JP6464760B2 - 摺動部品の摩擦材の製造方法及びその摩擦材 - Google Patents

Description

本発明は、シンクロリング等の摺動部品に一体に接合される摺動部品の摩擦材の製造方法及びその摩擦材に関するものである。

車両用変速機の同期装置としてのシンクロリングには、相手ギヤコーンとの摩擦係数を高めるために摩擦材が接合される。

従来、摩擦材として、燒結金属等で形成されていたが、耐摩耗性に劣るため、耐摩耗性と耐熱性に優れると共に長期間使用しても摩擦係数が低下しないカーボン摩擦材が用いられるようになってきている。

このカーボン摩擦材は、固体潤滑剤としての人造黒鉛と、ウォラストナイト等の補強繊維、カーボンファイバと、熱伝導性を高めるための銅合金粒子とを、フェノール樹脂と共に混合して加熱、加圧して成形される。

カーボン摩擦材は、高い動摩擦係数を有するものの、補強材として用いるウォラストナイトは、針状の結晶体からなる繊維で、構造材としては有用であるが、熱伝導率が低い。

このため、シンクロリングが相手ギヤコーンとの摩擦熱で、熱を持ちすぎると、異常摩耗等の不具合が発生する問題がある。

特表２００８−５３９３１５号公報 特開２００４−１４４３０２号公報 国際公開２００４／１０９１３８号 特表２００７−５００３２１号公報

このカーボン摩擦材には、銅合金粒子を混合しているが、銅合金粒子を多量に混合すると強度が低下するため、混合割合には限度がある。また、カーボンファイバは、構造補強材としての機能と熱伝達の機能を有するものの、摩擦材の熱伝導率を向上するには限度がある。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、カーボン摩擦材の放熱性を向上できる摺動部品の摩擦材の製造方法及びその摩擦材を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、固体潤滑剤と補強繊維とカーボンファイバと銅合金粒子とを、フェノール樹脂と共に混合して加熱、加圧して成形される摩擦材であって、前記カーボンファイバに、細孔を有するピッチ系カーボンファイバを用いて成形したことを特徴とする摺動部品の摩擦材の製造方法である。

前記カーボンファイバが、細孔を有するピッチ系カーボンファイバにＰＡＮ系カーボンファイバを一部含有させてなるのが好ましい。

カーボンファイバは、フェノール樹脂と混合され、フェノール樹脂を半硬化状態にしてカーボン原料造粒粉とされるのが好ましい。

前記固体潤滑剤がミルフィーユカーボンからなるのが好ましい。

また本発明は、上述の摺動部品の摩擦材の製造方法で製造されたことを特徴とする摺動部品の摩擦材である。

本発明は、熱伝導率が高く、しかも、細孔を有するピッチ系カーボンファイバを用いることで、熱伝導率が向上し、ヒートスポットを分散させることができると共に細孔内に入った潤滑油での放熱で、摩擦熱を放熱できるという優れた効果を発揮する。これにより、異常摩耗等の不具合の発生を抑制することが可能である。

本発明の摺動部品の摩擦材の製造方法の一実施の形態を示す概略図である。 本発明の摺動部品の摩擦材の製造方法を説明する工程図である。 本発明で得られた摩擦材の表面の顕微鏡写真を示す図である。 従来の摩擦材の表面の顕微鏡写真を示す図である。 本発明において、仕上げ加工した摩擦材の表面の顕微鏡写真を示す図である。 従来の摩擦材を、仕上げ加工した摩擦材の表面の顕微鏡写真を示す図である。 本発明において、ミルフィーユカーボンを破壊したときの変位と試験力との関係を測定した図である。 人造黒鉛を破壊したときの変位と試験力との関係を測定した図である。 本発明において、ミルフィーユカーボンと人造黒鉛の破壊強度を示す図である。 本発明において、ミルフィーユカーボンと人造黒鉛を摩擦材に用いたときの摩耗試験の結果を示す図である。

以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１は、本発明の摺動部品の摩擦材の製造方法の一実施の形態を示したものである。

先ず、ウォラストナイト（ＣａＳｉＯ₃）などの補強材と熱硬化性樹脂としてのフェノール樹脂粉とを混合し、フェノール樹脂を半硬化させて、粒径５０μｍ以上５００μｍ以下の原料造粒粉１０を造粒形成する。

