(57)【要約】【課題】焼結摩擦材の基地組織をフェライトとオーステナイトとの混合組織に保つことで、耐熱性と耐食性に優れ、且つブレーキディスク等の相手材への攻撃性を低めて相手材摩耗量を少なくできる等のブレーキ制動時の性能に優れた焼結摩擦材を提供する。【解決手段】本の焼結摩擦材は、主成分として高融点の還元鉄粉にオーステナイト形成元素のニッケル、マンガンを単独又は併用添加し、また黒鉛化傾向（Ａｌ＞Ｓｉ＞Ｔｉ＞Ｃ）の大きい黒鉛化促進元素を添加して焼結されており、基地組織がオーステナイトとフェライトの混合組織に保たれている。これにより、還元鉄粉中にパーライトの形成が抑制されて基地組織がオーステナイトとフェライトの混合組織となり、そのために主成分の融点の低下がなく、高温特性・耐食性に優れており、しかもパーライトより軟らかいために相手材摩耗畳が少ない焼結摩擦材を得ることができる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
主成分として高融点の還元鉄粉にオーステナイト形成元素のニッケル又はマンガンと黒鉛化促進元素とを添加して焼結されており、基地組織がオーステナイトとフェライトの混合組織に保たれていることから成る焼結摩擦材。
【請求項２】
前記基地組織の一部をオーステナイトに保つため、前記オーステナイト形成元素としてニッケル２〜１０ｖｏｌ％及び／又はマンガン２〜８ｖｏｌ％が合計で２〜１０ｖｏｌ％添加されていることから成る請求項１に記載の焼結摩擦材。
【請求項３】
前記基地組織の一部をフェライトに保つため、前記黒鉛化促進元素としてアルミニウム２〜８ｖｏｌ％が添加されていることから成る請求項１又は２に記載の焼結摩擦材。
【請求項４】
前記オーステナイトとフェライトとの前記混合組織は、前記基地組織中に８０％以上存在することから成る請求項１〜３のいずれか１項に記載の焼結摩擦材。
【請求項５】
前記還元鉄２０〜４０ｖｏｌ％を含み、更に、前記基地組織の一部をオーステナイトに保つための前記オーステナイト形成元素としてニッケル２〜１０ｖｏｌ％及び／又はマンガン２〜８ｖｏｌ％が合計で２〜１０ｖｏｌ％、前記基地組織の一部をフェライトに保つための前記黒鉛化促進元素としてのアルミニウムが２〜８ｖｏｌ％、微細アルミナ（平均粒径：０．３〜２μｍ）が０〜１５ｖｏｌ％、マグネシア（平均粒径：５０〜２５０μｍ）が０〜１０ｖｏｌ％、アルミナ（平均粒径：５〜２０μｍ）が２〜１０ｖｏｌ％（但し、マグネシア＋アルミナが５〜１５ｖｏｌ％の範囲）、黒鉛が３０〜４５ｖｏｌ％の範囲で添加されていることから成る請求項１に記載の焼結摩擦材。
【請求項６】
放電プラズマ焼結、ホットプレス等の加圧焼結法による焼結後の焼結体密度の百分率としての相対密度が８０％以上であることから成る請求項１〜５のいずれか１項に記載の焼結摩擦材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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の摩擦材としての焼結摩擦材に関する。
【背景技術】
【０００２】
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制動条件下でもフェード現象（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。
【０００３】
高い摩擦係数を安定的に得ることを図ったブロンズ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、相手板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、安定した摩擦面をう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。
【０００４】
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）。摩擦材の骨格となる金属基材は、鉄を主成分とする材料であり、ステンレス、鋳鉄等の一般的な鉄系金属、これらの混合物、その他金属との混合物でとすることができる。潤滑材としては黒鉛、二硫化モリブデン等が例示されている。
【０００５】
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。
【０００６】
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上記の銅、錫、鉄、ニッケル、亜鉛、アンチモン、クロム、鉛等の金属基材やセラミックス、潤滑材等の添加材のうち、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。
【０００７】
