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Verfahren zur Herstellung eines Sinterreibwerkstoffes Im allgemeinen
enthalten die Reibungsbeläge für Bremsen, Kupplungen u. dgl. mineralische Stoffe,
die zusammen mit organischen Bindemitteln, Harzen, Firnis u. dgl. zusammengepreßt
sind. Diese Bindemittel verhalten sich bei hohen Arbeitstemperaturen weniger günstig
als die übrigen Stoffe des Belages; sie begrenzen nämlich die Wärmewiderstandsfähigkeit
der Beläge.
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In Fällen, in denen es wesentlich auf den Wärmewiderstand ankommt,
hat man bereits nach einem Mittel Ausschau gehalten, um solche organischen Bindemittel
entbehrlich zu machen; aus diesem Grunde wurden Beläge hergestellt, indem geeignete
Metalle gesintert wurden. Auf diese Weise wird eine Art Metallskelett erzeugt, das
die Möglichkeit bietet, Hilfszusätze einzubringen, die die jeweils gewünschten Eigenschaften
besitzen.
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Diese Hilfszusätze können jedoch immer nur in kleinen Mengen beigefügt
werden, wenn eine hohe Brüchigkeit vermieden werden soll. Infolgedessen wird aber
der Reibungskoeffizient herabgesetzt und die thermische Leitfähigkeit vergrößert,
und zwar in einem solchen Maße, daß der Reibungskoeffizient des Belages bei hoher
Belastung augenblicklich absinkt mit einer anschließenden längeren Schlupfperiode.
Im übrigen muß das Sintern, welches im allgemeinen bei gewöhnlichem Druck durchgeführt
wird, bei sehr hohen, möglicherweise 1000° C übersteigenden Temperaturen erfolgen,
und zwar notwendigerweise unter einer besonderen Schutzatmosphäre; dies aber kompliziert
das Herstellungsverfahren.
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Ähnliche Schwierigkeiten treten auch auf, wenn Beläge verwendet werden,
die auf der Basis organischer Materialien hergestellt sind und gelegentlich auch
eine geringe Menge Metall enthalten.
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Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung eines Sinterreibwerkstoffes
für Bremsen, Kupplungen od. dgl., der die vorerwähnten Nachteile nicht besitzt und
hervorragende Eigenschaften aufweist, andererseits nicht brüchig ist und zur Bearbeitung
keine anderen Werkzeuge benötigt als die üblichen Hartmetalle auf Wolframkarbidbasis;
überdies besitzt das erfindungsgemäß hergestellte Material einen nennenswerten Reibungskoeffizienten,
der innerhalb weiter Grenzen durch Zusammensetzung und Herstellungsbedingungen einstellbar
ist; außerdem hat das Material eine sehr hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber hohen
Temperaturen; es läßt sich leicht herstellen, erfordert weder eine lange Sinterung
bei hohen Temperaturen noch eine besondere Atmosphäre dabei.
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Die Erfindung betrifft also ein Verfahren zur Herstellung eines Sinterreibwerkstoffes,
der Kohle und Metallpulver, darunter mindestens ein Metallpulver mit niedrigem Schmelzpunkt
enthält, wobei die Kohle in Form von Kokskohle mit mehr als 501, flüchtigen
Bestandteilen zugesetzt wird und die innig vermischten Pulver unter Anwendung von
Druck und Hitze in die endgültige Form und Beschaffenheit gebracht werden, wobei
etwa entstehenden Gasen Gelegenheit zum Entweichen gegeben wird, z. B. durch zeitweiliges
Entlasten des Druckes.
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Zweckmäßig beträgt der Gehalt an Kokskohle zwischen 5 und 30 und der
Gehalt an Metallpulvern zwischen 40 und 70 Gewichtsprozent.
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In dem fertigen Reibwerkstoff' sind die Hauptkomponenten in zweierlei
verschiedenen, in sich zusammenhängenden Gerippen oder Netzwerken enthalten, von
denen das eine auf Kohlenstoffbasis und das andere auf Metallbasis aufgebaut ist.
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Die Metallkomponenten werden, wenigstens teilweise, in Form feinen
Pulvers zugefügt, ähnlich wie es in der Pulvermetallurgie üblich ist; die Metallkomponenten
bestehen vorteilhaft aus einem oder mehreren der Metalle Kupfer, Zinn, Blei; auch
Bronze-, Messing-, Eisen-, Zink- oder Chromzusätze dienen zur Verbesserung der Reibungs-
un d Abnutzungseigenschaften.
