。過熱或いは水と接触するなどの
特定の条件では、アスベスト繊維は、ガラス状になる性
質をもち、そのためより低い摩擦係数に陥る。

かゝる場合、例えば自動車の運転手がブレーキを作動し
ようとしたときには、設計通りに作動するブレーキライ
ニングの能力は、大きく妨げられ、その結果として事故
が起きる。従つて、摩擦係数を増加させる添加摩擦調節
材は、繊維補強材としてアスベストを含む摩擦材料には
特に有用である。ブレーキライニングのような多くの摩
擦素子は、゛減衰（Ｆａｄｅ）゛する性質を有する。

゛減衰”は、一定のスピードでのブレーキシステムを繰
り返し適用する間、正当な一定の摩擦値を保持する能力
のないことＸ考えられる。あらゆるライニングは、ある
程度減衰を示す、金属粒子などの熱伝導粒子を摩擦材料
に含有させて、減衰傾向を減少させることが提案されて
いる。しかしながら、かＸる欠点は、なお重大な問題を
残している。本発明の主な目的は、従来の摩擦材料と比
較して改良された性能を有する摩擦材料又は素子を提供
することにあり、更に詳しくは、改良された摩擦係数と
高い減衰抵抗性、更には摩擦材料と係合する部品に減少
した摩耗量を与える摩擦材料を提供することにある。

本発明は、繊維強化、硬質、熱硬化性、耐熱性の有機樹
脂と摩擦調節材とを含む摩擦材料であつて、該摩擦調節
材が、摩擦材料中、０．８重量％〜４５重量％存在し、
且つ式：ＸＹ２Ｏ４ を有する微粒状の通常型スピネルから本質的に構成され
る。

上記式において、Ｘは、Ｎａ．Ｋ．Ａｇ及びＬｉからな
る群から選ばれる一価の金属の二つの原子又はＭｇ．．
Ｆｅ．．ＣＯ．．Ｍｎ．．Ｚｎ．．ＮｉｌＣｕ及びＣｄ
からなる群から選ばれる二価の金属の一つの原子を表わ
し、また、Ｙは、ＭＯ．．Ｗ、Ａｌ．Ｎｉ．Ｆｅ．Ｃｒ
，．Ｍｎ．Ｔｉ及びＶからなる群から選ばれる三価の金
属を表わす。但し、ＸとＹが同じ金属であることはでき
ない。更に、本発明の特徴は、上記摩擦材料から形成さ
れる摩擦部材及び摩擦材料から形成されるブレーキライ
ニングを包含することにある。

一般に、本発明の摩擦材料は、繊維で補強された、硬質
、熱硬化性、耐熱性の有機樹脂と、摩擦材料に所望の摩
擦係数を付与する量存在する微粒状の通常型スピネル固
溶体から本質的に構成される結晶性鉱物摩擦調節材とか
らなるものである。

好ましくは、添加材と増量材をも含有せしめられる。摩
擦材料を形成する樹脂は、摩擦材料によつて発生する熱
に耐えることのできる、全ての熱硬化性、耐熱性の有機
樹脂が使用できる。

概して、かかる目的のためには、フエノーノレーホノレ
ムアノレデヒド及びフエノールーフルフラールなどのフ
エノール樹脂が最も好ましいが、他の熱硬化性樹脂、例
えばメラミン−ホルムアルデヒド、尿素−ホルムアルデ
ヒド、エポキシ樹脂、ジアリルフタレート樹脂、ジオク
チルフタレート樹脂、架橋アルキド樹脂なども使用でき
る。フエノールーホルムアルデヒドが特に好ましい。あ
る目的の場合には、熱硬化性、耐熱性の有機樹脂ととも
にエラストマーを含有させて、摩擦材料の摩擦グラフ（
Ｇｒａｂ）を増加させることができる。

