(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
硬質材によって補強された主としてアルミニウム合金から成るローターやドラムの相手材として用いられる摩擦材であって、有機繊維基材と、バインダー樹脂、摩擦調整剤、充填剤、無機粉末の他に、金属繊維を含まず、無機繊維と、粒径が１〜４５μｍの金属粉末が添加されていることを特徴とする摩擦材。
【請求項２】
前記無機繊維は８５０℃以下に軟化点をもたない請求項１に記載の摩擦材。
【請求項３】
前記無機繊維は、硬さがモース硬度で３から５の範囲にある請求項１又は２に記載の摩擦材。
【請求項４】
前記無機繊維が、チタン酸カリウム繊維及びスラグウールから選ばれる１種以上である請求項１乃至３のいずれかに記載の摩擦材。
【請求項５】
前記金属粉末の粒径が２０〜４５μｍである請求項１に記載の摩擦材。
【請求項６】
前記金属粉末が、銅、鉄、及びアルミニウムから選ばれる１種以上若しくはその合金からなる請求項１又は５に記載の摩擦材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄道、トラック、乗用自動車等に使用される回転する物体を停止するためのブレーキ及びクラッチ等に用いられる摩擦材に関する。特に摩擦の相手材は硬質材によって補強されたアルミニウム合金を用いるものに適する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車等のブレーキのローターやドラムの材質は、主としてＦＣ２０〜３０の鋳鉄が用いられていたが、自動車の軽量化による低燃費を達成するため、硬質材によって補強されたアルミニウム合金が採用されるようになって来た。相手材の摩擦材も人体への安全性に関わる環境問題から、石綿を使用しない非石綿系摩擦材へ移行しつゝある。
【０００３】
ローターは、単に軽量であるばかりでなく優れた耐熱性、耐摩耗性が要求される。そのためローターの製造には、アルミニウム合金中に炭化ケイ素（ＳｉＣ）、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、酸化ケイ素（ＳｉＯ2）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）や酸化マグネシウム（ＭｇＯ）等のセラミックスから成る硬質材を配合した溶湯で鋳造したり、アルミ箔と炭素繊維プリプレグを交互に積層してホットプレスで成形する等の方法があった。しかし、後者の方法は製造工程が複雑で不経済であるため、近年は前者が主流となっている。
【０００４】
一方、非石綿系摩擦材の繊維基材としては、耐熱性の有機繊維、ガラス繊維、金属繊維等が、結合材としてはフェノール樹脂が、充填剤としては黒鉛、硫酸バリウム、炭酸カルシウム等が用いられている。摩擦材は、ブレーキの制動時に回転するローターとの摩擦により回転を制御することになるから、氷点下から数百度におよぶ広い温度範囲で、ローターとの摺接面における摩擦係数が安定して高く、且つ、適切な耐摩耗性を有していなければならない。
【０００５】
特開平６−２２８５３９号公報には、硬質材によって補強されたアルミニウム合金から成るローターと非石綿系摩擦材の組合せが提案されている。アルミニウム合金製のローターの補強材である硬質材には、一般的にモース硬度６以上のものが多く、摩擦材側にもモース硬度６以上の硬質無機材料を配合するのが好ましいと説明している。
【０００６】
そして、摩擦材側の硬質無機材料はモース硬度８以上がより好ましく、添加量は、０．１〜３０体積％、形態は、粉末なら粒径０．２〜２５０μｍ、繊維なら直径０．１〜１０μｍ、長さ１μｍ 〜５ｍｍが好ましいとしている。さらに、硬質無機材料としては、炭化ケイ素（ＳｉＣ）等の金属炭化物、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、酸化ケイ素（ＳｉＯ2）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）や酸化マグネシウム（ＭｇＯ）等によるセラミックス材の他、これらの二成分以上から成るセラミックス材、各種金属間化合物やニッケル−クロム合金等の硬質金属を例示している。この様なローターと摩擦材を組合せた従来技術は、優れた効き及び耐摩耗性を発揮すると共に対面（摩擦材の接するローター面）攻撃性に優れた効果が得られると説明している。
