DE69718346T2 - Reibungsmaterial, verfahren zu seiner herstellung und reibbelag - Google Patents
Reibungsmaterial, verfahren zu seiner herstellung und reibbelagInfo
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Description
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Reibmaterial und insbesondere ein Bremsbelagnaterial, das eine gesinterte Masse von Eisen, in welcher Graphitteilchen dispergiert sind, umfaßt.
- Eine Anzahl von kommerziell erhältlichen Bremsbelagmaterialien umfassen Teilchen, wie Eisenteilchen und Graphitteilchen, die aneinander mittels eines organischen Bindemittels, wie eines Phenol-Formaldehydharzes, gebunden sind.
- Falls aus solch einem Material bestehende Bremsbeläge schweren Energiebeanspruchungen und infolge dessen hohen Temperaturen, wie Temperaturen in der Grössenordnung von 700ºC, ausgesetzt werden, die z. B. auftreten, wenn sie in Bremsen für Lastkraftwagen verwendet werden, tritt eine Zersetzung des organischen Bindemittels unter Bildung von gasförmigen Zersetzungsprodukten auf. Hierdurch wird die brauchbare Lebensdauer der Bremsbeläge reduziert.
- Mit Metall gebundene Bremsbelagmaterialien sind ebenfalls bekannt, nämlich Materialien, die eine gesinterte Eisenmatrix umfassen, welche vergleichsweise geringe Mengen von dispergierten Graphitteilchen enthält. Diese bekannten durch Metall gebundenen Belagmaterialien leiden an dem Nachteil, daß bei schweren Energiebelastungen ein Schmelzen von Teilen der Eisenmatrix auftreten kann, wodurch ein beginnendes Miteinanderverschweißen der Bremsklötze und der Bremstrommel oder der Bremsscheiben auftritt.
- Es ist bekannt, Bremsbeläge zu verwenden, welche im wesentlichen aus Graphit in Bremsen für Rennwagen der Formel I bestehen. Solche Bremsen sind sehr effizient, sie werden jedoch sehr rasch abgenutzt und halten normalerweise nur ein Rennen aus.
- Es wurde versucht, mit Metall gebundene Bremsbelagmaterialien herzustellen, die einen großen Gehalt von Graphitteilchen aufweisen, diese Versuche stießen jedoch an die Schwierigkeit, daß ein zunehmender Gehalt von Graphitteilchen in der Eisenmatrix abnehmende Festigkeit und infolge dessen reduzierte Verschleißfestigkeit mit sich bringt.
- Die EP 0 093 673 beschreibt ein Reibmaterial, welches eine größere Menge (72-85 Gew.-%) von Eisenpulver, Graphit (3-14 Gew.-%), Koks (2-12 Gew.-%), niedrigschmelzendes Material (3-10 Gew.-%), wie Zinn, und ein die Reibung modifizierendes Mittel (bis zu 3 Gew.-%) umfaßt, wobei einiges des Eisenpulvers wahlweise durch Eisenfasern ersetzt sein kann.
- Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Reibmaterials mit höherer Verschleißfestigkeit als das Reibmaterial entsprechend der EP 0 093 673.
- Das Reibmaterial gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die gesinterte Masse umfaßt: zwischen 13 und 22 Vol.-% an Eisenfasern, zwischen 13 und 22 Vol.-% an Eisenteilchen, die eine Teilchengröße von 10 bis 400 um haben, zwischen 40 und 70 Vol.-% an Graphitteilchen, die eine Teilchengröße von 25-3000 um haben, und zwischen 10 und 15 Vol. o eines metallischen Bindemittels, das einen Schmelzpunkt von 800-1140ºC hat.