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。しかしながら、これまで主成分としていた銅や錫を使用しない鉄系材料を主成分とした焼結摩擦材の場合には、配合材として研削材のセラミックス、潤滑材の黒鉛、金属粉を使用しているため、焼結の際に還元鉄粉の基地組織であり融点が高いフェライト中に潤滑材の黒鉛が固溶して硬さが増したパーライトを形成する。そのため、制動時に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現象が生じ、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。本出願人は、鋳鉄粉又は還元鉄粉を基材とした鉄系焼結摩擦材について発明し、銅系焼結摩擦材と同等の性能を得ている（例えば、特願２００５−３００８１７号）。しかしながら、高負荷条件の評価では、銅系焼結摩擦材と同等までには至っていないことが判った。
【特許文献１】特公昭６３−１５９７６号公報（第２欄、第２行〜第４欄第１行）
【特許文献２】特開２００２−１８１０９５号公報（段落［００２２］〜［００２６］）
【特許文献３】特許第２９５８４９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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可能な限り使用しないことで、環境保護に貢献するとともに、焼結摩擦材の基地組織を高温特性と耐食性に優れたフェライトと耐熱性のあるオーステナイトとの混合組織に保ち、且つ鉄の同種摩擦を防ぐことで相手材摩耗量を少なくする点で解決すべき課題がある。
【０００９】
この発明の目的は、ＰＲＴＲ法の指定化学物質を可能な限り含まないことで、環境保護の面で好ましいとともに、焼結摩擦材の基地組織をフェライトとオーステナイトとの混合組織に保つことで、耐熱性と耐食性に優れ、且つブレーキディスク等の相手材への攻撃性を低めて相手材摩耗量を少なくする等、ブレーキ制動時の性能に優れた焼結摩擦材を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するため、この発明による焼結摩擦材は、主成分として高融点の還元鉄粉にオーステナイト形成元素のニッケル又はマンガンと黒鉛化促進元素とを添加して焼結されており、基地組織がオーステナイトとフェライトの混合組織に保たれていることから成っている。
【００１１】
この焼結摩擦材によれば、主成分が鉄系材料で、他の配合材は研削材のセラミックス、潤滑材の黒鉛、金属粉を使用している。そのため、焼結の際に還元鉄粉の基地組織であり、融点が高いフェライト中に潤滑材の黒鉛が固溶してパーライトを形成している。パーライトは硬さが増すが、融点が下がり耐熱性を低下させていた。オーステナイト形成元素であるニッケル、マンガンを単独又は併用添加することによって基地組織の一部がオーステナイトに保たれる。更に、黒鉛化傾向（Ａｌ＞Ｓｉ＞Ｔｉ＞Ｃ）の大きい元素を添加することにより基地組織の一部がフェライトに保たれる。これにより、基地組織が耐熱性のあるオーステナイトとフェライトの混合組織となり、そのために主成分の融点の低下がない。更にまた、混合組織を形成するオーステナイトとフェライトは黒鉛が固溶したパーライトより軟らかである。
【００１２】
この焼結摩擦材において、前記オーステナイト形成元素としてニッケル２〜１０ｖｏｌ％及び／又はマンガン２〜８ｖｏｌ％を合計で２〜１０ｖｏｌ％添加することができる。オーステナイト形成元素のこうした添加により、基地組織の一部をオーステナイトに保つことができる。
【００１３】
上記の焼結摩擦材において、前記黒鉛化促進元素としてアルミニウム２〜８ｖｏｌ％を添加することができる。黒鉛化促進元素としてのアルミニウムは黒鉛化傾向の大きい元素であり、こうしたアルミニウムの添加により、潤滑材の黒鉛の固溶を防ぎ、基地組織の一部をフェライトに保つことができる。
【００１４】
上記の焼結摩擦材において、前記オーステナイトとフェライトとの前記混合組織は、前記基地組織中に８０％以上存在することが好ましい。融点の低下を防ぎ高温特性に優れ、比較的軟らかいため相手材攻撃性が低い基地組織であるオーステナイトとフェライトの存在率（［オーステナイト＋フェライト］／［基地組織］の百分率）は、基地組織の大部分である８０％以上とすることで、焼結により一部固溶によるパーライトが存在していても、耐熱性の低下が少なくなり、好ましい。
【００１５】
基地組織をオーステナイトとフェライトの混合組織に保った焼結摩擦材において、前記還元鉄２０〜４０ｖｏｌ％を含み、更に、前記基地組織の一部をオーステナイトに保つための前記オーステナイト形成元素としてニッケル２〜１０ｖｏｌ％及び／又はマンガン２〜８ｖｏｌ％を合計で２〜１０ｖｏｌ％、前記基地組織の一部をフェライトに保つための前記黒鉛化促進元素としてのアルミニウムを２〜８ｖｏｌ％、微細アルミナ（平均粒径：０．３〜２μｍ）を０〜１５ｖｏｌ％、マグネシア（平均粒径：５０〜２５０μｍ）を０〜１０ｖｏｌ％、アルミナ（平均粒径：５〜２０μｍ）を２〜１０ｖｏｌ％（但し、マグネシア＋アルミナが５〜１５ｖｏｌ％の範囲）、黒鉛を３０〜４５ｖｏｌ％の範囲で添加することができる。
