DE102008002279A1

DE102008002279A1 - Reibbelag aus einem Verbundwerkstoff

Info

Publication number: DE102008002279A1
Application number: DE102008002279A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Stolz; Matthias Leonhardt; Marco Baccalaro; Rolf Speicher
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-06-06
Filing date: 2008-06-06
Publication date: 2009-12-10
Also published as: WO2009147035A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Reibbelag, welcher insbesondere als Brems- oder Kupplungsbelag in Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommen kann, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Reibbelags nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche. Vorgeschlagen wird ein Reibbelag (200) aus einem Verbundwerkstoff mit einer netzartigen Grundstruktur (210a) und einem in der Grundstruktur (210a) enthaltenden Füllmaterials (210b). Dabei enthält die Grundstruktur (210a) eine Keramik und/oder eine kupferfreie Metalllegierung und/oder ein Gemisch eines Metalls mit einer Keramik.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Reibbelag, welcher insbesondere als Brems- oder Kupplungsbelag in Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommen kann, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Reibbelags nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
Hohe Reibwerte bei möglichst minimalem Verschleiß sind gefordert bei Werkzeuggeräten zum Materialabtrag wie zum Beispiel bei Schleifgeräten. Andere Beispiele sind Kupplungen oder Bremsen, die die Reibkraft zum Übertragen von Momenten bzw. zum Beschleunigen oder Abbremsen von Bauteilbewegungen nutzen. Für ein erforderliches Reib- und Verschleißverhalten von Bauteilen kommen abgestimmte funktionale Beläge zum Einsatz. Konventionelle Beläge sind aus einer Vielzahl von Werkstoffkomponenten aufgebaut, wobei jede Werkstoffkomponente anteilig zur Erfüllung bestimmter Anforderungen an die Belageigenschaften beiträgt.
1 zeigt schematisch einen typischen Aufbau eines Bremsbelages 100, wie er üblicherweise als Reibbelag in Kraftfahrzeugbremsen zum Einsatz kommt. Typisch ist der schichtweise Aufbau des Bremsbelages, wobei die einzelnen Schichten in der Regel ganz bestimmte Funktionen übernehmen. Der Oberflächenkontakt des Bremsbelages 100, zum Beispiel zu einer Bremsscheibe, erfolgt über ein Belagmaterial 10, welches als äußere Schicht vorliegt. Diese Schicht erfüllt hauptsächlich die Anforderung hoher Reibwerte. Darunter ist eine Dämmungsschicht 20a angeordnet, welche in erster Linie die Entstehung von Bremsgeräuschen reduziert. Die Verbindung des Belagmaterials 10 und der Dämmungsschicht 20a mit einer Metallplatte 40 erfolgt über eine Verbindungsschicht 30. Die Metallplatte 40 ist als Trägerbauteil des Bremsbelages 100 ggf. über eine weitere Dämmungsschicht 20b mit einer nicht dargestellten übergeordneten Bremseinheit verbunden.
In der Regel wird eine Vielzahl von Werkstoffkomponenten in den Schichten des Bremsbelages 100 eingesetzt, die zum Beispiel die Wärmeleitfähigkeit, die Festigkeit, das Verschleißverhalten und die Temperaturbeständigkeit des Bremsbelages optimieren. Dabei kommen zum Teil auch Schwermetalle wie Kupfer oder Bronze oder giftige Werkstoffe wie Antimontrisulfid (Sb₂S₃) oder Kaliumtitanat (K₂Ti₈O₁₇) zum Einsatz. Zur Verstärkung der mechanischen Stabilität des Reibbelages, vor allem hinsichtlich auftretender Scherkräfte, werden weiterhin kleinste Glas-, Metall-, Keramik-, Aramid- oder Cellulose-Fasern eingesetzt.
Die Vielzahl dieser eingesetzten Werkstoffkomponenten beeinflusst sich gegenseitig und bestimmt in ihrer Zusammen- und Wechselwirkung die tribologischen Eigenschaften des Reibbelages. Als nachteilig erweist sich der schichtweise Aufbau des Reibbelages, weil über den Querschnitt hinweg kein homogener Strukturaufbau vorliegt. Damit ist eine systematische und gezielte Anpassung des Reibbelages an unterschiedliche Einsatzbedingungen, wie zum Beispiel verschiedene Temperatur- und Druckbedingungen, nur eingeschränkt möglich. Zusätzlich äußert sich die Summe der Eigenschaftsschwankungen der einzelnen Werkstoffkomponenten, zum Beispiel in einem Bremsbelag, in einer großen Bandbreite der letztendlich sich ergebenden Bremseigenschaften des Reibbelages. Dies kann zu Qualitätsproblem bezüglich der vorgesehenen Einsatzfähigkeit der Bremsen führen.
Aus der JP 09059596 ist ein Bremsbelag bekannt, der vom üblichen schichtweisen Belagaufbau abweicht. Als Ausgangskörper des dort aufgeführten Bremsbelages wird ein Metallschaum primär aus einem Reinmetall, wie Kupfer, Eisen, Aluminium oder Zink verwendet. Dieser bildet ein homogenes skelettartiges Verstärkungsgerüst innerhalb des Bremsbelages. Die Poren des Metallschaums werden dann mit verschiedenen Werkstoffkomponenten befüllt, zum Beispiel mit Materialien, die den Reibwert des Bremsbelages einstellen. Diese liegen in Form von Schlicker vor. Durch eine anschließende Wärme- und Druckbehandlung erfolgt die Fertigstellung des Bremsbelages. Zur stoffschlüssigen Anbindung an ein Trägerbauteil, welches wiederum der Verankerung an einer übergeordneten Bremseinheit dient, ist weiterhin eine Verbindungsschicht notwendig.
