DE102006019457A1

DE102006019457A1 - Reibmaterial

Info

Publication number: DE102006019457A1
Application number: DE102006019457A
Authority: DE
Inventors: Osao Ogiwara; Satoshi Kusaka; Noboru Noguchi
Original assignee: Akebono Brake Industry Co Ltd
Current assignee: Akebono Brake Industry Co Ltd
Priority date: 2005-04-27
Filing date: 2006-04-26
Publication date: 2006-11-02
Also published as: JP2006306970A; US20070082974A1; CN1854237A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Reibmaterial mit einem gebrannten und carbonisierten organischen Material als Bindemittel desselben. Das Reibmaterial weist einen Grad der Druckverformung bei Raumtemperatur von 0,3 bis 2,5% auf unter einer Belastung (einem Druck) von 4 MPa und weist eine Druckverformung von 1,0 bis 4,5% unter einer Belastung (einem Druck) von 10 MPa auf. Das Druckverformungsverhältnis zwischen dem Grad der Druckverformung bei 300 DEG C und dem Grad der Druckverformung bei Raumtemperatur beträgt 1,0 bis 1,5 bei einer Belastung (einem Druck) von 1 bis 10 MPa. Die Brenn-Carbonisierungsstufe umfasst das Carbonisieren eines organischen Materials unter Vakuum, in einem reduzierenden Gas oder in einem inerten Gas bei einer Temperatur von 550 bis 1300 DEG C unter Einwirkenlassen einer Belastung (eines Druckes) darauf.

Description

Für die vorliegende Patentanmeldung wird die Priorität der japanischen Patentanmeldung Nr. P.2005-130046, eingereicht am 27. April 2005, beansprucht, auf deren gesamten Inhalt hier ausdrücklich Bezug genommen wird.
Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Reibmaterial bzw. einen Reibbelagwerkstoff für die Herstellung eines Bremsbelags, wie er in Automobilen, Schienenfahrzeugen, Flugzeugen, Industriemaschinen und dgl. verwendet wird.

Verwandter Stand der Technik

Vom Standpunkt der Energieeinsparung und der Wirksamkeit aus betrachtet ist es wünschenswert, dass Bremsen eine geringe Größe und ein geringes Gewicht haben und eine hohe Qualität besitzen. Außerdem ist es wünschenswert, dass ein Reibmaterial (ein Reibbelagwerkstoff) für einen Bremsbelag eine gute Wärmebeständigkeit aufweist, die hohen Temperatur- und hohen Belastungsbedingungen standhält.

Das Reibmaterial, das im Wesentlichen in Automobilen und Schienenfahrzeugen verwendet wird, wird hergestellt aus einem wärmehärtbaren Harz, z.B. in der Regel einem Phenolharz, das als Bindemittel dient. Da jedoch das Bindemittel ein organi sches Material ist, kann der Reibungsfaktor bei hoher Geschwindigkeit niedrig sein, es kann eine Verformung unter Druck als Folge einer thermischen Verformung beim Weichwerden des organischen Materials durch die beim Bremsen entstehende Wärme auftreten und der Reibungsfaktor kann abnehmen als Folge der thermischen Zersetzung des Materials (dieses Phänomen kann als „Fading" bezeichnet werden).

Mit der steigenden Nachfrage nach hochleistungsfähigen und energieeinsparender Hochgeschwindigkeits-Automobilen und -Schienenfahrzeugen in den letzten Jahren sind Bremsen mit einer geringeren Größe und einem geringeren Gewicht immer mehr erwünscht und der an das Reibmaterial anzulegende Druck (Belastung) nimmt mehr und mehr zu.

Um diese Probleme zu lösen, wurden bereits vorgeschlagen ein Gleitelement, hergestellt aus einer Sinterlegierung auf Kupferbasis, ohne Verwendung eines organischen Materials (vgl. JP-A-07-102335); ein Rotor und ein Reibmaterial, hergestellt aus einem C/C-Verbundwerkstoff (einem mit Kohlefasern verstärkten Carbon-Verbundwerkstoff) (vgl. JP-B2-2 805 263 und JP-A-07-332 414) und ein Rotor, hergestellt aus einem Keramik-Matrix-Verbundwerkstoff (CMC) (vgl. JP-A-04-347 020).

Eine Sinterlegierung auf Kupfer-Basis ist jedoch problematisch insofern, als ihre Wärmebeständigkeit begrenzt ist wegen des Schmelzpunkts des sie aufbauenden Metalls, obgleich sie sich nicht thermisch zersetzt; und ein C/C-Verbundwerkstoff ist ebenfalls problematisch insofern, als sein Reibungskoeffizient bei niedriger Geschwindigkeit und niedriger Temperatur niedrig ist und er durch Feuchtigkeit oder Wasser leicht beeinflusst wird, obgleich der Rotor und das Reibmaterial, das aus einem solchen C/C-Verbundwerkstoff hergestellt ist, ein geringes Gewicht aufweist und einen hohen Reibungsfaktor besitzt bei hoher Geschwindigkeit und gute Reibungseigenschaften aufweist, wie z.B. eine gute Beständigkeit gegen Hochtemperatur-Druckverformung und eine gute Beständigkeit gegen Fading.

Weitere Probleme bestehen darin, dass die Reibungseigenschaften des Verbundwerkstoffes an Gusseisen-Rotoren, wie sie üblicherweise beim üblichen Fahren auf der Straße verwendet werden, instabil sind und da außerdem seine Herstellung schwierig ist, sind seine Herstellungskosten hoch, d.h. sie betragen das Hundertfache derjenigen von üblichen Produkten.

Kurz zusammengefasst wird ein Verfahren zur Herstellung von C/C-Verbundwerkstoffen wie folgt durchgeführt: ein Polymermaterial wird auf Kohlenstofffasern aufgebracht, die als Verstärkungsmaterial dienen, und nach dem Formen wird es in einem Hochtemperatur-Carbonisierungsofen gebrannt und carbonisiert. Wenn jedoch der Verbundwerkstoff nur einmal gebrannt worden ist, weist er eine niedrige Dichte auf und hat nicht die gewünschte Festigkeit. Daher muss die Stufe des Aufbringens eines Polymermaterials und des Brennens vielfach wiederholt werden für die Carbonisierung, um dadurch die Dichte des Verbundwerkstoffes zu erhöhen.

Wenn er einmal gebrannt worden ist, weist der Verbundwerkstoff im Allgemeinen eine Dichte von etwa 1,5 g/cm³ auf und seine Dichte wird durch wiederholtes Aufbringen von Polymermaterial und Brennen desselben bis auf etwa 1,8 g/cm3 erhöht, und anschließend wird der Verbundwerkstoff bei einer Temperatur von 2000 °C oder höher graphitiert, um ein Reibmaterial zu erhalten. Das gesamte Verfahren dauert einige Wochen bis zu einigen Monaten und dies führt zu einer Steigerung der Kosten für das Reibmaterial, das aus dem Verbundwerkstoff hergestellt ist.