ここで各成分の範囲設定の理由は、還元鉄が２０ｖｏｌ％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、４０ｖｏｌ％を超えると他の成分が不足し問題点が生じる。マグネシア＋アルミナが５ｖｏｌ％未満の場合は摩擦係数が低下し、また１５ｖｏｌ％を超えると相手材摩耗量の増加が顕著になる。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が、マグネシアと併用することで摩擦係数の確保と相手材攻撃性の抑制を両立させることが容易になる。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％を超えた場合は摩擦係数の低下が大きくなる。基地組織をオーステナイト及びフェライトに保つための各オーステナイト形成元素及び黒鉛化促進元素は各下限添加量以下では基地組織をオーステナイト及びフェライトに保つことができず、各上限添加量以上では添加金属を含む炭化物を生成する。
【００１６】
上記の焼結摩擦材において、放電プラズマ焼結、ホットプレス等の加圧焼結法による焼結後の焼結体密度の百分率としての相対密度が８０％以上とすることが好ましい。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て、焼結後の相対密度（焼結体密度／真密度の百分率）が８０％以上とすることで、鉄系材料間の結合力が強化される。
【発明の効果】
【００１７】
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、主成分が鉄系材料であるが、オーステナイト形成元素であるニッケル、マンガンを単独又は併用添加することによって基地組織の一部をオーステナイトに保つことができ、更に、黒鉛化傾向（Ａｌ＞Ｓｉ＞Ｔｉ＞Ｃ）の大きい元素を添加することにより基地組織の一部をフェライトに保つことで、基地組織がオーステナイトとフェライトの混合組織となる。即ち、添加金属により還元鉄粉中にパーライトの形成が抑制されるので、黒鉛が固溶し融点が低いパーライトと比べて主成分の融点の低下がなく、高温特性・耐食性に優れており、しかもパーライトより軟らかいため相手材摩耗畳が少ないオーステナイトとフェライトが基地組織を形成した焼結摩擦材を得ることができる。
【００１８】
また、基地組織をオーステナイトに保つためオーステナイト形成元素であるニッケル２〜１０ｖｏｌ％及び／又はマンガン２〜８ｖｏｌ％を計２〜１０ｖｏｌ％添加する場合には、基地組織をオーステナイトに保つことができる。各オーステナイト形成元素は各下限添加量以下では基地組織をオーステナイトに保つことができず、各上限添加量以上では添加金属を含む炭化物を生成してしまう。
【００１９】
また、基地組織をフェライト（還元鉄粉の基地組織）に保つため黒鉛化促進元素であるアルミニウム２〜８ｖｏｌ％添加する場合には、潤滑材の黒鉛の固溶を防ぎ基地組織をフェライトに保つことができる。黒鉛化促進元素であるアルミニウムは各下限添加量以下では黒鉛の固溶を防ぐことができなくなるので基地組織をフェライトに保つことができず、各上限添加量以上では添加金属を含む炭化物を生成してしまう。
【００２０】
また、オーステナイトとフェライトの存在率（［オーステナイト＋フェライト］／［基地組織］の百分率）を８０％以上とした場合には、焼結により一部固溶によるパーライトがあるが、基地組織の大部分をオーステナイトとフェライトに保つことで、高温特性・耐食性に優れ相手材摩耗畳が少ないという特性を活かすことができる。
【００２１】
また、還元鉄、マグネシア、アルミナ、マグネシア＋アルミナ、及び黒鉛粉末について配合割合の範囲を定めることにより、摩擦係数の確保と、摩擦材摩耗量と相手材摩耗量の抑制との両立を果たすことができる。黒鉛粉末についても、下限未満の場合には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、上限を超えた場合は摩擦係数の低下が大きくなる。基地組織をオーステナイト及びフェライトに保つための各オーステナイト形成元素及び黒鉛化促進元素については、各下限添加量以下では基地組織をオーステナイト及びフェライトに保つことができず、各上限添加量以上では添加金属を含む炭化物を生成してしまう。
【００２２】
