(57)【要約】【課題】ＰＲＴＲ法の指定化学物質をまったく含まないことで環境保護の面で好ましいと共に、還元鉄粉及び鋳鉄粉に加えて更に微細鉄粉を主成分に含むことで、高温特性等に優れ且つ相手材摩耗量を少なくする等、ブレーキ性能に優れた焼結摩擦材を提供する。【解決手段】この発明による焼結摩擦材は、従来の銅粉末が主体である摩擦材に代えて、融点が高く比較的軟らかい還元鉄粉、還元鉄粉より融点は低いがセメンタイトの存在により比較的硬い鋳鉄粉、及び微細な鉄粉を主成分として含んでいる。還元鉄粉によって耐熱性・耐摩耗性・相手材攻撃性の改善が期待でき、鋳鉄粉によって摩擦係数の向上が期待でき、微細鉄粉によって焼結性が向上し緻密で比較的軟らかい摩擦材が得られる。そのため相手材との接触性が改等して局部当りによる温度上昇や偏摩耗を抑制でき、摩擦係数・耐摩耗性が向上する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
還元鉄粉、鋳鉄粉、及び前記還元鉄粉の平均粒径に対して１／１０以下の平均粒径を有する微細鉄粉が、主成分として焼結されていることから成る焼結摩擦材。
【請求項２】
前記還元鉄粉に対して前記微細鉄粉が３０ｖｏｌ％以下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３】
前記還元鉄粉に対して前記微細鉄粉が１０〜３０ｖｏｌ％の範囲で添加されていることから成る請求項２に記載の焼結摩擦材。
【請求項４】
黒鉛化促進元素として、アルミニウム、珪素、チタンの元素群から選ばれる１又は２以上の元素を含んでおり、アルミニウム１〜９ｖｏｌ％、及び／又は珪素２〜８ｖｏｌ％、及び／又はチタン０．５〜８ｖｏｌ％が合計で０．５〜２０ｖｏｌ％の範囲で添加されてい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】
還元鉄：５〜３０ｖｏｌ％、鋳鉄粉：５〜３０ｖｏｌ％、微細鉄：１〜９ｖｏｌ％（還元鉄に対して３０ｖｏｌ％以下）を合計で２０〜４５ｖｏｌ％の範囲として含み、更に、微細アルミナ（平均粒径：０．３〜２μｍ）：０〜１５ｖｏｌ％、マグネシア（平均粒径５０〜２５０μｍ）：０〜１０ｖｏｌ％、アルミナ（平均粒径５〜２０μｍ）：２〜１０ｖｏｌ％（但し、マグネシア＋アルミナ：５〜１５ｖｏｌ％の範囲）、黒鉛：３０〜４５ｖｏｌ％が添加されていることから成る請求項４に記載の焼結摩擦材。
【請求項６】
真密度に対する焼結体密度の相対密度が、百分率として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から鉛まで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、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を発明し、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。
【０００８】
本出願人は、更に、フェライト組織を保持した基材によれば、高温域の摩擦特性が上記の性能を上回る結果を得た（特願２００６−２２８３５８）。更に高温域の摩擦特性を改善するため、検討を重ね今回の発明に至った。
【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】
【０００９】
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やニッケル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まったく使用せずに、性質の異なる三つの種類の鉄粉を含むことで、環境保護に貢献するとともに、各鉄粉の特徴を活かした基材を得る。特に各種類の鉄粉が持つ比較的軟らかな性質と比較的硬い性質とを合わせることによる摩擦特性の改善と、焼結性を向上させる点で解決すべき課題がある。
【００１０】
この発明の目的は、ＰＲＴＲ法の指定化学物質をまったく含まないことで、環境保護の面で好ましいとともに、各種類の鉄粉が持つ比較的軟らかな性質と比較的硬い性質とを合わせることによる摩擦特性の改善と、焼結性を向上させることにより、相手材との接触性を改善して局部当たりによる温度上昇や偏摩耗を抑制でき、摩擦係数と耐摩耗性が向上し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】
【００１１】
この発明による焼結摩擦材は、還元鉄粉、鋳鉄粉、及び前記還元鉄粉の平均粒径に対して１／１０以下の平均粒径を有する微細鉄粉が主成分として焼結されていることから成っている。
【００１２】
