DE1571467C - Verfahren zur Herstellung von Reib korpern - Google Patents

Description

Reibkörper, die als Bremsbeläge, Scheibenbrcmsbelägc, Kupplungsbelägc oder Eisenbahnbremsblöcke verwendet werden, werden im allgemeinen aus Asbest oder anderen anorganischen Fasern zusammen mit einer Reihe weiterer Bestandteile wie Kautschuk, Metallpulvern, mineralischen Füllstoffen, gehärteten Kautschukpulvern, Graphit, Kautschuk-Vulkanisicrhilfsmitteln, Antioxadantien und Weichmachern unter geeigneten Temperatur und Druckbedingungen hergestellt. Ein Bindemittel muß in jedem Fall vorhanden sein; im allgemeinen werden Harze als Bindemittel verwendet. Auch Kautschuk selbst kann ein Bindemittel darstellen; gelegentlich werden Kautschuk und Harz gleichzeitig als Bindemittel verwendet. Schließlich ist es möglich, pflanzliehe Öle sowohl allein als auch in Verbindung mit Kautschuk als Bindemittel zu verwenden.

Reibkörper, die übliche organische Bindemittel enthalten, weisen nur eine geringe Rentabilität unter den verschiedenen Temperaturbedingungen auf. In Scheibenbremsen entstehen im allgemeinen höhere Temperaturen als in Trommelbremsen, so daß in erstcren Reibkörper, die organische Bindemittel enthalten, leicht zerstört werden. Der thermische Abbau der Bindemittel führt zu einer Verschlcchterung des Reibverhaltcns und führt zu einer vorzeitigen Abnutzung der Bremsbeläge. Weiterhin ergibt sich bei Verwendung von organischen Materialien, vor allem Harzen, als Bindemittel ein vorzeitiger Kantcnverschleiß. Schließlich ist es auch nicht immer möglich, Produkte mit gleichmäßigen Eigenschaften herzustellen.

Um den Nachteil der geringen thermischen Widerstandsfähigkeit der bisher bekannten Bindemittel für Reibkörper auszuschalten, hat man schon die Verwcndung gesinterter Metalle und keramischer Materialien als Bindemittel vorgeschlagen, wobei der Sintcreffekt die Bindung der Bestandteile der Reibkörper bewirkt. Ein Sintern der genannten Bestandteile kann aber im allgemeinen nur bei hohen Temperaturen erreicht werden. Es ist beispielsweise notwendig, das Sintern eines Reibkörpers auf Kupferbasis bei Temperaturen von 500° C und darüber durchzuführen; bei manchen Verfahren müssen sogar Temperaturen von über 750° C angewendet werden, wobei dann auch der Druck unter genauer Kontrolle gehalten werden muß; insgesamt sind die Herstellungsbcdingungen kompliziert und aufwendig.

Demgegenüber belrilft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von aus anorganischen Fasern, vorzugsweise Asbestfasern, und einem Bindemittel bestehenden Reibkörpern, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man eine Asbestfasern, Kupfer oder Kupferverbindungen und Schwefel enthaltende Mischung verformt und unter geeigneten Preßdrücken und für die Bildung von Kupfersulfid ausreichenden Temperaturen unter Vermeidung jeglicher Sinterung aushärtet, so daß man einen Reibkörper erhält, in dem das Bindemittel vollständig oder nahezu vollständig aus Kupfersulfid besieht, wobei das gesamte fi» in dem Bindemittel enthaltene Kupfersulfid in situ gebildet worden ist.

CicmäB weiteren Kenn/eichen des erfindungsgcmiUicn Verfahrens wird eine Mischung aus Asbestfasern, Kupl'cipulver und Schwefel verformt und bei einem I'rcßdruck von 315 bis 3150 ;it und einer Temperaliir im Bereich von KO bis 220" C! ausgehärtet, das Cicwidilsvcrliiiltnis von Kupfer zu Schwefel in der zu verformenden Mischung der Bestandteile zwischen 1: 1 und 3 : 1 und macht in dem fertigen Reibkörper das als Bindemittel wirkende Kupfersulfid, berechnet als Cu(ll)-sulfid, 10 bis 50 Volumprozent aus.

Aus der österreichischen Patentschrift 234 572 ist zwar bekannt, in Reibkörpern Kupfersulfid in situ entstehen zu lassen. Die Bindung des Reibmaterials wird gemäß diesem österreichischen Patent aber durch ein Glasfrittenmaterial erreicht, welches etwa 50 Volumprozent der Mischung ausmacht. Die gebildete Sulfidmenge beträgt dagegen nur 2 bis 3 Volumprozent und wirkt nicht als Bindemittel, sondern als Schmiermittel. Dabei kommen Preßtemperaturen zur Anwendung, die hoch genug sind, um die Masse sintern und die erforderliche Glasfrittenbindung entstehen zu lassen.

