DE102017130491A1

DE102017130491A1 - Hybrid-Reibbelagmaterial sowie daraus hergestellte Bremsbeläge und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102017130491A1
Application number: DE102017130491.6A
Authority: DE
Inventors: Marcus Morbach
Original assignee: Federal Mogul Friction Products GmbH
Current assignee: Federal Mogul Friction Products GmbH
Priority date: 2017-12-19
Filing date: 2017-12-19
Publication date: 2019-06-19
Also published as: WO2019120648A1; CN111492149A; CN111492149B; US20210071729A1; US11359688B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Reibbelagmaterialmischung für Brems- oder Kupplungsbeläge, enthaltend 8 bis 22 Volumen-% Bindemittel, 3 bis 12 Volumen-% organische Fasern, I bis 20 Volumen-% weitere organische Verbindungen, 0 bis 20 Volumen-% anorganische Fasern, 5 bis 50 % anorganische Oxide, 0 bis 15 % anorganische Silikate, 1 bis 20 % anorganischer Schwefel oder anorganische Schwefelverbindungen, 0 bis 10 % Metalle oder Metalllegierungen und Füllstoffe, insbesondere Petrolkoks und/oder Baryt. Die aus der erfindungsgemäßen Reibbelagsmaterialmischung hergestellten Reibbeläge zeichnen sich durch eine hervorragende Bremsleistung und einen hervorragenden Bremskomfort aus und vereinigen daher die spezifischen positiven Eigenschaften von sowohl Low Steel (LS) und Non Asbestos Organic (NAO) Materialien.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hybrid-Reibbelagmaterialmischung, welche die spezifischen positiven Eigenschaften von einem stahlarmen Reibbelagmaterial (sog. Low Steel (LS) Reibbeläge oder Reibbelagmaterial) und einem asbestfreien organischen Reibbelagmaterial (sog. Non Asbestos Organic (NAO) Reibbeläge oder Reibbelagmaterial) in sich vereinigt. Die erfindungsgemäße Reibbelagmaterialmischung für Brems- und Kupplungsbeläge wird in Anspruch 1 näher spezifiziert. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung Bremsbeläge, enthaltend eine Trägerplatte und einen an der Trägerplatte befestigten Reibbelag, wobei der Reibbelag aus der vorgenannten Hybrid-Reibbelagmaterialmischung hergestellt ist. Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Bremsbelags unter Verwendung der vorgenannten Hybrid-Reibbelagmaterialmischung.
Hintergrund der Erfindung
Reibbelagmischungen werden für Brems- und Kupplungsbeläge z. B. für den Einsatz in Kraftfahrzeugen benötigt. Übliche Reibbelagrezepturen haben grundsätzlich folgende schematische Zusammensetzung:

- Metalle (als Faser oder Pulver),
- Füllstoffe (inklusiv eventueller anorganischer Fasern),
- Gleitmittel (Festschmierstoffe), wobei als Festschmierstoffe beispielsweise Metallsulfide, gegebenenfalls auch in Verbindung mit Graphit, verwendet werden können,
- organische Bestandteile wie Harze, Kautschuk, organische Fasern (z.B Aramid-, Polyacrylonitril- oder Zellulosefasern), und organische Füllstoffe.

Je nach Anforderungsprofil sind die Rohstoffgruppen unterschiedlich proportioniert.
Bekannter Stand der Technik
Weltweit kommen hauptsächlich zwei Arten von Bremsbelägen in Neuwagen zur Anwendung. Zum Einen finden sich Low Steel (LS)-Bremsbeläge mit höchster Bremsleistung auch bei starker mechanischer und thermischer Belastung. Auch bei hohem Tempo bieten diese Bremsbeläge mit ihren ausgezeichneten tribologischen Eigenschaften große Sicherheit.
Die zweite große Gruppe stellen die sogenannten Non Asbestos Organic (NAO)-Bremsbeläge dar. Diese zeichnen sich durch einen hohen Bremskomfort aus, das heißt, dass sie wesentlich leiser in der Anwendung sind und dass sie auch deutlich weniger Verschmutzung auf den Radfelgen der Fahrzeuge verursachen.
Maßgeblich für das unterschiedliche Verhalten dieser beiden Typen ist das spezifische Materialkonzept bei den Reibmaterialien. Die jeweils spezifische Kombination von reibeffektiven Rohstoffen und Füllstoffen bewirkt eine unterschiedliche Wichtung der tribologischen Haupteffekte (Abrasion und Adhäsion). Eine Kombination der Eigenschaften beider Materialien war bislang nicht möglich.
US 2010/084233 und US 2010/084232 betreffen beide ein asbestfreies (NAO) Reibmaterial für Bremsen, welches im Wesentlichen frei von Kupfer ist. Der Füllstoffgehalt gemäß US 2010/084232 liegt bei 46 bis 64 % der Gesamtzusammensetzung. Optional kann als Füllmaterial Kautschukpulver, Graphit, Petrolkoks, Baryt, Reibungsstaub und Kalkhydrat eingesetzt werden. Als Fasern finden in den beiden genannten Dokumenten Aramidfasern, Polyacrylonitril und Zellulosefasern Verwendung. Stahlfasern werden nicht genannt.
US 2005/004258 beschreibt ein Reibbelagmaterial, welches frei von Kupfer ist, jedoch Edelstahlfasern enthält. Als Füllmaterial wird in US 2005/004258 Graphit mit einem Gehalt von 7 bis 15 Volumen-% verwendet.
WO 2011/131227 beschreibt weiterhin ein Low Steel (LS)-Reibbelagmaterial für Bremsbeläge, welches im Wesentlichen frei von Kupfer ist. Die Kohlenstoffkomponente ist in einer Menge von 36 bis 51 Volumen-% in der dort beschriebenen Zusammensetzung enthalten. Low Steel-Reibbelagzusammensetzungen sind bestimmt für Anwendungen unter hohem Druck und hoher Temperatur und zeigen gute Materialeigenschaften bei hohen Geschwindigkeiten. Derartige Low Steel-Reibbelagmaterialmischungen sind aber nachteilig was den Bremskomfort angeht.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein neues Reibmaterialkonzept zu entwickeln, dass die spezifischen positiven Eigenschaften von sowohl Low Steel (LS) und Non Asbestos Organic (NAO) Materialien in sich vereinigt, also ein Material bereitzustellen, dass sowohl eine ausgezeichnete Bremsleistung als auch einen ausgezeichneten Bremskomfort bereitstellen kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die Merkmale von Anspruch 1 bzw. von Anspruch 17 bzw. von Anspruch 18.
In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung enthalten.
Die vorliegende Erfindung betrifft daher eine Hybrid-Reibbelagsmaterialmischung für mit einem Reibpartner aus Grauguss oder Stahl zusammenwirkende Brems- oder Kupplungsbeläge. Die erfindungsgemäße Reibbelagsmaterialmischung vereinigt die spezifischen positiven Eigenschaften von einem stahlarmen Reibbelagmaterial (Low Steel (LS)) und einem asbestfreien organischen Reibbelagmaterial (Non Asbestos Organic (NAO)). Die erfindungsgemäße Reibbelagsmaterialmischung umfasst, in Volumen-% und bezogen auf die gesamte Reibbelagmaterialmischung:

