(57)【要約】【課題】３００℃以上、特に５００℃以上の高温度域において、ロータ摩耗量と摩擦材摩耗量が共に少なく、高い摩擦係数を得ることのできるディスクブレーキ用摩擦材を提供する。【解決手段】炭化ケイ素を１０〜３０重量％含有すると共に、粗粒黒鉛、窒化ホウ素のうちのいずれか１種、及び／又は、氷晶石、フッ化カリウム、硫化鉄、硫化アンチモン、二硫化モリブデンのうちのいずれか１種以上を含有することを特徴とする。【選択図】　　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ディスクブレーキ用摩擦材であって、
炭化ケイ素を１０〜３０重量％含有すると共に、
粗粒黒鉛、窒化ホウ素のうちのいずれか１種、
及び／又は、
氷晶石、フッ化カリウム、硫化鉄、硫化アンチモン、二硫化モリブデンのうちのいずれか１種以上
を含有することを特徴とする摩擦材。
【請求項２】
ディスクブレーキ用摩擦材であって、
炭化ケイ素と酸化マグネシウムの配合合計は１５〜４０重量％で、そのうち炭化ケイ素は１０重量％以上含有すると共に、
粗粒黒鉛、窒化ホウ素のうちのいずれか１種、
及び／又は、
氷晶石、フッ化カリウム、硫化鉄、硫化アンチモン、二硫化モリブデンのうちのいずれか１種以上
を含有することを特徴とする摩擦材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディスクブレーキに使用される摩擦材に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
運転手の負担が軽く、コントロールがし易いディスクブレーキは、一般乗用車を始め、ブレーキに対する負荷が大きいトラック、レーシングカー、高速鉄道車輌、航空機など広く利用されている。
このディスクブレーキに不可欠な摩擦材に要求される基本的な機能としては、高い摩擦係数μを有すること、ロータ、摩擦材ともに摩耗が少ないことが挙げられる。
【０００３】
摩擦係数μが高いと大きい制動力が得られるので、ブレーキシステム全体の小型化、軽量化に有利である。
さらに、ロータ、摩擦材ともに摩耗量が少なく耐摩耗性に富んだ摩擦材は、メンテナンスフリーの点で有利である。
しかし、摩擦係数μと耐摩耗性は相反する要素なので、互いの釣り合いをとりながらより良いものを目指して、多くの企業が摩擦材の材料やその配合に工夫を凝らしている。
【０００４】
また、一般乗用車用の摩擦材は、その実用条件に適した３００℃付近の使用を中心に設計されているのに対し、ブレーキに対する負荷の大きいトラックやレーシングカー等の摩擦材は、負荷が大きい分摩擦熱も大きいので、３００℃以上の高温度域で摩擦材としての良好な機能を発揮することが要求される。
【０００５】
そこで、本発明はこれらの課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、３００℃以上、特に５００℃以上の高温度域において、ロータ摩耗量と摩擦材摩耗量が共に少なく、高い摩擦係数を得ることのできるディスクブレーキ用摩擦材を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、実使用温度が３００℃以上、特に５００℃以上の高温用摩擦材を設計するにあたり、摩擦材の１要素である研磨、研削材として、温度変化に対して比較的安定して高摩擦係数を保持し得る炭化ケイ素に着目した。