Glasgebundene Reibkörper weisen im Vergleich zu kupfersulfidgebundenen Reibkörpern zwei wesentliche Nachteile auf. Zunächst geben glasgebundene Reibkörper ein kräftiges Geräusch, wenn die Bremse betätigt wird. Das Entstehen von Geräuschen macht ein Reibmaterial im allgemeinen unbrauchbar und stellt einen schwerwiegenden Nachteil dar. Kupfersulfidgebundene Materialien geben dagegen nur ein sehr geringes Geräusch. Zweitens besitzen glasgebundene Reibkörper eine geringe Lebensdauer, d. h., sie verschleißen schneller als kupfergebundene Reibkörper, und in der üblichen Weise mit organischen Bindemitteln gebundene Produkte.

Da leichte Bedingungen diejenigen sind, die in normalen PkW am häufigsten vorkommen, ist das Verhalten der Materialien unter diesen Bedingungen sehr wichtig. Die gute Lebensdauer der kupfersulfidgebundenen Reibkörper unter leichten Bedingungen ist der größte Vorteil, den sie gegenüber glasgebundenen Materialien aufweisen.

Die Bildung des Kupfersulfids in situ kann durch Umsetzung von Schwefel mit Kupferpulver oder von Schwefel mit Cu(I)-sulfid erfolgen. Das in situ gebildete Kupfersulfid kann entweder aus Cu(II)-sulfid oder aus Cu(I)-sulfid oder aus einer Mischung dieser beiden Verbindungen bestehen.

Schwefel setzt sich mit Kupfer nach folgender Gleichung zu Cu(II)-sulfid um:

Cu + S = CuS.

Mit Cu(I)-sulfid reagiert Schwefel nach folgender Gleichung:

Cu₂S -H S = 2CuS.

Diese Umsetzung ist reversibel, derart, daß bei einer Temperatur von 220° C Cu(II)-sulfid in Cu(I)-sulfid und Schwefel dissoziiert.

Damit Kupfersulfid als Bindemittel wirken kann, ist es notwendig, daß es in der Masse der Bestandteile, die es binden soll, hergestellt wird. Dabei ist die Feststellung wichtig, daß auch das bei der Dissoziation entstehende Cu(I)-sulfid als Bindemittel wirkt.

Erfindungsgemäß wird die Verwendung von Kiipfcrpulvcr und Schwefel als Ausgangsmaterialicn bevorzugt, wobei die beiden Bestandteile in solchen Mengenverhältnissen und unter solchen Reaktionsbedingungen (Härtung) verarbeitet werden, daß vorzugsweise Cu(II)-sul(ld gebildet wird. Dabei kann das Verhältnis von Kiipfcrpulvcr zu Schwefel innerhalb weiter Grenzen verändert werden. Solange die

Menge an Kupfersulfid, die gebildet wird, ausreicht, um die Bestandteile der Reibmasse zu binden, macht sich ein Überschuß des einen oder anderen Bestandteiles nicht nachteilig im Hinblick auf die Eigenschaften des. fertigen Produktes bemerkbar. Die Menge Kupferpulver oder die Menge Schwefel, die nicht zu Kupfersulfid vereinigt wird, liegt in der fertigen Reibmasse als Füllstoff vor. Im allgemeinen arbeitst man bei einem Gewichtsverhältnis von Kupferpulver zu Schwefel zwischen 1:1 und 3:1; ein Überschuß an Schwefel über die zur Bildung von Cu(II)-sulfid aus Kupfer notwendige Menge ist wünschenswert. Wird das Gewichtsverhältnis auf 4:1 erhöht, so besteht das gebildete Kupfersulfid vollständig oder nahezu vollständig aus Cu(I)_:sulfid.

Eine Reibinasse aus Asbest oder anderen anorganischen Fasern sowie Füllstoffen und Reibmodifikatoren erfordert normalerweise einen Bindemittelgehalt von wenigstens 10 Volumprozent, gerechnet als Cu(II)-sulfid. Diese Zahl hängt bis zu einem gewissen Grad von dem Gehalt an anorganischen Fasern sowie den anderen Bestandteilen in der Masse ab; im allgemeinen erzielt man aber mit 10 Volumprozent Bindemittel ein zufriedenstellendes Endprodukt. Der Anteil an Kupfersulfid kann gegebenenfalls erhöht werden, wobei jedoch zu beachten ist, daß die über etwa 50 Volumprozent hinausgehende Menge nicht mehr als Bindemittel, sondern als Füllstoff wirkt. Die Anwesenheit von nicht umgesetztem Kupfer oder Schwefel in der Reibmasse kann unter Umständen sogar vorteilhaft sein.

