DE1205286B

DE1205286B - Auf pulvermetallurgischem Weg hergestelltes Reibelement

Info

Publication number: DE1205286B
Application number: DEG25320A
Authority: DE
Inventors: Arthur Ricketts Shaw; Frederich William Sampson; William Arthur Luther Jun; Roland Paul Koehring
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1957-09-19
Filing date: 1958-09-17
Publication date: 1965-11-18
Also published as: US2945759A

Description

Auf pulvermetallurgischem Weg hergestelltes Reibelement Die Erfindung betrifft auf pulvermetallurgischem Weg hergestellte Reibelemente auf Eisenbasis mit Graphitzusatz.
Es ist bekannt, Bremslamellen dadurch herzustellen, daß auf Blechen Kupfer- oder Eisenlegierungen aufgesintert werden, wobei die Eisen-Sinterschichten 10 bis 50 0/u Graphit und 10 bis 15 % Blei oder andere niedrig schmelzende Metalle enthalten.
Es wurde festgestellt, daß die Festigkeit der Reibelemente von der Graphitform abhängig ist. Besteht ein Reibelement z. B. zu 25 Gewichtsprozent nur aus pulverigem Graphit, der in dieser Form bereits eine verhältnismäßig niedrige Festigkeit aufweist, so sind diese Reibelemente z. B. für Bremslamellen auf Grund ihrer geringen Festigkeit ungeeignet. Bei der Verwendung von flockigem Graphit allein, der in dieser Form eine größere Festigkeit als der pulverförmige Graphit aufweist, besitzen diese Reibelemente zwar eine ausreichende Festigkeit, neigen jedoch wegen der laminaren Struktur des flockigen Graphits zum schuppenförmigen Abblättern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch ein bestimmtes Mischungsverhältnis von pulverigem Graphit und flockigem Graphit eine Erhöhung der Festigkeit von Reibelementen zu erzielen.
Erfindungsgemäß besteht das auf pulvermetallurgischem Weg hergestellte Reibelement aus 20 bis 32 Gewichtsprozent, vorzugsweise 25 bis 30 Gewichtsprozent, pulverigem künstlichem Graphit und flockigem Naturgraphit und Rest Eisen, wobei der Anteil jeder Graphitart nicht weniger als ein Sechstel und vorzugsweise nicht weniger als ein Drittel der gesamten Graphitmenge beträgt.
Im Rahmen dieser Werte liegen die für den angestrebten Zweck brauchbaren Mischungen. Bei einem größeren Anteil des pulverigen Graphits als fünf Sechstel des Gesamtgraphitgehalts ergibt sich eine zu geringe Festigkeit des Reibelements, während ein größerer Anteil von flockigem Graphit als fünf Sechstel des Gesamtgraphitgehalts eine übermäßige Neigung zum Abblättern verursacht. Die brauchbarste Mischung ist dann gegeben, wenn beide Graphitarten annähernd in gleicher Menge liegen.
Derartige Reibelemente haben unter normalen Betriebsbedingungen befriedigende Eigenschaften. Bei erschwerten Betriebsbedingungen, z. B. bei Autodroschken, Omnibussen od. dgl., -wo häufiges Abbremsen von hoher Geschwindigkeit erforderlich ist, zeigen solche Reibelemente nicht immer einen konstanten Reibwert über einen großen Temperaturbereich. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird daher vorgeschlagen, daß das stärker beanspruchte Reibelement zusätzlich noch 3 bis 10 Gewichtsprozent Blei, Wismut oder Cadmium oder eine binäre Legierung aus diesen Elementen enthält. Diese Zusatzstoffe werden bei Temperaturen unterhalb ihres Schmelzpunktes normalerweise in den Poren des Reibelementes in festem Zustand festgehalten, während sie oberhalb dieser Temperatur im schmelzflüssigen Zustand aus den Poren austreten und infolge ihrer Unlöslichkeit im Grundmetall schmierend wirken. Die dabei an der Oberfläche des Reibelementes entstehende schmierend wirkende Schmelze stabilisiert den Reibwert des Bremselementes, ohne dabei die durch den Graphit gegebenen Reibeigenschaften wesentlich zu verringern.
In gewissen Fällen kann Kupfer oder ein anderes Metall im eisenhaltigen Grundmetall enthalten sein, um die Festigkeit -des Reibelementes zu erhöhen. Bei Anwesenheit von Kupfer kann Cadmium nicht benutzt werden, da sich dieses mit Kupfer legieren kann.
