DE1571467C - Verfahren zur Herstellung von Reib korpern - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von Reib korpernInfo
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Description
Reibkörper, die als Bremsbeläge, Scheibenbrcmsbelägc,
Kupplungsbelägc oder Eisenbahnbremsblöcke
verwendet werden, werden im allgemeinen aus Asbest oder anderen anorganischen Fasern zusammen
mit einer Reihe weiterer Bestandteile wie Kautschuk, Metallpulvern, mineralischen Füllstoffen,
gehärteten Kautschukpulvern, Graphit, Kautschuk-Vulkanisicrhilfsmitteln,
Antioxadantien und Weichmachern unter geeigneten Temperatur und Druckbedingungen
hergestellt. Ein Bindemittel muß in jedem Fall vorhanden sein; im allgemeinen werden
Harze als Bindemittel verwendet. Auch Kautschuk selbst kann ein Bindemittel darstellen; gelegentlich
werden Kautschuk und Harz gleichzeitig als Bindemittel verwendet. Schließlich ist es möglich, pflanzliehe
Öle sowohl allein als auch in Verbindung mit Kautschuk als Bindemittel zu verwenden.
Reibkörper, die übliche organische Bindemittel enthalten, weisen nur eine geringe Rentabilität
unter den verschiedenen Temperaturbedingungen auf. In Scheibenbremsen entstehen im allgemeinen
höhere Temperaturen als in Trommelbremsen, so daß in erstcren Reibkörper, die organische Bindemittel
enthalten, leicht zerstört werden. Der thermische Abbau der Bindemittel führt zu einer Verschlcchterung
des Reibverhaltcns und führt zu einer vorzeitigen Abnutzung der Bremsbeläge. Weiterhin
ergibt sich bei Verwendung von organischen Materialien, vor allem Harzen, als Bindemittel ein vorzeitiger
Kantcnverschleiß. Schließlich ist es auch nicht immer möglich, Produkte mit gleichmäßigen
Eigenschaften herzustellen.
Um den Nachteil der geringen thermischen Widerstandsfähigkeit der bisher bekannten Bindemittel für
Reibkörper auszuschalten, hat man schon die Verwcndung gesinterter Metalle und keramischer Materialien
als Bindemittel vorgeschlagen, wobei der Sintcreffekt die Bindung der Bestandteile der Reibkörper
bewirkt. Ein Sintern der genannten Bestandteile kann aber im allgemeinen nur bei hohen Temperaturen
erreicht werden. Es ist beispielsweise notwendig, das Sintern eines Reibkörpers auf Kupferbasis
bei Temperaturen von 500° C und darüber durchzuführen; bei manchen Verfahren müssen
sogar Temperaturen von über 750° C angewendet werden, wobei dann auch der Druck unter genauer
Kontrolle gehalten werden muß; insgesamt sind die Herstellungsbcdingungen kompliziert und aufwendig.
Demgegenüber belrilft die Erfindung ein Verfahren
zur Herstellung von aus anorganischen Fasern, vorzugsweise Asbestfasern, und einem Bindemittel
bestehenden Reibkörpern, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man eine Asbestfasern, Kupfer oder
Kupferverbindungen und Schwefel enthaltende Mischung verformt und unter geeigneten Preßdrücken
und für die Bildung von Kupfersulfid ausreichenden
Temperaturen unter Vermeidung jeglicher Sinterung aushärtet, so daß man einen Reibkörper erhält, in
dem das Bindemittel vollständig oder nahezu vollständig aus Kupfersulfid besieht, wobei das gesamte fi»
in dem Bindemittel enthaltene Kupfersulfid in situ gebildet worden ist.
