DE102006044816A1

DE102006044816A1 - Reibbelag für Bremsen, Kupplungen oder dergleichen und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE102006044816A1
Application number: DE200610044816
Authority: DE
Inventors: Hans Rastl; Klaus Reiser; Siegfried Stieger
Original assignee: Hoffmann and Co Elektrokohle AG
Current assignee: Hoffmann and Co Elektrokohle AG
Priority date: 2006-09-22
Filing date: 2006-09-22
Publication date: 2008-04-10

Abstract

Ein Reibbelag für Bremsen, Kupplungen oder dergleichen besteht aus einer Trägerplatte (4) aus Stahl und mindestens einem auf dieser befestigten Reibbelagelement (3), das aus pulverförmigem Reibmaterial pulvermetallurgisch durch Pressen und Sintern hergestellt ist und eine mit ihm unlösbar verbundene Verbindungsschicht (2) aufweist, die aus einem überwiegend Eisen enthaltenden Metallpulver pulvermetallurgisch durch Pressen und Sintern gemeinsam mit dem Reibbelagelement hergestellt ist. Das Reibbelagelement (3) ist durch Verschweißen der Verbindungsschicht (2) mit der Trägerplatte (4) an dieser befestigt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Reibbelages auf Sintermetallbasis. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zur Herstellung von Reibbelägen, die in Bremsen oder Kupplungen Verwendung finden. Die Erfindung ist besonders nützlich zur Schaffung einer kostengünstigen, mechanisch und thermisch hoch belastbaren Verbindung zwischen Reibbelagelementen und der Metallplatte, mit der der Belag am Bremssattel befestigt wird.
Reibbeläge werden durch Mischen der Komponenten, Pressen der Mischung in die gewünschte Form und Sintern bei 600-1100°C hergestellt. Anschließend werden die derart hergestellten Sinterkörper auf einer Unterlage oder Metallplatte mittels mechanischer Verbindungsmittel montiert. Zum Beispiel kann die Metallplatte auf der Rückseite einen Schwalbenschwanz aufweisen, der zur Aufnahme des Belages im Bremssattel dient.
Bei vielen Anwendungen derartiger Reibbeläge, z. B. bei Bremsbelägen für Hochgeschwindigkeits-Eisenbahnzüge, muss die Verbindung des Reibmaterials zur Metallplatte hohen thermischen und mechanischen Lastwechseln standhalten. Eine einfach und kostengünstig zu produzierende, thermisch und mechanisch hoch belastbare Verbindung wäre ein Vorteil.
DE 2 223 834 A beschreibt ein Verfahren, bei dem zwischen dem Reibmaterial und der verkupferten Metallplatte Metallpulver eingebracht wird und unter Druck und Temperatur eine Verbindung hergestellt wird.
Nachteilig an dieser Konstruktion ist die teure galvanische Verkupferung der Metallplatte sowie die zusätzliche thermische Behandlung der zusammengespannten Teile.
DE 691 01 584 T2 beschreibt in ähnlicher Weise die Befestigung der Reibmaterialien mittels Schweißlöten, wobei ein Schweißlötpulver zwischen Reibmaterial und Metallplatte eingebracht wird.
Bei beiden Beispielen wird zwischen Reibmaterial und Metallplatte eine separate Zwischenschicht aufgebracht, die dann verlötet oder verschweißt wird. Beide Verfahren benötigen Vor- und/oder Nachbehandlungen. Meistens werden solchen Zwischenschichten Schmelzpunkt senkende Zusätze zugegeben, dadurch sinkt die thermische Belastbarkeit der Verbindung.
Aus DE 41 27 113 A1 und DE 42 23 417 A1 ist es bekannt, eine Bremsbacke bzw. einen Bremsklotz für Scheibenbremsen dadurch herzustellen, dass durch gemeinsames Pressen und Sintern eines Reibmaterialpulvers und eines Metallpulvers eine Reibbelagsschicht mit einer unlösbar damit verbundenen metallischen Trägerschicht hergestellt wird. Die metallische Trägerschicht kann durch mechanische Verbindungsmittel am Bremssattel oder dergleichen befestigt werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Reibbelag und ein Verfahren zu seiner Herstellung anzugeben, bei der die Reibelemente mit seiner einfach und kostengünstig zu produzierenden, thermisch und mechanisch hoch belastbaren Verbindung an der Trägerplatte aus Stahl befestigt sind.
Diese Aufgabe wird durch den Reibbelag gemäß Anspruch 1 und das Verfahren gemäß Anspruch 7 gelöst.
Es wurde gefunden, dass sich Körper, bestehend aus dem Reibmaterial und einer schweißbaren Verbindungsschicht, in einem Arbeitsschritt durch Pressen und Sintern anfertigen lassen. Dazu wird in die Kavität einer Pressform zuerst das Pulver eingebracht, das die Verbindungsschicht (hoher Metallgehalt) bildet, dann wird das Pulver eingebracht, das den Reibbelag bildet, und beides wird zusammen in einem Arbeitsschritt verdichtet. Die Schichten können beim Pressen auch umgekehrt angeordnet sein. Anschließend wird der Presskörper gesintert.
Bei geschickter Wahl der Zusammensetzung der Verbindungsschicht ist die Verbindung zwischen dieser und dem Reibmaterial gleich stark oder stärker als die Festigkeit des Reibmaterials. Gleiches gilt für die Schweißverbindung zwischen der Verbindungsschicht und der Trägerplatte aus Stahl.
Würde man versuchen, das Reibmaterial des Reibelements, das immerhin 75 % Metall enthalten kann, direkt ohne Verbindungsschicht mit der Trägerplatte zu verschweißen, so ergäbe sich eine Schweißverbindung von nur unzureichender Festigkeit. Der Grund liegt darin, dass das Reibmaterial bis zu 25 Gew.-% nichtmetallisches Material enthält. Diese 25 Gew.-% entsprechend einem wesentlich höheren Anteil des nicht metallischen Materials an der Oberfläche, nämlich ca. 50 Flächen-%. Dieser Flächenanteil steht für eine Schweißverbindung nicht zur Verfügung. Wird dagegen erfindungsgemäß das Reibelement mit einer Verbindungsschicht versehen, die zu mindestens 95 Gew.-% aus Metall, überwiegend Eisen, besteht, so beträgt der Metallanteil an der Oberfläche mehr als 90 Flächen-%.
Die Schweißverbindung wurde auf Scherfestigkeit überprüft. An Probestücken wurde die folgende Scherfestigkeit zwischen einem Reibelement aus Reibmaterial und einer Trägerplatte aus Stahl gemessen:

Ohne erfindungsgemäße Verbindungsschicht: 9,0-10,5 kN

Mit der erfindungsgemäßen Verbindungsschicht: 26,1-28,3 kN
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
1 einen Schnitt durch die Pulverschichten, aus denen durch Pressen und Sintern ein Reibelement mit Verbindungsschicht hergestellt wird.
2 die perspektivische Darstellung eines Reibbelages auf einer Trägerplatte und einer Anzahl darauf durch Schweißen befestigter Reibelemente.
3a, b, c schematisch drei verschiedene Anordnungen für die Durchführung des Widerstandsbuckelschweißens.
4 und 5 zwei aus Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Reibbelagelementes mit angeformten Schweißbuckeln.
Gemäß 1 werden in einer (nicht dargestellten) Pressform (Matrize) eine Schicht 1 aus pulverförmigem Reibmaterial und eine Schicht 2 aus überwiegend Eisen enthaltendem Metallpulver eingeführt. Es ist gleichgültig, welche der Schichten 1, 2 die obere ist.
Das pulverförmige Reibmaterial der Schicht 1 kann die für Reibmaterialien übliche Zusammensetzung aufweisen, die in der Regel überwiegend aus Kupfer mit Beimischungen von Kohlenstoff, Schleifmittel und ggf. weiteren Zusätzen aufweisen. Ein typisches Beispiel der Produktzusammensetzung des Reibmaterials ist: 75 Gew.-% Kupferpulver, 10 Gew.-% Kohlenstoff, 10 Gew.-% Schleifmittel, 5 Gew.-% Zusätze.
Das die Verbindungsschicht 2 bildende Metallpulver besteht aus 50-100 Gew.-% Eisenpulver, 0-50 Gew.-% Kupferpulver und 0-5 Gew.-% Zusätze, insbesondere Presshilfsmittel wie Wachse oder Graphit. Eine bevorzugte Zusammensetzung des die Schicht 2 bildenden Metallpulvers ist 99 Gew.-% Eisen und 1 Gew.-% Zusätze.
Die Pulverschichten 1, 2 werden mittels eines (nicht dargestellten) Press-Stempels zur Bildung eines Presskörpers gepresst. Das gepresste, urgesinterte, grüne Teil wird anschließend einer Sinterbehandlung bei einer Temperatur zwischen 600 und 1100°C unterzogen.
Dabei kommt es zu einer festen Verbindung zwischen der Reibbelagsschicht 1 und der schweißbaren Verbindungsschicht 2.

