DE3023186A1

DE3023186A1 - Reibmaterial, daraus hergestellte gegenstaende und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE3023186A1
Application number: DE19803023186
Authority: DE
Inventors: Stanley F Coraleski
Original assignee: Raybestos Manhattan Inc
Current assignee: RAYMARK INDUSTRIES Inc TRUMBULL CONN US
Priority date: 1979-06-21
Filing date: 1980-06-20
Publication date: 1981-01-08
Also published as: JPH022496B2; JPS6162628A; JPS5921352B2; US4320823A; JPS5611981A

Description

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Material, daraus hergestellte Gegenstände, insbesondere Reibteile, wie Kupplungsbeläge und Scheibenbremsbeläge, die Aramidfasern aufweisen, welche mit einem wärmehärtbaren Zement auf wässriger Basis gebunden sind, sowie auf ein Verfahren zur Herstellung solcher Teile.

Die Automobilindustrie ist immer auf der Suche nach verbesserten Reibungsmaterialien zur Verwendung in Automobilen, Lastwagen und anderen Motorfahrzeugen. Ein besonderes Gebiet/ für das verbesserte Reibungsmaterialien gesucht wurden, ist das der Gestaltung und Herstellung von Kupplungsbelägen. Kriterien von besonderer Bedeutung bei der Gestaltung von Kupplungsbelägen sind eine zur Erfüllung immer höherer Umlaufgeschwindigkeiten von Fahrzeugantriebsketten angemessene · Berstfestigkeit, ein angemessener Reibungskoeffizient und eine Verringerung des Abriebs zur Erhöhung der brauchbaren Lebensdauer von Kupplungen.

Die Haupthersteller von Kraftfahrzeug-Kupplungsbelägen for- _: dern, daß Kupplungsbeläge einen besonderen Leistungsstandard beim Heißberstfestigkeitstest erfüllen. Bei diesem Test wird das angetriebene Teil der Kupplung mit zwei daran befestigten Belägen auf 260⁰C (500⁰F) 15 min erhitzt und dann als Vorerfordernis für eine Annahme des Produkts spingetestet. Dieser Test ist einer der schwierigsten Tests, die ein Kupplungsbelag durchmachen muß, da bei erhöhten Temperaturen faserige Materialien und der Harz und/oder Kautschuk umfassende Binder, woraus der Kupplungsbelag hergestellt ist, an Festigkeit verlieren, was zum Berste.n bei verhältnismäßig niedrigen Umlaufgeschwindigkeiten führt. Herkömmliche Kupplungsbeläge aus Asbestfasern .mit einem Außendurchir.esser von 27,9 cm (11 Zoll) und einem Innendurchmesser von 16/5 ca (6,5 Zoll) widerstehen bekanntlich Spin- oder Drehge-

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schwindigkeiten von etwa 8000 bis 9000 U/min beim Heißberstfestigkeitstest.

Da die Drehanforderungen für Kupplungsbeläge nachdrücklicher geworden sind, wurden Glasfasern verwendet, um den Belägen mehr Festigkeit zu verleihen, während Asbest als Reibungsmaterial beibehalten wurde.

In jüngerer Zeit wurden bei einem Versuch zur Verbesserung der Heißberstfestigkeit Kupplungsbeläge aus Bündeln von parallelen, kontinuierlichen Glasfäden hergestellt, die spiralig oder statistisch umeinander in Form einer ringförmigen Scheibe gewunden und mit wärmehärtbarem Zement imprägniert wurden. Solche Konstruktionen sind in den US-Patentschriften 3 743 069 und 3 756 910 beschrieben.

Nach der US-PS 4 130 537 ist Glas als aktiver Reibungsbestandteil eines Reibteils zu "aggressiv" für die meisten kommerziellen Anwendungen, wobei die Aggressivität bei Gebrauch durch Geräusch, Vibration und/oder ungleichmäßige Reibungswirkungen in Erscheinung tritt, wenn das Reibteil mit einer dazu passenden Oberfläche in Eingriff gelangt. Um diesen Nachteil zu überwinden, lehrt die Patentschrift die Einbeziehung unschmelzbarer organischer Fasern mit einer Zersetzungstemperatur über 204⁰C (400⁰F), aber unter 427°C (800⁰F). Aramidfasern (im Handel unter der Bezeichnung Nomex von duPont) sind ein Beispiel für solche Fasern.

Herkömmliche Kupplungsbeläge aus Asbestfasern zeigen, obgleich sie angemessene Reibungseigenschaften, z.B. einen Reibungskoeffizienten von etwa 0,22 bis etwa 0,44 haben, außer begrenzter Heißberstfestigkeit auch eine verhältnismäßig hohe Abriebgeschwindigkeit in der Größenordnung von etwa 0,025 - 0,03 mm (etwa 0,01 - 0,012 Zoll) auf jeweils 10.000 Eingriffvorgänge. Wenngleich Glasfaser-Kupplungsbeläge verbesserte Heißberstfestigkeit und etwas geringeren

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Abrieb zeigen, verglichen mit Asbestfaser-Kupplungsbelägen, besteht dennoch ein ständiges Bedürfnis, diese beiden wesentlichen Eigenschaften zu verbessern.

