DE3622437A1 - Reibelement aus einem kohlenstoff-kohlenstoff-verbundmaterial - Google Patents
Reibelement aus einem kohlenstoff-kohlenstoff-verbundmaterialInfo
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Description
Gegenstand der Erfindung ist ein Reibelement aus einem
gegebenenfalls Füllstoffe enthaltenden Kohlenstoff-
Kohlenstoff-Verbundmaterial zur Verwendung in Fahrzeugbremsen
oder -kupplungen, insbesondere für Kraftfahrzeuge.
Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundmaterialien bestehen bekanntermaßen
aus einem Kohlenstoff-Gerüst, dessen Poren
weitgehend durch Kohlenstoff ausgefüllt werden. Als Gerüstmaterialien
kommen Kohlenstoffasern oder Kohlenstoffpartikel
(z. B. Körner, Granulat, Stäbchen usw.) in Frage.
Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundmaterialien mit einem Kohlenstoffasergerüst
besitzen eine höhere Festigkeit als solche,
die ein Kohlenstoffpartikelgerüst besitzen; die Fasern
sind jedoch auch erheblich teurer. Verwendet man ein Gerüst,
das sowohl Fasern als auch Partikel enthält, kann man durch
Variation der Mengenanteile der Gerüstbildern das Reibverhalten
sowie bei noch vertretbaren Festigkeiten den Preis
des Verbundmaterials beeinflussen.
Reibelemente wie Bremsscheiben oder Bremsbeläge aus Kohlenstoffaser-
Kohlenstoff-Verbundmaterial finden hauptsächlich
in hochbelasteten Bremsen z. B. bei Flugzeugen, Panzern und
anderen schweren Fahrzeugen Verwendung. Im Zuge des Ersatzes
von Asbestbremsbelägen durch andere Beläge finden Kohlenstoff-
Kohlenstoff-Verbundmaterialien, insbesondere auch
solche mit einem Kohlenstoffasergerüst, auch zunehmend Interesse
für schnelle und schwere Straßenfahrzeuge.
Insbesondere für diesen Verwendungszweck sind aufgrund des
unterschiedlichen Anforderungsprofils Verbesserungen des
Oxydationsverhaltens, des Reibverhaltens sowie die Verbesserung
des Verhältnisses zwischen Reibwert und Verschleiß
erforderlich.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein entsprechend
verbessertes Reibelement zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch das in den Patentansprüchen beschriebene
Reibelement gelöst.
Es konnte gefunden werden, daß sich ein Reibelement aus
einem gegebenenfalls Füllstoffe enthaltenden Kohlenstoff-
Kohlenstoff-Verbundmaterial erheblich verbessern läßt,
wenn es insgesamt bis zu 30 Gew.-% eines oder mehrerer Nitride
der Elemente der Gruppe IVb des Periodensystems
(Titan, Zirkonium, Hafnium) enthält. Besonders geeignet
sind Reibelemente, die 0,5 bis 20 Gew.-% eines oder mehrerer
Nitride dieser Elemente enthalten.
Für die Herstellung von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundkörpern
an sich sind eine Reihe von Verfahren bekannt. Bei
Kohlenstoffaser-Kohlenstoff-Verbundkörpern geht man z. B.
von einem Grundmaterial aus, das Kohlenstoff-Fäden oder
Fäden aus solchgen Materialien enthält, die durch Pyrolyse
in Kohlenstoff-Fäden überführt werden können, z. B. Celluloseseide,
Polyacrylnitrilfasern und bestimmte Pech- oder
Teerprodukte. Diese in Kohlenstoffasern überführbaren Vorläufermaterialien
können als solche eingesetzt werden, da
sie in späteren Verfahrensschritten zusammen mit dem
Bildner der Kohlenstoffmatrix in Kohlenstoffasern überführt
werden, bevorzugt wird jedoch, diese Vorläufermaterialien
vor der Bildung des eigentlichen Matrixkörpers
in Kohlenstoffasern zu überführen, da die Pyrolysebedingungen
so besser individuell auf die Vorläufermaterialien
abgestimmt werden können. Ganz allgemein wird ohnehin die
Verwendung von fertigen Kohlenstoffasern bevorzugt. Die
Kohlenstoffasern oder das Gewebe von Kohlenstoffasern wird
dann mit einem Kohlenwasserstoffharz oder mit Teer getränkt,
das Kohlenwasserstoffharz wird gegebenenfalls gehärtet, und
anschließend wird das Reibmaterial vorsichtig und langsam
auf eine Temperatur von etwa 1000°C erwärmt. Die Imprägnierung
wandelt sich dabei in Kohlenstoff um, und es entsteht
ein poröses Matrixmaterial. Die Imprägnierung und anschließende
Karbonisierung wird dann noch mehrere Male wiederholt,
bis die gewünschte Dichte des Matrixmaterials erreicht ist.