硬度の高いアルミニウム合金複合材からなるロータ用摩擦材には、アルミナを含むもの、炭化ケイ素を含むもの、アルミナと炭化ケイ素の２種が混合されているもの等が知られている。しかし、鋳鉄製ロータ用の摩擦材には炭化ケイ素は含まれていないか、或いは含まれていても数％程度のごく微量である。というのも、鋳鉄材（ＦＣ　１７〜２５）の硬さは、新モース硬さ（鉱物硬さ）で４．５〜５．０程度であり、これに対して炭化ケイ素の新モース硬さは１３であるので硬すぎ、炭化ケイ素が鋳鉄製ロータの表面を損傷してしまうからである。
【０００７】
そこで、摩擦材を構成する潤滑材として、高温において良好な潤滑性を有する無機物を炭化ケイ素と共に配合し、この無機物によって鋳鉄製ロータの表面と炭化ケイ素の直接的な接触を阻止させて、摩擦材とロータ両者の急激な摩耗増を防ぐことに着目し、本発明を完成した。
【０００８】
すなわち、本発明は、ディスクブレーキ用摩擦材であって、炭化ケイ素を１０〜３０重量％含有すると共に、粗粒黒鉛、窒化ホウ素のうちのいずれか１種、及び／又は、氷晶石、フッ化カリウム、硫化鉄、硫化アンチモン、二硫化モリブデンのうちのいずれか１種以上を含有することを特徴とする。
炭化ケイ素が摩擦材の研磨・研削材として配合されることで、高温において良好な摩擦係数μを有する摩擦材が得られる。
【０００９】
摩擦材における炭化ケイ素の含有量としては、１０〜３０重量％であると、良好な摩擦係数μが得られると共に、摩擦材、ロータ共に摩耗の少ない摩擦材を得ることができる。
この炭化ケイ素の好ましい配合量を求めるにあたっては、フルサイズダイナモメータ摩擦試験機を用いて、炭化ケイ素の配合量を変えた摩擦材の制動力と摩耗量を測定する実験を行った。このときロータは鋳鉄製を用い、摩擦材の他の材料としては、潤滑材は粗粒黒鉛、硫化鉄、酸化アンチモンを、結合材は変性フェノールを、耐熱補強材は鉄繊維を、充填材は鉄粉を用いた。
【００１０】
実験は、慣性モーメント７．５ｋｇ・ｍ・ｓ２、摩擦材表面積　５８ｃｍ２において、制動初速度１００ｋｍ／ｈ、２００ｋｍ／ｈ、２５０ｋｍ／ｈ、減速度４．９０ｍ／ｓ２および７．８ｍ／ｓ２の各速度について５０回制動を行った。いずれも制動開始温度は４００℃であり、試験中の最高温度は９５０〜１０００℃に達していた。
その結果を図１及び図２に示す。図１は、炭化ケイ素の配合量に対する各制動初速度の平均摩擦係数μを、図２は、制動初速度２５０ｋｍ／ｈにおける、摩擦材の平均摩耗量を示している。
【００１１】
図１からは、炭化ケイ素の配合量の増加に伴って摩擦係数も大きくなっており、１０％以上配合されれば、摩擦係数は０．３６以上を満足できることがわかる。
また、図２からは、炭化ケイ素の配合量が２０重量％前後であると摩擦材の摩耗量が少なく、配合量１０〜３０重量％であれば、摩耗量は２．５ｍｍ以下を満足できることがわかる。
以上の摩擦係数、摩擦材摩耗量の実験結果から、炭化ケイ素の含有量としては、１０〜３０重量％が好ましく、より好ましくは１５〜２５重量％である。
【００１２】
また、高温時に良好な潤滑性を有する潤滑材としては、次のＡ、Ｂの２つの群が挙げられ、Ａ、Ｂ群から１種類以上が選択されて配合されることで、高温時の摩擦材、ロータ両者の摩耗を防ぎ、ブレーキとしての寿命を高めることができる。
Ａ群は固体潤滑材であり、その具体例としては、粗粒黒鉛、窒化ホウ素が挙げられる。
【００１３】
ここで粗粒黒鉛とは、通常、摩擦材の潤滑材として使用される黒鉛の平均粒径が４０〜１００μｍ程度であるのに対して、平均粒径が４００μｍ以上、一般には１２００μｍ程度である黒鉛を示す。しかし、平均粒径が２０００μｍを超えると撹拌時の分散が不均一になり、熱プレス成形の際に粗大黒鉛が偏析しやすくなる。摩擦材コーナー部に偏析するとコーナー部が縁欠け現象を起こすので好ましくない。