このウォラストナイトからなる原料造粒粉１０は、ウォラストナイト１００ｍａｓｓに対してフェノール樹脂を１５ｍａｓｓ〜４０ｍａｓｓ加え、これを温度８０℃〜１２０℃で、０．５〜５時間加熱してフェノール樹脂を半硬化状態とし、これを粒径５０μｍ以上５００μｍ以下にして造粒形成する。

カーボンファイバとフェノール樹脂粉とを混合し、フェノール樹脂を半硬化させて、粒径５０μｍ以上５００μｍ以下の原料造粒粉１１を造粒形成する。

このカーボンファイバとしては、ＰＡＮ系カーボンファイバに対して熱伝導率の高いピッチ系カーボンファイバ（線径７〜１５μｍ、長さ８０〜１５０μｍ）を用い、その中でも細孔率の高いピッチ系カーボンファイバを用いる。

ピッチ系カーボンファイバの熱伝導率は、４００〜８００（Ｗ／ｍｋ）と、ＰＡＮ系カーボンファイバの熱伝導率（１００Ｗ／ｍｋ）より高く、銅の熱伝導率（４００Ｗ／ｍｋ）と同等かそれ以上であり、しかも、繊維長が８０〜１５０μｍと長いため、構造補強材としても機能する。

このピッチ系カーボンファイバは、コールタールピッチを精製、改質、熱処理して得られた紡糸ピッチを紡糸し、これを所定の温度で黒鉛化することで製造される。紡糸に供する紡糸ピッチは、熱処理によるメソフェーズ化反応過程で、等方性のピッチ系カーボンから異方性のメソフェーズピッチ系カーボンファイバへと段階的に変化し、その間に細孔率も変化する。

本発明においては、ピッチ系カーボンファイバの中でも、細孔率の高いピッチ系カーボンファイバを用いるが、賦活処理して細孔を形成したものも使用できる。

ピッチ系カーボンファイバは、ＰＡＮ系カーボンファイバに対して引張強度が低く、細孔率の高いピッチ系カーボンファイバを用いると、その引張強度が低下するので、ＰＡＮ系カーボンファイバを一部混入するようにしてもよい。

このピッチ系カーボンファイバは、摩擦材の原料にそのまま混入すると分散し、細孔による潤滑油の移動効果が低くなるため、ピッチ系カーボンファイバとフェノール樹脂とで、原料造粒粉１１を予め形成しておく。

この原料造粒粉１１は、ピッチ系カーボンファイバ１００ｍａｓｓに対してフェノール樹脂を１５ｍａｓｓ〜４０ｍａｓｓ加えて形成し、これを温度８０℃〜１２０℃で、０．５〜５時間加熱してフェノール樹脂を半硬化状態とし、これを粒径５０μｍ以上５００μｍ以下にして造粒形成する。

次に、原料造粒粉１０、１１をミキサー２１に投入すると共に黄銅粉などの粒径５０μｍ±２０μｍの銅合金粒子１２を加えて混合して予混合物１３とする。

予混合物１３の配合は、ウォラストナイトからなる原料造粒粉１０が、８ｍａｓｓ〜２０ｍａｓｓ、ピッチ系カーボンファイバからなる原料造粒粉１１が、８ｍａｓｓ〜２０ｍａｓｓ、銅合金粒子１２が、５ｍａｓｓ〜１５ｍａｓｓである。

この予混合物の１００ｍａｓｓに対して、フェノール樹脂１４を１０ｍａｓｓ〜２５ｍａｓｓ加えて樹脂添加混合物１５とした後、樹脂添加混合物１５に１００ｍａｓｓ対して、固体潤滑材としてのミルフィーユカーボン１６を４５ｍａｓｓ〜５５ｍａｓｓ加えて全材料混合物１７とする。

ミルフィーユカーボン１６は、スーペリアグラファイト社製のか焼コークスであり、石油系直留重質油、コールタールピッチなどを流動層内で、２５０〜４５０℃の間で加熱して得られたもので、コールタールピッチなどの成分留である軽質留分が蒸発してメソフェーズ状の薄片状の皮が層状に重なって粒状に形成されるもので、皮の厚さが５〜２０μｍ、枚数が３〜１０枚で、粒径が５０〜５００μｍのメソフェーズ球体からなる。