エラストマーは、加硫する必要はないが、加硫可能なエ
ラストマーが好ましい。力八る目的のために、既知の加
硫及び／又は硬化剤が、摩擦材料を形成する混合物に添
加される。そして、熱硬化性樹脂が完全に又は最終的に
硬化されると同時にエラストマーも加硫される。使用さ
れるエラストマーの例としては、天然ゴム、ブタジエン
−アクリロニトリル、ブタジエン−スチレン、ポリブタ
ジエンなどが含まれる。特許請求の範囲に使用されてい
る゛硬質、熱硬化性、耐熱性の有機樹脂゛という用語は
、上記した熱硬化性有機樹脂であり、且つこ匁に記載し
たエラストマーと組み合わされるような樹脂を意味する
ものと解釈される。本発明の摩擦材料のための摩擦調節
材は、二つの異なつた金属原子を含むスピネル及び三つ
又はそれ以上の異なつた金属原子を有するスピネルを包
含する。かｋる摩擦調節材は、通常型スピネル結晶格子
構造中に混合結晶として配置される金属と酸素原子から
本質的に構成される同形置換型固溶体の結晶鉱物である
。一般に、Ａ及びＢのような二つの金属が、同じ構造を
有するとき、Ｂに対してＡを添加した場合、純粋なＡや
Ｂと同じように、二つの種類の原子がランダムに配置さ
れた、原子の立体的配置を有する固溶体を生成する。

制限された又は完全な固溶体を形成する全く同様な結晶
構造を有する多くの物質対（Ｐａｉｒ）がある。しかし
ながら、極めてたくさんの複雑な因子もあるので、固溶
体を形成する能力又は能力のなさからは、二つの物質の
構造については、一般にあらかじめ推論することはでき
ない。化合物が、原子配置によつて、二つ又はそれ以上
の結晶固体相を形成する場合には、多形物（ＰＯｌｙｍ
Ｏｒｐｈｉｃ）と記載される。異なつた構造は、同じ原
子構成ユニツトを単に異なつて充填したに過ぎない。本
発明の場合、結晶摩擦調節材は、通常型スピネル結晶格
子構造を有する、金属原子から形成される固溶体である
。

通常型スピネル結晶格子構造を形成する技術は、該技術
分野では既知であるが、それは本発明の部分を構成する
ものではない。一般に、選択された金属酸化物は、混合
に際して仮焼される。各成分は、融解するのに充分な温
度まで加熱されるが、これは必ずしも必要ではない。好
ましくは、それらは、固体状態の反応が起る温度まで加
熱される。該温度は、試行錯誤によつて容易に決められ
るが、通常は、約９５０℃〜約１６００℃の範囲にある
。仮焼した成分は、次いで、冷却され、通常型スピネル
結晶格子構造に結晶化する。固溶体を形成する場合、一
方の金属酸化物は、主（ＨＯｓｔ）結晶格子と考えられ
、また他方の成分は、主結晶の付加又は置換原子とみな
される。添加原子のランダムな数が、結晶格子構造に適
合できる二つの道がある。

一つの道は、置換原子が、通常結晶内の未占有の間隙位
置に適合する場合である。これは、間隙（侵入）型固溶
体と呼ばれる。別の道は、添加原子が、通常主構造それ
自体内の占有されている位置に適合する場合である。こ
れは、置換型固溶体と呼ばれ、本発明の摩擦調節材によ
り具体化されている型である。正確な測角的測定によつ
て、二つの結晶間の形態的方法による区別が必要とされ
るならば、これらの結晶は、同形と呼ばれる。特に、本
発明の通常型スピネル結晶格子構造は、同形置換型固溶
体として特徴づけられる。本発明の固溶体を形成する好
ましい金属と金属酸化物は、独立して仮焼し、冷却して
もなお通常型スピネル結晶格子構造を形成するものであ
る。

摩擦材料に有用なスピネルは、密に充填されている。立
方形の結晶酸化物の構造は、Ｘ．Ｙ及び酸素原子の三次
元の配列を有し、こｋでＸ及びＹは、後に示されるよう
な所望の金属原子を表わす。本発明の改良された効果を
得るために、スピネルは逆結晶構造より、通常型結晶構
造でなければならない。Ｘ原子が、正四面体配置の位置
にあり、またＹ原子が、正八面体配置の位置にある場合
に通常型スピネル構造が得られる。ある他のスピネルで
は、ＸとＹ原子は、異なつて配置されている。こＸでは
、８個の正四面体の位置が８個のＸ原子ではなく、Ｙ原
子の％で占められ、Ｙの残りとＸ原子とは、１６個の正
八面体にランダムに配置される。これは、゛逆゛スピネ
ルと呼ばれ、便宜上、Ｙ（ＸＹ）０４で表わされており
、通常型スピネル構造とは区別される。逆スピネルは、
本発明の範囲内ではないが、その例としては、Ｆｅ（Ｍ
ｇＦｅ）０４、Ｆｅ（ＴｉＦｅ）０４及びＺｎ（ＳｎＺ
ｎ）０４がある。本発明で使用されるスピネルは式：Ｘ
Ｙ２Ｏ４ を有する。

