DE3789761T2

DE3789761T2 - Reibungsmaterialien und Herstellung derselben.

Info

Publication number: DE3789761T2
Application number: DE3789761T
Authority: DE
Inventors: Bruno Grele; Euan Parker
Original assignee: Nuturn Corp
Current assignee: Ferodo America Inc
Priority date: 1986-12-19
Filing date: 1987-12-17
Publication date: 1994-08-11
Anticipated expiration: 2007-12-18
Also published as: EP0271965B1; JPS63254240A; DE3789761D1; US4775705A; EP0271965A3; EP0271965A2; MX166539B; CA1282566C

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Reibungsmaterialien und deren Herstellung und betrifft insbesondere ein Verfahren zum Herstellen vom Bremsklötzen.
Bremsklötze werden gewöhnlich hergestellt durch ein oder zwei wohlbekannte Verfahren. In dem ersten Verfahren, das als Preßformen bekannt ist, wird ein ungehärteter Klotz bez. Kissen, das ein Bindemittel, Verstärkungsfasern, Füllstoffe und Reibungsmodifikatoren enthält, mit im wesentlichen fertiggestellter Dichte unter Verwendung der Wirkung des Drucks in einer geeignet geformten Preßform hergestellt. Das Bindemittel, normalerweise ein aushärtbares Kunstharz oder ein vulkanisierbares Elastomer oder Mischungen davon, fließt unter dem hohen Druck in der Preßform unter Kontakttierung der Verstärkungsfasern und Teilchen des Füllmittels oder Reibungsmodifikators, wird jedoch im wesentlichen in der Preßform nicht gehärtet. Die Aushärtung bzw. Vulkanisierung des Bindemittels wird erreicht durch nachfolgende Trocknung in einem Ofen. In dem zweiten Verfahren, das als Preßhärtung bekannt ist, wird eine Mischung aus Fasern, Bindemitteln, Füllstoffen und Reibungsmodifikatoren in einen Formhohlraum in einer Preßform geladen und sodann unter Wärme und ausreichendem Druck geformt, um das Bindemittel im wesentlichen auszuhärten. Die Mischung kann als lose teilchenförmige Mischung in die Preßform geladen werden oder die Mischung kann unter Druck nur in die Form eines Vorformling zunächst geformt werden. Die Klötze in diesem Fall werden gewöhnlich erhitzt bzw. getrocknet bei Temperaturen von 150º C bis 250º C, um die Aushärtung des Bindemittels zu beenden und auch die Reibungseigenschaften zu verbessern.
Es sind verschiedene Vorschläge gemacht worden, um Asbestfasern in Reibungsmaterialien durch andere Fasern zu ersetzen, z. B. Zellulose, Glas, Mineralwolle (z. B. Basalt oder Mineralwolle), Aluminosilikat, Polyacrylnitril, Polyamide, aromatische Polyamide und Kohlenstoffasern, wobei die britischen Patente Nr. 1604827, 1604828 und 1604839 Beispiele dieser Vorschläge beeinhalten. Wir haben gefunden, daß herkömmlich hergestellte Bremsklötze unter Verwendung von Nichtasbest-Fasern schwierig herzustellen sind mit irgendetwas anderem als geringen Volumina von Fasern, z. B. bis etwa 20 Volumenprozent. Man nimmt an, daß sie Dichten erreichen, die nahe der theoretischen Dichten der verwendeten Mischung von Materialien sind. Die Ergebnisse sind undurchlässige Strukturen mit sehr kleinen Leervolumina. Solche Nichtasbest-Bremsklötze sind hart und dicht und besitzen oft gute Eigenschaften, können jedoch einen geringen Bruchwiderstand bei hohen Temperaturen haben.
Die EP 0 154 488 offenbart die Herstellung von Kupplungsbelägen mit hohem Leerstellengehalt und mit stegbildenden Fasern. Die in diesem Patent offenbarten stegbildenden Fasern werden jedoch mit größeren Mengen von anderen Fasern verwendet, z. B. Mineralwolle- Fasern und das Verfahren zur Herstellung der Kupplungsbeläge, das in dieser Anmeldung beschrieben ist, ist nicht geeignet für Bremsklötze mit hohen Volumina von stegbildenden Fasern, z. B. Aramid- oder Polyacrylnitril-Zellstoffen.
Wir haben gefunden, daß Nichtasbest-Bremsklötze hergestellt werden können mit höheren Faser-Volumina mit allen damit verbundenen Vorteilen, und daß die Strukturfestigkeit und Schwundeigenschaften der Bremsklötze dadurch erheblich verbessert werden können.
