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Reibkörper mit gesintertem, metallkeramischem Reibmaterial und Verfahren
zur Herstellung des Reibkörpers Die Erfindung bezieht sich auf einen Reibkörper,
der ein gesintertes metallkeramisches Reibmaterial aufweist, das an einem metallischen
Träger anhaftet, sowie auf ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Reibkörpers.
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Metallkeramische Massen zur Verwendung als Reibbeläge sind in der
deutschen Patentschrift 964 756 beschrieben, bei denen Mullitpartikeln in gesintertem
Metall als Bindemittel eingebettet sind. Das Reibmaterial wird mit einem schalenförmigen
metallischen Träger dadurch verbunden, daß eine dünne Kupferschicht auf den aus
Eisen oder einer Eisenlegierung bestehenden Träger aufgebracht und bei der Sinterung
des Reibmaterials gleichzeitig ein Druck auf dieses ausgeübt wird, wodurch es sich
mit der Kupferhaut verbindet. Das Sintern unter Druck ist jedoch schwer durchzuführen
und damit teuer. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß im Falle eines hohen Anteils
der Mullitpartikeln in der metallkeramischen Mischung die Verbindung des Reibmaterials
mit dem Träger zu schwach wird und keine größeren Schubkräfte aufgenommen werden
können.
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Es sind auch Versuche bekanntgeworden, diese Nachteile zu überwinden
und eine größere Haftfestigkeit zwischen Reibmaterial und Träger dadurch herbeizuführen,
daß eine gelochte, mit dem Träger verschweißte Scheibe vorgesehen ist, auf die das
Reibmaterial vor dem Sintern aufgepreßt und dabei zum Teil in die Löcher der Scheibe
hineingedrückt wird. Bei dieser Art der Herstellung ergibt sich eine gute mechanische
Verzahnung, die verhältnismäßig hohe Schubkräfte aufzunehmen imstande ist. Jedoch
ist das Herstellen eines derartigen Reibkörpers durch die Verwendung einer zusätzlichen
Lochscheibe sowie durch das zusätzliche Verschweißen mit dem Träger mit zu hohen
Kosten verbunden. Ferner tritt bei dieser Art der Anordnung eine metallurgische
Verbindung zwischen Reibmaterial und Träger nicht ein.
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Die Verwendung von Metallkügelchen, von denen ein Teil eine metallurgische
Bindung zwischen dem Reibkörper und dem Träger herstellen, ist in der USA.-Patentschrift
2 465 437 beschrieben, bei der in dem Reibkörper das eigentliche Reibmaterial von
einer aus Kupferkügelchen gebildeten Matrix besteht, bei der die Kügelchen durch
ein geeignetes Bindemittel, beispielsweise Zinn, zusammengehalten werden. Diese
Matrix wird mit dem Träger durch Sintern oder Legieren unmittelbar verbunden. Die
Zwischenräume zwischen den Kügelchen nehmen ein Kunstharz auf, das Asbestfasern
enthält.
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Abgesehen davon, daß ein aus kunstharzimprägnierten Asbestfasern gebildeter
Reibbelag einem hohen Abrieb unterworfen ist, ist zu berücksichtigen, daß die Kügelchen
sich in mehreren Lagen über den gesamten Querschnitt des Reibmaterials hindurch
erstrecken, wobei sie infolge Wärmebehandlung in dichte Berührung miteinander gelangen
und somit eine Matrix bilden, deren Porenstruktur für die Aufnahme keramischer bzw.
metallkeramischer Pulver ungeeignet ist. Es erfolgt im wesentlichen nur eine metallurgische
Verbindung zwischen Matrix und Träger. Zwar wird in dieser Patentschrift in F i
g. 2 ein Reibmaterial gezeigt, das durch mechanische Verblockung gehalten wird,
doch setzt diese Art der Verbindung Einscheröffnungen im Träger voraus, die eine
mechanische Bearbeitung erfordern und demgemäß eine Festigkeitsminderung im Trägerkörper
zur Folge haben.
