DE4111207C2 - Elastischer Metallreibbelag und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft allgemein Reibungsmaterialien, die in Drehmomentübertragungsvorrichtungen verwendet werden und ein Reibbelagmaterial aufweisen, das in Ge­ genwart eines Übertragungsfluids oder -öls in betriebs­ fähigen Eingriff mit einer gegenüberliegenden Fläche gelangt. Spezieller gesagt, betrifft die Erfindung ein Reibbelagmaterial mit Metallpartikeln in der Form eines porösen Körpers mit ausgezeichneten Reibungsei­ genschaften und hervorragender Haltbarkeit sowie ein Verfahren zur Herstellung derartiger Materialien.

Die vorstehend erwähnten Drehmomentübertragungsvorrich­ tungen können beispielsweise Kupplungs- und Bremsanord­ nungen mit einer Reibscheibe und einer gegenüberlie­ genden Platte einschließen. Das Reibbelagmaterial in Form einer genuteten oder ungenuteten Scheibe oder Scheibensegmenten ist an einem Metallkern befestigt, um auf diesem eine Reibungs- oder Drehkraftübertra­ gungsfläche zu bilden. Die gegenüberliegende Platte bildet eine zusammenwirkende Fläche, die in betriebs­ fähigen Eingriff mit der Reibfläche zur Drehmoment­ übertragung gelangt. Normalerweise sind mehrere Schei­ ben mit Reibbelagmaterial auf gegenüberliegenden Flächen abwechselnd mit mehreren gegenüberliegenden Platten angeordnet, um eine Mehrscheiben-Drehmoment­ übertragung zu bilden, die durch eine Schließeinrich­ tung gesteuert wird, die den axialen Abstand der be­ nachbarten Scheiben und Platten einstellt.

Die Scheibe und die gegenüberliegende Platte können sich zu einem Speicher mit Übertragungsfluid erstrecken, oder das Fluid kann unter Druck von einem solchen Speicher oder von einem Fernspeicher zu der Scheibe befördert werden. Das Fluid dient der Kühlung der Vor­ richtung mit Ableiten der aus der Drehmomentübertra­ gung resultierenden Wärmeenergie, was als Naßbetrieb der Einheit bezeichnet wird. Das Fluid kann auch dazu dienen, ein Drehmoment durch Abscheren der Filme des Fluids zwischen benachbarte Scheiben und Platten zu übertragen, und gleichzeitig Wärme abführen, was als hydroviskoser Betrieb der Vorrichtung bezeichnet wird.

Drehkraft-übertragende Vorrichtungen und Anwendungen mit schwererer Beanspruchungen finden sich in großen Straßenfahrzeugen wie Bussen, Lastwagen, Geländefahr­ zeugen und Baufahrzeugen. Um den Drehmomentbelastungs­ erfordernissen solcher Anwendungsmöglichkeiten zu entsprechen, sind Reibbelagmaterialien entwickelt worden, die in erster Linie aus in eine pulverför­ mige Metallmatrix gepreßtem Graphit unter Aufbringung eines hohen Drucks gebildet sind, um so einen Grün­ ling zu bilden, der dann bei hohen Temperaturen und Druckverhältnissen gesintert bzw. verschmolzen wird.

Eine andere Art eines Reibungsmaterials verwendet rela­ tiv hohe Anteile von Schleifmaterialien oder kera­ mischen Materialien mit minimalen Anteilen von Graphit in einer Metallpulvermatrix bzw. in einer Zwischenmasse aus pulverisiertem Metall. Diese losen Gemische werden auf einen Metallkern verstreut und dann dort festge­ brannt, um einen Belag zu bilden und den Belag mit dem Metallkern zu verbinden. Während diese Arten von Reib­ belagmaterialien einen relativ hohen dynamischen Rei­ bungskoeffizienten haben, sind sie wegen ihres begrenz­ ten Energieabsorptionsgrades auf weniger schwere An­ wendungsfälle beschränkt.

Die Drehmomentübertragungseigenschaften sind durch eine Anzahl von Faktoren bestimmt, die das bestimmte Transmissionsfluid, das Reibbelagmaterial und die Art der zusammenwirkenden, gegenüberliegenden Platten­ fläche einschließen. Die Elastizität des Reibbelags ist ein Hauptfaktor der Drehkraftübertragungseigen­ schaften, da elastischere Reibbeläge besser mit der gegenüberliegenden Plattenfläche übereinstimmen, wo­ durch eine gleichförmigere Energieabsorption über die Fläche des Reibbelags erreicht wird. Reibbeläge mit höherer Elastizität können allgemein höhere Energie­ absorptionsgrade erreichen wegen der gleichförmigeren Absorption der Energie über die Fläche des Belags.

