(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属材料をマトリックスとし、少なくとも摩擦調整材、固体潤滑材を加えて固相焼結した後、常温で再圧縮してなる焼結摩擦材であって、マトリックスを形成する金属材料が、ＣｕとＮｉとの重量比（Ｎｉ／Ｃｕ）で０．１〜０．５であって、摩擦材全体に対し、ＣｕとＮｉを合計重量で５０〜８５％含有し、Ｃｕよりも溶融点の高い、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｗのうちの２種以上を、摩擦材全体に対し、合計量で１５％以下（但し、ＣｕとＮｉの合計含有量が８５％を越えないものとする）の範囲で含有してなり、Ｃｕよりも溶融点の低い、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｚｎの合計含有量を０．５％未満に制限し、摩擦調整材および固体潤滑材は粒径が１０〜３００μｍの粉粒体であり、摩擦材全体に対し合計量で１５〜５０％（重量％、以下同じ）含有しており、圧縮弾性率が２０〜６５ｋｇｆ／ｍｍ２、気孔率が３５〜５５％、曲げ強度が４００ｋｇｆ／ｃｍ２以上であることを特徴とするメタリック摩擦材。
【請求項２】
請求項１記載のメタリック系の焼結摩擦材と鉄系材料からなる芯材を、ろう材を介して接合することを特徴とするメタリック摩擦材の製造方法。
【請求項３】
芯材の接合面にＣｕメッキを施し、摩擦材との間に、ろう材として銀ろうまたはＣｕ系急冷凝固ろう材を介挿して、加熱ろう付け接合することを特徴とする請求項２記載のメタリック摩擦材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、メタリック摩擦材、詳しくは金属材料をマトリックスとし、少なくとも摩擦調整材、固体潤滑材を加えて固相焼結してなり、車両用ブレーキ材などとして使用されるメタリック摩擦材およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車、二輪車、産業用車両、鉄道車両、航空機などのブレーキ材、クラッチ材などとして使用される摩擦材、とくに自動車、二輪車の摩擦材としては、従来、摩擦調整材、固体潤滑材などの充填材料を樹脂で結合させたレジン摩擦材が用いられていたが、近年、低公害や省資源など、環境問題に対応するため車両の軽量化の要請が強く、そのために車両部品であるブレーキ材などに対しても軽量化が要求されている。
【０００３】
ブレーキ材の軽量化を達成するためには、その小型化が有効であり、摩擦材に要求される▲１▼高摩擦係数、▲２▼耐摩耗性、▲３▼耐熱フェード性について、一層の性能向上が求められているが、従来のレジン摩擦材では性能向上に限界がある。一方、充填材料を金属材料マトリックスで結合したメタリック摩擦材は、耐熱フェード性に優れ、より良好な耐摩耗性をそなえていることから、軽量化の先行している二輪車ではすでに主流となっており、自動車分野においても、レジン摩擦材に代わりその使用が期待されている。
【０００４】
しかしながら、メタリック摩擦材は、レジン摩擦材に比較して、ブレーキ制動時に異音（ブレーキ鳴き）が発生し易いという難点がある。レジン摩擦材については、ブレーキ鳴き頻度は、その弾性率に比例することが知られているが、メタリック摩擦材のうち、とくに液相焼結材は強度が得られ易い代わりに弾性率が高く、ブレーキ鳴きが生じ易い。ブレーキ鳴きに対しては、レジン摩擦材を対象として種々の防止対策が提案されているが（特開平4-39376 号公報、特開平4-114085号公報、特開平4-283287号公報、特開平5-17739 号公報) 、いずれもメタリック摩擦材には適用し難く、適用したとしても、摩擦材の特性が損われるおそれがある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、メタリック摩擦材における従来の上記問題点を解消するために、マトリックスとなる金属材料の組成、充填材料とその原料粒径および含有割合、焼結形成された摩擦材の圧縮弾性率などとブレーキ鳴き発生との関連について多角的に実験、検討を重ねた結果としてなされたものであり、その目的は、摩擦材として必要な特性および強度を確保しながら、弾性率が低く、ブレーキ材として使用した場合、制動、係合時に発生するブレーキ鳴きを大幅に低減させることができるメタリック摩擦材を提供することにある。
