(57)【要約】      （修正有）【課題】連続スリップトルクコンバータとシフティングクラッチシステムを有する先進のトルクトランスミッションシステム用に高エネルギー要件を満足する摩擦材を提供する。【解決手段】多孔質ベース材料、少なくとも1つのタイプの樹脂物質、および少なくとも1つのタイプの摩擦調整粒子を含む摩擦材料が開示されている。樹脂物質がベース材料全体にわたって実質的に均一に分配され、所定量の摩擦調整物質の層が、ベース材料上に多孔質の上層を形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多孔質ベース材料と少なくとも1種の樹脂物質を含んだ第1の層と、前記多孔質ベース材料の上面を少なくとも部分的に被覆している少なくとも1種の摩擦調整粒子を含んだ第2の層とを含む摩擦材料であって、前記第2の層が約30〜400μmの平均厚さを有していて、前記第2の層が前記第1の層より低い流体透過率を有する前記摩擦材料。
【請求項２】
摩擦調整粒子の第2の層が、多孔質ベース材料を構成している個々の繊維および/または充填材上に形成される、請求項1記載の摩擦材料。
【請求項３】
ベース材料を構成している個々の繊維および/または充填材上の、摩擦調整粒子の第2の層が、個々の繊維上および/または個々の充填材上にて約50μm〜約100μmの厚さを有する、請求項2記載の摩擦材料。
【請求項４】
第2の層が、多孔質ベース層と比べて、半径方向においてより低い透過率を、そして法線方向においてより低い透過率を有する、請求項1記載の摩擦材料。
【請求項５】
摩擦調整粒子のサイズが約0.5ミクロン〜約20ミクロンである、請求項1記載の摩擦材料。
【請求項６】
多孔質ベース材料が約65%〜約85%の平均ボイド体積を有する、請求項1記載の摩擦材料。
【請求項７】
摩擦調整粒子がシリカ粒子を含む、請求項1記載の摩擦材料。
【請求項８】
摩擦調整粒子がセライト粒子を含む、請求項7記載の摩擦材料。
【請求項９】
摩擦調整粒子が珪藻土を含む、請求項7記載の摩擦材料。
【請求項１０】
摩擦調整粒子が炭素粒子とシリカ粒子との混合物を含む、請求項1記載の摩擦材料。
【請求項１１】
セライトが不ぞろいな形状を有する、請求項7記載の摩擦材料。
【請求項１２】
セライトの粒子が約2μm〜約20μmの範囲のサイズを有する、請求項8記載の摩擦材料。
【請求項１３】
摩擦調整粒子が金属酸化物を含む、請求項1記載の摩擦材料。
【請求項１４】
摩擦調整粒子が窒化物を含む、請求項1記載の摩擦材料。
【請求項１５】
摩擦調整粒子が炭化物を含む、請求項1記載の摩擦材料。
【請求項１６】
多孔質ベース材料が繊維ベース材料を含む、請求項1記載の摩擦材料。
【請求項１７】
多孔質ベース材料が不織の繊維材料である、請求項1記載の摩擦材料。
【請求項１８】
多孔質ベース材料が織った繊維材料である、請求項1記載の摩擦材料。
【請求項１９】
多孔質繊維ベース材料が、約15%〜約25%の綿、約40%〜約50%のアラミド繊維、約10%〜約20%の炭素繊維、約5%〜約15%の炭素粒子、および約10%〜約15%のセライト、そして必要に応じて約1%〜約3%のラテックス追加物を含む、請求項17記載の摩擦材料。
【請求項２０】
摩擦材料の第2の層が、繊維材料の繊維上に、および繊維ベース材料中の充填材上にデポジットさせたシリカ摩擦調整粒子を含む、請求項19記載の摩擦材料。
【請求項２１】
多孔質繊維ベース材料が約5μmの平均細孔直径を有する、請求項17記載の摩擦材料。
【請求項２２】
樹脂が、少なくとも１種のフェノール樹脂または少なくとも１種の変性フェノール樹脂を含む、請求項1記載の摩擦材料。
【請求項２３】
樹脂が少なくとも1種のフェノール樹脂と少なくとも1種のシリコーン樹脂との混合物を含み、このとき樹脂混合物中のシリコーン樹脂の量が、樹脂混合物の重量を基準として約5重量%〜約80重量%の範囲である、請求項1記載の摩擦材料。
【請求項２４】
複数の摩擦調整粒子が、多孔質ベース材料を構成している個々の繊維および充填材上に層を形成し、摩擦調整粒子の層が約30〜400μmの平均厚さを有するよう、そしてこのとき第2の層が第1の層より低い流体透過率を有するよう、少なくとも1種の樹脂物質と少なくとも1つのタイプの摩擦調整粒子とを含んだ飽和剤で多孔質ベース材料を飽和させること;および
飽和させたベース材料を所定の温度で所定時間キュアーすること;
を含む摩擦材料の製造法。
【請求項２５】
少なくとも1種の硬化可能な樹脂物質と少なくとも1つのタイプの摩擦調整粒子との混合物を含んだ飽和剤物質を調製すること;
複数の隙間を分散させた多孔質ベース材料を調製すること;および
多孔質ベース材料を飽和剤物質で飽和させること、これによって、ベース材料を構成している個々の繊維上に複数の摩擦調整粒子が少なくとも部分的にデポジットされ、ベース材料の全体にわたって樹脂物質が実質的に均一に分散される;
を含む摩擦材料の製造法。
【請求項２６】
摩擦調整粒子がベース材料の少なくとも1つの側上に多孔質層を形成する、請求項25記載の製造法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多孔質ベース材料を含む第1の層もしくは下層と、少なくとも1つのタイプの摩擦調整粒子を含む第2の層もしくは上層とを有する多孔質摩擦材料に関する。本発明の摩擦材料は、高い摩擦係数、非常に堅牢な抗震動特性、および極めて高い耐熱性を有する。本発明の摩擦材料はさらに、改良された強度、耐摩耗性、および雑音抵抗を有する。
【背景技術】
【０００２】
連続スリップトルクコンバータとシフティングクラッチシステムを有する、新規で先進の連続トルクトランスミッションシステムが、自動車業界によって開発されつつある。これらの新規システムは、高エネルギーの要件を必然的に伴うことが多い。したがって、これら先進システムの増大するエネルギー要件を満たすためには、摩擦材料の技術も開発されなければならない。