Durch eine abschließende thermische Behandlung bei hohen
Temperaturen wird dann das Material fertiggestellt. Obwohl
für diesen Behandlungsschritt Temperaturen bis zu 2600°C
bekannt sind, wird bevorzugt, die Behandlung bei einer Temperatur
von etwa 1600°C (maximal etwa 1800°C) vorzunehmen,
um den Graphitgehaltz in dem Reibelement niedrig zu halten.
Ein weiterer Weg zur Herstellung dieser Matrixkörper besteht
darin, die Lücken des Faserrohlings durch nach der
CVD-Technik niedergeschlagenen Kohlenstoff zu füllen.
Einzelheiten zur Herstellung von Kohlenstoffaser-Kohlenstoff-
Verbundkörpern können z. B. der DE-OS 25 01 870,
DE-OS 25 12 986 oder DE-OS 26 53 665 entnommen werden.
Nach der abschließenden thermischen Behandlung kann noch
eine Imprägnierung mit einem Kohlenwasserstoffharz erfolgen,
da bekannt ist, daß dadurch mitunter ein verbessertes
Reibverhalten erzielt werden kann.
Es ist ferner bekannt, dem Reibelement Verstärkungsmaterialien
oder Antioxydationsmittel wie Bor, Wolfram,
Silicium, Zirkonium, Titan oder deren Karbide zuzusetzen
(DE-OS 25 01 870). Diese Zusätze erniedrigen den Verschleiß
sowie den Reibwert des Reibkörpers, wobei sich jedoch
der Verschleiß weniger stark erniedrigt als der Reibwert,
was für technische Anwendungen ein unbefriedigendes
Ergebnis darstellt. Bei Zugabe von Hartstoffen wie Karbiden
sinkt zwar der Verschleiß des Reibkörpers sehr stark, jedoch
steigt dafür der Verschleiß der aus Graugruß bestehenden
Bremsscheibe unzumutbar hoch an.
Nur die mit den erfindungsgemäßen Nitriden versetzten Reibkörper
zeigen ein befriedigendes Verhalten, nämlich eine
starke Erniedrigung des Verschleißes bei Erhöhung oder tolerierbarer
Erniedrigung des Reibwertes. Die erfindungsgemäßen
Nitride können dem zur Matrixbildung eingesetzten
Kohlenwasserstoffharz oder dem Teer als Pulver in einer
Menge von bis zu 30 Gew.-% zugesetzt werden, wobei ein Gehalt
von 0,5 bis 20 Gew.-% bevorzugt wird. Um eine gute Verteilung
des Pulvers in dem Matrixkörper zu erreichen, sollte
das Pulver eine Korngröße von bis zu 200 µm, insbesondere
1 bis 10 µm, besitzen. Die besten Wirkungen erzielt man bei
der Verwendung von Titannitrid, welches vorzugsweise in
einer Menge von 0,5 bis 12 Gew.-% in dem Matrixkörper vorhanden
ist. Bei der Verwendung von Titannitridgehalten von
6% und darunter wird die Makrostruktur des Kohlenstoff-
Kohlenstoff-Verbundkörpers nicht mehr gestört, und es ergibt
sich dadurch ein besonders geringer Verschleiß des
Verbundkörpers, insbesondere, wenn das Titannitrid in einer
Korngröße von 1 bis 10 µm vorliegt.