Der verwendete Metallschaum übernimmt ausschließlich die Aufgabe einer Verstärkungsstruktur für den Bremsbelag, dagegen werden der Verschleißschutz sowie ausreichend hohe Reibwerte ausschließlich durch die Werkstoffzusammensetzung der Füllstruktur bestimmt. Dabei werden sowohl in der Füllstruktur als auch für den Metallschaum unter anderem Schwermetalle wie Kupfer eingesetzt. Die mechanische Festigkeit des Bremsbelages ist begrenzt durch die relativ niedrigen Festigkeitswerte der für den Metallschaum vorgesehenen Reinmetalle. Außerdem bietet der sehr weiche Metallschaum an der Kontaktfläche des Bremsbelages keinen großen Verschleißschutz.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Reibbelag vorzuschlagen, welcher in seinem Aufbau sehr einfach ist und die Einstellung optimaler Belageigenschaften ermöglicht. Ferner besteht die Aufgabe darin, ein Herstellungsverfahren für einen derartigen Reibbelag vorzuschlagen.
Diese Aufgabe wird durch einen Reibbelag und ein Verfahren zur Herstellung desselben mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Der Erfindung liegt dabei der Gedanke zugrunde, dass in einem Reibbelag durch Einsatz einer reduzierten Anzahl an Werkstoffkomponenten die Komplexität der physikalischen Zusammen- und Wechselwirkungen innerhalb der Belagzusammensetzung in vorteilhafter Weise reduziert wird. Demnach und insbesondere dann, wenn der Reibbelag zusätzlich zumindest näherungsweise eine homogene Struktur aufweist, lassen sich die Belageigenschaften gezielt und systematisch günstig beeinflussen.
Vorgeschlagen wird daher ein erfindungsgemäßer Reibbelag aus einem Verbundwerkstoff mit mindestens einer netzartigen räumlichen Grundstruktur und einem darin enthaltenen Füllmaterial. Auf Grund der vorliegenden Homogenität im Belagaufbau wirken sich die Werkstoffeigenschaften der einzelnen im Reibbelag enthaltenen Werkstoffkomponenten im gesamten Reibbelag aus. Es ist besonders günstig, Werkstoffkomponenten vorzusehen, die die erforderlichen Belageigenschaften in Form ihrer Werkstoffeigenschaften bereits kollektiv vereinen. In vorteilhafter Weise ergibt sich so ein Reib belag, der nur wenige Werkstoffkomponenten aufweist. Entsprechend reduziert ist die Wechselwirkung der enthaltenen Werkstoffkomponenten untereinander.
Die Belageigenschaften des erfindungsgemäßen Reibbelages ergeben sich demnach angenähert aus der Summe der Werkstoffeigenschaften der einzelnen enthaltenen Werkstoffkomponenten. In vorteilhafter Weise lassen sich Belageigenschaften systematisch und gezielt einstellen. Dabei lassen sich bestimmte Belageigenschaften wie zum Beispiel hoher Reibwert, günstige Wärmeleitfähigkeit, hohe Festigkeitswerte, gute Temperaturbeständigkeit und optimales Dämmungsverhalten wahlweise auf der Basis der Werkstoffeigenschaften der in der netzartig räumlichen Grundstruktur und/oder der im Füllmaterial vorgesehenen Werkstoffkomponenten erzielen.
In günstiger Weise ergeben sich damit verschiedenste Variationsmöglichkeiten eines Verbundwerkstoffes für den erfindungsgemäßen Reibbelag. Demnach kann in vorteilhafter Weise der erfindungsgemäße Reibbelag flexibel auf den jeweiligen Anwendungsfall ausgelegt werden.
Die reduzierte Anzahl an Werkstoffkomponenten in Verbindung mit dem homogenen Strukturaufbau des Reibbelages ermöglicht innerhalb einer Serienfertigung den Vorteil reproduzierbarer Belageigenschaften. Somit können hohe Qualitätsanforderungen durch den Reibbelag erfüllt werden und dessen fehlerfreie Einsatzfähigkeit gesichert werden.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
So kann in vorteilhafter Weise eine Verbindungsschicht zwischen dem Reibbelag und einem zur Anbindung zum Beispiel an eine übergeordnete Brems- oder Kupplungseinheit vorgesehenen Trägerbauteil entfallen. Dabei kann für die netzartig räumliche Grundstruktur und/oder als eine Werkstoffkomponente des Füllmaterials des Reibbelages der gleiche Werkstoff wie beispielsweise für das Trägerbauteil gewählt werden. Auch ist der Einsatz von Werkstoffen denkbar, die eine stoffschlüssige Verbindung des Reibbelages an das Trägerbauteil, beispielsweise durch Löten, Schweißen oder Sin tern, ermöglichen. Durch den Entfall jeglicher Verbindungsschicht wird der Herstellungsprozess des Reibbelages, beispielsweise als Bremsbelag, vereinfacht.
Ferner ist von Vorteil, wenn der erfindungsgemäße Reibbelag zusätzlich solche Eigenschaften aufweist, die den Anforderungen an ein Trägerbauteil genügen. Um dies zu erreichen, werden für die netzartig räumliche Grundstruktur des Reibbelages beispielsweise Legierungen gewählt, die hohe Festigkeitswerte aufweisen, wie zum Beispiel Eisenlegierungen. Infolge dessen weist der Reibbelag bereits eine hohe mechanische Stabilität insbesondere gegenüber Scherkräften auf, so dass eine direkte Anbindung beispielsweise an eine übergeordnete Brems- oder Kupplungseinheit erfolgen kann. Demnach kann auf den Einsatz eines Trägerbauteiles als separates Bauteil verzichtet werden.