【０００３】
特に、高性能で高耐久性の新規摩擦材料が必要とされている。新規摩擦材料は、表面速度が最大で約65m/秒にまで達するという高速に耐えうるものでなければならない。摩擦材料はさらに、最大で約1500psiまでの高い対向ライニング圧力に耐えうるものでなければならない。さらに、限定された潤滑状態の下でも摩擦材料が有用である、という点も重要なポイントである。
【０００４】
摩擦材料は、先進のシステムにおいて有用となるためには、耐久性があって且つ高い耐熱性を有していなければならない。摩擦材料は、高温において安定性を保持しなければならないだけでなく、走行状態時に発生しつつある高熱を速やかに放散できるものでなければならない。
【０００５】
新規システムの係合と係合解除時において生じる高速は、係合の間中においては摩擦材料が比較的一定の摩擦を保持できるものでなければならない、ということを意味している。ブレーキ時の摩擦材料の“震動(shuddering)”、又はあるギヤから別のギヤへのパワーシフト時のトランスミッションシステムの“震動”を最小限に抑えるためには、広範囲の速度と温度にわたって摩擦係合が比較的一定であることが大切である。さらに、摩擦係合時において摩擦材料が騒音すなわち“ガーガー音(squawk)”を発生しないよう、摩擦材料が望ましいトルク曲線形状を有することも大切である。
【０００６】
特に、トランスミッションシステムとトルク・オン・デマンド・システムは、主として燃料効率と走行快適性の点から滑りクラッチを組み込んでいる。これらのシステム内における滑りクラッチの役割は、車両起動装置(例えば湿式起動クラッチ)としての役割からトルクコンバータ・クラッチとしての役割まで異なる。滑りクラッチは、走行条件にしたがって3つの主要な種類に区別することができる：(1)低圧・高滑り速度クラッチ(例えば湿式起動クラッチ)；(2)高圧・低滑り速度クラッチ(例えばコンバータクラッチ)；および(3)極低圧・低滑り速度クラッチ(例えば、ニュートラル-アイドルクラッチ)。
【０００７】
滑りクラッチのあらゆる用途に対する性能上の主要な関心事は、震動の防止と摩擦インターフェースのエネルギー管理である。震動の生起は、摩擦材料の摩擦特性、嵌め合い表面の硬さと粗さ、油膜の保持性、潤滑剤の化学と相互作用、クラッチの作動条件、動力伝達装置の組み立てとハードウェアの配列、および動力伝達装置の汚染を含めた多くのファクターが原因になっていると考えることができる。摩擦インターフェースのエネルギー管理は、主としてインターフェース温度を制御することに関するものであり、ポンプの能力、オイルの流路、および制御方法によって影響を受ける。摩擦材料の表面設計も、インターフェースエネルギー管理の効率に寄与する。
【０００８】
従来は、温度安定性を高めるために摩擦材料中にアスベスト繊維が組み込まれた。健康と環境上の問題から、今ではアスベストは使用されていない。ごく最近の摩擦材料では、フェノール樹脂もしくはフェノール変性樹脂を含んだ含浸紙または繊維材料を改質することによって、摩擦材料中にアスベストが存在しないことに打ち勝つべく検討がなされている。しかしながら、これらの摩擦材料は、発生する高熱を速やかに放散せず、現在開発が進められている高速システムにて使用するのに必要とされる耐熱性と満足できる高摩擦係数の性能を有していない。
【０００９】
Kearseyによる米国特許第5,585,166号は、多孔質支持体層(セルロース繊維、合成繊維、充填材、および熱硬化性樹脂)と多孔質摩擦層(熱硬化性樹脂中に不織合成繊維が存在)とを含み、前記摩擦層が前記支持体層より高い多孔度を有する、という多層摩擦ライニングを開示している。
【００１０】
Seizによる米国特許第5,083,650号は、多段階の含浸・硬化プロセス(すなわち、紙にコーティング組成物を含浸し、紙の上に炭素粒子を配置し、紙中のコーティング組成物をある程度硬化させ、ある程度硬化した紙に別のコーティング組成物を施し、そして最後に両方のコーティング組成物を硬化させる)を含む。
【００１１】
他の摩擦材料においては、耐摩耗性を付与するために金属繊維と炭素物質との組み合わせ物が摩擦材料中に組み込まれた。例えば、Fujimakiらによる米国特許第4,451,590号は、金属繊維、充填材、炭素粒子、炭素繊維、およびフェノール樹脂を含んだ摩擦材料を開示している。しかしながら、金属をベースとする摩擦材料は、使用時において高い液体透過能力をもたらすことができるような充分な多孔性と圧縮性をもたない。金属ベースの摩擦材料はさらに、レジリエンスすなわち弾性が充分とは言えず、最大約1500psi(約105kg/cm2)という高い対向ライニング圧力に耐えることができるような圧縮永久歪をもたせにくい。金属ベースの摩擦材料はさらに、新たなトランスミッションシステムとブレーキシステムの係合と係合解除時に生じる最大約65m/秒という高い表面速度に耐えることができない。
【００１２】
摩擦材料に使用するための、種々の紙ベースの繊維材料が開発されており、これらの材料に関する特許が、本明細書に記載の譲受人であるボルグワーナー社(BorgWarner Inc.)によって共同所有されている。これらの特許文献の全開示内容を参照により本明細書に含める。
【００１３】
特に、Lamらによる米国特許第5,998,307号は、硬化可能な樹脂を含浸させた一次繊維ベース材料を有する摩擦材料に関するものであり、該摩擦材料によれば、多孔質の一次層が少なくとも１種の繊維材料を含み、二次層が、前記一次層の表面の少なくとも約3%〜約90%を覆う炭素粒子を含む。
【００１４】
Lamらによる米国特許第5,858,883号は、フィブリル化の少ないアラミド繊維、合成グラファイト、および充填材で構成される一次層と、前記一次層の表面上の炭素粒子で構成される二次層とを含むベース材料に関する。
