AT400718B - Zusatz für, insbesondere harzgebundene, reibbelagmischungen und reibbeläge - Google Patents

Description

AT 400 718 B

Die Erfindung betrifft einen Zusatz für, insbesondere harzgebundene, Reibbelagmischungen, mit dem Reibungskoeffizient und Verschleiß gezielt eingestellt und Vibrationen reduziert werden können. Dieser Zusatz kann vorteilhaft in asbestfreien und schwermetallfreien Reibbelagmischungen für hochbelastete Reibpaare, wie sie in Bremsen, Kupplungen, Synchrongetrieben etc. Vorkommen, eingesetzt werden.

Im allgemeinen müssen die Reibmaterialien in der Automobilindustrie folgende Eigenschaften besitzen: Der Reibungskoeffizient muß der speziellen Aufgabe angepaßt und über einen großen Bereich von Geschwindigkeiten und Temperaturen unabhängig von der Form und dem Alter des Materials stabil sein. Besonders wichtig ist es, daß der Reibwert auch nach extremen Temperaturbelastungen in der Kälte annähernd wieder seinen ursprünglichen Wert annimmt. Dieser Wert soll bei Scheibenbremsbelägen über 0,30 liegen. Das Reibmaterial darf sich nur wenig abnützen, darf aber andererseits die Bremsscheibe nicht stark angreifen. Um gute Komforteigenschaften zu gewährleisten, dürfen keine Geräusche auftreten. Die Empfindlichkeit gegenüber Feuchtigkeit muß möglichst gering sein. Darüberhinaus müssen sich solche Reibbeläge mit vertretbaren Kosten industriell herstellen lassen.

Es ist äußerst schwierig, alle an ein Reibmaterial gestellten Anforderungen zu erfüllen. Aus diesem Grund haben sich verschiedene Reibmaterialsysteme entwickelt, die dann für jeweils bestimmte Anwendungsgebiete optimal sind.

Reibbeläge aus reinem Kohlenstoff (oft kohlefaserverstärkt) sind von der Zusammensetzung her einfach und werden häufig für Flugzeugbremsen eingesetzt. Erste Versuche, dieses System für PKW-Scheiben-bremsen einzusetzen, zeigten jedoch fundamentale Schwächen auf.

Keramische Reibbeläge sind schon einige Zeit bekannt, konnten sich aber bisher nicht durchsetzen. Neuere Arbeiten auf diesem Gebiet lassen es jedoch möglich erscheinen, längerfristig PKW-Reibbeläge auf Keramik-Basis zum Einsatz zu bringen.

Sintermetalle sind eine weitere Basis für Reibmaterialien. Auf dieser Basis werden verschiedene Arten von Brems- und Kupplungsbelägen hergestellt. Verschiedene Zusätze aus dem Bereich der Metallverformung haben sich als Hilfsstoffe bewährt.

Die kostengünstigste Art Reibmaterialien herzustellen, ist auf Basis von Phenol- oder Kresolharzen. Der Großteil der PKW- und LKW-Beläge wird heute so produziert. Es werden hautpsächlich solche Harze auf Phenol und Kresolbasis eingesetzt, die je nach Anwendung thermoplast- oder kautschukmodifiziert sein können. Um solche Reibmaterialien den verschiedenen Anforderungen der Praxis anzupassen, müssen jedoch eine ganze Reihe anorganischer Zusätze wie Metalle, mineralische Fasern und verschiedene Füllstoffe und Additive zugesetzt werden.

Bei den verstärkend und füllend wirkenden Stoffen wird heute kaum mehr Asbest verwendet. An dessen Stelle treten anorganische oder organische Fasern, wie z.B. Kohlenstoff- oder Aramidfasern bzw. Metalle in Pulver-, Span- oder Faserform. Auch verschiedene Mineralfasern und verschiedene Formen von Glimmer kommen zur Anwendung. Als Füllstoff werden hauptsächlich Bariumsulfat, MgO oder verschiedene Tonerden verwendet.