ミルフィーユカーボン１６を加えた全材料混合物１７に、熱を加えてフェノール樹脂１４を半硬化状態とすると共にこれを０．５〜１．０ｍｍの全材料造粒粉１８とする。

この造粒した全材料造粒粉１８を、成形型２２Ａ、２２Вに充填し、加熱、加圧することで、摩擦材２０が成形される。

成形された摩擦材２０は、全材料造粒粉１８が、０．５〜１．０ｍｍの範囲で一定の粒径のものを用いて成型されるため、全材料造粒粉１８同士が加熱、加圧されても全材料造粒粉１８同士の空間が保持されて、内部に気孔が形成されると共に内部の気孔同士が繋がって形成されると共にピッチ系カーボンファイバの細孔を有する。これにより、細孔や気孔内に流入した潤滑油は移動可能となり、摩擦により発生する熱を潤滑油で放熱することが可能となる。

この摩擦材２０は、成型後に摺動部品に貼り付けるようにしても或いは成形と共に摺動部品に接合するようにしてもいずれでもよい。

図１においては、シンクロリングのリング粗材１９に予め接着剤２３を塗布して乾燥し、これを成形型２２Ａにセットし、リング粗材１９と成形型２２В間に、全材料造粒粉１８を充填した後、加熱、加圧（温度１８０℃〜２００℃、圧力２００〜６００ｋｇ／ｃｍ²、時間３０分）することで、摩擦材２０の成形と共にリング粗材１９に接合する。

接合後は、摩擦材２０の表面を所定の厚さ（０．７ｍｍ）になるように切削して仕上げ加工してシンクロリングとする。

図２は、シンクロリングを製造する工程図を示したものである。

先ず、粗材を鍛造にてリング状に形成し、所定の寸法となるように加工する。

次に浸炭焼き入れしたものを鉄基材とする（Ｓ１）、摩擦材を接合する面にショットブラストを行って表面を粗面化する（Ｓ２）。

粗面化した鉄基材に摩擦材を直接成形するカーボンコンポジット（ＣＣ）成膜を行い（Ｓ３）、その後成膜した摩擦材の表面を仕上げ加工し（Ｓ４）、検査（Ｓ５）を行ってシンクロリングの製品とする。

カーボンコンポジット成膜（Ｓ３）は、鉄基材を粗面化した面に接着剤を塗布・乾燥（Ｓ３−１）し、これを成形型にセットし（Ｓ３−２）、その成形型内に、図１で説明した混合・造粒（Ｓ３−４）工程で、別途製造した全材料造粒粉１８である原料を充填し（Ｓ３−３）、加熱加圧成形（Ｓ３−５）することで、粗面化した面に接着剤で接合された摩擦材が成形され、その後、成形型の型ばらし（Ｓ３−６）が行われて、カーボンコンポジット成膜（Ｓ３）が完了する。

図３は、本発明で得られた摩擦材の内部をレーザー顕微鏡で撮影したもので、ミルフィーユカーボンの周囲に気孔が形成され、またピッチ系カーボンファイバが集合体で多数分散形成されていることが分かる。

図４は、従来の人造黒鉛を用い、ウォラストナイト、カーボンファイバ、銅合金粒子をフェノール樹脂で混練して摩擦材とし、その摩擦材の内部をレーザー顕微鏡で撮影したもので、気孔が全く形成されていないことが分かる。

図５は、図２で製造した仕上げ加工で形成された摩擦材の表面をレーザー顕微鏡で撮影したものである。

この図５によれば、切削仕上げ加工により摩擦材の表面に露出したミルフィーユカーボンは、切削により脱落して表面に、ミルフィーユカーボンの脱落痕としてのディンプルが形成されていることが見てとれる。

このディンプルは、ミルフィーユカーボンの外層の皮が１乃至２枚程度表面に残った状態であり、ミルフィーユカーボンの外層の皮で、ディンプルが形成されていることが確認できた。このディンプルの径は、ミルフィーユカーボンの粒径にほぼ等しく、全ディンプルの面積率は、２０〜２５％である。またミルフィーユカーボンの外層の皮で形成されるディンプルは、外層の皮が脱落の際に表面にひびが観測された。