CicmäB weiteren Kenn/eichen des erfindungsgcmiUicn
Verfahrens wird eine Mischung aus Asbestfasern, Kupl'cipulver und Schwefel verformt und bei
einem I'rcßdruck von 315 bis 3150 ;it und einer Temperaliir
im Bereich von KO bis 220" C! ausgehärtet, das Cicwidilsvcrliiiltnis von Kupfer zu Schwefel
in der zu verformenden Mischung der Bestandteile zwischen 1: 1 und 3 : 1 und macht in dem fertigen
Reibkörper das als Bindemittel wirkende Kupfersulfid, berechnet als Cu(ll)-sulfid, 10 bis 50 Volumprozent
aus.
Aus der österreichischen Patentschrift 234 572 ist zwar bekannt, in Reibkörpern Kupfersulfid in situ
entstehen zu lassen. Die Bindung des Reibmaterials wird gemäß diesem österreichischen Patent aber
durch ein Glasfrittenmaterial erreicht, welches etwa 50 Volumprozent der Mischung ausmacht. Die gebildete
Sulfidmenge beträgt dagegen nur 2 bis 3 Volumprozent und wirkt nicht als Bindemittel, sondern als
Schmiermittel. Dabei kommen Preßtemperaturen zur Anwendung, die hoch genug sind, um die Masse
sintern und die erforderliche Glasfrittenbindung entstehen zu lassen.
Glasgebundene Reibkörper weisen im Vergleich zu kupfersulfidgebundenen Reibkörpern zwei wesentliche
Nachteile auf. Zunächst geben glasgebundene Reibkörper ein kräftiges Geräusch, wenn die Bremse
betätigt wird. Das Entstehen von Geräuschen macht ein Reibmaterial im allgemeinen unbrauchbar und
stellt einen schwerwiegenden Nachteil dar. Kupfersulfidgebundene Materialien geben dagegen nur ein
sehr geringes Geräusch. Zweitens besitzen glasgebundene Reibkörper eine geringe Lebensdauer, d. h., sie
verschleißen schneller als kupfergebundene Reibkörper, und in der üblichen Weise mit organischen
Bindemitteln gebundene Produkte.
Da leichte Bedingungen diejenigen sind, die in normalen PkW am häufigsten vorkommen, ist das
Verhalten der Materialien unter diesen Bedingungen sehr wichtig. Die gute Lebensdauer der kupfersulfidgebundenen
Reibkörper unter leichten Bedingungen ist der größte Vorteil, den sie gegenüber glasgebundenen
Materialien aufweisen.
Die Bildung des Kupfersulfids in situ kann durch Umsetzung von Schwefel mit Kupferpulver oder von
Schwefel mit Cu(I)-sulfid erfolgen. Das in situ gebildete Kupfersulfid kann entweder aus Cu(II)-sulfid
oder aus Cu(I)-sulfid oder aus einer Mischung dieser beiden Verbindungen bestehen.
Schwefel setzt sich mit Kupfer nach folgender Gleichung zu Cu(II)-sulfid um:
Cu + S = CuS.
Mit Cu(I)-sulfid reagiert Schwefel nach folgender Gleichung:
Cu2S -H S = 2CuS.
Diese Umsetzung ist reversibel, derart, daß bei einer Temperatur von 220° C Cu(II)-sulfid in Cu(I)-sulfid
und Schwefel dissoziiert.
Damit Kupfersulfid als Bindemittel wirken kann, ist es notwendig, daß es in der Masse der Bestandteile,
die es binden soll, hergestellt wird. Dabei ist die Feststellung wichtig, daß auch das bei der Dissoziation
entstehende Cu(I)-sulfid als Bindemittel wirkt.