Eine andere Ausführungsform sieht vor, dass das Trägerbauteil in baulicher Einheit mit dem Reibbelag ausgebildet ist. Es ist vorteilhaft, wenn das Trägerbauteil in diesem Fall aus dem Füllmaterial, welches auch in der Grundstruktur beinhaltet ist, gefertigt ist. Auf diese Weise kann beim Befüllen der Grundstruktur mit dem Füllmaterial gleichzeitig auch das Trägerbauteil in physischen Kontakt mit der Grundstruktur ausgebildet werden. Die Anbindung des Trägerbauteiles an den Reibbelag ist besonders dann gewährleistet, wenn das Füllmaterial für die Grundstruktur und für das Trägerbauteil in einem Fertigungsschritt vergossen wird.
Eine alternative Ausführungsform sieht vor, dass ein mit dem Reibbelag in Kontakt stehendes Trägerbauteil aus einem Trägermaterial gefertigt ist. Das Trägermaterial kann eine andere Materialzusammensetzung aufweisen, als das in der netzartig räumlichen Grundstruktur enthaltene Füllmaterial. Besonders günstig sind Werkstoffe als Trägermaterial, die zumindest im Kontaktbereich mit dem erfindungsgemäßen Reibbelag eine stoffliche Verbindung mit diesem eingehen; insbesondere mit der netzartig räumlichen Grundstruktur und/oder dem darin enthaltenen Füllmaterial. Zusätzlich sind Werkstoffe als Trägermaterial geeignet, die eine für ein Trägerbauteil erforderliche Festigkeit, insbesondere gegenüber Scherkräften, aufweisen. Dabei kommen als Trägermaterial bevorzugt Polymere in Frage, bevorzugt aus der Gruppe der Duroplaste, wie Phenolharze oder Polyesterharze.
In vorteilhafter Weise kann der erfindungsgemäße Reibbelag Dämmungseigenschaften aufweisen, die bei einem in bekannter Form ausgeführten Belagaufbau von einer separaten Dämmungsschicht übernommen werden. So ist es möglich, den Verbundwerkstoff des Reibbelages gezielt mit einer gewünschten Kompressibilität zu versehen. Die Kompressibilität lässt sich beispielsweise über die Ausbildung der netzartig räumlichen Grundstruktur einstellen. Vor allem können durch den gewählten Werkstoff, die Porosität, die Porengröße und die Stegdicke der Grundstruktur die Dämmungseigenschaften positiv beeinflusst werden. Zusätzlich können entsprechende dämmungsoptimierende Werkstoffe als Bestandteil des Füllmaterials vorgesehen werden. Insbesondere zeigen Polymere, insbesondere Elastomere, gute Dämmungseigenschaften. Die homogene Belagsstruktur unterstützt eine stabile und gleichverteilte Dämmungswirkung innerhalb des vorgeschlagenen Reibbelages.
Infolge der Reduzierung der Anzahl an Werkstoffkomponenten ergibt sich insofern auch ein Zugewinn an Bauraum, der in vorteilhafter Weise einer dem Reibbelag übergeordneten Systemeinheit für weitere Funktionen zu Verfügung steht.
In vorteilhafter Weise ergibt sich erfindungsgemäß ein Reibbelag, bei dessen Herstellung auf Schwermetalle wie Kupfer und andere gesundheitsschädliche Werkstoffe verzichtet werden kann. Gleichzeitig sind alle erforderlichen Belageigenschaften, wie beispielsweise hoher Reibwert, günstige Wärmeleitfähigkeit, hohe Festigkeitswerte, gute Temperaturbeständigkeit und optimales Dämmungsverhalten aufgrund des Aufbaus des Reibbelages und der darin verarbeiteten Werkstoffkomponenten abgedeckt. Zusätzlich ermöglicht der erfindungsgemäße Reibbelag ein gegenüber dem Stand der Technik vereinfachtes Fertigungsverfahren zum Erzeugen desselben. Kennzeichnend ist die geringe Anzahl an Verfahrensschritten, die auf kostengünstigen Technologien beruhen. So kann zum Beispiel das Einbringen des Füllmaterials in die netzartige räumliche Grundstruktur durch in der Kunststofftechnik verwendete Verfahren, wie Extrusion, Spritzguss, Transfermoulding, Tauchprozesse, Einsatz von Gießharzen, Powder Injection Moulding (PIM) usw. erfolgen.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in nachfolgender Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
1 schematisch einen Reibbelag gemäß Stand der Technik mit schichtweisem Belagaufbau in einem Längsschnitt,
2 einen Reibbelag im Längsschnitt vor und nach einer Befüllung mit einem Füllmaterial gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
3a ein Werkzeug mit einem eingelegten Grundkörper mit einer Grundstruktur vor dem Befüllen mit einem Füllmaterial im Längsschnitt,
3b ein gemäß 3a hergestellter Reibbelag im Längsschnitt,
4a ein Werkzeug mit einer eingelegten ein Füllmaterial enthaltenden Grundstruktur vor dem Befüllen mit einem Polymer im Längsschnitt,
4b ein gemäß 4a hergestellter Reibbelag im Längsschnitt.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 2 ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Reibbelages 200 gezeigt, wie er insbesondere im Zusammenwirken mit einem Bremsklotz in einer Bremseinheit oder mit einer Kupplungsscheibe einer Kupplungseinheit bei Kraftfahrzeugen verwendet werden kann.