こＸで、Ｘは、Ｎａ，．Ｋ．Ａｇ及びＬｉからなる群か
ら選ばれる一価の金属の二つの原子、又はＭｇ．Ｆｅ，
．ＣＯ．Ｍｎ．Ｚｎ．．Ｎｉ．Ｃｕ及びＣｄからなる群
から選ばれる二価の金属の一つの原子を表わし、またＹ
は、ＭＯ．．Ｗ，．Ａｌ，．Ｎｉ、Ｆｅ，．Ｃｒ．Ｍｎ
，．Ｔｉ及びからなる群から選ばれる三価の金属を表わ
す。但し、ＸとＹとは、同じ金属であることはできない
。好ましい種類のスピネルでは、Ｘは、上記した二価の
金属であり、且つＹは、上記した三価の金属である。

好ましいスピネルは、ＭｇＡｌ２Ｏ４及びＺｎＡｌ２Ｏ
４である。また、上記式のＸ．Ｙ２が、スピネル固溶体
として、それぞれ２種以上の金属を示すものであつても
よい。

例えば、Ｘは、一価の金属の場合、ＮａＫ，．ＬｉＮａ
等とすることができ、二価の金属の場合）ＺｎＯ．５Ｆ
ｅＯ．５）ＺｎＯ・５Ｍｇ０・５等とすることができる
。更にＹ２は、ＡｌＦｅ等とすることができる。通常型
スピネル結晶格子構造中に混合結晶として配置される、
特に有用な置換型固溶体は、以下のようなものである。

（ＺｎＯ●５）ＦｅＯ●５）Ｃｒ２Ｏ４ （ＺｎＯ・５）ＭｇＯ・５）Ｆｅ２Ｏ４ （ＺｎＯ．５、ＭｇＯ．５）ＡｌＦｅＯ４ＺｎＡｌＦｅ
Ｏ４ （ＭｎＯ●５Ｆｅ０●５）Ａｌ２Ｏ４ 上記した特定の例のうち、スピネル結晶格子構造形を有
する、亜鉛含有スピネル固溶体が好ましい。

最初に示した三つのスピネルが好ましい。上記した全て
のスピネルを使用することによるブレーキ材料などの摩
擦材料の性能を改良するメカニズムは明確にはわからな
い。おそらく、上記のようなスピネルのもつ、化学組成
、耐火性及び機械的性質が有益な効果を有するものであ
ろう。通常型スピネル結晶格子構造における、４つの独
立した機械的スリツプシステムの存在は、本来、所望の
共有の機械的及び摩擦的結果を与えることによつて、上
記改良効果に貢献するものと思われる。熱硬化性、耐熱
性の有機樹脂に添加する前に、スピネル固溶体（便宜上
、こＸではスピネルと呼ぶ）は、ボールミル中で、適切
に粉砕される。

或いは、スピネルは、微粒形態に予め合成してもよい。
粒子の大きさは、限定的ではないが、ほとんどの場合、
約０．５ミクロン〜約１０ミクロンの平均粒子が、良好
な結果を与える。熱硬化性有機樹脂及びスピネルに対し
て、該技術分野で知られている他の添加剤、調節材、充
填材、増量材が添加される。

このような他の添加成分としては、例えば、重晶石、グ
ラフアイト、タルク、りサージ、カオリン、ロジン、防
水剤例えばミツロウ、モンタンワツクス、パラフインワ
ツクス、セレシンワツクスなど（このようなワツクスは
、摩擦材料の成分の混合をも円滑にする）のワツクス状
物質、炭化水素系及び植物系ワツクス、例えば石灰、酸
化亜鉛、二酸化鉛、シリカ砂及び二酸化マンガンのよう
な少量の酸化物、硫黄（エラストマーの加硫を行なう場
合）などがある。本文及び請求の範囲で使用される゛充
填材”又は゛充填材物質゛という用語は、上記した又は
これと類似する全ての物質を含むものと解釈される。同
様に、繊維補強材も、摩擦材料の使用温度において、繊
維性を保持できる全ての材料の繊維が使用でき、その例
は、ガラス繊維、アスベスト繊維及び他の同様の鉱物繊
維などである。組成割合は、制限的でない。

