(57)【要約】【課題】本発明は、温度上昇時の寸法安定性及び摩擦係数の安定性を向上させ、また耐熱性及び耐摩耗性を向上させた焼結摩擦材を提供する。【解決手段】金属粉を焼結した焼結摩擦材においては、該焼結摩擦材中に、平均直径が０．７〜５００ｎｍであって平均長さが０．０１〜１０００μｍであるカーボンナノファイバー及び球殻状炭素であるフラーレンの少なくとも一方が配合されている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属粉を焼結した焼結摩擦材において、
前記焼結摩擦材中に、平均直径が０．７〜５００ｎｍであって平均長さが０．０１〜１０００μｍであるカーボンナノファイバー及び球殻状炭素であるフラーレンの少なくとも一方が配合されている、焼結摩擦材。
【請求項２】
請求項１記載の焼結摩擦材において、
前記金属粉は、銅粉及び銅合金の少なくとも一方を含む、焼結摩擦材。
【請求項３】
請求項１または２記載の焼結摩擦材において、
前記カーボンナノファイバーは、イオン注入処理されている、焼結摩擦材。
【請求項４】
請求項１または２記載の焼結摩擦材において、
前記カーボンナノファイバーは、スパッタエッチング処理されている、焼結摩擦材。
【請求項５】
請求項１または２記載の焼結摩擦材において、
前記カーボンナノファイバーは、プラズマ処理されている、焼結摩擦材。
【請求項６】
請求項１または２記載の焼結摩擦材において、
前記フラーレンは、カーボン６０とカーボン７０とを含み、
前記カーボン７０より前記カーボン６０が多く含有されている、焼結摩擦材。
【請求項７】
請求項１〜６記載の焼結摩擦材のいずれかにおいて、
前記カーボンナノファイバー及び前記フラーレンの少なくとも一方の合成過程において得られる炭素及び炭素化合物をも配合される、焼結摩擦材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両のディスクブレーキやドラムブレーキなどのブレーキ、あるいはクラッチフェーシング等に使用する焼結摩擦材に関するものである。
【０００２】
【背景技術】
従来、自動車等の車両のディスクブレーキ用のパッド、ドラムブレーキ用のシュー等に使用される焼結摩擦材においては、せん断強度を向上させるため、銅製の金属粒体に銅製の金属短繊維が配合・分散され溶着されている焼結摩擦材がある（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特許第２７５６１７７号公報（第１−３頁）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の焼結摩擦材は、温度上昇時において、特に銅繊維の熱膨張係数が大きいため、温度上昇時に焼結摩擦材の寸法変化が大きくなる傾向がある。車両のディスクブレーキ用のパッド、ドラムブレーキ用のシュー等に使用する焼結摩擦材の場合、高温における厚さ方向の寸法変化は、焼結摩擦材とディスクロータやブレーキドラム等の摺動面と接触によるブレーキの鳴きや引きずりなどの要因となる。
【０００５】
このため、従来の焼結摩擦材には、温度上昇時の寸法安定化及び摩擦係数の安定化がさらに望まれている。また、焼結摩擦材には、更なる耐熱性及び耐摩耗性の向上が望まれている。
【０００６】
本発明は、温度上昇時の寸法安定性及び摩擦係数の安定性を向上させ、また耐熱性及び耐摩耗性を向上させた焼結摩擦材及びこれを含むディスクブレーキ、ドラムブレーキを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の第一の態様に係る金属粉を焼結した焼結摩擦材においては、金属粉を焼結した焼結摩擦材において、該焼結摩擦材中に、平均直径が０．７〜５００ｎｍであって平均長さが０．０１〜１０００μｍであるカーボンナノファイバー及び球殻状炭素であるフラーレンの少なくとも一方が配合されている。
【０００８】
