JP5519142B2 - 摩擦部材及びブレーキ装置 - Google Patents

Description

本発明は、自動車のブレーキ装置に使用される摩擦部材に関し、特に鋳鉄製相手材にヒートクラックが発生するのを抑制した摩擦部材に関する。
また、該摩擦部材を用いたブレーキ装置、特にドラムブレーキ装置に関する。

従来、自動車のブレーキ装置として、ドラムブレーキ装置、ディスクブレーキ装置が使用されており、その摩擦部材として、金属製のベース部材に摩擦材が貼り付けられたドラムブレーキシュー、ディスクブレーキパッドが使用されている。

ブレーキ装置の性能として、ブレーキの効きレベルが高いことが要求されており、ブレーキの効きレベルを向上させるための摩擦材の改良としては、
（１）摩擦材に金属粒を多量に添加する。
（２）摩擦材にガラス繊維を多量に（例えば摩擦材組成物全体に対し１０体積％以上）添加する。
（３）摩擦材に研削材を添加し、その研削材（アブレシブ）の平均粒径を大きくし、その添加量を調整する。
といった方法が知られている。

そして、ブレーキの効きレベルをさらに向上させるために、相手材である鋳鉄よりもモース硬度が大幅に大きい研削材が添加された摩擦材が使用されている。
本出願人は、先に、繊維基材と、無機充填材と、有機充填材と、結合材とを主成分とする非石綿系摩擦材組成物を成形、硬化してなる非石綿系摩擦材において、上記無機充填材として９０％粒径が０．１〜８μｍ、モース硬度が６〜８の無機充填材を摩擦材組成物全体に対し０．１〜１０体積％添加することを特徴とする非石綿系摩擦材を提案した（特許文献１）。

また、特許文献２には、繊維基質、結合材、有機充填材及び無機粉を含む摩擦材組成物において、モース硬度５以上７未満の無機粉を摩擦材組成物全重量に対して７〜３０重量％、モース硬度７以上の無機粉を摩擦材組成物全重量に対して０．５〜４重量％及び硫化錫を摩擦材組成物全重量に対して２〜１０重量％含むことを特徴とする摩擦材組成物が開示されている。

しかし、相手材である鋳鉄よりもモース硬度が大幅に大きい研削材が添加されたこのような摩擦材は、十分なブレーキの効きを得ることができるものの、相手材であるブレーキドラムや、ディスクロータの摺動面にヒートクラックが発生するという問題があった。

車両の制動は、摩擦材を回転する相手材に押し付けることによって行われる。制動中に発生する熱により相手材の摺動面は非常に高温となり、そして非制動時には相手材の空転により摺動面が冷却される。このときの熱応力の繰り返しにより、相手材の摺動面に亀裂が発生する。
この亀裂をヒートクラックと呼んでおり、制動中に発生する熱が高温である程、ヒートクラックは大きくなる傾向がある。

相手材の摺動面にヒートクラックが発生すると、相手材の強度が低下するので好ましくない。
ヒートクラックを抑制する技術として、まず、相手材である、ブレーキドラムやディスクロータの材料を改良する試みがなされている。

特許文献３には、鋳鉄の黒鉛球状化のため添加するマグネシウムの添加量が重量比で０．０２５〜０．０３２％としたことを特徴とする自動車用ブレーキドラムの材料が開示され、また特許文献４には、重量比で、Ｃ：３．７５〜３．９５％、Ｓｉ：１．８〜２．２％、Ｍｎ：０．５〜０．８％、Ｐ：≦０．１％、Ｓ：０．０８〜０．１５％、Ｍｏ：０．２〜０．７％、Ｖ：０．２〜０．６％、Ｃｕ：≦１．５％、Ｃｒ：≦０．１％、残部が実質的に鉄である化学成分を含有するねずみ鋳鉄により形成したことを特徴とするディスクブレーキ用ロータ材が開示されている。

このように相手材の材料については、ヒートクラックを抑制する研究が検討されているが、摩擦材側での検討はなされていないのが実情であった。

ブレーキの鳴き低減を目的とする摩擦材料の改良技術として、特許文献５には、酸化マグネシウムなどのブレーキロータの材料より硬い硬質無機粉粒体と銅粉などの金属粉粒体とをＳＢＲなどの弾性物質で囲み、それらと繊維基材、無機充填材、有機充填材および潤滑剤とを混合し、加熱成形した摩擦材が開示されている。

