DE2018288C3 - Brems- und Kupplungsbelag - Google Patents

Description

2. Belag: nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der .metallische Werkstoff der Hülle (5,12) eine intermetallische Verbindung mit einem Schmelzpunkt im Bereich von 1130 bis 1645° C ist

3. Belag nach Anspruch 2 für eine Gegenreibfläche aus Stahl, dadurch gekennzeichnet, daß die interne- 2^Γ> tallische Verbindung (5, 12) als Basis eines der Metalle Ni, Co, Fe hat und eines der Metalle Al und Sn enthält.

4. Belag nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die intermetallische Verbindung (5, 12) Ni₃Sn ist

5. Belag nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der metallische Werkstoff der Hülle (5,12) von einer oberflächliche;! Oxydt-hicht bedeckt ist

6. Belaj; nach Anspruct 1. dadurch gekennzeich- >"> net, daß der metallische Werkstc'i der Hülle (5,12) mehr als 50 Vol.-% des Belags darstellt

Die Erfindung bezieht sich auf einen Brems- oder Kupplungsbelag gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Beispielsweise beschreiben die FR-PS 13 71 965 und ihre Zusatzpatentschrift 85 388 einen Reibbelag für magnetische Kupplungen und Bremsen, den man durch Sintern eines mit Polytetrafluoräthylenpulver vermischten chromiierten Eisenpulvers erhält. Der erzeugte Belag setzt sich also aus Körnern aus chromiertem Eisen, die die Reibung sichern, und deren sie zusammenhaltenden Umhüllung aus Polytetrafluorethylen zusammen, deren Anteil vorzugsweise 49 bis 55% beträgt

Infolge der Reibung sind die Beläge beim Bremsen oder Kuppeln starken Temperaturerhöhungen ausgesetzt, die die Stärke und Dauer der zulässigen Bremsleistung begrenzen. Andererseits variiert der Reibungskoeffizient als Funktion der durch den Belag erreichten Temperatur. Weiter können sich bei den gesinterten Belägen die Eisenteilchen mit der Gegenreibfläche verschweißen und davon wieder abgerissen werden, wodurch sich ein Ausbrechen von Metall ergibt, das die Reibfläche schnell verschlechtert.

Diese Erscheinung kann auch im Belag nach der FR-Zusatz-PS 85 388 auftreten. Zwar sind die mit der Stahloberfläche verschweißbaren Eisenkörner oberflächlich mit Chrom angereichert und härter als im Innern, doch sind die Eisenkörner auch bei einer FeCr-Zusammensetzung mit der Reibfläche verschweißbar. Der Chromgehalt soll nach dem Stand der Technik lediglich zum Korrosionsschutz der Eisenkörner dienen. Die Tangentialkräfte aufgrund der Bewegung der Gegenreibfläche relativ zum Belag bewirken ein Abreißen der Mikroschweißstellen, das einen Widerstand gegen die Bewegung, aber gleichzeitig auch eine Erhitzung und einen Verschleiß des Belags hervorruft, dessen Funktion und Wirksamkeit als Funktion der Temperatur sehr spürbar variieren.

Andererseits sind aus der US-PS 30 74 152 Reib- und Bremsbeläge bekannt, die aus gesinterten intermetallischen Verbindungen, insbesondere NiAl, MoAl oder M03AI, allein oder aus diesen Verbindungen in einer Bindemetallmatrix, wie Nickel oder Molybdän mit Chromzusatz, und/oder mit keramischem, insbesondere Aluminiumoxydzusatz bestehen. Der Umhüllungswerkstoff Nickel ist für seine Leichtigkeit, mit der es sich an einer Stahlreibfläche festreibt, bekannt, während die Kerne aus einer intermetallischen Verbindung NiAl mit einer Stahlgegenreibfläche nicht verschweißbar sind. Die besten Eigenschaften wurden dabei mit dem Material erzielt, das aus mit Nickel gebundenem NiAI und einem keramischen Zusatz besteht, der zwar die sonst starke Reibungskoeffizientvariation abmildert, jedoch den Verschleiß und die Erhitzung steigert

Um diese Nachteile zu beseitigen, liegt der Erfindung als Aufgabe zugrunde, einen Brems- oder Kupplungsbelag zu entwickeln, bei dem die Erscheinung des Verschweißens der metallischen Kerne vorteilhaft ausgenutzt wird, um ihre Widerstandswirkung gegen die genannte Relativbewegung aufgrund des Abscherens der Mikroschweißstellen beizubehalten, jedoch gleichzeitig den Erhitzungs- und Verschleißeffekt erheblich zu senken, und der eine starke Temperaturerhöhung aushalten kann sowie eine von der Temperatur praktisch unabhängige Wirksamkeit hai.