Somit liefert die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Nichtasbest-Bremsklotzes, gemacht aus Verstärkungsfasern, eingebettet in einer Matrix von Bindematerial und optional mit anderen Fasern, Füllstoffen und Reibungs- und Verschleißmodifikatoren, wobei die verstärkende Faser eine temperaturbeständige stegbildende bzw. gewebebildende Faser aufweist, die aus einem Zellstoff einer organischen Faser gewonnen bzw. abgeleitet ist, die von 22 Volumenprozent bis 40 Volumenprozent der gesamten Feststoffe in dem Klotz bildet, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch die Schritte:
1. Zuführen einer wäßrigen Aufschlämmung von aushärtbarem Bindematerial und temperaturbeständigen stegbildenden bzw. gewebebildenden Verstärkungsfasern und optional anderer Fasern, Füllstoffe und Reibungs- und Verschleißmodifikatoren in eine Form, wobei die Form wenigstens eine Wand aufweist, durch die Wasser entfernt werden kann,
2. Komprimieren der Aufschlämmung in der Form und Abführen von Wasser aus ihr, um einen nassen Vorformling des Bremsklotzes zu bilden,
3. Trocknen des Vorformlings,
4. Behandeln des trockenen Vorformlings mit Hitze und Druck in einer Preßform, um den Vorformling im wesentlichen auf die fertiggestellte Dichte des Bremsklotzes zu verdichten bzw. zu verfestigen, ohne das Bindemittel vollständig auszuhärten, und
5. Trocknen bzw. Erhitzen des verdichteten Klotzes, um das Bindemittel vollständig auszuhärten, um einen Bremsklotz mit einer tatsächlichen Dichte im Bereich von 75 bis 88% der theoretischen Dichte herzustellen.
Die Nichtasbest-Bremsklötze, die erfindungsgemäß hergestellt wurden, enthalten Verstärkungsfasern, die anorganisch oder organisch oder Gemische von Fasern sein können, in denen beide Typen vorliegen. Typischerweise können die Bremsklötze Fasern sein von Glas, Mineralwolle, Aluminosilikat, Metallen, z. B. Stahl, Zellulose, Polyamide, insbesondere aromatische Polyamide, z. B. diejenigen, die von DuPont erhältlich sind unter dem Handelsnamen KEVLAR, Polyacrylnitril, Polyvinylalkohol usw. Wenigstens einige der verwendeten Fasern müssen stegbildende bzw. gewebebildende Fasern sein, um zu erreichen, daß die Fasern ein Gewebe in der Form während des Vorformschritts bilden, um dadurch die anderen Bestandteile des Klotzes in der Form einzusperren, wenn das Wasser in der Aufschlämmung entfernt wird.
Bevorzugte gewebebildende Fasern sind Zellstoffe von temperaturbeständigen organischen Fasern, z. B. Zellulose, Polyacrylnitril und Polyamide. Insbesondere bevorzugt sind aromatische Polyamid- Zellstoffe aufgrund ihrer hohen Temperaturbeständigkeit. Mischungen von gewebebildenden organischen Fasern, z. B. aromatischen Polyamid-Zellstoffen mit Zellulose-Zellstoff können verwendet werden.
Die Gesamtmenge der Fasern in den Bremsklötzen liegt bevorzugt im Bereich von 22 bis 60 Volumenprozent der gesamten Feststoffe.
Das vorausgehend erwähnte Bindematerial beruht bevorzugt auf Bindepolymeren, die zur Verwendung in Bremsklötzen üblich sind. Diese Bindemittel sind im Stand der Technik wohl bekannt und weisen Kunstharze auf, die auf Phenol und Formaldehyd und darauf bezogenen Kunstharzen beruhen, sowie Gummi, z. B. Nitrilgummi, natürlichem Gummi und Styrol-Butadien-Gummi. Mischungen- von- Kunstharz und Gummi können verwendet werden, wobei die besondere Kombination der Polymere in Abhängigkeit von den gewünschten Herstellungsmerkmalen und Eigenschaften gewählt ist, die in den fertiggestellten Bremsklötzen erwünscht ist. Mengen der Bindepolymere von wenigstens 15 Volumenprozent bis etwa 40 Volumenprozent können in den Bremsklötzen verwendet werden, wobei diese Zahlen in Volumenprozent an den gesamten Feststoffen in dem fertiggestellten Produkt ausgedrückt sind und das Volumen der Leerräume bzw. Freiräume in dem Produkt ignorieren. Bevorzugt fällt die Menge der Kunstharzbindemittel in den Bereich von etwa 25 bis etwa 30 Volumenprozent der gesamten Feststoffe.
Reibungs- und Verschleißmodifikatoren und Füllstoffe von üblichen Typen können eingesetzt werden, wobei Beispiele solcher Materialien Ruß, Graphit, Talg, Baryt, polymerisierte Cashew Nußschale-Kunstharzteilchen, Metallpulver, z. B. Messing, Kupfer und Aluminium-Verbindungen, metallische Sulfide, metallische Oxide, Vermikulit sind. Wenn solche Modifikatoren vorliegen, werden sie im Bereich von etwa 15 Volumenprozent bis etwa 30 Volumenprozent der Gesamtfeststoffe eingebaut.
