JP7038284B2

JP7038284B2 - 摩擦材料及びブレーキパッド

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Publication number: JP7038284B2
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Inventors: 満夫亀井
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Priority date: 2020-01-27
Filing date: 2020-01-27
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Description

本発明は、摩擦材料及びブレーキパッドに関する。

工作機械、建設機械、農業機械、自動車、二輪車、鉄道、航空機及び船舶等の、各種機械の回転又は移動を任意に制御するクラッチ又はブレーキには、摩擦材料が使用される。例えば、特許文献１には、摩擦係数が高い摩擦材料としては、金属成分として銅を含む摩擦材料が知られている。その従来技術として、マトリックス内に含まれるＣｕを主成分とし、さらにＳｎ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｆｅ及びＣｏから選ばれる１種以上を添加した摩擦材料がある。

特許文献２には、Ｎｉ又はＮｉと１０ｖｏｌ％未満のＦｅを金属マトリックスとし、固体潤滑材（a）と摩擦調整材（b）を含有する焼結摩擦材であって、摩擦調整材（b）として、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、ＦｅＷの中から選ばれる１種以上からなる平均粒径が５０μｍ以上の金属又は合金粒子（ｂ１）と、酸化物、窒化物、炭化物、金属間化合物の中から選ばれる１種以上からなる無機粒子（ｂ２）を含有し、金属又は合金粒子（ｂ１）の平均粒径ｄｂ１と無機粒子（ｂ２）の平均粒径ｄｂ２がｄｂ１＜ｄｂ２であることを特徴とするブレーキ用焼結摩擦材が記載されている。

特許文献３には、金属、合金、金属化合物及び金属間化合物からなる群より選ばれる少なくとも１種のマトリックス４０質量％以上８０質量％以下と、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｍｇ及びＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素の炭化物、窒化物、酸化物および硫化物からなる群より選ばれる少なくとも１種の無機粒子５質量％以上３０質量％以下と、黒鉛、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、窒化ホウ素およびフッ化カルシウムからなる群より選ばれる少なくとも１種の潤滑剤５質量％以上４０質量％以下と、を含む摩擦材料であって、前記マトリックスは、元素として、前記マトリックスの全体量に対して、２０質量％以上５０質量％以下のＦｅと、０．０５質量％以上５．０質量％以下のＰと、４０質量％以上７５質量％以下のＮｉとを少なくとも含み、前記マトリックスの全体量に対する、元素としてのＣｕの含有量が１５質量％以下である、摩擦材料が記載されている。

特開平５－８６３５９号公報特開２０１８－１５０５３２号公報国際公開ＷＯ２０１６／１５９３４１号

クラッチ又はブレーキに用いられる場合など、摩擦材料は、高速において急激な制動を繰り返し行うため、摩擦材料の温度が高温となることがある。しかし、特許文献１に示される摩擦材料は、銅を主成分とするため、高温（７００℃以上）になると主成分の銅が軟化し始め、摩耗が急激に増えたり、制動力が急激に失われたり（フェード）する。このため、マトリックスとして、銅に代わり高温に耐えられる材料が望まれる。

特許文献２に示される摩擦材料は、チタニア粒子を含んでいないため、摩擦係数及び耐摩耗性が不十分となることがある。

特許文献３に示される摩擦材料は、高温・高速の状況下において、ブレーキディスク表面に酸化した凝着被膜が形成され、摩擦係数が低下することがある。

そこで、本発明は、高温・高速の状況下において、高い摩擦係数を示しながら、耐摩耗性に優れる摩擦材料及びブレーキパッドを提供することを課題とする。

本発明は、以下の[１]～[９]に示すとおりである。
[１]Ｎｉ、及びＦｅからなる群から選ばれる少なくとも１種を含むマトリックスを４０質量％以上８０質量％以下、
ジルコン粒子、チタニア粒子、及びムライト粒子を含む無機粒子を１０質量％以上３０質量％以下、及び
黒鉛、二硫化モリブデン、窒化ホウ素及びフッ化カルシウムからなる群から選ばれる少なくとも１種を含む潤滑剤を１０質量％以上３０質量％以下、含有し、
前記ジルコン粒子、前記チタニア粒子、及び前記ムライト粒子の合計含有量１００体積％に対して、前記ジルコン粒子の含有量が３０体積％以上３６体積％以下であり、前記チタニア粒子の含有量が３０体積％以上３６体積％以下であり、前記ムライト粒子の含有量が３０体積％以上３６体積％以下である、摩擦材料。
［２］
前記摩擦材料の気孔率が、１４体積％以上３０体積％以下である、上記［１］に記載の摩擦材料。
［３］
前記マトリックスが、平均粒径１μｍ以上５０μｍ未満の粒子を含む材料により形成されたものである、上記［１］又は［２］に記載の摩擦材料。
［４］
前記マトリックスが、マトリックス１００質量％に対して、０．２０質量％以上１．００質量％以下のＰを含有する、上記［１］～［３］のいずれかに記載の摩擦材料。
［５］
前記マトリックスが、Ｎｉ及びＦｅを含む、上記［１］～［４］のいずれかに記載の摩擦材料。
［６］
前記ジルコン粒子、前記チタニア粒子、及び前記ムライト粒子の合計含有量が、前記無機粒子の総量に対して、８０質量％以上である、上記［１］～［５］のいずれかに記載の摩擦材料。
［７］
前記ジルコン粒子が、１０μｍ以上６００μｍ以下の平均粒径を有し、
前記チタニア粒子が、１０μｍ以上６００μｍ以下の平均粒径を有し、且つ、
前記ムライト粒子が、１０μｍ以上６００μｍ以下の平均粒径を有する、上記［１］～［６］のいずれかに記載の摩擦材料。
［８］
前記潤滑剤が、黒鉛、又は、黒鉛及びフッ化カルシウムを含む、上記［１］～［７］のいずれかに記載の摩擦材料。
［９］
上記［１］～［８］のいずれかに記載の摩擦材料を含む、ブレーキパッド。