Ein weiterer Hauptfaktor dieser instabilen Reibungseigenschaften des Reibmaterials besteht darin, dass die Kontaktbedingungen beim Reiben instabil sein können. Um die Kontaktbedingungen eines organischen Reibmaterials zu verbessern, ist der Grad der Druckverformung desselben ein wichtiger Faktor, da sich das Reibmaterial als Folge des darauf angewendeten Druckes beim Bremsen verformt und dadurch seine Kontaktbedingungen stabilisiert werden. Das Problem, das bei dem organischen Reibmaterial in Bezug auf den Grad der Druckverformung desselben auftritt, besteht darin, dass das organische Material bei einer hohen Temperatur schmelzen oder sich zersetzen kann und dass der Grad der Hochtemperatur-Verformung desselben zu stark ansteigen kann und dass als Folge davon das organische Material negative Einflüsse, wie z.B. eine abnorme Reibung oder ein Verziehen, aufweisen kann. Aus diesen Gründen unterliegt daher das organische Reibmaterial in Bezug auf den Grad der Druckverformung desselben Beschränkungen. Andererseits ist das C/C-Verbundreibmaterial, das aus einem organischen Material allein hergestellt worden ist, frei von diesen Problemen und es kann signifikante Vorteile aufweisen in Bezug auf die Temperaturbedingungen, es tritt jedoch das Problem auf, dass der Grad der Druckverformung desselben nicht signifikant kontrolliert werden kann bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der erforderlichen Reibungsbeständigkeit, wegen der es aufbauenden Komponente und wegen des Verfahrens zu seiner Herstellung.

Außerdem ist die Hauptursache dafür, dass der Verbundwerkstoff nicht in einer einzigen Brennstufe zu einem Produkt mit einer hohen Dichte verarbeitet werden kann, die, dass die Fasern und das als Verstärkungsmaterial verwendete gewebte Gewebe stabile Kohlenstofffasern sind, die beim Brennen keiner Strukturänderung unterliegen, das Bindemittel jedoch schrumpfen kann und sich sein Volumen auf etwa die Hälfte vermindern kann durch Carbonisierung des Polymermaterials, das es aufbaut (sein Carbonisierungsgrad beträgt etwa 50 %) und der geschrumpfte Teil als Poren in dem Verbundwerkstoff verbleiben kann.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen ein Reibmaterial (einen Reibbelagwerkstoff), das (der) frei von den Nachteilen der C/C-Verbundwerkstoffe ist, die einen niedrigen Reibungsfaktor bei niedriger Geschwindigkeit und niedriger Temperatur aufweisen und durch Feuchtigkeit und Wasser leicht beeinflusst werden, das (der) deshalb stabile Eigenschaften aufweisen kann selbst in Bezug auf die Reibung nicht nur an Rotoren aus C/C-Verbundwerkstoffen oder Verbundwerkstoffen auf Keramik-Basis, sondern auch gegenüber Gusseisen-Rotoren, die allgemein beim üblichen Fahren auf der Straße verwendet werden, und das (der) billig ist.

Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird ein Reibmaterial (ein Reibbelagwerkstoff) mit einem gebrannten carbonisierten orga nischen Material als Bindemittel dafür bereitgestellt. Das Reibmaterial (der Reibbelagwerkstoff) weist einen Grad der Druckverformung bei Raumtemperatur von 0,3 bis 2,5 % bei einem Druck (einer Belastung) von 4 MPa und von 1,0 bis 4,5 % bei einem Druck (einer Belastung) von 10 MPa auf.

Außerdem weist gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung das Reibmaterial ein Druckverformungsverhältnis zwischen dem Grad der Druckverformung bei 300 °C und dem Grad der Druckverformung bei Raumtemperatur auf, das innerhalb eines Bereiches von 1,0 bis 1,5 liegt bei einem Druck (einer Belastung) von 4 bis 10 MPa.

Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann ferner eine Brenncarbonisierung durchgeführt werden mit einer Stufe der Carbonisierung des organischen Materials in einer der folgenden Atmosphären: unter Vakuum, in einem reduzierenden Gas oder in einem inerten Gas, bei einer Temperatur von 550 bis 1300 °C unter Anwendung eines Druckes (einer Belastung).

Außerdem weist gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung das Reibmaterial einen Füllungsfaktor auf, der das Verhältnis zwischen der Dichte eines Formkörpers und der wahren Dichte des Formmaterials aus dem Reibmaterial anzeigt, der innerhalb eines Bereiches von 65 bis 85 % liegt.

Außerdem enthält das erfindungsgemäße Reibmaterial gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen 3 bis 30 Vol.-% eines organischen Materials, welches das Bindemittel darstellt während des Brennens-Carbonisierens desselben, 10 bis 40 Vol.-% eines anorganischen Füllstoffs, der als Reibungsmodifizierungsmittel dient, 15 bis 50 Vol.-% eines festen Schmiermittels und 5 bis 35 Vol.-% eines Metallmaterials.

Außerdem kann gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung das organische Material ein Polymermaterial umfassen, sodass seine Carbonisierungsausbeute bei der Carbonisierung durch Brennen mindestens 50 beträgt.

Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann das Polymermaterial einen oder mehrere Vertreter aus der Gruppe Pech, Mesophasen-Kohlenstoff, Phenolharz und Copna-Harz umfassen.

Außerdem kann gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung das feste Schmiermittel bzw. Gleitmittel umfassen einen oder mehrere unterschiedliche Typen von Körnchen oder Fasern aus einem kohlenstoffhaltigen Material (wie z.B. Ruß) und/oder einem graphitischen Material (wie z.B. natürlichem Graphit, künstlichem Graphit).

Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann das Metallmaterial außerdem umfassen einen oder mehrere unterschiedliche Typen von Körnchen oder Fasern aus Eisen, rostfreiem Stahl, Kupfer, Bronze, Messing, Aluminium und/oder Zinn.

Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird das Reibmaterial, das einen Füllungsfaktor von 65 bis 85 % aufweist, hergestellt durch Brennen und Carbonisieren unter einer darauf einwirkendem Belastung (Druck) von 5 kPa bis 3 MPa.

Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weist das erfindungsgemäße Reibmaterial mit einem kontrollierten Grad der Druckverformung einen höheren Reibungsfaktor bei hoher Geschwindigkeit auf als die Vergleichsmaterialien und es weist eine bessere Fading-Beständigkeit auf (Beständigkeit gegen Abnahme des Reibungsfaktors bei hoher Temperatur), es weist bessere Hochgeschwindigkeits-Verteilungs-Eigenschaften und G-Verteilungs-Eigenschaften auf und besitzt eine bessere Wärmebeständigkeit als ursprünglich angestrebt.

Außerdem kann der Grad der Druckverformung des erfindungsgemäßen Reibmaterials innerhalb eines breiteren Bereiches modifiziert werden und außerdem ist eine Änderung des Grades der Druckverformung desselben selbst bei hoher Temperatur gering und stabil. Deshalb kann der Grad der Druckverformung des erfindungsgemäßen Reibmaterials so optimiert werden, dass er geeignet ist für beliebige Reibungsbedingungen, die auf Bremsen für Automobile, Schienenfahrzeuge, Luftfahrzeuge, industrielle Vorrichtungen und dgl. einwirken können. Das Reibungsmaterial kann daher wirksam sein zur Verbesserung der Sicherheit der Bremsen, die es enthalten, und es ist zu erwarten, dass es gute Einflüsse ausübt auf die Gesamtplanung von Bremsen und anderen Systemen, die eine geringe Größe und ein geringes Gewicht aufweisen sollen.

Weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung und den beiliegenden Patentansprüchen hervor.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 zeigt ein Diagramm der Korrelation zwischen HRR und Druckverformung;

2 zeigt ein Diagramm der Korrelation zwischen HRS und HRR;

3 zeigt ein Diagramm der Korrelation zwischen der Druckverformung und HRS unter einer Belastung (Druck) von 8 MPa;

4 zeigt ein Diagramm der Korrelation zwischen dem "Füllungsfaktor" und dem Grad der Druckverformung bei Raumtemperatur in den Beispielen (1) bis (15);

5 zeigt ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Grad der Druckverformung und der Temperatur der Proben Nr. (1), (4), (8) und (13) und der Vergleichsprobe darstellt;

6 zeigt ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Grad der Druckverformung und der Temperatur der Proben Nr. (1), (4), (8) und (13) und der Vergleichsprobe zeigt;

7 stellt ein Diagramm dar, das die Beziehung zwischen dem Grad der Druckverformung und der Temperatur der Proben Nr. (1), (4), (8) und (13) und der Vergleichsprobe zeigt, die eine Änderung des Grades der Druckverformung bei Raumtemperatur und bei hoher Temperatur anzeigt;

8 stellt ein Diagramm dar, das den "Reibungsfaktor μ" und seine Abnahme (Fading = 1 – μ nach dem Fading/anfängliches μ) in den Beispielen (1) bis (15) und in dem Vergleichsbeispiel zeigt;

9 stellt ein Diagramm dar, das die Änderung des Reibungsfaktors in dem Fading-Test der Proben Nr. (4), (8) und (13) zeigt;

10 stellt ein Diagramm dar, das den Verschleiß (Abrieb) in den Beispielen und in dem Vergleichsbeispiel zeigt; und

11 stellt ein Diagramm dar, das den Verzögerungs-abhängigen Reibungsfaktor in einem Hochgeschwindigkeits-Lauftest zeigt.

Detaillierte Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen

Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben.

Bei einem Verfahren zur Herstellung von konventionellen C/C-Verbundwerkstoffen gibt es ein Problem in Bezug auf die Kontrolle (Steuerung) der Reibungeigenschaften und in Bezug auf den Grad der Druckverformung bei der Hybridisierung von Metall und anorganischem Material. Der Grund ist der, dass, da die Zusammensetzung wiederholt bei einer hohen Temperatur (2000 °C oder höher) gebrannt wird, das Metall und das organische Material schmelzen und herausfließen können und sich dadurch leicht zersetzen und sublimieren können und dass sie deshalb nicht hybridisiert werden können.

Um dieses Problem zu lösen, wurde bereits ein Verfahren untersucht zur Carbonisierung und Hybridisierung bei niedriger Temperatur (siehe beispielsweise die Patent-Referenz 5 und die Patent-Referenz 6). In den Beispielen dieser Patent-Referenzen wird als Ersatzwert für den Grad der Druckverformung die Härte (unter Anwendung der Rockwell-Härteskala: HRS) gemessen. In diesen Beispielen wiesen die Materialien jedoch keinen zufriedenstellenden Grad der Druckverformung auf, um härter zu sein als die konventionellen Materialien.

Ein detaillierter Vergleich mit dem Stand der Technik ist in der 3 erläutert, welche die Beziehung zwischen der Härte (HRS) und der Druckverformung eines Reibmaterials zeigt, das gebrannten Kohlenstoff als Bindemittel dafür umfasst. Die Inklination (Eignung) eines konventionellen Reibmaterials, das als Bindemittel ein Phenolharz umfasst, ändert sich jedoch, da der Elastizitätsmodul desselben signifikant unterschiedlich ist.

Bei der Bestimmung der Rockwell-Härte unter Anwendung einer HRS-Skala liegt der nachweisbare Bereich bei 50 bis 115, innerhalb dessen das Material seine Genauigkeit aufrechterhalten kann; und ein weiches Material, dessen Härte geringer ist als der niedrigste nachweisbare Wert mit der HRS-Skala, muss mit einer HRR-Skala gemessen werden.

Daher wurde das Material gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gemessen unter Verwendung einer Präzisions-Rockwell-Härte HRR-Skala.

Auf der Basis der auf diese Weise gemessenen Daten wurde ein Korrelationsdiagramm zwischen der Härte und dem Grad der Druckverformung unter einer Belastung (Druck) von 8 MPa gezeichnet (vgl. 3). Danach wurde auf der Basis der Korrelation zwischen HRS und HRR (vgl. 2) ein Korrelationsdiagramm zwischen HRR und Druckverformung gezeichnet (vgl. 1).

In JP-B2-2 601 652 beträgt die HRS-Härte des konventionellen Materials 65 bis 70 und der Grad der Druckverformung eines generellen Reibmaterials mit einer Härte, die innerhalb des genannten Bereiches liegt, beträgt 20 bis 30 × 10^–2 mm; während andererseits die HRS-Härte des erfindungsgemäßen Materials 75 bis 83 beträgt und der Grad der Druckverformung desselben höchstens 8 × 10^–2 mm beträgt, wie in 1 dargestellt, und gering ist.

Außerdem beträgt er höchstens 1/2 des Grades der Druckverformung von 19 bis 77 × 10^–2 mm der erfindungsgemäßen Materialien und es ist klar, dass sein Kontakt beim Bremsen mit diesem Material schlecht ist. In Beispiel 1 der oben genannten Patent-Referenz 5 wird ein organisches Pad, das eine Mesophasen-Kohlenstoff-Masse (BMC) als Bindemittel umfasst, bei einer Temperatur von 400 bis 650 °C unter einer Belastung von 100 bis 700 kg/cm² geformt. Da das Bindemittel nur MBC ist, ist dabei jedoch das Fließvermögen der Zusammensetzung bei der Formgebung schlecht und deshalb erfordert die Zusammensetzung eine hohe Belastung (Druck) von mindestens 10 MPa bei der Formgebung.

Auch in Beispiel 2 von JP-B2-2 601 652 beträgt die HRS-Härte des konventionellen Halbmetall-Pad-Materials 72 bis 78. Bezogen auf den Grad der Druckverformung von 10 bis 15 × 10^–2 mm eines übliches Halbmetall-Materials mit einer Härte innerhalb des genannten Bereiches, weist das Material mit einer HRS-Härte von 80 bis 90 einen geringen Grad der Druckverformung auf von höchstens 8,9 × 10^–2 mm, wie in 3 dargestellt, und dies ist ein Grad der Druckverformung, der ausreicht, um gute Kontaktbedingungen zu gewährleisten. Wie in den 1 und 2 von JP-B2-2 601 652 dargestellt, weist das Material in diesem Beispiel bessere Ergebnisse bei einer Temperatur von nicht höher als 500 °C auf als konventionelle Materialien, es sind jedoch keine Daten angegeben bezüglich des Ergebnisses für das Material bei einer Temperatur, die höher ist als die genannte Temperatur.

In JP-A-63-310 770 ist ein Reibmaterial beschrieben, das als Bindemittel BMC umfasst und Stahlfasern enthält und dieses wird wie in JP-B2-2 601 652 angegeben geformt und dann wird es in einer Wasserstoffatmosphäre bei 1050 bis 1150 °C 10 bis 40 min lang behandelt (bearbeitet), wobei die Oberfläche der darin enthaltenen Stahlfasern carburiert und integriert wird mit Kohlenstoff und das so behandelte Reibmaterial dadurch verstärkt wird. Die Verstärkung sagt jedoch nichts über den Grad der Zunahme der Druckverformung des Materials und über die Verbesserung der Kontaktbedingungen des Materials aus.

Diese Studien wurden fortgesetzt, bisher ist es jedoch nicht gelungen, ein anorganisches Material gegenüber konventionellen organischen Reibmaterialien in Bezug auf die Kontaktbedingungen derselben so zu verbessern, dass das anorganische Material bei hoher Temperatur stabil ist, und die Entwicklung eines anorganischen Materials ist bisher noch nicht bis zu einer praktikablen Stufe fortgeschritten.

Diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt ein billiges und stabiles Reibmaterial (Reibbeiagwerkstoff) dar. Im einzelnen wird die Carbonisierung in einer Stufe erzielt bei einer niedrigen Temperatur innerhalb einer kurzen Zeitspanne und der Grad der Druckverformung des Reibmaterials, der ein wichtiger Faktor zur Verbesserung der Stabilität der Reibungseigenschaften des Materials ist, ist gegenüber konventionellen organischen Reibmaterialien vergrößert durch Kombination einer Hybridisierungstechnik mit einer Brenn-Carbonisierungs-Technik. Als Folge davon kann das dabei erhaltene Reibmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung stabile Eigenschaften selbst bei hohen Druck- bzw. Belastungsbedingungen aufweisen.

Der Brenn-Carbonisierungs-Prozess für das erfindungsgemäße Reibmaterial umfasst das Erhitzen eines organischen Materials in einer Vakuum-, reduzierenden Gas- oder Inertgas-Atmosphäre unter Anwendung der erforderlichen Belastung (Druck) darauf bis zu einer Temperatur, bei der das organische Material carbonisieren kann (mindestens etwa 550 °C) und das Halten unter dieser Bedingung. Das für die Hybridisierung zu verwendende Material kann im Prinzip ausgewählt werden aus solchen, die bisher für organische Reibmaterialien auf den Markt gebracht worden sind, im Prinzip wird es jedoch ausgewählt aus solchen, die unter den hier angewendeten Brenn- und Carbonisierungsbedingungen kaum einer Fusion oder Zersetzung oder einer anderen chemischen Reaktion, beispielsweise einer Synthese oder Sublimation, unterliegen.

Die Hybridisierungs-Zusammensetzung, die das erfindungsgemäße Reibmaterial gemäß dieser Ausführungsform aufbaut, kann umfassen 3 bis 30 Vol.-% eines organischen Materials, das während des Brennens und Carbonisierens ein Bindemittel bildet, 10 bis 40 Vol.-% eines anorganischen Füllstoffs, der als Reibungsmodifizierungsmittel zur Steuerung (Kontrolle) der Reibungseigenschaften, wie z.B. des Reibungsfaktors und der Abriebsbeständigkeit des Materials, dient, 15 bis 50 Vol.-% eines festen Schmiermittels bzw. Gleitmittels und 5 bis 35 Vol.-% eines Metallmaterials. Darin können die Aufbau-Komponenten und ihr Mischungsverhältnis unter Berücksichtigung der physikalischen und chemischen Reaktion des anorganischen Füllstoffs, des festen Schmiermittels bzw. Gleitmittels und des Metallmaterials in der Zusammensetzung, die mit dem gegenüberliegenden Gegenstand, an dem das Reibmaterial während seiner Verwendung gerieben wird, auftreten kann, variiert werden.

Bei dem organischen Material für die Verwendung in dieser Ausführungsform der Erfindung handelt es sich vorzugsweise um ein Polymermaterial mit einer Carbonisierungsausbeute von mindestens 50 %, um in einem Brennvorgang ein Produkt mit einer hohen Dichte und einer hohen Festigkeit zu erhalten. Beispielsweise handelt es sich dabei bevorzugt um ein leicht carbonisierendes Material, wie z.B. Pech, Mesophasen-Kohlenstoff, ein Phenolharz, ein Copnar-Harz.

Zur Kontrolle der physikalischen Eigenschaften, die wichtig sind für das Reibmaterial, insbesondere zur Kontrolle des Grades der Druckverformung und der Festigkeit des Reibmaterials, kann eine Vielzahl solcher unterschiedlicher organischer Materialien miteinander kombiniert werden oder die anderen Faktoren, wie z.B. die Erhitzungsgeschwindigkeit beim Brennen (Ofenerhitzen), die Brenntemperatur (die Ofentrocknungstemperatur), die Carbonisierungsdauer und die Belastung (der Druck) können miteinander kombiniert werden.

Der bei dieser Ausführungsform der Erfindung als Reibungsmodifizierungsmittel verwendete anorganische Füllstoff kann ein mineralisches oder Tonmaterial sein, wie z.B. Calciumcarbonat, Bariumsulfat, Aluminiumoxid, Siliciumcarbid, Magnesiumoxid, Mullit, Silimanit, Andalusit, Zirkoniumdioxid, Zirkonsand, Kaliumtitanat, Apatit, Talk (Ferripyrophyllit), Kaolin, Glauconit, geschäumter Vermiculit, Pearlit, Chlorit.

Das feste Schmier- bzw. Gleitmittel kann ein Kohlenstoff-haltiges Material (wie z.B. Ruß) oder ein graphitisches Material (wie z.B. natürlicher Graphit, künstlicher Graphit) sein.

Das Metallmaterial kann beispielsweise sein Eisen, rostfreier Stahl, Kupfer, Bronze, Messing, Aluminium, Zinn. Bei der praktischen Verwendung desselben kann eine Vielzahl dieser Materialien miteinander kombiniert werden unter Berücksichtigung ihrer Gestalt oder Größe, beispielsweise in pulverförmiger, körniger oder faserförmiger Form. Ihre Kombination muss festgelegt werden unter weiterer Berücksichtigung des Einflusses ihrer Wechselwirkung, die hervorgerufen wird durch die Reibungswärme während ihrer Reibung, wie z.B. eine Oxidation, Reduktion, Zersetzung, Umkristallisation oder andere Phänomene.

Für das Reibmaterial gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein organisches Material bei seiner Carbonisierungstemperatur von 550 °C oder höher in einer reduzierenden Gasatmosphäre oder in einer Inertgasatmosphäre oder im Vakuum carbonisiert. Die Carbonisierungsatmosphäre und die Carbonisierungsbedingungen müssen so festgelegt werden, dass die Carbonisierungsausbeute des Materials hoch sein kann und die es aufbauenden Komponenten kaum schmelzen und wegfließen oder kaum einer chemischen Reaktion unter den festgelegten Bedingungen unterliegen. Beispielsweise beträgt dann, wenn ein Aluminiummetall in der zu carbonisierenden Zusammensetzung enthalten ist, die Brenntemperatur (Ofentrocknungstemperatur) vorzugsweise etwa 600 °C; oder wenn Kupfer oder eine Legierung davon darin enthalten ist, beträgt sie vorzugsweise 800 bis 1000 °C; oder wenn ein Metall auf Eisenbasis darin enthalten ist, beträgt sie vorzugsweise 1000 bis 1300 °C. Da die Brenn-Carbonisierungstemperatur einen signifikanten Einfluss auf die Umwelt, die Energieeinsparungsbedingungen und die Produktionskosten haben kann, ist es bevorzugt, die gewünschten Reibungseigenschaften bei einer möglichst niedrigen Brenn- und Carbonisierungstemperatur zu erzielen.

Das Brenn-Carbonisierungs-Verfahren kann nach irgendeinem beliebigen Verfahren des indirekten Erhitzens für die Carbonisierungserhitzung in einem Carbonisierungsofen oder des direkten Erhitzens durch Anlegen eines elektrischen Stromes an die zu carbonisierende Zusammensetzung durchgeführt werden und die gewünschte Carbonisierung kann nach irgendeinem dieser Verfahren erzielt werden. Außerdem kann das Formgebungsmaterial zum Formen desselben direkt in eine Form gegeben werden und gebrannt und unter Belastung darin carbonisiert werden oder es kann vorher kalt geformt werden unter einem hohen Druck und dann gebrannt und carbonisiert werden.