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Die Erfindung geht wegen der Verwendung der Reibkörper als Bremsbeläge
bei Flugzeugbremsen von den dafür wichtigen Reibeigenschaften metallkeramischer
Massen aus und genügt der Aufgabe, einem Reibkörper einen Aufbau zu geben, der es
möglich macht, ihn wirtschaftlicher als die bekannten Reibkörper herzustellen und
auch ohne Verwendung einer Lochscheibe eine ausreichend feste Haftung des Reibmaterials
an dem Träger zu sichern.
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Insbesondere will man dabei eine Verbindung zwischen Reibkörper und
Träger schaffen, bei der durch Wahl der Bindemittel die Art der gewünschten Verbindung
-mechanische und metallurgische oder rein mechanische Verbindung - bestimmt werden
kann.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen,
zwischen dem gesinterten metallkeramischen Reibmaterial und einem kupferüberzogenen,
schalenförmigen
metallischen Träger eine aus Metallkügelchen bestehende Zwischenschicht vorzusehen,
bei der die Metallkügelchen in einfacher Schichtung an den Träger in an sich bekannter
Weise aasgeschmolzen oder angelötet sind und bei welcher die nach dem Aufschmelzen
zwischen den Metallkügelchen verbliebenen Zwischenräume vom Material der Reibschicht
angefüllt sind.
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Das Verfahren nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß eine
Anzahl von metallischen Kügelchen in einfacher Schichtung auf den Träger hart aufgelötet,
dann die pulvrige Mischung aus keramischem und metallischem Material über den Kügelchen
verdichtet und dann gesintert wird.
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Abgesehen davon, daß keine Lochscheibe Verwendung findet, die zu einer
Verteuerung führen würde, ergeben diese Maßnahmen eine Verbindung zwischen Reibmaterial
und Träger, die der mit einer Lochscheibe erzielbaren auch noch aus anderen Gründen
überlegen ist. Einmal ergeben die einzelnen mit dem Träger verschweißten Kügelchen
in der Summe eine größere wirksame Schweißfläche zur Aufnahme der Schubkräfte als
eine nur an wenigen Stellen mit dem Träger durch Schweißen verbundene gelochte Scheibe;
zum anderen bedingt die verhältnismäßig große Oberfläche der Kügelchen eine größere
Haftfläche für das Reibmaterial als Löcher in einer Scheibe. Schließlich ergibt
sich von Natur aus eine schwalbenschwanzförmige Verzahnung, die bei einer Lochscheibe
nur durch besondere Ausgestaltung der Löcher erzielbar ist. Im übrigen ist zur Herstellung
des Reibkörpers nach der Erfindung kein Preßsintern erforderlich, um die dargelegten
positiven Eigenschaften zu erzielen, so daß sich auch ein einfach durchzuführendes
Herstellungsverfahren ergibt.
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Diese Größe der Kügelchen bestimmt sich nach ihrem zulässigen Abstand
von der Arbeitsfläche des Reibkörpers sowie nach der Partikelgröße des Reibmaterials,
das ja in die Räume zwischen den Kügelchen eindringen soll. Für sie wird vorzugsweise
eine Größe von 0,25 bis 0,84 mm gewählt.
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Ist der Träger becherförmig ausgebildet, so werden zweckmäßig auch
an den von der Grundfläche des Trägers aufstehenden Seiten metallische Kügelchen
vorgesehen.
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Reibkörper der vorliegenden Gattung werden in der Regel in der Weise
hergestellt, daß eine pulvrige Mischung aus metallischem und keramischem Material
auf den metallischen Träger aufgebracht und dann durch Verdichten und Sintern mit
diesem verbunden wird.
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Zur Herstellung des Reibkörpers nach der Erfindung wird nun vorgeschlagen,
vor dem Aufbringen der pulvrigen Mischung eine Anzahl von metallischen Kügelchen
auf den Träger aufzulöten, dann die pulvrige Mischung über den Kügelchen zu verdichten
und schließlich zu sintern. Dabei kann so vorgegangen werden, daß das metallkeramische
Material wenigstens teilweise mit den Kügelchen während des Sinterns verschweißt.
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Zweckmäßigerweise ist der Träger mit einem Lötmittel überzogen.