Nach der anhängigen Patentanmeldung (USSN vom , 1979) können scheibenförmige Kupplungsbeläge unter Verwendung von Aramidfasern sowohl als Verstärkungs- als auch als Reibungsmaterial hergestellt werden. Bei der Herstellung solcherKupplungsbeläge stieß man jedoch auf gewisse Probleme. Insbesondere waren die Kupplungsbeläge schwierig auf die annehmbaren Toleranzen zu schleifen und widerstanden dem Bohren von Löchern, mit deren Hilfe die Beläge am Getriebe einer Verbrennungskraftmaschine befestigt werden können. Beim Schleifen reichte die erzeugte Hitze aus, den anfallenden Staub im Abzugssystem zu zünden, und die geschliffenen Beläge hatten ein unansehnlich faserig-struppiges Aussehen. Durch Schleifen der Beläge unter Wassersprühnebe1 wurde zwar die Brandgefahr verringert, aber die Beläge hatten immer noch ein faserig-struppiges Aussehen. Ebenso war das Bohren von sauberen Löchern äußerst schwierig, ob der Bohrvorgang unter Wassersprühnebel oder anderweitig durchgeführt wurde.

Auf ähnliche Probleme stößt man bei Versuchen zur Herstellung von Scheibenbremsbelägen und ähnlichen Reibteilen aus Aramidfasern, denn solche Teile müssen auch Bohrlöcher zur ihrer Befestigung haben und auf annehmbare Toleranzen geschliffen werden.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung neuer Reibteile, wie Kupplungsbeläge, Scheibenbremsbeläge und dgl., die Aramidfasern enthalten und verbesserte Abriebeigenschaften aufweisen. Ferner soll die Erfindung zu einem neuen Verfahren zur Herstellung von Reibteilen, wie Kupplungsbelägen, mit Aramidfasern führen, das die oben erörterten, bisher angetroffenen Probleme bei der Herstellung von Reib-

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teilen aus solchen Fasern überwindet.

Diese sowie weitere Aufgaben, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und den Figuren; von diesen zeigt:

Fig. 1 ein aus Aramidfasern gebildetes Band, imprägniert mit einem wärmehärtbaren Zement, um sich selbst zu einer scheibenförmigen Kupplungsbelag-Vorform wellig gewickelt;

Fig. 2 eine Kupplungsbelag-Vorform aus Aramidfasern, imprägniert mit einem wärmehärtbaren Zement, in drei Herstellungsstadien;

Fig. 3 eine Aufriß- oder Frontalansicht eines erfindungsgemäßen Kupplungsbelags und

Fig. 4 eine Seiten- oder Kantenansicht des in Fig. 3 dargestellten Kupplungsbelags.

Die Erfindung führt zu neuen Reibbelägen in Ringform und Bremsbelägen mit Aramidfasern, die mit Hilfe eines Kautschuk, Harz und die Reibung modifizierende Mittel enthaltenden wärmehärtbaren Zements zu einer einheitlichen Struktur verbunden sind.

Unter Bezugnahme auf die Figuren bedeutet die Bezugsziffer 10 einen ringförmigen, scheibenartigen Reibbelag, wie einen Kupplungsbelag. Der Reibbelag 10 entsteht durch Wickeln eines kontinuierlichen Bündels oder Bandes 12 aus im allgemeinen kontinuierlichen Aramidfäden, überzogen mit einem wärmehärtbaren Zement, wie nachfolgend beschrieben, in welliger Weise, wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt, um eine

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scheibenartige Vorform zu bilden. Fig. 1 zeigt schematisch das Verfahren, nach dem das kontinuierliche Band 12 wellig um einen sich drehenden Dorn 20 gewickelt wird, wodurch das Band den augenblicklichen Radius, mit dem es gewickelt wird, konstant variiert. Wenngleich das Band vorzugsweise statistisch zufällig gewickelt wird, wie in den Figuren veranschaulicht, kann es, wenn gewünscht, spiralig gewickelt werden.

Wie insbesondere in Fig. 2 veranschaulicht, ist die Kupplungsbelag-Vorform 20 als drei Segmente I, II und III aufweisend dargestellt, die die fertige Kupplungsbelag-Vorform I und die Zwischenstufen II und III der Herstellung der Vorform veranschaulichen.

Die Vorform für den Reibbelag wird zu ihrer Verfestigung und zum Härten des Zements Wärme und Druck ausgesetzt. Nach der Formgebungsstufe kann der anfallende Belag einer weiteren Wärmebehandlung unterzogen werden, um den Zement in den unschmelzbaren, unlöslichen Zustand zu überführen.

Andere Arten der Reibteile, wie Scheibenbremsbeläge, können auch erfindungsgemäß hergestellt werden.

Bei der Herstellung von Scheibenbremsbelägen gemäß der Erfindung werden kurze Aramidfasern, z.B. geschnittene Fasern, die, wenn gewünscht, gekräuselt sein können, und ein ausführlicher nachfolgend beschriebener wärmehärtbarer Zement auf wässriger Basis gleichförmig gemischt, wobei im allgemeinen ein Flügelmischer für einen solchen Zweck geeignet ist. Das Gemisch wird dem Mischer entnommen und in einen Heißumluftofen bei einer Temperatur 'in der Größenordnung von etwa 66°C (150⁰F) gebracht, um die Menge an flüchtigen Bestandteilen auf zwischen etwa 4 und 6 % zu reduzieren. Das getrocknete Gemisch, das in Form von

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Pellets vorliegen kann, kann dann zu Scheibenbremsbelag-Vorformen kalt geformt werden, worauf die Vorformen in einer vorerwähnten Form geformt, nachgehärtet und durchbohrt und auf die spezifizierten Toleranzen geschliffen werden können.

Andererseits können Scheibenbremsen-Vorformen aus einer ringförmigen Kupplungsbelag-Vorform, hergestellt, wie oben im Zusammenhang mit den Figuren beschrieben, herausgearbeitet werden. Die so erhaltenen Scheibenbremsen-Vorformen können in eine vorerhitze Form gebracht und gepreßt, nachgehärtet und gebohrt und auf die erforderlichen Toleranzen geschliffen werden.