(a) 8 bis 22 % wenigstens eines Bindemittels,
(b) 3 bis 12 % organische Fasern oder einer Mischung organischer Fasern,
(c) 1 bis 20 % wenigstens einer weiteren organischen Verbindung,
(d) 0 bis 20 %, vorzugsweise 1 bis 20 %, anorganische Fasern oder einer Mischung anorganischer Fasern,
(e) 5 bis 50 % wenigstens eines anorganischen Oxides,
(f) 0 bis 15 %, vorzugsweise 5 bis 15 %, wenigstens eines anorganischen Silikats,
(g) 1 bis 20 % Schwefel und/oder wenigstens einer anorganischen Schwefelverbindung,
(h) 8 bis 18 % Kohlenstoff und/oder wenigstens eines im Wesentlichen aus Kohlenstoff bestehenden Werkstoffs, insbesondere ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus natürlichem Graphit, synthetischem Graphit, Petroleum Coke (Petrolkoks), entschwefeltem Petroleum Coke (Petrolkoks), Ruß, und beliebigen Mischungen davon,
(i) 0,5 bis 5 % wenigstens eines Füllstoffs, ausgewählt aus anorganischen Hydroxiden, und
(j) 0 bis 10 % wenigstens eines Metalls.

Das wenigstens eine Bindemittel dient als Matrix und hält die anderen Bestandteile der Reibbelagmaterialmischung zusammen. Als Bindemittel kann grundsätzlich beispielsweise ein Phenolharz, ein Epoxyharz, ein Silikonharz oder ein Nitrilharz sowie eine beliebige Mischung von diesen Harzen eingesetzt werden bzw. in der Reibbelagmaterialmischung umfasst sein. Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform umfasst das Bindemittel ein modifiziertes Phenol. Ebenso kann das Bindemittel auch ein Gemisch von einem oder mehreren geradkettigen oder modifizierten Phenolharzsystem(en) sein oder solche umfassen, wobei das oder die Phenolharzsysteme vorzugsweise unmodifizierte Phenolharze, silikonmodifizierte Harze, NBR-modifizierte Harze, phosphormodifizierte Harze und/oder bormodifizierte Harze enthalten.
In einer alternativen Ausführungsform kann auch ein nicht-phenolisches Harz als Bindemittel verwendet werden bzw. kann das Bindemittel ein oder mehrere nicht-phenolische Harze umfassen. Alternative kann das Bindemittel auch ein Gemisch aus einem Phenolharz und einem Nicht-Phenolharz sein oder ein solches umfassen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das wenigstens eine Bindemittel in der Reibbelagmaterialmischung mit einem Anteil von 15 bis 22 Volumen-%, bezogen auf die Gesamtmischung, enthalten.
Die erfindungsgemäß in der Reibbelagsmaterialmischung umfassten organischen Fasern können synthetischen Ursprungs oder natürlichen Ursprungs sein. Erfindungsgemäß werden als organische Fasern beispielsweise Polyacrylfasern (PAN), Polyaramidfasern/Aramidfasern oder Zellulosefasern eingesetzt. Ebenso umfasst sind beliebige Mischungen der vorstehend genannten organischen Fasern, gegebenenfalls auch in Kombination mit weiteren organischen oder anorganischen Fasern. Aramidfasern haben bevorzugt eine durchschnittliche Länge im Bereich von 0,9 mm bis 1,3 mm. Die bevorzugte durchschnittliche Länge von PAN-Fasern liegt im Bereich von 5,0 mm bis 7,5 mm, während Zellulosefasern bevorzugt eine durchschnittliche Länge von weniger als 1 mm aufweisen. Durch eine Kombination dieser Fasertypen und/oder der bevorzugten Faserlängen können besonders vorteilhafte Eigenschaften, insbesondere tribologische Eigenschaften eingestellt werden. Gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung umfassen die organischen Fasern aus Umweltgründen keine Aramidfasern.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die organischen Fasern, einzeln oder in Form einer Mischung von organischen Fasern, in der Reibbelagmaterialmischung mit einem Anteil von 4 bis 11 Volumen-%, bezogen auf die Gesamtmischung, enthalten.
Der oder die weiteren organischen Bestandteile bzw. organischen Füllstoffe, welche in der erfindungsgemäßen Reibbelagmaterialmischung umfasst sind, umfassen vorzugsweise Harze, Kautschuke und/oder Phythalocyanine.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die weiteren organischen Bestandteile, einzeln oder in Form einer beliebigen Mischung davon, in der Reibbelagmaterialmischung mit einem Anteil von 1 bis 15 Volumen-%, bezogen auf die Gesamtmischung, enthalten.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die weiteren organischen Bestandteile, einzeln oder in Form einer beliebigen Mischung davon, in der Reibbelagmaterialmischung mit einem Anteil von 6 bis 15 Volumen-%, bezogen auf die Gesamtmischung, enthalten.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die weiteren organischen Bestandteile, einzeln oder in Form einer beliebigen Mischung davon, in der Reibbelagmaterialmischung mit einem Anteil von 1 bis 5 Volumen-%, vorzugsweise 1 bis 3 Volumen-%, bezogen auf die Gesamtmischung, enthalten.
Die erfindungsgemäß in der Reibbelagsmaterialmischung optional umfassten anorganischen Fasern können Metallfasern aus jedem Metall oder jeder Metalllegierung sein. Sie weisen bevorzugt eine Länge von 0,5 mm bis 10 mm auf. Als mögliche Metallfasern seien Bronzefasern, Kupferfasern und Stahlfasern, insbesondere Edelstahlfasern genannt. Stahlfasern und insbesondere Edelstahlfasern können als Ersatz für Kupfer und/oder Titanate in der Reibbelagmaterialmischung eingesetzt werden. Anorganische Fasern können erfindungsgemäß aber auch Mineralfasern, Glasfasern oder Carbonfasern sowie beliebige Mischungen dieser und der vorstehend genannten Metallfasern sein. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Reibbelagmaterialmischung und damit auch der Reibbelag im Wesentlichen frei von Asbestfasern. Im Wesentlichen frei von Asbestfasern bedeutet im Sinne der vorliegenden Erfindung, dass derartige Fasern in der Reibbelagmaterialmischung höchstens mit einem Anteil von 0,2 Volumen-%, vorzugsweise von höchstens 0,1 Volumen-% und ganz besonders bevorzugt von 0 Volumen-%, bezogen auf die Gesamtmischung, enthalten, sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die anorganischen Fasern, einzeln oder in Form einer Mischung von anorganischen Fasern, in der Reibbelagmaterialmischung mit einem Anteil von 8 bis 16 Volumen-%, bezogen auf die Gesamtmischung, enthalten.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Reibbelagmaterialmischung im Wesentlichen frei von anorganischen Fasern, insbesondere von Metallfasern. Im Wesentlichen frei von anorganischen Fasern, insbesondere von Metallfasern, bedeutet im Sinne der vorliegenden Erfindung, dass derartige Fasern in der Reibbelagmaterialmischung höchstens mit einem Anteil von 0,2 Volumen-%, vorzugsweise von höchstens 0,1 Volumen-% und ganz besonders bevorzugt von 0 Volumen-%, bezogen auf die Gesamtmischung, enthalten sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die in der Reibbelagmaterialmischung umfassten Fasern ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Polyacrylonitril (PAN), Polyaramiden, Zellulosefasern, Mineralfasern und Stahlfasern, insbesondere Edelstahlfasern, sowie beliebigen Mischungen davon.
