DE102006046665A1

DE102006046665A1 - Kupplungsbelag mit verbessertem Reibungskoeffizient

Info

Publication number: DE102006046665A1
Application number: DE200610046665
Authority: DE
Inventors: Valérie TESSIER; Pascal Denis; Jean-Claude Duthiers; Gérard Crosland
Original assignee: Valeo Materiaux de Friction SAS
Current assignee: Valeo Materiaux de Friction SAS
Priority date: 2005-09-29
Filing date: 2006-09-29
Publication date: 2007-04-05
Also published as: ZA200607238B; BRPI0603537A; FR2891333A1; FR2891333B1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kupplungsbelag mit einem Friktionswerkstoff, der, wenigstens teilweise, mit einer Beschichtung aus einem organisch-anorganischen Hybridwerkstoff überzogen ist, wobei zwischen den organischen und anorganischen Gruppen covalente oder ionocovalente Bindungen bestehen. Die Erfindung betrifft ferner eine mit einem derartigen Kupplungsbelag ausgestattete Reibungskupplung sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Kupplungsbelags.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kupplungsbelag und ein Verfahren zur Herstellung dieses Belags.

Bis zum Ende der Einfahrzeit weist ein Kupplungsbelag keine optimale Effizienz auf. Es ist daher bekannt, eine Beschichtung aufzubringen, die in der Lage ist, den Reibungskoeffizienten der Reibfläche des Belags provisorisch zu erhöhen. Es sind insbesondere Beschichtungen vom Typ Kautschuk oder auf der Basis von organischen Harzen, beispielsweise von Phenol-, Acryl-, Epoxid- oder Melaminharzen, bekannt, die mineralische Füllstoffe enthalten oder nicht.

Insoweit sich jedoch die von den Motoren gelieferten Drehmomente erhöhen, fällt auch das für die Friktionswerkstoffe bzw. Reibungswerkstoffe – insbesondere im Reibschluss – geforderte Leistungsniveau immer höher aus. Die vorerwähnten Beschichtungen ermöglichen es nicht mehr, die Zielvorgaben hinsichtlich eines schnellen Einfahrens in zufriedenstellender Weise zu erreichen. Dazu erfordert ihre Zusammensetzung den Zusatz von Füllstoffen mit ausgeprägter Härte, insbesondere Abrasivstoffe, um den Reibungskoeffizienten zu erhöhen. Diese Füllstoffe beeinträchtigen jedoch den Verschleißgrad und das Rupfen im Kaltzustand, auch wenn die Korngröße der Füllstoffe auf Werte unter 10 μm verringert wird.

Im übrigen neigen gewisse Beschichtungen, zum Beispiel auf Acrylat-Basis, dazu, unter bestimmten Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen in der Kupplung zu verkleben, auch bei Zuführung spezieller Füllstoffe, insbesondere Korrosionsschutz-Füllstoffe, mit geringer Korngröße (<10μm).

Es besteht daher ein Bedarf hinsichtlich eines bereits zu Beginn seiner Lebensdauer sehr effizienten Belags ohne die vorstehend angesprochenen Nachteile der nach dem bisherigen Stand der Technik beschichteten Beläge.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, diese Vorgabe zu erfüllen und einen preiswert herzustellenden Kupplungsbelag zu schaffen, der auch schon in der Einfahrzeit einer damit versehenen Kupplung bzw. eines damit ausgerüsteten Kraftfahrzeugs einen verbesserten Reibungskoeffizienten sowie eine hohe Effizienz aufweist. Insbesondere soll damit ein schnelles Einfahren in zufriedenstellender Weise erreicht werden, ohne den Verschleißgrad und das Rupfen der Kupplung im Kaltzustand zu verschlechtern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Kupplungsbelag nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Wesentlich bei der erfindungsgemäßen Lösung ist es, dass der Kupplungsbelag mit einem Friktionswerkstoff bzw. Reibungswerkstoff versehen ist, der – wenigstens teilweise – mit einer Beschichtung aus einem organisch-anorganischen Hybridwerkstoff überzogen ist, wobei zwischen den organischen und anorganischen Gruppen covalente oder ionocovalente Bindungen bestehen.

Ein wesentlicher Vorteil eines erfindungsgemäßen Kupplungsbelages ist es, dass – wie dies im weiteren Fortgang der Beschreibung noch eingehender darzulegen sein wird – eine derartige Beschichtung eine ausreichende Härte aufweist, um die Reibung schon zu Beginn der Lebensdauer des Belags zu verbessern, ohne Rupferscheinungen oder verfrühte Verschleißerscheinungen zu bewirken. Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht darin, dass die erfindungsgemäße Beschichtung das Anhaften der Reibungskupplungsscheibe in der Kupplung verhindert, unabhängig von den jeweiligen Feuchtigkeits- und Temperaturbedingungen, wobei sie zudem vorteilhafterweise eine hohe Korrosionsfestigkeit aufweist.