一般に、摩擦材料は約２．０〜約８０重量部の樹脂と、
約５〜約４０重量部の繊維補強材と、約１〜約２０重量
部のスピネルとを含んでいる。エラストマーが添加され
るときには、約１２重量部までの量が使用される。充填
材が使用されるときには、約３０重量部まで添加される
。匹敵するパーセント基準では、スピネルは、摩擦材料
の約０．８重量％〜約４５重量％の量存在させられる。
本発明の摩擦材料を調製するにあたつては、液体のよう
に充分に低い重合状態にある、熱硬化性、耐熱性の有機
樹脂が、スピネルと混合される。

所望ならば繊維補強材及び充填材料も混合される。エラ
ストマーが使用されるときには、まずこれを、メチルエ
チルケトン、ジメチルスルホキシドなどのような該技術
分野で知られている適宜の溶剤に溶解して樹脂に添加し
、次いでスピネル、そして必要に応じて使用される補強
材及び充填材料が順に添加される。混合物は、成分を添
加しながら、混合ミル又は内部混合機にて撹拌し、そし
て好ましくは、均一な濃度になるように暖められる。必
要又は所望ならば、湿つたマスター（親）混合物は、徐
々に且つ僅かずつ暖めて溶剤の除去を促進させることが
できる。上記に続いて、必要量のマスター混合物は、ダ
イス型のキャビテイ一内に配置される。

該キヤビテイ一は、摩擦素子の最終形状にあわせた所望
の形状を有している。次いで、最終的にモールド部分の
なかに、所望の密度を与えるように圧力がかけられる。
マスター混合物を部分的に硬化させるプレス条件は、主
に熱硬化性の有機樹脂の性質によつて決められ、それは
該技術分野で知られている。概して、かかる混合物の硬
化は、成型される部分の厚みにもよるが、約３２５′Ｐ
（約１６３℃）までの温度にて、２０〜６０分行なえば
充分である。圧力下における部分硬化の後、ストリツプ
又はライニング状に成形された混合物は、ダイス型から
移されて、最終的に硬化される。

その条件も、摩擦材料の成分の性質によつて左右される
。一般に、最終硬化は、ストリツプ又はライニングの％
インチの厚みに対して、約３７５１：′（約１９ＦＣ）
〜４２５′Ｆ（約２１８℃）の温度にて、６〜８時間行
なえば充分である。一方、摩擦材料は、ほぼ上記した手
順に従つてシート状にプレスし、硬化することもできる
。

そして、得られたシートから個々の摩擦素子が切り出さ
れる。ストリツプ又は他の形状の本発明の摩擦材料を調
製した後、それは、さらリベツト又は接着剤によつて、
使用の間該摩擦材料を支持するように設形された堅固な
支持部材に適宜固着される。

例えば、該ストリツプは、通常の自動車のブレーキシユ
一の曲面に固定され、車輪の回転ドラムの内面に圧迫さ
れるか又は固定円板の一面に固定され、車輪に固着され
た回転円板に圧迫されるかする。以下の実施例は、単に
本発明を例示するにとどまり、請求の範囲を制限するよ
うには解釈されるべきではない。実施例 １ 本発明の摩擦材料が、以下のようにして調製された。

スピネル固溶体として、（ＺｎＯ．５、ＦｅＯ．５）Ｃ
ｒ２Ｏ４が使用された。

該結晶物質は、立方形であり、平均粒径２。２ミクロン
を有する微粒状であつた。

Ａ段階にある、液状のフエノールーホルムアルデヒドに
対して、充分な量のスピネルを添加して、樹脂一スピネ
ル混合物あたり、５重量％にせしめた。混合物を攪拌し
て均一な濃度にせしめ、これにアスベスト繊維を、生じ
る混合物の約２０重量％に匹敵する量になるよう添加し
た。次いで、混合物を、ダイプレスの雌型に注ぎ、約０
．５インチ厚の層を形成せしめた。プレスを閉じて、約
３２５′Ｆ（約１６３℃）にて、約０．５時間加熱した
。プレスを開いて、一体化した摩擦材料のストリツプを
移し、そして約３７５′Ｐ（約１９「Ｃ）にて、約７時
間、最終的に硬化した。実施例 ２ スピネルが、（ＺｎＯ．５、ＭｇＯ．５）Ｆｅ２Ｏ４で
あり、マスター混合物が、以下の組成（重量％）である
ことを除いたほかは、実施例１の手順と同様に実施した
。