本発明によれば、高温・高速の状況下において、高い摩擦係数を示しながら、耐摩耗性に優れる摩擦材料及びブレーキパッドを提供することができる。

図１は、本実施形態のブレーキパッドの概略側面図である。

以下、必要に応じて図面を参照しつつ、本発明の実施の形態（以下、「本実施形態」という。）について詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。なお、図面中、同一要素には同一符号を付すこととし、重複する説明は省略する。また、上下左右などの位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。さらに、図面の寸法比率は図示の比率に限られるものではない。

［摩擦材料］
本実施形態に係る摩擦材料は、４０質量％以上８０質量％以下のマトリックスと、１０質量％以上３０質量％以下の無機粒子と、１０質量％以上３０質量％以下の潤滑剤とを含有する。本実施形態におけるマトリックスは、Ｎｉ、及びＦｅからなる群から選ばれる少なくとも１種を含む。また、本実施形態における無機粒子は、ジルコン粒子、チタニア粒子、及びムライト粒子を含む。また、本実施形態における潤滑剤は、黒鉛、二硫化モリブデン、窒化ホウ素及びフッ化カルシウムからなる群から選ばれる少なくとも１種を含む。さらに、ジルコン粒子、チタニア粒子、及びムライト粒子の合計含有量１００体積％に対して、ジルコン粒子の含有量が３０体積％以上３６体積％以下であり、チタニア粒子の含有量が３０体積％以上３６体積％以下であり、ムライト粒子の含有量が３０体積％以上３６体積％以下である。以上、本発明によれば、高温・高速の状況下において、高い摩擦係数を示しながら、耐摩耗性に優れる摩擦材料及びブレーキパッドを提供することができる。

＜マトリックス＞
本実施形態のマトリックスは、Ｎｉ、及びＦｅからなる群から選ばれる少なくとも１種を含む。本実施形態におけるマトリックスは、他の粒子を保持する役割を有する。マトリックスがＮｉを含むと、摩擦材料の機械的強度が向上する。マトリックスがＦｅを含むと、摩擦材料の摩擦特性が向上する。このような観点から、マトリックスは、好ましくはＮｉ及びＦｅを含む。本実施形態のマトリックスは、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｗ、及びＰからなる群から選ばれる少なくとも１種から実質的になることが好ましい。「実質的になる」とは、その成分の含有量が、９９質量％以上であることを意味する。なお、マトリックスは、Ｎｉ及びＦｅから実質的になるか、又は、Ｎｉ及びＦｅと、Ｗ、及びＰからなる群から選ばれる少なくとも１種と、から実質的になることがより好ましい。

Ｎｉの含有量は、マトリックス１００質量％に対して、好ましくは７０質量％以上９９．９質量％以下であり、より好ましくは７２質量％以上９９．０質量％以下であり、さらに好ましくは７４質量％以上９５質量％以下である。当該Ｎｉの含有量が７０質量％以上であることで摩擦材料の強度が向上する。

Ｆｅの含有量は、マトリックス１００質量％に対して、好ましくは０．１質量％以上３０質量％以下であり、より好ましくは０．５質量％以上２０質量％以下であり、さらに好ましくは１．０質量％以上１０質量％以下である。当該Ｆｅの含有量が０．１質量％以上であることで、摩擦材料が適度に疎になって摩擦係数が高くなる。当該Ｆｅの含有量が３０質量％以下であることで、焼結性が向上して摩擦材料の機械的強度を高めることができる。

マトリックスがＰを含むと、摩擦材料の焼結性が向上し、これにより、摩擦材料はその摩擦特性および機械的強度に優れる。Ｐの含有量は、マトリックス１００質量％に対して、好ましくは０．１質量％以上１．０質量％以下であり、より好ましくは０．２質量％以上０．８質量％以下であり、さらに好ましくは０．４質量％以上０．６質量％以下である。Ｐの含有量が０．１質量％以上であることで、焼結性が低下して摩擦材料の機械的強度が低下するのを防ぐことができる。Ｐの含有量が１．０質量％以下であることで、焼結中に液相が摩擦材料から浸み出し、摩擦材料が大きく変形するのを防ぐことができる。