【００１５】
Lamらによる米国特許第5,856,244号は、硬化可能な樹脂を含浸させたベースを含む摩擦材料に関するものであり、該摩擦材料によれば、一次層が、フィブリル化の少ないアラミド繊維、合成グラファイト、および充填材を含み、二次層が炭素粒子と定着助剤(a retention aid)を含む。
【００１６】
Lamらによる米国特許第5,958,507号は摩擦材料の製造法に関するものであり、該製造法によれば、フィブリル化の少ないアラミド繊維を含んだ繊維材料の少なくとも1つの表面の約3%〜約90%を炭素粒子で被覆する。  Lamによる米国特許第6,001,750号は、硬化可能な樹脂を含浸させた繊維ベース材料を含んだ摩擦材料に関するものである。該摩擦材料によれば、多孔質の一次層が、フィブリル化の少ないアラミド繊維、炭素粒子、炭素繊維、充填材物質、フェノールノボロイド繊維(phenolic novoloid fibers)、および必要に応じて綿繊維を含み、二次層が、一次層の表面の約3%〜約90%を被覆する炭素粒子を含む。
【００１７】
さらに他の共同所有特許出願(出願番号09/707,274)(現在は特許権付与)は、摩擦調整粒子を含んだ多孔質の一次繊維ベース層を有する紙タイプの摩擦材料に関するものであり、摩擦調整粒子が前記一次層の表面積の約3%〜約90%を被覆している。
【００１８】
さらに、種々の紙タイプの繊維ベース材料が、共同所有されたボルグワーナー社のLamらによる米国特許第5,753,356号と第5,707,905号に開示されており、これらの特許は、フィブリル化の少ないアラミド繊維、合成グラファイト、および充填材を含んだベース材料について説明している(これら特許の全開示内容を参照により本明細書に含める)。
【００１９】
他の共同所有特許であるLamによる米国特許第6,130,176号は、フィブリル化の少ないアラミド繊維、炭素繊維、炭素粒子、および充填材を含んだ、非金属で紙タイプの繊維ベース材料に関する。
【００２０】
あらゆるタイプの摩擦材料に対し、“湿式(wet)”用途において有用となるためには、摩擦材料が多種多様の受け入れ可能な特性をもたねばならない。摩擦材料は、優れた抗震動特性を有していなければならず；高い耐熱性を有していて、熱を速やかに放散できるものでなければならず；そして、長く持続する、安定で均一な摩擦性能を有していなければならない。これらの特性のいずれかが満たされないと、摩擦材料の最適性能が達成されない。
【００２１】
高エネルギー用途の摩擦材料を作製するために、摩擦材料中に適切な含浸用樹脂を使用する、という点も重要である。摩擦材料は、使用時に摩擦材料にブレーキ液またはトランスミッション・オイルが注ぎ込まれるときに、良好な使用時剪断強さを有していなければならない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
したがって本発明の目的は、従来技術の摩擦材料と比較して、高い信頼性をもち向上した特性を有する改良された摩擦材料を提供することにある。
本発明の他の目的は、改良された“抗震動”と“ホットスポット”抵抗性、高い耐熱性、高い摩擦安定性と耐久性、および高い強度を有する摩擦材料を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明は、多孔質ベース材料を含む第1の層と、少なくとも1種の摩擦調整粒子を前記ベース材料の上面上にて含む第2の層とを有する摩擦材料に関する。
第2の層が第1の層より低い透過率を有するように、第1の層上に第2の層がデポジットされる。摩擦調整粒子は、摩擦材料の表面の個々の繊維上に(あるいは不織材料の場合は、ランダムに間隔をおいた部分上に)デポジットされる。
【００２４】
1つの態様においては、摩擦材料は、多孔質ベース材料と少なくとも１種の樹脂物質を含んだ第1の層、および前記多孔質ベース材料の上面を少なくとも部分的に被覆している少なくとも1種の摩擦調整粒子を含んだ第2の層を含む。第2の層が第1の層より低い透過率を有するように、第2の層は約30μm〜約400μmの範囲の平均厚さを有する。
【００２５】
特定の実施態様においては、多孔質ベース材料を構成する個々の繊維および/または充填材上の摩擦調整粒子の層は、第1の層(すなわちベース層)を構成する個々の繊維および/または充填材粒子上に約50μm〜約100μm(特定の実施態様においては約75μm〜約85μm)の厚さを有する。特定の実施態様においては、第2の層が、多孔質ベース材料と比べて、半径方向においてより低い透過率を、そして法線方向においてより低い透過率を有する。
【００２６】
さらに、特定の実施態様においては、摩擦調整粒子は約0.1ミクロン〜約80ミクロンの平均サイズを有し、特定の実施態様においては約0.5ミクロン〜約20ミクロンの平均サイズを有し、そして他の特定の実施態様においては約0.1ミクロン〜約0.15ミクロンの平均サイズを有する。
【００２７】
ベース材料は約60%〜約80%の平均ボイド体積を有してよい。特定の実施態様においては、多孔質ベース層は、約70〜85重量%の繊維および約10〜30重量%の充填材を含む。特定の実施態様においては、多孔質ベース材料は、約80%の繊維と約20%の充填材を含んでよい。
【００２８】
他の態様においては、本発明は、多孔質ベース材料を飽和剤で飽和させる、という摩擦材料の製造法に関する。複数の摩擦調整粒子が、ベース材料を構成する個々の繊維および/または充填材上に層を形成するよう、飽和剤は、少なくとも１種の樹脂物質および少なくとも1つのタイプの摩擦調整粒子を含んでよい。特定の実施態様においては、第2の層が第1の層より低い透過率を有するよう、摩擦調整粒子の層が約30〜400μmの平均厚さを有する。次いで、飽和されたベース材料を所定の温度で所定時間キュアーする。
【００２９】