本発明の第一の態様によれば、カーボンナノファイバー及びフラーレンの少なくとも一方を金属粉に配合することで、温度上昇時の寸法安定性及び摩擦係数の安定性を向上させ、また耐熱性及び耐摩耗性を向上させることができる。
【０００９】
ここで、第一の態様の焼結摩擦材において、前記金属粉は、銅粉及び銅合金の少なくとも一方を含むことができる。
【００１０】
このような構成とすることで、銅粉及び銅合金を中温程度で焼結することができるので、カーボンナノファイバーやフラーレンが配合されていても焼結することができる。
【００１１】
第一の態様の焼結摩擦材において、前記カーボンナノファイバーは、イオン注入処理されていることができる。
【００１２】
このような構成とすることで、イオン注入されたカーボンナノファイバーは、少なくともその表面の化学的な組成を変えることができ、主原料である金属粉（銅・銅合金）とカーボンナノファイバーの接着性やヌレ性が改善され、金属粉（銅・銅合金）との機械的接合強度をさらに向上させることができる。また、金属粉（銅・銅合金）中におけるカーボンナノファイバーの分散性が向上することで、全体に均質な性能を有することができる。
【００１３】
第一の態様の焼結摩擦材において、前記カーボンナノファイバーは、スパッタエッチング処理されていることができる。
【００１４】
このような構成とすることで、スパッタエッチング処理されたカーボンナノファイバーは、その表面に微細な凹凸を形成することができ、主原料である金属粉（銅・銅合金）とカーボンナノファイバーの接着性やヌレ性が改善され、金属粉（銅・銅合金）との機械的接合強度をさらに向上させることができる。また、金属粉（銅・銅合金）中におけるカーボンナノファイバーの分散性が向上することで、全体に均質な性能を有することができる。
【００１５】
第一の態様の焼結摩擦材において、前記カーボンナノファイバーは、プラズマ処理されていることができる。
【００１６】
このような構成とすることで、プラズマ処理されたカーボンナノファイバーは、その表面に微細な凹凸を形成する等の表面改質されることができ、主原料である金属粉（銅・銅合金）とカーボンナノファイバーの接着性やヌレ性が改善され、金属粉（銅・銅合金）との機械的接合強度をさらに向上させることができる。また、金属粉（銅・銅合金）中におけるカーボンナノファイバーの分散性が向上することで、全体に均質な性能を有することができる。
【００１７】
第一の態様の焼結摩擦材において、前記フラーレンは、カーボン６０とカーボン７０とを含み、前記カーボン７０より前記カーボン６０が多く含有されている。
【００１８】
このような構成とすることで、フラーレンの合成過程において、カーボン７０より多く合成されるカーボン６０を有効に利用することができる。
【００１９】
第一の態様の焼結摩擦材において、前記カーボンナノファイバー及び前記フラーレンの少なくとも一方の合成過程において得られる炭素及び炭素化合物をも配合されることができる。
【００２０】
このような構成とすることで、カーボンナノファイバー及び／またはフラーレンの合成過程において、合成される不純物である炭素及び炭素化合物を有効に利用することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００２２】
図１〜３は、自動車に用いられるディスクブレーキのパッド１である。図１はパッド１の正面図、図２はパッド１の一部切欠き平面図、図３はパッド１の背面図である。図４は、全方位型イオン注入装置の概略構成図であり、図５は、その回転テーブルの他の実施態様を示す一部断面図である。図６は、本実施の形態に係るパッド１を備えるディスクブレーキ１０の断面図である。
【００２３】
自動車等に用いられるディスクブレーキ１０の構造は、図６に示すように、油圧装置による油圧によってキャリパボディ１１の液圧室１４に伝えられてピストン１２を押圧し、その押圧する力によって、パッド１の焼結摩擦材２を円板状のディスクロータ１３に押圧して、車の運動エネルギーをその摩擦作用によって熱エネルギーへと変えて制動するものである。図１及び図２に示すように、焼結摩擦材２は平坦面２１を有しており、この平坦面２１がディスクロータ１３の摺動面に接触し、摩擦力を発生する。