マトリックスにおける、Ｎｉの含有量に対するＦｅ及びＰの含有量の比［（Ｆｅ＋Ｐ）／Ｎｉ］は、好ましくは０．０１０以上１．２以下である。このＮｉの含有量に対するＦｅ及びＰの含有量の比が、０．０１０以上であると、摩擦係数が高くなる傾向にあり、１．２以下であると、摩擦材料の機械的強度が向上する傾向にある。同様の観点から、比［（Ｆｅ＋Ｐ）／Ｎｉ］は、０．０１２以上１．０以下であるとより好ましく、０．０１５以上０．５以下であるとさらに好ましい。

マトリックスがＷを含むと、ブレーキディスクへの引っ掻きの力が高まり、耐摩耗性が向上する。Ｗの含有量は、マトリックス１００質量％に対して、好ましくは１質量％以上２０質量％以下であり、より好ましくは３質量％以上１５質量％以下であり、さらに好ましくは６質量％以上１２質量％以下である。Ｗの含有量が１質量％以上であることで、ブレーキディスクへの引っ掻きの力が高まり、耐摩耗性が向上する。Ｗの含有量が２０質量％以下であることで、ブレーキディスクへの攻撃性の増加を抑制することができる。

マトリックスにおける、Ｎｉの含有量に対するＦｅ及びＷの含有量の比［（Ｆｅ＋Ｗ）／Ｎｉ］は、好ましくは０．０２以上０．５０以下である。このＮｉの含有量に対するＦｅ及びＷの含有量の比が、０．０２以上であると、Ｆｅによる凝着力により摩擦係数が向上し、さらにＷによるブレーキディスクへの引っ掻きの力により耐摩耗性が向上する傾向にあり、０．５０以下であると、Ｆｅによる凝着異常の抑制およびブレーキディスクへの攻撃性の増加を抑制できる傾向にある。同様の観点から、比［（Ｆｅ＋Ｗ）／Ｎｉ］は、好ましくは０．０４以上０．４０以下であり、より好ましくは０．０６以上０．３０以下である。

本実施形態のマトリックスは、Ｓｉをさらに含んでいてもよい。マトリックスがＳｉを含むことで酸化被膜を形成するのを防ぐことができるため、耐摩耗性をより向上させることができる。Ｓｉの含有量は、好ましくは０．５質量％以上３質量％以下であり、より好ましくは１質量％以上３質量％以下であり、さらに好ましくは２質量％以上３質量％以下である。Ｓｉの含有量が０．５質量％以上であると、酸化被膜の形成を抑制する効果をより有効且つ確実に得ることができる。また、摩擦材料における気孔の寸法が大きくなることにより、摩擦係数がさらに高まる傾向にある。一方、Ｓｉの含有量が３質量％以下であると、接合相手部材（例えば、摩擦部材を保持する裏板）との密着性がさらに高くなることにより、それらの間の剥離をより抑制できる傾向にある。

本実施形態のマトリックスは、Ｍｎをさらに含んでいてもよい。マトリックスがＭｎを含むことで酸化被膜を形成するのを防ぐことができるため、耐摩耗性をより向上させることができる。Ｍｎの含有量は、好ましくは０．５質量％以上１５質量％以下であり、より好ましくは３質量％以上１０質量％以下であり、さらに好ましくは５質量％以上８質量％以下である。Ｍｎの含有量が０．５質量％以上であると、酸化被膜の形成を抑制する効果がさらに向上することにより、摩擦係数が高まる傾向にあり、Ｍｎの含有量が１５質量％以下であると、未反応のＭｎの介在をより抑制することにより、摩擦材料の密着性の低下を一層防ぐことができる傾向にある。

本実施形態のマトリックスは、Ｃｕの含有量が、マトリックスの全体量に対して、１５質量％以下であることが好ましい。Ｃｕの含有量が１５質量％以下であると、摩擦材料の温度が高くなっても、摩擦係数が低下し難くなる。これは、摩擦材料の延性が小さくなり、上記の制動時や断続時に発生する熱によっても、塑性流動を生じ難いためである。加えて、Ｃｕの含有量が１５質量％以下であると、制動や断続時の摩耗により摩擦部材から脱落等したＣｕが河川や海に流入することによる環境への負荷が更に少ない原料粉末を用いた摩擦材料が得られる。
Ｃｕの含有量は、好ましくは１０質量％以下であり、より好ましくは５質量％以下であり、さらに好ましくは１質量％以下である。