この焼結摩擦材によれば、還元鉄粉と鋳鉄粉と微細な鉄粉を混ぜることで、各鉄粉の特徴を活かした基材となる。具体的には、還元鉄粉は融点が高く比較的軟らかいため耐熱性・耐摩耗性・相手材攻撃性の改善が期待でき、鋳鉄粉は還元鉄粉より融点は低いがセメンタイトの存在により比較的硬いため摩擦係数の向上が期待でき、微細な鉄粉を混ぜることで焼結性が向上し緻密で比較的軟らかい摩擦材となる。そのため相手材との接触性が改等して局部当りによる温度上昇や偏摩耗を抑制でき、摩擦係数・耐摩耗性が向上する。
【００１３】
この焼結摩擦材において、前記還元鉄粉に対して前記微細鉄粉を３０ｖｏｌ％以下の範囲で添加することが好ましい。還元鉄粉に対して微細鉄粉を３０ｖｏｌ％以下の添加量にした焼結摩擦材によれば、微細鉄粉が焼結に大きく関与して焼結性が高められる。そのため、空孔が多い還元鉄粉自体の空孔を焼結により無くすことなく焼結摩擦材を緻密化することができ、その結果、焼結摩擦材の硬度を低下させることができる。
【００１４】
この焼結摩擦材において、前記還元鉄粉に対して前記微細鉄粉を１０〜３０ｖｏｌ％の範囲で添加することができる。このような添加割合の範囲とした焼結摩擦材によれば、微細鉄粉は還元鉄粉より１／１０以下の平均粒径を持つ粉末を選定しているため、同じ体積で還元鉄粉と比較すると表面積が非常に大きくなり活性化し、焼結性が向上する。特に、微細鉄粉を還元鉄粉に対して１０〜３０ｖｏｌ％の範囲で使用することで焼結温度を主成分が還元鉄粉のみの場合よりも焼結温度を低くすることができる。
【００１５】
この焼結摩擦材において、黒鉛化促進元素として、アルミニウム、珪素、チタンの元素群から選ばれる１又は２以上の元素を含んでおり、アルミニウム１〜９ｖｏｌ％、及び／又は珪素２〜８ｖｏｌ％、及び／又はチタン０．５〜８ｖｏｌ％を合計で０．５〜２０ｖｏｌ％の範囲で添加することが好ましい。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１〜９ｖｏｌ％、及び／又は珪素２〜８ｖｏｌ％、及び／又はチタン０．５〜８ｖｏｌ％を合計で０．５〜２０ｖｏｌ％の範囲で添加することで、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。各黒鉛化促進元素は各下限添加量以下では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する。その他、珪素を添加する場合は、炭化物の生成を防ぐために金属シリコンではなくフェロシリコンが添加されている。
【００１６】
上記の効果を出すための成分範囲は、還元鉄：５〜３０ｖｏｌ％、鋳鉄粉：５〜３０ｖｏｌ％、微細鉄：１〜９ｖｏｌ％（還元鉄に対して３０ｖｏｌ％以下）を合計で２０〜４５ｖｏｌ％含み、更に、アルミニウム：１〜９ｖｏｌ％、及び／又は珪素：２〜８ｖｏｌ％、及び／又はチタン：０．５〜８ｖｏｌ％を合計で０．５〜２０ｖｏｌ％、微細アルミナ（平均粒径：０．３〜２μｍ）：０〜１５ｖｏｌ％、マグネシア（平均粒径５０〜２５０μｍ）：０〜１０ｖｏｌ％、アルミナ（平均粒径５〜２０μｍ）：２〜１０ｖｏｌ％（但し、マグネシア＋アルミナ：５〜１５ｖｏｌ％の範囲）、黒鉛：３０〜４５ｖｏｌ％を添加することが好ましい。
【００１７】
ここで各成分の範囲設定の理由は、還元鉄と鋳鉄粉と微細鉄の合計が２０ｖｏｌ％未満では摩擦材中の結合力不足により摩擦材摩耗畳が急激に増加し、４５ｖｏｌ％を超えると他の成分が不足し問題点が生じる。微細鉄が還元鉄に対して３０％を超えると摩擦材の硬度が増し、硬く脆くなるためパッド摩耗量と相手材摩耗量ともに増加してしまう。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％を越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ブレーキ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。基地組織をフェライトに保つための各黒鉛化促進元素は各下限添加量以下では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する。その他、珪素を添加する場合は炭化物の生成を防ぐため、金属シリコンではなくフェロシリコンが添加されている。
【００１８】
上記の効果を出すため、真密度に対する焼結体密度の相対密度を／百分率として８０％以上とすることが好ましい。焼結後の上記相対密度が百分率として８０％以上とすることで、鉄系材料間の結合力が強くなり、強度、耐摩耗性に優れた焼結摩擦材を得ることができる。焼結法としては、加圧焼結法を用いることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明による焼結摩擦材は、還元鉄粉、鋳鉄粉に加えて、更に、平均粒径が前記還元鉄粉に対して１／１０以下の微細鉄粉を主成分として焼結して構成されているので、焼結摩擦材において、各鉄粉の特徴を活かした基材を得ることができる。即ち、還元鉄粉は融点が高く比較的軟らかいため耐熱性・耐摩耗性・相手材攻撃性の改善が期待でき、鋳鉄粉は還元鉄粉より融点は低いがセメンタイトの存在により比較的硬いため摩擦係数の向上が期待でき、微細な鉄粉を混ぜることで焼結性が向上し緻密で比較的軟らかい摩擦材となる。その結果、ＰＲＴＲ法の指定化学物質をまったく含まないので環境保護の面で好ましくなるとともに、各種類の鉄粉が示す性質を合わせ持つことによる摩擦特性が改善され、焼結性が向上し、相手材との接触性を改善して局部当たりによる温度上昇や偏摩耗を抑制して、摩擦係数と耐摩耗性が向上し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】