Die anorganischen Oxide (Komponente (e)) umfassen gemäß einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform Aluminiumoxid, Magnesiumoxid (MgO) und Zirkonoxid (ZrO₂). Diese bevorzugten Oxide können einzeln oder in beliebiger Kombination miteinander und/oder mit weiteren anorganischen Oxiden in der Reibbelagmaterialmischung umfasst sein. Als ein weiteres Bespiel für anorganische Oxide seien noch die Titanate genannt, welche Mischoxide darstellen und beispielsweise auch natürlich als Titanminerale vorkommen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die anorganischen Oxide, einzeln oder in Form einer Mischung von anorganischen Oxiden, in der Reibbelagmaterialmischung mit einem Anteil von 8 bis 42 Volumen-%, noch mehr bevorzugt von 10 bis 40 Volumen-%, bezogen auf die Gesamtmischung, enthalten.
Erfindungsgemäß ist es ganz besonders bevorzugt, dass Magnesiumoxid und/oder Zirkonoxid mit einem hohen Anteil in der Reibbelagmaterialmischung enthalten sind. Ein hoher Anteil bedeutet insbesondere einen Anteil von 8 bis 42 Volumen-%, noch mehr bevorzugt einen Anteil von 20 bis 41 Volumen-%. Das Magnesiumoxid und/oder das Zirkonoxid fungiert in der Reibbelagmaterialmischung und im Reibbelag dann sowohl als matrixbildender Füllstoff, als auch als Abrasivstoff.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Reibbelagmaterialmischung im Wesentlichen frei von Titanaten. Im Wesentlichen frei von Titanaten bedeutet im Sinne der vorliegenden Erfindung, dass Titanate in der Reibbelagmaterialmischung höchstens mit einem Anteil von 0,2 Volumen-%, vorzugsweise von höchstens 0,1 Volumen-% und ganz besonders bevorzugt von 0 Volumen-%, bezogen auf die Gesamtmischung, enthalten sind.
Als anorganische Silikate (Komponente (f)) werden erfindungsgemäß bevorzugt Zirkoniumsilikate und/oder das Schichtsilikat Vermikulit verwendet. Beide fungieren als Abrasivstoff.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die anorganischen Silikate, einzeln oder in Form einer Mischung von anorganischen Silikaten, in der Reibbelagmaterialmischung mit einem Anteil von 4 bis 14 Volumen-%, bezogen auf die Gesamtmischung, enthalten.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Reibbelagmaterialmischung im Wesentlichen frei von anorganischen Silikaten. Im Wesentlichen frei von anorganischen Silikaten bedeutet im Sinne der vorliegenden Erfindung, dass anorganische Silikate in der Reibbelagmaterialmischung höchstens mit einem Anteil von 0,2 Volumen-%, vorzugsweise von höchstens 0,1 Volumen-% und ganz besonders bevorzugt von 0 Volumen-%, bezogen auf die Gesamtmischung, enthalten sind.
Die anorganischen Schwefelverbindungen der Komponente (g) umfassen erfindungsgemäß vorzugsweise Metallsulfide, insbesondere Zinnsulfide, Zinksulfide, Eisensulfide, Molybdänsulfide, Antimontrisulfid sowie Metallsulfidkomplexe. Diese Verbindungen können einzeln oder in beliebiger Kombination miteinander in der Zusammensetzung umfasst sein. Die vorstehend genannten Schwefelverbindungen fungieren insbesondere als Schmiermittel. Die wenigstens eine anorganische Schwefelverbindung ist gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform Bariumsulfat bzw. Baryt oder umfasst Bariumsulfat bzw. Baryt. Das Bariumsulfat kann mit einem Anteil von 1 bis 20 Volumen-%, vorzugsweise mit einem Anteil von 8 bis 18 Volumen-%, noch mehr bevorzugt mit einem Anteil von 11 bis 16 Volumen-%, jeweils bezogen auf die Gesamtmischung, in der erfindungsgemäßen Reibbelagmaterialmischung umfasst sein. Das Bariumsulfat kann auch in Kombination mit den Metallsulfiden und/oder Metallsulfidkomplexen in der Reibbelagsmaterialmischung umfasst sein. Weiterhin oder alternativ zu den anorganischen Schwefelverbindungen kann die Reibbelagmaterialmischung Schwefel enthalten. Der Anteil von 1 bis 20 Volumen-% an der Gesamtmischung für Schwefel und/oder einer oder mehrerer anorganischer Schwefelverbindungen wird auch bei den vorstehend genannten Mischungen nicht überschritten.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist Schwefel oder sind die anorganischen Schwefelverbindungen, einzeln oder in Form einer Mischung, in der Reibbelagmaterialmischung mit einem Anteil von 11 bis 17 Volumen-%, bezogen auf die Gesamtmischung, enthalten.
Anorganische Hydroxide (Komponente i) umfassen erfindungsgemäß vorzugsweise Magnesium- oder Calciumhydroxid sowie beliebige Mischungen davon.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die anorganischen Hydroxide, einzeln oder in Form einer Mischung von anorganischen Hydroxiden, in der Reibbelagmaterialmischung mit einem Anteil von 0,5 bis 2 Volumen-%, bezogen auf die Gesamtmischung, enthalten.
Metalle (Komponente j) umfassen erfindungsgemäß vorzugsweise Eisen, Stahl, Kupfer, Zinn oder Zink, aber auch Metalllegierungen, wie beispielsweise Bronze oder Messing. Diese und weitere Metalle können der Zusammensetzung in Form eines Pulvers zugesetzt werden. Insbesondere Zinnpulver und/oder Zinkpulver können als Schmiermittel fungieren.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Metalle oder Metalllegierungen, einzeln oder in Form einer Mischung von Metallen und/oder Metalllegierungen, in der Reibbelagmaterialmischung mit einem Anteil von 0,5 bis 2 Volumen-%, bezogen auf die Gesamtmischung, enthalten.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Reibbelagmaterialmischung jedoch im Wesentlichen frei von Metallen oder Metalllegierungen. Besonders bevorzugt ist die Reibbelagmaterialmischung im Wesentlichen frei von Kupfer oder Kupferlegierungen. Im Wesentlichen frei von Metallen oder Metalllegierungen und im Wesentlichen frei von Kupfer und/oder Kupferlegierungen bedeutet im Sinne der vorliegenden Erfindung, dass diese in der Reibbelagmaterialmischung höchstens mit einem Anteil von 0,2 Volumen-%, vorzugsweise von höchstens 0,1 Volumen-% und ganz besonders bevorzugt von 0 Volumen-%, bezogen auf die Gesamtmischung, enthalten sind. Die möglichen geringen Anteile an Metall, insbesondere Kupfer oder von Legierungen davon können sich durch Verunreinigungen der anderen Komponenten mit Metallen, beispielsweise mit Kupfer oder Kupferlegierungen, wie Bronze oder Messing ergeben.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Reibbelagmaterialmischung im Wesentlichen frei von Kupfer, Kupferlegierungen und Titanaten. Kupfer und Titanate, beispielsweise Hexatitanat und Octatitanat, sind aufgrund der begrenzten Verfügbarkeit, teure Bestandteile, gleichwohl können sie dem Reibbelag vorteilhafte tribologische Eigenschaften verleihen. Der Einsatz von Kupfer ist darüber hinaus auch aus ökologischen Gründen nachteilig, weil durch den Abrieb des Bremsbelags Kupfer freigesetzt und in die Umwelt entlassen wird. Somit kann es vorteilhaft sein, in der Reibbelagmaterialmischung auf Kupfer, Kupferlegierungen und/oder Titanate zu verzichten.
Gemäß einer Ausführungsform betrifft die Erfindung eine Hybrid-Reibbelagsmaterialmischung, enthaltend in Volumen-% der Reibbelagmaterialmischung:

(a) 15 bis 22 %, insbesondere 17 bis 20 %, wenigstens eines Bindemittel,
(b) 5 bis 11 % organische Fasern oder einer Mischung organischer Fasern,
(c) 1 bis 15 %, insbesondere 7 bis 14 % oder 1 bis 3 %, wenigstens einer weiteren organischen Verbindung,
(d) 0 oder 8 bis 16 % anorganische Fasern oder einer Mischung anorganischer Fasern,
(e) 10 bis 40 % wenigstens eines anorganischen Oxides,
(f) 0 % oder 5 bis 15 %, insbesondere 6 bis 12 %, wenigstens eines anorganischen Silikats,
(g) 13 bis 15 % Schwefel und/oder wenigstens einer anorganischen Schwefelverbindung,
(h) 10 bis 16 % Kohlenstoff und/oder wenigstens eines im Wesentlichen aus Kohlenstoff bestehenden Werkstoffs, insbesondere ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus natürlichem Graphit, synthetischem Graphit, Petroleum Coke (Petrolkoks), entschwefeltem Petroleum Coke (Petrolkoks), Ruß
(i) 1 bis 1,5 % wenigstens eines Füllstoffs, ausgewählt aus der Gruppe aus anorganischen Hydroxiden, insbesondere Calciumhydroxid,
(j) 0 bis 1 % wenigstens eines Metalle, insbesondere Eisen oder einer Eisenlegierungen.