Weniger elastische Reibbeläge sind hingegen in ihrem Ausmaß der Energieabsorption durch denselben Faktor beschränkt. Bisher haben Reibbeläge auf metallischer Basis ein geringes Maß an Elastizität bzw. Federeigenschaft und damit nur eine geringe Fähigkeit zur Energieabsorption. Reibbeläge auf metallischer Basis, die unter Anwendung eines Drucks zur Bildung eines Grünlings bzw. ersten Verbundstoffs hergestellt werden, haben wegen ihrer aufgrund ihrer Herstellung dichten Struktur nur eine geringe Elastizität. Solche Reibbeläge auf metallischer Basis, die nach dem Bestreuungsverfahren hergestellt sind, haben deshalb eine begrenzte Elastizität, weil das metallische Gefüge grob und starr ist.

Aus der EP 0 093 673 ist ein Metallreibbelagmaterial bekannt, welches für trockenlaufende Anwendungszwecke wie z. B. Bremsbeläge vogesehen ist und aus Metallpartikeln, Kohlenstoff und einem niedrigschmelzenden Metall besteht. Diese Bestandteile werden gemischt, erhitzt und anschließend mit hohem Druck zusammengepreßt, wodurch eine sehr dichte, nicht-elastische und nicht- poröse Struktur des Metallreibbelags entsteht.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Naßlauf-Reibungsmaterial anzugeben, das haltbar und ein hohes Maß an dynamischer Reibung sowie ausgezeichnete Energieabsorptionseigenschaften aufweist. Außerdem soll ein Reibbelag angegeben werden, der leicht herstellbar ist und eine elastische, federnde Metallstruktur hat.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen der Patentansprüche 1 und 5 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird zuerst eine poröse Zwischenstruktur geschaffen, deren Bauelemente aus Metall bestehen. Dies kann durch Bildung eines Grünlings aus metallenem Fasermaterial und Pulver unter Verwendung eines vorläufigen organischen Binders und herkömm­ licher Zuschläge bzw. Wirkstoffe wie Kohlenstoff und Reibungspartikeln bewerkstelligt werden. Der Grünling bzw. Verbundstoff wird mit relativ niedrigem Druck hergestellt und dann erhitzt, um den Binder zu ent­ fernen und die metallenen Komponenten zusammen zu schmelzen bzw. zu sintern, wobei eine poröse und rela­ tiv weiche Struktur zurückbleibt.

Die poröse Zwischenstruktur wird dann erhitzt und einer Infusion bzw. Eindiffundierung eines Dampfs aus einem Metall ausgesetzt, dessen Schmelzpunkt niedriger ist als derjenige der Zwischenstruktur, wobei der Me­ talldampf die Metalle der Zwischenstruktur benetzen oder sich mit diesen mischen bzw. legieren kann. Bei der Abkühlung dient die Vermischung bzw. Legierung dazu, die Festigkeit und Integrität der Struktur erheb­ lich zu erhöhen, während dennoch die endgültige Struk­ tur porös, elastisch und wärmeleitend ist.

Das erfindungsgemäße Reibungsmaterial ist elastischer als herkömmliche Materialien, die in einem einzigen Schritt bei hohen Temperaturen und Druckverhältnissen gesintert bzw. vermischt werden und damit eine dichte und kompakte Struktur erhalten. Die Elastizität des erfindungsgemäßen Materials ermöglicht es, sich besser an die Oberfläche einer zugehörigen Platte anzupassen. Außerdem tragen die Elastizität, Porosität und Wärme­ leitfähigkeit des Materials zu einer verbesserten Energieabsorptionskapazität bei, ohne daß dies einem hohen Maß an dynamischer Reibung in die Quere kommt.

Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben.

Die vorliegende Erfindung sieht die Bildung einer porösen Zwischenmetallstruktur vor, gefolgt von einem Einguß bzw. Eindiffundieren eines metallenen Dampfes, was nachfolgend näher beschrieben wird.

Um das Zwischenprodukt herzustellen, wird zunächst ein Grünling erstellt. Der Grünling wird aus einem gleichförmigen Gemisch aus metallischem Pulver und Faserstoff, Kohlenstoff, wahlweise Reibungspartikeln und ausreichend vorübergehendem Binder gebildet, der die Mischung bei Aufbringung von Druck unter 5 Tonnen pro inch² (0,775 t/cm²) zusammenhält.