Bezüglich der fertiggestellten Bremsklötze wird die tatsächliche Dichte des Bremsklotzes normalerweise wenigstens etwa 12% weniger als die theoretische Dichte betragen. Wir haben gefunden, daß bei Verminderung der tatsächlichen Dichte eine Verbesserung im Hochtemperatur-Schwundwiderstand, jedoch eine Zunahme des Verschleißes sich einstellt. Die tatsächliche Dichte des Klotzes ist somit größer als etwa 75% des theoretischen Wertes. Ein Fachmann auf dem Gebiet der Herstellung von Reibprodukten wird keine Schwierigkeit haben, die geeignete Dichte bezüglich der verwendeten Formulierung, den eingesetzten Druck-Heizbedingungen und die beabsichtigte Verwendung des Produktes auszuwählen.
Es ist gefunden worden, daß Nichtasbest-Bremsklötze der- vorliegenden Erfindung unter Verwendung der oben aufgezeigten Zusammensetzungen beträchtliche Steigerungen des Schwundwiderstandes - erreichen können, im Vergleich mit Nichtasbest-Klötzen, die nach herkömmlichen Verfahren hergestellt sind. Wir haben ferner gefunden, daß die Bremsklötze der vorliegenden Erfindung mit höherem Leergehalt als üblich dazu neigen, weniger Geräusche als herkömmliche Klötze zu erzeugen. Die Bremsklötze sind geeignet als Scheibenbremsklötze in Automobilen und für Bremsen bei Schienenfahrzeugen.
Das Verfahren der Erfindung wird nachstehend in größerem Detail beschrieben beispielhaft unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen, in denen
Fig. 1 ein schematisches Diagramm ist, das das Verfahren erläutert, das zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Bremsklotzes verwendet wird.
Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht des fertiggestellten Bremsklotzes.
Eine Aufschlämmung in Wasser der Bestandteile der zu verwendenden Bremsklotz-Zusammensetzung wird in einem Mischer hergestellt. Eine gemessene Menge der Aufschlämmung 1 wird in eine Form 2 eingeführt, wie in Fig. 1 gezeigt. Die Form 3 hat eine Wand 3, die für Wasser durchlässig ist, unter der sich ein Hohlraum 4 mit einem Auslaß 5 befindet, durch den Wasser abgezogen werden kann.
Wenn die Aufschlämmung 1 in die Form 2 geladen wurde, wird die Form durch einen Stößel 6 verschlossen, auf den sodann Druck aufgebracht wird. Bevorzugt wird auch ein Saugdruck auf den Auslaß 5 aufgebracht, um die Wasserentfernung zu unterstützen. Der bei dieser Stufe des Verfahrens aufgebrachte Druck braucht nicht groß zu sein, da das Ziel darin besteht, einen handhabbaren Vorformling zu erzeugen. Der bevorzugte Druck liegt im Bereich von 30 bis 100 psi.
Der erzeugte Vorformling 7 ist noch relativ naß und muß getrocknet werden, z. B. in warmer Luft bei einer Temperatur von etwa 150º F in einem Ofen D.
Wenn der Vorformling trocken ist, kann er in eine Preßform bzw. Form B eingesetzt werden, die sodann unter Wärme und Druck durch einen Stempel bzw. eine Stanze 9 geschlossen wird, um den Klotz auf seine endgültige Dichte zu verfestigen bzw. zu verdichten und im wesentlichen das Bindemittel auszuhärten, was einen stabil geformten Klotz 10 erzeugt. Die in dieser Phase eingesetzte Temperatur und Druck sind viel höher, typischerweise etwa 300º F und einige Tonnen pro Quadratinch (tpsi).
Schließlich wird der Klotz in einem Luftofen für einige Stunden getrocknet, um das Bindemittel vollständig auszuhärten, sodann abgeschliffen und durchbohrt, um das in Fig. 2 gezeigte fertiggestellte Produkt 11 zu erzeugen.
Das vorstehend beschriebene Verfahren erzeugt einen Bremsklotz, der an einer Trägerplatte angenietet bzw. angeheftet werden soll. Wenn es gewünscht ist, einen Bremsklotz zu erzeugen, der auf einer Rückplatte geformt ist, kann dies einfach erreicht werden durch Zusammensetzen eines trockenen Vorformlings mit einer geeigneten Rückplatte in der Preßform 8. In diesem Fall wird die Preßform 8 modifiziert, um eine Rückplatte aufzunehmen.
Die Erfindung wird ferner erläutert durch detaillierte Ausführungsbeispiele.