Eine ganz besonders bevorzugte Zusammensetzung für das Reibbelagsmaterial umfasst 18 bis 20 Volumen-% wenigstens eines Bindemittels, 5 bis 7 Volumen-% organische Fasern oder einer Mischung von organischen Fasern, 7 bis 9 Volumen-% wenigstens eines weiteren organischen Bestandteils, 9 bis 11 Volumen-% Kohlenstoff oder eines im Wesentlichen aus Kohlenstoff bestehenden Werkstoffs, 13 bis 15 Volumen-% anorganische Fasern oder einer Mischung von anorganischen Fasern, 21 bis 23 Volumen-% wenigstens eines anorganischen Oxids, insbesondere Magnesiumoxid und/oder Zirkonoxid, 5 bis 7 Volumen-% wenigstens eines anorganischen Silikats, insbesondere Zirkoniumsilikat und/oder Vermiculit, 13 bis 15 Volumen-% Schwefel und/oder wenigstens einer anorganischen Schwefelverbindung und 0 bis 2 Volumen-% wenigstens eines anorganischen Hydroxids. Die Volumen-%-Anteile der einzelnen Komponenten sind jeweils so gewählt, dass sich in Summe, gegebenenfalls zusammen mit weiteren optionalen Bestandteilen, 100 Volumen-% ergeben. Diese besonders bevorzugte Zusammensetzung enthält, abgesehen von möglichen, nicht vermeidbaren Verunreinigungen, keine Metalle oder Metalllegierungen (Komponente (j)).
Gemäß einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform besteht die Zusammensetzung aus den im vorstehenden Abschnitt genannten Komponenten. Deren Volumen-% Anteile ergeben in Summe wieder 100 Volumen-%. Auch wenn die Zusammensetzung nur aus diesen Komponenten besteht, soll erfindungsgemäß nicht ausgeschlossen sein, dass übliche Verunreinigungen, vorzugsweise mit einem Anteil von höchstens 2 Volumen-%, in der Zusammensetzung enthalten sein können.
Eine weitere ganz besonders bevorzugte Zusammensetzung für das Reibbelagsmaterial umfasst 19 bis 21 Volumen-% wenigstens eines Bindemittels, 4 bis 6 Volumen-% organische Fasern oder einer Mischung von organischen Fasern, 12 bis 14 Volumen-% wenigstens eines weiteren organischen Bestandteils, 13 bis 15 Volumen-% Kohlenstoff oder wenigstens eines im Wesentlichen aus Kohlenstoff bestehenden Werkstoffs, 9 bis 11 Volumen-% anorganische Fasern oder einer Mischung von anorganischen Fasern, 9 bis 11 Volumen-% wenigstens eines anorganischen Oxids, insbesondere Magnesiumoxid und/oder Zirkonoxid, 11 bis 13 Volumen-% wenigstens eines anorganischen Silikats, insbesondere Zirkoniumsilikat und/oder Vermiculit, 14 bis 16 Volumen-% Schwefel und/oder wenigstens einer anorganischen Schwefelverbindung und 0 bis 2 Volumen-% wenigstens eines anorganischen Hydroxids. Die Volumen-%-Anteile der einzelnen Komponenten sind jeweils so gewählt, dass sich in Summe, gegebenenfalls zusammen mit weiteren optionalen Bestandteilen, 100 Volumen-% ergeben. Diese besonders bevorzugte Zusammensetzung enthält, abgesehen von möglichen, nicht vermeidbaren Verunreinigungen, keine Metalle oder Metalllegierungen (Komponente (j)).
Gemäß einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform besteht die Zusammensetzung aus den im vorstehenden Abschnitt genannten Komponenten. Deren Volumen-%-Anteile ergeben in Summe wieder 100 Volumen-%. Auch wenn die Zusammensetzung nur aus diesen Komponenten besteht, soll erfindungsgemäß nicht ausgeschlossen sein, dass übliche Verunreinigungen, vorzugsweise mit einem Anteil von höchstens 2 Volumen-%, in der Zusammensetzung enthalten sein können.
Eine weitere ganz besonders bevorzugte Zusammensetzung für das Reibbelagsmaterial umfasst 16 bis 18 Volumen-% wenigstens eines Bindemittels, 10 bis 12 Volumen-% organische Fasern oder einer Mischung von organischen Fasern, 0 bis 2 Volumen-% wenigstens eines weiteren organischen Bestandteils, 15 bis 17 Volumen-% Kohlenstoff oder wenigstens eines im Wesentlichen aus Kohlenstoff bestehenden Werkstoffs, 39 bis 41 Volumen-% wenigstens eines anorganischen Oxids, insbesondere Magnesiumoxid und/oder Zirkonoxid, 12 bis 14 Vol.% Schwefel und/oder wenigstens einer anorganischen Schwefelverbindung, 0 bis 2 Volumen-% wenigstens eines anorganischen Hydroxids und 0 bis 2 Volumen-% wenigstens eines Metalls. Die Volumen-%-Anteile der einzelnen Komponenten sind jeweils so gewählt, dass sich in Summe, gegebenenfalls zusammen mit weiteren optionalen Bestandteilen, 100 Vol.% ergeben. Diese besonders bevorzugte Zusammensetzung enthält, abgesehen von möglichen, nicht vermeidbaren Verunreinigungen, keine anorganischen Fasern (Komponente (d)) und keine anorganischen Silikate (Komponente (f).