実施例 ３ スピネル固溶体が、（ＺｎＯ．５、ＭｇＯ．５）ＡｌＦ
ｅＯ４であり、マスター混合物が、以下の組成（重量％
）であることを除いたほかは、実施例１の手順と同様に
実施した。

本実施例のマスター混合物を調製するにあたつては、ブ
タジエン−アクリロニトリルゴムは、４重量部のメチル
エチルケトン、７重量部の水素化ナフサ及び％重量部の
水からなる溶剤に溶解した。

次いで、フエノール樹脂を添加し、攪拌によつて混合物
が均一な濃度になつたとき、スピネルと繊維を除いた残
りの成分を添加した。攪拌によつて再び均一な濃度にな
つたとき、スピネルを増量して添加し、次いで、均一な
濃度を保持させながら、アスベストを加えた。次いで、
ウエブ混合物は、僅かに暖めて、溶剤が蒸発するのを助
けた。これに続く、成型手順は、実施例１の場合と同じ
であつた。実施例 ４ 本発明の摩擦材料を、以下のようにして調製した。

融点、２１３５℃を有するＭｇＡｌ２Ｏ４が使用された
。該結晶物質は、３，５８Ｖ／Ｃｒ！ｌの密度を有し、
ＭＯＨスケールで、７．５〜８の硬度を有する立方形で
あつた。該物質は、１４５０℃で合成され、２．２ミク
ロンの平均粒径を有していた。Ａ段階にある液状のフエ
ノールーホルムアルデヒドに対して、充分な量の上記ス
ピネルを添加して、樹脂スピネル混合物の５重量％にせ
しめた。混合物を攪拌して均一な濃度にせしめ、これに
アスベスト繊維を、生じる混合物の約２０重量％に匹敵
する量になるよう添加した。次いで、混合物をダイプレ
スの雌型に注ぎ、約０．５インチ厚の層を形成せしめた
。プレスを閉じて、約３２５′Ｆ（約１６３゜ｃ）にて
、約０．５時間加熱した。プレスを開いて、一体化した
摩擦材料のストリツプを移して、約３７５′Ｐ（約１９
ＦＣ）にて約７時間、最終的に硬化した。実施例 ５ スピネルが、ＺｎＡｌ２Ｏ４であり、マスター混合物が
、以下の組成（重量％）であることを除いたほかは、実
施例４の手順と同様に実施した。

実施例 ６マスター混合物が、以下の組成（重量％）で
あることを除いたほかは、実施例４の手順と同様に実施
した。

本実施例のマスター混合物を調製するにあたつては、実
施例３に記載したのと同じ手順が採用された。

これらの実施例における特定の物質のかわりに、前に記
載した、他のスピネル、熱硬化性樹脂及び充填材が使用
できる。

上記は、本発明の幾つかの具体例を記載するものである
が、本発明は、特許請求の範囲内において、更に他の形
態で実施できることが理解されよう。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 繊維補強、硬質、熱硬化性、耐熱性の有機樹脂と摩
   擦調節材とを含む摩擦材料において、摩擦調節材が、摩
   擦材料中、０．８重量％〜４５重量％存在し、且つ式：
   ＸＹ＿２Ｏ＿４ を有する微粒状の通常型スピネルであることを特徴とす
   る摩擦材料。 但し、上記式において、Ｘは、Ｎａ、Ｋ、Ａｇ及びＬｉ
   からなる群から選ばれる一価の金属の二つの原子、又は
   Ｍｇ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＣｄか
   らなる群から選ばれる二価の金属の一つの原子を表わし
   、またＹは、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｎ
   、Ｔｉ、及びＶからなる群から選ばれる三価の金属を表
   わすが、ＸとＹがともに同じ金属であることはできない
   。