Erfindungsgemäß wird die Verwendung von Kiipfcrpulvcr und Schwefel als Ausgangsmaterialicn
bevorzugt, wobei die beiden Bestandteile in solchen Mengenverhältnissen und unter solchen Reaktionsbedingungen (Härtung) verarbeitet werden, daß vorzugsweise
Cu(II)-sul(ld gebildet wird. Dabei kann das Verhältnis von Kiipfcrpulvcr zu Schwefel innerhalb
weiter Grenzen verändert werden. Solange die
Menge an Kupfersulfid, die gebildet wird, ausreicht, um die Bestandteile der Reibmasse zu binden, macht
sich ein Überschuß des einen oder anderen Bestandteiles
nicht nachteilig im Hinblick auf die Eigenschaften des. fertigen Produktes bemerkbar. Die
Menge Kupferpulver oder die Menge Schwefel, die nicht zu Kupfersulfid vereinigt wird, liegt in der fertigen
Reibmasse als Füllstoff vor. Im allgemeinen arbeitst man bei einem Gewichtsverhältnis von
Kupferpulver zu Schwefel zwischen 1:1 und 3:1; ein Überschuß an Schwefel über die zur Bildung von
Cu(II)-sulfid aus Kupfer notwendige Menge ist
wünschenswert. Wird das Gewichtsverhältnis auf 4:1 erhöht, so besteht das gebildete Kupfersulfid
vollständig oder nahezu vollständig aus Cu(I):sulfid.
Eine Reibinasse aus Asbest oder anderen anorganischen Fasern sowie Füllstoffen und Reibmodifikatoren
erfordert normalerweise einen Bindemittelgehalt von wenigstens 10 Volumprozent, gerechnet
als Cu(II)-sulfid. Diese Zahl hängt bis zu einem gewissen Grad von dem Gehalt an anorganischen
Fasern sowie den anderen Bestandteilen in der Masse ab; im allgemeinen erzielt man aber mit 10 Volumprozent
Bindemittel ein zufriedenstellendes Endprodukt. Der Anteil an Kupfersulfid kann gegebenenfalls
erhöht werden, wobei jedoch zu beachten ist, daß die über etwa 50 Volumprozent hinausgehende
Menge nicht mehr als Bindemittel, sondern als Füllstoff wirkt. Die Anwesenheit von nicht umgesetztem
Kupfer oder Schwefel in der Reibmasse kann unter Umständen sogar vorteilhaft sein.
Der Hauptvorteil der erfindungsgemäßen Reibmasse ist in der wesentlich höheren Verschleißfestigkeit
derselben — verglichen mit üblichen Harz-Bindemittel enthaltenden Reibmassen mit ähnlichen
oder niedrigerem Reibungskoeffizienten bei Prüfung unter gleichen Bedingungen — zu sehen. Diese Verbesserung
macht sich um so stärker bemerkbar, je höher die Temperaturen liegen, unter denen die
Reibmasse zum Einsatz kommt.
Im Vergleich zu Reibmassen, die gesinterte Materialien
als Bindemittel enthalten, ergibt sich der Vorteil, daß die für eine ausreichende Bindung notwendigen
Härtungstemperaturen wesentlich niedriger liegen. ·
Die Druck- und Temperaturbedingungen, unter denen die Härtung durchgeführt wird, können in
weiten Grenzen verändert werden. Im allgemeinen arbeitet man nicht bei den Minimaltemperaturen,
bei denen gerade eine Reaktion zwischen Kupfer und Schwefel beobachtet werden kann, sondern
arbeitet aus Gründen der Wirtschaftlichkeit und der Vollständigkeit der Umsetzung bei etwas höheren'
Temperaturen; vorzugsweise sollten die Härtungstemperaluren aber der Minimaltemperatur so nahe
wie möglich koinnien. ·
Die Härtungsdauer beträgt bei Drücken von 315 bis 350 at und einer Temperatur von 80 bis 220° C
von Va Minute an aufwärts; wird Kupfersulfid gebildet, so sind die Bedingungen nicht kritisch. Zur Erzielung
der jeweils bestmöglichen Resultate müssen Härtungsdauer, -temperatur und -druck sorgfältig
aufeinander abgestimmt werden; diese Faktoren hängen bis zu einem gewissen Grad auch von den
jeweils verwendeten Schwefel- und Kiipfcrpulvcrnicngcn
bzw. von dem verwendeten Cu(I)-sulfid in der Mischung der Bestandteile ab.