Die erfindungsgemäßen Reibteile zeigen verbesserte Abriebeigenschaften, was ihnen erheblich längere Lebensdauer verleiht. Außerdem besitzen die Kupplungsbeläge angemessene Heißberstfestigkeit, um die heutigen strengen Anforderungen zu erfüllen.

Von besonderem Vorteil ist die Tatsache, daß die erfindungsgemäßen Aramid-Reibteile auf Format geschliffen und gebohrt werden können. Die geschliffene Oberfläche der Reibteile hat kein faserig-struppiges Aussehen, und die gebohrten Löcher sind sauber und glatt. Dieses Ergebnis war völlig unerwartet und ist vermutlich dem besonderen wärmehärtbaren Zementsystem zuzuschreiben, das nachfolgend beschrieben und in Kombination mit Aramidfasern in den Reibteilen verwendet wird.

Die in dem Reibteil des erfindungsgemäßen Reibbelags verwendeten Aramidfasern sind im Handel in Garn.form (unter der Handelsbezeichnung "Kevlar") erhältlich. Aramid ist ein Gattungsbegriff für Fasern, hergestellt durch Umsetzen eines aromatischen Disäurechlorids mit einem aromatischen Diamin, wobei die Säuregruppe des Disäurechlorids und die

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Aminogruppe des Diamins relativ zueinander m- oder porientiert sind, und zwar bei tiefen Temperaturen (unter 100⁰C bzw. 212°F). Die Aramidpolymeren, aus denen die Fasern bestehen, sind hochmolekular und zeichnen sich überwiegend durch wiederkehrende Struktureinheiten

R₁ R₁ O
-N-Ar₁ -N-C- Ar₂ -C-

aus, worin R.. Wasserstoff oder Niederalkyl und Ar., und Ar₂ gleich oder verschieden sein können und ein unsubstituierter zweiwertiger aromatischer Rest oder ein substituierter zweiwertiger aromatischer Rest sein können, wobei die kettenverlängernden Bindungen dieser zweiwertigen aromatischen Reste zueinander m- oder p-orientiert sind und die an jedem aromatischen Kern hängenden Substituenten einer oder mehrere oder ein Gemisch von Niederalkyl-, Niederalkoxy-, Halogen-/ Nitro-, Niedercarbalkoxy- oder anderen Gruppen sind/ die beim Polymerisieren kein Polyamid bilden.

Aramidpolymere des Typs, aus dem die in den erfindungsgemäßen Reibmassen verwendeten Fasern hergestellt sind, sind ziemlich ausführlich in der US-PS 3 094 511 beschrieben, deren Offenbarung hiermit einbezogen wird. Solche Aramidfasern sollten eine Zersetzungstemperatur von wenigstens etwa 454°C (85O⁰F), vorzugsweise über etwa 482⁰C (900'⁰F) haben.

Besonders bevorzugte Aramidfasern, die in den erfindungsgemäßen Reibteilen der Reibbeläge verwendet werden können, bestehen aus Polymeren, die das Kondensationsprodukt von Terephthalsäure und p-Phenylendiamin sind. Ein Beispiel für Fasern dieses Typs sind solche mit einer Zersetzungstemperatur im allgemeinen in der Größenordnung von etwa 500⁰C (930⁰F), einer Dichte von 1,44 g/cm³, einem Faserdurchmesser von etwa 1,27*10 cm (0,0005 Zoll), einer Festigkeit von etwa 21 g/den und einer Zugfestigkeit von etwa 28.120 kp/cm^a (400.000 psi).

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In Abhängigkeit von den besonderen, für die Reibteile und deren beabsichtigte Verwendung gewünschten Eigenschaften können die Aramidfasern kontinuierlich oder in Form von Stapelfasern oder geschnittenen Fasern vorliegen, letztere von verhältnismäßig gleichförmiger Länge von etwa 0,32 bis 5,08 cm (1/8 bis 2"). Beispielsweise ist in erfindungsgemäß hergestellten Kupplungsbelägen die Verwendung von Aramidgarn, das sich aus kontinuierlichen Fäden zusammensetzt, bevorzugt. Andererseits kann aus Stapelfasern anstelle kontinuierlicher Fasern hergestelltes Garn verwendet werden, um die Kosten zu senken, da Stapelfasern weniger teuer sind. Zudem sind Stapelfasern oder geschnittene Fasern besonders brauchbar bei der Herstellung von Scheibenbremsbelägen und ähnlichen Reibteilen.

Die Aramidfasern können durch bis zu etwa 30 Gew.-% Nicht-Aramid-Fasern, sowohl organische als auch anorganische, ersetzt werden, wofür Baumwoll-, Jute-, Hanf-, Nylon-, Rayon-, Glas- und Asbestfasern Beispiele sind. Metalldraht, z.B. Kupferdraht, kann auch vorhanden sein.

Der Begriff "Garn", wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf eine Ansammlung der Einheit entweder praktisch kontinuierlicher Aramidfäden oder Stapelfasern. Im ersteren Falle kann ein Garn 100 bis zu 2000, vorzugsweise 1500 bis 2000 einzelne, praktisch parallele Fäden umfassen, die in jeder auf dem Fachgebiet bekannten Weise zusammengeführt sind. Garne aus Stapelfasern haben im allgemeinen etwa 500 bis etwa 10.000, vorzugsweise etwa 4.000 bis etwa 6.000 den. In jedem Falle sind die Fäden, aus denen die Garne hergestellt sind, extrem fein bei kleinen Durchmessern. Garne aus praktisch kontinuierlichen Fäden sind gewöhnlich frei von Verdrillung, können aber Verdrillung in geringem Ausmaß zeigen. Garne aus Stapelfasern haben genügend Verdrillung, um das Faserbündel zusammenzuhalten.