Die reibwertaktiven Füllstoffe teilen sich in Reibmittel und Gleitmittel. Sie sollen die Höhe des Reibwertes beeinflussen, für ein weitgehendes Gleichbleiben dieses Reibwertes bei verschiedenen Temperaturen sorgen und einen zu raschen Verschleiß des Reibbelags und des Gegenmaterials verhindern. Darüberhinaus sollen sie positiv auf die Geräuschentwicklung beim Bremsvorgang einwirken.

In Zusammenhang wird auf "Friction Materials”, Chemical Technology Review No. 100, Noyes Data Corporation, USA 1978, als relevanter Stand der Technik und als relevante Offenbarung Bezug genommen.

Eines der wichtigsten praktisch verwendeten Gleitmittel ist Bleisulfid (PbS). Obwohl PbS heute auch in vielen auch asbestfreien-Belägen eingesetzt wird, versucht man, bei Neuentwicklungen Bleisulfid durch andere Gleitmittel zu ersetzen.

Ein durch Bleisulfid nicht zu lösendes Problem ist die verlangte weitgehende Konstanz des Reibwertes bei Temperaturerhöhung (kein Fading) und die damit zusammenhängende möglichst gute Rückstellung des Reibwerts nach Temperaturbelastung (Recovery). Auf der Bremsscheibe soll sich kein Belag bilden, wobei der Verschleiß der Bremsscheibe nicht zu hoch werden darf.

Gegenstand der Erfindung ist ein Zusatz für, insbesondere harzgebundene, Reibbelagmischungen, welcher dadurch gekennzeichnet ist, daß der Zusatz aus einer Mischung von Eisen-ll-sulfid mit einem Sulfid des Molybdäns und/oder des Zinks und/oder des Antimons und/oder des Wolframs und/oder des Titans besteht.

Der Einsatz von Eisensulfiden in Reibbelägen ist z.B. aus der GB-PS 1 156 058 bekannt. Dort werden Reibbeläge aus Asbest oder anderen anorganischen Fasern und einem Bindemittel beschrieben, das aus einem in situ durch Umsetzen von Schwefel mit Eisenpulver oder einem niederen Eisensulfid gebildeten Eisensulfid bestehen kann. Unter Eisensulfid werden dort nicht nur FeS und Fe2S3 verstanden, sondern auch alle Sulfide nicht-stöchiometrischer Zusammensetzung. 2

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In Abhängigkeit von der Basisformulierung des Reibbelags kann der erfindungsgemäße Zusatz entweder allein oder gemeinsam mit Festschmierstoffen und anderen funktionellen Reibadditiven, auch nach vorhergehender Abmischung mit diesen, eingesetzt werden. Es kommen dabei Kohlenstoffträger wie Graphit und Koks, Phosphate sowie verschiedene Oxide in Frage. Auch weiche Metalle können gegebenenfalls eingesetzt werden.

Mit Vorteil verwendbare Oxide zur Einstellung des gewünschten Reibwertes sind Oxide des Aluminiums, Chroms, Kupfers, Eisens, Zinks, Antimons, Titans, Molybdäns, Siliziums und Zirkons.

Als Phosphate sind erfindungsgemäß Phosphate, Pyrophosphate oder Polyphosphate des Natriums, Kafiumsi Magnesiums, Kalziums, Bors, Aluminiums, Kupfers, Zinks oder Eisens vorgesehen.

Bevorzugte Phosphate sind die unlöslichen bzw. schwer löslichen Phosphate des Magnesiums, Kalziums, Bors, Aluminiums, Kupfers, Eisens und Zinks.

In den folgenden Beispielen wird nicht nur gezeigt, daß dem erfindungsgemäßen Zusatz asbestfreie Bremsbeläge mit sehr guten Gebrauchseigenschaften hergestellt werden können, sondern auch Beläge, die schwermetallhältigen Belägen durchaus ebenbürtig, wenn nicht sogar überlegen sind.