【０００６】
さらに、メタリック摩擦材は、ブレーキ材などへの適用に関連して、通常、鋼板を裏金とした芯材と一体に接合して製品化されるので、摩擦材と芯材を位置ずれなしに強固に接合する技術が製造上の重要な工程となる。本発明で特定されたメタリック摩擦材と芯材とを高い接合強度で一体としたメタリック摩擦材を得るためのメタリック摩擦材の製造方法を提供することも本発明の目的である。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための請求項１によるメタリック摩擦材は、金属材料をマトリックスとし、少なくとも摩擦調整材、固体潤滑材を加えて固相焼結した後、常温で再圧縮してなる焼結摩擦材であって、マトリックスを形成する金属材料が主要成分としてＣｕとＮｉを含み、摩擦調整材および固体潤滑材は粒径が１０〜３００μｍの粉粒体であり、摩擦材全体に対し合計量で１５〜５０％含有していることを構成要件とし、以下の特徴を有する。
【０００８】
すなわち、マトリックスを形成する金属材料が、ＣｕとＮｉとの重量比（Ｎｉ／Ｃｕ）で０．１〜０．５であって、摩擦材全体に対し、ＣｕとＮｉを合計重量で５０〜８５％含有し、Ｃｕよりも溶融点の高い、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｗのうちの２種以上を、摩擦材全体に対し、合計量で１５％以下（但し、ＣｕとＮｉの合計含有量が８５％を越えないものとする）の範囲で含有してなり、Ｃｕよりも溶融点の低い、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｚｎの合計含有量を０．５％未満に制限したことを特徴とする。
【０００９】
また、圧縮弾性率が２０〜６５ｋｇｆ／ｍｍ２、気孔率が３５〜５５％、曲げ強度が４００ｋｇｆ／ｃｍ２以上の範囲に調整されていることを特徴とする。
【００１０】
本発明によるメタリック摩擦材の製造方法は、上記のメタリック摩擦材と鉄系材料からなる芯材を、ろう材を介して接合すること、および芯材の接合面にＣｕメッキを施し、摩擦材との間に、ろう材として銀ろうまたはＣｕ系急冷凝固ろう材を介挿して、加熱ろう付け接合することを特徴とする。
【００１１】
本発明において、マトリックスを形成する金属材料は、主要成分としてＣｕとＮｉを含有する。ＣｕとＮｉは固相焼結によりＣｕ同士またはＣｕとＮｉ同士の固相拡散により部分的に接合または合金化してマトリックスの強度を高め、耐摩耗性を向上させる。上記のマトリックス特性を得るために、ＣｕとＮｉとの重量比（Ｎｉ／Ｃｕ）が０．１〜０．５であって、ＣｕおよびＮｉが、摩擦材全体に対し、合計重量で５０〜８５％含有するマトリックスを形成することが好ましい。
【００１２】
充填材としては、少なくとも摩擦調整材および固体潤滑材を加える。摩擦調整材としては、ＳｉＯ2 、Ａｌ2 Ｏ3 、Ｚｒ2 Ｏ3 などの金属酸化物、ムライト、コークスなどが用いられ、固体潤滑材としては、黒鉛、二硫化モリブデン、窒化硼素、ＣａＦ2 などが適用される。本発明においては、これらの摩擦調整材および固体潤滑材は、粒径１０〜３００μｍの粉粒体からなり、摩擦材全体に対し、合計含有量を１５〜５０％とするのが好ましい。摩擦調整材および固体潤滑材の粒径が下限未満ではこれらの添加効果が小さく、摩擦材の曲げ強度などの強度特性が劣る。上限を越えると、粒子の脱落、相手板への攻撃性が高くなるなどの不具合が生じる。合計含有量が１５％未満では摩擦係数が低下し易く摩擦係数の安定性に劣り、５０％を越える場合は強度特性が劣る。なお、摩擦調整材および固体充填材の他に、窒化ケイ素、炭化ケイ素などの硬質粒子、カーボン繊維、炭化ケイ素繊維、炭化ケイ珪素ウイスカーなどの繊維質補強材を添加することもできる。
【００１３】