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Neben Aramidfasern weisen die erfindungsgemäßen Reibteile, wie ein Kupplungsbelag 10, eine wärmehärtbare Zementmasse auf, die ein wärmehärtbares Harz, vulkanisierbares Elastomer und die Reibung modifizierende Mittel aufweist.

Der wärmehärtbare Zement, mit dem die Aramidfasern überzogen oder imprägniert sind, enthält als wesentliche Bestandteile einen vulkanisierbaren Kautschuk, vorzugsweise einen carboxylierten Kautschuk, wie nachfolgend im einzelnen beschrieben, ein wasserlösliches, einstufiges, wärmehärtendes Harz und die Reibung modifizierende Mittel in angegebenen Mengen. Der Zement wird in Form einer wässrigen Dispersion aufgebracht, die auch ein Tensid enthalten kann.

Mit dem Begriff "Acrylkautschuk" oder "Elastomer" sind Polymere oder Copolymere im allgemeinen auf der Grundlage entweder von Äthylacrylat, Butylacrylat oder deren Kombinationen gemeint. Diese Kautschuke oder Harze enthalten im allgemeinen Comonomere, wie 2-Chloräthylvinylather, 2-Chloräthylacrylat, Acrylnitril, VinyIchloracetat, Methacryl- oder Itaconsäure oder Methacrylnitril, und enthalten vorzugsweise freie Carboxylgruppen. Comonomere, wie Acrylnitril, Chloräthylvinyl und Chloräthylacrylat verbessern die ölbeständigkeit. Die Comonomere enthaltenden Acrylharze können mit einer Vielzahl von Härtersystemen, wie Ammoniniumbenzoat, und mit Seifen und Schwefel gehärtet werden.

Die vulkanisierbaren carboxylierten Kautschuke oder Harze sind hochfeste, ölbeständige Harze oder Kautschuke aus wenigstens drei Monomeren, nämlich Isopren, Chloropren und einer oder mehreren Acrylsäuren oder Acrylnitril oder Styrol, Butadien und einer oder mehreren Acrylsäuren. Die Copolymerisation dieser Monomeren führt zu einer Kette ähnlich einem normalen Neopren-SBR oder Nitrilkautschuk mit Ausnahme der Carboxylgruppen, die über die

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Kette mit einer Häufigkeit von etwa 1 auf alle 100 bis 200 Kohlenstoffatome verteilt sind.

Diese Arten von Polymeren sind insofern einzigartig, als sie durch Reaktionen gehärtet oder vulkanisiert werden können, an denen die Carboxylgruppe beteiligt ist, sowie durch eine normale Schwefel-Vulkanisation. Ein Härtungsverfahren besteht in der Vernetzung der Ketten durch Neutralisieren der Carboxylgruppen mit dem Oxid oder Salz mehrwertigen Metalls. Ca -, Mg - und Pb Ionen vermögen solche Vulkanisationsreaktion zu bewirken. Da die Polymerketten auch Doppelbindungen enthalten, wie sie in SBR und Butadien/Acrylnitril-Kautschuken auftreten, können auch die normalen Schwefel-Vulkanisationstypen angewandt werden. Metalloxid- und Schwefel-Härtungssysteme sind sowohl auf den trockenen Kautschuk als auch die Latexform der carboxylierten Kautschuke anwendbar.

Verglichen mit einem herkömmlichen SBR oder Nitrilkautschuken gleichwertiger Ölbeständigkeit zeigt die Carboxy-Modifikation viel höhere Zugfestigkeit und -modul, geringere Dehnung, größere Härte, wesentlich verbesserte Heiß-Zerreiß- und Zugfestigkeit, bessere Tieftemperatur-Brüchigkeit, verbesserte Ozonbeständigkeit und bessere Retention physikalischer Eigenschaften nach Heißöl- und -luft-Alterung. Der bevorzugte Kautschuk ist ein carboxylierter Nitrilkautschuk.

Die Carboxykautschuke stehen in Form von Latices zur Verfügung, die über einen pH-Bereich von 3,5 bis 9,5 stabil sind. Wie oben bemerkt, kann der Latex durch herkömmliche Härtersysteme, wie Schwefel, Metalloxid und Beschleuniger oder durch Verwendung von Metalloxid alleine, gehärtet werden. Im letzteren Falle werden im allgemeinen 5 bis 10 Teile pro 100 Teile Polymerfeststoffe benötigt.

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Neben Acryl- oder carboxyliertem Kautschuk enthält das wärmehärtbare Zementsystem ein wasserlösliches, einstufiges, wärmehärtendes Phenolharz. Mit "wasserlöslich" ist gemeint, daß das Harz in Wasser bis zu etwa 10 Gew.-% löslich ist. Dieses Harz weist vor dem Härten ein Gemisch von Phenolen auf, die mit einem oder mehreren Molekülen Aldehyd, wie Formaldehyd, zu Verbindungen, wie

OH CH₂OH

umgesetzt werden, worin X Niederalkyl oder Hydroxyalkyl oder Acryl ist. Andere geeignete einstufige wärmehärtende Harze sind z.B. Resorcin/Formaldehyd-, Phenol/Kresol/ Formaldehyd- und Melamin/Formaldehyd-Harze. Solche Harze härten in 1 bis 2 min auf einer heißen Platte bei Temperaturen in der Größenordnung von etwa 129 bis 141⁰C (265 bis 285°F).