Eine solche Beschichtung ermöglicht darüber hinaus unter standardmäßigen Einsatzbedingungen ein schnelles Einfahren, wobei sie eine zufriedenstellende Temperaturbeständigkeit aufweist, während sie gleichzeitig eine auf den Fahrkomfort abgestimmte Flexibilität besitzt.

Außerdem kann der erfindungsgemäße Belag vorteilhafterweise eines oder mehrere der folgenden optionalen Merkmale aufweisen:

– Der besagte Werkstoff ist mesostrukturiert. Er ist vorzugsweise dicht oder mesoporös.
– Die organischen Gruppen sind vorzugsweise aus folgenden Gruppen ausgewählt: Vinyl, Polyurethan, Acrylat, Methacrylat und andere Acrylat-Derivate, und Epoxid, gegebenenfalls modifiziert mit Elastomeren, wie beispielsweise vom Typ NBR.
– Die anorganischen Gruppen sind aus den folgenden Gruppen ausgewählt: SiO₂, Al₂O₃, ZrO₂ und TiO₂.
– Das molare Verhältnis zwischen den organischen Gruppen und den anorganischen Gruppen liegt zwischen 10:90 und 95:5, insbesondere zwischen 40:60 und 75:25, vorzugsweise zwischen 40:60 und 60:40.
– Bei den anorganischen Gruppen handelt es sich um SiO₂ und bei den organischen Gruppen um Epoxidgruppen, wobei das molare Verhältnis SiO₂/Epoxidgruppen zwischen 10:90 und 95:5, vorzugsweise zwischen 40:60 und 60:40 liegt.
– Nanopartikel vom Typ Füllstoffe, Pigmente oder Farbstoffe sind zwischen organischen Gruppen und anorganischen Gruppen eingefügt.
– Die Beschichtung liegt in Form einer Schicht mit einer Dicke unter 100 μm, vorzugsweise unter 30 μm vor.
– Die Beschichtung bedeckt die gesamte Außenfläche des Friktionswerkstoffs.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner eine Reibungskupplung, die mindestens eine Kupplungsscheibe aufweist, welche mit einem Kupplungsbelag der vorangehend beschriebenen Art versehen ist.

Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Kupplungsbelags, wobei die nachstehenden aufeinanderfolgenden Arbeitsschritte durchgeführt werden:

a) Zubereitung einer Sol-Gel-Lösung, die geeignet ist, einen organisch- anorganischen Hybridwerkstoff zu bilden, in dem zwischen den organischen und anorganischen Gruppen covalente oder ionocovalente Bindungen bestehen,
b) Aufbringung eines Films der Sol-Gel-Lösung auf einer Fläche eines Friktionswerkstoffes eines Kupplungsbelags,
c) Härten des Films, um eine Beschichtung aus dem besagten Hybridwerkstoff zu bilden.

Die Sol-Gel-Lösung und/oder die Parameter des Verfahrens sind vorzugsweise so bestimmt, dass der nach Abschluss des Arbeitsschritts c) erhaltene Belag eines oder mehrere der vorerwähnten bevorzugten Merkmale aufweist.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann außerdem vorteilhafterweise eines oder mehrere der folgenden optionalen Merkmale aufweisen:

– Die Sol-Gel-Lösung ist eine Sol-Gel-Lösung der Reihe Protavic^® SG FS oder eine Lösung, die Precursoren der Reihe Protavic^® HSG mit oder ohne Protavic^® OSG-Precursoren enthält.
– Die Sol-Gel-Lösung ist eine Sol-Gel-Lösung Protavic^® SG FS 372.
– Die Sol-Gel-Lösung wird auf den Friktionswerkstoff durch Eintauchen, durch Aufspritzen, durch Aufschleudern, durch Aufstreichen, durch Aufrollen oder durch Siebdruck aufgebracht.
– Beim Arbeitsschritt b) wird der Film auf den beiden Seiten des Friktionswerkstoffs, vorzugsweise auf der gesamten Außenfläche des Friktionswerkstoffs, aufgebracht. Der Film erfüllt somit vorteilhafterweise eine Staubschutzfunktion.
– Beim Arbeitsschritt c) durchläuft die Sol-Gel-Lösung einen Trocknungsvorgang bei einer Temperatur über 90°C und/oder eine Infrarot-, Ultraviolett- oder Radikalbestrahlung.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und dem in 1 dargestellten Diagramm, das die Entwicklung des Reibungskoeffizienten verschiedener Beläge bei Tests mit Simulation des Beginns der Lebensdauer von Kupplungen mit diesen Belägen zeigt.
Beim Sol-Gel-Verfahren handelt es sich um eine bekannte Technik, welche die Herstellung von Werkstoffen aus Lösungen ermöglicht, die metallorganische -M-OR-Precursoren enthalten, wobei gilt:

– M ist ein Metallatom, beispielsweise Al, Ba, Bi, Ce, Cu, Er, Fr, Ga, Ge, Hf, In, La, Mg, Mn, Nb, Nd, Ni, Pb, Pr, Sb, Si, Sn, Sr, Ta, Ti, V, W, Y, Yb, Zn, Zr, und
– -OR ist ein Derivat, beispielsweise Alkoxid (OMe, OEt, OPr, OBu, ...), Carboxylat (Ethylhexanoat ...), beta-Diketonat (acac ...). R ist vorzugsweise eine Alkyl-Gruppe, vorzugsweise Methyl (Me) oder Ethyl (Et).

Beim Sol-Gel-Verfahren finden zwei Arbeitsschritte statt:

– ein Initiierungsschritt, die Hydrolyse, die ausgehend von den Precursoren zur Bildung der Reaktionsfunktionen -M-OH führt, und
– ein Ausbreitungs- oder "Verdichtungsschritt", in dessen Verlauf die M-OH-Gruppen in Brückensauerstoffe umgewandelt werden. Diese Reaktionen führen zur Bildung von immer stärker verdichteten Substanzen, die "Sole" und anschließend "Gele" bilden.

Um einen organisch-anorganischen Hybridwerkstoff zu bilden, werden nach dem Sol-Gel-Verfahren anorganische Bestandteile oder "Gruppen" (Cluster, Aggregate, Makromoleküle) und organische Gruppen (Moleküle, Oligomere, Polymere) miteinander verbunden.
Bei den organisch-anorganischen Hybridwerkstoffen sind insbesondere die erfindungsgemäß eingesetzten Werkstoffe der "Klasse II" hervorzuheben. Bei diesen Werkstoffen sind die Wechselwirkungen zwischen den organischen und anorganischen Gruppen covalente oder ionocovalente Bindungen vom Typ Pfropfen, im Unterschied zu den schwachen Wechselwirkungen vom Typ Einfangen, bei denen es sich um Bindungen des Typs Van der Waals, H-Bindungen oder elektrostatische Bindungen handelt.
Die Herstellung eines Hybridwerkstoffs der Klasse II kann ausgehend von heterofunktionalen Precursoren R'_xM(OR)_n-x erfolgen, wobei eine covalente Bindung zwischen dem Metall-Atom M und einem Kohlenstoffatom des organischen Moleküls R' existiert, oder durch Postfunktionalisierung vorgeformter anorganischer Objekte, durch Pfropfen auf der Oberfläche von Nanopartikeln.
Als Beispiel kann ein Organosilan-Precursor R'-M-(OEt)₃ genannt werden, wobei "M" Si und "Et" eine Ethylgruppe ist.
Bei diesem Precursor handelt es sich um ein organisch modifiziertes Metall-Alkoxid, das eine bereits an nicht hydrolysierbares Siliciumdioxid gebundene organische Gruppe zuführt. Beispiele für diesen Precursor sind 3-Glycidoxypropyltrimethoxysilan und Methacryloxypropyltrimethoxysilan (Epoxy-Basen). Diese Precursoren dienen als Basis für die herkömmlichen Sole-Gele vom Typ Oxopolymere.
Außerdem ist das Alkoxid Si(OR)_x zu nennen, das unter R'_x-Si(OR)_4-x funktionalisiert wird, oder die PMMA-Siliciumdioxid-Systeme, die durch Hydrolyse und Kondensation verschiedener kieselsäurehaltiger Precursoren und von organischen Makromonomeren (zum Beispiel Acryle), die durch Trialkoxysilyl-Gruppen funktionalisiert sind, hergestellt werden.
Außerdem können generell die Organoalkoxyslane R'_4-xSi(OR)_x genannt werden. Diese Moleküle enthalten sowohl hydrolysierbare Funktionen (Si-OR), die zu einem Siliciumdioxid-Netz führen, als auch organische Funktionen (Si-R'), die an dem Siliciumdioxid-Gerüst fixiert bleiben.
Als Beispiel kann außerdem ein Precursor Si-O-M' angeführt werden, bei dem M' beispielsweise Ti, Sn, BuSn oder Mn ist. Dieser durch Funktionalisierung eines Metalloxids aus Oxometall-Clustern erzeugte Pre cursor ermöglicht die Herstellung von Nanoclays, die als Basis für Nanostruktur-Hybridwerkstoffe dienen.
Darüber hinaus können Hybridwerkstoffe aus funktionellen Nanoclays vom Typ Metall-Oxo-organo-Cluster hergestellt werden, die durch Hydrolyse von Si, Sn, Ti, Zr-Alkoxid gewonnen werden.
Zur Bildung von mesoporösen Filmen können auch in Ethanol solvolysierte Metall-Alkoxide oder Chloride verwendet werden.
Neben den Precursoren kann die Sol-Gel-Lösung außerdem folgendes enthalten:

– einen Strukturfestiger, beispielsweise ein ionisches Tensid (CTBA: Alkyltrimethylammoniumbromid), ein nichtionisches Tensid (vom Typ Brij), zum Beispiel Butoxyethanol, und Blockcopolymere. Ein Strukturfestiger erlaubt es, die Struktur des Films zu verändern;
– Wasser, um die Hydrolyse als Voraussetzung für die Kondensation einzuleiten;
– ein Benetzungsmittel, zum Beispiel Ethanol;
– einen Inhibitor für die Kondensationsreaktionen, zum Beispiel HCl, um die Stabilität des in Lösung befindlichen Gemisches zu verbessern;
– einen Katalysator, zum Beispiel vom Typ Si-O-M;
– Alkohol-Lösungsmittel.

Art und Menge der Bestandteile der Sol-Gel-Lösung zur Herstellung eines mesoporösen Werkstoffs der Klasse II sowie ihre jeweiligen Zubereitungsverfahren sind den Herstellern bekannt.
Als Beispiele für Katalysatoren können, nur als Beispiel, H⁺ (beispielsweise über HCl), Ti⁴⁺ (TiCl₄) und Bor (BF₃.OEt₂) genannt werden, insbesondere für Hybridwerkstoffe auf der Basis von Siloxan-Epoxy-Aluminiumalkoxid-Copolymere.
Die organischen Gruppen können auch polymerisierbar sein (Vinyl, Epoxid, Methacrylat). Es ergibt sich dann eine doppelte Vernetzung, organisch und anorganisch, die zu echten organisch-anorganischen Copolymeren führt. Die Hybridwerkstoffe der Klasse II bilden daher Nanoverbundstoffe, in denen die anorganischen und organischen Gruppen auf Molekül-Ebene gemischt sind.
Für eine vollständigere Beschreibung der organisch-anorganischen Hybridwerkstoffe, wobei zwischen den organischen und anorganischen Gruppen covalente oder ionocovalente Bindungen bestehen, kann auf den Tätigkeitsbericht "Rapport d'activité 2000-2003" des Laboratoire de chimie de la matiére condensée UMR 7574 Université Pierre & Marie Curie, insbesondere auf die Abschnitte III.2 Seite 16, II.2 Seite 8 und IVI.1.c Seite 105-106, sowie auf die in diesem Bericht zitierten Dokumente verwiesen werden.
Erfindungsgemäß wird der Friktionswerkstoff eines Kupplungsbelags, wenigstens teilweise, mit einer Schicht aus einem nach dem Sol-Gel-Verfahren hergestellten organisch-anorganischen Hybridwerkstoff der Klasse II überzogen. In dieser Schicht sind daher die organischen und anorganischen Gruppen durch covalente oder ionocovalente Bindungen aneinander gebunden.
Zur Herstellung eines solchen erfindungsgemäßen Belags kann nach den nachstehenden aufeinanderfolgenden Arbeitsschritten vorgegangen werden:

Beim Arbeitsschritt a) ist die Auswahl der Sol-Gel-Lösung nicht eingeschränkt, und es können alle im Handel erhältlichen Lösungen in Betracht gezogen werden. Für die Zubereitung einer geeigneten Sol-Gel-Lösung, beispielsweise zur Herstellung eines dichten oder mesoporösen Werkstoffs, ist auf die Vorschriften der Hersteller zu verweisen.
Die bevorzugten Sol-Gel-Lösungen werden aus der Reihe PROTAVIC^® SG FS ausgewählt, die von der Firma PROTAVIC (Frankreich) hergestellt und zur Verbesserung der Kratzfestigkeit empfohlen wird.
Eine bevorzugte Sol-Gel-Lösung ist eine Lösung, die Precursoren der Reihe Protavic^® HSG enthält.
Bei Protavic^® HSG handelt es sich um ein Polysiloxan, das durch eine organische Gruppe wie 3-Glycidoxypropyltrimethoxysilan oder organische Farbstoffe modifiziert oder mit Seltenerde-Ionen geimpft ist.
Durch Hydrolyse führen die Protavic^® HSG-Precursoren zu stabilen Oligomeren, die unter der Bezeichnung Protavic^® OSG verkauft werden, wobei auch Protavic^® OSG-Precursoren vorhanden sein können. Die Kondensation des Protavic^® OSG führt zur Bildung eines Gels, das auch unter der Formulierung Protavic^® SGF im Handel erhältlich ist.
Nach Maßgabe der jeweiligen Anwendungsbedingungen ist die beim Arbeitsschritt a) zubereitete Lösung daher vorzugsweise eine Lösung von Precursoren wie eine Sol-Gel-Lösung Protavic^® HSG, von stabilen Oligomeren wie Protavic^® OSG oder eine Sol-Gel-Lösung Protavic^® SGF, insbesondere SG FS, oder auch ihre Mischung.
In den bevorzugten Substanzen reagieren die M(OR)-Teile, um ein anorganisches Polymernetz zu bilden. Die anorganischen Gruppen sind covalent oder ionocovalent an dieses Netz gebunden.
Die organische Basis besteht vorzugsweise aus Epoxid- und/oder Acrylgruppen. Die anorganische Basis besteht vorzugsweise aus SiO₂, Al₂O₃, ZrO₂, TiO₂, Polyurethan oder ihren Mischungen.
Außerdem enthalten die anorganischen Gruppen vorzugsweise Si, und die organischen Gruppen umfassen vorzugsweise Epoxidgruppen. Darüber hinaus können Nanofüllstoffe zugesetzt werden, um die mechanische Festigkeit der Beschichtung und ihre Abriebfestigkeit zu erhöhen.
Das molare Verhältnis zwischen den organischen Gruppen und den anorganischen Gruppen wird in Abhängigkeit von der gewünschten Flexibilität bestimmt. Dieses Verhältnis liegt vorzugsweise zwischen 40:60 und 75:25. Die Erfinder haben in diesem Zusammenhang festgestellt, dass ein molares Verhältnis von 25:75 zwischen den organischen Gruppen und den anorganischen Gruppen es nicht oder kaum ermöglicht, die Ausbreitung von Rissen am Übergang zwischen der Beschichtung und dem Friktionswerkstoff des Belags zu begrenzen.
Bei Verhältnissen von 50:50 und 75:25 haben die Erfinder festgestellt, dass die während der Tests ausgeübte Eindruckbeanspruchung nicht ausreicht, um einen Riss auszubreiten. Ein Verhältnis von 50:50 wird insgesamt bevorzugt.
Die bevorzugte Lösung ist die Lösung PROTAVIC^® SG FS372. Dabei handelt es sich um ein Hybrid-Sol-Gel vom Typ SiO₂ und Epoxid, in einem molaren Verhältnis zwischen 40:60 und 60:40. Dieses Sol-Gel enthält Si-(OR)-Teile, (insbesondere 3-Glycidoxypropyltrimethoxysilan, Methacryloxypropyltrimethoxysilan, Tetraalkoxysilan), einen Katalysator (zum Beispiel HCl, TiCl₄, BF₃.OEt₂) und einen Härteverstärker vom Typ Me-(OR) ohne Hinzufügung spezifischer Zusatzstoffe des Typs Farbstoff usw.
Die Si-(OR)-Teile verdichten sich, um ein anorganisches Siliciumdioxid-Netz zu bilden, an dem organische Gruppen aufgepfropft sind. Unter bestimmten Bedingungen ist jedoch in Betracht zu ziehen, dass sich Nanoclays bilden, die aus einer Verbindung von Siliciumdioxid-Molekülen und organischen Gruppen bestehen.
Diese Lösung wird gebrauchsfertig geliefert.
Entsprechend dem Sicherheitsdatenblatt und dem technischen Datenblatt handelt es sich bei dem Produkt SG FS372 um ein metallorganisches Copolymer in Lösungsmittelphase, das folgendes enthält:

– Butoxyethanol, ersetzbar durch ein Methoxypropanol, in einem Anteil von 30-40 Gewichtsprozent, um die Ablagerung und die Bildung des Films zu erleichtern;
– Methanol, ersetzbar durch Ethanol, in einem Anteil von 20-25 Gewichts-%,
– ein aliphatisches Keton in einem Anteil von 12,5-15 Gewichts-%
– und einen aliphatischen Alkohol in einem Anteil von 12,5-15 Gewichts-%.