Ganz besonders günstige Ergebnisse lassen sich erzielen,
wenn das Titannitrid dem Reibkörper nicht in Form von Pulver
zugegeben ist, sondern wenn es sich als Überzug auf dem
Kohlenstoffpartikel- bzw. -faseranteil des Verbundmaterials
befindet. Dieser Überzug kann beispielsweise erzeugt werden
durch Niederschlag von Titannitrid aus der Gasphase nach
dem bekannten CVD-Verfahren auf die Kohlenstoffasern oder
-partikel vor der Herstellung des Verbundmaterials. Dabei
kann der Überzug sehr dünn sein und vorzugsweise 50 bis
250 nm betragen. Obwohl in diesem Fall die Gehalte an Titannitrid
in dem fertigen Verbundkörper besonders niedrig
sind und unter 2% liegen, wird dennoch ein ganz besonders
günstiges Verhältnis zwischen Reibwert und Verschleiß erzielt.
Zur Verringerung der Oxidationsneigung können dem Reibkörper
noch an sich bekannte Antioxidationsmittel zugesetzt
sein, z. B. Bortrioxid, Siliciumdioxid oder Zinkpyrophosphat,
wobei letzteres langzeitig die besten Wirkungen
zeigt. Einen Einfluß auf das verhalten des Reibkörpers
hat bei Verwendung von Fasern auch deren Orientierung
in dem Reibkörper. Die geringsten Reibwerte liegen
dann vor, wenn die Fasern senkrecht oder parallel zur Bremsscheibe
verlaufen. Zur Erzielung eines hohen Reibwertes ist
es günstig, wenn die Fasern des Reibkörpers etwa im Winkel
von 45° zur Bremsscheibe verlaufen.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile liegen vor
allem darin, daß bei erhöhten oder nur geringfügig absinkenden
Reibwerten der Verschleiß des Reibelementes
ganz erheblich gesenkt werden kann bzw. das Reibverhalten
(Geräusch, Korrosion) deutlich verbessert werden kann,
ohne daß ein übermäßiger Verschleiß an dem Reibpartner Graugruß
auftritt und daß der für kohlenstoffhaltige Bremsbeläge
spezifische Rubbeleffekt verringert wird, ohne daß
eine Abrasion der Bremsscheibe erfolgt, wie dies nachteilig
im Fall des rubbelverringernden Siliciumkarbids der Fall ist.
In den nachfolgenden Beispielen werden Reibelemente mit
einem erfindungsgemäßen Gehalt von Titannitrid hergestellt
und Reibwert und Verschleiß gegenüber identisch
hergestellten, aber titannitridfreien Reibelementen in Anlehnung
an die ATE-Norm N 54 327 gemessen. Das Prüfprogramm
gliedert sich in drei Abschnitte:
- a) Einlauf mit Kühlung mit je drei Zyklen von je 10 Messungen (Bremsungen von 15 Sek. und anschließende Pause von 5 Sek. Dauer). Während der gesamten Messung läuft eine Gebläsekühlung. Diese Zyklen dienen dazu, die Kontaktflächen einander anzupassen.
- b) Testlauf ohne Kühlung mit sechs Zyklen von je 10 Messungen und Zeitdauern analog wie bei a). Es wird nur nach jedem Zyklus auf 100°C herabgekühlt. Die aus diesen Zyklen erhaltenen Daten werden für die Auswertung des Reibwertes herangezogen.
- c) Testlauf mit Kühlung beschränkt sich auf einen Zyklus mit 10 Messungen und Zeitdauern analog wie bei a). Dieser Zyklus dient zum Vergleich mit dem letzten Einlaufzyklus; er wird ebenfalls ausgewertet.
Zur Verschleißbestimmung der Bremsbeläge wurde deren Dicke-
und Massendifferenz vor und nach der Reibprüfung bestimmt.
Mit Hilfe der Dichte der Proben wird daraus ein Verschleiß-
Mittelwert gebildet, der in Millimeter pro Testfahrt (100
Bremsungen) angegeben wird.