Diese Aufgabe wird bei einem Brems- oder Kupplungsbelag der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das nichtverschweißbare Kernumhüllungsmaterial aus einem metallischen Werkstoff größerer Härte als der des die Kerne bildenden verschweißbaren metallischen Werkstoffes besteht und zum glatten Abscheren der verschweißten Kerne in der Ebene der Kontaktoberfläche geeignet ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin zeigen

Fig. la und Ib eine Darstellung zur Erläuterung des Prinzips der Erfindung,

Fig.2 einen Querschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels des Belags gemäß der Erfindung,

Fig.3 einen Schnitt nach III-III in Fig.4 der Oberfläche eines zweiten Ausführungsbeispiels des Belagsund

Fig.4 einen Querschnitt dieses Belags nach IV=IV in F i g. 3.

Die Beläge gemäß der Erfindung nutzen eine durch die F i g. 1 a und 1 b erläuterte Eigenschaft aus.

In Fig. la verschiebt sich ein einen metallischen Draht 11 mit einer Umhüllung aus einem Werkstoff 12 aufweisender Belag 1 mit großer Geschwindigkeit im

Sinne des Pfeils gegenüber einer metallischen Reibfläche 2,

Wenn der Betag 1 an die Reibfläche 2 angedrückt wird, verschweißt sich das Ende 3 des metallischen Drahtes, das an der Oberfläche des Belages freiliegt, mit > der Fläche 2, jedoch aufgrund der Relativbewegung des Belags gegenüber der Reibfläche wird der verschweißte Teil sogleich abgeschert, und der Draht, der noch immer an die Fläche 2 angedrückt wird, verschweißt sich dann weiter bei 7 mit der Oberfläche 2 (Fig. Ib). Daraus hi ergibt sich eine Aufeinanderfolge des Festhaftens und Abscherens des Endes des Drahtes an der Fläche 2, und die Abscherkräfte rufen das Bremsen hervor. Die Häufigkeit der aufeinanderfolgenden Haftvorgänge hängt von der Zusammensetzung des Belags, der Bewegungsgeschwindigkeit und der Andrückkraft an die Reibfläche ab.

Diese Erscheinung tritt bei den bekannten Belägen ebenfalls auf, doch führt die Bewegung des Belags relativ zu der Fläche 2 allgemein zunächst zu einem Herausziehen des Drahtes und erst dann zu einem Abreißen des verschweißten Teils 3, was eine schnelle Abnutzung des Belags und der Reibfläche sowie eine Verklemmungsgefahr zur Folge hat

Im Gegensatz dazu wird bei dem Belägen gemäß der 2"> Erfindung das Abscheren ganz genau in der Schweißebene bewirkt So gibt es kein Herausreißen von Metall, und der Verschleiß sowie auch die Verklemmungsgefahren sind stark verringert Man erreicht dies unter Verwendung eines Drahtes 11, der aus einem Metall «1 besteht, welches sich mit der Reibfläche 2 leicht verschweißt und dadurch, daß dieser Draht im Gegensatz dazu mit einer Umhüllung 12 aus einem Werkstoff versehen ist, der sich nicht mit der Reibfläche verschweißen kann (Fig.2). Außerdem ist es zur J) Erleichterung des Abscherens erforderlich, daß dieser Werkstoff eine im Vergleich mit dem Draht größere Härte aufweist. Dadurch wird der Draht auf seiner ganzen Länge bis zur Kontaktebene mit der Reibfläche vollkommen in seiner Lage gehalten, und das Ende 3 des ·»" Drahtes, das mil der Reibfläche 2 verschweißt ist, wird ganz genau in dieser Ebene abgeschert Der verschweißte Teil 3 hat daher eine vernachlässigbare Ausdehnung, und die Abnutzung ist stark verringert.

Dieser Mechanismus glatten Abscherens der punkt- ■»*> förmigen Schweißstellen in der Ebene der Kontaktoberfläche, der der Tatsache zu verdanken ist, daß erfindungsgemäß das mit der Reibfläche nicht verschweißbare Umhüllungsmaterial der Kerne härter als der metallische, die Kerne bildende Werkstoff ist, läßt '><> sich mit den bekannten Belägen nicht erreichen.

Das im Prinzip gleiche Ergebnis wie nach F i g. 2 läßt sich auch bei dem eigentlichen Ausführungsbeispiel nach den F i g. 3 und 4 erreichen.