Seine Dichte beträgt etwa 1 g/cm³. Seine Viskosität liegt unter 100 mPas bei 20°C.
Beim Arbeitsschritt b) kann dieses Produkt auf den Friktionswerkstoff durch Eintauchen (englisch: "dip-coating"), durch Aufspritzen, durch Aufschleudern, durch Aufstreichen, durch Aufrollen oder durch Siebdruck aufgebracht werden. Das Aufstreichen kann vor allem durch Rotationsbeschichtung (englisch: "spin coating") oder Laminar Flow-Beschichtung (englisch: "laminar flow coating") erfolgen.
Eine Spritzauftragung ist vorteilhaft, um die Kosten und die Aufbringungsmenge zu optimieren.
Die Viskosität der Lösung wird in Abhängigkeit von der benutzten Aufbringungsart nach bekannten Methoden eingestellt.
Das Sol-Gel kann in einer oder mehreren Schichten aufgebracht werden.
Beim Arbeitsschritt c) kann die Sol-Gel-Lösung nach der Aufbringung auf dem Friktionswerkstoff an der freien Luft trocknen, was ausreicht, um den anorganischen Teil zu polymerisieren. Um aber den organischen Teil zu polymerisieren, der beispielsweise die wasserabweisende Eigenschaft herbeiführt, kann es außerdem erforderlich sein, einen Warmhärtevorgang durchzuführen, vorzugsweise einen Trocknungsvorgang bei einer Temperatur über 90°C, und/oder Infrarot- (IR), Ultraviolett- (UV) oder Radikalbestrahlung in Abhängigkeit von den jeweiligen organischen Gruppen.
Eine Ausfällung mittels eines Tensids, beispielsweise vom Typ CTBA, Brij oder Pluronic^® ist ebenfalls möglich. Letzteres ermöglicht vorteilhafterweise die Herstellung einer Mikrostruktur-Beschichtung.
In diesem Stadium ist die Struktur der Hybrid-Beschichtung SGFS Protavic^® dicht und für die angestrebte Aufbringung gut geeignet.
Während des Arbeitsschritts c) wird der Lösungsfilm in eine feste einlagige Beschichtung umgewandelt, die aus einer Verbindung organischer und anorganischer Teile besteht und die nach Maßgabe der jeweiligen Herstellungsbedingungen ein dichtes oder mesoporöses, wobei die Poren dann größer als 20 Angström sind, und/oder mesostrukturiertes Netz bildet.
Wahlweise kann die Beschichtung noch eine zusätzliche Wärmebehandlung durchlaufen, um den organischen Teil zu beseitigen und eine mesoporöse anorganische Beschichtung bestehen zu lassen. Diese Behandlung ermöglicht es vorteilhafterweise, die Poren freizugeben und das Netz zu verfestigen.
Die Beschichtung kann die Reibfläche des Belags vollständig oder teilweise, aber vorzugsweise auch beide Seiten des Belags bedecken. Sie ermöglicht somit eine "Fixierung" der Glasfasern und des Bearbeitungsstaubs (Harz, Ruß usw.) an der Oberfläche der geschliffenen Beläge. Sie bildet daher vorteilhafterweise eine Staubschutzbehandlung des Belags, die für die weiteren Handhabungen des Belags von Nutzen ist.
Die Härte der Beschichtung, gemessen durch Nano-Eindruck auf einem 1 μm dicken Hybridfilm, beträgt 500 bis 1.200 MPa.
Entsprechende Versuche haben gezeigt, dass die Beschichtung ein schnelles Einfahren unter extremen Temperaturbedingungen (60°C bis 400°C) ermöglicht, ohne eine erhebliche Komfortbeeinträchtigung, insbesondere im Kaltzustand, zu verursachen.
Außerdem wird die Sol-Gel-Beschichtung vorteilhafterweise beim Einfahren vollständig aufgebraucht, im Unterschied zu den abrasiven Füllstoffen nach dem Stand der Technik, die dazu neigen, den Friktionswerkstoff zu durchdringen und die Gegenmaterialien aus Gusseisen dauerhaft abzunutzen.
Die nachfolgenden Beispiele werden zur Veranschaulichung und ohne einschränkende Wirkung für die Erfindung angeführt.
Eine Beschichtung aus Protavic^® SG FS372 ist von Hand mittels Schaumstoffrolle oder durch einige Sekunden langes Eintauchen in die Produktlösung auf nach dem Schleifvorgang, aber vor jeder Staub schutzbehandlung entnommenen Kupplungsbelägen aus F810DS (durch die Firma VALEO vertriebenes Material) aufgebracht worden.
Die Lösung dringt in die offenen Poren an der Oberfläche des Reibbelags ein, da sie eine geringe Viskosität aufweist, mit einer entsprechenden Verbesserung der Leistungen des Belags auf einigen μm, woraufhin sie einen dünnen Film bildet, der den Belag bedeckt.
