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Beschreibung
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Verfahren zur Herstellung eines Reibbelags (Zusatz zu ....... (P 25
35 527.5-12) Die Brfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines
organisch gebundenen Reibbelags, der als alleiniges Fasermaterial Metallwolle in
einer anteiligen enge von ninclestens 20 Gew.-% enthält.
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En dem Haupt@atent ..... (i?atentanmeldung P 25 35 527.5-12) hat die
Anmelderin Reibbeläge mit organisch gebundener rtetallwolle als alleinigem Fasermaterial
beschrieben, die insbesondere für Trommelbremsen neben 5 bis 15 Gew. -% an organischem
Bindemittel und 2 bis 15 Gew.-% an Reib- und Gleitstitzer-Zusatzstoffen 40 bis 70
Gew. - % Stahlwolle, 2 bis 10 Gew. - % einer Chromoxid-Verbindung und/oder 2 bis
12 Gew. -% einer :langanoxi tl-Verhi nduncl wie 5 bis 15 Gew. -% Kohlenstoff enthalten
und
die, obwohl sie asbestfrei sind, die guten Reibeigenschaften der bis dahin gebräuchlichen
asbesthaltigen Reibbeläge geben.
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Bei der Fertigung organisch gebundener Reibbeläge wird tn der Regel
so gearbeitet, daß die Bestandteile der jeweiligen Reibmaterial-Rezepturen in zerkleinerter
Form, als Pulver, Granulat, Faserteilchen, miteinander innig vermischt und das Gemisch
heißverpreßt und wärmegehärtet wird. Nach dem Abkühlen liegt dann der Preßling entweder
als fertig ausgeformter Reibbelag vor, oder es wird aus dem Preßling der gewünschte
Reibbelag-2uschnitt spanabhebend herausgearbeitet. Bei der Herstellung von Reibbelägen
der in dem llauptpatent beschriebenen Art mit relativ hohen Metallwolle-Anteilen
haben sich in der Praxis gelegentlich Schwieriglseiten beim Vermischen der vergleichsweise
großen Metallwolle-Mengen mit den übrigen Gemischkomponenten ergeben, insbesondere
dann, wenn die Metallwolle in Form von relativ dünnen und langen sinzelfasern verarbeitet
wurde. Infolge der herstellungsbedingten zerklüfteten Faseroberfläche neigen die
Einzelfasern dazu, in der Masse miteinander zu verhaken und zu vernetzen bzw. verfilzen.
Das kann beim Mischvorgang zu Nesterbildung und zunächst ungleichförmiger Verteilung
des Faseranteils im Gesamtgemisch führen. Man muß, um die erforderliche Homogenisierung
des Gemisches zu erreichen, dann vergleichsweise hohe Energien für den Mischvorgang
aufwenden, was technisch aufwendig ist. Außerdem können, wenn man sehr intensiv
und mit hohem Energieaufwand vermischt, die Fasern brechen, so daß sie im fertigen
Reibbelag nicht mehr in der ursprünglich eingesetzten Längendi mensi on bzw. Längenverteilung
vorliegen, wodurch unter Umständen die Stabilität des fertigen Reibbelags betnträchtigt
werden kann.
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Dieser unerwünschte Snergieverbrauch und die nicht beabsichtigte Beeinflussung
der Festigkeitseigenschaften des fertigen
Belags läßt sich, wie
die Anmelderin gefunden hat, dadurch vermeiden, daß man zur Herstellung von Reibbelägen
der in dem Hauptpatent beschriebenen Art erfindungsgemäß so arbeitet, daß die Metallwolle
zunächst zu einem porösen Werkstück agglomeriert, danach das Bindemittel sowie die
Oxid- und/ oder Sulfid- und ggf. Sulfatverbindungen, der mohlenstoff und die Reib-
und Gleitstützer-Füllstoffe in und auf das Metallwolle-Werkstück aufgebracht und
anschließend in an sich benannter Weise heißverpreßt und nach dem Abkühlen ggf.
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der gewünschte Reibbelag-Zuschnitt gefertigt wird. Man kann dabei
auch das poröse Metallwolle-Werkstück zunächst mit einem Teil des Bindemittels vorimprägnieren
und in das so gebildete sogenannte Prepeg das restliche Bindemittel im Gemisch mit
den sonstigen Reibbelag-Bestandteilen einarbeiten.
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Zur Gewinnung von Metallwolle sind verschiedene unterschiedliche Verfahren
bekannt, und entsprechend verschiedene IXtallwollearten sind im Handel verfügbar.