Der Hauptvorteil der erfindungsgemäßen Reibmasse ist in der wesentlich höheren Verschleißfestigkeit derselben — verglichen mit üblichen Harz-Bindemittel enthaltenden Reibmassen mit ähnlichen oder niedrigerem Reibungskoeffizienten bei Prüfung unter gleichen Bedingungen — zu sehen. Diese Verbesserung macht sich um so stärker bemerkbar, je höher die Temperaturen liegen, unter denen die Reibmasse zum Einsatz kommt.

Im Vergleich zu Reibmassen, die gesinterte Materialien als Bindemittel enthalten, ergibt sich der Vorteil, daß die für eine ausreichende Bindung notwendigen Härtungstemperaturen wesentlich niedriger liegen. ·

Die Druck- und Temperaturbedingungen, unter denen die Härtung durchgeführt wird, können in weiten Grenzen verändert werden. Im allgemeinen arbeitet man nicht bei den Minimaltemperaturen, bei denen gerade eine Reaktion zwischen Kupfer und Schwefel beobachtet werden kann, sondern arbeitet aus Gründen der Wirtschaftlichkeit und der Vollständigkeit der Umsetzung bei etwas höheren' Temperaturen; vorzugsweise sollten die Härtungstemperaluren aber der Minimaltemperatur so nahe wie möglich koinnien. ·

Die Härtungsdauer beträgt bei Drücken von 315 bis 350 at und einer Temperatur von 80 bis 220° C von Va Minute an aufwärts; wird Kupfersulfid gebildet, so sind die Bedingungen nicht kritisch. Zur Erzielung der jeweils bestmöglichen Resultate müssen Härtungsdauer, -temperatur und -druck sorgfältig aufeinander abgestimmt werden; diese Faktoren hängen bis zu einem gewissen Grad auch von den jeweils verwendeten Schwefel- und Kiipfcrpulvcrnicngcn bzw. von dem verwendeten Cu(I)-sulfid in der Mischung der Bestandteile ab.

Die ReibmassLMi gemäß vorliegender Erfindung enthalten im allgemeinen 15 bis 50 Volumprozent Asbest oder andere anorganische Fasern, wobei im allgemeinen Asbestfasern der Güteklasse 5 und 7 (bezogen auf eine Standardfaserlänge, definiert durch die »Box Test Method« der Quebec Asbestos Manufacturers) verwendet werden. Asbest (oder beliebige andere geeignete Fasern) und Kupfersulfid machen üblicherweise wenigstens 25 Volumprozent der genannten Reibmasse aus, d. h., der prozentuale Volumengehalt an Füllstoffen, Weichmachern und anderen Zusätzen liegt zwischen O und 75 %.
. Nachfolgend sind Beispiele für Mischungen angegeben, aus denen Reibmassen gemäß vorliegender Erfindung hergestellt werden können. Die Mischungen haben folgende Zusammensetzung:

Beispiell

Gewichtsteile

Kupferpulver* 29,2

Schwefel . 16,9

Graphit 18,6

Asbestfasern 21,3

Kieselsäure 10,0

Aluminiumoxyd 4,0

* Feinheitsgrad: Prüfsieb mit einer lichten Maschenweite von 0,053 mm.

Beispiel 2

Gewichtsteile

Cu(I)-sulfid 140

Schwefel '. 30

Asbestfasern 52

Kieselsäure 25

Baryt 90

Graphit 23

Jede dieser Mischungen wird kalt verformt V2 Minute bei 105° C, unter einem Druck von 945 at vorgehärtet und schließlich 2 Stunden bei 190⁰C ausgehärtet.

Zur Herstellung der Mischung werden alle Bestandteile außer Kupfer bzw. Cu(I)-sulfid 10 Minuten gemischt und dann durch ein Prüfsieb gegeben. Die Mischung wird dabei auf flachen Schalen oder Trägern ausgebreitet und 24 Stunden abgestellt, damit sie auskühlt und die Feuergefahr vermindet wird, die bestehen würde, wenn das feinzerteilte Material, das sich in der Mischstufe erwärmt hat, in Behältern gelagert würde. Das Kupferpulver oder das Cu(I)-sulfid kann dann zu den bereits vermischten Materialien zugesetzt und weitere 10 Minuten mit den letzteren vermischt werden. Würde man das Kupferpulver oder das Cu(I)-sulfid von Anfang an mit einmischen, so bestünde die Gefahr, daß die beim Vermischen erzeugte Wärme ausreicht, die exotherme Reaktion zwischen Schwefel und Kupfer bzw. Cu(I)-sulfid einzuleiten.

Nach Durchführung der ersten Mischstufc kann das Produkt beliebige Zeit gelagert werden. Nach Zugabe des Kupferpulvers bzw. des Cu(I)-saIfids ist es jedoch ratsam, die Mischung sobald wie möglich zu verarbeiten, weil sich die Fließeigenschaften des Produktes bei einer Lagerung allmählich verschlechtem.