他の態様においては、本発明の製造法は、少なくとも１種の硬化可能な樹脂物質と少なくとも1つのタイプの摩擦調整粒子との混合物を含んだ飽和剤物質を調製し、複数の隙間を分散させた多孔質ベース材料を調製し、そしてこの多孔質ベース材料を飽和剤物質で飽和させることによって摩擦材料を製造することを含む。ベース材料を構成する個々の繊維および/または個々の充填材上に摩擦調整粒子が実質的にデポジットされるよう、摩擦調整粒子がベース材料の上面上にデポジットされる。しかしながら同時に、飽和剤中の樹脂物質も、ベース材料の全体にわたって実質的に均一に分散される。したがって特定の実施態様においては、摩擦調整粒子が、ベース材料の少なくとも1つの側上に多孔質の上層を形成する。
【００３０】
前述の要件を達成するために、作動時に生じる条件と類似の条件下にて、多くの摩擦材料を摩擦特性と耐熱特性に関して評価した。市販の摩擦材料を調べ、高エネルギーの用途に使用するのには適していないことがわかった。
【００３１】
本発明によれば、摩擦材料は、多孔質ベース材料の全体にわたって均一に分散された硬化可能な樹脂、および多孔質ベース材料の上面もしくは外面上の、摩擦調整物質の実質的に不均一な層を有する。
【００３２】
1つの態様においては、ベース材料層は高度に多孔質の材料(たとえば織布)を含む。他の態様においては、ベース材料は高度に多孔質の不織布を含む。多孔質ベース材料は、特定の実施態様においては、ベース材料の重量を基準として約75重量%〜約85重量%の範囲の高繊維含量を、そして特定の実施態様においては約80重量%の高繊維含量を有する。ベース材料はさらに、ベース材料の重量を基準として約15重量%〜約25重量%の範囲の充填材含量を、そして特定の実施態様においては約20重量%の充填材含量を有する。
【００３３】
本発明の摩擦材料に対しては、たとえば非アスベストの繊維ベース材料(たとえば、布帛材料、織物材料、および/または不織材料を含む)を含めて種々のベース材料が有用である。適切な繊維ベース材料は、たとえば繊維と充填材を含む。繊維は、有機繊維、無機繊維、および炭素繊維のいずれであってもよい。有機繊維は、アラミド繊維(たとえば、フィブリル化アラミド繊維および/または非フィブリル化アラミド繊維)、アクリル繊維、ポリエステル繊維、ナイロン繊維、ポリアミド繊維、またはコットン/セルロース繊維等であってよい。充填材は、たとえばシリカ、珪藻土、グラファイト、アルミナ、またはカシューダスト等であってよい。
【００３４】
他の実施態様においては、ベース材料は、繊維織物材料、繊維不織材料、または紙材料を含んでよい。さらに、本発明において有用な種々のタイプの繊維ベース材料の例が、前記したボルグワーナー社の米国特許(該特許の全開示内容を参照により本明細書に含める)中に開示されている。しかしながら、本発明の他の実施態様では、さらに他の異なった繊維ベース材料を含んでよい、ということを理解しておかねばならない。
【００３５】
他の特定の実施態様においては、織物材料は、たとえば、アラミド繊維等の有機繊維、炭素繊維、コットン/セルロース繊維、ガラス繊維、ポリアミド繊維、またはセラミック繊維等であってよい。
【００３６】
特定の実施態様においては、摩擦材料に望ましい多孔質構造を付与するために、したがって摩擦材料に耐熱性の向上をもたらすために、織物材料としてアラミド繊維が有用である。繊維の形状寸法により、耐熱性の増大が得られるだけでなく、離層抵抗およびキーキー音抵抗(squeal resistance)(すなわち雑音抵抗)も得られる。
【００３７】
ベース材料中にフィブリル化の少ないアラミド繊維を使用すると、摩擦材料が高温に耐える能力が向上する。フィブリル化の少ないアラミド繊維は一般に、コア繊維に結びついたフィブリルがほとんどない。フィブリル化の少ないアラミド繊維を使用すると、より多孔質の構造(すなわち、典型的なフィブリル化アラミド繊維が使用される場合より大きな細孔がより多く存在する)を有する摩擦材料が得られる。多孔質構造は一般に、細孔径と液体透過性によって規定される。特定の実施態様においては、繊維ベース材料が、平均径において直径約2.0ミクロン〜約25ミクロンの範囲の細孔を画定している。特定の実施態様においては、平均細孔径は直径約2.5ミクロン〜約8ミクロンの範囲であり、摩擦材料は、少なくとも約50%の、そして特定の実施態様では少なくとも約60%もしくはそれ以上の容易に得られる空気ボイドを有する。
【００３８】
さらに、特定の実施態様においては、アラミド繊維が、約0.5mm〜約10mmの範囲の長さと約300より大きいカナディアン・スタンダード・フリーネス(CSF)を有するのが望ましい。特定の実施態様においては、約450〜約550(好ましくは約530以上)のCSFを有するフィブリル化の少ないアラミド繊維を使用するのが望ましく；そして他の特定の実施態様においては、約580〜650およびそれ以上(好ましくは約650以上)のCSFを有するフィブリル化の少ないアラミド繊維を使用するのが望ましい。これとは対照的に、フィブリル化の多い繊維(たとえばアラミドパルプ)は約285〜290のフリーネスを有する。
【００３９】
“カナディアン・スタンダード・フリーネス”(T227om-85)とは、繊維のフィブリル化の程度を、繊維のフリーネスの目安として表わすことができる、ということを意味している。CSF試験は実験的な方法であり、この方法により、3グラムの繊維を1リットルの水中に混合して得られる懸濁液を水切りできる速度の任意の目安が得られる。したがって、フィブリル化の少ないアラミド繊維は、フィブリル化の多いアラミド繊維またはパルプと比較して、より高いフリーネスあるいは摩擦材料からのより高い液切り速度を有する。約430〜650(特定の実施態様においては好ましくは約580〜640、あるいは好ましくは約620〜640)の範囲のCSFを有するアラミド繊維を含んだ摩擦材料は、優れた摩擦性能を示し、従来からのフィブリル化の多いアラミド繊維を含有する摩擦材料より良好な材料特性を有する。より長い繊維長と高いカナディアン・フリーネスとが組み合わさると、高い強度、高い多孔度、および良好な耐摩耗性を有する摩擦材料が得られる。フィブリル化の少ないアラミド繊維(CSFが約530〜約650)は、極めて良好な長期耐久性と安定した摩擦係数を有する。