Es wurde die Spalt- und die Abspaltfestigkeit nach DIN 53463 geprüft.

Spaltfestigkeit:	An Probekörpern wurde die interlaminare Festigkeit des Reibbelagwerkstoffes geprüft.
Ergebnis:	470-504 N/mm (10 Werte)
Abspaltfestigkeit:	Es wurden Probekörper angefertigt, bei denen die Grenzschicht zwischen Reibbelagswerkstoff und schweißbarer Verbindungsschicht in der Mitte der Prüflinge lag. Die Abspaltfestigkeit wurde an dieser Grenzschicht gemessen.
Ergebnis:	470-501 N/mm (10 Werte)

Die Haftung der Verbindungsschicht ist in etwa gleich der interlaminaren Haftung des Reibbelagswerkstoffes.
Die durch Pressen und Sintern erhaltenen Reibbelagelemente 3 mit der Reibbelagsschicht 1 und der schweißbaren Verbindungsschicht 2 werden gemäß 2 auf einer Trägerplatte 4 aus Stahl befestigt, und zwar dadurch, dass die schweißbare Verbindungsschicht 2 jedes Reibbelagelements 3 mit der Trägerplatte 4 aus Stahl verschweißt wird. Vorzugsweise erfolgt das Schweißen mittels Widerstandsschweißung, es können aber auch andere Schweißverfahren angewendet werden.
Die Grenze der thermischen Belastung des derart hergestellten Reibbelages liegt beim Schmelzpunkt des Reibbelagwerkstoffs 1, der schweißbaren Verbindungsschicht 2 oder der Trägerplatte 4.
Das Verschweißen der Verbindungsschicht 2 jedes Reibbelagelements 3 mit der Trägerplatte 4 erfolgt direkt, ohne Zwischenfügung irgendwelcher Zwischenschichten, wie Verkupferung, Lötbeschichtung oder dergleichen. Es handelt sich um ein Schweißen im eigentlichen Sinn, bei dem die Eisenwerkstoffe der Trägerplatte und der Verbindungsschicht des Reibelements angeschmolzen und direkt miteinander verschmolzen werden, im Gegensatz zu den als Schweißlöten oder Lötschweißen bekannten Verfahren, bei denen ein niedriger schmelzendes Metall als Lötmittel zugeführt wird.
Die Querschnittsform der Reibbelagelemente 3 kann, wie dargestellt, kreisrund sein, es kommen aber auch andere Querschnittsformen, z. B. rechteckig oder polygonal, in Frage.
Für das Verbinden des Reibelementes 3 mit der Stahlplatte 4 mittels Widerstandsschweißung eignet sich besonders das Widerstandspunktschweißen und vorzugsweise das Widerstandsbuckelschweißen. Hierbei sind an den einander zugewandten Oberflächen der Trägerplatte 4 und des Reibbelagelements 3 vorspringende Erhöhungen, sogenannte Buckel vorgesehen, an denen der Schweißstromkreis sich zuerst schließt und die Schweißlinsen entstehen. Die Schweißbuckel können am Reibbelagelement 3 oder an der Trägerplatte 4 angeformt sein oder zwischen diesen als separate Einlegeteile angeordnet werden.
3a zeigt schematisch in Seitenansicht ein Reibbelagelement 3 und eine Trägerplatte 4 vor dem Verschweißen, wobei an der Trägerplatte 4 nach oben vorspringende Buckel (Erhöhungen) z. B. durch Prägen ausgebildet sind. Gemäß 3b sind die Buckel 5 an der der Metallplatte 4 zugewandten Fläche der Verbindungsschicht 2 des Reibbelagelements 3 angeformt, was z. B. sehr einfach durch Verwendung eines Press-Stempels mit entsprechenden Vertiefungen erreicht werden kann. Gemäß 3c können die Schweißbuckel 5 auch als separate Einlegeteile zwischen dem Reibbelagelement 3 und der Trägerplatte 4 angeordnet werden.
4 zeigt perspektivisch ein Reibbelagelement 3 mit Reibbelagschicht 1 und Verbindungsschicht 2, wobei an der Oberfläche der Verbindungsschicht 2 mittig ein Schweißbu ckel 5 angeformt ist. 5 zeigt ein Reibbelagelement 3, an dessen Verbindungsschicht 2 mehrere (hier: sechs) Schweißbuckel 5 beim Pressen angeformt wurden.