これは、摩擦材とディスクロータとの摺接時に、ディスクロータと接する摩擦材の表面の酸化マグネシウム及び銅粉が、ＳＢＲの弾性変形によって摩擦材内部に引っ込むことにより、ディスクロータと摩擦材中の酸化マグネシウム及び銅粉との接触点が多くなり、摺接時個々の酸化マグネシウム及び銅粉に加わる力が分散されて小さくなり、摩擦振動が起こり難くなるというものである。

この技術によれば、振動の発生自体を抑制することによって、十分な鳴き防止効果が得られている。
しかし、酸化マグネシウムや銅粉が弾性物質に囲まれているので、酸化マグネシウムや銅粉の本来の機能が弾性物質によって阻害されるという問題があり、また、該文献は耐ヒートクラック性に配慮したものではない。

特開２０００−３０９６４１号公報 特開２００８−１７４７０５号公報 特開平０７−２４３４６０号公報 特開２００５−８２８６９号公報 特開平０７−３１７８１９号公報

本発明は、上記問題点に鑑み、十分なブレーキの効きを確保しつつ、鋳鉄製の相手材のヒートクラック発生を抑制し得る摩擦材からなる摩擦部材及びその摩擦部材を備えたブレーキ装置を提供することを目的とする。

相手材にヒートクラックが発生する原因は前述したとおりであるが、制動中の熱が特に高温になる原因として、次のような現象が起こっているものと考えられている。
（１）摩擦材に添加されている研削材が相手材である鋳鉄のモース硬度４．５よりも大きいと、研削材が鋳鉄製相手材の摺動面を研削する。
（２）そして、研削された鋳鉄の屑が摩擦材の表面に付着する。
（３）摩擦材表面に付着した鋳鉄の屑が再び相手材の摺動面に凝着し、鋳鉄の屑が凝着した箇所が盛り上がる。
（４）その盛り上がった部分が局所的に摺動するので、その部分が他の部分（鋳鉄の屑が凝着していない平滑な部分）よりも高温になる。
（５）さらに、その高温になった部分に有機物の皮膜が集中して形成される。
（６）そして、その有機物の皮膜が熱の発散を阻害し、放熱しにくくなり、温度上昇が促進され、高温となる。

特に、モース硬度が６以上の研削材を使用すると、ヒートクラックが発生し易い。また、放熱し難い構造であるドラムブレーキ装置において発生し易い現象である。
本発明では、上記問題の原因となる、鋳鉄よりモース硬度が大幅に大きい研削材を添加せずに、ブレーキの十分な効きを確保する方法について検討を行った。

本発明は、展性が大きな金属粒子と所定径の焼成酸化マグネシウムをそれぞれ所定量添加することを主たる特徴とする摩擦部材及びその摩擦部材を用いたブレーキ装置に関するものであり、次の技術を基礎とする。

（１）鋳鉄製の相手材に使用する摩擦部材であって、
アルミニウム、銅及び真鍮から選ばれる１種以上の金属粒子を１体積％以上５体積％以下と、
平均粒子径が１μｍ以上５μｍ以下である焼成酸化マグネシウム粒子を２体積％以上７体積％以下と、
を含む摩擦材を用いることを特徴とする摩擦部材。

（２）前記金属粒子の平均粒子径が１５０μｍ以上２５０μｍ以下であることを特徴とする（１）に記載の摩擦部材。

（３）前記金属粒子がアルミニウム粒子であることを特徴とする（１）又は（２）に記載の摩擦部材。

（４）上記（１）〜（３）のいずれかに記載の摩擦部材を備えたことを特徴とするブレーキ装置。

（５）上記ブレーキ装置がドラムブレーキ装置であることを特徴とする（４）に記載のブレーキ装置。
なお、特許請求の範囲に記載された発明は、上記（３）に係るものである。

本発明によれば、鋳鉄よりもモース硬度が大幅に大きな研削材を添加しなくても、十分な効き確保でき、かつヒートクラックの発生を抑制することができる摩擦部材及びその摩擦部材を用いたブレーキ装置を得ることができる。