【００４０】
特定の実施態様においては、ベース材料は、比較的高いレベルの綿もしくは他のセルロースタイプの繊維と組み合わせた場合には、約10重量%〜約15重量%のアラミド繊維を含む。
【００４１】
他の特定の実施態様においては、織物材料は、炭素繊維と組み合わせた場合には、約50重量%〜約60重量%(特定の実施態様においては約55重量%)のアラミド繊維を含む。
特定の実施態様においては、一次層中に炭素繊維が存在すると、耐熱性の向上、一定の摩擦係数の保持、およびキーキー音抵抗の増大に役立つ。炭素繊維は、摩擦材料が望ましい耐熱性を有するよう良好な熱伝導性を付与するためにベース材料中に使用される。特定の実施態様においては、ベース材料は約5重量%〜約20重量%(特定の実施態様においては約10重量%〜約15重量%)の炭素繊維を有する。
【００４２】
一次層中に炭素繊維が存在するという特定の実施態様においては、綿繊維を含有しないのが好ましい。炭素繊維を含有しない他の実施態様においては、ベース材料の一次層中に比較的多量の綿繊維(たとえば約40〜50重量%)に組み込んで、摩擦材料のクラッチ“ブレイク・イン”特性(clutch “break-in” characteristics)を経済的なコストで向上させる。このような実施態様においては、摩擦材料により高い摩擦係数を付与するために、綿繊維が本発明のベース材料に加えられる。特定の実施態様においては、約40重量%〜約50重量%(特定の実施態様においては約45重量%)の綿をベース材料に加えてもよい。
【００４３】
ベース材料の一次層のための配合物の1つの例は、約10重量%〜約50重量%のフィブリル化の少ないアラミド繊維;約10重量%〜約35重量%の活性化炭素粒子;約5重量%〜約20重量%の綿繊維;約2重量%〜約15重量%の炭素繊維;および約10重量%〜約35重量%の充填材物質;を含む。特定の実施態様においては、有用であることが判明している1つの特定の配合物は、約35重量%〜約45重量%のフィブリル化の少ないアラミド繊維;約10重量%〜約20重量%の活性化炭素粒子;約5重量%〜約15重量%の綿繊維;約2重量%〜約10重量%の炭素繊維;および約25重量%〜約35重量%の充填材;を含む。
【００４４】
本発明の繊維ベース材料の一次層に対しては、種々の充填材が有用である。特に有用なのはシリカ充填材(たとえば珪藻土)である。しかしながら、他のタイプの充填材も本発明での使用に対して適しており、充填材の選択は摩擦材料の個々の要件に依存する、と考えられる。
【００４５】
特定の実施態様においては、本発明の繊維ベース材料により高い摩擦係数を付与するために、繊維ベース材料に綿繊維を加える。特定の実施態様においては約10重量%〜約20重量%(特定の実施態様では約10%)の綿を繊維ベース材料に加えることができる。
【００４６】
繊維ベース材料の一次層用配合物の1つの例は、約15重量%〜約25重量%の綿、約40重量%〜約50重量%のアラミド繊維、約10重量%〜約20重量%の炭素繊維、約5重量%から約15重量%の炭素粒子、約5重量%〜約15重量%のセライト、および必要に応じて0重量%〜約約3重量%のラテックス追加物(latex add-on)を含む。
【００４７】
特定の実施態様においては、摩擦材料は、複数のボイドまたは隙間を有するベース材料を含む。繊維ベース材料中のボイドの大きさは、約0.5μm〜約20μmの範囲であってよい。
【００４８】
特定の実施態様においては、繊維ベース材料が、“密な(dense)”ベース材料と比較して“多孔質の(porous)”ベース材料であると考えられるよう、繊維ベース材料は約60%〜約85%のボイド体積を有するのが好ましい。
【００４９】
1つの態様においては、本発明は、新規の微細構造表面を有する摩擦材料に関する。この微細構造表面の摩擦材料は、より高い摩擦係数、より一層強固な抗震動特性、および極めて高い耐熱性を有する。
【００５０】
1つの態様においては、摩擦材料は、多孔質もしくはロフティ(lofty)でオープンなベース材料を含む。ベース材料は低密度であって、樹脂物質のベース材料中へのしみ込みを可能にするような繊維構造を有する。本発明の摩擦材料は、極めて良好な耐熱性と摩擦係数特性を有しており、これによって摩擦材料は、熱応力や機械的応力の下でよく機能することができる。
【００５１】
他の態様においては、“マクロポーラス”繊維材料は、部分的に摩擦調整物質で覆われていない表面を有する。孔が大きいことから、摩擦調整物質はベース材料におけるボイドや隙間中に入り込んで定着することができる。本発明のマクロポーラス摩擦材料においては、孔が大きいことから、流体中の汚染物は容易に通過することができる。時間の経過と共に潤滑油が劣化するので、くずが生じる。本発明の摩擦材料は、摩擦材料の摩擦挙動を一定に保つ。
【００５２】
したがって本発明の摩擦材料は、繊維ベース材料の第1の面(すなわち上面)上に摩擦調整粒子の上層(すなわち第2の層)を含む。繊維ベース材料上に摩擦調整物質が不連続もしくはランダムに被覆する上層として存在すると、良好なオイル保持特性を含めた多くの有利な特性を摩擦材料にもたらす。
【００５３】