Beispiele 1 und 2

Nichtasbest-Bremsklötze wurden hergestellt durch zwei verschiedene Verfahren zum Vergleich gegenüber einer Zusammensetzung, die wie folgt beschaffen ist:
Teile pro Volumen
Phenolharz 27
Aromatischer Polyamid-Zellstoff Faser (KEVLAR)
Faserlänge 6 mm 34
Keramische Faser 16
Reibungs- und Verschleißmodifikatoren 23
Die theoretische Dichte dieses Gemisches betrug 1,84 gms/cc.
In dem ersten Fall (Beispiel 1) wurden die Bremsklötze gemacht durch ein herkömmliches Preßaushärtverfahren. Die Bestandteile wurden in Abwesenheit von Lösungsmitteln oder Wasser zusammengemischt, und wurden trocken in eine Vorformling-Form geladen. Ein trockner Vorformling wurde hergestellt unter einem Druck von etwa 800 psi, der Vorformling wurde in eine Druckaushärt-Form geladen, bei einem Druck von etwa 3 Tonnen pro Quadratinch und einer Temperatur von etwa 300º F verpreßt, um einen Bremsklotz mit einer tatsächlichen Dichte von 1,49 gms/cc zu bilden, bei dem das Bindemittel im wesentlichen ausgehärtet war. Die so hergestellten Klotz wurden in einem Ofen für 4 Stunden bei 400º F getrocknet und abgeschliffen und gebohrt.
In dem zweiten Fall (Beispiel 2) wurden die Bremsklötze gemäß dem Verfahren der Erfindung hergestellt. Die Bestandteile wurden in Wasser gemischt, um eine wäßrige Lösung mit einem Feststoffgehalt von etwa 10 Gew.% zu bilden. Die Aufschlämmung wurde in eine Form mit einer wasserdurchlässigen Wand beschickt und das Wasser wurde unter einem Druck von etwa 40 psi entfernt, um einen nassen Vorformling herzustellen.
Der Vorformling wurde getrocknet in Luft bei einer Temperatur von etwa 150º C und sodann in eine Form geladen, wo er in einen Bremsklotz geformt wurde unter denselben Bedingungen, die in Beispiel 1 verwendet, und getrocknet und fertiggestellt, wie zuvor. Die tatsächliche Dichte des fertiggestellten Klotzes betrug 1,49 gms/cc wie in Beispiel 1.
Die in Beispielen 1 und 2 hergestellten Bremsklötze waren von einer Konfiguration, die geeignet ist für die Hinterbremsen eines 1986er Ford Thunderbird unter Einbau einer Parkbremse, wodurch ein Test für statische Reibung wichtig ist. Die Klötze wurden auch auf Schwund und Wiedergewinnung bzw. Erholung getestet. Diese Tests wurden ausgeführt unter Verwendung eines Trägheits-Dynamometers mit geeigneten Haltern und Befestigungen. Das Trägheits-Dynamometer wurde gewählt, um die dynamischen Bremsanforderungen des Fahrzeugs zu simulieren. Die Schwundstops wurden von 60 mph bis zum Restzielwert für eine Verzögerung von 15 Fuß pro Sekunde pro Sekunde vorgenommen. Darauffolgende Stops mit einem 60 Sekundenintervall gewährleisten, daß sich die Bremsklötze auf Temperaturen aufheizen, bei denen ein Schwund zu erwarten ist. Die Wiedergewinnungs-Stops wurden von 30 mph bis zum Restzielwert vorgenommen für eine Verzögerung von 11 Fuß pro Sekunde pro Sekunde. Die darauffolgenden Stops mit einem 75 Sekundenintervall gewährleisten, daß sich die Bremsklötze abkühlen auf normale Betriebstemperaturen. Die Verzögerung für die Durchschnittsklotz -Temperatur und den Reibungskoeffizienten wurden aufgezeichnet für jeden Stop und die Ergebnisse dieser Tests, die Schwund- und Wiedergewinnungstests wurden ausgeführt in schneller Abfolge in einer kompletten Serie für jeden Klotz, wie in Tabellen I bis V gezeigt.
Aus den tabellierten Ergebnissen ist zu ersehen, daß die erfindungsgemäß hergestellten Klötze die nach einem herkömmlichen Verfahren hergestellten Klötze konsistent übertrafen. Der Grund dafür ist noch nicht klar, jedoch wurde er wiederholt über eine Gruppe von Tests beobachtet.
Ferner gibt das Verfahren, das zum Herstellen der erfindungsgemäßen Klötze eingesetzt wird, zu weniger Umweltproblemen mit Staub während des ursprünglichen Mischens und während der Vorformstufen des Verfahrens Anlaß, wobei eine trockene Mischung der Zusammensetzung, die in diesen Beispielen verwendet wird, insbesondere schwierig zu handhaben ist. Tabelle I Statische Reibungsmessung Bremsendruck Reibung MU Beispiel (vorwärts) (rückwärts) Tabelle II Erster Schwund-Test Stop-Zahl Klotz-Temperatur Beis. Verzögerung Fuß/Sek. MU Tabelle III Erster Wiedergewinnungstest Stop-Zahl Klotz-Temperatur Beis. Verzögerung Fuß/Sek. MU Tabelle IV Zweiter Schwund-Test Stop-Zahl Klotz-Temperatur Beis. Verzögerung Fuß/Sek. MU Tabelle V Zweiter Wiedergewinnungs-Test Stop-Zahl Klotz-Temperatur Beis. Verzögerung Fuß/Sek. MU