本実施形態のマトリックスは、金属、又は合金からなる。これらの中でも、前述の組成を有する合金が好ましい。

本実施形態の摩擦材料は、そのマトリックスを、摩擦材料の全体量に対して、４０質量％以上８０質量％以下含む。本実施形態において、マトリックスの含有量が４０質量％以上であると、上記の制動や断続時に、無機粒子及び潤滑剤が脱落するのを防ぐことができ、その耐摩耗性の低下を抑制できる。また、その摩擦材料からなる摩擦部材との焼結による接合を意図した部材（以下、「接合相手部材」という。例えば摩擦部材を保持する裏板。）との密着性を高めることもできる。一方、本実施形態のマトリックスの含有量が８０質量％以下であると、摩擦材料が緻密になりすぎるのを防止でき、摩擦係数を高めることができる。マトリックスの含有量は、好ましくは４５質量％以上７６質量％以下であり、より好ましくは４９質量％以上７６質量％以下である。

マトリックスは、好ましくは、平均粒径１μｍ以上５０μ以下の粒子を含む材料により形成されたものである。マトリックスが平均粒径１μｍ以上５０μ以下の粒子を含む材料により形成されることで、摩擦係数及び耐摩耗性が向上する。

＜無機粒子＞
無機粒子は、好ましくは硬質無機粒子である。

本実施形態において、無機粒子は、ジルコン粒子、チタニア粒子、及びムライト粒子を含む。また、本実施形態の摩擦材料における無機粒子の含有量は、摩擦材料の全量に対して、１０質量％以上３０質量％以下である。これらの粒子を含む無機粒子を当該範囲で含むことで、本実施形態に係る摩擦材料は、高温・高速の状況下において、優れた摩擦係数及び優れた耐摩耗性を示す。チタニア粒子としては、特に限定されないが、例えば、ルチル粒子、アナターゼ粒子、ブルッカイト粒子が挙げられる。これらの中でも、ルチル粒子が好ましい。

本実施形態において、ジルコン粒子、チタニア粒子、及びムライト粒子の合計含有量１００体積％に対して、ジルコン粒子の含有量が３０体積％以上３６体積％以下であり、チタニア粒子の含有量が３０体積％以上３６体積％以下であり、ムライト粒子の含有量が３０体積％以上３６体積％以下である。無機粒子がこれらの粒子を前述の体積割合で含むことで、本実施形態に係る摩擦材料は、高温・高速の状況下において、優れた摩擦係数及び優れた耐摩耗性を示す。

同様の観点から、ジルコン粒子の含有量は、ジルコン粒子、チタニア粒子、及びムライト粒子の合計含有量１００体積％に対して、好ましくは３１体積％以上３５体積％以下であり、より好ましくは３２体積％以上３４体積％以下である。

同様の観点から、チタニア粒子の含有量は、ジルコン粒子、チタニア粒子、及びムライト粒子の合計含有量１００体積％に対して、好ましくは３１体積％以上３５体積％以下であり、より好ましくは３２体積％以上３４体積％以下である。

同様の観点から、ムライト粒子の含有量は、ジルコン粒子、チタニア粒子、及びムライト粒子の合計含有量１００体積％に対して、好ましくは３１体積％以上３５体積％以下であり、より好ましくは３２体積％以上３４体積％以下である。

本実施形態において、各無機粒子の含有量（体積％）は、実施例に記載の方法により測定される。

本実施形態の摩擦材料における、ジルコン粒子、チタニア粒子、及びムライト粒子の合計含有量は、無機粒子の全量に対して、好ましくは８０質量％以上であり、より好ましくは９０質量％以上であり、さらに好ましくは９５質量％以上である。当該合計含有量が当該範囲にあることで、摩擦係数及び耐摩耗性をより向上させることができる。

ジルコン粒子の平均粒径は、好ましくは１０μｍ以上６００μｍ以下であり、より好ましくは５０μｍ以上３００μｍ以下であり、さらに好ましくは１００μｍ以上２００μｍ以下である。ジルコン粒子の平均粒径は、当該範囲であることで、ジルコン粒子が脱落しにくくなり、金属マトリックス中に良好に保持され、摩擦係数及び耐摩耗性をより向上させることができる。

チタニア粒子の平均粒径は、好ましくは１０μｍ以上６００μｍ以下であり、より好ましくは５０μｍ以上３００μｍ以下であり、さらに好ましくは１００μｍ以上２００μｍ以下である。チタニア粒子の平均粒径は、当該範囲であることで、チタニア粒子が脱落しにくくなり、金属マトリックス中に良好に保持され、摩擦係数及び耐摩耗性をより向上させることができる。

ムライト粒子の平均粒径は、好ましくは１０μｍ以上６００μｍ以下であり、より好ましくは５０μｍ以上３００μｍ以下であり、さらに好ましくは１００μｍ以上２００μｍ以下μｍである。ムライト粒子の平均粒径は、当該範囲であることで、ムライト粒子が脱落しにくくなり、金属マトリックス中に良好に保持され、摩擦係数及び耐摩耗性をより向上させることができる。

本実施形態において、無機粒子の平均粒径は、実施例に記載の方法により測定される。

無機粒子の合計含有量は、摩擦材料の全量に対して、好ましくは１３質量％以上２５質量％以下であり、より好ましくは１５質量％以上２０質量％以下である。無機粒子の含有量が当該範囲であることで、摩擦係数及び耐摩耗性がより向上する。