【０００７】
また、特表平８−５１０００３号公報では、アルミニウム合金複合ローターに対する摩擦材として、一般に用いられる非石綿摩擦材料に加えて多孔質銅粉を用いると、ローター表面に艶なる形成物が出来、この形成物により摩擦特性が安定するとしている。この形成物は、主として有機配合物の皮膜であるが、多孔質銅粉により、その皮膜形成が助長されるとの記載がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
即ち、ローターと摩擦材の摺り合せが進むにつれ、摩擦材に含まれるあらゆる摩耗微粉末は、制動熱によってローター表面にフィルム状に移着する。このローター表面に移着した皮膜は、摩擦材中の硬質無機材料によって研削され、ローター表面にアルミニウム素地のむき出し部分をつくる。このローターのむき出し部分となじみの良い摩擦材中の金属原料（この従来技術では黄銅繊維）が接触し、摩擦熱で局部的な温度上昇（ヒートスポット）が起きる。
【０００９】
そのヒートスポットにより、ローターが局部的に軟化しアルミニウム合金と摩擦材中の金属原料とが焼付いて、スコアリングと呼ばれるリング状の大きな溝が摩擦面上に発生する。そのため、ローター及び摩擦材自身の異常摩耗を誘引し、さらにはブレーキ振動の発生や摩擦係数の低下を引き起こす。
【００１０】
さらには、前記特表平８−５１０００３号公報にある艶と称されるローター上の表面に生成する皮膜は、過酷な摩擦を繰り返し行うことにより起こる摩擦力の低下の起因となっていることがわかり、この皮膜は厚く成長させない工夫が必要である。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
硬質材によって補強された主としてアルミニウム合金から成るローターやドラムの相手材として用いられる摩擦材として、有機の繊維基材と、バインダー樹脂、摩擦調整剤、充填剤、無機粉末の他に、金属繊維を用いず、無機繊維と、粒径が１〜４５μｍの金属粉末を添加する。金属粉末が１μｍ未満では、原料製造工程が複雑となり不経済である。４５μｍを超えると、後述する金属繊維を添加した場合と同様の好ましくない現象を引き起こす。
【００１２】
ここで用いる無機繊維は、金属繊維の代わりに摩擦材の強度を保持する基材としての役割はもとより、ローターに形成される皮膜を押さえる役割をもつため、無機繊維自身が摩擦熱により軟化するものでは好ましくなく、無機繊維自身の軟化点が８５０℃以下のものは好ましくない。摩擦熱は摩擦材表面を平均的に昇温するものではなく、一時的に急激なヒートスポットを与えることがある。従って、摩擦の相手材であるアルミニウム合金の溶融点より遙かに高温の温度が要求されるのは、このヒートスポットを考慮して用いる必要があるからである。
【００１３】
そして、この無機繊維の硬さは、硬すぎるとローター表面自身を削ることになり、柔らかすぎればローター表面の皮膜を取り除けず、モース硬度で３〜５の範囲が好ましい。モース硬度３〜５であり、且つ８５０℃以下に軟化点をもたない無機繊維として特にチタン酸カリウム繊維又はスラグウールが推奨される。
【００１４】
前記金属粉末の粒径は、２０〜４５μｍであればより好ましく、後述する効果が充分に発揮されると共に、配合時の作業性、原料価格等についても優位である。また、前記金属粉末の添加量は、摩擦材原料の１〜２０体積％の範囲が好ましい。そして、前記金属粉末の材質は、銅、鉄、またはアルミニウムから選ばれる１種以上若しくはその合金からなることが望ましい。
【００１５】
摩擦材全体としては、アラミド繊維等の有機繊維基材を５〜２０体積％、バインダー樹脂が１３〜２５体積％、そして無機繊維を５〜２５体積％、粒径が１〜１８０μｍの金属粉末を１〜２０体積％、摩擦調整剤には、黒鉛、二硫化モリブデン、カシュウダスト等を１０〜４０体積％、充填剤は硫酸バリウム、炭酸カルシウム、水酸化カルシウム等を２〜３０体積％、無機粉末は珪酸ジルコニウム、マイカ等を２〜３０体積％使用する。これらは摩擦材の用途や要求性能に応じて量を調整する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