Die ReibmassLMi gemäß vorliegender Erfindung
enthalten im allgemeinen 15 bis 50 Volumprozent Asbest oder andere anorganische Fasern, wobei im
allgemeinen Asbestfasern der Güteklasse 5 und 7 (bezogen auf eine Standardfaserlänge, definiert durch
die »Box Test Method« der Quebec Asbestos Manufacturers) verwendet werden. Asbest (oder beliebige
andere geeignete Fasern) und Kupfersulfid machen üblicherweise wenigstens 25 Volumprozent der genannten
Reibmasse aus, d. h., der prozentuale Volumengehalt an Füllstoffen, Weichmachern und anderen
Zusätzen liegt zwischen O und 75 %.
. Nachfolgend sind Beispiele für Mischungen angegeben, aus denen Reibmassen gemäß vorliegender Erfindung hergestellt werden können. Die Mischungen haben folgende Zusammensetzung:
. Nachfolgend sind Beispiele für Mischungen angegeben, aus denen Reibmassen gemäß vorliegender Erfindung hergestellt werden können. Die Mischungen haben folgende Zusammensetzung:
Gewichtsteile
Kupferpulver* 29,2
Schwefel . 16,9
Graphit 18,6
Asbestfasern 21,3
Kieselsäure 10,0
Aluminiumoxyd 4,0
* Feinheitsgrad: Prüfsieb mit einer lichten Maschenweite von 0,053 mm.
Gewichtsteile
Cu(I)-sulfid 140
Schwefel '. 30
Asbestfasern 52
Kieselsäure 25
Baryt 90
Graphit 23
Jede dieser Mischungen wird kalt verformt V2 Minute
bei 105° C, unter einem Druck von 945 at vorgehärtet und schließlich 2 Stunden bei 1900C ausgehärtet.
Zur Herstellung der Mischung werden alle Bestandteile außer Kupfer bzw. Cu(I)-sulfid 10 Minuten
gemischt und dann durch ein Prüfsieb gegeben. Die Mischung wird dabei auf flachen Schalen oder Trägern
ausgebreitet und 24 Stunden abgestellt, damit sie auskühlt und die Feuergefahr vermindet wird, die
bestehen würde, wenn das feinzerteilte Material, das sich in der Mischstufe erwärmt hat, in Behältern
gelagert würde. Das Kupferpulver oder das Cu(I)-sulfid kann dann zu den bereits vermischten Materialien
zugesetzt und weitere 10 Minuten mit den letzteren vermischt werden. Würde man das Kupferpulver oder das Cu(I)-sulfid von Anfang an mit
einmischen, so bestünde die Gefahr, daß die beim Vermischen erzeugte Wärme ausreicht, die exotherme
Reaktion zwischen Schwefel und Kupfer bzw. Cu(I)-sulfid einzuleiten.
Nach Durchführung der ersten Mischstufc kann das Produkt beliebige Zeit gelagert werden. Nach
Zugabe des Kupferpulvers bzw. des Cu(I)-saIfids ist es jedoch ratsam, die Mischung sobald wie möglich
zu verarbeiten, weil sich die Fließeigenschaften des Produktes bei einer Lagerung allmählich verschlechtem.
Die Reibwerte des Materials mit der im Beispiel 1 angegebenen Zusammensetzung wurden in einer
Scheibcnbiemscnvorrichtung an einem Schwerkraft-
Dynamometer geprüft, und zwar wurde ein Automobil-Schcibenbremsentaster
und eine Gußeiscn-Bremsscheibc mit einem Durchmesser von 25 cm und
einer Stärke von 1,3 cm verwendet. Zwei Reibknöpfe aus dem zu untersuchenden Material wurden in dem
Taster aneinander gegenüberliegenden Seiten der Bremsscheibe eingesetzt. Die Versuche wurden so
durchgeführt, daß sie den normalen Gebrauch von Automobilbremsen nachahmten, wobei folgende Bedingungen
angewandt wurden:
Versuch A
Es wurden 300 Bremsvorgänge durchgeführt, wobei der Verlust an kinetischer Energie bei jedem
Bremsvorgang 34,44 · 102mkg betrug. Der zeitliche
Zwischenraum zwischen den einzelnen Bremsvorgängen betrug 60 Sekunden. In wechselnden Gruppen
von jeweils 25 Bremsvorgängen betrug die Bremskraft jeweils 25,2 bzw. 50,4 mkg. Die Stoppzeiten
für diese Bremskräfte lagen bei 2,8 bzw. 1,4 Sekunden. Die Bremsscheibentemperatur lag zu
Beginn jedes Bremsvorganges bei 12O0C.