【００２４】
ディスクブレーキ１０のパッド１は、キャリパボディ１１に設けられたピストン１２に固着される金属製のバックプレート３（以下、「プレート３」という）と、ディスクロータ１３と接触して摩擦力を発生する焼結摩擦材２から構成されている。焼結摩擦材２は、図２、図３に示すように、プレート３に穿設された二つの結着孔４，４に焼結摩擦材２の突起２２が入りこむことでプレート３と確実に位置決めされている。
【００２５】
本発明の焼結摩擦材２の成形方法としては、特に限定されないが、一般的に知られている成形法を用いて焼結させることができる。本実施の形態においては、カーボンナノファイバー及びフラーレンの少なくとも一方と、主原料である銅合金粉とを例えば攪拌機で混合してプレス型内に配置し、プレスによって予備成形した後、焼結中温例えば約８００〜９００℃で焼結する。焼結して得られた焼結摩擦材２を再度プレスして焼結摩擦材２を得る。結着孔４，４を穿設されたプレート３に脱脂等の表面処理を行う。そして、焼結摩擦材２にあらかじめ形成された突起２２とプレート３の結着孔４、４を位置決めして嵌合させ、焼結摩擦材２をプレート３にろう付け又はリベット止めなどによって固定させてパッド１を得る。
【００２６】
本実施の形態において、焼結摩擦材２の主原料の金属粉としては銅合金が用いられているが、銅合金は、例えば銅粉に錫粉、黒鉛粉等を混合したものが用いられる。また、銅合金粉に限らず、銅粉でもよい。その他焼結摩擦材２の主原料の金属粉としては、鉄粉や鉄粉に銅粉、マンガン粉、モリブデン粉等を混合した合金粉等が挙げられる。上記の焼結摩擦材２の主原料の金属粉は、１種単独でまたは２種以上混合して用いることができる。
【００２７】
焼結摩擦材２の銅合金粉には、カーボンナノファイバー及びフラーレンの少なくとも一方が混合される。したがって、銅合金粉との混合は、カーボンナノファイバー及びフラーレンを一緒に混合してもよいし、カーボンナノファイバーのみでも、またはフラーレンのみでもよい。また、銅合金粉に混合する材料として、カーボンナノファイバー及び／またはフラーレンに加えて、さらに従来から用いられている銅繊維などの繊維材や金属粒材及び無機充填材なども適宜選択して用いてもよい。無機充填材としては、例えば、シリコン、ジルコニウム、アルミニウム、鉄、マグネシウム、チタン、クロム、コバルト、ホウ素、タングステン、モリブデンなどと窒素、酸素、硫黄などとからなる無機化合物や、黒鉛、硫化物などからなる無機潤滑材から適宜選択することができる。なお、焼結摩擦材２の主原料の金属粉の粒径は、平均４０〜３００μｍの範囲でカーボンナノファイバー及びフラーレンと良好に混ざり合うことができるので好ましい。
【００２８】
焼結摩擦材２において、炭素繊維およびフラーレンを合わせて０．０１〜５０重量％含むことが好ましい。炭素繊維およびフラーレンの割合が５０重量％を超えると主原料の金属粉によるバインダ性を十分確保できない場合があり、０．０１重量％未満であると、耐熱性・放熱性及び耐摩耗性を十分向上することができない場合がある。なお、上記重量割合は、炭素繊維およびフラーレンをそれぞれ単独で含有する場合は、炭素繊維およびフラーレン単独の重量％である。
【００２９】
このようにして成形された焼結摩擦材２は、カーボンナノファイバー及びフラーレンの少なくとも一方が混合されることにより、温度上昇時の寸法安定性及び摩擦係数の安定性を向上させ、また耐熱性及び耐摩耗性を向上させることができる。
【００３０】