So ist es beispielsweise gebräuchlich, Metallfasern mittels besonderer Maschinen
durch Abspanen von Draht oder Band herzustellen. Beim Verfahren mit Stahldraht wird
dazu ein Draht in mehreren parallelen sMicklungen endlos über zwei Rollen unter
Spannung geführt, und mit Hilfe von speziell für diesen Zwedc ausgebildeten Abspanwerkzeugen
werden die Fasern abgespant, oder es werden Stahlfasern aus Bandstahl durch Abspanen
aus einem Ring, der durch das Aufwickeln von mehreren Lagen Bandstahl gebildet ist
und der auf einer Art Drilbanlc aufgespannt an der Stirnfläche mittels einem oder
mehreren Stählen in einem Drehvorgang zerspant wird, gebildet. Die Feinheit der
Späne kann durch Rillung der Schnoidkanten an den zum Abspanen benutzten Werkzeugen
reguliert werden. Entsprechend werden die Fasern handelsüblich in verschiedener
Stärke sortiert angeboten. So unterscheidet man in Deutschland Stahlwolle anch etwa
10 verschiedenen Faserdurchmessern der Gradulerungen
Nr. 0000,
000 usw. bis Nr. 5 mit Faserdurchmessern zwischen etwa 5 /um und etwa 250 um. Das
Abspanen von Runddraht oder Viereckdraht läßt sich so steuern, daß der Durchmesser
der gewonnenen Fasern bei der Stahlwolle innerhalb von 2 bis 3 Nummern liegt. Kieinere
Schwankungen des Faserdurchmessers sind möglich, wenn nach dem bekannten Taylor-Verfahren
dünne Fasern im Glasrohr ausgezogen oder nach dem Verfahren von Tammann durch Düsenöffnungen
von einigen /um extrudiert werden, oder wenn nach dem in der z -PS 12 24 934 beschriebenen
Verfahren polykristalline Metallfäden, z.B. polykristalline Wisenfäden mit Faserdurchmessern
von 5 /um und weniger, sogar weniger als 1 /um gefertigt werden. Auch Whisker lassen
sich bekanntlich mit sehr gleichmäßigen Faserdurchmessern herstellen.
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Bei der Fertigung der Metallwolle fallen die 3inzelfasern im allgemeinen
zunächst in sehr großen Längen an. Die für den jeweiligen Einsatzzweck gewünschte
Faserlänge wird durch anschließendes Reißen in einer geeigneten Mühle, z.B. einer
Hammerschlagmühle, hergestellt, sofern die Metallfasern nicht nach sonstigen Spezialmethoden,
beispielsweise wie in der D3-AS 12 27 761 beschrieben, bei der Herstellung schon
in kürzeren Längen anfallen.
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Bei der Auswahl der für die erfindungsgemäßen Zwecke einzusetzenden
Metallfasern kommt es einerseits darauf an, daß diese eine möglichst kleine Dimensionierung,
sowohl hinsichtlich Faserdurchmesser als auch hinsichtlich Faserlänge haben, damit
sie sich möglichst homogen mit den übrigen kleinen, z.B.
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pulverförmigen Gemischpartikeln vermengen lassen. Andererseits müssen
die sinzelfasern so groß dimensioniert sein, daß sie dem fertigen Reibbelag die
- bei den üblichen asbesthaltigen Belägen durch den Asbestfaseranteil gesicharte
- notwendige Festigkeit zu geben vermögen. Diese an sich entgegengesetzten
Eigenschaften
lassen sich optimal vereinigen bei Fasern mit relativ kleinem Faserdurchmesser und
relativ großer Faserlänge. Solche relativ langen Fasern sind im Gemisch "sperrig".
Wenn man sie mit der zur gleichmäßigen Verteilung erforderlichen relativ hohen Mischkraft
behandelt, kann es vorkommen, daß ein nicht unerheblicher Teil der i3inzelfasern
bricht und der Vorteil der großen Faserlänge dadurch wieder verloren geht.
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Wenn man erfindungsgemäß so arbeitet, daß man die Fasern zunächst
zu einem Faserfilz, einem lockeren Faserverband, agglomeriert, kann man in einfacher
Weise auch einen hohen Fas e rantei 1 gleichförmig innerhalb eines gegebenen Volumens
verteilen, ohne die Faserlänge der Einzelfasern zu beeintr;ichtigen.
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.s lassen sich grundsätzlich alle bekannten Methoden zur Fertigung
von Faserfilzen gleichmäßiger Porosität für die erfindungsgemäßen Zwecke einsetzen.