図３は、温度に対する黒鉛の重量変化を示し、破線Ｅは通常、摩擦材の材料として使用されている平均粒径６０μｍの黒鉛を、実線Ｆは、平均粒径１２００μｍの粗粒黒鉛を示す。これから、平均粒径６０μｍの黒鉛は、約５００℃付近から酸化による昇華が始まっていることがわかる。これに対して粗粒黒鉛は、表面積が小さくなる分、酸素との接触面積が小さくなるので、通常の黒鉛と一定の温度で比較した場合、昇華による減少量を少なくすることができる。
【００１４】
従って、黒鉛の平均粒径が大きい程、潤滑材としての耐熱温度を高温側に移動することができ、平均粒径が４００μｍ以上であれば、７００℃の高温においても９０％以上が残存しているので、良好な潤滑性を発揮できる。
また、窒化ホウ素は構造が黒鉛と近似しており、９００℃程度まで比較的安定した状態で、良好な潤滑性を保持し得る。しかし、黒鉛に比べて高価である。
【００１５】
Ｂ群は高温の温度域で軟化、液化する無機物と、金属硫化物の群であり、具体的には、氷晶石、フッ化カリウム、硫化鉄、硫化アンチモン、二硫化モリブデンが挙げられる。
氷晶石は、融点が１０２０℃付近の無機物であり、フッ化カリウムは、融点８６０℃付近の無機物であって、それぞれ融点を境に軟化、溶融状態となってロータの保護膜となり、炭化ケイ素が直接ロータと接触するのを防ぐ。
【００１６】
図４は、硫化鉄、硫化アンチモン及び二硫化モリブデンの、温度に対する重量変化を示す。
図４から、硫化鉄（ＦｅＳ、ＦｅＳ２）は、５００℃付近から酸化が始まって、３段階の形態変化のあることがわかる。このことはＦｅＯ、Ｆｅ２Ｏ３、Ｆｅ３Ｏ４の３種が形成されて共存することに起因している。
そして、Ｆｅ２Ｏ３は、研削性があり、Ｆｅ３Ｏ４は、良好な潤滑性を持つと共に、これによって形成される膜は非常に緻密で硬く、ロータ表面に生成すると摩擦が安定して摩耗を減少させることができる。このように、酸化鉄のそれぞれが摩擦材の成分として有利な点を持っており、これら３種が共存することで、５００℃以上の高温においても安定した摩擦を呈する良好な摩擦材となる。
【００１７】
また、硫化アンチモンは、約４００℃から熱分解が開始されており、昇温と共に酸化アンチモンへと変わるが、その進行速度は遅い。そして、酸化アンチモンは、ロータに対して研削性がないので硫化アンチモンと共存しながら７００℃程度まで潤滑材として良好に使用できる。さらに、酸化アンチモンは難燃材としての機能を有しており、鉄繊維の多いセミメタリック系摩擦材における鉄繊維の酸化（発火、燃焼）防止にも有効である。また、酸化アンチモンは樹脂の酸化反応を遅らせるので、樹脂が酸化分解する高温領域における摩耗が改善できる。
また、二硫化モリブデンは５５０℃以下で安定していると共に、摩擦係数が比較的小さいので、５５０℃以下において良好な潤滑性を持つ。
【００１８】
さらに、本発明は、ディスクブレーキ用摩擦材であって、炭化ケイ素と酸化マグネシウムの配合合計は１５〜４０重量％で、そのうち炭化ケイ素は１０重量％以上含有すると共に、粗粒黒鉛、窒化ホウ素のうちのいずれか１種及び／又は、氷晶石、フッ化カリウム、硫化鉄、硫化アンチモン、二硫化モリブデンのうちのいずれか１種以上を含有することを特徴とする。また、より好ましくは、炭化ケイ素と酸化マグネシウムの配合合計は２０〜３５重量％で、そのうち炭化ケイ素は１５重量％以上である。
【００１９】