Ausschließlich des Gewichts des grünen Binders, der später entfernt wird, enthält das trockene Gemisch etwa 30 bis etwa 80% Metallpulver, Metallfasern und Gemische von diesen, etwa 5 bis etwa 40% Kohlenstoff und zwischen 0 etwa 30% reibungsmodifizierende Par­ tikel. Die bevorzugten Metalle sind Kupfer und Bronze, obwohl auch andere Metalle wie Aluminium, Nickel, Chrom und auf Eisen basierende Materialien wie rost­ freier Stahl, unlegierter Stahl und dergleichen ver­ wendet werden können. Die verwendeten metallischen Pulver und Fasern sind relativ fein, wodurch ein gleichförmiges Gemisch hergestellt, dieses besser in einen Hohlraum gefüllt und eine bessere Punktverbin­ dung erreicht werden kann. Die verwendeten metallischen Materialien bilden die Struktur des porösen Zwischen­ produkts und außerdem die Basis für die Struktur des Endprodukts. Die metallenen Fasern und Pulver werden hier als "Metallpartikel" bezeichnet.

Der verwendete Kohlenstoff kann von vielfältiger Art sein und in kristalliner Form beispielsweise als Graphit oder in amorpher Form als Ruß, Petroleumkoks, Lampenruß, Holzkohle oder dergleichen verwendet wer­ den. Der Kohlenstoff oder ein Äquivalent dient als Schmiermittel, um ein Festfressen des Reibungsma­ terials an der Reibungsplatte während extremer Be­ dingungen zu verhindern, d. h. bei hohen Temperaturen und Drücken.

Reibungsmodifizierende Partikel, insbesondere Schleif­ materialien, können wahlweise in einer Größenordnung von bis zu etwa 30 Gewichtsprozent in dem Gemisch ein­ geschlossen sein. Die Schleifmaterialien schließen Silika, Tonerde, Bimsstein und andere bekannte Arten von Reibungsmaterialien ein. Diese Materialien können hinzugefügt werden, um die endgültigen Reibungseigen­ schaften des Reibungsmaterials zu ändern, wobei bei vielen Anwendungen eine Menge von weniger als 10% aus­ reichend sein werden.

Der grüne Binder wird in der Form eines trockenen Pulvers vorzugsweise aus organischem Material ver­ wendet und später durch Erhitzen und Oxidation aus der Struktur entfernt. Geeignete Materialien schließen auf Zellulose basierende Materialien wie Mikrozellulose, Stärke und dergleichen ein. Typischerweise ist eine Bindermenge in der Größenordnung von etwa 10 bis etwa 25%, auf der Basis des kombinierten Gesamtgewichts der anderen trockenen Materialien, ausreichend, um das Gemisch vorübergehend zusammenzuhalten.

Das trockene Gemisch wird in einen Formhohlraum ein­ gebracht und kalt mit verhältnismäßig niedrigen Drücken gepreßt, die in der Größenordnung von 2 bis 5 Tonnen pro inch² (etwa 0,31 bis etwa 0,775 t/cm²) liegen, im Vergleich zu 15 bis 20 Tonnen, die normalerweise in der Pulvermetallurgie angewendet werden. Die resultieren­ den Grünlinge haben eine ausreichende Festigkeit, um gehandhabt und weiter bearbeitet zu werden.

Die Grünlinge (bzw. grünen Verbundstoffe) werden dann in einer oxidierenden Umgebung erhitzt, um den grünen Binder auszubrennen oder anderweitig zu entfernen, wobei die übrigen Komponenten intakt in der Struktur zurück­ bleiben. Die Atmosphäre in dem Ofen wird dann zu einer reduzierenden Atmosphäre geändert, und die Erhitzung wird über eine Zeitspanne fortgesetzt, die ausreicht, um im wesentlichen alle metallischen Oxide zu reduzieren, die während des Ausbrennens gebildet sein könnten. Die Er­ hitzungsstufe kann beispielsweise bei Umgebungsatmosphären­ druck und Temperaturen in der Größenordnung von etwa 1500°F bis etwa 1700°F für auf Kupfer basierende Materialien ausgeführt werden.

Das durch die vorstehend beschriebene Vorgehensweise erhaltene Zwischenprodukt enthält ein hochgradig poröses Gefüge bzw. Matrix aus im wesentlichen Oxid-freien Metallen, die durch die Erhitzung in dem Ofen teilweise verschmolzen sind, und dieses Gefüge hält weiterhin auf stabile Weise den Kohlenstoff und alle anderen Additive.