ローター表面に生成されるスコアリング現象を詳細に観察すると、制動中の摩擦材の摩耗微粉末がローター表面に移着して形成されたフィルム状の皮膜が、比較的モース硬度の高い摩擦材中の無機材料によって研削され、部分的にアルミニウム素地が現れる。そこに摩擦材中の金属繊維が摺接することでヒートスポットができ、局部的に焼付いた個所を起点にこの金属繊維が破断するまで引きずられてスコアリングの生成することが判った。
【００１７】
そこで摩擦材の形状補強材であると同時に、摩擦係数調整機能も兼ねた充填剤の分散収納骨格である繊維基材から金属繊維を除き、金属原料の形態を繊維から粉末に変更すれば、硬質の無機材料によって露出してくるアルミニウム素地と摺接しても、個々の金属粉末は摺接のとき脱落し易く持続して局部的にローターを攻撃しない。従来の金属繊維による骨格形成は有機繊維で充分であり、金属繊維は金属粉末に置換し制動熱の放熱に必要な範囲で添加する。そして、金属粉末は熱伝導率がよいから、ヒートスポットに到達する前に制動熱を分散、或いは空気中に放出するため、スコアリング現象を抑制することができる。
【００１８】
用いる金属粉は銅、鉄及びアルミニウムから選ばれる１種以上を用いるのが好ましく、硬すぎると摩擦相手材への攻撃作用を引き起こし、柔らかであると同時に熱伝導性がよく、ヒートスポットを発生する前に摩擦熱を分散させる作用が要求される。
【００１９】
金属繊維を金属粉に置き換えることにより、ヒートスポットの発生を抑える。しかし、過酷な摩擦を繰り返しているうちに皮膜が厚みを増す。この皮膜はローター表面より柔らかであり、皮膜が薄い段階では影響が少ないが、厚く成長すると摩擦力の低下を引き起こすことがわかった。
【００２０】
こうした皮膜を除去するには硬質の物質で掻き落とすのが適当であるが、金属繊維では前記したように問題がある。粉末では掻き落とすと同時に粉末自身が掻き落とされる。従って繊維状であり、且つヒートスポットを発生させない無機繊維を用いるのが妥当である。無機繊維は、摩擦材の摺接面において、一部が摩擦に関係するが残りの部分は、摩擦材中に存在するので、掻き落とされず効果が継続する。同時に無機繊維自身が硬すぎると皮膜を削り取り、さらにローターも攻撃することになる。従って硬い無機繊維を用いる場合は少量使用するのが好ましいが、局所的に効果を発生することによる副作用を発生させる可能性があり、好ましくはモース硬度が３〜５の範囲にある無機繊維を使用するのが良い。この硬さの無機繊維は、多く使用してもローターを攻撃せず、多く用いることで摩擦材摺接面に全面的に存在するため、均一な摩擦界面を維持できる。
【００２１】
以下実施例により、その効果を説明する。摩擦材配合中に、無機繊維と粒径１〜１８０μｍの金属粉末を含む配合原料は、後に示す表１または３の実験例のいずれかの配合表に従って調合し、図１に示す製造工程に従ってディスクブレーキパッドとして成形している。
【００２２】
最初のＡ工程で、下型１００の上にディスクブレーキパッド１の裏板２を置き、摩擦材３の形状に合致したキャビティを有するダイ１０１をセットする。そして、キャビティの空所にバインダーを含む配合原料３００を充填し、Ｂ工程で、上型１０２を矢印方向に上パンチ１０３と共に２９．４ＭＰａで加圧しながら、配合原料３中のバインダーが硬化反応する１５０℃前後の温度で１０分程度熱成形する。その後、上型１０２と下型１００を開放し、熱成形されたディスクブレーキパッド１を取り出して、Ｃ工程で、雰囲気温度２２５℃前後の熱硬化炉１０４内に５〜８時間放置し未反応部分を硬化させる。最後のＤ工程で、ローターとの摺接面３ａを所定の寸法に研磨すればディスクブレーキパッド１が完成する。
【００２３】
次に、摩擦材３とローター４の摩擦係数、摩耗とスコアリングの発生を評価する試験機１０の構造を図２に示す。１１は、大きな慣性モーメントを有する回転台であり、下方のモータ１２により強制的に回転される。回転台の上面には、図１の製造工程にて成形され、所定寸法に加工された摩擦材３がセットされる。一方、非回転の固定台１３は、中央の角軸部１６に係合してローター４が取付けボルト１７にて固定されている。上部のアクチュエータ１４によって、トルクセンサ１５を介して、摩擦材３への押付け力が調節可能であり、ローター４の摺接面に近い所には、熱電対１８が埋設してあって制動温度を計測できるようになっている。