繊維ベース材料がより大きい平均細孔直径と流体透過率を有する場合は、摩擦材料の細孔構造全体にわたるより良好なオートマチック・トランスミッション液の流れにより、摩擦材料は、より低温の状態において、あるいは変速装置にて発生する熱がより少ない状態において機能を果たすと思われる。トランスミッションシステムの作動中に、特に高温において、オートマチック・トランスミッション液が時間の経過とともに分解し、“オイルデポジット(oil deposits)”を形成しやすい。こうした“オイルデポジット”が生じると、細孔の開口が減少する。したがって、摩擦材料が最初により大きめの細孔でスタートすると、摩擦材料の耐用年数の間においてよりオープンな細孔が残留する。
【００５４】
繊維ベース材料の上面上に摩擦調整粒子が存在すると、得られる摩擦材料に改良された三次元構造がもたらされる。
上部の摩擦調整粒子層上にオイルまたは流体の層が存在すると、オイル膜が表面上に保持され、したがってオイルまたは流体が初期において摩擦材料中に浸透するのがより困難になる。上部の摩擦調整物質層により流体潤滑剤が表面上に保持され、摩擦材料のオイル保持能力がアップする。したがって本発明の摩擦材料により、オイル膜をその表面上に保持することができる。このことはさらに、良好な摩擦係数特性と良好な滑り耐久性をもたらす。
【００５５】
特定の実施態様においては、上層を形成する摩擦調整粒子の平均被覆面積は、該表面積の約0%〜約50%の範囲である。他の特定の実施態様においては、平均被覆面積の範囲は約40%〜約100%である。
【００５６】
摩擦調整粒子は、直径が約0.1ミクロン〜約80ミクロン(特定の実施態様においては約0.5ミクロン〜約20ミクロン、そして他の特定の実施態様においては約0.1ミクロン〜約0.5ミクロン)の範囲のサイズを有してよい。特定の実施態様においては、摩擦調整粒子は約12μmの平均粒径を有する。特定の実施態様においては、摩擦調整粒子のサイズが大きすぎるか又は小さすぎる場合は、望ましい最適の三次元構造が達成されず、したがって熱の放散や抗震動特性が最適とはならない、ということがわかった。
【００５７】
繊維ベース材料に対する摩擦調整粒子の被覆量は、繊維ベース材料の個々の繊維および/または充填材上の摩擦調整粒子の層が三次元構造を有するよう、充分にランダムな量である。この三次元構造は、個々の繊維および/または充填材上の摩擦調整物質の個々の粒子、ならびにベース材料の個々の繊維間のボイドもしくは隙間で構成される。特定の実施態様においては、第2の層(摩擦調整粒子を含む)は、(繊維ベース材料の)下側層より多孔度が低い。
【００５８】
種々のタイプの摩擦調整粒子が、摩擦材料における第2の層(すなわち上層)として有用である。1つの実施態様においては、有用な摩擦調整粒子はシリカ粒子を含む。他の実施態様は、樹脂粉末(たとえばフェノール樹脂、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、およびこれらの混合物)等の摩擦調整粒子を含んでよい。さらに他の実施態様は、部分的および/または完全に炭化した炭素粉末、および/または、部分的および/または完全に炭化した炭素粒子、これらの混合物;およびこのような摩擦調整粒子の混合物;を含んでよい。特定の実施態様においては、珪藻土、セライト(Celite)(登録商標)、セラトム(Celatom)(登録商標)、および/または二酸化ケイ素等のシリカ粒子が特に有用である。シリカ粒子は、ベース材料に強固に結合する安価な無機物質である。シリカ粒子は、摩擦材料に高い摩擦係数をもたらす。シリカ粒子はさらに、ベース材料に平滑な摩擦表面を付与し、いかなる“震動”も最小限に抑えられるよう、摩擦材料に良好な“シフト感覚”をもたらす。
【００５９】
さらに他の実施態様においては、摩擦調整粒子は、金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物、およびこれらの混合物等の他の摩擦調整粒子を含んでもよい。これらの実施態様が、たとえば、酸化ケイ素、酸化鉄、酸化アルミニウム、および酸化チタン等;窒化ケイ素、窒化鉄、窒化アルミニウム、および窒化チタン等;ならびに炭化ケイ素、炭化鉄、炭化アルミニウム、および炭化チタン等;を含んでよい、ということは本発明の範囲内である。
【００６０】
特定の実施態様においては、第2の層を構成する摩擦調整物質は不規則な形状を有してよい。不規則な形状の摩擦調整粒子は、その表面上における多くの陥入部の毛管作用によって、所望の潤滑剤をベース材料の表面および“本体(body)”中に保持するよう作用する。特定の実施態様においては、セライト等のシリカ粒子が摩擦調整物質として有用である。セライトが不規則な(すなわち粗い)表面を有するからである。
【００６１】
樹脂物質は、繊維ベース材料中のボイドを少なくとも部分的に充填する。樹脂物質は、ベース材料の厚さの全体にわたって実質的に均一に分散される。
特定の実施態様においては、さまざまな樹脂系を使用して摩擦材料に含浸させることができる。特定の実施態様においては、少なくとも１種のフェノール樹脂、少なくとも１種の変性フェノールをベースとする樹脂、少なくとも１種のシリコーン樹脂、少なくとも１種の変性シリコーン樹脂、少なくとも１種のエポキシ樹脂、少なくとも１種の変性エポキシ樹脂、および/またはこれらの組み合わせ物を使用するのが有用である。他の特定の実施態様においては、シリコーン樹脂とフェノール樹脂とを相溶性のある溶媒中にてブレンドもしくは混合したものも有用である。
【００６２】
本発明においては、種々の樹脂が有用である。特定の実施態様においては、樹脂はフェノール樹脂またはフェノールベースの樹脂を、好ましくは、飽和剤物質が、摩擦材料の100重量部当たり約45重量部〜約65重量部を構成するよう含んでよい。樹脂混合物をベース材料に施し、ベース材料に樹脂混合物を含浸させた後、含浸したベース材料を所望の温度に所定時間加熱して摩擦材料を作製する。特定の実施態様においては、加熱することにより、飽和剤中に存在するフェノール樹脂が約300°Fの温度で硬化する。飽和剤中に他の樹脂(たとえばシリコーン樹脂)が存在する場合は、加熱することによりシリコーン樹脂が約400°Fの温度で硬化する。次いで、硬化した摩擦材料を、適切な手段によって所望の支持体に接着させる。