Mit 210a wird eine netzartig räumliche Grundstruktur bezeichnet. Die Grundstruktur 210a entspricht von der Art her einem Festkörper, der mit zueinander räumlich weitgehend in Verbindung stehenden Hohlräumen durchzogen ist. Demnach sind diese Hohlräume komplementär durch eine feste Materie umgeben. Diese netzartig räumliche Grundstruktur 210a aus fester Materie kann sowohl durchgehend verbunden ausge führt sein als auch lokale, nicht in Verbindung stehende Strukturbereiche aufweisen. Die Hohlräume der Grundstruktur 210a sind vorzugsweise mit einem Füllmaterial 210b infiltriert. Hierfür ist eine offenporige Ausführung der Grundstruktur 210a vorteilhaft. Über eine Verbindungsschicht 30 ist die Grundstruktur 210a und das darin enthaltene Füllmaterial 210b beispielsweise mit einem Trägerbauteil 40 verbunden. Das Trägerbauteil 40 gewährleistet die Anbindung des Reibbelages 200 an eine übergeordnete Funktionseinheit, zum Beispiel an eine nicht dargestellte Brems- oder Kupplungseinheit.
Die Grundstruktur 210a erleichtert die Infiltration mit einem Füllmaterial 210b durch einen möglichst hohen Grad an Durchlässigkeit. Vorgeschlagen wird daher eine Porosität der Grundstruktur von 50–95 Vol.%.
Es sind verschiedene Ausführungsformen einer Grundstruktur 210a denkbar. Eine erste Ausführungsform sieht Fasern vor, die statistisch räumlich zueinander angeordnet sind. Dabei ist die Verwendung ausschließlich gleichartiger Fasern denkbar oder die Verwendung mindestens zweier, in Werkstoff, Länge bzw. Faserstärke unterschiedlicher Fasern. So können durch Verwendung unterschiedlicher Fasern unterschiedliche Funktionen der Grundstruktur 210a realisiert werden, z. B. durch Verwendung metallischer Fasern eine ausgeprägte Wärmeleitfähigkeit und/oder durch Verwendung keramischer Fasern eine hohe Festigkeit des Reibbelages 200. Vorteilhaft ist, wenn die Fasern Langfasern sind und musterartig miteinander verflochten sind, beispielsweise in Form eines Gewebes oder eines Geleges. Denkbar ist ebenfalls eine Orientierung der Fasern in eine Vorzugsrichtung in Form einer unidirektionalen Schicht, um die im Anwendungsfall im Reibbelag 200 auftretenden Kräfte richtungsoptimiert aufnehmen zu können.
Gemäß einer weiteren möglichen Ausführungsform ist die netzartig räumliche Grundstruktur 210a als Sinterkörper ausgeführt. Dieser weist eine höhere mechanische Grundfestigkeit auf, da die verwendeten Pulverteilchen während eines Sintervorgangs stofflich miteinander verbundene Kontaktstellen ausbilden. Dabei ist die Verwendung ausschließlich gleichartiger Pulverteilchen denkbar oder alternativ die Verwendung mindestens zweier, hinsichtlich des Werkstoffs, ihres Anteils bzw. ihrer Partikelgröße differierender Pulverteilchen. So können durch Verwendung unterschiedlicher Pulver teilchen unterschiedliche Funktionen der Grundstruktur 210a realisiert werden, z. B. durch Einsatz metallischer Pulverteilchen eine ausgeprägte Wärmeleitfähigkeit und/oder durch Einsatz keramischer Pulverteilchen eine hohe Verschleißfestigkeit des Reibbelages 200.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Grundstruktur 210a ist diese als Schaumkörper ausgeführt. Die Herstellung erfolgt durch physikalisches, chemisches oder mechanisches Schäumen, insbesondere mittels Negativumformung von Polymerschäumen durch Metall und/oder Keramikschlicker. Der Schaumkörper zeigt sehr gute mechanische Festigkeitswerte aufgrund der Ausbildung einer homogenen und stofflich durchgehend zusammenhängenden Netzstruktur. Dabei ist die Verwendung einer ausschließlich aus einem Werkstoff bestehenden Schaumstruktur denkbar oder die Verwendung mindestens zweier, hinsichtlich ihres Werkstoffs oder ihres Volumenanteils unterschiedlicher Schaumstrukturen. Die mindestens zwei Schaumstrukturen sind statistisch räumlich zueinander ausgebildet und bilden zusammen eine netzartig räumliche Gesamtstruktur als Grundstruktur 210a. So können durch Verwendung unterschiedlicher Schaumstrukturen unterschiedliche Funktionen der Grundstruktur 210a realisiert werden, z. B. durch Verwendung einer ersten metallischen Schaumstruktur aus einer hochfesten Metalllegierung eine Trägerstruktur für den Reibbelag 200 mit einer hohen mechanischen Stabilität und durch Verwendung einer zweiten, durch eine Voroxidation dann Oxide aufweisenden metallischen Schaumstruktur darüber hinaus hohe Reibwerte.
Des Weiteren sind Ausführungsformen einer Grundstruktur 210a denkbar, die eine Kombination von räumlich angeordneten Fasern und/oder einem Sinterkörper und/oder einem Schaumkörper vorsehen. In der Regel erfordert eine derartige Kombination einen erhöhten Fertigungsaufwand.