Versuch B
Es wurden 200 Bremsvorgänge durchgeführt, wobei der Verlust an kinetischer Energie bei jedem
Bremsvorgang bei 59,22 · 102mkg lag. Der Zeitraum
zwischen zwei Brems vorgängen betrug 40 Sekunden. Die Bremskraft betrug in wechselnden Gruppen
von jeweils 25 Bremsvorgängen jeweils 25,2 bzw. 50,4 mkg, wobei die Stoppzeiten für die Bremskraft
bei 2,0 bzw. 4,0 Sekunden lag. Die Bremsscheibentemperatur lag zu Beginn jedes Bremsvorganges bei
'2100C. ·■...,;·..
Bei einer kompletten Versuchsreihe wurde der Versuch A dreimal und der Versuch B anschließend
zweimal durchgeführt; Nach jedem Versuch A und nach jedem Versuch B wurde die Stärke der Versuchsknöpfe gemessen.
Der Reibungskoeffizient des Materials lag bei jedem Versuch A bei 0,40; der mittlere Abrieb der
Knöpfe nach jedem Versuch A Jag bei 8,3, 15,0 bzw. 6,7·10~3αη. Bei den Versuchen B lag der Reibungskoeffizient
ebenfalls bei 0,40; der mittlere Abrieb lag hier bei 13,0 bzw. 7,5 · 10~3 cm.
Testknöpfe, die aus einer Reibmasse mit üblichen Harz-Bindemitteln hergestellt worden waren, wurden
in derselben Weise untersucht. Während der Versuche A lag der Reibungskoeffizient bei 0,32; der
mittlere Abrieb bei jedem Versuch betrug 16,5, 14,3 und 10,5 · 10~3 cm. Bei den Versuchen B betrug der
Reibungskoeffizient 0,38; der Abrieb lag nach jedem Versuch bei 50,0 bzw, 44,5 · 10~3 cm. ■
Claims (5)
1. Verfahren zur Herstellung von aus anorganischen Fasern, vorzugsweise Asbestfasern, und
einem Bindemittel bestehenden Reibkörpern, d adurch gekennzeichnet, daß eine Asbestfasern,
Kupfer oder Kupferverbindungen und Schwefel enthaltende Mischung verformt und unter geeigneten Preßdrücken und für die Bildung
von Kupfersulfid ausreichenden Temperaturen unter Vermeidung jeglicher Sinterung ausgehärtet
wird, so daß ein Reibkörper erhalten wird, in dem das Bindemittel vollständig oder
nahezu vollständig aus Kupfersulfid besteht, wobei das gesamte in dem Bindemittel enthaltene
Kupfersulfid in situ gebildet worden ist. '
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mischung aus Asbestfasern,
Kupferpulver und Schwefel verformt und bei einem Preßdruck von 315 bis 3150 at und bei
einer Temperatur im Bereich von 80 bis 220° C
ausgehärtet wird.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewichtsverhältnis von Kupfer zu Schwefel in der zu verformenden Mischung der Bestandteile zwischen
1:1 und 3 :1 liegt.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß in dem fertigen Reibkörper das als Bindemittel wirkende Kupfersulfid,
berechnet als Cu(II)-sulfid, 10 bis 50 Volumprozent ausmacht.
.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Mischung
der Bestandteile auch überschüssiges Metallpulver, ein Füllmaterial, ein Antioxydans und/
oder ein Reibmodifikator enthalten sind.
Family
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