マトリックスを構成する金属材料中に、Ｃｕよりも溶融点の高い金属および合金（但し、Ｎｉを除く）のうちの１種または２種以上を、摩擦材全体に対し、合計量で１５％以下の範囲で含有させることにより、摩擦特性の改善を図ることができる。但し、この場合、ＣｕとＮｉの合計含有量が８５％を越えないものとする。上記の金属としては、とくにＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｗが好ましく、合金としては、Ｎｉ−Ｃｕ系、Ｎｉ−Ｃｒ系などのＮｉ合金、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏなどの成分を含むＦｅ系合金などが好ましい。これらの金属、合金は粉粒体、繊維、ウイスカーなどの形態で使用できる。マトリックスを構成する金属材料中に、Ｃｕと相溶してＣｕの融点を下げる金属として、Ｃｕより溶融点の低いＳｎ、Ｐｂ、Ｚｎなどの金属、合金を添加することがあるが、この場合は焼結が促進され摩擦材が緻密化してブレーキ鳴きが生じ易くなるので、上記低融点金属、合金の含有量は０．５％未満に制限するのが好ましい。
【００１４】
本発明のメタリック摩擦材においても、摩擦材をブレーキ材として使用した場合、ブレーキ鳴き頻度は圧縮弾性率と相関することが認められ、ブレーキ鳴きを十分に低減するためには、摩擦材の圧縮弾性率を１０〜６５ｋｇｆ／ｍｍ2 に調整することが好ましい。より好ましくは５５ｋｇｆ／ｍｍ2 以下に調整する。また、曲げ強度は圧縮弾性率と相関するので、曲げ強度を４００ｋｇｆ／ｃｍ2 以上とするには圧縮弾性率を２０ｋｇｆ／ｍｍ2 以上に調整することが望ましい。このブレーキ鳴き一圧縮弾性率と曲げ強度一圧縮弾性率の関係から、ブレーキ摩擦材としては圧縮弾性率を１５〜６５ｋｇｆ／ｍｍ2 の範囲より好ましくは２０〜５５ｋｇｆ／ｍｍ2 の範囲に調整することで良好な特性が得られる。摩擦材の気孔率は、曲げ強度、すなわち圧縮弾性率に影響するが、気孔率は３５〜５５％に制御するのが好ましく、３５％未満の気孔率では、圧縮弾性率が大きくなってブレーキ鳴きが生じ易くなる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明のメタリック摩擦材を得るには、図１に示すように、マトリックスを構成するＣｕとＮｉを、例えばＣｕ粉（電解粉）、Ｎｉ粉（カルボニル粉）および／またはＣｕ−Ｎｉ合金粉をＮｉ／Ｃｕ比：０．１〜０．５として供給し、Ｃｕよりも溶融点の高いＣｒ、Ｆｅなどの金属の粉体、粒径が１０〜３００μｍのＳｉＯ2 粉末などの摩擦調整材、粒径が１０〜３００μｍの黒鉛粉末などの固体潤滑材を準備し、これらの粉末を摩擦調整材および固体潤滑材の含有量が１５〜５０％となるよう配合して乾式混合し、例えば、２〜６ｔ／ｃｍ2 の加圧力を加えて所定の形状に成型する。
【００１６】
成型後、還元性雰囲気中あるいは真空下において、７５０〜１０５０℃の温度域で固相焼結を行う。焼結温度が１０５０℃を越えると、マトリックスのＣｕが溶融して、液相焼結となり、きわめて高い強度が得られる反面、圧縮弾性率も高くなるため、ブレーキ鳴きが発生し易いという問題が生じる。固相焼結後、常温で再圧縮することもでき、再圧縮することにより、気孔率が調整でき曲げ強度、圧縮弾性率の調整を行うことが容易となる。なお、再圧縮力は、０．０５〜１ｔ／ｃｍ2 の範囲が好ましい。
【００１７】
得られたメタリック摩擦材を芯材と接合するには、Ｓ４５Ｃ、ＳＰＣＣなどの鋼板製芯板を用意し、好ましくは芯板の接合面にＣｕメッキを施し、ろう材を塗布、接着、溶射などの手段で被覆したのち、摩擦材と芯板とを重ね、真空雰囲気または水素ガス雰囲気などの還元性雰囲気中において、例えば６００〜９００℃の温度に加熱し、ろう材を介して両者を接合する。
【００１８】
ろう材としては、銀ろう、またはＣｕ系の急冷凝固ろう材が好ましい。Ｃｕ系の急冷凝固ろう材は、例えばＣｕ80Ｓｎ20の組成からなり、微細結晶構造を有し、流動性に優れたものであり、箔として提供され、とくにＣｕ／Ｆｅのろう付けに適したものである。
【００１９】
【実施例】
以下、本発明の実施例を比較例と対比して説明する。
実施例１