Dabei besteht der Belag aus einer Mehrzahl von ">"> gesinterten globularen Körnern, deren jedes aus einem Metallkern 4 mit einer Umhüllung aus einer nichtschweißbaren Schicht 5 zusammengesetzt ist. Wenn man einen solchen Belag nach einer Ebene schneidet, weist die Schnittebene, z. B. III-III (F i g. 4) eine gewisse w> Anzahl von Kernen auf, die auf der Außenfläche eine Mehrzahl von Teilchen 4 bilden, die von dem Umhüllungswerkstoff 5 umgeben sind, wie F i g. 3 zeigt.

Man sieht in Fig. 4 gut, daß jedes in den Umhüllungswerkstoff 5 eingeschlossene Teilchen 4 ""· vollkommen an seinem ganzen Umfang derart gehalten wird, daß das Absche^ren genau in der Kontaktobcrflachenebene stattfindet.

Obwohl hier die Verklemmungsgefahren geringer als bei bekannten Belägen sind, ist es zweckmäßig, in den Belag eine gewisse Menge von Graphit einzuführen. Dazu bestehen die Kerne 6 einer gewissen Zahl von Körnern nicht aus schweißbarem Metall, sondern aus Graphit und sind ebenfalls mit dem gleichen nichtschweißbaren Werkstoff 5 umgeben. In dieser Weise vermindert man den Einfluß der Bewegungsgeschwindigkeit auf den Reibungskoeffizienten und folglich auf die Erhöhung der Temperatur des Belags.

Da die Körner von geringem Durchmesser sind, findet man in jeder Schnittebene eine gewisse Zahl von Metallkernen, die die Bremswirkung sichern.

Im Laufe des Betriebs ist der Verschleiß sehr verringert tritt aber noch auf. Kerne wie 41 (Fig.4) verschwinden schließlich, wenn die Berührungsoberfläche in die Stellung kommt die in Fig.4 durch gestrichelte Linien dargestellt ist werden jedoch fortlaufend durch andere Kerne wie 42 ersetzt; da die Verteilung der Körner zufällig und die Zentrierung der Kerne im Lnnern der Körner mehr oder weniger unregelmäßig ist, bleiben die Menge λτ freigelegten Teilchen und folglich die Wirksamkeil d>% Bremsens ziemlich konstant

Nach Herstellung des Belags durch Sintern kann man ihn zerschneiden, wobei eine gewisse Zahl von schweißbaren Kernen freigelegt wird; der Belag ist dann sogleich wirksam. Man kann den Belag auch direkt nach der Entformung verwenden. Die Wirkung des Bremsens tritt schon nach wenigen Einschleifversuchen, die nicht kräftig zu sein brauchen, infolge des Abschleifens der Körner und des Verschleißes der Umhüllungsschicht auf.

Die Wahl der die Kerne und die Umhüllung bildenden Werkstoffe hängt natürlich von der Art der Gegenreibfläche ab. Damit sich die Kerne leicht mit der Gegenreibfläche verschweißen, ist es insbesondere erforderlich, daß sie eine Kristallstruktur haben, deren Einheitsgitter mit der der Gegenreibfläche kompatibel ist. Daher stellt man die Kerne aus einem Metall her, das gegebenenfalls eine gewisse Menge eines anderen Metalls in fester Lösung enthält Zum Beispiel sind, da die Gegenreibfläche allgemein aus Stahl besteht, die Kerne aus einer Eisen-, Nickel- oder Kupferlegierung mit einer gewissen Menge Aluminium oder Zink in fester Lösung.

Im Gegensatz dazu darf sich der Umhüllungswerkstoff nicht mit der Gegenreibfläche verschweißen, und sein Reibungskoeffizient muß sehr niedrig sein. Bei einer Gegenreibfläche aus Stahl verwendet man als Umhüllungswerkstoff eine intermetallische Verbindung, deren Atomgitter verhältnismäßig komplex und mit dem des Stahls inkompatibel ist Die Verteilung einer gewissen Anzahl von Graphitkörnern im Belag verrinc~ri im übrigen gleichfalls den Reibungskoeffizienten der intermetallischen Verbindung.

In den Fällen äußirst starker Reibung mil entsprechend starken Temperaturerhöhungen kann es nötig sein, die Härte der intermetallischen Verbindung in ihrer Abscherfunktion ?u verbessern, und zu diesem Zweck bringt man auf ihrer Oberfläche eine Oxydschicht an.