Beispiele:

Die Prüfung der erfindungsgemäßen Additive erfolgt an ganzen Bremsbelägen, um möglichst praxisnahe Verhältnisse zu schaffen. A. Herstellung der Beläge

Die Rohstoffe werden in einem Lödige-Chargenmischer FM 50 17 Minuten lang gemischt. Von dieser Mischung werden der Belaggröße entsprechend ausgewogene Anteile in die Preßform einer Leinweber-Bremsbelag-Laborpresse eingefüllt und dort bei Temperaturen um 150"C gepreßt. Die Belagmasse wird dabei auf die vorher in die Form eingelegte eiserne Rückenplatte des Bremsbelags gepreßt und gleichzeitig mit dieser verklebt.

Nach dem Auskühlen der Beläge werden diese mit einer Zylinderkopfschleifmaschine oberlächlich plangeschliffen, um eine volle Auflage auf die Bremsscheibe beim Test zu gewährleisten. Die so verbreiteten Rohbeläge werden in einem Heraeus Umlusttrockenschrank bei Temperaturen bis 240 *C ausgehärtet. B. Prüfung der Reibbeläge

Die Prüfung erfolgt mit einem Reibwertprüfstand RWS 75 der Firma Krauss, wobei der Reibwert und das Verschließverhalten der Beläge und der Bremsscheibe geprüft werden. Durch eine Einlaufphase mit 100 Bremsungen a 5 Sekunden wird ein guter Kontakt zwischen Bremsbelagoberfläche und Bremsscheibe gewährleistet. Die folgenden Tests werden bei den Basistemperaturen 100 *C, 200’C, 400 *C und 500 *C durchgeführt. Dabei wird durch Aktivierung der Bremse zuerst die Basistemperatur erreicht und dann von dieser ausgehend 5 Sekunden gebremst und solange die Bremsscheibe wieder gekühlt, bis die jeweilige Basistemperatur wieder erreicht ist. Dieser Zyklus wird pro Basistemperatur 200 mal hintereinander durchgeführt. Nach diesen jeweils 200 Bremsungen werden die Bremsbeläge entnommen und sowohl bei den Belägen als auch bei der Scheibe der Gewichtsverlust gemessen. Daraus kann der Verschleiß errechnet werden. Der Anpreßdruck der Bremsbeläge ist 100 N/cm2, die während der Bremsung registrierte Normalkraft ist die Grundlage für die Berechnung des Reibwertes. Die Auswerteeinheit des Reibprüfstands ist so konzipiert, daß der Reibwert mit Hilfe eines Schreibers aufgezeichnet werden kann. Daraus wird dann auch das Fading, die Reibwertdifferenz zwischen 100 und 500'C, sowie die Recovery, die Differenz eines nach Hochtemperaturbelastung bei 100'C gemessenen Reibwertes und dem zuvor bei 100*C gemessenen Wert, bestimmt.

Die Belagverschleißwerte sind der Durchschnitt aus den Werten der beiden in einer Bremse eingesetzten Einzelbeläge.

Beispiel 1

Folgende Rohstoffe werden wie oben beschrieben gemischt, die Mischung verpreßt und die Beläge geschliffen, ausgehärtet sowie getestet. 3

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Kupferwolle 10 Vol-% Talcum 20 Baryt 13 Polyarylamidfaser 10 Gummimehl 5 Friction dust 10 Phenolharz 25 FeS 3 ZnS 1 Tricalciumphosphat 3

Folgende Resultate wurden erhalten:

Gesamtverschleiß des Belags: 42.1 g Gesamtverschließ der Scheibe: 4,5 g Fading (u 100-400 * C) 0,03 Recovery (u. 100' C vor-nach)) 0,02

Es zeigt sich, daß die Bremswirkung (charakterisiert durch den Reibwert) vor und nach einer Temperaturbelastung von über 500’C (üblich bei Talfahrten) fast völlig gleich bleibt und die Wirksamkeit der Bremse auch bei so hohen Temperaturen nur minimal abnimmt.

