(57)【要約】      （修正有）【課題】ＰＲＴＲ法の指定化学物質を含まず、摩擦係数、強度、耐摩耗性、相手材への低攻撃性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】金属材料をマトリックスとし、潤滑材と研削材とを含む焼結摩擦材であり、成分として鉄／アルミニウム複合材、又はアルミニウム／アルミナ複合材の一方又は両方の複合材を含むことで、鉄粉表面にアルミニウムが複合化され、この複合材により摩擦材中の鉄と相手材（主として普通鋳鉄、低合金鋼、ステンレス等の鉄系材料）中の鉄同士の同種摩擦が防げる。そして、アルミニウムに微細なアルミナを複合化する事で、アルミニウムを熱的に強化して、耐熱強度向上に寄与し、これによって耐摩耗性を向上させた焼結摩擦材が得られる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属材料をマトリックスとし、潤滑材と研削材とを含む焼結摩擦材において、鉄／アルミニウム複合材、又はアルミニウム／アルミナ複合材の一方又は両方の複合材を含むことから成る焼結摩擦材。
【請求項２】
前記鉄／アルミニウム複合材は、還元鉄２１〜４６ｖｏｌ％及びアルミニウム３〜２０ｖｏｌ％を含み、しかもその合計含有量が２６〜５８ｖｏｌ％であることから成る請求項１に記載の焼結摩擦材。
【請求項３】
前記鉄／アルミニウム複合材を使用する場合、前記鉄／アルミニウム複合材中のアルミニウムを含めたアルミニウムの含有量は５〜２５ｖｏｌ％であることから成る請求項２に記載の焼結摩擦材。
【請求項４】
前記研削材として平均粒径５０〜２５０μｍのマグネシア１０ｖｏｌ％以下を含み、且つ平均粒径５〜２０μｍのアルミナとの合計が５〜１５ｖｏｌ％であり、前記潤滑材として黒鉛３０〜４５ｖｏｌ％を含むことから成る請求項３に記載の焼結摩擦材。
【請求項５】
前記アルミニウム／アルミナ複合材は、アルミニウム１２〜２０ｖｏｌ％及び平均粒径０．３〜２μｍの微細アルミナ２〜８ｖｏｌ％を含み、しかもその合計含有量が１８〜２２ｖｏｌ％であることから成る請求項１に記載の焼結摩擦材。
【請求項６】
前記研削材として平均粒径５０〜２５０μｍのマグネシア１０ｖｏｌ％以下を含み、且つ平均粒径５〜２０μｍのアルミナとの合計が５〜１５ｖｏｌ％であり、前記潤滑材として黒鉛３０〜４５ｖｏｌ％を含むことから成る請求項５に記載の焼結摩擦材。
【請求項７】
前記鉄／アルミニウム複合材２６〜５８ｖｏｌ％と前記アルミニウム／アルミナ複合材１８〜２２ｖｏｌ％との合計含有量が４０〜６５ｖｏｌ％であることから成る請求項１に記載の焼結摩擦材。
【請求項８】
前記研削材として平均粒径５０〜２５０μｍのマグネシア１０ｖｏｌ％以下を含み、且つ平均粒径５〜２０μｍのアルミナとの合計が５〜１５ｖｏｌ％であり、前記潤滑材として黒鉛３０〜４５ｖｏｌ％を含むことから成る請求項７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】
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前記材料のうちで、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。
【０００４】
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。しかしこれまで主成分としていた銅や錫を使用せず、鉄系材料を主成分とした焼結摩擦材の場合には、ブレーキ制動による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問題点があり、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。しかしながら、高負荷条件の評価で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。
【０００５】
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。
【０００６】
また、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。
【０００７】
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。
【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しないことで、環境保護に貢献するとともに、主成分を鉄系材料とし、鉄の同種摩擦を防ぐためにアルミニウムを複合材の形で含む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、摩擦係数、強度、耐摩耗性、相手材への低攻撃性等のブレーキ制動時の性能にも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】