Ebenso wählt man zur Erhöhung der zulässigen Betriebstemperatur des Belages intermetallische Verbindungen unter solchen aus, die einen hohen Schmelzpunkt haben. Die folgende Tabelle zeigt eine beispielsweise Liste von verwendbaren intermetallischen Verbindungen und gibt ihre angenäherten Schmelzpunkte an:

Intermetallische
Verbindung

FeAb- FeAIj

CoAI

NiAI

NnSn

NiiSru

FeSn

Angenäherter
Schmelzpunkt
C

1160 1645 1640 1170 1264 1130

Die Beläge gemäß der Erfindung lassen sich nach bekannten Verfahren und insbesondere denen der Pulvermetallurgie herstellen.

Beispielsweise kann man das im folgenden beschriebene Herstellungsverfahren anwenden:

Man stellt zunächst kleine Kugeln mit Graphit- oder Haftlegierungskernen, z. B. aus fast reinem Nickel her.

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rcnrrieEser

Größenordnung von 200 μ nach irgendeinem bekannten Verfahren hergestellten Kerne läßt man sich in einer rotierenden Schale walzen und gibt langsam eine Mischung von Nickelpulver und Zinnpulver äußerster Feinheit hinzu, deren Körner einen Durchmesser der Größenordnung von 4 μ aufweisen; gleichzeitig gießt man eine Lösung von in Azeton aufgelöstem Kollodium hinzu. Bei einer geeigneten Zusatzgeschwindigkeit umhüllen sich die Kerne mit diesen Metallkörnern, und man kann so Kugeln erhalten, die einen Durchmesser etwas unter 2 mm aufweisen. Diese Kugeln werden dann in reduzierender Atmosphäre, z. B. unter Wasserstoff, auf 600⁰C erhitzt. Das Kollodium wird entfernt, und das Zinn schmilzt, wobei es mit dem Nickel die intermetallische Verbindung ergibt. Das Nickel des Kerns wird praktisch vom Zinn nicht angegriffen, denn die Homogenisierung durch Diffusion erfolgt unter den Körnern geringer Durchmesser sehr schnell, bevor sich das Zinn wesentlich mit dem Kern legiert.

Die so erhaltenen Kugeln sind praktisch nicht mehr porös, und man kann sie äußerlich oxydieren, indem man sie in Luft auf 75O°C erhitzt.

Man fertigt nach diesem Verfahren Kugeln, die als Kern entweder eine Haftlegierung oder Graphit aufweisen, deren Hülle nachher äußerlich mit einer Oxydschicht bedeckt ist. Man mischt dann die Kugeln, deren Kern aus Graphit ist, mit den Kugeln, deren Kern aus einer haftenden Legierung besteht, in passendem Verhältnis und preßt das ganze bei etwa 800°C in einer Graphitform unter einem Druck in der Größenordnung von 100 kg/cm² in einer neutralen Atmosphäre, z. B. in Stickstoff.

Der so erhaltene Belag besitzt praktisch keine Porosität mehr.

Es wurden so Beläge folgender Gesamtzusammenset-

Nicke|^O65%, Zinn 27%, Graphit 6%, Sauerstoff 2%.

In dieser Zusammensetzung liegt das gegenseitige Verhältnis der verschiedenen Bestandteile etwa folgendermaßen:

Nickelkern 18 Teile, Graphitkern 6 Teile, intermetalli sehe Umhüllungsverbindung NijSn 67 Teile.

Die so hergestellten Beläge wurden zum Gegenstanc von Biemsversuchen gemacht, die zeigten, daß die Beläge .fjch 100 Bremsversuchen keinen merklicher Verschleiß aufwiesen. Ebenso war es bei einem anderer Versuch, wo man die Bedingungen eines Anhalten: eines Eisenbahnfahrzeuges reproduzierte, möglich, be einer Geschwindigkeit von 220 km/h das Fahrzeug au 1800 m Bremsweg 20mal zu bremsen, ohne da( praktisch ein Verschleiß des Belags gemäß dei Erfindung auftrat. Dieser Belag kann ohne Schaden eini Temperaturerhöhung bis auf 700° C aushalten.

Hierzu 1 Hliitt ZcichnuniiL-n

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Brems- oder Kupplungsbelag aus gesinterten Elementen, die aus einer Mehrzahl von Kernen, von "> denen wenigstens der größte Teil aus einem metallischen, durch Reibung mit einer metallischen Gegenreibfläche verschweißbaren Werkstoff besteht, und einem die Kerne umhüllenden, mit der Gegenreibfläche nichtverschweißbaren Material zu- ι ο sammengesetztsind, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtverschweißbare Kernumhüllungsmaterial (5, 12) aus einem metallischen Werkstoff größerer Härte als der des die Kerne (4, 11) bildenden verschweißbaren metallischen Werk- r> Stoffs besteht und zum glatten Abscheren der verschweißten Kerne (4, 11) in der Ebene der Kontaktoberfläche geeignet ist