Vorteilhafterweise wird das wärmehärtbare Zementsystem auf die Aramidfasern in Form einer wässrigen Dispersion aufgebracht, wodurch die möglichen Brand- und ökologischen Probleme umgangen werden, die die Verwendung organischer Lösungsmittel bietet, und ferner die Verarbeitungskosten gesenkt werden können. Außerdem scheint es, daß die verbesserten Schleif- und Bohreigenschaften erfindungsgemäß erhältlicher Reibteile zumindest teilweise der Verwendung solcher wässriger Systeme zuzuschreiben sind.

Das wärmehärtbare Zementsystem wird auf die Aramidfasern als wässrige Dispersion mit hohem Feststoffgehalt, z.B. 30 bis 85 % Feststoffen, aufgebracht und umfaßt im allgemeinen etwa 5 bis etwa 40 % Kautschuk, etwa 5 bis 40 % Phenolharz und etwa 20 bis etwa 80 % die Reibung modifi-

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zierende Mittel, bezogen auf das Gesamtgewicht der Zementfeststoffe. Die wässrige Dispersion kann eine geringe, aber wirksame Menge eines grenzflächenaktiven Mittels oderDispersionsmittels enthalten, um das Benetzen der Fäden durch die Feststoffe zu verstärken. Etwa 0,01 bis 5 % sind im allgemeinen ausreichend. Da die Latices in Gegenwart eines Tensids hergestellt werden, kann es unnötig sein, zusätzliches Tensid bei der Herstellung des Zements zuzugeben.

Das wärmehärtbare Zementsystem sollte auch Härter für den Kautschuk und das Harz sowie auch Beschleuniger zur Senkung der Aushärtzeit enthalten.

Teilchenförmige, die Reibung modifizierende Mittel zur Verwendung in dem Zementsystem sind wohlbekannt und umfassen Ruß, Graphit, Metalloxide, Metallpulver, Baryte, Ton, Siliciumdioxid, Aluminiumoxid, Kryolith, Bleiglätte und dgl. Zudem kann das wärmehärtbare Zementsystem wohlbekannte organische Füllstoffe, wie fein zerteiltes polymerisiertes Cashewnußöl, enthalten.

Die Aramidfasern, vorzugsweise in Form von Garnen, aus der Überzugsstufe werden im allgemeinen mit etwa 40 bis 95, vorzugsweise 60 bis etwa 80 % des Gewichts der überzogenen Fasern an Zementfeststoffen überzogen.

Auf dem Textilgebiet gibt es zahlreiche Vorrichtungen, die zum Aufspreizen oder Trennen von Garnbündeln zur Verstärkung der Aufnahme verschiedener Überzugsmaterialien ausgelegt sind. Zum Beispiel können die Fäden oder das Garn durch eine kammartige Vorrichtung geführt werden, bevor sie in die Überzugsvorrichtung gelangen, die im allgemeinen vom Walzentyp ist, wodurch die Faserbündel zu innigem Kontakt mit dem überzugsmittel geöffnet werden.

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Typische, zum Binden der Aramidfasern der erfindungsgemäßen Reibteile besonders geeignete Zementzusammensetzungen sind in der folgenden Tabelle I wiedergegeben:

	Tabelle	Kautschuk	I
Bestandteil
			Gewichtsteile (Trocken
vulkanisierbarer		basis)
Phenolharz	die Reibung	5 -
Beschleuniger	Mittel	5 -
Härter	0 -
teilchenförmige,	1 -
modifizierende
30 -
- 20
- 20
- 2
- 15

- 60

Nach dem Aufbringen des wärmehärtbaren Zements auf die Fasern und Entfernen des Wassers bei der Herstellung eines Kupplungsbelags werden die Garne in Form eines Bandes vereinigt, indem eine Vielzahl von Garnen, im allgemeinen 2 bis 15, vorzugsweise 5 bis 10, durch rotierende Rollen oder Walzen oder dgl. zusammengeführt werden, die die Garne zusammendrehen. In dem sich ergebenden Band kann in geringem Umfang Verdrillung vorliegen.

Wie oben bemerkt, wird ein aus Aramidfäden gebildetes und mit wärmehärtbarem Zement überzogenes Band spiralig oder wellig, vorzugsweise wellig, auf einen sich drehenden Dorn so gewickelt, daß die Umdrehungen des Bandes im augenblicklichen Radius, mit dem gewickelt wird, variieren. Diese Anordnung ist am besten in Fig. 2 veranschaulicht.

Bei der Herstellung von Kupplungsbelägen gemäß der Erfindung wird eine Kupplungsbelag-Vorform, wie oben hergestellt, in eine Form gebracht- und auf Temperaturen im Bereich von etwa 177 bis 191⁰C (etwa 350 bis 375°F) unter einem Druck von etwa 241 bis 345 bar (etwa 3500 bis

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5000 psi) für kurze Zeit, z.B. 2 bis 3 min, zum Verfestigen und Verdichten der Vorform und zum wenigstens teilweise Härten des Binders erwärmt. Danach werden die anfallenden Beläge in einen auf eine Temperatur von etwa 204 bis 232°C (etwa 400 bis 450⁰F) erhitzten Ofen gebracht, wo sie mehrere Stunden bleiben. Bei dieser letzteren Wärmebehandlung wird der Zement oder Binder in den unschmelzbaren, unlöslichen Zustand überführt.