この発明による焼結摩擦材は、金属材料をマトリックスとし、潤滑材と研削材とを含む焼結摩擦材であり、鉄／アルミニウム複合材、又はアルミニウム／アルミナ複合材の一方又は両方の複合材を含むことから成っている。
【００１１】
この焼結摩擦材は、従来の銅粉末が主体である摩擦材に代えて、鉄、ここでは還元鉄から形成された粉末をベースに構成されている。鉄系の焼結摩擦材は、ブレーキディスクのような相手材と同様の材料となるので、ブレーキを掛けるときの鉄系同種の摩擦摺動に起因して摩耗量が多くなる傾向にある。このような場合、摩擦摺動面間に異種材料を介在させると、固体潤滑材としての機能が働き、摩耗量が軽減できることが判っている。そこで、摩擦材の成分として鉄／アルミニウム複合材、又はアルミニウム／アルミナ複合材の一方又は両方の複合材を含むことで、鉄粉表面にアルミニウムが複合化される。この複合材により摩擦材中の鉄と相手材（主として普通鋳鉄、低合金鋼、ステンレス等の鉄系材料）中の鉄同士の同種摩擦が防げる。
【００１２】
この焼結摩擦材において、前記鉄／アルミニウム複合材は、還元鉄２１〜４６ｖｏｌ％及びアルミニウム３〜２０ｖｏｌ％を含み、しかもその合計含有量が２６〜５８ｖｏｌ％であるとすることができる。融点が高い還元鉄粉を主成分とするため、高温下での摩擦特性が優れている。
【００１３】
上記焼結摩擦材において、前記鉄／アルミニウム複合材を使用する場合は、鉄／アルミニウム複合材中のアルミニウムを含めたアルミニウム含有量は５〜２５ｖｏｌ％とすることができる。
【００１４】
この焼結摩擦材において、前記研削材として平均粒径５０〜２５０μｍのマグネシア１０ｖｏｌ％以下を含み、且つ平均粒径５〜２０μｍのアルミナとの合計が５〜１５ｖｏｌ％であり、前記潤滑材として黒鉛３０〜４５ｖｏｌ％を含むことができる。マグネシアは、マグネシウムの酸化物であって高硬度ではないセラミックスであり、相手材をあまり損傷することなく摩擦係数を確保する目的で配合される。マグネシアを含有する上記の焼結摩擦材において、前記研削成分として粒径５〜２０μｍのアルミナを更に含むことができる。マグネシアは硬度の低い材料であるので、摩擦係数を更に確保する目的で、硬度のより高いアルミナを含有させることができる。この場合、アルミナの粒径をマグネシアの粒径よりも小さくしているので、相手材への攻撃性を低くすることができる。
【００１５】
本焼結摩擦材において、前記アルミニウム／アルミナ複合材は、アルミニウム１２〜２０ｖｏｌ％及びアルミナ２〜８ｖｏｌ％を含み、しかもその合計含有量を１８〜２２ｖｏｌ％の範囲とすることができる。
【００１６】
この焼結摩擦材において、前記研削材として平均粒径５０〜２５０μｍのマグネシア１０ｖｏｌ％以下を含み、且つ平均粒径５〜２０μｍのアルミナとの合計が５〜１５ｖｏｌ％であり、前記潤滑材として黒鉛３０〜４５ｖｏｌ％を含むことができる。マグネシアは硬度の低い材料であるので、摩擦係数を更に確保する目的で、硬度がより高いがマグネシアの粒径よりも小さくいアルミナを含有させることができる。この場合、アルミナの粒径をマグネシアの粒径よりも小さくしているので、相手材への攻撃性を弱くすることができる。更に、潤滑材としての黒鉛は、通常よりも多量に含有することにより、相手材攻撃性を更に低下させることができる。
【００１７】
本焼結摩擦材において、前記鉄／アルミニウム複合材２６〜５８ｖｏｌ％と前記アルミニウム／アルミナ複合材１８〜２２ｖｏｌ％との合計含有量を４０〜６５ｖｏｌ％とすることができる。
【００１８】
上記焼結摩擦材において、前記研削材として平均粒径５０〜２５０μｍのマグネシア１０ｖｏｌ％以下を含み、且つ平均粒径５〜２０μｍのアルミナとの合計が５〜１５ｖｏｌ％であり、前記潤滑材として黒鉛３０〜４５ｖｏｌ％を含むことができる。
【発明の効果】
【００１９】
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、次のような効果を奏する。即ち、先ず、本発明品は主成分が鉄系材料で、他の配合材は鉄の同種摩擦を防ぐためのアルミニウム、潤滑材の黒鉛、研削材のマグネシアを使用しており、ＰＲＴＲ法の指定化学物質をまったく使用していないので、本焼結摩擦材は環境保護の点で優れた摩擦材を提供することができる。
また、鉄／アルミニウム複合材を使用することによって、摩擦界面にアルミの薄膜が形成され、摩擦材中の鉄と相手材（主として普通鋳鉄、低合金鋼、ステンレス等の鉄系材料）中の鉄同士の同種摩擦を防ぐことができる。特に、鉄系材料を還元鉄粉とし、熱処理で還元鉄粉表面にアルミニウムを複合化する場合には、この複合材により摩擦材中の鉄と相手材（主として普通鋳鉄、低合金鋼、ステンレス等の鉄系材料）中の鉄同士の同種摩擦を防ぐことができる。