Für die Grundstruktur 210a kommen verschiedene Werkstoffe in Betracht. Geeignet sind Keramiken und/oder kupferfreie Metalllegierungen und/oder Gemische eines Metalls mit einer Keramik. Als günstig erweisen sich bei einer vollständig oder anteilig metallisch ausgeführten Grundstruktur 210a Al, Fe, Ni und/oder deren Legierungen. Die Werkstoffkomponenten für die Grundstruktur 210a tragen insbesondere dazu bei, innerhalb des erfindungsgemäßen Reibbelages 200 eine Trägerstruktur mit hoher Fes tigkeit, insbesondere gegenüber Scherkräften, auszubilden, optimierte Dämmungseigenschaften und hohe Wärmeleitfähigkeit bereitzustellen sowie hohe Reibwerte zu erreichen. Hohe Reibwerte können beispielsweise realisiert werden, wenn die metallischen Anteile Oxide aufweisen, die durch eine Voroxidation der metallischen Werkstoffkomponenten auf deren Oberfläche ausgebildet werden.
Alternativ kann die Grundstruktur 210a zusätzlich mit einer Beschichtung versehen werden, um die Reibwerte des Reibbelages 200 oder auch andere Belageigenschaften günstig zu beeinflussen. Dabei wird die Beschichtung vorzugsweise durch chemische oder elektrochemische Beschichtungsverfahren aufgebracht.
In die Grundstruktur 210a ist beispielsweise ein Füllmaterial 210b infiltriert, welches die Hohlräume innerhalb der offenporigen Grundstruktur 210a weitgehend oder vollkommen ausfüllt. Für das Füllmaterial 210b kommen verschiedene Werkstoffe in Betracht. So ist als Füllmaterial 210b mindestens ein Polymer, sowie mindestens eine Keramik und/oder mindestens ein Metall geeignet. Dabei verbindet das mindestens eine Polymer die weiteren im Füllmaterial 210b enthaltenen Werkstoffkomponenten miteinander. Der polymere Anteil im Füllmaterial 210b variiert in vorteilhafter Weise in einem Bereich von 5–80 Gew.%. Zweckmäßigerweise werden Polymere aus der Gruppe der Thermoplaste vorgeschlagen, zum Beispiel Polyamide. Des Weiteren werden Polymere aus der Gruppe der Duroplaste vorgeschlagen, beispielsweise Phenolharze oder Polyesterharze. Ferner sind Polymere aus der Gruppe der Elastomere geeignet. Der polymere Anteil im Füllmaterial 210b trägt insbesondere dazu bei, innerhalb des Reibbelages 200 eine hohe Temperaturbeständigkeit, eine Stabilisierung der Festigkeit und optimale Dämmungseigenschaften zu erreichen.
Der keramische Anteil im Füllmaterial 210b kann zwischen 0 und 50 Gew.% betragen. Als Ausgangsmaterial für ein Keramik enthaltendes Füllmaterial 210b können Keramikpartikel, insbesondere sphärische Keramikpartikel, und/oder Keramikfasern dienen. Als besonders vorteilhaft haben sich Oxide erwiesen, wie zum Beispiel Al₂O₃, ZrO₂, SiO₂, MgO, SnO₂ oder TiO₂. Ähnlich geeignet sind auch Nitride oder Carbide, wie zum Beispiel SiC.
Der keramische Anteil im Füllmaterial 210b trägt insbesondere dazu bei, hohe Reibwerte und eine gute Materialhärte des Reibbelages 200 sicherzustellen. Zusätzlich erhöht der keramische Anteil im Füllmaterial 210b die Temperaturbeständigkeit des Reibbelages 200.
Der metallische Anteil des Füllmateriales 210b kann zwischen 0–50 Gew.% betragen. Als Ausgangsmaterial für ein Metall enthaltendes Füllmaterial 210b können vorteilhaft Metallpulver dienen. Als besonders vorteilhaft hat sich Eisen erwiesen. Alternativ ist auch die Verwendung von Si, Al, Zn, Ni oder Mg möglich. Der metallische Anteil im Füllmaterial 210b unterstützt beispielsweise mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit das Abführen der Reibwärme eines sich im Einsatz befindenden Reibbelages 200.
Ferner können dem Füllmaterial 210b anteilig Schmierstoffe beigemengt werden. Der mindestens eine im Füllmaterial 210b enthaltene Schmierstoff kann zur Einstellung eines geeigneten Reibkoeffizienten des Reibbelages 200 genutzt werden. Hierfür kommen beispielsweise Metallsulfide in Frage, beispielsweise MoS₂, Sb₂S₃, Sb₂S₅ oder ZnS, bevorzugt MoS₂. Alternativ kann als Schmierstoff Graphit verwendet werden.
Vorteilhafterweise wird die Zusammensetzung des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffes so gewählt, dass geforderte Belageigenschaften wie ein hoher Reibwert, eine günstige Wärmeleitfähigkeit, hohe Festigkeitswerte, eine gute Temperaturbeständigkeit und ein optimales Dämmungsverhalten ausschließlich durch die Werkstoffeigenschaften der Grundstruktur 210a oder des Füllmaterials 210b erbracht werden. Somit wird die Anzahl der insgesamt im Reibbelag 200 verwendeten Werkstoffkomponenten in günstiger Weise auf ein Minimum reduziert. So kann beispielsweise bei einer Ausführung der Grundstruktur 210a als Keramikschaum auf einen keramischen Anteil im Füllmaterial 210b verzichtet werden. Des weiteren ist bei einer Ausführung der Grundstruktur 210a als Metallschaum ein metallischer Anteil im Füllmaterial 210b nicht erforderlich. Weist der Metallschaum aufgrund einer Voroxidation zusätzlich einen oxidischen Anteil auf, kann der keramische Anteil im Füllmaterial 210b ebenfalls entfallen.