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Die Hilfskomponenten und anderen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
zur Verwendung kommenden Bestandteile können beispielsweise auch Graphit und Molybdändisulfid
enthalten, um den Reibungskoeffizienten herabzusetzen oder zu stabilisieren; weiterhin
können sie Kieselerde, Silikate oder komplexe Fluorsilikate
sowie
mehr oder weniger schwer schmelzbare Metalloxyde enthalten, um den Reibungskoeffizienten
heraufzusetzen, die thermische Leitfähigkeit zu beherrschen und dem Material Stabilität
bei hohen Temperaturen zu verleihen; es kann auch Glaswolle, Mineralwolle od. dgl.
zugesetzt werden, um eine Grundlage aus faserigem schwer schmelzbarem Material zu
schaffen; gegebenenfalls können auch Schmelz- oder Flußmittel, wie Titanate und
Halogenverbindungen, zugefügt werden, um zwischen den schwerschmelzbaren Bestandteilen
eine zusätzliche Bindung zu schaffen, ohne daß es notwendig wäre, sehr hohe Temperaturen
anzuwenden.
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Die Mischung aus den zu versinternden Stoffen wird in eine Form eingebracht
und darin unter beträchtlichem Druck von etwa 100 bis 4000 kg/cmz und bei einer
verhältnismäßig niedrigen Temperatur von etwa 200 bis 700° C behandelt.
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Während dieses Vorganges gelangt die Kokskohle meistens bei 400 oder
500° C in einen pastenförmigen Zustand, so daß sich eine zusammenhängende feste
Struktur bildet, ähnlich wie bei entgastem Koks; dabei wird infolge des zur Anwendung
gelangenden Drucks ein Gerippe gebildet, das die anderen Bestandteile sehr fest
bindet. Außerdem wird ein zweites, davon unabhängiges Gerippe aus den Metallkomponenten
gebildet, die infolge ihres erheblichen Anteils zusammenhaften, miteinander verschmelzen
oder entweder ganz oder teilweise sintern. Zinn oder Blei erleichtern die Bildung
dieses Gerippes bei niedriger Temperatur wegen ihres niedrigen Schmelzpunktes. Zinn
bzw. Zink können auch durch Diffusion in das Kupferpulver oberflächlich Legierungen
bilden, die bei einer niedrigen Temperatur sintern.
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Die Kokskohle enthält organische Stoffe, die beim Erhitzen in pastenförmigen
Zustand übergehen und die Bildung eines zusammenhängenden Gerippes ermöglichen.
Im Gegensatz hierzu verbleiben Materialien, wie beispielsweise Graphit, bei den
angewandten Sintertemperaturen in der Form einzelner Teilchen erhalten, die sich
nicht miteinander vereinigen.
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Die Temperatur, bei welcher die Behandlung gemäß der Erfindung durchgeführt
wird, liegt zwischen 200 und 700°C, und zwar zweckmäßig bei 400 bis 500°C. Bei der
Auswahl der Sintertemperatur ist zu berücksichtigen, bei welcher Temperatur die
Kokskohle in pastenförmigen Zustand übergeht und bei Anwendung von Druck fließfähig
wird. Weiterhin ist die Temperatur zu berücksichtigen, bei welcher sich das metallische
Gerippe entsprechend der Zusammensetzung der Mischung und dem Ausmaß der zu erreichenden
Kohäsion, d. h. einfacher Adhäsion oder teilweisem Sintern, bildet; schließlich
ist die voraussichtliche Betriebstemperatur des Belages zu beachten, insbesondere
wenn der Belag nach der Herstellung noch nennenswerte Mengen flüchtiger Bestandteile
enthält.
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Der Druck, bei welchem die Behandlung nach der Erfindung durchgeführt
wird und der etwa zwischen 100 und 4000 kg/cm2 liegen soll, wird zweckmäßig zwischen
500 und 2000 kg/cm2 gewählt. Der Druck wird um so größer sein müssen, je weniger
flüssig die in den Kohleteilen enthaltene organische Substanz und je geringer der
Anteil an Kokskohle ist. Der Druck kann so gewählt werden, daß er entweder i während
der ganzen Behandlung konstant bleibt oder zweckmäßig sich erhöht, wenn die Materialzusammensetzung
viskoser wird. Der Druck wird zweckmäßig absatzweise zur Anwendung gebracht, wobei
er sich mit schwächeren Drücken abwechselt, so daß das Entfernen flüchtiger Bestandteile
unterstützt wird.
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Der eigentlichen Behandlung bei konstanter Temperatur geht ein allmählicher
Temperaturanstieg voraus; im allgemeinen dauert die Behandlung eine verhältnismäßig
kurze Zeit, die etwa zwischen wenigen Minuten und 2 bis 3 Stunden, zweckmäßig zwischen
20 Minuten und 1 Stunde, liegt. Die Behandlungsdauer hängt von der Behandlungstemperatur
ab, derart, daß die Kohäsion der Kohleteilchen erfolgt und wenigstens teilweise
die organischen Substanzen der Kohle verkohlen, wobei sich gleichzeitig das Kohlenstoffgerippe
bildet; außerdem entweicht dabei der größere Teil der flüchtigen Bestandteile; und
das metallische Gerippe bildet sich.