Gemäß einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform besteht die Zusammensetzung aus den im vorstehenden Abschnitt genannten Komponenten. Deren Volumen-%-Anteile ergeben in Summe wieder 100 Volumen-%. Auch wenn die Zusammensetzung nur aus diesen Komponenten besteht, soll erfindungsgemäß nicht ausgeschlossen sein, dass übliche Verunreinigungen, vorzugsweise mit einem Anteil von höchstens 2 Volumen-%, in der Zusammensetzung enthalten sein können.
Mit Blick auf besonderes bevorzugte oder beispielhafte Rohstoffe für die einzelnen Komponenten dieser besonderes bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsformen wird auf die vorstehenden Ausführungen zu den einzelnen Komponenten Bezug genommen.
Die erfindungsgemäßen Reibbelagmaterialmischungen umfassen somit Binder und Füllstoff als Strukturgeber und als Trägermaterial für die weiteren funktionalen Rezepturbestandteile, wie beispielsweise Abrasivstoffe, Schmierstoffe oder Metalle. Deren tribologische Funktion bzw. Wirkung wird durch interaktive Effekte vom jeweiligen Träger beeinflusst. Als Schmiermittel werden erfindungsgemäß bevorzugt wenigstens ein Metallsulfid, beispielsweise Zinnsulfid, Zinksulfid, Eisensulfid oder Molybdänsulfid, organische Schmiermittel oder Metallschmiermittel, wie beispielsweise Zinn- oder Zinkpulver, sowie beliebige Kombinationen davon eingesetzt. Ebenso kann das Schmiermittel ein Metallsulfidkomplex sein.
Das erfindungsgemäße neue Hybrid-Materialkonzept zeichnet sich durch eine Modifikation des Anteils an organischen Bestandteilen in der Reibbelagmaterialmischung aus. Weiterhin ist das neue Hybrid-Materialkonzept durch den Einsatz von Magnesiumoxid und/oder Zirkonoxid bzw. Zirkoniumoxid als Füllstoff in Kombination mit der weiteren FüllstoffKomponente (h) und/oder in Kombination mit Bariumsulfat bzw. Baryt gekennzeichnet. Diese Kombination bildet den sog. Backbone der Reibbelagmaterialmischung.
Erfindungsgemäß ist die Füllstoffkomponente (h) in einer Menge von 8 bis 18 Volumen-%, bevorzugt in einer Menge von 10 bis 16 Volumen-%, enthalten und ist entweder Kohlenstoff oder wenigstens ein im Wesentlichen aus Kohlenstoff bestehender Werkstoff. Der im Wesentlichen aus Kohlenstoff bestehende Werkstoff ist vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus natürlichem Graphit, synthetischem Graphit, Petrolkoks und Ruß bzw. Carbon Black. Alternativ umfasst die die erfindungsgemäße Reibbelagmaterialmischung Baryt bzw. Bariumsulfat oder eine Mischung aus einer oder mehrerer der vorstehend genannten Füllstoffkomponenten (h) mit Baryt bzw. Bariumsulfat als Hauptfüllstoff. Der Hauptfüllstoff (Backbone) der erfindungsgemäßen Reibbelagmaterialmischung wurde gemäß einer bevorzugten Ausführungsform im Vergleich zum Stand der Technik dahingehend abgeändert, dass der neue Hauptfüllstoff im Wesentlichen aus einem Gemisch aus Magnesiumoxid (MgO) in Kombination mit Kohlenstoff und/oder eines im Wesentlichen aus Kohlenstoff bestehenden Werkstoffs, insbesondere Petrolkoks (Petroleum Coke), und/oder in Kombination mit Baryt gebildet wird. Weiterhin wurden im Vergleich zum Stand der Technik erfindungsgemäß die Abrasivstoffe derart abgewandelt, dass es sich erfindungsgemäß um „mildere Abrasivstoffe“ handelt.
Die Erfindung betrifft gemäß einem weiteren Aspekt daher auch Bremsbeläge, enthaltend eine Trägerplatte sowie ein an der Trägerplatte befestigter Reibbelag, wobei der Reibbelag aus der erfindungsgemäßen Hybrid-Reibbelagsmaterialmischung hergestellt ist.
Schließlich umfasst die Erfindung auch ein Verfahren zum Herstellen eines Bremsbelages, umfassend die folgenden Schritte:

- Vermischen von wenigstens einem Bindemittel,
- Fasern oder einer Mischung von Fasern,
- wenigstens eines Schmiermittels,
-wenigstens eines Abrasivstoffs und Füllmaterial, um eine homogene Mischung mit einer Zusammensetzung, basierend auf dem Gesamtvolumen der Hybrid-Reibbelagmaterialmischung, wie sie in einem der Ansprüche 1 bis 16 vorgegeben ist, zu bilden,
- Verpressen der homogenen Mischung unter einem Druck von 4 bis 25 Tonnen/Stück bei Raumtemperatur, um einen Reibbelag aus der Mischung zu bilden,
- Zusammenpressen des Reibbelags und einer Trägerplatte unter einem Druck von 5 bis 50 Tonnen/Stück bei einer Temperatur von 129 bis 146 °C,
- Backen des gepressten Reibbelags und Trägerplatte bei einer Temperatur von 166 bis 288 °C.

Ausgehend von Erfahrungen, die bei vorhergehenden Entwicklungen an herkömmlichen, bekannten Materialien und auch im Rahmen von Grundsatzuntersuchungen zum tribologischen Verhalten von Rohstoffen gemacht wurden, wurde die erfindungsgemäße Idee geboren, ein neues Hybrid-Reibmaterialkonzept zu entwickeln. Rezepturtechnisch kann man die vorstehend genannten Materialkonzepte LS und NAO durch ihren Hauptstrang (Backbone) unterscheiden. Der Backbone stellt im Grunde den „Hauptfüllstoff“ einer Rezeptur dar und dient damit einerseits als Strukturgeber und andererseits als Trägermaterial für weitere funktionale Rezepturbestandteile, wie z.B. Abrasivstoffe, Schmierstoffe oder Metalle. Deren tribologische Funktion bzw. Wirkung wird durch interaktive Effekte vom jeweiligen Backbone beeinflusst. Das wird z.B. beim Vergleich mit Kupfer deutlich, welches im tribologischen Fingerprinting im LS-Backbone und auch im NAO-Backbone getestet wurde. Ähnlich unterschiedliches Verhalten lässt sich für fast alle Rohstoffgruppen in Reibmaterialrezepturen finden. Durch die gezielte Entwicklung eines veränderten Backbones in Kombination mit spezifischen Variationen der bereits vorstehend genannten funktionalen Rezepturbestandteile, ist es erfindungsgemäß gelungen, die gewünschten Eigenschaften zu erreichen. Die erfindungsgemäßen Reibbelagmaterialmischungen und Reibbeläge zeichnen sich sowohl durch eine hervorragende Bremsleistung als auch durch einen ausgezeichneten Bremskomfort aus. Insbesondere erweisen sich die Reibbeläge als vorteilhaft, was den Bremsschwund, Wärmeverschleißwiderstand, Bremsrubbeln und Quietschen angeht. Darüber hinaus weisen die Reibbeläge eine lange Lebensdauer auf und es kommt zu einer verminderten Bildung von Radstaub.
Im Folgenden wird die Erfindung näher erläutert.

In den folgenden Beispielen wird das erfindungsgemäße Hybrid-Reibbelagmaterial näher erläutert. Dort wird das erfindungsgemäße Material als Hybrid A, Hybrid B und Hybrid C bezeichnet. Die folgenden Zusammensetzungen gemäß dem Beispiel Hybrid A, Hybrid B und Hybrid C wurden in einem Standardmixer für annähernd 10 Minuten hergestellt und dann in eine Formpresse gegeben und gemäß dem Stand der Technik gebacken.

Rohmaterialklassen	Hybrid A	Hybrid B	Hybrid C
	Beispiel	Beispiel	Beispiel
Harz/Bindemittel	19	20	17
Organische Fasern	6	5	11
weitere organische Komponente(n)	8	13	1
Kohlenstoff (Petrolkoks)	10	14	16
Anorganische Fasern	14	10	0
Anorganische Oxide⁽¹⁾	22	10	40
Anorganische Silikate⁽²⁾	6	12	0
Anorganischer Schwefel oder anorganische Schwefel verbindungen	14	15	13
Anorganische Hydroxide (CaOH₂)	1	1	1
Metalle/Metalllegierungen	0	0	1

Die Werte stellen abgerundete Volumen-% Werte dar.

(1) Die anorganischen Oxide sind Alumina, Magnesiumoxid, Zirkondioxid.
(2) Die anorganischen Silikate (2) sind Zirkon und Vermiculit.

Die erfindungsgemäßen Materialklassen (A) bis (C) zeigten die folgenden Eigenschaften:

	Hybrid A	Hybrid B	Hybrid C
Mittlerer µ-Wert	0,38 - 0,40	0,34 - 0,36	> 0,40
HFT-Stabilität	angemessen	angemessen	sehr gut
µ-Wert- Erholung	sehr gut	gut	sehr gut
µ-Wert in AKM	stabil	stabil	stabil
Lebensdauer des Reibbelags	gut	gut	sehr gut
Lebensdauer des Rotors	gut	gut	angemessen

Figurenliste

1 zeigt die Charakteristiken der verschiedenen erfindungsgemäßen Hybrid-Materialklassen, nämlich Hybrid A, Hybrid B, Hybrid C im Vergleich zu einer Low Steel und NAO Reibbelagmaterialzusammensetzung.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2010084233 [0007]
US 2010084232 [0007]
US 2005004258 [0008]
WO 2011/131227 [0009]