【００２４】
図３に、ローター４の平面図を示す。セラミックス等により補強されたアルミニウム合金製の厚さ１０ｍｍ×外径６０ｍｍのローター４の中央には、固定台１３の角軸部１６と係合する角穴１９が設けられ、斜線部で示す摺接部の有効制動半径Ｒ＝１４ｍｍの所に、熱電対１８が埋設されている。図１の製造工程に準じて成形された縦１５ｍｍ×横１０ｍｍ×厚さ１０ｍｍの試料としての摩擦材３は、回転台１１の有効制動半径Ｒに相当する個所の対称位置に２個セットされている。
【００２５】
表１に、図１の製造工程に準じて成形された摩擦材３の配合表を示す。実験例は、繊維基材に有機のアラミド繊維を、バインダーにフェノール樹脂を、摩擦調整剤に黒鉛、二硫化モリブデン、カシューダスト、充填剤として硫酸バリウム、水酸化カルシウム、無機粉末として珪酸ジルコニウム、マイカを用い、本発明の要素である無機繊維には、アルミノシリケート繊維（商品名；ＣＦＦ）、チタン酸カリウム繊維（商品名：ＴＸＡＸ）、スラグウールを用い、後記の金属粉を加えて配合とした。配合の比率は表１のとおりである。表１の実験例は無機繊維の効果と、金属粉の効果を明確にするため、その他の配合物を一定体積％に調整している。
【００２６】
銅及び鉄の金属粉末の内１〜１０μｍ以下の微粉末は、購入した金属粉末をスタンプミルにて入念に破砕して準備した。粒径の選別は主として篩を用い、７５〜１８０μｍについては、８０メッシュを通過した粉末を２００メッシュの篩にて採取した。２０〜４５μｍについては、３２５メッシュを通過した粉末を６３５メッシュの篩にて採取した。１〜１０μｍ以下の微粉末は、サイクロンによる遠心気流分級法にて選別した。金属繊維は、所定の切削工具を用いて公知の方法で製作した。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
以下に、試験機１０にて各種の摩擦材３を評価した結果につき説明する。試験条件は、有効制動半径上で回転台１１が周速５ｍ／ｓに到達したところでモータ１２を停止させ、アクチュエータ１４に指令して摩擦材３に対する押付け圧力を０．９８ＭＰａ一定にて惰性で回転する回転台１１を停止させる動作を、常温からスタートして熱電対１８が４５０℃に到達するまで１００回の制動となるように、インターバルを調整して２回繰り返し計２００回の制動を実施した。１００回制動後一旦室温まで冷却し、ローター表面の皮膜の形成状態を観察し、さらに熱履歴後の状態観察のため１００回の制動を加えている。その後、ローター４の斜線部におけるスコアリングの有無と摩擦材３及びローター４の４評点個所の摩耗量を、摩擦材３はダイヤルゲージにて、ローター４はマイクロメータにて計測した。摩擦係数μは、図２の試験機１０において、アクチュエータ１４の加圧力をＦ、有効制動半径をＲ、停止に至るまでのトルクセンサ１５の計測値の平均トルクをＴとして、μ＝Ｔ／ＦＲにて算出した。
【００２９】
表２に、その結果を示す。改善効果の判定基準は、従来の金属繊維を配合していた摩擦材（実験例７，８）に比較し、スコアリングの発生が軽微であること、摩擦材３及びローター４の摩耗量が少ないこと、皮膜の生成度合い、及び摩擦係数が熱履歴前後で同一水準に維持されている事とした。
【００３０】
【表２】
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【００３１】
表２の結果を考察すると、本発明品（実験例１、２、４、５）は従来品（実験例７、８）に比べ摩擦材やローター摩耗が改善され、明らかに金属粉末に置換した効果が現れている。但し、金属粉末が微粉末になる実験例２、５では、スコアリングの誘発要因は低下するものの摩擦係数が多少低下する。参考例（実験例３、６）では、摩擦係数は従来品と同一に維持されるが、従来品のようにリング状の深い溝は発生しないものの、リング状の浅い条痕が認められた。金属粉末の最適粒径は、スコアリングの発生がなく、摩擦材３及びローター４の摩耗量が少なくて同等の摩擦係数を維持している実験例１、４の粒径２０〜４５μｍの金属粉末が最適である。表１中にアルミニウム粉末の実験例はないが、アルミニウムの熱伝導率は鉄と銅の間に位置するので、効果についても鉄及び銅に準ずるものである。