Die Kupplungsbeläge werden dann herkömmlicher mechanischer Bearbeitung unterzogen, wie Schleifen zu annehmbaren Toleranzen, und Bohren von Löchern, mit deren Hilfe die Beläge an dem Getriebe einer Verbrennungskraftmaschine befestigt werden (vgl. insbesondere Fig. 3 und 4).

Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele weiter veranschaulicht.

Beispiel 1

Dieses Beispiel beschreibt die Herstellung eines Kupplungsbelags aus Aramidfasern gemäß der Erfindung.

Ein Garn wurde durch Kombinieren eines 2/1-Aramid-Spinngarns (47,8 Gew.-%) mit 0,254 mm (10 mil)-Kupferdraht (28,8 %) und 5/1-Baumwollgarn (23,3 %) erhalten und mit einem wärmehärtbaren Zement auf wässriger Basis der in derfolgenden Tabelle II angegebenen Zusammensetzung bei 46 % Feststoffgehalt überzogen:

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Tabelle II

Bestandteil Gew.-% (trockene Fest

stoffe)

1	6,5	0
1	3,9	4,1
55,5

1

carboxylierter Nitrilkautschuk

wärmehärtbares Pheno1/FormaIdehyd-Harz

teilchenförmige, die Reibung modifizierende Mittel

Härtungsbeschleuniger Härtungsmittel

Der Zement wurde kontinuierlich auf das Garn aufgebracht, indem dieses durch einen Tauchtank geführt und das überzogene Garn in einem auf 46⁰C (115⁰F) gehaltenen Trockenofen getrocknet wurde. Hierdurch wurde eine Aufnahme an getrocknetem Zement von 52,5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des überzogenen Garns, erzielt.

Ein Band wurde durch Zusammenführen der überzogenen Garne beim Austritt aus dem Trockenofen gebildet und auf eine sich drehende Rolle aufgewickelt.

Für die Bildung einer Vorform für einen Kupplungsbelag genügend überzogenes Aramidfaser-Band wurde wellig auf einen sich drehenden Dorn so aufgewickelt, daß die Umdrehungen des Bandes im augenblicklichen Radius, mit dem gewickelt wurde, variierten.

Jede so hergestellte Vorform wurde in eine erhitzte, mit Nuten versehene Kupplungsbelag-Abquetschform gebracht, wo die Vorform 3 min bei einer Temperatur von 177⁰C (350⁰F) und einem Druck von 276 bar (4000 psi) zum Verdichten und Vereinigen der Vorform und teilweisen Härten des Zements

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geformt wurde. Der erhaltene Reibbelag wurde dann bei gesteuerten Temperaturen im Bereich von 149 bis 232°C (300 bis 450⁰F) für insgesamt 5,5 h nachgehärtet.

Nach dem Härten wurde kein wesentliches Verwerfen, Schrumpfen oder eine andere Verdrehung des geformten Kupplungsbelags beobachtet. Jeder Kupplungsbelag wurde auf die folgenden Abmessungen geschliffen: Außendurchmesser 27,9 cm (11"), Innendurchmesser 16,5 cm (6,5"), Dicke 0,348 + 0,005 cm (0,137 + 0,002"), und Löcher wurden in die Beläge gebohrt, um sie in eine Kupplung einzubauen. Keine Schwierigkeiten, wie faserig-struppige Oberfläche, brennbarer glimmender Staub, wurden beim Schleifen und Bohren angetroffen, und die Bohrlöcher waren sauber.

Beispiel 2

Ein gemäß Beispiel 1 hergestellter Kupplungsbelag wurde nach dem nachfolgend beschriebenen gesteuerten Verdrehungsmomenttest unter Verwendung eines Langkupplungsdynamometers getestet. Bei diesem Test werden nach sorgfältiger Messung der Dicke der Beläge an zehn verschiedenen Stellen am Außen- und Innendurchmesser die Reibungseigenschaften des Belags wie folgt gemessen:

A. Bei jeder Betätigung wird die Kupplung 4 s bei 1100 U/ min und einem konstanten Drehmoment von 320 N-m (23 5 Ib.ft.) betätigt. Das Kupplungs-Ausgangsdrehmoment wird durch Begrenzung des Eingriffs der Kupplung mit Hilfe der Einstellung im Freigabemechanismus gesteuert. Die Einstellung kann erfolgen, um nur einen Durchschnittswert des Ausgangsdrehmomentes während des 4 s-Eingriffs zu erzielen.

B. Die Kupplung wird 56 s freigegeben, darauf erneut eingesetzt.

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C. Nach 100 Einsätzen erfolgt bei vollem Druck ein 15 s-Test auf Wärme-bedingten Wirkungsschwund.

D. Ohne Kühlung wird der Druck sofort auf ein gesteuertes Drehmoment von 320 N-m (235 It.ft.) eingestellt und weitere lOOmal eingesetzt.

E. Ein weiterer 15 s-Test auf Wärme-bedingten Wirkungsschwund bei vollem Druck erfolgt, darauf weitere 100 Einsätze bei gesteuertem Drehmoment ohne Kühlung.

F. Schließlich erfolgt vor Abschluß des Tests ein letzter 15 s-Heißschwund bei vollem Druck.

Tabelle III gibt die Daten des Reibungskoeffizienten als Maximal- und Minimal-Werte, erhalten während des ersten, zweiten und dritten 15 s-Schwundtests, wieder.

Schwund

1 2 3

Tabelle	III	47
U max	47
0,	46
0,
0,

^min	26
0,	27
0,	28
0,

Ein unerwarteter und überlegener durchschnittlicher Abrieb von 2,286 χ 10~² cm (0
Testdauer wurde beobachtet.