【００６３】
種々の有用な樹脂としては、フェノール樹脂やフェノールベースの樹脂がある。理解しておかねばならないことは、樹脂ブレンド中に含まれる種々のフェノールベース樹脂のほかに、他の変性用成分(たとえばエポキシ、ブタジエン、シリコーン、キリ油、ベンゼン、およびカシューナッツ油等)も本発明において有用であると考えられる、という点である。フェノール変性樹脂の場合、フェノール樹脂は一般に、樹脂ブレンドの約50重量%以上(溶媒が存在する場合は溶媒を除いて)の量にて存在する。しかしながら、特定の実施態様においては、混合物が、シリコーン-フェノール樹脂混合物(溶媒と他の加工助剤を除く)の重量を基準として約5重量%〜約80重量%(特定の目的に対しては約15重量%〜約55重量%、そして特定の実施態様においては約15重量%〜約25重量%)のシリコーン樹脂を含有する樹脂ブレンドを含む場合に摩擦材料を改良することができる、ということが見出されている。
【００６４】
本発明において有用なフェノール樹脂とフェノール-シリコーン樹脂の例が、前出のボルグワーナー社の米国特許(該特許を参照により本明細書に含める)に詳細に開示されている。本発明において有用なシリコーン樹脂としては、たとえば、熱硬化性のシリコーンシーラントやシリコーンゴムがある。本発明に対しては種々のシリコーン樹脂が有用である。特に、ある樹脂はキシレンとアセチルアセトン(2,4-ペンタンジオン)を含む。シリコーン樹脂は、約362°F(183℃)の沸点、68°Fにて21mmHgの蒸気圧、4.8の蒸気密度(空気=1)、無視しうる水溶解度、約1.09の比重、揮発分5重量%、0.1未満の蒸発速度(エーテル=1)、および約149°F(65℃)の引火点(ペンスキーマルテンス法による)を有する。理解しておかねばならないことは、本発明に対しては他のシリコーン樹脂も無使用することができる、という点である。他の有用な樹脂ブレンドとしては、たとえば適切なフェノール樹脂ブレンドがあり、前記フェノール樹脂ブレンドは、約55重量%〜約60重量%のフェノール樹脂;約20重量%〜約25重量%のエチルアルコール;約10重量%〜約14重量%のフェノール;約3重量%〜約4重量%のメチルアルコール;約0.3重量%〜約0.8重量%のホルムアルデヒド;および約10重量%〜約20重量%の水;を含む。他の適切なフェノールベースの樹脂は、約50重量%〜約55重量%のフェノール/ホルムアルデヒド樹脂;約0.5重量%のホルムアルデヒド;約11重量%のフェノール;約30重量%〜約35重量%のイソプロパノール;および約1重量%〜約5重量%の水;を含む。
【００６５】
他の有用な樹脂はエポキシ変性フェノール樹脂であることが見出され、前記樹脂は、約5重量%〜約25重量%(好ましくは約10重量%〜約15重量%)のエポキシ化合物を含有し、残部(溶媒と他の加工助剤を除く)がフェノール樹脂である。こうしたエポキシ-フェノール樹脂化合物は、特定の実施態様においては、フェノール樹脂単独の場合より高い耐熱性を摩擦材料にもたらす。
【００６６】
特定の実施態様においては、ベース材料による樹脂の目標含浸量が、シリコーン-フェノール樹脂総量の約25重量%〜約70重量%(特定の実施態様においては約40重量%〜約65重量%、そして特定の実施態様においては約60重量%〜少なくとも65重量%)の範囲となるよう、樹脂混合物が所望量の樹脂と摩擦調整粒子を含むのが好ましい。ベース材料に樹脂を飽和させた後、ベース材料を300〜400℃の温度である時間(特定の実施態様においては約0.5時間)キュアーし、これにより樹脂結合剤を硬化させて摩擦材料を作製する。摩擦材料の最終厚さは、ベース材料の初期厚さに依存する。
【００６７】
さらに、樹脂ブレンドを製造する上で、およびベース材料を製造する上で有用であることが知られている他の成分や加工助剤も組み込むことができ、これらの物質も本発明の範囲内に含まれるものとする。
【００６８】
特定の実施態様においては、樹脂混合物は、互いに相溶性のある溶媒中に存在するシリコーン樹脂とフェノール樹脂とを含んでよい。(好ましい実施態様においては)これらの樹脂を混合して均一なブレンドを作製し、次いでこれを使用して繊維ベース材料を飽和させる。特定の実施態様においては、ベース材料にフェノール樹脂を含浸させ、次いでシリコーン樹脂を加えた場合(あるいはこの逆の場合)には同じ結果とはならない。さらに、シリコーン-フェノール樹脂溶液の混合物と、シリコーン樹脂粉末および/またはフェノール樹脂粉末のエマルジョンとの間には差異がある。シリコーン樹脂とフェノール樹脂とが溶液状態になっている場合は、それらは全く硬化しない。これとは対照的に、シリコーン樹脂とフェノール樹脂の粉末粒子は部分的に硬化する。シリコーン樹脂とフェノール樹脂の部分的な硬化は、ベース材料の良好な飽和を妨げる。
【００６９】
本発明の特定の実施態様においては、フェノール樹脂とその溶媒に対して相溶性がある溶媒中にシリコーン樹脂を溶解して得られる溶液と、フェノール樹脂をその溶媒中に溶解して得られる溶液とのブレンドを含浸させる。1つの実施態様においては、イソプロパノールが特に適した溶媒であることが明らかになっている。しかしながら、他の種々の適切な溶媒(たとえばエタノール、メチルエチルケトン、ブタノール、イソプロパノール、およびトルエン等)も本発明の実施に際して使用することができる、という点を理解しておかねばならない。シリコーン樹脂が存在すると、フェノール樹脂とブレンドして、このブレンド物を使用してベース材料を飽和させた場合、得られる摩擦材料は、フェノール樹脂だけを含浸させたベース材料より高弾性となる。シリコーン-フェノール樹脂ブレンド物を含浸させた本発明の摩擦材料に圧力を加えると、圧力の分布がより均一であり、したがってライニングの不均一な摩耗が起こりにくくなる。シリコーン樹脂とフェノール樹脂を摩擦調整粒子と共に混合した後、この混合物を使用してベース材料に含浸させる。