研磨・研削材は、ロータ表面の付着物（摩擦材成分や鋳鉄の酸化膜）の除去を目的としており、ロータ表面自体は損傷しないことが望ましい。これに対して鋳鉄製ロータ（ＦＣ１７〜２５）の新モース硬さ（鉱物硬さ）は４．５〜５．０であり、ロータ表面の付着物のうち最も硬いもの（Ｆｅ３Ｏ４）でも新モース硬さは５．０〜５．５であって、酸化マグネシウムの新モース硬さ６とどちらも大きな差が無いので、酸化マグネシウムはロータ表面を傷つけることなくロータ表面に移着した付着物を除去することができる。
【００２０】
さらに、鋳鉄製ロータ（ＦＣ１７〜２５）は７００℃の近傍で硬さが半減するが、酸化マグネシウムの硬さは７００℃の温度でも変わらないため、相対的な硬さの差から高温で生じたロータの酸化膜を研削することができる。
つまり、酸化マグネシウムは、高温においてもロータを損傷することなく、ロータ表面に付着した摩擦材中の移着成分を良好に除去できるという研磨・研削材としての有利な特徴を持つ。そして、このような酸化マグネシウムを炭化ケイ素と共に配合することで、高温において、より良好な摩擦係数と、ロータ、摩擦材共に良好な耐摩耗性を得ることができる。
【００２１】
３００〜５００℃の温度領域では、研磨・研削材として炭化ケイ素や酸化マグネシウムを使用しなくとも、従来から使用されている珪酸ジルコニウム等が良好に使用できる。
即ち、研磨・研削材として珪酸ジルコニウム、ジルコニア、アルミナ、酸化クロームの１種又は２種以上を２〜１２重量％含むと共に、潤滑材として、黒鉛（通常の粒度のもので良い）又は金属硫化物（二酸化モリブデン、硫化アンチモン、硫化鉄など）を３〜６重量％含む摩擦材は、ディスクブレーキ用摩擦材として、特に鋳鉄製ロータに対して好適である。
【００２２】
従来、３００℃以下での使用を目的とした摩擦材において、充填材としてカシューダストやゴム粉末等の有機成分が使われていた。これら有機成分は、使用温度が３００℃以下であれば、有効に機能し、ノイズ防止や制動力の安定などの効果を発揮する。しかし、３００℃を超える温度での使用では、有機成分が熱分解し、摩擦材の急激な摩耗量増加を誘発する。そこで、これらを使用せず、前記研磨・研削材（珪酸ジルコニウム、ジルコニア、アルミナ、酸化クローム）と前記潤滑材（通常の粒度の黒鉛、金属硫化物）を組み合わせて使用すれば、３００〜５００℃の温度域で優れた性能を発揮する摩擦材が得られる。
【００２３】
また、本発明による摩擦材は、鋳鉄製ロータに対しては勿論のこと、バイク等に用いられるステンレス製ロータ、新幹線等に使用される鍛鋼製ロータ、航空機、レーシングカー等に用いられる炭素繊維強化炭素複合材製ロータ、焼結合金製ロータ等に対しても使用できる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかる好適な実施の形態を詳細に説明する。
摩擦材の材料としては、主として（１）結合材、（２）潤滑材、（３）研磨・研削材があり、これに（４）耐熱補強材として鉄繊維、セラミック繊維等が、（５）充填材として鉄粉、フッ化カルシウム、フッ化アルミニウム等が配合される。
【００２５】
（４）耐熱補強材、（５）充填材については、３００℃以上の使用温度域において熱分解や変質等のない材料が１種以上選択されて用いられる。従って、従来使用していたゴム粉末やカシューダストは３００℃以下で熱分解してしまうので、材料として利用できない。
次に（１）〜（３）の具体的な材料を挙げ説明する。
【００２６】
（１）結合材
結合材としては、耐熱性に優れた熱硬化性フェノール樹脂が最適であり、配合量は３．０〜６．０重量％の範囲が良好である。これら熱硬化性樹脂の主な機能は、摩擦材の機械的強度を維持することであり、前記配合量範囲の下限値未満であると、摩擦材の強度が低くなって摩耗量が増加し、上限値を越えると高温時の制動力が低下する。