Die mit dem Füllmaterial 210b infiltrierte Grundstruktur 210a weist bevorzugt eine Restporosität <= 30 Vol.% auf und bildet im Wesentlichen den der Erfindung zugrundeliegenden Verbundwerkstoff des Reibbelages 200.
Bei eine weiteren Ausführungsform des Reibbelages 200 wird als Werkstoff für die Grundstruktur 210a eine Legierung mit hohen Festigkeitswerten gewählt, z. B. eine Eisenlegierung. Ein solcher vorgeschlagener Reibbelag 200 weist eine hohe Scherfestigkeit auf. Daher kann der Reibbelag 200 in vorteilhafter Weise ohne ein zusätzlich separat angeordnetes Trägerbauteil 40 direkt an beispielsweise eine übergeordnete Bremseinheit angebunden werden.
Nachfolgend sind beispielhaft Zusammensetzungen von Reibbelägen 200 im Sinne der Erfindung aufgeführt.
Beispiel 1
Als Grundstruktur 210a ist ein 316L-Stahlschaum mit einem Anteil von 1–30 Gew.% bezogen auf den zu fertigenden Reibbelag 200 vorgesehen. Der Stahlschaum erfüllt primär die Funktion einer Trägerstruktur mit einer hohen Scherfestigkeit. Zusätzlich kann über die gute Wärmeleitfähigkeit entstehende Reibwärme wirkungsvoll abgeführt werden. Außerdem zeigt der Stahlschaum infolge der sich einstellenden Kompressibilität ein günstiges Dämmungsverhalten, wodurch sich die Geräuschentwicklung bei Reibaktivitäten in vorteilhafter Weise reduziert. An den Stahlschaum wird einseitig ein Trägerbauteil 40 aus Stahl angelötet. Demnach kann eine sonst übliche Verbindungsschicht 30 entfallen.
Als Füllmaterial 210b ist eine Mischung aus mehreren Werkstoffkomponenten vorgesehen. Dabei wird als eine erste Werkstoffkomponente beispielsweise Al₂O₃ mit <= 50 Gew.% bezogen auf den zu fertigenden Reibbelag 200 verwendet. Al₂O₃ bildet den keramischen Anteil des Füllmaterials 210b. Durch den keramischen Anteil werden insbesondere hohe Reibwerte im Reibbelag 200 erzielt. Alternativ kann auch SiO₂, SiC, TiO₂, ZrO₂ oder Mischungen dieser Oxide ggf. unter Zusatz von Al₂O₃ enthalten sein. Als weitere Werkstoffkomponente werden zum Erreichen von Schmiereigenschaften dem Füllmaterial 210b Kohlenstoff mit <= 30 Gew.% bezogen auf den zu fertigenden Reibbelag 200 beigemengt. Denkbar ist alternativ oder zusätzlich das Beimischen von MoS₂, Sb₂S₃, Sb₂S₅ oder ZnS. Zum Verbinden der im Füllmaterial 210b enthaltenen Werkstoffkomponenten wird Phenolharz mit einem Anteil von 5–50 Gew.% bezogen auf den zu fertigenden Reibbelag 200 zugesetzt. Das Phenolharz gewährleistet eine hohe Temperaturbeständigkeit und eine hohe Festigkeit. Zum Erreichen günstiger Dämmungseigenschaften kann ggf. ein zusätzliches Polymer, beispielweise Elastomere, mit einem Anteil von <= 30 Gew.% beigemengt werden. Die Befüllung der Grundstruktur 210a mit dem Füllmaterial 210b erfolgt bis zu einer Restporosität des Verbundwerkstoffes von <= 30 Vol.%.
Beispiel 2:
Der vorgeschlagene Reibbelag 200 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen der Ausführungsform in Beispiel 1. Davon abweichend werden durch eine Voroxidation Fe- und Cr-Oxide in situ im Stahlschaum erzeugt. Aufgrund des voroxidierten Stahlschaums können hohe Reibwerte des Reibbelages 200 erzielt werden. Aus diesem Grund kann der keramische Anteil im Füllmaterial 210b entfallen.
Beispiel 3:
Als Grundstruktur 210a ist ein Al₂O₃-Schaum mit einem Anteil von 1–30 Gew.% bezogen auf den zu fertigenden Reibbelag 200 vorgesehen. Der Al₂O₃-Schaum erfüllt primär die Funktion einer Trägerstruktur mit einer ausreichend hohen Scherfestigkeit. Außerdem werden sehr gute Dämmungseigenschaften erzielt. Alternativ sind Schäume aus SiC, SiSiC oder ZrO₂ ähnlich geeignet.
Als Füllmaterial 210b wird eine Mischung aus mehreren Werkstoffkomponenten vorgeschlagen. Als eine erste Werkstoffkomponente wird Eisen mit <= 50 Gew.% bezogen auf den zu fertigenden Reibbelag 200 verwendet. Das Eisen bildet einen metallischen Anteil des Füllmaterials 210b und unterstützt mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit das Abführen der Reibwärme eines sich im Einsatz befindenden Reibbelages 200. Denkbar ist alternativ oder zusätzlich eine Beimischung von Si, Al, Zn, Ni oder Mg.