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Die Bestandteile der metallkeramischen Auflage bilden keinen Teil
der Erfindung.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist den Zeichnungen zu entnehmen.
Im einzelnen zeigt F i g. 1 eine Ansicht eines Reibkörpers mit einer metallkeramischen
Masse, F i g. 2 den Träger mit der aufgetragenen Zwischenschicht vor dem Hinzufügen
des Materials der Reibschicht, F i g. 3 eine Mikroaufnahme in 33facher Vergrößerung
eines Querschnitts durch den fertigen Reibkörper, F i g. 4 einen Schnitt nach der
Linie 4-4 der F i g. 1 und F i g. 5 einen Träger ohne Stützrand vor dem Hinzufügen
des Materials der Reibschicht.
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In der F i g. 1 ist ein Reibkörper mit einem metallkeramischen Reibmaterial
gezeigt, der in einer Brems- oder Kupplungseinrichtung verwendbar ist.
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Bezüglich der F i g. 1, 3 und 4 besteht die Auflage 10 aus gesintertem
metallischem Material, in dem eine keramische Phase verteilt ist, welche die Reibeigenschaften
hauptsächlich bestimmt. Zur Aufnahme des metallkeramischen Reibmaterials dient eine
Schale 14 mit einem Rand 12. Auf dem Boden der Schale aus Stahl ist
ein Kupferüberzug aufgetragen, der eine Auflage 18 bildet. Eine Anzahl sehr
kleiner runder Kügelchen 20 sind auf die Auflage 18 aufgeschmolzen. Die Kügelchen
20 bestehen aus Kupfer und haben außen einen Zinnüberzug, der als Lötmittel zwischen
den Kügelchen 20 und der Auflage 18 dient.
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In der F i g. 3 ist das metallkeramische Reibmaterial in der Schale
verdichtet, und während des Verdichtens fließt das metallkeramische Material um
die runden Kügelchen 20 herum und wird zwischen den Kügelchen und der Grundfläche
der Schale 14 abgelagert. Wenn das Teil jetzt gesintert wird, so verschmilzt der
Metallanteil der Auflage 10 und bildet eine kontinuierliche Phase, die als Binder
für die Auflage 10 dient.
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Gleichzeitig mit dem Sintern findet eine gewisse Hartlötung zwischen
den Kügelchen 20 und dem Metallanteil der Auflage 10 statt. So findet sowohl
eine mechanische wie auch eine metallurgische Bindung zwischen der metallkeramischen
Auflage 10 und der Schale 14 statt.
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Wie in der F i g. 3 gezeigt ist, dringt das metallkeramische Material
bis zur Grundfläche der Schale 14 vor und wird so in die Taschen nebeneinandergelagerter
Kügelchen 20 gedrückt und bildet eine verzahnende, schwalbenschwanzförmige
Verbindung.
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Zur beanspruchten Verbindung dient beispielsweise eine Reibmischung
mit folgenden Gewichtsteilen:
| Kupfer .................. 60,0 |
| Molybdän ............... 5,0 |
| Graphit ................. 10,0 |
| Silizium ................. 5,0 |
| Mullit ................... 20,0 |
Die Korngrößen der metallischen Binderbestandteile liegen von etwa 0,15 bis unter
0,040 mm lichter Maschenweite. Die Schale besteht aus Stahl. Die Grundfläche und
Seiten der Schale weisen einen im Metallspritzverfahren aufgebrachten Überzug
18 aus Elektrolytkupfer in Stärke von 0,008 mm auf. Verzinnte Kügelchen von
0,68 bis 0,43 mm lichter Maschenweite werden dann auf die Schale aufgeschmolzen,
indem zunächst die kupferüberzogene Oberfläche der Schale mit einem organischen
Klebemittel überzogen wird, auf dem die Kügelchen haftenbleiben. Dieses organische
Klebemittel wird während des Auflötens der Kügelchen 20 auf die Kupferoberfläche
18
durch Wärme entfernt, ohne daß die Wirksamkeit der Hartlösung vermindert wird.