- Die Erfindung basiert auf der Feststellung, daß durch Verwendung von relativ großen Graphitteilchen, die normalerweise im metallurgischen Verfahren verwendeten Graphitteilchen haben typischerweise eine Teilchengröße von 0,1-10 um, und eines metallischen Bindemittels, das einen Schmelzpunkt innerhalb des Temperaturbereiches, in welchem das Sintern auftritt, hat, ein starkes und stabiles Eisennetzwerk gebildet wird, in welchem die Graphitteilchen eingebettet sind, und aus welchem sie unter dem Einfluß von Reibung freigesetzt werden können und einen Film zwischen Bremsklotz und Bremstrommel oder Bremsscheibe bilden.
- Die Eisenfasern, die Eisenteilchen und das metallische Bindemittel sind daher die bei der Sinterung aktiven und infolge dessen Festigkeit erteilende Komponenten, während die Graphitteilchen die die Reibung steuernden Komponenten der sinternden Masse sind.
- Die in dem Reibmaterial vorliegenden Eisenfasern sind bevorzugt Stahlfasern, d. h. Fasern einer Eisenlegierung, die einen Kohlenstoffgehalt von bis 2% besitzt. Die Eisenfasern haben bevorzugt eine Länge zwischen 0,5 und 5 mm und eine Stärke innerhalb des Bereiches von 10-100 um.
- Wie angegeben, haben die Eisenteilchen eine Teilchengröße von 10 bis 400 um und bevorzugt eine Teilchengröße von 20 bis 200 um.
- Wie angegeben, haben die Graphitteilchen eine Teilchengröße von 25 bis 3000 um und bevorzugt eine Teilchengröße von 90 bis 1000 um.
- Als metallisches Bindemittel wird bevorzugt ein metallisches Material, ausgewählt aus Cu, Sn und Zn, verwendet. Bronze in Pulverform und von einem Typ, in welchem der Gehalt von Kupfer von 85 bis 99% beträgt und der Gehalt von Zinn von 1 bis 15% beträgt, ist besonders brauchbar.
- Das Reibmaterial gemäß der Erfindung kann zusätzlich zu den oben angegebenen Komponenten von 0,1 bis 15 Vol.-% von zusätzlichen Komponenten, wie Al&sub2;O&sub3;, FeSi, Fe&sub3;Si&sub2;, FeSi&sub2;, Fe&sub2;Si&sub5;, MgCO&sub3;, SiO&sub2;, BN, Ca&sub3; (PO&sub4;)&sub2;, BaSO&sub4;, Fe&sub2;O&sub3;, CuAl&sub2;, Si, Al, Cu, P und Sulfide von Mo, Mn, Sb, Cu, Sn und W, enthalten.
- Das Zumischen eines keramischen Materials in die gesinterte Masse bewirkt eine Stabilisierung der Reibung bei sich verändernden Temperaturen. Eine besonders gute Stabilisierung wird unter Verwendung eines keramischen Materials, das zwei unterschiedliche Korngrößen hat, erhalten.
- Ein besonders bevorzugter Zusatz ist Al&sub2;O&sub3;, das zur Erhöhung des Reibungskoeffizienten dient und den Reibungskoeffizienten konstant hält.
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich weiter auf ein Verfahren zur Herstellung eines Reibmaterials, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß eine Mischung, welche 13-22 Vol.-% an Eisenfasern, 13-22 Vol.-% an Eisenteilchen, die eine Teilchengröße zwischen 10 und 400 um haben, 40-70 Vol.-% an Graphitteilchen, die eine Teilchengröße zwischen 25 und 3000 um haben, und 10-15 Vol.-% eines metallischen Bindemittels umfaßt, bei einem Druck von wenigstens 100 MPa zur Bildung eines Preßkörpers mit der gewünschten Form und Größe gepreßt wird, und daß der so gebildete Preßkörper bei einer Temperatur zwischen 800 bis 1140ºC für eine ausreichend lange Zeitspanne gesintert wird, um Zusammenwachsen von Eisenfasern, Eisenteilchen und metallischem Bindemittel zu erreichen.