Claims

Reibbelag für Bremsen, Kupplungen od. dgl., mit einer Trägerplatte (4) aus Stahl und mindestens einem auf dieser befestigten Reibbelagelement (3), das aus pulverförmigem Reibmaterial pulvermetallurgisch durch Pressen und Sintern hergestellt ist und eine mit ihm unlösbar verbundene Verbindungsschicht (2) aufweist, die aus einem überwiegend Eisen enthaltenden Metallpulver pulvermetallurgisch durch Pressen und Sintern gemeinsam mit dem Reibbelagelement hergestellt ist, wobei das Reibbelagelement (3) durch Verschweißen der Verbindungsschicht (2) mit der Trägerplatte (4) an dieser befestigt ist.
Reibbelag nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsschicht (2) zu mindestens 95 Gew.-% aus Metall, davon mindestens 50 Gew.-% Eisen, besteht.
Reibbelag nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsschicht (2) mindestens 95 Gew.-%, vorzugsweise 99 Gew.-%, Eisen enthält.
Reibbelage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Reibelement (3) mit der Trägerplatte (4) durch Widerstandsbuckelschweißen verbunden ist, wobei ein oder mehrere Schweißbuckel an der Verbindungsschicht (2) des Reibelements (3) oder an der dem Reibelement (3) zugewandten Fläche der Trägerplatte (4) angeformt oder zwischen der Trägerplatte (4) und dem Reibelement (3) als Einlegeteile angeordnet sind.
Reibbelagelement für einen Reibbelag gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Reibbelagsschicht (1), die aus pulverförmigen Reibmaterial pulvermetallurgisch durch Pressen und Sintern hergestellt ist, und eine damit unlösbar verbundene Verbindungsschicht (2) aufweist, die aus einem überwiegend Eisen enthal tenden Metallpulver pulvermetallurgisch durch Pressen und Sintern gemeinsam mit der Reibbelagsschicht (1) hergestellt ist und einen für das Verschweißen mit der Trägerplatte (4) ausreichend hohen Gehalt aus Eisen hat.
Reibbelagelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass an der Verbindungsschicht (2) des Reibelements (3) mindestens ein Schweißbuckel angeformt ist.
Verfahren zur Herstellung eines Reibbelages mit folgenden Schritten: a) in eine Pressform wird eine Schicht aus Metallpulver, das überwiegend Eisen enthält, und eine Schicht aus pulverförmigem Reibmaterial eingefüllt und durch gemeinsames Pressen der Schichten ein mit einer metallischen Verbindungsschicht versehenes Reibelement geformt; b) das Reibelement wird bei einer Temperatur zwischen 600 und 1100°C gesintert und dadurch die Verbindungsschicht fest mit dem Reibmaterial verbunden; c) die Verbindungsschicht wird mit einer Trägerplatte aus Stahl verschweißt und dadurch das Reibelement an der Trägerplatte befestigt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das pulverförmige Reibmaterial überwiegend aus Kupferpulver mit Zusätzen von Kohlenstoff und Schleifmittel besteht.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallpulver 50-100 Gew.-% Eisenpulver, 0-50 Gew.-% Kupferpulver und 0-5 % Zusätze, insbesondere Presshilfsmittel wie Wachs oder Graphit, enthält.