図１を基に説明すると、本発明の摩擦部材１は、繊維基材、無機充填材、有機充填材及び結合材を主成分とする摩擦材組成物を成形し、結合材を硬化してなる摩擦材２を、金属製のベース部材３に貼り付けて得られる。本発明の摩擦部材は、ドラムブレーキシューやディスクブレーキパッドとして用いられ、本発明のブレーキ装置はそのような摩擦部材を使用したものである。

本発明では、摩擦材組成物中に、展性が大きな金属粒子を１体積％以上５体積％以下と、さらに平均粒子径が１μｍ以上５μｍ以下である焼成酸化マグネシウム粒子（モース硬度５．５）を２体積％以上７体積％以下添加する。

展性が大きな金属粒子は、アルミニウム、銅、真鍮から選ばれる１種以上の金属粒子であり、十分な効きを得るために添加する。
摩擦材と相手材の摺動により、相手材に摩擦材中の金属粒子が移着する。展性が大きいので、摺動により金属が延び、相手材の摺動面に金属の皮膜を満遍なく形成させることができる。そして、その金属皮膜と摩擦材に含まれる金属粒子との凝着摩擦により、十分な効きを得ることができるのである。

金属粒子の添加量は、１体積％以上５体積％以下とすることで効果を得ることができる。１体積％未満であると、金属の皮膜の形成が不十分となり、十分な効きを得ることができない。また、５体積％を超えると、金属の皮膜の厚みが不均一になり、摩擦係数が不安定になる。

金属粒子の平均粒子径は、１５０μｍ以上２５０μｍ以下であることが好ましい。１５０μｍ未満であると、金属の皮膜の形成が不十分となり、十分な効きを得ることができない。２５０μｍを超えると、金属の皮膜の厚みが不均一になり、この場合も摩擦係数が不安定になる。

本発明で用いる展性の大きい金属粒子のモース硬度は、相手材である鋳鉄（モース硬度：４．５）より大きくない。アルミニウムのモース硬度が２．７５、銅が４．０、真鍮が４．０である。
金属粒子としては、より展性の大きいアルミニウムを単体で使用するのが好ましい。

焼成酸化マグネシウム粒子は、金属の皮膜を安定して形成させるために添加する。
焼成酸化マグネシウム粒子のモース硬度が５．５であり、相手材の鋳鉄のモース硬度４．５よりもやや大きく、制動初期において、焼成酸化マグネシウムが相手材の摺動面を研削することにより、相手材の摺動面に適度な凹凸を形成することができる。金属粒子がその凹凸部分に食い込むので、金属粒子を確実に相手材摺動面に移着させることができる。

焼成酸化マグネシウム粒子のモース硬度は、鋳鉄のモース硬度４．５よりもやや大きいが、鋳鉄を著しく研削する程ではないので、鋳鉄の屑が摩擦材側に付着するようなことはない。鋳鉄の屑が摩擦材側に付着することがないので、ヒートクラックの発生を抑制することができる。

また、焼成酸化マグネシウム粒子は、形成された金属の皮膜が厚くなりすぎるのを抑制する効果も有する。金属の皮膜が厚くなりすぎると、効きが不安定になるが、焼成酸化マグネシウム粒子が金属の皮膜を研削し、適度な厚さに保つため、効きが安定する。

焼成酸化マグネシウム粒子は、平均粒子径を１μｍ以上５μｍ以下、添加量を２体積％以上７体積％以下とすることで効果を得ることができる。

平均粒子径が１μｍ未満であると、制動初期において、相手材の摺動面に十分な凹凸を形成することができないので、金属の皮膜を安定して形成することができなくなる。また、形成された金属の皮膜に対し、研削効果が弱く、金属の皮膜の厚みが不均一になり、効きが不安定になる。
平均粒子径が５μｍを超えると、金属の皮膜を研削しすぎ、十分な効きを得ることができない。

また、添加量が２体積％未満であると、制動初期において、相手材の摺動面に十分な凹凸を形成することができないので、金属の皮膜を安定して形成することができなくなる。また、形成された金属の皮膜に対し、研削効果が弱く、金属の皮膜の厚みが不均一になり、摩擦係数が不安定になる。
添加量が７体積％を超えると、金属の皮膜を研削しすぎてしまうので、十分な効きを得ることができない。