このように表面にひびが入ったディンプルを摩擦材の表面に形成することで、摩擦材は、相手ギヤコーンとの接触面積を小さくすることができ、またディンプルに潤滑油を保持できるため静摩擦係数を小さくできる。また、相手ギヤコーンとの動摩擦で摩擦熱が発生する際には、潤滑油は、その摩擦熱を受け、ディンプルや気孔とピッチ系カーボンファイバの細孔を通して移動して放熱することが可能となる。

図６は、図４で説明した、従来の人造黒鉛を用いて摩擦材を切削仕上げ加工した表面をレーザー顕微鏡で撮影したものである。

人造黒鉛では、切削仕上げ加工しても表面に脱落痕は見られず、目詰まりを起こしているような状態であった。

図７は、ミルフィーユカーボンを破壊したときの変位と試験力との関係を測定した図であり、図８は、人造黒鉛を破壊したときの変位と試験力との関係を測定した図で、共に試料数は５個で行った。

ミルフィーユカーボンは、図７に黒丸で示されるように、試験力が増大しても変位は少なく、ある試験力を超えると外層の皮からパキパキと砕けてその薄皮が無くなって大きく変位する特性がある。

従って、成形した摩擦材の表面を切削仕上げ加工することで、ミルフィーユカーボンの外層の皮が砕けてディンプルを容易に形成できる。

これに対して人造黒鉛は、点線領域Ｒで示すように、試験力が増大するにつれて変位も増加する。これは人造黒鉛には、弾力性があるため砕けずに粘る性質があり、また破壊強度も高いことが分かる。

図９は、ミルフィーユカーボンと人造黒鉛の破壊強度を測定したもので、５つの試料平均の破壊強度は、ミルフィーユカーボンが２４．８ＭＰａ、人造黒鉛が３１．０ＭＰａであった。

図１０は、ミルフィーユカーボンと人造黒鉛を摩擦材に用いたときの長時間摩耗試験をした結果を示したものである。

この図１０によれば、ミルフィーユカーボンを摩擦材に用いることで、人造黒鉛を用いた摩擦材より長時間摩耗係数の低下が少ないことがわかる。

以上、本発明は、熱伝導率が高く、しかも、細孔を有するピッチ系カーボンファイバを用いることで、熱伝導率が向上し、ヒートスポットを分散させることができると共に細孔内に入った潤滑油での放熱で、摩擦熱を放熱できる。これにより、異常摩耗等の不具合の発生を抑制することが可能である。

１０ 原料造粒粉
１６ ミルフィーユカーボン
１８ 全材料造粒粉
２０ 摩擦材
２２Ａ、２２Ｂ 成形型

Claims (4)

1. 固体潤滑剤と補強繊維とカーボンファイバと銅合金粒子とを、フェノール樹脂と共に混合し加熱、加圧して摩擦材を成形する摩擦材の製造方法であって、
   前記カーボンファイバに、ピッチ系カーボンファイバを用い、
   前記固体潤滑剤がミルフィーユカーボンからなり、前記ミルフィーユカーボンは、か焼コークスからなる薄片状の皮を層状に重ねて粒状に形成したものであり、
   前記製造方法は、摩擦材の表面を切削することで摩擦材の表面にあるミルフィーユカーボンのうち、外層の皮を残して大部分を脱落させ、この外層の皮によりディンプルを形成することを含むことを特徴とする摺動部品の摩擦材の製造方法。
2. 前記カーボンファイバが、ピッチ系カーボンファイバにＰＡＮ系カーボンファイバを一部含有させてなる請求項１記載の摺動部品の摩擦材の製造方法。
3. カーボンファイバは、フェノール樹脂と混合され、フェノール樹脂を半硬化状態にしてカーボン原料造粒粉とされる請求項１又は２記載の摺動部品の摩擦材の製造方法。
4. 前記摩擦材の表面に残ったミルフィーユカーボンの外層の皮にひびが形成されている請求項１〜３のいずれかに記載の摺動部品の摩擦材の製造方法。