- Wahlweise können Eisenfasern, Eisenteilchen und metallisches Bindemittel vermischt werden, bevor diese Komponenten mit den Graphitteilchen gemischt werden.
- Wenn Al&sub2;O&sub3; einen Teil des Gemisches des Ausgangsmaterials bilden soll, wird es bevorzugt, Al&sub2;O&sub3; in Wasser zu dispergieren und die so gebildete Dispersion mit den Graphitteilchen zu mischen und das Wasser aus dem Gemisch zu entfernen, bevor es mit den anderen Komponenten vermischt wird.
- Das Gemisch von Graphitteilchen und Al&sub2;O&sub3; kann zweckmäßig mit einer kleineren Menge, z. B. 1-3 Gew.-% eines Öles, wie eines pflanzlichen Öles, vor dem Vermischen mit den anderen Komponenten versetzt werden.
- Im folgenden wird die Erfindung mehr im einzelnen unter Bezugnahme auf das folgende Beispiel beschrieben.
- 22 cm³ Eisenfasern, 22 cm³ Eisenteilchen, die eine Durchschnittsteilchengröße von 100 um besitzen, und 15 cm³ Bronzepulver, das einen Schmelzpunkt von 1040ºC besitzt, wurden in einem V-Mischer mit Innenrotor für etwa 10 min gemischt.
- 1 cm³ Al&sub2;O&sub3;-Teilchen wurden zu 100 cm³ Wasser zugesetzt, und das so gebildete Gemisch wurde einer Ultraschallbehandlung zur Bildung einer homogenen Dispersion unterzogen. Die Dispersion wurde mit 40 cm³ Graphitteilchen, die eine Durchschnittsteilchengröße von 300 um hatten, gemischt, dann wurde das Wasser durch Verdampfen in einem Ofen entfernt.
- Das so erhaltene Gemisch von Graphit und Al&sub2;O&sub3;-Teilchen wurde mit 2 Gew.-% von pflanzlichem Öl versetzt, und die Zusammensetzung wurde gemischt, bis eine gleichmäßige Verteilung der Al&sub2;O&sub3;-Teilchen auf den Graphitteilchen erreicht worden war. Das Gemisch von Graphitteilchen, Al&sub2;O&sub3;-Teilchen und pflanzlichem Öl und das Gemisch von Eisenfasern, Eisenteilchen und Bronzepulver wurden in einem V-Mischer, wobei der Innenrotor während der ersten 5 min nicht benutzt wurde und der Innenrotor für die nachfolgenden 2 min benutzt wurde, gemischt.
- Das so erhaltene Gemisch wurde zu Preßkörpern mit den Abmessungen 4 · 9 · 2 in einer Einzelachsenpresse und bei einem Druck von 300 MPa gepreßt.
- Die erhaltenen Grünkompaktkörper wurden dann in einem Ofen in einer Atmosphäre von H&sub2; und N&sub2; gesintert. Die Kompaktkörper wurden zuerst bei 700ºC für 0,5 h und dann bei 1100ºC für 0,75 h gesintert. Schließlich wurden die gesinterten Kompaktkörper auf Zimmertemperatur in einer Atmosphäre von H&sub2; und N&sub2; für eine Zeitspanne von 0,75 h abgekühlt.
- Die so erhaltenen gesinterten Kompaktkörper wurden auf eine Stahlplatte montiert, und das so erhaltene Produkt konnte danach für Bremsbeläge verwendet werden.
Claims (17)
1. Reibmaterial, umfassend eine gesinterte Masse von
Eisen, in welcher Graphitteilchen dispergiert sind, dadurch
gekennzeichnet, daß die gesinterte Masse umfaßt: zwischen 13
und 22 Vol.-% an Eisenfasern, zwischen 13 und 22 Vol.-% an
Eisenteilchen, die eine Teilchengröße von 10 bis 400 um
haben, zwischen 40 und 70 Vol.-% an Graphitteilchen, die eine
Teilchengröße von 25 bis 3000 um haben, und zwischen 10 und
15 Vol.-% eines metallischen Bindemittels, das einen
Schmelzpunkt von 800 bis 1140ºC hat.
2. Reibmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Eisenfasern Stahlfasern sind.
3. Reibmaterial nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Eisenfasern eine Länge von 0,5 bis 5 mm und
eine Dicke von 10 bis 100 um haben.
4. Reibmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Eisenteilchen eine
Teilchengröße von 20 bis 200 um haben.
5. Reibmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Graphitteilchen eine
Teilchengröße von 90 bis 1000 um haben.
6. Reibmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Bindemittel aus
der Gruppe ausgewählt ist, die aus Cu, Sn und Zn besteht.
7. Reibmaterial nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß das metallische Bindemittel Bronze ist, die von 85 bis
99% Kupfer und von 1 bis 15% Zinn enthält.
8. Reibmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die gesinterte Masse aus einer
Mischung gebildet ist, die zusätzlich von 0,1 bis 15 Vol.-%
an zusätzlichen Komponenten enthält.
9. Reibmaterial nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die zusätzlichen Komponenten ausgewählt ist/sind aus
einer Gruppe, die aus Al&sub2;O&sub3;, FeSi, Fe&sub3;Si&sub2;, FeSi&sub2;, Fe&sub2;Si&sub5;,
MgCO&sub3;, SiO&sub2;, BN, Cai(PO&sub4;)&sub2;, BaSO&sub4;, Fe&sub2;O&sub3;, CuAl&sub2;, Si, Al, Cu, P
und Sulfiden von No, Mn, Sb, Cu, Sn und W besteht.
10. Reibmaterial nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die zusätzlichen Komponenten ein keramisches Material
ist/sind.
11. Reibmaterial nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß das keramische Material in der gesinterten Masse in zwei
unterschiedlichen Korngrößen vorhanden ist.
12. Verfahren zum Herstellen eines Reibmaterials in Form
einer gesinterten Masse von Eisen, in welcher Graphitteilchen
dispergiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mischung,
welche 13-22 Vol.% an Eisenfasern, 13-22 Vol.-% an
Eisenteilchen, die eine Teilchengröße zwischen 10 und 400 um
haben, 40-70 Vol.-% an Graphitteilchen, die eine
Teilchengröße zwischen 25 und 3000 um haben, und 10-15 Vol-% eines
metallischen Bindemittels umfaßt, bei einem Druck von
wenigstens 100 MPa zur Bildung eines Preßkörpers mit der
gewünschten Form und Größe gepreßt wird, und daß der so gebildete
Preßkörper bei einer Temperatur zwischen 800 bis 1140ºC für
eine ausreichend lange Zeitspanne gesintert wird, um
Zusammenwachsen von Eisenfasern, Eisenteilchen und metallischem
Bindemittel zu erreichen.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
daß Eisenfasern, Eisenteilchen und metallisches Bindemittel
gemischt werden, bevor diese Komponenten mit den
Graphitteilchen gemischt werden.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
daß die Graphitteilchen in Mischung mit Al&sub2;O&sub3;-Teilchen
verwendet werden.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,
daß die Mischung von Graphitteilchen und Al&sub2;O&sub3;-Teilchen durch
Dispergieren von Al&sub2;O&sub3;-Teilchen in Wasser, Mischen der so
gebildeten Dispersion mit Graphitteilchen und Entfernen des
Wassers durch Verdampfen hergestellt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,
daß die Mischung von Graphitteilchen und Al&sub2;O&sub3;-Teilchen
zusätzlich ein Öl in einer Menge von 1-3 Gew.-% enthält.
17. Bremsbelag, dadurch gekennzeichnet, daß er ein
Reibmaterial nach einem der Ansprüche 1-11 umfaßt.
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