また、複合材に含まれるアルミニウムの耐熱・耐摩耗性を向上させるため、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）複合材を焼結摩擦材に使用していることにより、耐摩耗性が向上する。即ち、鉄の同種摩擦を防ぐアルミニウムは融点が６６０℃と低い。高融点の微細アルミナをＭＡ（メカニカルアロイング）で複合化することで、アルミニウムの耐熱性を向上することができる。この複合材はアルミニウム内部に高融点の微細アルミナを均一に分布させているため、アルミニウムの耐熱強度を効率良く向上させることができる。
また、鉄／アルミニウム複合材とアルミニウム／アルミナ複合材を併用することで、各々使用するより耐摩耗性を更に向上させることができる。
【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を更に、詳細に説明する。
【実施例】
【００２１】
まず、原材料として平均粒径約１９０μｍのマグネシア粉末と、平均粒径約１２μｍと平均粒径約１．２μｍの微細なアルミナ粉末と、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１６０μｍの還元鉄粉と、平均粒径２２μｍのアルミニウム粉末とを用意し、複合材としては、還元鉄粉にアルミニウム粉末を熱処理した材質と、アルミニウム粉末に平均粒径約１．２μｍと微細なアルミナ粉末をＭＡした材質を用意した。
【００２２】
次に、上記の各原材料を表１に示す配合Ｃに各々秤量後、撹拌らい潰機（（株）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、比較材として現在量産されている銅系焼結材Ａの混合粉末と、本出願人の考案によるところの還元鉄粉を基材に微細アルミナを添加した配合の代表例Ｂ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８００〜１１５０℃、保持時間５ｍｉｎの条件で焼結を行った。なお、Ａ配合材は量産材と同条件で作製するため、バッチ式焼結炉（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。
【００２４】
焼結後、各焼結体の相対密度（焼結体の見掛け密度／焼結体の真密度の百分率）、硬さを測定した。また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。硬さはロックウェル硬さ試験機のＳスケール（ＨＲ．Ｓ）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】
表１に焼結条件、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耗量を示す。本実施例の試料は、試料記号Ｃ１〜Ｃ５で示されている。濃い方のハッチングを付した部分は鉄／アルミニウム複合材を示し、薄い方のハッチングを付した部分はアルミニウム／アルミナ複合材を示す。
【表１】
2007107068.tif 000002
【００２６】
配合の摩擦試験結果に与える影響から判断して、各成分の適正範囲は下記の通りであった。
鉄同士の同種摩擦を防ぐための鉄／アルミニウム複合材は、還元鉄粉：２１〜４６ｖｏｌ％、アルミニウム：３〜２０ｖｏｌ％（但し、還元鉄粉＋アルミニウム：２６〜５８ｖｏｌ％の範囲）の範囲である。
この場合の配合粉末は、
鉄／アルミニウム複合材：２６〜５８ｖｏｌ％
アルミニウム：５〜２５ｖｏｌ％（Ｆｅ／Ａｌ複合材中のアルミニウムを含む）
微細アルミナ（平均粒径：０．３〜２μｍ）：２〜７ｖｏｌ％
（但し、鉄／アルミニウム複合材＋アルミニウム＋微細アルミナ：２８〜６０ｖｏｌ％の範囲）
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％
この範囲で、摩擦材と相手材の摩耗量が少ない焼結摩擦材が得られる。
【００２７】
また、アルミの耐熱・耐摩耗性を向上させるためのアルミニウム／アルミナ複合材は、アルミニウム：１２〜２０ｖｏｌ％、微細アルミナ：２〜８ｖｏｌ％（但し、アルミニウム＋アルミナ：１８〜２２ｖｏｌ％の範囲）の範囲である。
この場合の配合粉末は、
アルミニウム／アルミナ複合材：１８〜２２ｖｏｌ％
還元鉄：２６〜５３ｖｏｌ％
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％
この範囲で、摩擦材と相手材の摩耗量が少ない焼結摩擦材が得られる。
【００２８】
更に、上記両複合材を併用する場合の配合粉末は、
鉄／アルミニウム複合材：２６〜５８ｖｏｌ％
アルミニウム／アルミナ複合材：１８〜２２ｖｏｌ％
（但し、鉄／アルミニウム複合材＋アルミニウム／アルミナ複合材：４０〜６５ｖｏｌ％の範囲）
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％
の範囲である。