Nachstehend werden Beispiele von Mischungen für Reibelemente nach der Erfindung angegeben. Beispiel 1 67 Teile Schwammeisenpulver, Korngröße kleiner als 0,057 mm, 15 Teile pulveriger künstlicher Graphit einer Dichte von 1,85 g/cm3, Korngröße kleiner als 0,044 mm, 15 Teile grober flockiger Naturgraphit, Dichte etwa 2,1 g/cm3, Korngröße kleiner als 0,84 bis 0,59 mm, 8 Teile Kupferpulver, Korngröße kleiner als 0,1 mm, und 5 Teile Wismutpulver, Korngröße kleiner als 0,15 mm, werden innig gemischt und mit einem Druck von 4927 kg/cm2 brikettiert und dann 40 Minuten lang in einer nichtoxydierenden Atmosphäre bei etwa 982° C gesintert. Das sich ergebende Reibelement hat eine Festigkeit von etwa 214,3 kg/cm2.
Beispiel 2 67 Teile Eisenpulver, 15 Teile pulveriger Graphit, 15 Teile flockiger Graphit, 8 Teile Kupferpulver und 5 Teile Bleipulver werden in gleicher Weise wie beim Beispiel 1 behandelt.
Beispiel 3 67 Teile Eisenpulver, 15 Teile pulveriger Graphit, 15 Teile flockiger Graphit, 8 Teile Kupferpulver, 2,5 Teile Wismutpulver und 2,5 Teile Bleipulver werden in gleicher Weise wie beim Beispiel 1 behandelt.
In dem Schaubild bezeichnet die Kurve »Temp.« die über der Zeit in Minuten aufgetragene Temperatur. Der Schmelzpunkt des Bleis ist mit S.P. Pb, der des Wismuts mit S.P. Bi und der der Blei-Wismut-Legierung mit S.P. Pb-Bi bezeichnet.
Die Kurven 1, 2 und 3 zeigen die Abhängigkeit der Reibwerte über der Zeit, der Temperatur zugeordnet. Die Kurve 1 gehört zu dem Werkstoff des Beispiels 1, Kurve 2 zu dem des Beispiels 2 und Kurve 3 zu dem des Beispiels 3. In allen drei Fällen ist der Reibwert des Reibelementes so lange unstabil, bis die Temperatur den Schmelzpunkt der schmierend wirkenden Metalle übersteigt, wonach sich der Reibwert einem Grenzwert nähert.
Beispiel 4 67 Teile Schwammeisenpulver, Korngrößer kleiner als 0,057 mm, 10 Teile pulveriger künstlicher Graphit, Dichte 1,85 g/cm3, Korngröße kleiner als 0,044 mm, 20 Teile grober flockiger Naturgraphit, Dichte etwa 2,1 g/cm3, Korngröße kleiner als 0,84 bis 0,59 mm, 8 Teile Kupferpulver, Korngröße kleiner als 0,1 mm, und 5 Teile Wismutpulver, Korngröße kleiner als 0,15 mm, werden innig gemischt und mit einem Druck von 4927 kg/cm2 brikettiert und danach 40 Minuten in einer nichtoxydierenden Atmosphäre bei etwa 982° C gesintert. Das erzeugte Reibelement hat eine Festigkeit von etwa 222,1 kg/cm2.
Beispiel 5 67 Teile Schwammeisenpulver, Korngröße kleiner als 0,057 mm, 20 Teile pulveriger künstlicher Graphit, Dichte 1,85 g/cm3, Korngröße kleiner als 0,044 mm, 10 Teile grober flockiger, Naturgraphit, Dichte etwa 2,1 g/cm3, Korngröße kleiner als 0,84 bis 0,59 mm, 8 Teile Kupferpulver, Korngröße kleiner als 0,1 mm, und 5 Teile Wismutpulver, Korngröße kleiner als 0,15 mm, werden innig gemischt und mit einem Druck von 4927 kg/cm2 brikettiert und danach 40 Minuten in einer nichtoxydierenden Atmosphäre bei etwa 982° C gesintert. Das erzeugte Reibelement hat eine Festigkeit von etwa 158,8 kg/cm2.
In den beiden letzten Beispielen können Wismut-und Kupferpulver zur Erreichung gewünschter Reibeigenschaften fortgelassen werden.
Beispiel 6 100 Teile Schwamm- oder reduziertes Eisenoxydpulver, 30 Teile Graphit, aus pulverigem und flockigem gemischt, und 6 Teile Wismutpulver werden in feinverteilter Form mit einer Korngröße kleiner als 0,15 mm innig gemischt und mit einem Druck zwischen 4223 und 5631 kg/cm2 brikettiert und danach 30 bis 40 Minuten in einer nichtoxydierenden Atmosphäre bei 982 bis 1104° C gesintert.
Beispiel 7 100 Teile Schwamm- oder reduziertes Eisenoxydpulver, 45 Teile Graphit, aus pulverigem und flockigem gemischt, und 6 Teile Wismutpulver werden in gleicher Weise behandelt wie beim Beispiel 6.
Beispiel 8 100 Teile Schwamm- oder reduziertes Eisenoxydpulver, 30 Teile gemischter Graphit, 6 Teile Wismutpulver und 9 Teile Kupferpulver werden in gleicher Weise behandelt wie beim Beispiel 6.
Beispiel 9 100 Teile Eisenpulver, 45 Teile gemischter Graphit, 6 Teile Wismutpulver, 9 Teile Kupferpulver und 4 Teile Bleipulver werden in der gleichen Weise wie beim Beispiel 6 behandelt. Beispiel 10 100 Teile Eisenpulver, 45 Teile gemischter Graphit, 6 Teile Wismutpulver, 15 Teile Kupferpulver und 5 Teile Bleipulver werden in der gleichen Weise wie beim Beispiel 6 behandelt.