Damit eine Bremse stabile Reibungseigenschaften behalten kann, muss das Reibmaterial durch den Druck, der während des Bremsens darauf ausgeübt wird, in geeigneter Weise verformt werden und es muss innerhalb eines breiten Temperaturbereiches unter stabilen Kontaktbedingungen gehalten werden. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben gründliche Untersuchungen durchgeführt, um dem erfindungsgemäßen Reibmaterial einen erhöhten Grad der Verformung unter Druck zu verleihen und einen guten Kontaktzustand aufrechtzuerhalten, und als Ergebnis haben sie gefunden, dass dann, wenn der Füllungsfaktor des gebrannten und carbonisierten Verbundmaterials variiert wird, der Grad der Druckverformung des Materials gesteuert (kontrolliert) werden kann, und als Folge davon haben sie ein Reibungsmaterial gefunden, das einen Grad der Druckverformung in dem gleichen Bereich aufweist wie die organischen Reibmaterialien, die derzeit auf dem Markt erhältlich sind und im Stand der Technik eingesetzt werden. Im Allgemeinen wird der Füllungsfaktor eines Reibmaterials gesteuert durch Variieren der auf das Material während des Brenn- und Carbonisierungsprozesses einwirkenden Belastung (Druckes), wenn jedoch das Material in einer Form geformt wird, ist es auch möglich, eine Form mit einer vorgegebenen Menge des Materials zu füllen und zur Durchführung einer Volumenkontrolle darin zu brennen und zu carbonisieren.

Der Füllungsfaktor des Reibmaterials gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung ist so definiert, dass er in den Bereich von 65 bis 85 % fällt, und zwei Teststücke mit einer Größe von 50 mm × 50 mm und einer Dicke von 10 mm werden bei Raumtemperatur aufeinandergelegt. Wenn sie unter einer Druckbelastung von 20 kN gepresst werden, dann beträgt der Grad ihrer Druckverformung 10 bis 80 × 102 mm; und wenn dieser in den Grad der Änderung der Dicke der beiden Teststücke umgewandelt wird, dann beträgt der Grad ihrer Änderung bei einer Belastung (Druck) von etwa 8 MPa etwa 0,5 bis 4 % (JIS D4413) und dies zeigt die Möglichkeiten einer Vorherbestimmung des Reibmaterials innerhalb eines breiten Bereiches.

Bezüglich der Stabilität der Reibungseigenschaften eines Reibmaterials ist es allgemein bekannt, dass der Grad der Druckverformung eines Reibmaterials so groß wie möglich sein soll innerhalb eines Bereiches, innerhalb dessen das Reibmaterial keiner abnormen Änderung, wie z.B. einem Bruch oder einem abnormen Abrieb, während der Reibung unterliegt. In Abhängigkeit von seiner Verwendung kann das Reibmaterial jedoch durch ein System, das es umfasst, begrenzt sein. Beispielsweise soll das Reibmaterial für Automobile einen möglichst geringen Grad der Druckverformung aufweisen, bei einem Reibmaterial für Schienenfahrzeuge ist jedoch der Grad der Druckverformung kein wichtiger Parameter.

Bei dieser Ausführungsform der Erfindung kann der Grad der Druckverformung des Reibmaterials so geplant werden, dass er innerhalb eines breiten Bereiches liegt, und dadurch ist es möglich, den Kontaktzustand des Reibmaterials so zu planen, dass er am vorteilhaftesten für Bremsen in Automobilen, Schienenfahrzeugen, Industriemaschinen und Luftfahrzeugen innerhalb des beschränkten Bedingungsbereiches für diese ist.

Bei einer hohen Temperatur (von 300 °C oder höher) kann ein organisches Reibmaterial, wie es derzeit in dem Stand der Technik verwendet wird, weich werden oder thermisch verformt werden oder zersetzt werden und daher kann der Grad der Druckverformung desselben signifikant variieren. Das Reibmaterial gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird jedoch bei einer hohen Temperatur von nicht weniger als 550 °C gebrannt (ofengetrocknet) und deshalb wird das darin enthaltene organische Material carbonisiert und hybridisiert zur Bildung eines anorganischen Verbundwerkstoffs. Daher ändert sich das erfindungsgemäße Reibmaterial wenig in Abhängigkeit von einer Änderung der Umgebungstemperatur. Wenn die Änderung in Bezug auf den Grad der Druckverformung bei Raumtemperatur und bei einer hohen Temperatur (300 °C) als Grad der Änderung desselben berücksichtigt wird, dann beträgt der Grad der Änderung des organischen Reibmaterials mindestens etwa das Doppelte, derjenige des Reibmaterials gemäß der vorliegenden Erfindung beträgt jedoch höchstens das 1,5-fache und ist niedrig. Dies bestätigt, dass die Stabilität des erfindungsgemäßen Reibmaterials bei einer hohen Temperatur gut ist (vgl. 7).

Obgleich die Druckbelastung in Abhängigkeit von der Zusammensetzung, die gebrannt werden soll, und in Abhängigkeit von dem angewendeten Brennverfahren variiert, haben die Erfinder festgestellt, dass die Druckbelastung, die auf die zu brennende Zusammensetzung angewendet werden soll, in einem Belastungskontrollverfahren etwa 5 bis 10 kPa betragen kann, sodass der Füllungsfaktor etwa 65 % beträgt bei einem Belastungskontrollverfahren, oder dass sie etwa 2 bis 3 MPa betragen kann, sodass der Füllungsfaktor etwa 85 % beträgt.