【００３２】
また、本発明の他の解決目的である、皮膜については、無機繊維の配合により改善され、全般的に皮膜が無機繊維のないもの（実験例９）に比べ減少している。この結果、熱履歴前後の摩擦係数は全般的に安定している。無機繊維のない実験例９は摩擦係数の差が大きいことから、無機繊維の効果が明確である。無機繊維でも、モース硬度の大きいアルミノシリケート繊維（ＣＦＦ）を用いた実験例１０は配合量を押さえたにも関わらず、ローター及びパッドの摩耗が大きくなる傾向にある。
【００３３】
表３に、無機繊維の量と、硬さに関する実験例を示す。金属粉に付いては表１の配合で良い結果を示す粒径２０〜４５μｍのものを用いている。また、表１の配合とは、異なる摩擦材質を基準にしている。混合他製造方法は表１の配合をディスクブレーキパッドにした製法に準じて進めた。
【００３４】
【表３】
0004055326.tif 000004
【００３５】
実験例１〜１０で実施した評価試験と同じ判定を表３の実験例にも適用し、その結果を表４に示す。実験例１１〜１３でモース硬度が４の無機繊維の量について確認した結果、先の実験例１〜１０も含めて判断すると、最適量は１５体積％のものであった。実験例１５〜１７では金属粉の量について確認したが、実験例１５の結果が好ましく、金属粉を多く使用すると摩擦材の熱伝導が大きくなり、ベーパーロック等の問題を誘引する恐れもあり、２０体積％を上限とする。以上から、最適な配合は、モース硬度４の無機繊維を用い、金属粉を５体積％配合することにより、改善目標であるローターのスコアリングと、熱履歴後の摩擦係数を安定化させることは、クリアーできた。
【００３６】
【表４】
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【００３７】
実験結果を考察すると、金属粉を金属繊維に変えて用いることにより、ローターのスコアリング発生を抑えることができる。金属粉は多く用いても効果が増大するものでもなく、適量がある。又、金属繊維を金属粉に置換することにより、ローター表面に発生する摩耗粉の皮膜が熱履歴前後の摩擦係数を変化させる現象は、無機繊維を配合することでクリアーできる。ただし、無機繊維は、硬すぎると皮膜ばかりかローターまで攻撃するので、使用する無機繊維の硬さはモース硬度で３〜５の範囲のものが好ましい。この硬さの無機繊維の配合量は、かなり多くの量を用いても皮膜のみを除去するため、副作用としてのローター攻撃性を気にすることはない。
【００３８】
【発明の効果】
以上の実験結果からも判別できるように、アルミニウム合金からなるディスクローターやドラムを用いるブレーキに対する摩擦材としては、従来用いられてきた鋳鉄を用いたローターやドラムに対する摩擦材に工夫を加える必要がある。特に金属繊維を含む配合で発生しているスコアリングの防止には、金属粉を使用することにより解決できる。また金属粉を使用することで発生する熱履歴後の摩擦係数の変化を押さえるには、無機繊維を配合することで可能となる。ここで、金属粉は粒度が大きすぎるとその効果は失われ、１〜４５μｍの粒度のもの、好ましくは２０〜４５μｍ粒度のものを用いるのが良い。又、無機繊維は硬すぎるとローター等の相手材攻撃性が大きくなるので、好ましくはモース硬度３〜５の範囲のものを用いるのが良い。このような材料の選択により、アルミニウム合金製ディスクローターやドラムに対する好適な摩擦材が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のディスクブレーキパッドの製造工程を示す説明図である。
【図２】本発明の摩擦材の特性を評価する試験機の概念構造図である。
【図３】試験機に用いるローターの平面図である。
【符号の説明】
１；デイスクブレーキパッド
２；裏板
３；摩擦材
４；ローター
【図１】
0004055326.tif 000006
【図２】
0004055326.tif 000007
【図３】
0004055326.tif 000008