Der poröse Zwischenkern wird dann mit einem Metall infiltriert, dessen Siedepunkt niedriger liegt als der Schmelzpunkt des Gefüges, wobei dieses Metall mit den Metallen des Gefüges verschmelzbar bzw. legierbar ist. In Verbindung mit den in dem Zwischenkern verwendeten Metallen, die weiter oben beschrieben sind, sind zu diesem Zweck Zink und Kadmium hervorragend geeignet, wobei Zink wegen der Prozeßerfordernisse bevorzugt ist.

Die Infiltration bzw. Durchsetzung wird in einem Ofen bei etwa einer Atmosphäre durchgeführt, wobei die Atmosphäre den Dampf des Metalls enthält oder damit ge­ sättigt ist. Dies kann in der Weise durchgeführt werden, daß das Metall in Pulver- oder Blechform in dem Ofen oder oben auf den Grünlingen angeordnet und der Ofen auf eine Temperatur erhitzt wird, die ausreicht, um das Metall zu schmelzen und wenigstens teilweise zu verdampfen. Im Falle von Zink, das einen Schmelzpunkt von etwa 788°F und einen Siedepunkt von etwa 1605°F hat, kann eine Ofentemperatur in der Größenordnung von etwa 1450° bis etwa 1650°F verwendet werden.

Unter den oben beschriebenen Bedingungen benetzt das eindringende Metall das Matrixmetall und vermischt bzw. legiert sich wenigstens mit einem Teil von diesem, wo­ bei es dazu dient, die strukturelle Verbindung zwischen den verschiedenen Kontaktpunkten zwischen den metallischen Fasern und Pulverteilchen in dem Verbundstoff zu er­ höhen oder zu verstärken. Während der Zwischenkern während dieses Vorgangs einen erheblichen Gewichtsan­ stieg zu verzeichnen hat, üblicherweise in der Größen­ ordnung von 50%, bleibt das Endprodukt porös und elastisch.

Im Gegensatz zu auf herkömmliche Weise verschmolzenen Reibungsmaterialien werden die Erhitzungsvorgänge bei atmosphärischem Druck ausgeführt, wobei kein zusätz­ licher Druck erforderlich ist. Bei herkömmlichen Pro­ zessen werden die Materialien unter Druck erhitzt, um annehmbare Dichte-, Härte- und Abnutzungseigenschaften zu erhalten. Das erfindungsgemäße Verfahren ist demgegen­ über vorteilhaft, weil ein einziger, herkömmlicher Ofen verwendet werden kann.

Obwohl das erfindungsgemäße Reibungsmaterial in jeder gewünschten Gestalt oder Form hergestellt werden kann, ist die übliche Form ein dünnes Bauteil oder eine dünne Scheibe. Die Scheibe kann an einem Tragbauteil oder Kern befestigt werden, der in einer Naßkupplung oder Bremsanordnung verwendet wird. Die Reibscheibe kann bei­ spielsweise an einem Stahlkern befestigt werden, unter Verwendung einer herkömmlichen Lötmasse unter Hitze und Druck.

Das nach dem oben beschriebenen Verfahren erhaltene metallische Reibungsmaterial ist porös und - im Gegen­ satz zu herkömmlichen gesinterten und verschmolzenen Materialien - elastisch. Der Grad der Elastizität kann erforderlichenfalls reduziert werden, indem die be­ festigte Platte einem Druck unterworfen wird, der aus­ reicht, um ihre Dicke und Elastizität zu verringern.

Zur weiteren Offenbarung der Erfindung wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel beschrieben.

Beispiel I

Die in der nachfolgenden Tabelle angegebenen Materia­ lien wurden in einem Kernmischer trocken gemischt, um ein inniges Gemisch herzustellen. Eine Quantität des hergestellten Gemischs wurde in einen Formhohlraum eingebracht und bei Raumteperatur bei einem Druck von etwa 3,3 t/inch² (0,51 t/cm²) kalt gepreßt, um Grün­ linge herzustellen.

Der größte Teil von Avicel in den Reibbelag-Grün­ lingen wurde aus den Grünlingen entfernt, indem diese 2 Stunden lang in einem Ofen bei 1600°F in einer Atmosphäre behandelt wurden, die aus etwa 93% Wasserdampf und 7% Stickgas bestand. Nach den ersten zwei Stunden wurde die Atmosphäre in dem Ofen zu 100% Wasserstoff geändert und die Ofenbehandlung über eine weitere Stunde bei 1600°F fortgesetzt, um alle Metall­ oxide in der Metallmatrix des Reibbelages zu ihrem Basismetallzustand zu reduzieren. Während dieses Vor­ gangs wurde auf die Grünlinge kein äußerer Druck aus­ geübt.