Beispiel 2

In der Mischung von Beispiel 1 werden FeS + ZnS + Tricalciumphosphat durch 4 Vol-% FeS + 3 Vol-% Sb2S3 ersetzt. Folgende Resultate wurden erhalten:

Gesamtverschleiß des Belages: 35,2 g Gesamtverschleiß der Scheibe: 7,3 g Fading (u 100 - 400 * C): 0,02 Recovery (n 100*C vor-nach): 0,03

Die Ergebnisse sind ähnlich gut wie unter Beispiel 1 beschrieben und unterscheiden sich besonders in den Verschleißeigenschaften deutlich von den nachfolgenden Beispielen 3 und 4.

Beispiel 3 (Vergleich)

Es wird wie in Beispiel 1 verfahren, anstelle von FeS + ZnS + Tricalciumphosphat werden jedoch 7 Vol-% FeS eingesetzt. Folgende Resultate werden mit dem so hergestellten Reibbelag erhalten:

Gesamtverschleiß des Belags: 50,8 g Gesamtverschleiß der Scheibe: 5,2 g Fading: 0,03 Recovery: 0,03

Die hohen Verschleiß werte (besonders der Scheibe) dokumentieren die schlechteren Eigenschaften von FeS allein.

Beispiel 4 (Vergleich)

Es wird wie in Beispiel 2 verfahren, anstelle von FeS werden jedoch 7 Vol-% PbS eingesetzt. Folgende Resultate werden mit den so hergestellten Reibbelägen erhalten: 4

Claims (5)

1. AT 400 718 B Gesamtverschleiß des Belags: 85,9g Gesamtverschleiß der Scheibe: 7,6 g Fading: 0,08 Recovery: 0,09 Hier ist doch ein deutliches Absinken der Bremswirksamkeit zu beobachten. Auch die Verschleiß werte sind deutlich höher als bei Verwendung von FeS. Beispiele 5 und 6 Folgende Rohstoffe werden wie einleitend beschreiben gemischt, die Mischung verpreßt und die Beläge geschliffen, ausgehärtet sowie getestet. Beispiel Nr./Gew.-% 5 6 Stahlwolle 20 20 Glasfasern 8 8 Messingspäne 15 15 Polarylamidfasern 2 2 Phenolharz 10 10 Baryt 10 10 Friction dust 5 5 Aluminiumoxid 3 3 Graphit 7 7 Koks 9 9 Tricalciumphosphat 2 2 FeS 6 6 Sb2S3 3 / ZnS / 3 Resultate Gesamtbelagverschleiß (g) 14,9 22,7 Gesamtscheibenverschleiß (g) 3,7 5,3 Fading (μ. 100-500'C) 0,04 0,03 Recovery (u 100"C vor-nach) 0,02 0,02 Patentansprüche 1. Zusatz zu Reibbelagmischungen für, insbesondere harzgebundene, Reibbeläge, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatz aus einer Mischung von Eisen-ll-sulfid mit einem Sulfid des Molybdäns und/oder des Zinks und/oder des Antimons und/oder des Wolframs und/oder des Titans besteht.
2. 2. Zusatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eines oder mehrere der Oxide des Aluminiums, Eisens, Chroms, Kupfers, Zinks, Mangans, Antimons, Titans, Molybdäns, Siliciums oder Zirkons vorgesehen sind.
3. 3. Zusatz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich Graphit und/oder Koks vorgesehen sind.
4. 4. Zusatz nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein Phosphat, Pyrophosphat oder Polyphosphat des Natriums, Kaliums, Magnesiums, Kalziums, Bors, Aluminiums, Kupfers, Zinks oder Eisens vorgesehen ist.
5. 5. Reibbeläge, insbesondere harzgebundene Reibbeläge, die einen Zusatz nach Anspruch 1 sowie gegebenenfalls Zusätze nach einem der Ansprüche 2 bis 4 enthalten. 5