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines Nichtasbest-Bremsklotzes, der aus Verstärkungsfasern gemacht ist, die in einer Matrix eines Bindematerials eingebettet sind, und optional andere Fasern sowie Reib- und Verschleißmodifikatoren aufweist, wobei die Verstärkungsfaser eine temperaturbeständige stegbildende Faser aufweist, die aus einem Zellstoff einer organischen Faser gewonnen wird, die von 22 bis 40 Volumenprozent der Gesamtfeststoffe in dem Klotz bildet, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

1. Zuführen einer wäßrigen Aufschlämmung von aushärtbaren Bindematerialien und temperaturbeständigen stegbildenden bzw. gewebebildenden Verstärkungsfasern und optional anderen Fasern, Füllstoffen und Reibungs- und Verschleißmodifikatoren, wobei die Form wenigstens eine Wand aufweist, durch die Wasser entfernt werden kann,

2. Verdichten bzw. Komprimieren der Aufschlämmung in der Form und Entfernen von Wasser aus ihr, um einen nassen Vorformling des Bremsklotzes zu bilden,

3. Trocknen des Vorformlings,

4. Behandeln des trockenen Vorformlings mit Wärme und Druck in einer Form, um den Vorformling im wesentlichen auf die fertiggestellte Dichte des Bremsklotzes zu verfestigen bzw. zu verdichten, ohne die Aushärtung des Bindemittels zu beenden, und

5. Trocknen des verfestigten Klotzes, um das Bindemittel vollständig auszuhärten, um einen Bremsklotz mit einer tatsächlichen Dichte im Bereich von 75 bis 88% der theoretischen Dichte zu bilden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der in der Form in Schritt 2 aufgebrachte Druck im Bereich von 30 bis 100 psi liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Vakuum hinter einer Formwand aufgebracht wird, die für Wasser durchlässig ist, um das Herausziehen von Wasser aus der Form durch die Formwand zu unterstützen.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei in Schritt 4 das Bindemittel wesentlich aber nicht vollständig ausgehärtet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei in Schritt 4 der Vorformling mit einer Rückplatte derart zusammengesetzt wird, daß der Klotz auf der Rückplatte unter Verwendung der aufgebrachten Wärme und des Drucks geformt wird.