Zum Erreichen von ausreichenden Schmiereigenschaften wird dem Füllmaterial 210b Kohlenstoff mit einem Anteil <= 30 Gew.% bezogen auf den zu fertigenden Reibbelag 200 beigemengt. Denkbar ist alternativ oder zusätzlich das Beimischen von MoS₂, Sb₂S₃, Sb₂S₅ oder ZnS. Zum Verbinden der im Füllmaterial 210b enthaltenen Werk stoffkomponenten wird Phenolharz mit einem Anteil von 5–50 Gew.% bezogen auf den zu fertigenden Reibbelag 200 zugesetzt. Das Phenolharz gewährleistet eine hohe Temperaturbeständigkeit des zu fertigenden Reibbelages 200. Ebenso wird eine hohe Festigkeit erzielt. Zum Erreichen günstiger Dämmungseigenschaften kann ggf. ein zusätzliches Polymer, wie beispielweise ein Elastomer, mit einem Anteil von <= 30 Gew.% beigemengt werden. Die Befüllung der Grundstruktur 210a mit dem Füllmaterial 210b erfolgt bis zu einer Restporosität des Verbundwerkstoffes von <= 30 Vol.%. Ferner ist ein Trägerbauteil 40 aus Stahl vorgesehen, welches über eine Klebverbindung direkt mit dem Al₂O₃-Schaum und dem Füllmaterial 210b verbunden ist.
Ein generelles Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Reibbelages 200 sieht einen ersten Verfahrensschritt vor, in welchem ein Grundkörper mit einer netzartig räumlichen Grundstruktur 210a gefertigt wird.
In einem zweiten Verfahrensschritt wird ein Füllmaterial 210b hergestellt. Als besonders günstig haben sich als Ausgangsmaterialien für ein Füllmaterial 210b Pulvermischungen erwiesen.
In einem dritten Verfahrensschritt wird die Grundstruktur 210a mit dem Füllmaterial 210b bis zu einer Restporosität von <= 30 Vol.% des sich ergebenden Verbundwerkstoffes befällt. Das Befüllen der Grundstruktur 210a erfolgt zum Beispiel mittels eines Tauchprozesses oder durch Verguss mit einem Gießharz. Voraussetzung hierfür ist eine niedrige Viskosität des Füllmaterials 210b, wie z. B. bei Verwendung von Phenolharzen. Sind dagegen noch weitere Werkstoffe beigemengt, die insbesondere auch eine Erhöhung der Viskosität des Füllmaterials 210b bewirken, ist das Befüllen der Grundstruktur 210a auch druckunterstützt möglich. Hierfür sind Fertigungsverfahren, wie zum Beispiel Extrusion, Spritzguss, Powder Injection Moulding (PIM) und Transfermoulding geeignet. Das Befüllen erfolgt innerhalb eines entsprechenden Werkzeuges 80, in welchem zuvor ein offenporiger Grundkörper mit einer netzartig räumlichen Grundstruktur 210a eingelegt wird und dieser Grundkörper dabei den Innenraum des Werkzeuges formkomplementär im Wesentlichen ausfüllt. Das Befüllen der Grundstruktur 210a mit dem Füllmaterial 210b kann auch derart erfolgen, dass über den Querschnitt der Grundstruktur 210a hinweg eine sich stofflich veränderte Zusammensetzung des Füllmaterials 210b vorgesehen wird. So kann zum Beispiel durch Verwendung einer Zwei komponentenspritzgussmaschine das Mischungsverhältnis zweier Komponenten des Füllmaterials 210b zeitlich variiert oder ein vom ersten Füllmaterial 210b verschiedenes zweites Füllmaterial 210b' verwendet werden. Durch lokale Variation des Füllmaterial 210b über die Grundstruktur 210a sind weitere Optimierungen des Reibbelages 200 bezüglich seiner Belageigenschaften möglich. Beispielsweise kann im äußeren Bereich der Grundstruktur 210a ein reibungsoptimiertes Füllmaterial 210b, beispielsweise mit einem hohen Keramikanteil, vorgesehen werden und im darunterliegenden Bereich ein Füllmaterial 210b zum Erzielen optimaler Dämmungseigenschaften, zum Beispiel durch Zugabe eines hohen Polymeranteils.
In einem bevorzugtem Fertigungsverfahren wird ein Trägerbauteil 40 im Verbund mit dem Reibbelag 200 ausgebildet. Eine Fertigungsvariante sieht dabei vor, das Trägerbauteil 40 im Anschluss der Befüllung der Grundstruktur 210a mit dem Füllmaterial 210b am Reibbelag 200 auszubilden. Dies kann beispielsweise gemäß 3a erfolgen. Dabei wird ein Grundkörper mit einer netzartig räumlichen Grundstruktur 210a in ein entsprechendes Werkzeug 80 eingelegt. Nach dem Einlegen bleibt zumindest ein an den Grundkörper angrenzender stofffreier Werkzeugbereich 85 bestehen. In diesem Bereich des Werkzeuges 80 soll das Trägerbauteil 40 ausgebildet werden. Beim Befüllen des Werkzeuges 80 mit dem Füllmaterial 210b entsteht ein Reibbelag 200 gemäß 3b. Dieser vorgeschlagene Reibbelag 200 weist eine mit dem Füllmaterial 210b infiltrierte Grundstruktur 210a auf. Zusätzlich ist daran angrenzend im Verbund ein Trägerbauteil 40 aus dem Füllmaterial 210b ausgebildet.