本実施の形態に用いられるカーボンナノファイバーは、平均直径が０．７ｎｍ〜５００ｎｍであって、平均長さが０．０１〜１０００μｍのカーボンナノファイバーを用いることが好ましい。また、カーボンナノファイバーの配合量は、得られる成形品の強度、耐熱性・放熱性及び耐摩耗性の観点から、焼結摩擦材２中に０．０１〜５０重量％の範囲で含まれていることが好ましい。このようなカーボンナノファイバーは、炭素六角網面のグラフェンシートが円筒状に閉じた単層構造あるいはこれらの円筒構造が入れ子状に配置された多層構造をしたいわゆるカーボンナノチューブなどである。カーボンナノチューブは、単層構造のみから構成されていても多層構造のみから構成されていても良く、単層構造と多層構造が混在していてもかまわない。また、部分的にカーボンナノチューブの構造を有している炭素材料も使用することができる。なお、カーボンナノチューブという名称の他にグラファイトフィブリルナノチューブといった名称で称されることもある。
【００３１】
単層カーボンナノチューブもしくは多層カーボンナノチューブは、アーク放電法、レーザーアブレーション法、気相成長法などによって望ましいサイズに製造される。金属粉（銅合金粉）に混合する際には、カーボンナノファイバーの製造時に同時に生成されたフラーレン類等の他の炭素及び炭素化合物を含んでもよいし、カーボンナノファイバーだけでもよい。
【００３２】
アーク放電法は、大気圧よりもやや低い圧力のアルゴンや水素雰囲気下で、炭素棒でできた電極材料の間にアーク放電を行うことで、陰極に堆積した多層カーボンナノチューブを得るものである。また、単層カーボンナノチューブは、前記炭素棒中にニッケル／コバルトなどの触媒を混ぜてアーク放電を行い、処理容器の内側面に付着するすすから得られる。
【００３３】
レーザーアブレーション法は、希ガス（例えばアルゴン）中で、ターゲットであるニッケル／コバルトなどの触媒を混ぜた炭素表面にＹＡＧレーザーの強いパルスレーザー光を照射することによって炭素表面が溶融・蒸発し、単層カーボンナノチューブを得るものである。
【００３４】
気相成長法は、ベンゼンやトルエン等の炭化水素を気相で熱分解し、カーボンナノチューブを合成するもので、流動触媒法やゼオライト担持触媒法などがある。
【００３５】
これら単層・多層カーボンナノチューブなどのカーボンナノファイバーは、焼結摩擦材２の主原料である銅合金粉と混練する前に、あらかじめ表面処理例えば、イオン注入処理、スパッタエッチング処理、プラズマ処理などを行うことによって、焼結摩擦材２の主原料である銅合金粉との接着性やぬれ性を改善することができる。
【００３６】
（イオン注入処理）
イオン注入処理（ｉｏｎ  ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ）は、イオン源によってイオン化された元素例えば酸素などに加速器によって必要なエネルギーを与え、真空ポンプによって高真空状態に保たれた真空チャンバにあるカーボンナノファイバーの表面内にイオンを打ちこむものである。
【００３７】
本発明の一実施の形態のイオン注入処理について、図４に示す全方位型イオン注入装置の概略構成図を用いて説明する。全方位型イオン注入装置５０は、真空ポンプ５７に接続された例えばステンレス製の真空チャンバー５１内にイオン注入処理を施す試料（例えばカーボンナノファイバー５２）を置く回転テーブル５３が回転自在に配置されている。回転テーブル５３は、パルスバイアス電源５４に接続され、真空チャンバー５１との間は絶縁体５５によって絶縁されている。真空チャンバー５１は、プロセスガス供給装置５８と、高周波電源５９に接続されたコイル６０と、アーク式蒸発源６１と、真空チャンバー５１内温度を測定する赤外線放射温度計６２と接続されている。
【００３８】
イオン注入処理は、真空ポンプ５７によって適当な真空状態とされた真空チャンバー５１内に、プロセスガス供給装置５８からガスが供給され、高周波電源５９によってコイル６０の周りにプラズマを発生させる。これによってイオン化されたガスが、パルスバイアス電源５４の負極に接続されている試料例えばカーボンナノファイバー５２に引き込まれ、注入される。また、真空チャンバー５１に接続されたアーク式蒸発源６１によって、金属イオンを試料例えばカーボンナノファイバー５２に注入させることができる。この場合、アーク式蒸発源６１内の金属蒸発源は、図示せぬ直流アーク電源に接続され、アーク放電によって蒸発させられる。このとき、回転テーブル５３及び試料例えばカーボンナノファイバー５２は、スイッチ６３によって切りかえられた負の直流バイアス電源５６により印加されているので、金属イオンが試料例えばカーボンナノファイバー５２に注入される。