Claims

Hybrid-Reibbelagmaterialmischung aus einem stahlarmen Reibbelagmaterial (Low Steel (LS)) und einem asbestfreien organischen Reibbelagmaterial (Non Asbestos Organic (NAO)) für mit einem Reibpartner aus Grauguss oder Stahl zusammenwirkende Brems- und Kupplungsbeläge, enthaltend in Volumen-% der Reibbelagmaterialmischung: (a) 8 bis 22 % wenigstens eines Bindemittel, (b) 3 bis 12 % organische Fasern oder einer Mischung organischer Fasern, (c) 1 bis 20 % wenigstens einer weiteren organischen Verbindung, (d) 0 bis 20 % anorganische Fasern oder einer Mischung anorganischer Fasern, (e) 5 bis 50 % wenigstens eines anorganischen Oxids, (f) 0 bis 15 % wenigstens eines anorganischen Silikats, (g) 1 bis 20 % Schwefel und/oder wenigstens einer anorganischen Schwefelverbindungen, (h) 8 bis 18 % Kohlenstoff und/oder wenigstens eines im Wesentlichen aus Kohlenstoff bestehenden Werkstoffs, insbesondere ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus natürlichem Graphit, synthetischem Graphit, Petroleum Coke (Petrolkoks), entschwefeltem Petroleum Coke (Petrolkoks), Ruß und beliebigen Mischungen davon, (i) 0,5 bis 5 % wenigstens eines Füllstoffs, ausgewählt aus anorganischen Hydroxiden, und (j) 0 bis 10 % wenigstens eines Metalls.
Hybrid-Reibbelagmaterialmischung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibbelagmaterialmischung im Wesentlichen frei Kupfer und/oder Kupferlegierungen ist, und wobei die Reibbelagmaterialmischung vorzugsweise zusätzlich auch im Wesentlichen frei von Titanaten ist.
Hybrid-Reibbelagmaterialmischung gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, enthaltend in Volumen-% der Reibbelagmaterialmischung: (a) 15 bis 22 %, insbesondere 17 bis 20 %, wenigstens eines Bindemittels, (b) 5 bis 11 % organische Fasern oder einer Mischung organischer Fasern, (c) 1 bis 20 %, insbesondere 8 bis 14 %, wenigstens einer weiteren organischen Verbindung, (d) 0 oder 8 bis 16 % anorganische Fasern oder einer Mischung anorganischer Fasern, (e) 10 bis 40 % wenigstens eines anorganischen Oxids, (f) 5 bis 15 %, insbesondere 6 bis 12 %, wenigstens eines anorganischen Silikats, (g) 13 bis 15 % Schwefel oder wenigstens einer anorganischen Schwefelverbindung, (h) 10 bis 16 % Kohlenstoff oder wenigstens eines im Wesentlichen aus Kohlenstoff bestehenden Werkstoffs, insbesondere ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus natürlichem Graphit, synthetischem Graphit, Petroleum Coke (Petrolkoks), entschwefeltem Petroleum Coke (Petrolkoks), Ruß und beliebigen Mischungen davon, (i) 1 bis 1,5 % wenigstens eines Füllstoffs, ausgewählt aus der Gruppe aus anorganischen Hydroxiden, insbesondere Calciumhydroxid, und (j) 0 bis zu 1 % wenigstens eines Metalls, insbesondere Eisen oder Eisenlegierungen.
Hybrid-Reibbelagmaterialmischung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine anorganische Oxid (e) ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Aluminiumoxid (Alumina), Magnesiumoxid (MgO), Zirkonia und Gemischen davon, und wobei insbesondere das wenigstens eine anorganische Oxid (e) in einer Menge von 10 bis 40 % in der Mischung enthalten ist.
Hybrid-Reibbelagmaterialmischung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine anorganische Silikat (f), Zirkon und/oder Vermiculit ist.
Hydrid-Reibbelagmaterialmischung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, durch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine anorganische Schwefelverbindung Baryt (Bariumsulfat) umfasst.
Hybrid-Reibbelagmaterialmischung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptfüllstoff (Backbone) im Wesentlichen ein Gemisch aus 10 bis 40 % Magnesiumoxid und 8 bis 18 %, insbesondere 10 bis 16 %, Petroleum Coke oder ein Gemisch aus 10 bis 40 % Magnesiumoxid und 1 bis 20 %, insbesondere 11 bis 16 % Baryt (Bariumsulfat) oder ein Gemisch aus 10 bis 40 % Magnesiumoxid, 8 bis 18 %, insbesondere 10 bis 16 % Petroleum Coke, und 1 bis 20 %, insbesondere 11 bis 16 % Baryt (Bariumsulfat) ist.
Hybrid-Reibbelagmaterialmischung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel ein modifiziertes Phenol ist.
Hybrid-Reibbelagmaterialmischung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel ein Gemisch von ein oder mehreren geradkettigen oder modifizierten Phenolharzystemen umfasst.
Hybrid-Reibbelagmaterialmischung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel ein nichtphenolisches Harz ist.
Hybrid-Reibbelagmaterialmischung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel ein Gemisch aus einem Phenolharz mit einem nichtphenolischen Harz ist.
Hybrid-Reibbelagmaterialmischung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel eines oder ein Gemisch von einem oder mehreren geradkettigen oder modifizierten Phenolharzsystemen umfasst, enthaltend unmodifizierte Phenolharze, silikonmodifizierte Harze, NBR-modifizierte Harze, phosphormodifizierte Harze und bormodifizierte Harze.
Hybrid-Reibbelagmaterialmischung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Faser ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Polyacrylonitril (PAN), Polyaramiden, Zellulosefasern und Stahlfasern, insbesondere Edelstahlfasern.
Hybrid-Reibbelagmaterialmischung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass als Schmiermittel wenigstens ein Metallsulfid, organische Schmiermittel und/oder Metallschmiermittel umfasst sind.
Hybrid-Reibbelagmaterialmischung gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Schmiermittel einen Metallsulfidkomplex umfasst.
Hybrid-Reibbelagmaterialmischung gemäß einem Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Schmiermittel ausgewählt ist aus der Gruppe, enthaltend Zinnsulfide, Zinksulfide, Eisensulfide, Molybdänsulfide, Zinnpulver und Zinkpulver.
Bremsbelag, enthaltend, eine Trägerplatte, ein an der Trägerplatte befestigter Reibbelag, wobei der Reibbelag aus einer Hybrid-Reibbelagmaterialmischung nach einem der Ansprüche 1 bis 16 hergestellt ist.
Verfahren zum Herstellen eines Bremsbelages, umfassend die folgenden Schritte: -Vermischen von Bindemittel, - Fasern, - Schmiermittel, - Abrasivstoffen und Füllmaterial, um eine homogene Mischung mit einer Zusammensetzung, basierend auf dem Gesamtvolumen der Hybrid-Reibbelagmaterialmischung, wie sie in einem der Ansprüche 1 bis 16 vorgegeben ist, zu bilden, - Verpressen der homogenen Mischung unter einem Druck von 4 bis 25 Tonnen/Stück bei Raumtemperatur, um einen Reibbelag aus der Mischung zu bilden, - Zusammenpressen des Reibbelags und einer Trägerplatte unter einem Druck von 5 bis 50 Tonnen/Stück bei einer Temperatur von 129 bis 146 °C, - Backen des gepressten Reibbelags und Trägerplatte bei einer Temperatur von 166 bis 288 °C.