Beispiel 11 100 Teile Eisenpulver.
30 Teile gemischter Graphit, 10 Teile Wismutpulver und 15 Teile Kupferpulver werden in der gleichen Weise wie beim Beispiel 6 behandelt.
Die nach den Beispielen 6 bis 11 hergestellten Reibelemente weisen eine befriedigende Festigkeit auf. Dabei trat das schmierend wirkende Metall bei Erreichen der Schmelztemperatur an der Oberfläche des Reibelementes aus.
Beispiel 12 100 Teile Eisenpulver, 35 Teile gemischter Graphit, 5 Teile Blei, 6 Teile Cadmium. Beispiel 13 100 Teile Eisenpulver, 30 Teile gemischter Graphit, 8 Teile Cadmium.
Bei den Beispielen 12 und 13 wurden das Eisen und der Graphit in Pulverform mit etwa 3 bis 4% Ammoniumkarbonat als Blähmittel zur Unterstützung der Porenbildung gemischt. Diese Mischung wurde zu einer sich selbst tragenden Masse mit einem Druck von etwa 4223 bis 4927 kg/em2 brikettiert und dann 30 bis 40 Minuten unter nichtoxydierenden Bedingungen bei 982° C gesintert. Beim Sintern zersetzt sich das Ammoniumkarbonat und verdampft unter Bildung kleiner Poren im Reibelement, die mit der Oberfläche verbunden sind. Der gesinterte Teil wurde dann mit Cadmium oder der Cadmium-Blei-Legierung bei einer unter dem Siedepunkt des Cadmiums liegenden Temperatur von 767° C, vorzugsweise zwischen 538 und 649° C, getränkt. Da die Sintertemperatur des Eisens und Graphits wesentlich über dem Siedepunkt des Cadmiums liegt, werden die Reibelemente erst nach der Sinterung getränkt, um die Verdampfungsverluste des Cadmiums zu verhindern. Die gleiche Wirkung wird auch durch Sintern unter Druck erzielt. Nach den gleichen Methoden können auch die anderen schmierend wirkenden Metalle, wie Blei und Wismut, eingebracht werden.
Die nach einem der vorstehend genannten Beispiele hergestellten Reibelemente werden zweckmäßig mit einem dichteren und festeren Werkstoff beim Sintern verbunden, um sie dann in einfacher Weise durch Nieten oder Punktschweißen mit einem Stahlschuh oder einer Stahlplatte verbinden zu können. Ein solcher Werkstoff, der besonders geeignet ist, weil er die gleichen Eigenschaften beim Brikettieren und Sintern hat, besteht aus einer Mischung von etwa 95 Teilen Schwammeisenpulver einer Korngröße von weniger als 0,15 mm, 5 Teilen pulverigem Graphit geringer Dichte von 1,68 g/em3 und einer Korngröße von kleiner als 0,044 mm sowie 3 Teilen Molybdändisulfidpulver einer Korngröße von kleiner als 0,057 mm. Diese Bestandteile werden innig gemischt und in die Form eingebracht. Danach wird eine von den in den Beispielen angegebenen Mischungen in die gleiche Form gefüllt und beide Schichten gemeinsam mit einem Druck von 4223 bis 5631 kg/cm2 brikettiert. Das Sintern erfolgt dann unter den in den einzelnen Beispielen angegebenen Bedingungen. Auf diese Weise wird ein einheitlich verbundenes Werkstück gebildet, das eine festere Auflageschicht und eine Reibschicht mit den gewünschten Reibeigenschaften hat.
Besteht der schmierend wirkende Zusatzstoff aus einer eutektischen Legierung der Elemente Wismut, Blei oder Cadmium, so schmilzt dieser Zusatzstoff bekanntlich bereits bei einer niedrigeren Temperatur. Während Blei etwa bei 327° C und Wismut bei etwa 271° C schmilzt, liegt der Schmelzpunkt der eutektischen Legierung von Blei und Wismut etwa bei 124° C. Diese Wirkung kann somit bei Reibelementen, die unter normalen Betriebsbedingungen eingesetzt sind, erzielt werden. Hierfür sind die Werkstoffe der Beis iele 3, 9, 10 und 12 geeignet. Bei erhöhter Beanspruchung der Reibelemente empfiehlt es sich jedoch, nur ein einziges schmierend wirkendes Metall mit einem höheren Schmelzpunkt zu verwenden, wie sie in den Beispielen 1, 2, 4 bis 8 und 13 angegeben sind.
Die Reibelemente mit einem Graphitanteil von 20 bis 25 Gewichtsprozent in der Pulvermischung weisen gute Reibeigenschaften auf, neigen aber zu geräuschvoller Betriebsweise. Durch einen erhöhten Graphitanteil von über 25 Gewichtsprozent können die beim Bremsen entstehenden Geräusche wesentlich herabgesetzt werden.