更に、加圧焼結法を用い、焼結後の相対密度（焼結体密度／真密度の百分率）を８０％以上とする場合には、鉄系材料間の結合力が強化され、強度、耐摩耗性に優れた焼結摩擦材を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、実施例を挙げて、この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１２μｍのアルミニウム粉末と、平均粒径約１．２μｍの微細なアルミナ粉末と、平均粒径約１９０μｍのマグネシア粉末と、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１２μｍのアルミナ粉末と平均粒径約１２μｍのニッケル粉末及び平均粒径約４５μｍのマンガン粉末を用意した。アルミニウム粉末は黒鉛化促進元素として配合されている。また、ニッケル粉末及びマンガン粉末は、オーステナイト形成元素として配合されている。
【００２４】
上記の各原材料を表１に示す配合Ｃに各々秤量後、攪拌らい潰機（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、銅系焼結材Ａの混合粉末と、基地組織をパーライトにした配合の代表例Ｂの混合粉末も用意した。
【００２５】
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（住友石炭工業製、型式ＳＰＳ−５１５Ｓ）を用い、圧力１４ＭＰａ、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。
【００２６】
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）、硬さを測定した。また５００℃、６００℃の高温ブレーキ性能試験を実施し、摩擦係数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相手材温度５００℃・６００℃、減速度５．８８ｍ／s ２ｓ２・６．８６ｍ／ｓ２、初速度１２０ｋｍ／ｈ→０ｋｍ／ｈの制動を２０回実施した。表１に、焼結条件（温度℃、圧力ＭＰａ，製造区分）、相対密度（％）、硬さ（ＨＲＳ）とブレーキ性能試験における平均摩擦係数と相手材摩耗量（μｍ）、及びパーライト以外の面積率（％）を示す。
【表１】
2008214727.tif 000002
【００２７】
基地組織を観察するためにナイタール（５％硝酸＋エタノール１０ｓｅｃ）によるエッチングを行った。表１に示した面積率（［基地組織中のフェライト又はフェライト＋オーステナイトの面積］／［基地組織の面積］の百分率）は１０視野の平均値である。
【００２８】
図１は本発明材Ｃ２の基地組織を示す顕微鏡写真であり、図２、図３は、それぞれ本発明材Ｃ３のナイタールによるエッチングを施して示す顕微鏡写真と、ピクリン酸／塩酸／エタノールによるエッチングを施して示す顕微鏡写真である。また、図４、図５はそれぞれ比較材Ｂ１、比較材Ｂ２の基地組織を示す顕微鏡写真である。
【００２９】
表１及び図面から理解されるように、比較材Ｂ１（図４）については、白色部のフェライトが面積率６１％、着色部のパーライトが面積率３９％で存在することが確認された。また、比較材Ｂ２（図５）については、白色部の［フェライト＋オーステナイト］が面積率７３％、着色部のパーライトが面積率２７％で存在することが確認された。
【００３０】
本発明材Ｃ１〜Ｃ８では、オーステナイト形成元素であるニッケル又はマンガンが表１に記載した配合で添加されており、黒鉛化促進元素であるアルミニウムも表１に記載した配合で添加されている。図１に基地組織を示す発明材Ｃ２は白色部の［フェライト］又は［フェライト＋オーステナイト］は８３％の面積率で存在しており、比較材の場合の面積率より高い割合で存在している。また、図２に示すように、本発明材Ｃ３はナイタールによる腐食が殆どない。そのためピクリン酸（１ｇ）＋塩酸（１５ｃｃ）＋エタノール（１００ｃｃ）の腐食液（３０ｓｅｃ）によるエッチングを行い、図３に示すように、白色部のオーステナイトと着色部のフェライトを確認した。この場合、パーライト以外の組織の面積率は９５％であることを確認した。同様に、本発明材Ｃ１、Ｃ４でも当該面積率が８０％以上で存在していることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明材Ｃ２の基地組織を示す顕微鏡写真である。
【図２】本発明材Ｃ３のナイタールによるエッチングを施して示す顕微鏡写真である。
【図３】本発明材Ｃ３のピクリン酸／塩酸／エタノールによるエッチングを施して示す顕微鏡写真である。
【図４】比較材Ｂ１の基地組織を示す顕微鏡写真である。
【図５】比較材Ｂ２の基地組織を示す顕微鏡写真である。
【図１】
2008214727.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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