4a zeigt eine zur 3a alternative Fertigungsvariante. Dabei erfolgt die Befüllung des Werkzeuges 80 mit dem Füllmaterial 210b derart, dass nur die Grundstruktur 210a mit dem Füllmaterial 210b ausgefüllt wird. Der restliche angrenzende und zu diesem Zeitpunkt stoffleere Werkzeugbereich 85 wird mit einem Trägermaterial 220 befüllt, bevorzugt mit einem Polymer. Dabei ergibt sich ein Reibbelag 200 gemäß der 4b. Im Unterschied zur Ausführungsform gemäß 3b ist das Trägerbauteil 40 des vorgeschlagenen Reibbelages 200 aus einem Trägermaterial 220 als Werkstoff ausgebildet.
Generell kann in vorteilhafter Weise der Reibbelag 200 mit einem ausgebildeten Trägerbauteil 40 mit, insbesondere seitlich, angeordneten Stahl-Verstärkungen 50 zur Erhöhung der Scher- und Druckfestigkeit verstärkt werden.
Nach dem Befüllen der Grundstruktur 210a mit dem Füllmaterial 210b schließt sich ein Aushärteprozess des Füllmaterials 210b und/oder des Trägermaterials 220 an. Dies erfolgt in der Regel in einem Ofen unter Temperatureinwirkung.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 09059596 [0006]

Claims

Reibbelag einer Brems- oder Kupplungseinheit umfassend einen Verbundwerkstoff mit einer netzartig räumlichen Grundstruktur (210a) und einem in der Grundstruktur (210a) enthaltenen Füllmaterial (210b), dadurch gekennzeichnet, dass die Grundstruktur (210a) eine Keramik und/oder eine kupferfreie Metalllegierung und/oder ein Gemisch eines Metalls mit einer Keramik enthält.
Reibbelag nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundstruktur (210a) ein Schaumkörper, ein Sinterkörper oder ein Körper aus räumlich angeordneten Fasern ist.
Reibbelag nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Anteil der Grundstruktur (210a) Al, Fe, Ni und/oder deren Legierungen enthält.
Reibbelag nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Anteil der Grundstruktur (210a) Al₂O₃, Cr₂O₃, SiO₂, SiC, SiSiC und/oder ZrO₂ enthält.
Reibbelag nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial (210b) ein Polymer, sowie eine Keramik und/oder ein Metall enthält.
Reibbelag nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Polymer ein Polyamid, ein Phenolharz oder ein Polyesterharz ist.
Reibbelag nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Polymer als Bindemittel die im Füllmaterial (210b) enthaltenen Werkstoffe miteinander verbindet.
Reibbelag nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial (210b) ein Oxid, ein Nitrid und/oder ein Carbid enthält.
Reibbelag nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial (210b) ein Schmiermittel enthält.
Reibbelag nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff eine Restporosität von <= 30 Vol.% aufweist.
Reibbelag nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Trägerbauteil (40) zur Anbindung des Reibbelages an eine übergeordnete Funktionseinheit vorgesehen ist.
Reibbelag nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerbauteil (40) über eine Verbindungsschicht (30) mit dem Verbundwerkstoff verbunden ist.
Reibbelag nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerbauteil (40) durch Löten oder Sintern mit dem Verbundwerkstoff verbunden ist.
Reibbelag nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerbauteil (40) räumlich im Verbund mit dem Reibbelag angeordnet ist und die Grundstruktur (210a), das Füllmaterial (210b) und/oder ein Polymer enthält.
Verfahren zur Herstellung eines Reibbelages aus einem Verbundwerkstoff nach Anspruch 1 bis 14, mit den Verfahrensschritten: a.) Herstellung eines offenporigen Grundkörpers mit einer netzartig räumlichen Grundstruktur (210a) b.) Herstellung eines Füllmaterials (210b) c.) Befüllen der Grundstruktur (210a) mit dem Füllmaterial (210b)
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensschritt a.) mittels Schäumen, Sintern oder räumlichen Anordnen von Langfasern als Gewebe, als Gelege oder als unidirektionale Schichten erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Schäumen mittels Negativumformung von Polymerschäumen durch Metall- und/oder Keramikschlicker erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundstruktur (210a) mit einer Beschichtung versehen wird.
Reibbelag nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass für den keramischen Anteil des Füllmaterials (210b) sphärische Keramikpartikeln und/oder -fasern verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass im Grundkörper (210a) vor dem Verfahrensschritt c.) eine Voroxidation metallischer Strukturanteile erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensschritt c.) mittels Extrusion, Spritzguss, PIM, Transfer Moulding, Verguss von Gießharzen oder mittels Tauchprozesse erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Befüllen der Grundstruktur (210a) mit einer über den Querschnitt der Grundstruktur (210a) sich ändernden stofflichen Zusammensetzung des Füllmaterials (210b) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass dem Verfahrensschritt c.) ein weiterer Verfahrensschritt angeschlossen ist, in welchem ein Trägerbauteil (40) aus dem Füllmaterial (210b) oder einem Trägermaterial (220) am Verbundwerkstoff ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerbauteil (40) mit seitlich angeordneten Stahl-Verstärkungen (50) versehen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Verfahrensschritt c.) ein Aushärteprozess für das Füllmaterial (210b) und/oder das Trägermaterial (220) erfolgt.
Verwendung eines Reibbelages nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass er innerhalb einer Brems- bzw. Kupplungseinheit eines Kraftfahrzeuges verwendet wird.