Ｃｕ粉（電解粉）、Ｎｉ粉（カルボニル粉）、高融点金属（Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｗ）の粉末（〜２００メッシュ）、摩擦調整材としてムライトの粉末、固体潤滑材として黒鉛の粉末を準備し、これらを表1に示す配合割合（重量％）で混合し、成型したのち、Ｈ２＋Ｎ２ガス雰囲気中で固相焼結し、再圧縮することによりメタリック摩擦材を作製した。金属マトリックスの構成を表２に、成型圧力、焼結温度および時間、再圧縮圧力を表３に示す。また、作製されたメタリック摩擦材の特性を、併せて表３に示す。表３にみられるように、本発明に従って作製された摩擦材（試験材Ｎｏ．２〜５）はいずれも、優れた曲げ強度をそなえ、５５ｋｇｆ／ｍｍ２は以下の圧縮弾性率を有している。なお、試験材Ｎｏ．１は参考例として示すものである。
【００２０】
【表１】
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【００２１】
【表２】
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【００２２】
【表３】
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【００２３】
比較例１
実施例１と同じ金属粉末、摩擦調整材および固体潤滑材として、実施例１と同様、ムライトおよび黒鉛の粉末を準備し、これらを混合、成型し、Ｈ2 ＋Ｎ2 ガス雰囲気中において焼結したのち、再圧縮してメタリック摩擦材を作製した。なお、金属材料として、Ｚｎ、ＳｎおよびＰｂの粉末も用意した。各粉末の配合割合（重量％）を表４に示す。また、マトリックス（母材）の構成、および製造条件と得られた摩擦材の特性を、それぞれ表５、表６および表７に示す。
【００２４】
【表４】
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【００２５】
【表５】
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【００２６】
【表６】
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【００２７】
【表７】
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【００２８】
表６に示すように、試験材No.6はマトリックス中にＳｎを含有し、試験材No.9は、Ｚｎ、ＳｎおよびＰｂを含有しているため、気孔率が小さく、圧縮弾性率が65kgf/mm2 を大きく越えている。試験材No.7は、摩擦調整材のムライトおよび固体潤滑材の黒鉛の粒径が小さいため、また試験材No.8は、ムライトおよび黒鉛の粒径が大き過ぎるため、いずれも曲げ強度が低い。試験材No.10 は、焼結温度が1100℃と高いため、マトリックス中のＣｕ分が溶融して液相焼結となったため、気孔率が低く、曲げ強度および圧縮弾性率が高くなっている。
【００２９】
また、表７にみられるように、試験材No.11 はマトリックス金属の量が少ないため、また試験材No.13 はマトリックス金属中のＮｉの含有比率が高いため、いずれも曲げ強度が十分でなく、試験材No.12 はマトリックス金属の量が多いため、また試験材No.14 はマトリックス金属中のＣｕの含有比率が高いため、いずれも圧縮弾性率が大きくなっている。
【００３０】
実施例２
実施例１のメタリック摩擦材（試験材Ｎｏ．２〜５）および参考例として示す試験材Ｎｏ．１を、外径１１７ｍｍ、幅３３ｍｍの形状に成形して面積３５ｃｍ２のブレーキパッドを作製し、有効径２０７ｍｍのＦＣ２５製ベンチレーテッドディスクを相手材として、シリンダ面積１７．３ｃｍ２のフローティング型ブレーキキャリバで、慣性質量を５ｋｇｆ・ｍ・ｓ２として、ブレーキ鳴き試験を行った。試験パターンを表８に示す。
【００３１】
【表８】
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【００３２】