Man kann beispielsweise nach dem in der CA-PS 643 965 beschriebenen Verfahren die
zerkleinerten Metallfasern aus einer Suspensionsflüssigkeit oder nach dem in der
D:S 12 73 141 beschriebenen Verfahren aus einem Scnaum als Trägermedium in kompakter
Form als mehr oder weniger porösen Faserkuchen bzw. Faserfilz abscheiden oder gemäß
der in der n-PS 12 05 363 erläuterten Arbeitsweise in in einen bestimmten Raum eingeschichtetem
Zustand verpressen und in einer wie in der EC-AS 20 57 063 beschriebenen Vorrichtung
zu Metallfaservliesen bestimmter Form und Dicke schichten, oder nach sonstigen für
die Verarbeitung von Metallfasern bekannten Verfahren und Methoden, die aus der
Textil- und Papierindustrie übernommen werden, verfilzen und zu Werkstücken gewünschter
mehr oder weniger gleichmäßi ger P orosi tit fertigen.
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Man kann natürlich auch etwa im Handel erhältliche vorgefertigte poröse
Metallfaserfilze verwenden. Allerdings dürfen solche Faserfilze nur in "grAnem",
d.h. ungesintertem Zustand vorliegen, andernfalls sie für das erfindungsgemäße Verfahren
nicht mehr brauchbar sind. Bei den erfindungsgemäß hergestellten Reibbelägen muß
die Bindung der einzelnen Fasern untereinander und mit den übrigen Zusatz- und Füllstoffen
im fertigen Zustand des Reibbelags durch das organische Matrixmaterial erfolgen,
das sich bei der Einarbeitung des Bindemittel-Füllstoffgemisches in den vorgefertigen
Faserfilz und beim anschlS eßenden Heißverpressen und Härten langs der Faseroberflächen
zwischen den Verhakungen und'Vernetzungen der sinzelfasern untereinander verteilt.
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Die i3inarbeitung des organischen Matrixmaterials und der sonstigen
Zusatz- und Füllstoffe in das Faservlies bzw. den Faserfilz kann zweckmäßig so erfolgen,
daß organisches Material und Pulverbestandteile vermischt und auf je nach Art des
organischen Bindemittels erhöhte Temperatur, etwa 60 bis 80°C, erwärmt werden, so
daß das Gemisch weich bis flüssig wird. Man kann dann das poröse Faserwerkstück
mit dieser weich-flüssigen Masse imprägnieren. Anschließend wird das imprägnierte
Gebilde wärmegehärtet.
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Man kann jedoch auch das Gemisch aus organischem Bindemittel und Füllstoffen
pulverförmig in den porösen Faserformling einpressen und direkt im Anschluß an diesen
Zinpreßvorgang die übliche Heißverpressung des Gemisches vornehmen. Diese Arb-eitsweise
empfiehlt sich besonders dann, wenn der vorgefertigte Faserfilz eine relativ hohe
Porosität, etwa 50% und höher hat.
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Zin Faserfilz mit hoher Porosität aus relativ dünnen und relativ langen
pinzelfasern hat erfahrungsgemäß im ungesinterten, "grünen" Zustand eine relativ
niedrige ::igenfestigkeit.
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Wenn die Fertigung des Faserfilzes beim erfindungsgemäßen Verfahren
an einem Ort vorgenommen wird, der von der Reibbelag-Presserei entfernt gelegen
ist, so daß Transport des *'grünen" Faserfilzes notwendig wird, kann es zweckmäßig
sein, das poröse Faserfilzgebilde zunächst mit einem Teil des für das Reibbelaggemisch
erforderlichen Bindemittels zu tränken und so zu stabilisieren. Diese Arbeitsweise
ist bei der Herstellung von glasfaserverstärkten Xunststoffartikeln bekannt.
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Solche vorgetränkten porösen Formlinge werden üblicherweise als "Prepeg"
bezeichnet. Flir die Zwischenfertigung eines Prepeg beim erfindungsgemäßen Verfahren
bieten sich die üblichen Phenolharz-Matrixmaterialien für Reibbeläge in der A-Form
an. Nautschukartige Matrixmaterialien kann man zur hrepeg-Bildung gegebenenfalls
in Form von Lösungen verwenden, aus denen das Lösungsmittel bei der Drepeg-Fertigung
verdampft wird.
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Beispiel 1 Aus einem Stahlwolle-Rohdraht folgender Zusammensetzung:
Nohlenstoff SA 1010 0,08 bis 0,13% SA2 1015 0,13 bis 0,18% Mangan 0,30 bis 0,60%
Phosphor max, 0,040 % Schwefel max. 0,050 % Rest eisen wurde durch Abspanen Stahlwolle
mit niedrigem Sohlenstoffgehalt entsprechend SAE 1010 bis 1015 gefertigt, die folgende
Charakteristiken hatte: Schiittvolumen ml/100 g 80 bis 150 StamDfvolumen ml/100
g 40 bis 100 Faserlänge mm 1,4 bis 2,2 Faserdurchmesser mm 0,09 bis 0,11 Acetonextrakt
% max. 0,3
Ein Reibbelag-Rezepturansatz aus 60 Gew.-% der oben
angegebenen Stahlwolle 10 Gew.-% Phenolharz 15 Gew.-% Graphitpulver 13 Gew.-% Sb2S3
2 Gew.-% Magnesiumo-id wurde bereitgestellt. Die Stahlwolle wurde in eine rotierbare
Streurommel mit gelochtem Trommelmantel mit Lochgrößen von etwa 5 bis 15 mm eingefüllt.