Die Reibwerte des Materials mit der im Beispiel 1 angegebenen Zusammensetzung wurden in einer Scheibcnbiemscnvorrichtung an einem Schwerkraft-

Dynamometer geprüft, und zwar wurde ein Automobil-Schcibenbremsentaster und eine Gußeiscn-Bremsscheibc mit einem Durchmesser von 25 cm und einer Stärke von 1,3 cm verwendet. Zwei Reibknöpfe aus dem zu untersuchenden Material wurden in dem Taster aneinander gegenüberliegenden Seiten der Bremsscheibe eingesetzt. Die Versuche wurden so durchgeführt, daß sie den normalen Gebrauch von Automobilbremsen nachahmten, wobei folgende Bedingungen angewandt wurden:

Versuch A

Es wurden 300 Bremsvorgänge durchgeführt, wobei der Verlust an kinetischer Energie bei jedem Bremsvorgang 34,44 · 10²mkg betrug. Der zeitliche Zwischenraum zwischen den einzelnen Bremsvorgängen betrug 60 Sekunden. In wechselnden Gruppen von jeweils 25 Bremsvorgängen betrug die Bremskraft jeweils 25,2 bzw. 50,4 mkg. Die Stoppzeiten für diese Bremskräfte lagen bei 2,8 bzw. 1,4 Sekunden. Die Bremsscheibentemperatur lag zu Beginn jedes Bremsvorganges bei 12O⁰C.

Versuch B

Es wurden 200 Bremsvorgänge durchgeführt, wobei der Verlust an kinetischer Energie bei jedem Bremsvorgang bei 59,22 · 10²mkg lag. Der Zeitraum zwischen zwei Brems vorgängen betrug 40 Sekunden. Die Bremskraft betrug in wechselnden Gruppen von jeweils 25 Bremsvorgängen jeweils 25,2 bzw. 50,4 mkg, wobei die Stoppzeiten für die Bremskraft bei 2,0 bzw. 4,0 Sekunden lag. Die Bremsscheibentemperatur lag zu Beginn jedes Bremsvorganges bei '210⁰C. ·■...,;·..

Bei einer kompletten Versuchsreihe wurde der Versuch A dreimal und der Versuch B anschließend zweimal durchgeführt; Nach jedem Versuch A und nach jedem Versuch B wurde die Stärke der Versuchsknöpfe gemessen.

Der Reibungskoeffizient des Materials lag bei jedem Versuch A bei 0,40; der mittlere Abrieb der Knöpfe nach jedem Versuch A Jag bei 8,3, 15,0 bzw. 6,7·10~³αη. Bei den Versuchen B lag der Reibungskoeffizient ebenfalls bei 0,40; der mittlere Abrieb lag hier bei 13,0 bzw. 7,5 · 10~³ cm. Testknöpfe, die aus einer Reibmasse mit üblichen Harz-Bindemitteln hergestellt worden waren, wurden in derselben Weise untersucht. Während der Versuche A lag der Reibungskoeffizient bei 0,32; der mittlere Abrieb bei jedem Versuch betrug 16,5, 14,3 und 10,5 · 10~³ cm. Bei den Versuchen B betrug der Reibungskoeffizient 0,38; der Abrieb lag nach jedem Versuch bei 50,0 bzw, 44,5 · 10~³ cm. ■

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von aus anorganischen Fasern, vorzugsweise Asbestfasern, und einem Bindemittel bestehenden Reibkörpern, d adurch gekennzeichnet, daß eine Asbestfasern, Kupfer oder Kupferverbindungen und Schwefel enthaltende Mischung verformt und unter geeigneten Preßdrücken und für die Bildung von Kupfersulfid ausreichenden Temperaturen unter Vermeidung jeglicher Sinterung ausgehärtet wird, so daß ein Reibkörper erhalten wird, in dem das Bindemittel vollständig oder nahezu vollständig aus Kupfersulfid besteht, wobei das gesamte in dem Bindemittel enthaltene Kupfersulfid in situ gebildet worden ist. '

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mischung aus Asbestfasern, Kupferpulver und Schwefel verformt und bei einem Preßdruck von 315 bis 3150 at und bei einer Temperatur im Bereich von 80 bis 220° C ausgehärtet wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewichtsverhältnis von Kupfer zu Schwefel in der zu verformenden Mischung der Bestandteile zwischen 1:1 und 3 :1 liegt.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem fertigen Reibkörper das als Bindemittel wirkende Kupfersulfid, berechnet als Cu(II)-sulfid, 10 bis 50 Volumprozent ausmacht.

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5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Mischung der Bestandteile auch überschüssiges Metallpulver, ein Füllmaterial, ein Antioxydans und/ oder ein Reibmodifikator enthalten sind.