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Beispiel 1 Die Kügelchen werden auf die Schale aufgebracht, indem
sie in die mit einem organischen Klebemittel überzogene Schale gestreut werden;
ein überschuß an Kügelchen gewährt eine gleichmäßige Verteilung. Die Schale wird
jetzt umgestülpt, um die überschüssigen Kügelchen auszuschütten. Die Schale durchläuft
dann einen Lötofen und wird hier 20 Minuten bei 870° C in reduzierender Atmosphäre
erhitzt, um die Kügelchen 20 mit der Kupferauflage 18 zu verschmelzen.
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Das vorbeschriebene metallkeramische Material wird dann in den Träger
geschüttet, und die lose Pulverauflage wird mit etwa 2800 kg/cm2 verdichtet. Der
Reibkörper wird jetzt in einen Ofen mit reduzierender Atmosphäre geschoben und bei
982° C 30 Minuten lang erhitzt, um die metallische Phase der Mischung zu sintern,
die zu einem kontinuierlichen Binder verschmilzt. Jetzt folgt das Verdichten bei
7000 kg/cm2. Im Bereich der Kügelchen geht der Binder mit diesen eine metallurgische
Bindung ein. Das Reibmaterial, das sich zwischen die Kügelchen gezwängt hat, dient
als mechanische Verzahnung.
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Die Beschaffenheit dieser Bindung ist aus mehreren Gründen der »Lochscheibe«
überlegen; z. B. wird an Stelle der Schweißung der Sicken zwischen Scheibe und Grundfläche
des Näpfchens jedes der Kügelchen »geschweißt«, und die Kügelchen als ganzes werden
so fester an der Grundfläche befestigt als die Scheibe mit vier oder fünf Schweißsicken.
Im Gegensatz zu den Löchern der Scheibe, die größtenteils Reibsitz ermöglichen,
sind die Kügelchen mit dem metallischen Binderteil der Auflage verschmolzen und
bilden ähnlich dem Schwalbenschwanz zusätzlich eine verzahnte Bindung mit ihm.
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Die beschriebene Herstellung ist auch dem »Preßsintern« des Binders
an die Kupferauflage überlegen, da kein äußerer Druck notwendig ist, um die beschriebene
Bindung zu erreichen. Es ist ebenfalls eine größere Bindungsfläche zwischen der
Schale und dem Binder vorhanden, da die Kügelchen eine äußere sphärische Fläche
haben, die in ihrer Anhäufung bei weitem den Oberflächenbereich der Grundfläche
der Schale übertrifft. Diese Flächenvergrößerung ergibt eine größere Befestigungsfläche
als bei der Lochscheibe, wo der gesamte Querschnitt der Öffnungen die Bindung zwischen
Schale und Belag bestimmt. Die Lochung kann die gesamte Scheibenfläche nicht übersteigen,
und die Anzahl der Löcher darf nicht so hoch sein, daß die Scheibe geschwächt wird.
Die Kügelchen jedoch bringen jede erforderliche Bindungsfläche zustande, ohne den
Trägerkörper zu schwächen.
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Die Größe der Kügelchen wird von zwei Erwägungen her bestimmt.
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1. Sie darf nicht zu groß sein, sonst liegt die Kugel zu sehr von
der Reibfläche frei und stört die Wirksamkeit des Reibmaterials, solange noch eine
nutzbare Menge von Reibmaterial vorhanden ist.
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2. Die Kügelchen dürfen nicht so klein sein, daß die Teilchen des
Reibmaterials daran gehindert werden, sich zwischen den Kügelchen und der anstoßenden
Schalenfläche zu setzen. Die bevorzugten Grenzen der Kügelchengröße werden nach
qualitativen Erwägungen festgesetzt, die vorzugsweise eine Angelegenheit der Konstruktion
sind.