本実施形態の摩擦材料は、その他の無機粒子として、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｍｇ及びＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素の炭化物、窒化物、及び酸化物からなる群より選ばれる少なくとも１種の粒子（ただし、ジルコン粒子、チタニア粒子、及びムライト粒子を除く）を含んでいてもよい。その他の無機粒子としては、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）、ジルコニア（ＺｒＯ₂）、シリカ（ＳｉＯ₂）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）及び炭化タングステン（ＷＣ）が挙げられる。

その他の無機粒子の含有量は、摩擦材料の全量に対して、好ましくは１０質量％以下であり、より好ましくは５質量％以下であり、さらに好ましくは１質量％以下である。

＜潤滑剤＞
本実施形態の摩擦材料は、黒鉛（Ｃ）、二硫化モリブデン（ＭｏＳ₂）、窒化ホウ素（ＢＮ）、及びフッ化カルシウム（ＣａＦ₂）からなる群より選ばれる少なくとも１種の潤滑剤を含む。潤滑剤の含有量は、摩擦材料の全量に対して１０質量％以上３０質量％以下である。これらの物質を当該含有量で含むことにより、本実施形態に係る摩擦材料は、高温・高速の状況下において、優れた摩擦係数及び優れた耐摩耗性を示す。また、これらの潤滑剤が、当該含有量で含まれることにより、上記の制動時や断続時に生じる鳴きやジャダーを抑制することができる。これらの中でも、黒鉛、又はフッ化カルシウムが好ましく、黒鉛、又は、黒鉛及びフッ化カルシウムがより好ましい。

摩擦材料が黒鉛及びフッ化カルシウムを含有する場合、黒鉛とフッ化カルシウムとの質量比（黒鉛／フッ化カルシウム）は、好ましくは７０／３０以上９８／２以下であり、より好ましくは７５／２５以上９５／５以下であり、さらに好ましくは８０／２０以上９０／１０以下である。黒鉛とフッ化カルシウムとの質量比が当該範囲であることで、摩擦係数及び耐摩耗性がより向上する。

潤滑剤の含有量は、摩擦材料の全量に対して、好ましくは１０質量％以上３０質量％以下であり、より好ましくは１５質量％以上２８質量％以下であり、さらに好ましくは１８質量％以上２５質量％以下である。

本実施形態の摩擦材料は、摩擦調整剤を含有していてもよい。摩擦調整剤としては、特に限定されないが、例えば、タルク（Ｍｇ₃Ｓｉ₄Ｏ₁₀（ＯＨ）₂）、マイカ、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ₃）及びコークス（Ｃ）が挙げられる。これらの摩擦調整剤を含有することで、上記の制動中や断続時の摩擦係数や摩擦材料の機械的強度を、さらに有効かつ確実に調整することができる。

＜気孔率＞
摩擦材料の気孔率は、好ましくは１４体積％以上３０％体積以下である。気孔率が当該範囲内であることで、摩擦係数をより向上させることができ、さらに耐摩耗性をより向上させることができる傾向にある。摩擦材料の気孔率は、より好ましくは１５体積％以上２５％体積以下であり、さらに好ましくは１７体積％以上２０％体積以下である。気孔率の測定方法は実施例に記載の方法による。

なお、本実施形態の摩擦材料における組成の割合、マトリックスにおける各元素の割合については、以下のようにして求めることができる。摩擦材料の表面を研磨し、その研磨面の組織を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）に付属するエネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＳ）で測定することができる。ＳＥＭにて摩擦材料の組織を５０倍～２０００倍に拡大し、ＥＤＳにて摩擦材料の組成の割合を求めることができる。また、ＳＥＭにて摩擦材料の組織を３０００倍～１００００倍に拡大し、無機粒子や潤滑剤を含まないようにして、ＥＤＳにてマトリックスにおける各元素の割合を求めることができる。

［摩擦材料の製造方法］
本実施形態の摩擦材料の製造方法は、特に制限されないが、例えば、
工程（Ａ）：マトリックスを構成する金属粉末４０質量％以上８０質量％以下と、ジルコン粒子、チタニア粒子、及びムライト粒子を含む無機粒子粉末１０質量％以上３０質量％以下と、潤滑剤粉末１０質量％以上３０質量％以下と、任意成分として摩擦調整剤粉末１質量％以上２０質量％以下とを配合（ただし、これらの合計は１００質量％であり、ジルコン粒子、チタニア粒子、及びムライト粒子の合計含有量１００体積％に対して、ジルコン粒子の含有量が３０体積％以上３６体積％以下であり、チタニア粒子の含有量が３０体積％以上３６体積％以下であり、ムライト粒子の含有量が３０体積％以上３６体積％以下である。）する工程と、
工程（Ｂ）：配合した原料粉末を混合し、混合物を準備する混合工程と、
工程（Ｃ）：得られた混合物を所定の摩擦材料の形状に成形して成形体を得る成形工程と、
工程（Ｄ）：前記工程（Ｃ）で得られた成形体と、その成形体を保持する接合相手部材（例えば、金属製の裏板）とを重ねて焼結する焼結工程と、
工程（Ｅ）：上記工程（Ｄ）を経た焼結体の表面を所定の寸法に研磨する研磨工程とを含む。上記金属粉末に代えて、合金粉末、金属化合物粉末、又は金属間化合物粉末を用いてもよい。