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Die Atmosphäre, in der die Behandlung durchgeführt wird, kann wahlweise
entweder neutral oder reduzierend sein; es kann aber auch in gewöhnlicher Luft gesintert
werden, da der Gehalt an Kohle, insbesondere deren Kohlenwasserstoffanteile, in
der Mischung im allgemeinen ausreicht, um eine Oxydation insbesondere der Metallpulver
in der Preßform zu verhindern. Die Kohle spielt also bei dem Verfahren nach der
Erfindung eine doppelte Rolle, nämlich das Verstärkungsgerippe zu bilden und gleichzeitig
die Bildung des anderen metallischen Gerippes zu vereinfachen, wobei es unnötig
ist, eine besondere Schutzatmosphäre zu verwenden.
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Nachstehend werden einige Ausführungsbeispiele des Verfahrens nach
der Erfindung beschrieben. Beispiel I Aus nachstehenden Bestandteilen in Pulverform
wurde eine Mischung hergestellt:
| Prozentuale Bevorzugte |
| Anteile Gewichtsanteile prozentuale |
| Gewichtsanteile |
| Kieselerde ........ 20 bis 40 0/0 290/, |
| Kupfer ........... 30 bis 60 0/0 440/, |
| Zinn ............. 1 bis 3 0/0 2% |
| Eisen ............. 7 bis 120/, 90/0 |
| Kokskohle mit 12 bis |
| 20 0/0 flüchtigen |
| Stoffen ......... 10 bis 20 0/0 160/0 |
Die Kieselerde wird zu Pulver zerkleinert, das durch ein Sieb mit 0,3 mm Maschenweite
hindurchgeht, von einem Sieb mit 0,2 mm Maschenweite jedoch zurückgehalten wird.
Die anderen Stoffe haben eine solche Beschaffenheit, daß sie durch ein Sieb mit
0,06 mm Maschenweite hindurchgehen.
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Diese Pulverbestandteile werden in einem umlaufenden Mischgerät gründlich
gemischt; das erzielte homogene Gemisch wird dann in eine Preßform gefüllt.
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Diese Preßform wird bei Anwendung eines Druckes von 1000 kg/cm2 auf
450'C erhitzt, und zwar 20 Minuten lang.
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Nach dem Abkühlen liegt ein hartes, festes Material vor, das ein spezifisches
Gewicht von 3 bis 3,5 und einen Reibungskoeffizienten von 0,35 bis 0,40 hat; die
Werte ändern sich leicht mit der angewandten Temperatur.
Das spezifische
Gewicht von 3 bis 3,5 macht dieses Material sehr geeignet zur Herstellung von Reibscheiben
für Kupplungen, da es nur halb so schwer ist wie das aus Sinterbronze bestehende
Material. Die Folge ist, daß Reibscheiben aus diesem Material eine sehr viel geringere
Trägheit haben und besser für Kraftfahrzeugantriebe geeignet sind als alle ähnlichen
zur Anwendung gelangenden Baustoffe.
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Der Widerstand gegenüber Abnutzung ist sehr beachtlich. Zwei Musterstücke
mit den Abmessungen 34,5 - 22,0 mm und 2,7 mm wurden einem ununterbrochenen Reibvorgang
gegen eine harte Stahlplatte ausgesetzt; hierbei zeigten die Musterstücke nach 2stündigem
Betrieb eine Abnutzung von 1,0 mm, wobei sie während des ganzen Prüfvorganges einen
Reibungskoeffizienten von 0,35 bis 0,40 behielten. Eine derartige Dickenabnahme
entspricht einer sehr geringen spezifischen Abnutzung (Verlust in Kubikzentimetern
je PS-Stunde); die spezifische Abnutzung betrug 0,08 bei einer Anpressung von 6
kg/cm2 gegen eine Reibebahn von 190 cm2. Die Abnutzung an der Stahlplatte war gleichfalls
sehr gering (durchschnittlich 5-Mikron-Rillen). Es ergibt sich aus diesen Versuchsresultaten,
daß das Material besonders geeignet ist als Bremsbelag für Flugzeuge oder für Reibbremsen.
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Das nach dem Verfahren gewonnene Material kann mit den üblichen Hartmetallwerkzeugen
auf Wolframkarbidbasis bearbeitet werden; es läßt sich in Form von Platten oder
Sektoren oder in irgendeiner anderen Gestalt verarbeiten. Die Platten können entweder
unmittelbar zusammengefügt werden oder in Messingfassungen eingefügt werden.
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Beispiel II Das Verfahren ist das gleiche wie beim Beispiel I; jedoch
sind die 29°/a Kieselerde durch 20°/o Graphit und 90/0 Molybdändisulfid ersetzt.
In diesem Falle wird ein konstanter Reibungskoeffizient erzielt, der jedoch etwas
niedriger liegt, und zwar in der Größenordnung von 0,25.