_2

rieb von 2,286 χ 10 cm (0,009") während der gesamten

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Claims

DiPL-iNCHELMUTKOEPSELL 5 Köln 1 3 023186 PATENTAN WALT Mittelstrasse 7 Telefon (02 21)2194 23 Telegrammadresse: Koepsellpalent KSIn Rb/304 Raybestos-Manhattan, Inc. Trumbull, Connecticut (U.S.A. Reibmaterial, daraus hergestellte Gegenstände und Verfahren zu ihrer Herstellung Patentansprüche

1. Material für die Herstellung eines Reibteils verbesserter Abriebfestigkeit, gekennzeichnet durch ein Gemisch aus etwa 5 bis etwa 60 % Aramidfasern mit einer Zersetzungstemperatur von wenigstens etwa 454°C (etwa 850⁰F), überzogen mit etwa 40 bis etwa 95 % eines wärmehärtbaren Zements auf wässriger Basis, der ein wärmehärtendes Harz und ein wärmehärtbares Elastomer aus der Gruppe eines gegebenenfalls carboxylierten Acrylkautschuks, eines carboxylierten Neoprenkautschuks, Carboxynitrilkautschuks und Carboxybutadien/Styrol-Kautschuks und teilchenförmige, die Reibung modifizierende Mittel aufweist, wobei die Prozentsätze auf das Gesamtgewicht aus Fasern und Zementfeststoffen bezogen sind.

2. Material nach Anspruch 1, dessen Gemisch etwa 60 bis etwa 80 % wärmehärtbaren Zement aufweist.

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ORIGINAL INSPECTED

3. Material nach Anspruch 1, dessen Aramidfasern aus dem Kondensationsprodukt von Terephthalsäure und p-Phenylendiamin gebildet sind.

4. Material nach Anspruch 1, dessen wärmehärtbarer Zement etwa 5 bis 40 Gew.-% Phenol/Formaldehyd-Harz, -etwa 5 bis etwa 40 % Carboxynitrilkautschuk und etwa 20 bis 80 % teilchenförmige, die Reibung modifizierende Mittel aufweist.

5. Material nach Anspruch 4, dessen wärmehärtbarer Zement etwa 5 bis 20 % Harz, etwa 5 bis 20 % Kautschuk und etwa 30 bis 60 % die Reibung modifizierende Mittel aufweist.

6. Material nach Anspruch 1, dessen Aramidfasern eine Zersetzungstemperatur von wenigstens etwa 482⁰C (etwa 900⁰F) haben.

7. Material nach Anspruch 3, dessen Aramidfasern eine Zersetzungstemperatur von etwa 500⁰C (etwa 930⁰F) haben.

8. Reibteil verbesserter Abriebfestigkeit mit etwa 5 bis etwa 60 % Aramidfasern einer Zersetzungstemperatur von wenigstens etwa 454⁰C (etwa 850⁰F), miteinander verbunden mit etwa 40 bis etwa 95 % wärmehärtbarem Zement, der ein wärmehärtendes Harz und ein wärmehärtbares Elastomer aus der Gruppe eines gegebenenfalls carboxylierten Acrylkautschuks, Carboxynitrilkautschuks und Carboxybutadien/ Styrol-Kautschuks sowie teilchenförmiges, die Reibung modifizierendes Mittel aufweist, wobei sich die Prozentsätze auf das Gesamtgewicht aus Fasern und Zement beziehen und der Zement auf die Fasern in Form einer wässrigen Suspension aufgebracht und das Teil zur Verfestigung der Fasern und zum Härten des Zements Wärme und Druck unterworfen worden ist.

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9. Reibteil nach Anspruch 8, dessen Aramidfasern aus dem Kondensationsprodukt von Terephthalsäure und p-Phenylendiamin gebildet sind.

10. Reibteil nach Anspruch 8, dessen wärmehärtbarer Zement etwa 5 bis etwa 40 Gew.-% Phenol/Formaldehyd-Harz, etwa 5 bis etwa 40 % Carboxynitrilkautschuk und etwa 20 bis 80 % teilchenförmiges, die Reibung modifizierendes Mittel aufweist.

11. Reibteil nach Anspruch 10, dessen wärmehärtbarer Zement etwa 5 bis etwa 20 % Harz, etwa 5 bis 20 % Kautschuk und etwa 30 bis 60 % die Reibung modifizierendes Mittel aufweist.

12. Reibteil nach Anspruch 8, dessen Aramidfasern eine Zersetzungstemperatur von wenigstens etwa 482⁰C (etwa 900⁰F) haben.

13. Reibteil nach Anspruch 9, dessen Aramidfasern eine Zersetzungstemperatur von etwa 500⁰C (etwa 930⁰F) haben.

14. Reibteil nach Anspruch 8 in Form eines Scheibenbremsbelags.

15. Reibteil nach Anspruch 8 in Form eines Kupplungsbelags.

16. Scheibenförmiger Kupplungsbelag mit einem Innendurchmesser und einem Außendurchmesser, der ein mit einem wärmehärtbaren Zement auf wässriger Basis imprägniertes Band/ spiralig oder wellig angeordnet, aufweist und Wärme und Druck zum Komprimieren des Bandes zu einem scheibenförmigen Belag und zum Härten des Zements unterzogen worden ist, wobei das Band eine Vielzahl von Fäden aus Aramidfasern einer Zersetzungstemperatur von wenigstens

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etwa 454⁰C (etwa 850⁰F), überzogen mit einem wärmehärtbaren Zement, aufweist, der ein wärmehärtendes Harz, ein wärmehärtbares Elastomer aus der Gruppe eines gegebenenfalls carboxylierten Acrylkautschuks, Carboxynitrilkautschuks und Carboxybutadien/Styrol-Kautschuks sowie teilchenförmiges, die Reibung modifizierendes Mittel aufweist, wobei der Reibbelag etwa 40 bis etwa 95 % wärmehärtbaren Zement aufweist und die Prozentsätze auf das Gesamtgewicht aus Fasern und Zementfeststoffen in den Belägen bezogen sind.