Aus der Streutrommel wurde zunächst eine erste Faserschicht auf eine Unterlage aufgestreut,
danach auf diese erste Schicht ein Teil des Phenolharzes aufgebracht und darauf
die restliche Stahlwollemenge als zweite Schicht aufgestreut. Auf die zweite Sucht
ht wurde das restliche Phenolharz, dem das Graphitpulver, das Sb2S3 und das Magnesiumoxid
beigemischt worden waren, aufgestreut. Danach wurde die so gebildete Matte unter
einem Druck von etwa 2 kp/cm² und einer Temperatur von etwa 150°C heißverpreßt.
Nach dem Abkühlen konnte aus dem so gebildeten plattenförmigen Formling der Reibbelag
in der gewünschten Gestalt ausgeschnitten werden.
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Der so gefertige Belag war besonders gut geeignet für PKW- und LKW-Kupplungen
und Bremsen, speziell für schwere LKW, Hänger und Busse, für die besonders gute
Thermostabilität und sehr gute Verschleißfestiglceit bei mittlerem Reibwertniveau
gewünscht werden.
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Beispiel 2 Aus einer Stahlwolle der Graduierung 0 mit durchschnittlicher
Stärke der Stahlfaser von 0,05 mm, durchschnittlicher Breite von etwa 0,10 mm und
durchschnittlicher Länge von 3,0 mm, die in Form von feinen grauen Spänen von einem
Stahldraht mit den folgenden Analysendaten abgespant war: Eisengehalt über 99 Gew.-%
Kohlenstoffgehalt 0,09-0,15 Gew.-% Mangangehalt 0,70-1,00 Gew.-% Phosphorgehalt
max. 0,08 Gew.-% Schwefelgehalt max. 0,04 Gew.-% Kupfergehalt max. 0,15 Gew.-% Drahthärte
270-300 HB Drahtzugfestigkeit 100-110 kg/mm wurde nach dem Verfahren des isostatischen
Pressens ein Stahlwolle-Formling mit einer durchgehend gleichmäßigen Porosität von
86 bis 87% gefertigt. Aus diesem Vor-Formling wurden sechs untereinander gleiche
Reibbelag-Zuschnitte für Trommelbremsen herausgeschnitten und mit den in der nachgestellten
Tabelle angegebenen Bindemittel/Zusatzstoff-Gemischen jeweils im Verhältnis 60 Gew.-%
Stahlwolle in Form des porösen Vorformlings und 40 Gew.-* an Bindemittel/ Zusatzstoff-Gemisch
getränkt. Anschließend wurde unter einem Preßdruck von zwei Mp/cm² bei 300°C ausgehärtet.
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Die so gewonnenen Beläge hatten bei hohem Reibungskoeffizient von
etwa 0,4 bis etwa 0,45 /U geringen Eigen- und Gegenmaterialverschleiß und zeichneten
sich darüber hinaus durch hervorragende mechanische Stabilität und lange Lebensdauer
aus. Sie können mit gutem Effekt als asbestfreie Hochleistungsbeläge speziell für
Trommelbremsen in Nutzfahrzeugen eingesetzt werden.
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Stahlwolle- Bindemittel/zus at zstoff-Gemisch, das jeweils zu 40 Gew.
- % mit 60 Gew. -% Vorformling der Stahlwolle (Formling) verarbeitet wurde Nr. Phenol-
oder Natur- Magnesiumoxid Chromoxidverbindung Manganoxid-Kresolharz- graphit Reibstützer
Chromoxid Chromerz verbindung Bindemittel Braunstein 1 30 25 25 20-2 30 25 25 --
20-3 30 25 25 5 15-4 30 25 25 10 10-5 25 25 25 -- -- 25 6 25 25 25 5 -- 20 Belag
1 ergab einen relativ niedrigen Reibwert.
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Belag 2 ergab einen relativ sehr hohen Reibwert.
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Belag 3 ergab einen mittleren Reibwert in für viele Zwecke brauchbarer
Höhe.
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Belag 4 ergab einen mittleren Reibwert zwischen den Reibwerten der
Beläge 2 und 3.
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Belag 5 ergab einen relativ niedrigen Reibwert, etwa entsprechend
dem des Belags 1.
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Belag 6 ergab einen relativ niedrigen Reibwert, etwa entsprechend
dem des Belags 1.