なお、工程（Ａ）において使用される原料粉末の平均粒径は、米国材料試験協会（ＡＳＴＭ）規格Ｂ３３０に記載のフィッシャー法（Fisher Sub-Sieve Sizer（FSSS））により測定されるものである。

工程（Ａ）では本実施形態の摩擦材料の原料粉末として、マトリックスを構成する金属粉末４０質量％以上８０質量％以下と、無機粒子粉末１０質量％以上３０質量％以下と、潤滑剤粉末１０質量％以上３０質量％以下と、必要に応じて、摩擦調整剤粉末１質量％以上２０質量％以下とを配合することにより、各組成を調整することができる。上記金属粉末に代えて、合金粉末、金属化合物粉末、又は金属間化合物粉末を用いてもよい。

工程（Ａ）では、例えば、マトリックスの原料として、平均粒径１μｍ以上５０μｍ以下の粒子を含む材料を用いることが好ましい。より具体的には、工程（Ａ）では、例えば、マトリックスの全体量に対して、平均粒径１μｍ以上５０μｍ以下（好ましくは５μｍ以上４０μｍ以下）のＦｅ粉末を１質量％以上２０質量％以下、平均粒径１μｍ以上５０μｍ以下（好ましくは１μｍ以上５．０μｍ以下）のＮｉ粉末を８０質量％以上９９質量％以下配合してもよい。マトリックスにおける、ＦｅとＰとの含有量の比［（Ｆｅ＋Ｐ）／Ｎｉ］を０．０１０以上１．２以下にするには、Ｆｅ粉末として、Ｐを含有するＦｅ粉末を使用すればよい。マトリックスにおける、Ｆｅ及びＷの含有量の比［Ｆｅ＋Ｗ／Ｎｉ］を０．０２以上０．５０以下にするには、Ｆｅ粉末として、Ｗを含有するＦｅ粉末を使用すればよい。

本実施形態の摩擦材料の製造に使用される金属粉末におけるＦｅ成分として、カルボニル鉄粉法及びアトマイズ（噴霧）法のいずれか一方又は両方により製造されたＦｅ元素を８５質量％以上含有する鉄基金属粉末を用いると、摩擦材料の機械的強度が一層向上するので、さらに好ましい。

カルボニル鉄粉法により製造された鉄基金属粉末として、具体的には、Ｆｅ元素を含むカルボニル鉄粉末を挙げることができる。また、上記アトマイズ法により製造された鉄基金属粉末として、具体的には、０．３質量％以上１５質量％以下のＰ元素と、残部のＦｅ元素とからなるリン含有鉄粉末を挙げることができる。その中でも、０．５質量％以上１０．０質量％以下のＰ元素と、残部のＦｅ元素とからなるリン含有鉄粉末がさらに好ましい。

本実施形態の摩擦材料の製造に使用される金属粉末のＣｕ成分としては、例えば、Ｃｕからなる金属粉末を使用するとよい。

本実施形態の摩擦材料の製造に使用される金属粉末のＳｉ成分及びＭｎ成分としては、例えば、Ｓｉからなる金属粉末、及びＭｎからなる金属粉末を使用するとよい。その他のＳｉ成分としては、例えば、Ｓｉとその他の金属元素とからなるシリコン基金属粉末（Ｓｉの含有量は通常８０質量％以上である。）を使用してもよい。なお、本発明において、Ｓｉは金属に包含されるものとする。

例えば、Ｓｉ元素を８０質量％以上含有するシリコン基金属粉末として、具体的には、Ｓｉ元素からなる金属シリコン粉末、８０質量％以上のＳｉ元素と残部のＦｅ元素とからなるフェロシリコン粉末を挙げることができる。

工程（Ｂ）では、各原料粉末の平均粒径を調整したり、所定の配合組成の混合粉末を均一に混合させることができる。

工程（Ｃ）では、得られた混合物を所定の摩擦材料の形状に成形することができる。

工程（Ｄ）では、工程（Ｃ）を経て得られた成形体と、接合相手部材、例えば成形体を保持するための金属製の裏板、とを重ねて焼結することにより、成形体の焼結と、成形体と接合相手部材との接着という２つの効果が得られる。好ましくは、７５０℃以上１１００℃以下の範囲の温度で０．５時間以上２時間以下という条件で焼結することにより、成形体は緻密化し、機械的強度が高まり、且つ、成形体と接合相手部材との密着性が高まる。摩擦材料の耐摩耗性が向上するため、焼結時にＡｒガスの雰囲気とし、成形体に対して０．１～５ＭＰａの加圧条件とすることが好ましい。