具体的には、３００〜５００℃の温度域用摩擦材にはストレートフェノール樹脂が、５００〜７００℃用摩擦材には変性フェノールであるアルキルベンゼン変性樹脂が、７００℃以上用摩擦材にはイミド系のビスマレイミド・トリアジン樹脂が好適である。
【００２７】
（２）潤滑材
潤滑材は、摩擦材の１０〜５０重量％含まれるとよい。１０重量％未満であると摩擦材、ロータ共に良好な耐摩耗性を得ることができず、５０重量％を超えると良好な摩擦係数を得られないばかりか摩擦材強度が著しく低下し、負荷に耐えられなくなる。好ましくは２０〜４０重量％である。
具体的には、３００〜５００℃の温度域用摩擦材には黒鉛、硫化鉄、二硫化モリブデン、硫化アンチモンが、５００〜７００℃用には粗粒黒鉛、硫化鉄（ＦｅＳ、ＦｅＳ２）、硫化アンチモン、窒化ホウ素が、７００℃以上用には粗粒黒鉛、氷晶石、フッ化カリウム、窒化ホウ素が好適である。
【００２８】
（３）研磨・研削材
具体的には、３００〜５００℃の温度域用摩擦材には珪酸ジルコニウム、ジルコニア、アルミナ、酸化クロームが、５００〜７００℃用には炭化ケイ素（粒度１〜５μｍ）、酸化マグネシウム（粒度６０〜１５０μｍ）が、７００℃以上用には炭化ケイ素（粒度１０〜４０μｍ）、酸化マグネシウム（粒度１５０〜５００μｍ）が好適である。
５００℃以上用の摩擦材においては、炭化ケイ素のみ配合しても良く、その配合量は、１０〜３０重量％、好ましくは１５〜２５重量％である。また、炭化ケイ素のみでなく、酸化マグネシウムを加えることでより良好な摩擦係数を得ることができると共に、ロータ、摩擦材両者の摩耗量を少なくすることができる。このとき、炭化ケイ素と酸化マグネシウムの配合合計は１５〜４０重量％（そのうち炭化ケイ素は１０重量％以上）であると良好な摩擦係数を得ることができる。さらに好ましくは、配合合計で２０〜３５重量％（そのうち炭化ケイ素は１５重量％以上）である。この範囲によると良好な摩擦係数を有し、摩擦材、ロータ共に摩耗量の少ない摩擦材を得ることができる。
【００２９】
また、５００〜７００℃用の摩擦材において、良好な摩擦係数と、ロータの耐摩耗性及び摩擦材の耐摩耗性を維持するためには、炭化ケイ素の粒度は１〜５μｍが好ましい。粒度が上限値を越えると、ロータを損傷して、摩耗が促進されてしまい、下限値より小さいと摩擦係数の目標値を下回ってしまう。これに対して酸化マグネシウムの粒度は６０〜１５０μｍが好ましい。粒度が下限値より小さいと良好な摩擦係数が得られず、上限値を越えると酸化マグネシウム自体が摩耗しやすくなってしまうからである。
【００３０】
一方、７００℃以上の摩擦材においては、炭化ケイ素の粒度は、１０〜４０μｍが好ましい。粒度が上限値を越えると、ロータを損傷して、摩耗が促進されてしまい、下限値より小さいと摩擦係数の目標値を下回ってしまう。そして酸化マグネシウムの粒度は、１５０〜５００μｍが好ましい。粒度が下限値より小さいと良好な摩擦係数が得られず、上限値を越えると酸化マグネシウム自体が摩耗しやすくなってしまうからである。
【００３１】
図５に、７００℃以上の温度域での炭化ケイ素の粒度に対する摩擦係数、摩擦材摩耗量及びロータ摩耗量について実験した結果を示す。これによると、粒度が大きい程摩擦係数が大きくなるので粒度が２μｍ以上であれば目標値μ≧０．４を満足できる。また、ロータ摩耗量は、粒度が小さいほど少なく良好であることがわかる。さらに、粒度と摩擦材摩耗量との関係をみると、摩擦材摩耗量は粒度が２０μｍ程度のとき最低値となって、これより大きくても小さくても摩耗量は増加してしまうことがわかる。そして、粒度が４０μｍより大きいと、炭化ケイ素自身も削られ易くなり、粒度が５μｍより小さいと、制動力が落ちる分押し付ける力が必要となって温度が上昇し、表面が炭化して崩れてしまう。