Claims

Patentansprüche: 1. Auf pulvermetallurgischem Weg hergestelltes Reibelement auf Eisenbasis mit Graphitzusatz, bestehend aus 20 bis 32 Gewichtsprozent, vorzugsweise 25 bis 30 Gewichtsprozent, pulverigem künstlichem Graphit und flockigem Naturgraphit und Rest Eisen, wobei der Anteil jeder Graphitart nicht weniger als ein Sechstel und vorzugsweise nicht weniger als ein Drittel der gesamten Graphitmenge beträgt.
2. Reibelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es außerdem 3 bis 10 Gewichtsprozent Blei, Wismut oder Cadmium oder eine binäre Legierung aus diesen Elementen enthält.
3. Reibelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es bei Abwesenheit von Cadmium bis zu 10 Gewichtsprozent Kupfer enthält.
4. Reibelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß es aus 100 Gewichtsteilen Eisen, 30 bis 45 Gewichtsteilen Graphit und 6 bis 10 Gewichtsteilen Cadmium oder einer binären Legierung von Cadmium mit Blei oder Wismut besteht.
5. Reibelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es aus 100 Gewichtsteilen Eisen, 30 bis 45 Gewichtsteilen Graphit, 0 bis 15 Gewichtsteilen Kupfer und 6 bis 10 Gewichtsteilen Blei, Wismut oder einer Legierung von diesen besteht.
6. Reibelement nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Reibelement Poren während des Sinterns mittels eines Blähmittels gebildet sind und daß Blei, Wismut oder Cadmium in diese Poren durch einen auf das Sintern folgenden Tränkungsvorgang eingebracht ist.
7. Reibelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mengenanteile der beiden Graphitarten im wesentlichen einander gleich sind. B. Reibelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer gesinterten Grundschicht, die aus einer Mischung von 95 Gewichtsteilen Schwammeisenpulver einer Korngröße von kleiner als 0,15 mm, 5 Gewichtsteilen pulverigem Graphit einer Korngröße von kleiner als 0,044 mm und 3 Gewichtsteilen Molybdändisulfidpulver mit einer Korngröße von kleiner als 0,057 mm gebildet ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Österreichische Patentschrift Nr. 201870; Auszüge deutscher Patentanmeldungen, Vol. 19, S. 52, Aktenzeichen G 107$47, VI a.