鳴き試験は、表８に示すように、各制動前初速度について減速度を０．２、０．４および０．６Ｇと変えて各５回づつ、合計１０５回の制動を行い、この鳴き試験を５回繰り返して、平均摩擦係数、摩擦材（ライニング）の摩耗量、ディスクの摩耗量を測定し、鳴き係数を求めた。鳴き係数は、鳴き試験中に発生する鳴きの回数を制動回数で除して１００倍した値である。実車評価との関係においては、鳴き係数３０以下が好ましい。鳴き試験の結果を表９に示す。表９にみられるように、本発明に従う試験材Ｎｏ．２〜５は、摩耗量が小さく、いずれも鳴き係数が３０以下であり、ブレーキ鳴き発生は少なく、且つ摩擦係数も高く、ブレーキライニングおよびブレーキディスクの摩耗量も少なかった。
【００３３】
【表９】
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【００３４】
試験材No.1、No.2およびNo.5について、圧縮弾性率を変えたものを作製し、それぞれについて実施例２に従って鳴き係数を求め、圧縮弾性率と鳴き係数の関係をプロットした。その結果を図２に示す。図２によれば、圧縮弾性率が５５〜６０ｋｇｆ／ｍｍ2 以下の範囲で鳴き係数が３０以下となることがわかる。また、試験材No.1、No.2およびNo.5について、圧縮弾性率と曲げ強度の関係をプロットした結果を図３に示す。図３に示すように、両者には相関関係が認められる。
【００３５】
比較例２
比較例１のメタリック摩擦材（試験材No.6〜14）について、実施例２と同じ条件で鳴き試験を行った。結果を表１０および表１１に示す。表１０および表１１に示すように、試験材No.6、9 、10、12および14は、圧縮弾性率が大きいため、鳴き係数が高い。試験材No.7、8 、11および13は、強度が十分でないためライニングの摩耗量が大きい。試験材No.10 および12は強度が高過ぎることに起因してディスクの摩耗も激しい。
【００３６】
【表１０】
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【００３７】
【表１１】
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【００３８】
実施例３
試験材No.1、No.2およびNo.5をライニング材とし、芯板としてＳ４５Ｃの板材にＣｕメッキしたものを使用し、メッキ面を接合面として、Ｈ2 ＋Ｎ2 ガス雰囲気中で820 ℃の温度に加熱し、ライニング材と芯板とをろう付け接合した。使用したろう材およびその形態、接合強度、付着面積を表１１に示す。接合強度は、ろう付け接合したライニング材と芯板について、芯板を固定し、ライニング材に対し接合面と平行に荷重を負荷し、接合面が剪断破壊したときの強度を求め、接合強度とした。表１２に示すように、本発明に従う試験材はいずれも、芯板とろう付け接合した場合、ろう付け後、付着面積は１００％であり十分な接合強度を有していた。
【００３９】
【表１２】
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《表注》銀ろう：JIS 規格銀ろう(JIS BAg-8)
MBF2004B：日本非晶質金属（株）製  アモルファスＣｕ／Ｓｎろう材
【００４０】
【発明の効果】
以上のとおり、強度、耐摩耗性に優れているとともに、ブレーキ材などとして適用した場合、制動、係合時に発生する異音（鳴き）が大幅に低減することを可能とするメタリック摩擦材が提供される。当該摩擦材は、芯板と接合する場合、ろう付け接合により優れた接合強度を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のメタリック摩擦材を製造するための工程を示す概略図である。
【図２】本発明のメタリック摩擦材における圧縮弾性率と鳴き係数との関係を示すグラフである。
【図３】本発明のメタリック摩擦材における圧縮弾性率と曲げ強度との関係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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