これらの結果から、７００℃以上の温度域において、炭化ケイ素の粒度は摩擦材摩耗量が目標値（２．２ｍｍ）以下となる１０〜４０μｍの範囲が良いことがわかる。
また、同様の実験を５００〜７００℃において行ったところ、炭化ケイ素の粒度は１〜５μｍの範囲が良いことがわかった。
【００３２】
【実施例】
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
本発明による実施例１〜７と、従来のＲＶ車用摩擦材（比較例１）、一般乗用車用摩擦材（比較例２）について比較実験を行った。これらの材料の配合を表１に示す。
作成方法としては、これら材料をミキサーによって均一に撹拌し、１５５〜１６０℃に加熱した金型に充填して、５９〜７８ＭＰａの圧力を加えて熱成形をした後、３００〜３５０℃で熱処理を行った。
【００３３】
【表１】
2004035871.tif 000002
【００３４】
これら摩擦材についてフルサイズダイナモメータ摩擦試験機を使用して、高温、高速摩擦試験を行い、高負荷下における摩擦材の摩耗量、鋳鉄製ロータの摩耗量及び摩擦係数を測定した。
実験方法としては、慣性モーメント　７．５ｋｇ・ｍ・ｓ２、摩擦材表面積５８ｃｍ２、制動開始温度４００℃において、まず減速度４．９ｍ／ｓ２で、ブレーキ初速１００、２００、２５０ｋｍ／ｈの各速度５０回ずつ（計１５０回）制動を繰り返した。
続いて、同一の慣性モーメント、摩擦材表面積、制動開始温度において、減速度７．８ｍ／ｓ２についてもブレーキ初速１００、２００、２５０ｋｍ／ｈの各速度５０回ずつ（計１５０回）制動を繰り返した。このとき、摩擦表面温度は１０００℃以上に達していた。
こうして、制動を繰り返しながら摩擦係数を計測して平均値を算出し、合計３００回の制動後、摩擦材摩耗量とロータ摩耗量を計測した。その結果を表２に示す。
尚、この実験は、レースカーを主とした高負荷摩擦材の実験として好適である。
【００３５】
【表２】
2004035871.tif 000003
【００３６】
今回の実験では実験結果の目標値を、摩擦係数は０．４０以上、ロータ摩耗量は３０μｍ以下、摩擦材摩耗量については２．２ｍｍ以下とし、目標値を満たすものには○を、満たさないものについては×を付した。
比較例１が、摩擦係数と摩擦材摩耗量で目標値を下回っているのに対し、実施例１〜７は、摩擦係数、ロータ摩耗量及び摩擦材摩耗量において目標値を満足しており、バランスのとれた摩擦材であることがわかる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明の摩擦材によれば、高温度域で安定した摩擦係数が得られると同時に、ロータ、摩擦材共に摩耗量が少ないので、安定した制動力を持ち、耐久性に富んだブレーキを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】炭化ケイ素の配合量に対する摩擦係数のグラフである。
【図２】炭化ケイ素の配合量に対する摩擦材摩耗量のグラフである。
【図３】温度に対する黒鉛の重量変化を示すグラフである。
【図４】潤滑材の温度に対する重量変化を示すグラフである。
【図５】炭化ケイ素の粒度に対する摩擦係数、摩擦材摩耗量及びロータ摩耗量を示すグラフである。
【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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