JP6507658B2 - 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材と、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。

摩擦材は、相手ギヤコーンと接触して同期を得るためには高い動摩擦係数が必要であると共に、相手ギヤコーンと離れる際には低い静摩擦係数が必要であるという相反した性能が求められる。

このためには、（ａ）高い動摩擦係数には相手ギヤコーンと接触する時に界面に油が無い状態にして、油膜を切る必要があり、（ｂ）低い静摩擦係数には、相手ギヤコーンとの接触面積を小さくすることが有効である。

この（ａ）、（ｂ）の両方を満たす表面とするためには、表面にディンプルを形成するのが有効である。

特開２０１１−０２１５９７号公報 特開２００３−０４７２６２号公報 国際公開２００４／１０９１３８号 特開２００５−１１３１３０号公報

従来、ディンプルの形成にはレーザー照射やショットピーニングなどの方法があるが、カーボン摩擦材には使えない問題がある。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、カーボン摩擦材の表面にディンプルを形成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、摩擦材の原料にミルフィーユカーボンを混合し、これを成形型に充填すると共に加熱、加圧成形して摩擦材とし、この摩擦材の表面を切削してミルフィーユカーボンの脱落痕でディンプルを形成することを特徴とする摺動部品の摩擦材の製造方法である。

摩擦材の原料が、補強材とカーボンファイバと銅合金粒子と熱硬化性樹脂とからなり、この原料に皮の厚さ５〜２０μｍ、枚数３〜１０で、粒径５０〜５００μｍのミルフィーユカーボンを混合して摩擦材を成形するのが好ましい。

前記補強材としてウォラストナイトをフェノール樹脂と混合し、フェノール樹脂が半硬化状態の原料造粒粉を形成し、前記カーボンファイバをフェノール樹脂と混合し、フェノール樹脂が半硬化状態の原料造粒粉を形成し、これら原料造粒粉に、銅合金粒子とフェノール樹脂とミルフィーユカーボンを加えて混合した後、粒径０．５〜１．０ｍｍの全材料造粒粉を形成し、これを成形型に充填した後、加熱、加圧して摩擦材を成形し、その摩擦材の表面を切削仕上げ加工して、表面にディンプルを形成するのが好ましい。

前記ディンプルは、前記切削仕上げ加工で脱落したミルフィーユカーボンの外層の皮が摩擦材の表面に残って形成され、かつその表面に残ったディンプルの皮にひびが形成されているのが好ましい。

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、全ディンプルの面積率が２０〜２５％であることを特徴とする摺動部品の摩擦材である。

本発明は、カーボン摩擦材の原料に、ミルフィーユカーボンを用いて摩擦材を成形し、この摩擦材の表面を切削仕上げすることで、ミルフィーユカーボンの脱落痕でディンプルを形成できるという優れた効果を発揮する。

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１２５μｍ以上２５０μｍ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。

同様に、カーボンファイバ（線径７〜１５μｍ、長さ８０〜１５０μｍ）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からなる原料造粒粉１１は、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、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。これにより、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、０．５〜１時間）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）になるように切削仕上げ加工することでシンクロリング３０とする。

摩擦材２０は、切削仕上げ加工することで、摩擦材２０の表面にあるミルフィーユカーボン１６が、そのミルフィーユカーボン１６の外層の皮１６ｓを残して大部分が脱落し、外層の皮１６ｓでディンプル２４が形成される。また外層の皮１６ｓには、ミルフィーユカーボン１６の破砕・脱落により、ひびが入った状態となる。

このように、摩擦材２０の表面にディンプル２４を形成することで、ギヤコーンとの接触面積が低減でき、またディンプル２４には潤滑油を溜めることが可能であり静摩擦係数を低下させることができる。

また、ギヤコーンとの接触摩擦で発熱した際には、潤滑油は、ディンプル２４のひびと摩擦材２０に形成された気孔を通して流れて放熱することが可能となる。

また経年使用により、摩擦材２０の摩擦面がすり減らされても、摩擦材２０中には、ミルフィーユカーボン１６が混入しているため、これが表面に露出するとギヤコーンとの摩擦摺動で崩壊脱落して、新たなディンプルが形成されるため、常時ディンプル２４が形成された状態を維持することが可能である。

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、さらに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多数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、摩擦材の原料にミルフィーユカーボンを混合して摩擦材を加熱・加圧成形し、その後、切削仕上げ加工することで、摩擦材の表面にディンプルを形成することができる。

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
２４ ディンプル

Claims (4)

1. 摩擦材の原料にミルフィーユカーボンを混合し、これを成形型に充填すると共に加熱、加圧成形して摩擦材とする摺動部品の摩擦材の製造方法であって、
   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. 摩擦材の原料が、補強材とカーボンファイバと銅合金粒子と熱硬化性樹脂とからなり、この原料に皮の厚さ５〜２０μｍ、枚数３〜１０で、粒径５０〜５００μｍのミルフィーユカーボンを混合して摩擦材を成形する請求項１記載の摺動部品の摩擦材の製造方法。
3. 前記補強材としてウォラストナイトをフェノール樹脂と混合し、フェノール樹脂が半硬化状態の原料造粒粉を形成し、前記カーボンファイバをフェノール樹脂と混合し、フェノール樹脂が半硬化状態の原料造粒粉を形成し、これら原料造粒粉に、銅合金粒子とフェノール樹脂とミルフィーユカーボンを加えて混合した後、粒径０．５〜１．０ｍｍの全材料造粒粉を形成し、これを成形型に充填した後、加熱、加圧して摩擦材を成形し、その摩擦材の表面を切削仕上げ加工して、表面にディンプルを形成する請求項１または２に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のいずれか一項に記載の摺動部品の摩擦材の製造方法。