【００３９】
また、全方位型イオン注入装置５０の回転テーブル５３を図５に示すような攪拌羽５３ａ及び容器５３ｂとしてもよい。容器５３ｂは、広口の開口部を上方に有し、容器５３ｂ中には試料例えばカーボンナノファイバー５２を配置できる。イオン注入処理の間、カーボンナノファイバー５２のような粉体の試料は、攪拌羽５３ａの回転によって攪拌されることで、全体にまんべんなくイオン注入処理を受けることができる。攪拌翼５３ａの回転速度は、カーボンナノファイバー５２の量や、イオン注入処理時間などによって適宜調整することができる。
【００４０】
イオン注入処理されたカーボンナノファイバーは、その表面が化学的に改質され、焼結摩擦材２の主原料である銅合金に対するぬれ性や接着性などが改善される。
【００４１】
イオン注入処理に用いられる元素は、例えば、酸素（Ｏ）、窒素（Ｎ）、塩素（Ｃｌ）、クロム（Ｃｒ）、炭素（Ｃ）、ホウ素（Ｂ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、リン（Ｐ）、アルミニウム（Ａｌ）等焼結摩擦材２の主原料である銅合金粉との相性によって適宜選択することができる。
【００４２】
（スパッタエッチング処理）
ドライエッチング方式のスパッタエッチング処理は、真空ポンプによって高真空状態に保たれた真空チャンバ内にエッチングガス、極低圧不活性ガス雰囲気例えばアルゴン（Ａｒ）中で、交流を印加してグロー放電を行わせ、かつグロー放電によって生じたプラズマ中に露出される電極と接触したカーボンナノファイバーの表面にイオンを衝突させることで、エッチングするものである。
【００４３】
スパッタエッチング処理されたカーボンナノファイバーの表面は、物理的にエッチングされることで、微細（ナノサイズ）な凹凸が形成される。このカーボンナノファイバーの表面の凹凸が、焼結時に焼結摩擦材２の主原料である銅合金粉との接触面積を増大させることとなり、銅合金とカーボンナノファイバーとの溶着強度を向上させることができる。
【００４４】
（プラズマ処理）
プラズマ処理は、プラズマをカーボンナノファイバーに照射することによって表面を改質させるものである。プラズマ処理は、一般的なグロー放電処理やコロナ放電処理などを採用することができる。
【００４５】
プラズマは、相対向する放電極と対向電極との間に、パルス生成回路によって生成された高電圧・高頻度のパルス電圧を印加し、両電極間にコロナ放電を惹起して空気中にプラズマを発生させるようにしている。そして、被処理物は、両電極間に静止状態又は移動状態で配置され、その表面にプラズマ処理が施される。
【００４６】
プラズマの作り方には、２枚の平行平板電極に数百から数千ボルトの電圧をかけて放電する二極放電タイプ、熱陰極から発した大量の電子が陽極に入るまでに気体分子と衝突しプラズマを作る熱電子放電タイプ、磁場を使って高真空で放電するマグネトロン放電タイプ、高周波電磁誘導によりプラズマを発生させる無電極放電タイプ、磁場のある共振室へマイクロ波を送りこみ電子を共振させるＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）放電タイプなどがあり、適宜選択することができる。
【００４７】
このようにプラズマ処理されたカーボンナノファイバーの表面は、焼結摩擦材２の主原料である銅合金との接着性やぬれ性が改善し、銅合金とカーボンナノファイバーとの溶着強度を向上させることができる。
【００４８】
本実施の形態に用いられるフラーレンは、球殻状炭素例えばカーボン６０（以下Ｃ６０とする）、Ｃ７０、Ｃ７４、Ｃ７６、Ｃ７８、Ｃ８２、Ｃ８４、Ｃ７２０、Ｃ８６０などのフラーレン類などが挙げられるが、Ｃ６０を主成分とすることが好ましい。また、Ｃ６０を主成分として、Ｃ７０がＣ６０よりも少量含まれるフラーレンを用いることが好ましい。さらに、Ｃ６０を主成分として、他のフラーレン類を含んでもよいし、フラーレン以外のフラーレン生成時に同時に生成された他の炭素及び炭素化合物を含んでもよい。フラーレン類の形態は、例えば、サッカーボール状、バッキーボール状などであってもよい。