【００２０】
以下に、実施例を挙げて、本発明による焼結摩擦材について、更に、詳細に説明する。
まず、原材料として平均粒径約１６０μｍの還元鉄粉末と、平均粒径約８５μｍの鋳鉄粉末（ＦＣ２５０を粉砕、篩別した粉末）と、平均粒径約５μｍ（還元鉄粉の平均粒径１６０μｍに対して１／１０以下）の微細鉄粉未と、基地組織をフェライトに保つための黒鉛化促進元素である平均粒径約２０μｍのアルミニウム粉末及び／又は平均粒径約２４μｍの珪素（フェロシリコン）及び／又は平均粒径約１０μｍのチタン粉末と平均粒径約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の人造黒鉛粉未を用意した。
【００２１】
表１に示すように、本発明による焼結摩擦材（発明材）であるＢ１〜Ｂ７は還元鉄の配合割合が漸増し、その一方で鋳鉄の配合割合は漸減している。微細鉄は１〜３ｖｏｌ％の範囲内にある。黒鉛化傾向の大きい元素が添加されており、アルミニウム５ｖｏｌ％、珪素２ｖｏｌ％、及びチタン２ｖｏｌ％が合計で９ｖｏｌ％添加されている。微細アルミナが１１ｖｏｌ％、黒鉛が４３ｖｏｌ％、マグネシアが３ｖｏｌ％、アルミナが７ｖｏｌ％と、上記の範囲内で配合されている。発明材Ｂ８は、還元鉄（１５ｖｏｌ％）よりも配合割合が大きい鋳鉄（２８ｖｏｌ％）を含んであり、黒鉛化傾向の大きい元素としてアルミニウムを６ｖｏｌ％、珪素とチタン２をそれぞれ４ｖｏｌ％配合されており、更に黒鉛が３１ｖｏｌ％配合されているが、微細アルミナの配合はない。発明材Ｂ５は発明材Ｂ９よりも還元鉄粉に対する微細鉄粉の割合が高く（Ｂ９；６％→Ｂ５；１９％）、同じ相対密度を得るために、燃焼温度を低く設定できる。更に、硬度が低く、軟らかいため、摩擦性能も優れる。
【表１】
2008138036.tif 000002
【００２２】
次に、上記の各原材料を表１に示す配合（発明材）Ｂ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。なお比較材として特願２００６−１７２３００（還元鉄粉に黒鉛化傾向の大きい元素を添加・焼結して耐熱性の高いフェライト基地組織を有する鉄系焼結材の発明）で示した代表例（Ａ１）の混合粉末も用意した。
【００２３】
更に、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（住友石炭鉱業製、型式ＳＰＳ−５１５Ｓ）を用い、圧力１４ＭＰａ、昇温速度１００℃／ｍｉｎ、焼結温度１０００℃、保持時間５ｍｉｎの条件で焼結を行った。
発明材Ｂ９だけは燃焼温度１０２５℃で焼結を行い、他は上記と同条件で焼結を行った。なお、比較材Ａの配合は、鉄系の配合として還元鉄のみ（Ａ１）の他に鋳鉄のみ（Ａ２）を含むものであり、温度１１５０（Ａ１）又は９７５℃（Ａ２）、圧力１４ＭＰａの条件で放電プラズマ焼結装置によって焼結した。
【００２４】
焼結後、各焼結体の相対密度（焼結体の見掛け密度／焼結体の真密度で算出される割合の百分率）、硬さを測定した。また６００℃及び７００℃での高温ブレーキ性能試験を実施し、摩擦係数、摩擦材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。硬さはロックウエル硬さ試験機の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実施した。
【００２５】
試験の実施は、６００℃及び７００℃の下、初速度が１２０ｋｍ／ｈから０ｋｍ／ｈ（停止）までと１３０ｋｍ／ｈから５０ｋｍ／ｈまでの減速を、減速度７．８４ｍ／ｓ２と４．９ｍ／ｓ２との制動を２０回行った。
【００２６】
表１には、焼結条件、相対密度、硬さとブレーキ性能試験における平均摩擦係数、摩擦材と相手材の摩擦量が示されている。
表１から理解されるように、本発明材（Ｂ群）はいずれも、相対密度や摩擦材摩耗量で、Ａ群の比較例と比べて遜色なく、硬さについては比較例Ａ２と同程度かそれよりも軟らかい。その一方で、本発明材（Ｂ群）はいずれも、高温時の摩擦係数（０．２７以上、０．３１程度まで）が安定して高く、また比較材Ａに比較して相手材摩耗量が少なく（殆どのケースで６０μｍのオーダー）、ブレーキ性能に優れた焼結摩擦材となっていることが解る。