Das aufgetragene Feuchtgewicht wurde kontrolliert, um die Reproduzierbarkeit sicherzustellen. Es wurden zwischen 3 und 5 mg Lösung pro cm² beschichtete Belagfläche aufgebracht. Die Eigenschaften des Produkts (Trockenextrakt, Dichte) wurden bestimmt, um eine Solldicke von 40 μm zu erhalten.
Im Anschluss an die Aufbringung wurde der Film 45 Minuten lang bei 130°C im Trockenofen getrocknet.
Im Unterschied zu einer Schicht nur aus reinem Epoxidharz stellt sich die Beschichtung als eine Schicht mit glatter Oberfläche dar.
Für die Vergleichsbeispiele wurden die Auftragungen auf dem gleichen Posten Beläge F810DS ausgeführt.
Die Beläge wurden mit einer Mischung aus Epoxidharz und nanopartikulärem Siliciumdioxid überzogen, um eine gute Dispersion zu erhalten, wie sie mit Sol-Gel-Zusammensetzungen (Nanoverbundstoffen) erzielt wird. Dabei wurde das durch die Firma Degussa vertriebene nanopartikuläre Siliciumdioxid Aerosil^® OX50 verwendet. Die Partikel weisen einen mittleren Durchmesser von 40 nm und eine spezifische Oberfläche von 50 m²/g auf.
Die Mischung wurde durch Zusatz des Siliciumdioxids in ein durch die Firma EPIREZ vertriebenes Epoxidharz bei Raumtemperatur während einer Dauer von einigen Minuten unter mechanischem Rühren herge stellt. Eine erste Mischung wurde mit 5 Gewichts-% Siliciumdioxid, eine zweite Mischung mit 10 Gewichts-% zubereitet. Den Mischungen wurde entsprechend den Vorschriften des Harz-Herstellers ein Katalysator zugesetzt.
Die Mischung durchdringt den Belag weniger gut als die Sol-Gel-Lösung. Sie neigt dazu, leichter an der Oberfläche zu verbleiben, wie Harz allein.
Nach dem Härten lag die Dicke der Beschichtung theoretisch bei 40 μm.
Als Referenz dient ein unbeschichteter Belag F810DS.
Der Reibungskoeffizient wurde in Abhängigkeit von der Anzahl der Kupplungszyklen gemessen. Ein Kupplungszyklus wurde simuliert, indem eine Energie von 9 kJ auf die getesteten Beläge übertragen wurde. Nach 100 Zyklen bei 60°C wurde die Temperatur auf 100°C erhöht, um eine Situation zu simulieren, bei der mehrere Kupplungsvorgänge nacheinander stattfinden.
Der Test erfolgte mit einem neuen Belag, wobei der erste Abschnitt 9 kJ-60°C dem Einfahren zu Beginn der Lebensdauer des Belags entspricht.
Das Optimum für den Reibungskoeffizienten liegt bei etwa 0,5 bzw. 0,6 während der ersten 50 Kupplungszyklen bei 9 kJ-60°C. Anschließend müsste sich dieser Koeffizient dem des Referenzmaterials annähern.
1 fasst die ermittelten Ergebnisse zusammen. Dabei ist festzustellen, dass der erfindungsgemäße Reibbelag ein unübertroffenes Leistungsniveau aufweist:
Sein Reibungskoeffizient liegt bereits beim zweiten Zyklus über 0,5. Nach den ersten 50 Zyklen bei 60°C ist er größer als 0,57, während die mit einer Mischung aus Epoxidharz und 5 bis 10 % Aerosil^® OX50 beschichteten Beläge Koeffizienten von 0,41 bzw. 0,38 aufweisen. Der Koeffizient des Referenzbelags beträgt hingegen 0,34.
Die Beschichtung des erfindungsgemäßen Belags verschwindet dann allmählich, und der Reibungskoeffizient des erfindungsgemäßen Belags nimmt ab, um sich dem des Referenzbelags anzunähern. Dieser Effekt ermöglicht vorteilhafterweise die einfache Beseitigung einer eventuellen Fettschicht, die bei bestimmten Kupplungen als Korrosionsschutz verwendet wird, ohne Einbußen bei der Anfahrreibung.
Es ist darauf hinzuweisen, dass nach einer Erhöhung der Temperatur auf 100°C das Harz der Vergleichsbeispiele "klebriger" wird und daher die Reibung kurzzeitig beeinflusst. Wenn viel Harz übrig bleibt, kann ein solches Verhalten zu einem Verkleben des Belags am Gegenmaterial führen, was durch den erfindungsgemäßen Belag vermieden wird.
Die vorliegende Erfindung ist natürlich nicht auf die beschriebenen und dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt, die als Beispiele zur Veranschaulichung und ohne einschränkende Wirkung angeführt werden.
Legende zur Grafik von 1:

–––– Referenz
–..- SOL-GEL PROTAVIC Serie SG FS polymerisiert bei 130°C
- - - Epoxidharz EPIREZ 5003-W-55 + Katalysatoren + 5 Gewichts
–––– prozent Aerosil^® DEGUSSA OX50 Epoxidharz EPIREZ 5003-W-55 + Katalysatoren + 10 Gewichtsprozent Aerosil^® DEGUSSA OX50

Claims

Kupplungsbelag mit einem Friktionswerkstoff, der, wenigstens teilweise, mit einer Beschichtung aus einem organisch-anorganischen Hybridwerkstoff überzogen ist, wobei zwischen den organischen und anorganischen Gruppen covalente oder ionocovalente Bindungen bestehen.
Kupplungsbelag nach Anspruch 1, bei dem der besagte Werkstoff mesostrukturiert und/oder dicht oder mesoporös ist.
Kupplungsbelag nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die organischen Gruppen aus folgenden Gruppen ausgewählt sind: Vinyl, Polyurethan, Acrylat, Methacrylat und andere Acrylat-Derivate, und Epoxid.
Kupplungsbelag nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die anorganischen Gruppen aus den folgenden Gruppen ausgewählt sind: SiO₂, Al₂O₃, ZrO₂ und TiO₂.
Kupplungsbelag nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das molare Verhältnis zwischen den organischen Gruppen und den anorganischen Gruppen zwischen 10:90 und 95:5, vorzugsweise zwischen 40:60 und 60:40, liegt.
Kupplungsbelag nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Beschichtung in Form einer Schicht mit einer Dicke unter 100 μm vorliegt.
Kupplungsbelag nach Anspruch 6, bei dem die Beschichtung in Form einer Schicht mit einer Dicke von unter 30 μm vorliegt.
Kupplungsbelag nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Beschichtung die gesamte Außenfläche des Friktionswerkstoffs bedeckt.
Kupplungsbelag nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die organischen Gruppen mit Elastomeren, insbesondere mit Elastomeren vom Typ NBR modifiziert sind.
Kupplungsbelag nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem Nanopartikel in Form von Füllstoffen und/oder Pigmenten und/oder Farbstoffen zwischen organischen Gruppen und anorganischen Gruppen eingefügt sind.
Reibungskupplung, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens eine Kupplungsscheibe umfasst, die mit einem Kupplungsbelag nach einem der vorangehenden Ansprüche versehen ist.
Verfahren zur Herstellung eines Kupplungsbelags nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es die nachstehenden aufeinanderfolgenden Arbeitsschritte umfasst: a) Zubereitung einer Sol-Gel-Lösung, die geeignet ist, einen organisch-anorganischen Hybridwerkstoff zu bilden, in dem zwischen den organischen und anorganischen Gruppen covalente oder ionocovalente Bindungen bestehen, b) Aufbringung eines Films der Sol-Gel-Lösung auf einer Fläche eines Friktionswerkstoffes eines Kupplungsbelags, c) Härten des Films, um eine Beschichtung aus dem besagten Hybridwerkstoff zu bilden.
Verfahren zur Herstellung eines Kupplungsbelags nach Anspruch 12, bei dem die Sol-Gel-Lösung eine Sol-Gel-Lösung der Reihe Protavic^® SG FS oder eine Lösung, die Precursoren der Reihe Protavic^® HSG mit oder ohne Protavic^® OSG-Precursoren enthält, ist.
Verfahren zur Herstellung eines Kupplungsbelags nach Anspruch 13, bei dem die Sol-Gel-Lösung eine Sol-Gel-Lösung Protavic^® SG FS 372 ist.
Verfahren zur Herstellung eines Kupplungsbelags nach einem der Ansprüche 12 bis 14, bei dem die Sol-Gel-Lösung auf den Friktionswerkstoff durch Eintauchen, durch Aufspritzen, durch Aufschleudern, durch Aufstreichen, durch Aufrollen oder durch Siebdruck aufgebracht wird.
Verfahren zur Herstellung eines Kupplungsbelags nach einem der Ansprüche 12 bis 15, bei dem im Arbeitsschritt b) der Film der Sol-Gel-Lösung auf den beiden Seiten des Friktionswerkstoffs, vorzugsweise auf der gesamten Außenfläche des Friktionswerkstoffs, aufgebracht wird.
Verfahren zur Herstellung eines Kupplungsbelags nach einem der Ansprüche 12 bis 16, bei dem im Arbeitsschritt c) die Sol-Gel-Lösung einen Trocknungsvorgang bei einer Temperatur von über 90°C und/oder eine Infrarot-, Ultraviolett- oder Radikalbestrahlung durchläuft.