Die Brenn-Carbonisierung wurde bei diesem Versuch durchgeführt unter Anwendung eines Erhitzungs-Carbonisierungs-Verfahrens in einem üblichen Carbonisierungsofen, in dem das zu carbonisierende Material in einer Stickstoffgas-Atmosphäre erhitzt und carbonisiert wird oder durch Anwendung eines Vakuumerhitzungs-Carbonisierungs-Verfahrens, in dem eine im Handel erhältliche Entladungsplasma-Sintervorrichtung verwendet wird.
Vorversuch
Proben eines carbonisierten Verbund-Reibmaterials wurden wie folgt hergestellt: eine zu carbonisierende Zusammensetzung wurde in Stickstoffgas 1 h lang bei einer Brenntemperatur von 900 °C gehalten und dann wurde eine 50 mm × 50 mm große Probe unter einer Belastung (Druck) von 2,5 bis 30 kN gepresst. In dieser Stufe wurde der Grad der Druckverformung, der für das Reibmaterial erforderlich war, kontrolliert (gesteuert) durch Variieren des Füllungsfaktors.
Vor Durchführung des Experiments wurde der Bereich des höchsten und niedrigsten Füllungsfaktors in einem Vorversuch abgeschätzt. Kurz zusammengefasst wurde ein Füllungsfaktor-Bereich von 61 bis 88 % in reguläre Intervalle von etwa 5 % unterteilt und bei jedem auf diese Weise erhaltenen Füllungsfaktor wurde Proben hergestellt und einem einfachen Test unterworfen. Bei dem einfachen Test handelte es sich um den ersten Fading-Test mit dem "Test-Code (1)" und die Ergebnisse sind in der Tabelle 1 angegeben.
Die Tabelle 1 zeigt, dass in dem Vorversuch Nr. 1, bei dem der Füllungsfaktor 61 betrug, der Abrieb (Verschleiß) der Reibungskomponente abnorm groß war und dass die Ränder des Teststückes zerbrochen waren und die Probe vom Standpunkt ihrer Festigkeit aus betrachtet nicht verwendbar war. In dem Vorversuch Nr. 2, bei dem der Füllungsfaktor 65 % betrug, war der Abrieb (Verschleiß) gering und die Abscheidung war ebenfalls gering und die Testergebnisse waren gut. Andererseits war in dem Vorversuch Nr. 7, bei dem der Füllungsfaktor 88 % betrug, die Beständigkeit gegen Abrieb (Verschleiß) gut, nach wiederholtem Reiben trat jedoch eine Reibungsvibration auf und der Test wurde gestoppt, da es schwierig war, den Test fortzusetzen.
Nach dem Test wurde der Rotor überprüft und es wurde eine starke Ablagerung darauf gefunden. Da die Druckverformung der Reibungskomponente gering war und deshalb die Kontaktbedingungen derselben beim Bremsen nicht gut waren und als Folge davon die Kohäsionskraft in dem Hochtemperatur-Teil, der die Reibungswärme aufnahm, groß war, würde dies zu einer Reibungsvibration führen.
In dem Vorversuch Nr. 6, in dem der Füllungsfaktor 85 % betrug, trat ebenfalls eine Reibungsvibration auf, sie war jedoch sehr gering und führte zu keiner Störung bei der Fortsetzung des Tests. Dies bedeutet, dass bei der Probe kein Problem bei ihrer praktischen Verwendung auftrat.
Aus den Ergebnissen der Vorversuche wurde der Füllungsfaktor so definiert, dass er innerhalb eines Bereiches von 65 bis 85 % liegen muss, innerhalb dessen das Reibmaterial seinen guten Kontatzustand aufrechterhalten kann. In den folgenden Beispielen lag der Füllungsfaktor innerhalb dieses definierten Bereiches.
Versuch
In diesem Versuch betrug der Füllungsfaktor 65 bis 85 % in den Beispielen (1) bis (5) und er betrug 70 bis 80 % in den Beispielen (6) bis (15). Innerhalb des Bereiches wurden die folgenden Proben hergestellt und getestet.
Getestete Eigenschaften der Proben
Physikalische Eigenschaften: Füllungsfaktor, Druckverformung (Testbedingung: Größe 50 mm × 50 mm, Dicke 10 mm, Testverfahren: JIS D4413, Raumtemperatur, 300 °C).
Reibungseigenschaften: Fading, Abrieb (Verschleiß), Hochgeschwindigkeits-Tauglichkeit.
Beispiele (1) bis (5)
Phenolharz und Pech als organisches Material mit einer hohen Carbonisierungsausbeute, Kupferpulver als Metall, künstlicher Graphit als Schmiermittel und geschmolzenes Magnesiumoxid und Aluminiumoxid als anorganischer Füllstoff wurden miteinander gemischt und gebrannt und carbonisiert in einem üblichen Carbonisierungsofen.
Die Bedingungen beim Brennen, Carbonisieren und Formen waren wie folgt: in Stickstoffgas wurde die Zusammensetzung bei einer Brenn-Carbonisierungs-Temperatur von 900 °C unter einer Belastung (Druck) von 5 kPa bis 3 MPa 1 h lang gehalten und die Belastung (der Druck) wurde so eingestellt, dass der Füllungsfaktor 65 bis 85 % betragen konnte.
Beispiele (6) bis (10)
Phenolharz und Pech als organisches Material mit einer hohen Carbonisierungsausbeute, Eisenpulver als Metallmaterial, künstlicher Graphit als Schmiermittel und Aluminiumoxid, geschmolzenes Magnesiumoxid und geschäumter Vermiculit als anorganischer Füllstoff wurden miteinander gemischt und gebrannt und carbonisiert unter Verwendung einer Entladungsplasma-Sintervorrichtung.
Die Bedingungen beim Brennen, Carbonisieren und Formen waren wie folgt: in einem Vakuum wurde die Zusammensetzung unter einer Belastung (einem Druck) von 1 MPa bis 3 MPa 5 min lang bei einer Carbonisierungstemperatur von 1000 °C gehalten und die Belastung (der Druck) wurde so eingestellt, dass der Füllungsfaktor 70 bis 80 % betragen konnte.
Beispiele (11) bis (15)
Phenolharz und Pech als organisches Material mit einer hohen Carbonisierungsausbeute, Kupferpulver und Aluminiumpulver als Metallmaterial; künstlicher Graphit als Schmiermittel und geschmolzenes Magnesiumoxid und Aluminiumoxid als anorganischer Füllstoff wurden miteinander gemischt, gebrannt und carbonisiert.
Die Bedingungen beim Brennen, Carbonisieren und Formen waren wie folgt: in Stickstoffgas wurde die Zusammensetzung unter einer Belastung (einem Druck) von 1 bis 3 MPa 5 min lang bei einer Carbonisierungstemperatur von 600 °C gehalten und die Belastung (der Druck) wurde so eingestellt, dass der Füllungsfaktor 70 bis 80 betragen konnte.
Reibungstestvorrichtung
Als Reibungstestvorrichtung wurde eine Testvorrichtung für eine kleine Testprobe entsprechend 1/10 eines Fahrzeugs mit einem Gesamtgewicht von 2000 kg verwendet. Zur Klarstellung der signifikanten Differenz in Bezug auf die Eigenschaften einer Testprobe wurde die Reibungsbelastung unter strengen Bedingungen definiert und sie betrug etwa das 1,6-fache derjenigen eines üblichen Fahrzeugs (Energiebelastung: in einem üblichen Fahrzeug beträgt sie etwa 540 Nm/cm².s; in diesem Test betrug sie jedoch etwa 880 Nm/cm2.s), und die Testprobe wurde nach dem "Test-Code (1)" im Wesentlichen getestet auf die Beständigkeit gegen Fading und nach dem "Test-Code (2)" wurde sie im Wesentlichen getestet in Bezug auf ihre Hochgeschwindigkeits-Brauchbarkeit.
Testbedingungen

Trägheit: 0,9 kg/m

Rotorgröße: 88 ⌀

Größe des Reibmaterials: 13 mm × 35 mm

Test-Code:

Test-Code (1): Fading-Test

Test-Code (2): Lauftest bei hoher Geschwindigkeit
Test-Code (1): Fading-Test

Einlaufbedingungen:

Anfangsgeschwindigkeit: 65 km/h

Verzögerung: 0,3 G

anfängliche Temperatur: 120 °C
Fading-Test

Anfangsgeschwindigkeit 130 km/h → Stopp
Verzögerung: 0,4 G, konstanter Output-Test
Rotormaterial: FC250
Starttemperatur der Bremse: 65 °C
Bremsintervall: 35 s
Brems-Frequenz:
erstes Fading nach 10-maligem Bremsen
zweites Fading nach 15-maligem Bremsen
Daten-Analyse: erster Fading-Test
Bestimmung des Verschleißes (Abriebs): zweiter Fading-Test
Rotortemperatur nach dem 15. Bremsen: 800 °C oder höher

Test-Code (2): Hochgeschwindigkeits-Lauftest

Einlaufbedingungen: Anfangsgeschwindigkeit: 65 km/h

Verzögerung: 0,3 G anfängliche Temperatur: 120 °C

Lauftest bei hoher Geschwindigkeit:

Anfangsgeschwindigkeit: 130 km/h → Stopp anfängliche Temperatur 95 °C

Verzögerung: 0,15 G bis 0,75 G, konstanter Output-Test Rotormaterial: FC250

Testergebnisse
Physikalische Daten
(1) Füllungsfaktor und Grad der Druckverformung
Die 4 zeigt die Beziehung zwischen dem "Füllungsfaktor" und dem Grad der Druckverformung bei Raumtemperatur in den Beispielen (1) bis (15). Die 4 zeigt, dass trotz Änderung des Typs, der Menge und der Brenntemperatur des Reibungsmodifizierungsmittels noch eine vorgegebene Beziehung zwischen der Druckverformung und dem Füllungsfaktor existiert und dass der Grad der Druckverformung, die zur Erzielung einer ausreichenden Reibung erforderlich ist, durch Änderung des Füllungsfaktors gesteuert (kontrolliert) werden kann.
Die 5, 6 und 7 zeigen einen Vergleich zwischen den Proben Nr. (1), (4), (8) und (13) mit einer Vergleichsprobe in Bezug auf die Beziehung zwischen dem Grad der Druckverformung und der Temperatur. Die 5 und 6 zeigen den Grad der Druckverformung bei Raumtemperatur und bei einer hohen Temperatur (Probentemperatur 300 °C), wobei diese zeigen, dass die Daten aller Proben mit Ausnahme der Probe Nr. (1) äquivalent zu denjenigen der Vergleichsprobe bei Raumtemperatur waren.
Außerdem zeigen diese Figuren, dass der Grad der Druckverformung der Probe Nr. (1) besonders groß ist, deshalb zeigen sie die Möglichkeit einer Planung der erfindungsgemäßen Reibmaterialien innerhalb eines breiten Bereiches. Bei hoher Temperatur wurden alle Proben mit Ausnahme der Probe Nr. (1) gegenüber dem Vergleichsbeispiel nicht stark verformt und dies bedeutet, dass die erfindungsgemäßen Proben bei hoher Temperatur (d.h. bei strengen Reibungsbedingungen) in der Praxis verwendbar sind.
Die 7 zeigt eine Änderung des Grades der Druckverformung bei Raumtemperatur und bei hoher Temperatur. Wie in der 2 beträgt die Änderung in der Vergleichsprobe mindestens das Doppelte, während diejenige der erfindungsgemäßen Proben höchstens das 1,5-fache beträgt. Dies bedeutet, dass die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Probe gegenüber einer Änderung der Umgebungstemperatur stabil sind.
Reibungstest
(1) Test-Code (1) (Fading-Test)
Die 8 zeigt den Reibungsfaktor und seine Abnahme (Fading = 1 – u nach dem Fading/anfängliches u) bei den Beispielen (1) bis (15) und dem Vergleichsbeispiel.
Die erfindungsgemäßen Proben weisen einen Reibungsfaktor von mindestens 0,35 auf und behalten ihren Reibungsfaktor von mindestens 0,30 auch nach dem Fading bei, während die Vergleichsprobe einen Reibungsfaktor von 0,31 aufweist und dieser Reibungsfaktor nach dem Fading auf 0,22 abnahm. Die erfindungsgemäßen Proben waren somit hoch stabil gegenüber der Vergleichsprobe. Bezüglich der Abnahme des Reibungsfaktors wiesen die Proben Nr. (13) und (14) eine etwas größere Abnahme von 25 bis 26 % auf, die Abnahme in den anderen Proben betrug höchstens 20 % und sie war viel geringer als diejenige der Vergleichsprobe von 29 %. Dies bestätigt, dass die erfindungsgemäßen Proben kaum einem Fading unterliegen.
Die 9 zeigt eine Änderung des Reibungsfaktors der Proben Nr. (4), (8) und (13) in dem Fading-Test.
Die Beziehung zwischen dem Fading der Probe und der Umgebungstemperatur wurde untersucht in Bezug auf die Wärmebeständigkeit der Proben und es wurde gefunden, dass selbst die erfindungsgemäße Probe Nr. (13), die das stärkste Fading aufwies, nur eine Abnahme um 10 % oder dgl. bei etwa 400 °C aufwies und dass ihre Wärmebeständigkeit viel besser war als diejenige der Vergleichsprobe, bei der die Abnahme 29 % betrug.
Der Reibungsfaktor aller erfindungsgemäßen Proben hat die Neigung, mit steigender Umgebungstemperatur abzunehmen, der Reibungsfaktor der Vergleichsprobe war jedoch der niedrigste während des Tests und hatte dann die Neigung, anschließend zuzunehmen. Die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Proben unterscheiden sich somit von denjenigen der Vergleichsprobe. Die Eigenschaften der Vergleichsprobe sind zurückzuführen auf die Schmierung mit der Flüssigkeit oder dem Dampf, die (der) während der Zersetzung des organischen Materials gebildet wird. Das heißt mit anderen Worten, in der Vergleichsprobe nahm ihr Fading-Faktor wieder zu, wenn das organische Material sich zersetzt hatte und verschwunden war und wenn der verbliebene Rest anorganisch wurde. Dies ist charakteristisch für organische Reibmaterialien. Da in den erfindungsgemäßen Proben das Fading abnahm und da sie ursprünglich nur aus anorganischen Komponenten bestanden, waren sie frei von dem Problem der Vergleichsprobe und mit ihnen kann das angestrebte Ziel erreicht werden.
Die 10 zeigt den Verschleiß (Abrieb) der erfindungsgemäßen Proben und der Vergleichsprobe, wobei die 10 zeigt, dass der Verschleiß (Abrieb) aller erfindungsgemäßer Proben geringer war als derjenige der Vergleichsprobe. Dies bestätigt die gute Verschleißfestigkeit der erfindungsgemäßen Proben.
(2) Test-Code (2) (Hochgeschwindigkeits-Tauglichkeit) Es wurde ein Lauftest bei hoher Geschwindigkeit unter strengeren Bedingungen als üblich (dem 1,6-fachen derjenigen eines Fahrzeugs) durchgeführt um den signifikante Unterschied in Bezug auf den Reibungsfaktor bei hoher Geschwindigkeit, die Geschwindigkeitsverteilung und die G-Verteilung bei den getesteten Proben zu erzielen.
Die 11 zeigt die Ergebnisse der Proben Nr. (4), (8) und (13) und der Vergleichsprobe, die in der Regel aus den Proben in den Tabellen 2, 3 und 4 ausgewählt wurden, im Hinblick auf den mittleren Reibungsfaktor derselben bei der jeweiligen Verzögerung (0,15 G, 0,35 G, 0,45 G, 0,6 G, 0,75 G).
In der 11 stellen der Reibungsfaktor, die Geschwindigkeitsverteilung und die G-Verteilung wichtige Reibungseigenschaften der untersuchten Reibmaterial-Proben dar.
Reibungsfaktor
Der Reibungsfaktor der Vergleichsprobe bei einer Verzögerung von 0,45 G und einer Anfangsgeschwindigkeit von 100 km/h betrug 0,31, während derjenige der erfin dungsgemäßen Probe 0,42 bis 0,56 betrug; der Reibungsfaktor der Vergleichsprobe bei der Anfangsgeschwindigkeit betrug 0,20, während derjenige der erfindungsgemäßen Proben 0,4 bis 0,48 betrug. Der Reibungsfaktor der erfindungsgemäßen Proben war somit hoch und stabil.
Geschwindigkeitsverteilung (Bremsen bei der Anfangsgeschwindigkeit und Reibungsfaktor)
Die Geschwindigkeitsverteilung der Vergleichsprobe bei einer Verzögerung von 0,45 G und einer Anfangsgeschwindigkeit von 100 km/h und 130 km/h (Reibungsfaktor bei 130 km/h/Reibungsfaktor bei 100 km/h) × 100) betrug 65 %, während diejenige der erfindungsgemäßen Probe 85 bis 102 % betrug. Dies bedeutet, dass der Reibungsfaktor der erfindungsgemäßen Proben auch bei einer hohen Laufgeschwindigkeit nicht abnimmt und stabil ist in Bezug auf die Laufgeschwindigkeit.
G-Verteilung (Beschleunigung und Reibungsfaktor)
Die G-Verteilung der Vergleichsprobe bei einer Brems-Anfangsgeschwindigkeit von 100 km/h (Reibungsfaktor bei 0,75 G/Reibungsfaktor bei 0,15 G) × 100) betrug 65 %, während diejenige der erfindungsgemäßen Proben 85 bis 109 % betrug und hoch war. Außerdem war die G-Verteilung der Vergleichsprobe bei der Brems-Anfangseschwindigkeit von 130 km/h 57 %, während diejenige der erfindungsgemäßen Proben 68 bis 108 % betrug und hoch war. Dies bestätigt, dass die verzögerungsabhänige Änderung des Reibungsfaktors der erfindungsgemäßen Proben gering und stabil war.
Die obigen Ergebnisse zeigen, dass der Hochgeschwindigkeits-Reibungsfaktor der Reibungsmaterialproben der Erfindung stabil war.
Wie in den obigen Beispielen gezeigt, sind die erfindungsgemäßen Reibmaterialproben kontrolliert (gesteuert) in Bezug auf den Grad der Druckverformung derselben, und im Vergleich zu demjenigen der Vergleichsprobe ist der Hochgeschwindigkeits- Reibungsfaktor der erfindungsgemäßen Proben hoch und die erfindungsgemäßen Proben weisen eine ausgezeichnete Fading-Beständigkeit (Verminderung des Reibungsfaktors bei hoher Temperatur) in Bezug auf die Geschwindigkeitsverteilung und in Bezug auf die G-Verteilung auf. Daher genügt das erfindungsgemäße Reibmaterial der gewünschten Wärmebeständigkeit.
Außerdem weist das erfindungsgemäße Reibmaterial einen breiten Spielraum in Bezug auf die Planung des Grades der Druckverformung desselben auf und außerdem ist die Änderung des Grades der Druckverformung des erfindungsgemäßen Reibmaterials gering und stabil selbst bei einer hohen Temperatur. Dementsprechend kann das erfindungsgemäße Reibmaterial einen optimalen Grad der Druckverformung aufweisen, der auf beliebige und alle Reibungsbedingungen anwendbar ist, die in Bremsen von Automobilen, Schienenfahrzeugen, Luftfahrzeugen, Industriemaschinen und anderen anwendbar sind, und es gewährleistet somit eine höhere Sicherheit beim Bremsen. Die vorliegende Erfindung bietet somit eine signifikante weitere Verbesserung in Bezug auf kleiner dimensionierte und leichtere Bremsen und die gesamte Systemplanung.
Es ist für den Fachmann auf diesem Gebiet offensichtlich, dass verschiedene Modifikationen und Änderungen an den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung vorgenommen werden können, ohne dass dadurch der Geist oder der Schutzbereich der Erfindung verlassen wird. Die vorliegende Erfindung umfasst daher alle Modifikationen und Änderungen, die unter den Schutzbereich der nachfolgenden Patentansprüche und ihre Äquivalente fallen.