本発明の摩擦部材を構成する摩擦材は、上記の金属粒子、焼成酸化マグネシウムの他に、通常摩擦材に使用される繊維基材、結合剤、有機充填材、無機充填材を含むことができる。

繊維基材としては、通常摩擦材に用いられる公知のものを使用することができ、スチール繊維、銅繊維、真鍮繊維、青銅繊維等の金属繊維、ガラス繊維、セラミック繊維、チタン酸カリウム繊維、炭素繊維、ロックウール、ウォラストナイト、セピオライト、人工鉱物質繊維等の無機繊維、アラミド繊維、セルロースパルプ、アラミドパルプ、アクリル繊維等の有機繊維などが挙げられ、これらの１種を単独で又は２種以上を組み合わせて用いることができる。この繊維基材は、短繊維状で用いられ、その添加量は摩擦材組成物全体に対して５〜６０体積％とすることが好ましく、１０〜５０体積％とすることがより好ましい。

結合材としては、通常摩擦材に用いられる公知のものを使用することができ、フェノール樹脂、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂、これらをカシューオイル、シリコーンオイル、各種エラストマー等で変性した熱硬化性樹脂、各種エラストマー、フッ素ポリマー等を分散させた熱硬化性樹脂等が挙げられ、これらは、単独で又は２種以上を組み合わせて使用することができる。結合剤の添加量は、摩擦材の充分な機械強度、耐摩耗性を確保するため、摩擦材組成物全量に対して１０〜３０体積％とすることが好ましく、１２〜２５体積％とすることがより好ましい。

有機充填材としては、通常摩擦材に用いられる公知のものを使用することができ、カシューダスト、ゴムダスト（タイヤ粉砕粉）、未加硫の各種ゴム粒子、加硫された各種ゴム粒子等が挙げられ、これらの１種を単独で又は２種以上を組み合わせて用いることができる。

無機充填材としては、焼成酸化マグネシウムと、アルミニウム粒子、銅粒子、真鍮粒子以外に通常摩擦材に用いられる公知のものを使用することができ、バーミキュライト、マイカ、四三酸化鉄、硫酸バリウム、水酸化カルシウム、軽質炭酸カルシウム、重質炭酸カルシウム、鱗片状黒鉛、土状黒鉛、コークス、二硫化モリブデン，硫化錫，硫化鉄，硫化タングステン，硫化ビスマス，硫化亜鉛などの金属硫化物、鉄粒子，亜鉛粒子などの上記金属粒子以外の金属粒子などが挙げられ、これらは、単独で又は２種以上を組み合わせて使用することができる。
これら有機充填材と、焼成酸化マグネシウム、アルミニウム粒子、銅粒子、真鍮粒子以外の無機充填材の添加量は、摩擦材組成物全量に対して４０〜７０体積％とすることが好ましく、５０〜７０体積％とすることがより好ましい。

本発明の摩擦部材は、通常摩擦部材の製造に用いられる公知の方法によって製造することができる。その一例を以下に示す。
（１）ドラムブレーキ装置用の摩擦部材としてのドラムブレーキシュー
所定量配合した摩擦材組成物をレディゲミキサー、アイリッヒミキサー等の混合機を用いて均一に混合した後、得られた原料混合物を予備成形型に投入し、加圧して予備成形物を成形する。
そして、上記予備成形物を熱成形型に投入し、成形温度１３０〜１８０℃、成形圧力１５〜４９ＭＰａで３〜１０分で加熱加圧成形し、得られた成形品を１４０〜２５０℃の温度で２〜１２時間熱処理（後硬化）する。その後、摩擦面に研磨処理を施し、必要に応じて切断、孔あけなどを施し、必要寸法に仕上げたブレーキライニングを接着剤やリベットで金属製のシューリムに固定する。
（２）ディスクブレーキ装置用の摩擦部材としてのディスクブレーキパッド
所定量配合した摩擦材組成物をレディゲミキサー、アイリッヒミキサー等の混合機を用いて均一に混合した後、得られた原料混合物を予備成形型に投入し、加圧して予備成形物を成形する。
そして、予め洗浄、防錆処理を施し、接着剤を塗布した金属製のバックプレートと、上記予備成形物とを重ねた状態で熱成形型に投入し、成形温度１３０〜１８０℃、成形圧力１５〜４９ＭＰａで３〜１０分で加熱加圧成形し、得られた成形品を１４０〜２５０℃の温度で２〜１２時間熱処理（後硬化）する。その後、摩擦面に研磨処理を施し、適宜、塗装、塗装焼き付け、スコーチ処理などが実施される。