工程（Ｅ）では、工程（Ｄ）を経て得られた焼結体を研磨することにより、焼結体の寸法を調整することができる。

本実施形態の摩擦材料は、工作機械、建設機械、農業機械、自動車、二輪車、鉄道、航空機及び船舶等の、各種機械の回転又は移動を任意に制御するクラッチ又はブレーキのような成形部材の材料として用いることができる。本実施形態の摩擦材料は、高温・高速の状況下において、摩擦係数及び耐摩耗性に優れるため、レース用の二輪車用の摩擦材料として用いることが好適である。

［ブレーキパッド］
本実施形態のブレーキパッドは、本実施形態に係る摩擦材料を含む。そのブレーキパッドは、本実施形態に係る摩擦材料の摩擦面に配される。本実施形態に係る摩擦材料は、高温・高速の状況下において、摩擦係数及び耐摩耗性に優れるため、高速運転時の制動性に優れる。

図１は、本実施形態のブレーキパッドの概略側面図である。本実施形態のブレーキパッド１は、本実施形態の摩擦材料からなるパッド部２と、当該パッド部２を支持する支持体３と、当該支持体に設けられた連結部４とを有する。ブレーキバッド１は、連結部４により、自転車のブレーキに取り付けられる。

本実施形態の摩擦材料は、環境への負荷が少ない原料粉末を用いることができるので、環境への負荷が少ない。さらに、本実施形態の摩擦材料は、焼結性に優れているため、金属製の裏板のような接合相手部材との密着性に優れ、高い摩擦係数を有する。また、本実施形態の摩擦材料は、上記の制動時又は断続時に摩擦材料が高温になった場合においても、高い摩擦係数を有する。より具体的には、本実施形態の摩擦材料は、従来の銅を主成分とする摩擦材料と同等又はそれ以上の、高い摩擦係数を有している。

以下、本発明を実施例により、より具体的に説明する。本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。

＜平均粒径＞
原料粉末の平均粒径は、米国材料試験協会（ＡＳＴＭ）規格Ｂ３３０に記載のフィッシャー法（ＦｉｓｈｅｒＳｕｂ－ＳｉｅｖｅＳｉｚｅｒ（ＦＳＳＳ））により測定した。

＜気孔率＞
摩擦材料から、幅２５ｍｍ、長さ２５ｍｍのサイズの試料を切り出し、各端面（２５ｍｍ角の面）を滑らかに仕上げ、研磨粉を十分取り除いた。試料は，デシケーター中で２４時間以上放置した。試料の幅、長さ及び厚さを測定し、試験片の見かけの体積Ｖを求めた。試料の質量ｍ１を測定した。密度ρの油が入った容器の中に試料を入れ、９０±１０℃で８時間保持した。なお、油は、ＪＩＳＤ４４１８：１９９６の附属書１表２の規定に適合するものである。その後、油中に試料を浸せきしたまま、油が室温になるまで１２時間以上放置した。油中から試料を取り出し、布片上に４～５回転がして試料の表面の油を取り去った。試料の質量ｍ２を測定した。下記式から気孔率を算出した。
ｐ＝｛（ｍ２－ｍ１）／ρ｝×｛１／Ｖ｝×１００
（式中、ｐ：気孔率（体積％）、ｍ１：試験片の質量（ｇ）、ｍ２：油を吸収した試験片の質量（g）、ρ：油の密度（ｇ／ｃｍ³）、Ｖ：試験片の体積（ｃｍ³）を表す。）

＜無機粒子の割合（体積％）＞
はじめに、Ｘ線回折測定により、摩擦材料に含まれている物質を特定した。次に、摩擦材料のｘ方向、ｙ方向及びｚ方向を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）にて観察し、５０倍以下の倍率で撮影した。また、含まれている各元素の面分析結果から各物質を特定した。そして、撮影した写真を画像解析し、各物質の面積率を算出した。摩擦材料のｘ方向、ｙ方向及びｚ方向のそれぞれの面積率の平均値を算出し、面積率を体積％とした。

＜無機粒子の平均粒径＞
摩擦材料のｘ方向、ｙ方向及びｚ方向を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）にて観察し、５０倍以下の倍率で撮影した。そして、撮影した写真を画像解析し、無機粒子の合計面積を算出した。次に、撮影した写真内の無機粒子の数を数える。摩擦材料のｘ方向、ｙ方向及びｚ方向の合計面積を無機粒子の数で除し、１粒子当たりの平均面積を算出した。この平均面積相当を持つ円と仮定し、その円の直径を無機粒子の平均粒径とした。Ｘ線回折測定により、摩擦材料に含まれている物質を特定した。また、含まれている各元素の面分析結果から各無機粒子の種類を特定した。