Claims

Reibmaterial (Reibbelag-Werkstoff), das (der) ein Bindemittel umfasst, wobei das Reibmaterial hergestellt worden ist durch Brennen und Carbonisieren eines organischen Materials und einen Grad der Druckverformung bei Raumtemperatur innerhalb eines Bereiches von 0,3 bis 2,5 % unter einer Belastung (einem Druck) von 4 MPa und innerhalb eines Bereiches von 1,0 bis 4,5 % unter einer Belastung (einem Druck) von 10 MPa aufweist.
Reibmaterial nach Anspruch 1, in dem das Verhältnis zwischen dem Grad der Druckverformung bei 300 °C und dem Grad der Druckverformung bei Raumtemperatur innerhalb eines Bereiches von 1,0 bis 1,5 liegt bei einer Belastung (einem Druck) von 4 bis 10 MPa.
Reibmaterial nach Anspruch 1, bei dem das organische Material unter Vakuum, in einem reduzierenden Gas oder in einem inerten Gas gebrannt und carbonisiert wird bei einer Temperatur von 550 bis 1300 °C unter Einwirkenlassen einer Belastung (einem Druck) auf das organische Material.
Reibmaterial nach Anspruch 1, bei dem ein Füllungsfaktor innerhalb eines Bereiches von 65 bis 85 % liegt, wobei der Füllungsfaktor das Verhältnis zwischen der Dichte eines Formkörpers (geformten Gegenstandes) und der wahren Dichte eines Formkörpers (geformten Gegenstandes) darstellt.
Reibmaterial nach Anspruch 1, bei dem das geformte Material, das als Reibmaterial verwendet werden soll, hergestellt wird durch Brennen und Carbonisieren und umfasst: 3 bis 30 Vol.-% eines organischen Materials, welches das Bindemittel beim Brennen-Carbonisieren darstellen soll; 10 bis 40 Vol.-% eines anorganischen Füllstoffs, der als Reibungs-Modifizierungsmittel dient; 15 bis 50 Vol.-% eines festen Schmiermittels und 5 bis 35 Vol.-% eines Metallmaterials.
Reibmaterial nach Anspruch 5, bei dem das organische Material umfasst ein Polymermaterial mit einer Carbonisierungsausbeute zum Carbonisieren durch Brennen von mindestens 50 %.
Reibmaterial nach Anspruch 6, bei dem das Polymermaterial umfasst mindestens einen Vertreter aus der Gruppe Pech, Mesophasen-Kohlenstoff, Phenolharz und Copna-Harz.
Reibmaterial nach Anspruch 5, bei dem das feste Schmiermittel Körnchen oder Fasern aus mindestens einem Vertreter aus der Gruppe kohlenstoffhaltiges Material und graphitisches Material umfasst.
Reibmaterial nach Anspruch 5, bei dem das Metallmaterial umfasst Körnchen oder Fasern aus mindestens einem Vertreter aus der Gruppe Eisen, rostfreier Stahl, Kupfer, Bronze, Messing, Aluminium und Zinn.
Reibmaterial nach Anspruch 4, das einen Füllungsfaktor von 65 bis 85 % aufweist bei der Herstellung durch Brennen und Carbonisieren unter einer Belastung (einem Druck) von 5 kPa bis 3 MPa.
Verfahren zur Herstellung eines Reibmaterials, wobei das Verfahren umfasst: die Herstellung einer Mischung, die ein organisches Material, ein Metall, ein Schmiermittel und einen anorganischen Füllstoff umfasst; das Einwirkenlassen einer Belastung (eines Druckes) von 5 kPa bis 3 MPa auf die Mischung; und das Brennen und Carbonisieren der Mischung unter der Belastung (unter dem Druck).
Herstellungsverfahren nach Anspruch 11, bei dem die Mischung unter Vakuum, in einem reduzierenden Gas oder in einem inerten Gas gebrannt und carbonisiert wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 11, bei dem die Mischung bei einer Temperatur von 550 bis 1300 °C gebrannt und carbonisiert wird.
Reibmaterial, das nach dem Verfahren nach Anspruch 11 hergestellt worden ist.