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In den meisten Fällen ist die Kügelchengröße nicht größer als 0,93
mm lichte Maschenweite, weil sich das Bindermetall von geringerer lichter Maschenweite
leicht durch die Lücken der Kügelchen dieser Größe zwängen kann. Wenn die Siebfeinheit
des Bindermaterials erhöht wird, würde dieses auch eine Vergrößerung der Siebfeinheit
der Kügelchen notwendig machen. Die Siebfeinheit des Bindermetalls übersteigt jedoch
im allgemeinen 0,15 mm lichte Maschenweite nicht, und so genügen Kügelchen von nicht
höher als 0,93 mm lichte Maschenweite. Jede Zunahme der Kügelchengröße verbessert
nicht die Bindung, sondern setzt die nutzbare Menge an Reibmaterial herab.
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Bei der unteren Grenze der Kugelgröße ist die Fähigkeit des Binders,
in die Zwischenräume einzudringen, von ausschlaggebender Bedeutung. Dieses ist eine
Funktion der Siebfeinheit des Binders. Die kleinste gut geeignete Kügelchengröße
liegt im allgemeinen bei etwa 0,43 mm lichte Maschenweite. Wenn die Kügelchen übermäßig
klein werden, so wird der Eingriff zwischen den Kügelchen und dem anliegenden Bindermaterial
in seiner Wirksamkeit herabgesetzt, weil der Binder nicht richtig in den leeren
Räumen zwischen den Kügelchen eintreten kann. Kügelchen mit einer Größe unter 0,43
mm (bis 0,25 nun) lichter Maschenweite werden daher nicht als geeignet angesehen,
da eine Zunahme der nutzbaren Belagstärke andrerseits eine niedrigere Bindefestigkeit
bedingt. Die optimale Siebfeinheit liegt bei ungefähr 0,6 bis 0,43 mm lichter Maschenweite.
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Natürlich ändern sich die Kügelchenzusammensetzungen mit der Zusammensetzung
des Rindermaterials. So sind zinnüberzogene Kupferkügelchen für eine Reibzusammensetzung
auf Kupferbasis geeignet, aber Eisenkügelchen werden bei Mischung auf Eisenbasis
vorgezogen.
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Das Material der Kügelchen und seine Zusammensetzung wird von seiner
Verschmelzbarkeit mit dem Grundmaterial bestimmt und davon, ob es sich an seiner
Oberfläche in geeigneter Weise, besonders während der Sinterung, mit dem Binder
verschmelzen läßt.
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Wenn auch eine Bindung zwischen den Kügelchen und dem Binderteil des
Belags wünschenswert ist, so ist sie auf keinen Fall wesentlich. Es wurden Befestigungen
erzielt, bei denen der Binder von den Kügelchen mechanisch eingeschlossen wird,
aber ohne irgendeine der metallurgischen Befestigungen. Solche Befestigungen wurden
geprüft und obwohl weniger wirksam, sind sie immer noch geeignet.
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Ein besonderes Beispiel einer solchen Anordnung ist wie folgt: Beispiel
2 1. Dieselbe Zusammensetzung wie im Beispiel 1.
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2. Kügelchenstahl granuliert 0,93 bis 0,43 mm lichte Maschenweite.
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3. Auflöten auf den Stahlträger mit gewöhnlicher Kupferlötpaste bei
1121° C 5 Minuten lang.
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Bei Anwendung sehr hoher Temperaturen, die über die Grenzbeanspruchung
der Kupfer-Zinn-
Kügelchen hinausgehen, wird ein Kupferkügelchen,
das mit jedem der folgenden Musterverfahren aufgelötet werden kann, empfohlen.
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Beispiel 3 1. Reibmischung wie im Beispiel 1.
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2. Kügelchen 0,93 bis 0,43 mm lichte Maschenweite, reine Kupferzusammensetzung.
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3. Auflöten auf den Stahlträgerteil mit Lötpaste bei 1066° C 5 Minuten
lang.
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Beispiel 4 1. Dieselbe Mischung wie im Beispiel 1.
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2. Kügelchengröße dieselbe wie im Beispiel 2.
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3. Auflöten auf den Stahlträger mit Lötfolie bei 899° C 5 Minuten
lang in reduzierender Atmosphäre.
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In den Beispielen 2 bis 4 sind die Arbeitsstufen des Verdichtens,
Sinterns und Prägens der Reibmischung im wesentlichen dieselben, wie sie für das
Beispiel 1 beschrieben sind.