【００４９】
また、フラーレン類は置換基の導入などにより修飾されていてもよい。修飾方法は、特に限定されず、例えば、フラーレン類の反応性に富む炭素５員環部を化学的に修飾できる。置換基の種類は、特に限定されず、例えば、アルキル基、アリール基、アラルキル基、ジオキソラン単位、ハロゲン又は酸素原子などが例示でき、液晶ポリマー、色素類、ポリエチレンオキシドなどの導入により修飾してもよい。フラーレン類の修飾により、選択された金属粉（例えば銅合金粉）との親和性の改善、フラーレン類の分散を可能にする。
【００５０】
Ｃ６０フラーレンは、黒鉛電極を用い、ヘリウム雰囲気でアーク放電し、得られたススをベンゼンで抽出し、得られたＣ６０混合物を、塩基性活性アルミナを担体とし、ヘキサンを展開溶媒として、カラム分離精製することにより調製した。フラーレンを得る方法は、このアーク放電法に限らず、他の手法でもよい。
【００５１】
なお、本発明は、本実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の形態に変形可能である。
【００５２】
例えば、本実施の形態においては、ディスクブレーキのパッドについて説明したが、ドラムブレーキのシューの焼結摩擦材としても適用可能である。ドラムブレーキ（図示しない）は、略円筒状のドラムの内周面に略半円状のブレーキシューを押圧することで、摩擦力を発生させる装置である。ブレーキシューの配置によって、リーディングトレーリング式やツーリーディング式、若しくはデュオサーボ式等に分類されるが、どの方式のシューにも本発明の焼結摩擦材を適用することができる。ドラムブレーキは、本発明の焼結摩擦材を使用することで、ディスクブレーキのパッドに用いた効果に加えて、特に放熱性の特徴が有効である。
【００５３】
また、自動車のクラッチに用いるクラッチフェーシング（図示しない）としても適用可能である。クラッチフェーシングは、自動車用のクラッチにおいて、クラッチディスクの表面に設けられ、相手プレートとの摩擦係合の断続によりエンジンと変速機間の動力の伝達を断続するものである。クラッチフェーシングに本発明の摩擦材を採用することで、上記ディスクブレーキのパッドに用いた効果に加えて、クラッチフェーシングに要求される回転破壊強度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係るディスクブレーキ用のパッドの正面図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係るディスクブレーキ用のパッドの一部切欠き平面図である。
【図３】本発明の一実施の形態に係るディスクブレーキ用のパッドの背面図である。
【図４】本発明の一実施の形態に用いられる全方位型イオン注入装置の概略説明図である。
【図５】全方位型イオン注入装置の回転テーブルの他の実施態様を示す一部断面図である。
【図６】本発明の一実施の形態に係るディスクブレーキの断面図である。
【符号の説明】
１      パッド
２      焼結摩擦材
３      プレート
４      結着孔
１０    ディスクブレーキ
１１    キャリパボディ
１２    ピストン
１３    ディスクロータ
２１    平坦面
５０    全方位型イオン注入装置
５３    回転テーブル
５３ａ  攪拌羽
５３ｂ  容器
【図１】
2004218770.tif 000003
【図２】
2004218770.tif 000004
【図３】
2004218770.tif 000005
【図４】
2004218770.tif 000006
【図５】
2004218770.tif 000007
【図６】
2004218770.tif 000008