Dann wurde pulverisiertes Zink auf die ausgebrannten Verbundstoffe gesprüht bzw. gestreut, die einer zweiten Ofenbehandlung unterzogen wurden, um den pulverisierten Zink zu schmelzen und den darunter befindlichen Verbund­ stoffkörper zu durchdringen. Die zweite Ofenbehandlung wurde bei 1560°F eine Stunde lang in einer Atmosphäre ausgeführt, die aus mit metallischem Zinkdampf ge­ sättigtem Wasserstoff zusammengesetzt war. Nach dem Infiltrationsprozeß verzeichneten die Preßlinge einen durchschnittlichen Gewichtsanstieg von 61% im Vergleich zu ihrem Gewicht vor dem Infiltrationsprozeß. Es sei wiederholt, daß während dieses Vorgangs kein äußerer Druck auf die Preßlinge ausgeübt wurde.

Nach der Infiltration wurden die Preßlinge gekühlt und mit einem metallischen Kern verbunden, der mit einer kommerziellen Lötpaste überzogen wurde. Der Verbindungs­ vorgang dauerte etwa 5 Minuten bei 600°F und einem Druck von 300 PSI.

Das vorstehend beschriebene Reibbelagmaterial wurde im Vergleich mit einem gesinterten Standardreibungsmaterial getestet. Es herrschten identische Testbedingungen mit demselben Übertragungsfluid in derselben Testvorrich­ tung, in der das Material in Eingriff mit einer Platte gebracht wurde. Die Materialien wurden bei 2000 Eingriffen auf 3 nacheinander höheren Energiestufen getestet. Die erste Stufe simuliert Belastungen in einem Autobahn­ transportbus sowie einem Lastzug und entspricht einem kinetischen Energiewert von 390 ft-lbs/in². Die zweite Energiestufe simuliert Belastungen eines Geländefahr­ zeugs wie eines Baufahrzeugs und entspricht einem kine­ tischen Energiewert von 530 ft-lbs/in². Die dritte Energiestufe entspricht Überlastungszuständen, mit denen nicht regelmäßig oder lang gerechnet werden muß, und hat einen Wert von 820 ft-lbs/in².

Tabelle 1

Claims (8)

1. Metallreibbelagmaterial zum Lauf in einem Übertragungsfluid oder -öl, wobei das Reibmaterial Metallpartikel, Kohlenstoff und ein niedrigschmelzendes Material enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das Reibmaterial die Form einer porösen, elastischen Matrix aus teilweise verschmolzenen Metallpartikeln, die Metallpulver und Metallfasern enthalten, hat und daß ein Metall mit einem niedrigeren Schmelzpunkt in die Matrix eindiffundiert ist und mit der Matrix eine Legierung bildet, wobei deren Elastizität und Porosität beibehalten wird, und das Metall mit dem niedrigeren Schmelzpunkt mehr als 50% des Endproduktes bildet.

2. Metallreibbelagmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall mit dem niedrigeren Schmelzpunkt Zink oder Kadmium ist.

3. Metallreibbelagmaterial nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix 5 bis 40% Graphit enthält.

4. Metallreibbelagmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallpartikel Nichteisenmetalle sind.

5. Verfahren zur Herstellung eines metallischen Reibungsmaterials mit hoher Energiekapazitätsabsorption und hohem Reibungskoeffizienten, gekennzeichnet durch folgende Schritte: Herstellen eines Grünlings aus metallischen Partikeln, Kohlenstoff und einem vorübergehenden organischen Binder, Erhitzen des Preßlings unter Bedingungen, bei denen der Binder entfernt und die Partikel teilweise verschmolzen werden, um einen porösen Zwischenkern zu bilden, und Infiltrieren des porösen Zwischenkerns mit dem Dampf eines Metalls, dessen Schmelzpunkt niedriger ist als der Schmelzpunkt des Substrats, wobei dieses Metall mit den teilweise verschmolzenen Metallpartikeln ver­ mischt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Erhitzung des Preßlings zur Entfernung des Binders das Erhitzen in einer oxidierenden Atmosphäre enthält.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Schritt des Er­ hitzens in einer oxidierenden Atmosphäre ein Erhitzen in einer reduzierenden Atmosphäre folgt, um die Oxide in den metallischen Partikeln zu reduzieren.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Erhitzen bei atmosphä­ rischem Druck durchgeführt wird.