Der Kontroll-Reibwert (μ K ) wird aus den Bremsungen der
Zyklen 5, 6, 7, 8, 9 und 10 ermittelt, wobei die entsprechenden
Reibwerte nach jeweils 5 Sek. Bremsdauer zur Bildung des
Mittelwertes verwendet wurden. Der insbesondere für die
Kfz-spezifische Anwendung sehr wichtige Kaltreibwert m kalt
wird zu Beginn des 4. Bremszyklus bestimmt. Der Reibwert
μ errechnet sich nach der Gleichung m=M R /(2P h
A K r m ), wobei M R das Bremsmoment in Newtonmeter, P h den
hydraulischen Druck in Bar auf den Bremskolben, A K die
Bremskolbenquerschnittsfläche in Quaeratmetern und r m den
mittleren Reibradius in Metern bedeuten. Der Faktor 2 in
der Gleichung ist durch den Einsatz von zwei Bremsbelägen
begründet. Da der Anpreßdruck der Bremsbeläge an die Bremsscheibe
nach ATE-Norm in der Regel 110 Newton pro cm² betragen
soll, wird der hydraulische Druck P h entsprechend berechnet
und an einem Nadelventil eingestellt.
Aus mehreren Lagen eines Kohlenstoffendlosfasergewebes mit
Phenolharzimprägnierung wurde ein Laminat hergestellt, wobei
während der Herstellung des Laminats zwischen die einzelnen
Gewebeschichten Titannitridpulver mit einer Korngröße
von etwa 2 bis 4 µm gestreut wurde. Durch Pressen und
Härten bei 130°C bzw. 170°C für jeweils eine Stunde wurde
ein Polymerkörper hergestellt, der anschließend einer Karbonisierungsbehandlung
bis 1000°C unterzogen wurde.
Es folgen zur Verdichtung weitere 4 bzw. 6 Imprägnierungsschritte
mit Phenolharz/Methanollösung und anschließender
Rekarbonisierung bis 1000°C, wobei jeweils der letzte Rekarbonisierungsschritt
bei einer Temperatur bis 1600°C
stattfindet. In der nachfolgenden Tabelle sind die erhaltenen
Reib- und Verschleißwerte, die auf dem Reibwertprüfstand
ermittelt wurden, eingetragen. Am Beispiel mit 12% TiN
muß in Betracht gezogen werden, daß im allgemeinen bei Reibwerkstoffen
der Verschleiß stark mit zunehmendem Reibwert
ansteigt.
Nach dem in Beispiel 1 geschilderten Verfahren wurde ein Reibelement hergestellt, wobei jedoch
statt des Kohlenstoff-Endlosfasergewebes ein zweidimensionales Stapelfasergewebe benutzt wurde.
Die Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle enthalten.
Man sieht, daß bei nur geringfügig abfallendem Reibwert der Verschleiß auf die Hälfte des ursprünglichen
Wertes abgesunken ist.
Eine Kohlenstoff-Endlosfaser wurde mit einer 105 nm dicken Titannitridschicht nach dem
CVD-Verfahren beschichtet. Aus dieser so mit Titannitrid überzogenen Faser wude ohne
weiteren Zusatz von Titannitrid in Pulverform analog dem Beispiel 1 ein Reibelement hergestellt.
Das Ergebnis ist der nachfolgenden Tabelle entnehmbar.
Aus dem Beispiel ist klar ersichtlich, daß trotz eines nur ganz geringen Titannitridanteils
in dem Reibkörper der Verschleiß bei praktisch unverändert gebliebendem Reibwert
um fast zwei Zehnerpotenten abnimmt.
Claims (6)
1. Reibelement aus einem gegebenenfalls Füllstoffe enthaltenden
Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundmaterial,
gekennzeichnet durch
einen Gehalt von insgesamt bis zu 30 Gew.-% eines oder
mehrerer Nitride der Elemente der Gruppe IVb des Periodensystems.
2. Reibelement nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch
einen Gehalt von 0,5 bis 20 Gew.-% eines oder mehrerer Nitride
der Elemente der Gruppe IVb des Periodensystems.
3. Reibelement nach Anspruch 1 oder 2,
gekennzeichnet durch
einen Gehalt von 0,5 bis 12 Gew.-% Titannitrid.
4. Reibelement nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Titannitrid als Pulver mit einer Korngröße von
bis zu 200 µm, insbesondere 1 bis 10 µm, in dem Verbundmaterial
enthalten ist.
5. Reibelement nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Titannitrid als Überzug auf dem Kohlenstoff-Faseranteil
des Verbundmaterials enthalten ist.
6. Reibelement nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Stärke des Titannitrid-Überzugs auf den Fasern
bis zu 1000 nm beträgt.
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Cited By (9)
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