［摩擦材料の製造］
表１に示す原料粉末を所定の配合量になるように秤量して、それらを混合器により混合した。得られた混合物をブレーキパッドの形状に成形して成形体を得た。得られた成形体と、鋼板の表面に銅めっきを施した裏板とを重ね合わせ、表１に示す焼結温度、焼結圧力にて、加圧焼結して摩擦材料の試料を得た。このとき、Ａｒ雰囲気にて１時間保持して焼結した。なお、表１中の無機粒子の平均粒径は、上記の方法により測定した平均粒径である。

表１中、各種略語の意味は以下のとおりである。
Ｎｉ：ニッケル金属粒子
ＦｅＰ：リン含有鉄（９４質量％Ｆｅ，６質量％Ｐ）粒子
Ｃｕ：銅金属粒子
Ｍｎ：マンガン金属粒子
Ｓｎ：スズ金属粒子
Ｚｎ：亜鉛金属粒子
ＦｅＷ：タングステン含有鉄（８０質量％タングステン）
ＦｅＳｉ：ケイ素含有鉄（６０質量％ケイ素）
ＳＵＳ：ステンレス鋼（１８質量％クロム）
ジルコン粒子：ジルコンサンド（ＺｒＳｉＯ₄粒子）
チタニア粒子：ルチルサンド（＞９５質量％ルチル型ＴｉＯ₂）
ムライト粒子：ムライト
Ｍｉｃａ：マイカ（ＫＡｌ₂・ＡｌＳｉ₃Ｏ₁₀（ＯＨ）₂）

得られた摩擦材料の試料を用いて、以下の試験を行った。その結果を表２に示す。

［摩擦試験］
＜摩擦係数＞
試験装置：慣性式摩擦試験機
慣性モーメント：１２．２５ｋｇｍ²
速度：５０ｍ／ｓ
面圧：９８０ｋＰａ
試験片形状：２５ｍｍ×２５ｍｍ×１０ｍｍ
ブレーキ開始温度：３５０℃

＜摩耗量＞
試験装置：慣性式摩擦試験機
慣性モーメント：１２．２５ｋｇｍ²
速度：５０ｍ／ｓ
面圧：２０００ｋＰａ
試験片形状：２５ｍｍ×２５ｍｍ×１０ｍｍ
ブレーキ開始温度：１００℃

以上、発明品と比較品との対比によれば、本実施形態の摩擦材料は、高温・高速の状況下において、高い摩擦係数を示しながら、耐摩耗性に優れることがわかる。

本発明の摩擦材料は、工作機械、建設機械、農業機械、自動車、二輪車、鉄道、航空機及び船舶等の、各種機械の回転又は移動を任意に制御するクラッチ又はブレーキのような成形部材の材料として用いることができる。

１…ブレーキパッド、２…パッド部、３…支持体、４…連結部

Claims

Ｎｉ、及びＦｅからなる群から選ばれる少なくとも１種を含むマトリックスを４０質量％以上８０質量％以下、
ジルコン粒子、チタニア粒子、及びムライト粒子を含む無機粒子を１０質量％以上３０質量％以下、及び
黒鉛、二硫化モリブデン、窒化ホウ素及びフッ化カルシウムからなる群から選ばれる少なくとも１種を含む潤滑剤を１０質量％以上３０質量％以下、含有し、
前記ジルコン粒子、前記チタニア粒子、及び前記ムライト粒子の合計含有量１００体積％に対して、前記ジルコン粒子の含有量が３０体積％以上３６体積％以下であり、前記チタニア粒子の含有量が３０体積％以上３６体積％以下であり、前記ムライト粒子の含有量が３０体積％以上３６体積％以下である、摩擦材料。
前記摩擦材料の気孔率が、１４体積％以上３０体積％以下である、請求項１に記載の摩擦材料。
前記マトリックスが、平均粒径１μｍ以上５０μｍ未満の粒子を含む材料により形成されたものである、請求項１又は２に記載の摩擦材料。
前記マトリックスが、マトリックス１００質量％に対して、０．２０質量％以上１．００質量％以下のＰを含有する、請求項１～３のいずれか１項に記載の摩擦材料。
前記マトリックスが、Ｎｉ及びＦｅを含む、請求項１～４のいずれか１項に記載の摩擦材料。
前記ジルコン粒子、前記チタニア粒子、及び前記ムライト粒子の合計含有量が、前記無機粒子の総量に対して、８０質量％以上である、請求項１～５のいずれか１項に記載の摩擦材料。
前記ジルコン粒子が、１０μｍ以上６００μｍ以下の平均粒径を有し、
前記チタニア粒子が、１０μｍ以上６００μｍ以下の平均粒径を有し、且つ、
前記ムライト粒子が、１０μｍ以上６００μｍ以下の平均粒径を有する、請求項１～６のいずれか１項に記載の摩擦材料。
前記潤滑剤が、黒鉛、又は、黒鉛及びフッ化カルシウムを含む、請求項１～７のいずれか１項に記載の摩擦材料。
請求項１～８のいずれか１項に記載の摩擦材料を含む、ブレーキパッド。