［実施例１〜１４・比較例１〜７］
表１〜３に示した組成の摩擦材組成物を配合し、これをレディゲミキサーを用いて１０分間均一に混合し、加圧型内で１０ＭＰａで２０秒間加圧して予備成形した。この予備成形物を成形温度１６０℃、成形圧力４０ＭＰａの条件下で６分間加熱加圧成形し、その後、２００℃の温度で５時間熱処理（後硬化）し、研磨処理を施し、実施例１〜１４、比較例１〜７のドラムブレーキ用ブレーキライニングを作成した。
評価は、摩擦部材をドラムブレーキ装置に適用し、フロントブレーキに用いた場合の、効きレベル（効力、効きの安定性）、ヒートクラックについて行った。その結果を各表末尾に示した。
なお、評価方法は次のとおりである。

（１）効力
ＪＡＳＯ Ｃ４０７−２０００（トラック・バスブレーキ装置ダイナモメータ試験方法）準拠
区分：Ｎ３（第３種トラック）フロントドラムブレーキ
イナーシャ：２０００ｋｇｍ^２
ブレーキエア圧：０．５ＭＰａ
第２効力試験 制動初速度：６０ｋｍ／ｈ
上記の減速度平均値
◎：６以上（ｍ／ｓ^２）
○：５．５以上 ６未満（ｍ／ｓ^２）
△：５以上 ５．５未満（ｍ／ｓ^２）
×：５未満（ｍ／ｓ^２）

（２）効きの安定性
ＪＡＳＯ Ｃ４０７−２０００（トラック・バスブレーキ装置ダイナモメータ試験方法）準拠
区分：Ｎ３（第３種トラック）フロントドラムブレーキ
イナーシャ：２０００ｋｇｍ^２
ブレーキエア圧：０．５ＭＰａ
第２効力試験 制動初速度：６０ｋｍ／ｈ、１００ｋｍ／ｈ
制動初速度１００ｋｍ／ｈの減速度平均値を、制動初速度６０ｋｍ／ｈの減速度平均値で除した比率で表した。比率が１００に近い程、効きの安定性が良好である。
◎：９５以上
○：９０以上９５未満
△：８５以上９０未満
×：８５未満

（３）ヒートクラック
区分：Ｎ３（第３種トラック）フロントドラムブレーキイナーシャ：２０００ｋｇｍ^２
減速度：２（ｍ／ｓ^２）
制動初速度：１２０ｋｍ／ｈ
制動前温度：１００℃
制動回数：２０００回
試験終了後のブレーキドラム摺動面のクラック長さを測定
◎：１０ｍｍ未満
○：１０ｍｍ以上２０ｍｍ未満
△：２０ｍｍ以上４０ｍｍ未満
×：４０ｍｍ以上

表１〜３の評価に示されるように、本発明の摩擦部材を備えたドラムブレーキ装置は、ブレーキの効力、効きの安定性に優れていながら、ヒートクラックの発生抑制の効果が得られている。

本発明は、十分な効きレベルを確保しつつ、耐ヒートクラック性の高い摩擦部材を得ることができ、ブレーキ装置用、特にドラムブレーキ装置用として、実用上きわめて有用なものである。

本発明の摩擦部材の概略を示す図である。

符号の説明

１ … 摩擦部材
２ … 摩擦材
３ … 金属ベース部材（ブレーキシュー）

Claims (4)

1. 鋳鉄製の相手材に使用する摩擦部材であって、
   アルミニウム粒子を１体積％以上５体積％以下と、
   平均粒子径が１μｍ以上５μｍ以下である焼成酸化マグネシウム粒子を２体積％以上７体積％以下と、
   を含む摩擦材を用いることを特徴とする摩擦部材。
2. 前記アルミニウム粒子の平均粒子径が１５０μｍ以上２５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の摩擦部材。
3. 請求項１又は２に記載の摩擦部材を備えたことを特徴とするブレーキ装置。
4. 上記ブレーキ装置がドラムブレーキ装置であることを特徴とする請求項３に記載のブレーキ装置。