【００７０】
本発明の摩擦材料は、ベース材料のランダム被覆面を形成する摩擦調整粒子の層を含み、この層が摩擦材料に、良好な抗震動特性、高い耐熱性、高い摩擦係数、高い耐久性、優れた耐摩耗性、および改良されたブレイク・イン特性を付与する。
【００７１】
図1は、繊維ベース材料12、およびベース材料12を実質的に被覆している、不連続もしくはランダムに覆った表面摩擦調整物質の層14、を有する摩擦材料10の概略図を示している。
【００７２】
図2は、潤滑剤の少なくとも一部が摩擦材料の表面上にとどまらないよう摩擦材料が多くの大きな孔を有する、という場合の実施例1を示しているSEM画像である。表面の孔がほとんど開放状態のままとなるよう、実施例1の配合物中の摩擦粒子が繊維ベース材料中に深く浸透していく。
【００７３】
本発明の多孔質摩擦材料において使用される摩擦調整物質の不連続な層は、摩擦材料に良好な抗震動特性を付与する。図示の実施態様においては、高温の合成繊維とベース材料の多孔性が改良された耐熱性をもたらす。
【００７４】
本発明の多孔質摩擦材料はさらに、流体の汚染物を容易に通過させることのできる比較的大きな孔を有する。このような分解生成物のこうした吸収が、摩擦材料により安定した一定の摩擦挙動をもたらす。
【００７５】
下記の実施例は本発明が従来の摩擦材料を凌ぐ改良をもたらす、というさらなる証拠を提供する。本発明の摩擦材料は、望ましい摩擦係数、耐熱性、および耐久性を有する。本発明の種々の好ましい実施態様を下記の実施例において説明するが、これらの実施例によって本発明の範囲が限定されることはない。
【実施例】
【００７６】
(実施例I)
Ex.1、比較E、比較G、比較Z、および比較Cに関して、溝付き材料における勾配対滑り時間(slipping time)の比較を図3に示す。比較Eは市販の摩擦材料である。比較Gは市販の摩擦材料配合物である。比較Zは、摩擦調整粒子のより緻密な層を上層として含む摩擦材料配合物である。mu-v(摩擦係数対滑り速度(rpm))の破壊基準(failure criterion)は−1.0*E−5(当業界において容認)に設定されている。このレベル未満の勾配を有する物品はより震動を起こしやすい。Ex.1材料により、オイルの流れが所望の条件内におさまることができ、したがって良好な熱の放散が可能となる。Ex.1材料は“破壊基準”未満に低下するまでに40時間以上持ちこたえるが、他の材料は6〜20時間にて低下する。
【００７７】
(実施例II)
本発明の摩擦調整粒子をデポジットさせることで、上層の透過性を大幅には低下させない多孔質表面層を造り上げる。摩擦調整粒子上層の透過性により、流体または潤滑剤がベース材料中に流入していくことができ、したがって流体または潤滑剤が摩擦材料の表面に保持されたままにはならない。
【００７８】
Ex.1摩擦材料は、約0.36ダーシー以下の垂直方向透過率(knormal)と約0.71ダーシー以上の横方向透過率(klateral)を有する。比較すると、比較Zは、約0.22ダーシーの垂直方向透過率(knormal)と約0.35ダーシーの横方向透過率(klateral)を有する。
【００７９】
(実施例III)
比較I(BWA5301)、市販の摩擦材料、およびEx.1の速度に対する種々の圧力での摩擦係数(COF)間の比較をそれぞれ図4aと4bに示す。非多孔質材料であるEx.1は、有利なCOF対速度の関係を有する。
【００８０】
(実施例IV)
比較Z配合物とEx.1配合物に対する耐久性試験の結果をそれぞれ図5aと5bに示す。8時間、18時間、28時間、36時間、および48時間に対する摩擦係数vs.滑り速度(rpm)を比較している。比較Z材料は、滑り速度の増大につれて摩擦係数の低下が起こるまでに18時間持ちこたえたが、Ex.1材料は48時間にわたって持ちこたえた。Ex.1材料に関しては、滑り速度の増大につれて摩擦係数が約0.137にわずかに低下しても、それでもなお、比較Z材料の摩擦係数よりは良好であった。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
本発明は、クラッチプレート、トランスミッションバンド、ブレーキシュー、シンクロナイザーリング、フリクションディスク、またはシステムプレートと共に使用する上での高エネルギー摩擦材料として有用である。
【００８２】
本発明の好ましい実施態様および他の実施態様に関する上記の説明は例示のためのものであって、これらの実施態様によって特許請求の範囲に記載の範囲と内容が限定されることはない。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】多孔質の繊維ベース材料と、上層を形成する、少なくとも1つのタイプの摩擦調整粒子とを有する多孔質摩擦材料を示している概略図である。
【図２】Ex.1に対する500倍でのデポジット表面のSEM画像である。
【図３】比較Z、比較E、比較G、およびEx.1に関して、勾配vs.滑り時間を示しているグラフである。
【図４】図４ａは、比較Iに関して、527KPa、1054KPa、および1580KPaに対する摩擦係数vs.速度(rpm)を示しているグラフである。図４ｂは、Ex.1に関して、527KPa、1054KPa、および1580KPaに対する摩擦係数vs.速度(rpm)を示しているグラフである。
【図５】図５ａは、比較Z配合物とEx.1配合物との間の耐久性試験の比較を示している。図５ｂは、比較Z配合物とEx.1配合物との間の耐久性試験の比較を示している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【外国語明細書】
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