17. Kupplungsbelag nach Anspruch 16, dessen Fäden aus praktisch kontinuierlichen Aramidfasern gebildet sind und dessen Band wellig angeordnet ist.

18. Kupplungsbelag nach Anspruch 16, der etwa 60 bis etwa 80 % wärmehärtbaren Zement aufweist.

19. Kupplungsbelag nach Anspruch 16, dessen Zement etwa 5 bis 40 Gew.-% wärmehärtendes Harz, etwa 5 bis etwa 40 % wärmehärtbares Elastomer und etwa 20 bis 80 % die Reibung modifizierendes Mittel aufweist.

20. Kupplungsbelag nach Anspruch 19/ dessen wärmehärtbarer Zement etwa 5 bis 20 % Harz, etwa 5 bis 20 % Kautschuk und etwa 30 bis 60 % die Reibung modifizierendes Mittel aufweist.

21. Kupplungsbelag nach Anspruch 16, dessen Aramidfasern eine Zersetzungstemperatur von wenigstens etwa 482⁰C (etwa 900⁰F) haben.

22. Kupplungsbelag nach Anspruch 16, dessen wärmehärtbarer Zement Phenol/Formaldehyd-Harz und Carboxynitrilkautschrk aufweist.

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23- Kupplungsbelag nach Anspruch 16, dessen Aramidfasern aus dem Kondensationsprodukt von Terephthalsäure und p-Phenylendiamin gebildet sind.

24. Kupplungsbelag nach Anspruch 23, dessen Aramidfasern eine Zersetzungstemperatur von etwa 500⁰C (etwa 930⁰F) haben.

25. Verfahren zur Herstellung eines ringförmigen Belags für eine Kupplung oder dgl., gekennzeichnet durch

A) Imprägnieren einer Vielzahl von Garnen mit Aramidfäden einer Zersetzungstemperatur über etwa 454⁰C (etwa 850⁰F) mit einem wärmehärtbaren System, das etwa 5 bis etwa 40 % eines vulkanisierbaren Kautschuks aus der Gruppe eines gegebenenfalls carboxylierten Acrylkautschuks, Carboxynitrilkautschuks und Carboxybutadien/Styrol-Kautschuks, etwa 5 bis etwa 40 % eines wasserlöslichen, niedermolekularen, einstufigen wärmehärtenden Phenolharzes und etwa 20 bis etwa 80 % teilchenförmigen, die Reibung modifizierenden Mittels aufweist, wobei die Prozentsätze auf das Gesamtgewicht der Bestandteile des Zementsystems bezogen sind, indem die Garne durch eine wässrige Dispersion des Zementsystems mit hohem Feststoffgehalt, die etwa 0,01 bis etwa 5 %, bezogen auf das Gewicht der Feststoffe des Zementsystems, eines Tensids oder Dispergiermittels enthält, geführt werden,

B) Trocknen der mit dem wärmehärtbaren Zementsystem imprägnierten Garne,

C) Wickeln der Garne in spiraliger oder welliger Form zu einer scheibenförmigen Kupplungsbelag-Vorform und

D) Unterwerfen der Vorform Hitze und Druck zum Verdichten der Vorform und zum Härten des Zements.

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26. Verfahren nach Anspruch 25, bei dem die Garne aus Stufe (A) insgesamt etwa 65 bis etwa 90 Gew.-% wärmehärtbares Zementsystem, bezogen auf das Gewicht der überzogenen Fäden, enthält.

27. Verfahren nach Anspruch 25, bei dem die Garne wellig gewickelt werden.

28. Verfahren nach Anspruch 25, bei dem ein Band durch Vereinigen von etwa 2 bis etwa 15 Enden des imprägnierten Aramidgarns erhalten wird, wobei die Garnenden etwa 100 bis 2000 praktisch kontinuierliche Aramidfäden aufweisen und das Band wellig zu einer Kupplungsbelag-Vorform aufgewickelt wird.

29. Verfahren nach Anspruch 28, bei dem wenigstens eine Helix kontinuierlichen Fadenmaterials um das imprägnierte Band gewickelt wird, bevor das Band zu einer Kupplungsbelag-Vorform gewickelt wird.

30. Verfahren nach Anspruch 29, bei dem das Fadenmaterial Metalldraht aufweist.

31. Verfahren nach Anspruch 25, bei dem die Aramidfasern Stapelfasern sind.

32. Verfahren nach Anspruch 28, bei dem das Band, aus dem die Vorform gebildet wird, bis zu etwa 30 Gew.-% Nicht-Aramidfasern enthält.

33. Verfahren nach Anspruch 25, bei dem die Aramidfasern aus dem Kondensationsprodukt von Terephthalsäure und p-Phenylendiamin gebildet werden und eine Zersetzungstemperatur

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von etwa 500⁰C (etwa 93O⁰F) haben.

34. Verfahren nach Anspruch 25, bei dem die Garne vor dem Imprägnieren mit wärmehärtbarem Zement in Form einer Web- oder Wirkware vorliegen und diese nach dem Imprägnieren mit dem Zement zu einer Kupplungsbelag-Vorform wellig gewickelt wird.

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