DE3016041C2

DE3016041C2 - Organisches Reibungsmaterial

Info

Publication number: DE3016041C2
Application number: DE3016041A
Authority: DE
Inventors: Shigetoshi Ajima; Hiroto Kokubunji Tokyo Fujimaki; Fukushima Iwaki; Kazuo Iwaki Fukushima Noguchi; Kensuku Tokorozawa Saitama Okuda; Kiyoshi Tagaya; Kazutoshi Takada
Original assignee: Kureha Corp
Current assignee: Kureha Corp
Priority date: 1979-04-26
Filing date: 1980-04-25
Publication date: 1982-04-15
Also published as: DE3016041A1; FR2455069A1; GB2047722A; AU5779580A; JPS55157672A; US4278584A; AU532376B2; GB2047722B; JPS6317872B2; CA1136313A; FR2455069B1

Description

2. Reibungsmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stahlfasern aus Stahl und/oder rostfreiem Stahl mit einem Gehalt von 0,05

ίο bis 1 Gew.-% Kohlenstoff bestehen.

3. Reibungsmaterial nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stahlfasern aus zerideinerten Stahlfasern und/oder zerkleinerter Stahlwolle bestehen.

4. Reibungsmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlefasern aus Pech hergestellt worden sind.

Die Erfindung betrifft das in den Patentansprüchen angegebene organische Reibungsmaterial, das für Bremsen und Kupplungen von Automobilen und für Bremsblöcke von Eisenbahn- und Straßenbahnfahrzeugen verwendbar ist und trotz der Tatsache, daß es keinen Asbest enthält, ein gleich gutes oder sogar noch besseres Verhalten als die üblichen bekannten asbesthaltigen organischen Reibungsmaterialien aufweist.

Die bekannten organischen Reibungsmaterialien enthalten Chrysotil-Asbest (im folgenden als Asbest bezeichnet) als Verstärkungsmaterial und ein Phenolharz als Bindemittel sowie verschiedene Reibungssteuermittel, wobei der Asbest eine unerläßliche Komponente darstellt, die eine wichtige Rolle spielt.

Obwohl sich Asbest durch verschiedene hervorragende Eigenschaften auszeichnet, mußte dessen zukünftige Verwendung neu überdacht werden in bezug auf Umweltprobleme und Lieferquellen, da auf die Schäd-Iichkeit von Asbeststaub für den Menschen in jüngster Zeit wiederholt hingewiesen wurde und da die abbauwürdigen Asbestlagerstätten ihrem Ende zugeher,

Andererseits ist aufgrund der wachsenden Geschwindigkeit von Verkehrsmitteln wie Automobilen und elektrischen Bahnen das Bedürfnis nach Leistungssteigerung des Bremsenmaterials mehr und mehr gestiegen. Insbesondere der Bedarf nach hoher Bremswirkung unter höchster Beanspruchung, nach Sicherheit und verbesserter Lebensdauer hat sich stark erhöht.

Im Hinblick auf diese Gegebenheiten wurden Forschungs- und Entwicklungsarbeiten auf Reibungsmaterial gerichtet, das kein Asbest enthält Diesbezüglich können semimetallische Reibungsmaterialien genannt werden, wie sie z.B. in den US-PS 34 34 998, 38 35 118 und 41 19 591 beschrieben werden. Derartiges semimetallisches Reibungsmaterial enthält ein organisches Harz als Matrix und außerdem faserartige oder pulverförmige Metallkomponenten. Da eine derartige Metallkomponente ein vergleichsweise großes Volumen im Fertigprodukt einnimmt, ist das spezifische Gewicht des Produktes selbst ziemlich groß und die thermische Leitfähigkeit des Produktes ist zu hoch. Bei diesen beiden Eigenschaften handelt es sich um fatale Nachteile bei Verwendung des Produktes als Reibungsmaterial.

Demgegenüber zeigt das erfindungsgemäße Reibungsmaterial, das eine Kombination aus Kohlefasern und Stahlfasern als Verstärkungsmaterial enthält, ein ausgezeichnetes Reibungsverhalten. Erfindungsgemäß wird ein neuartiges Reibungsmaterial geschaffen, das sich in technischer Konzeption und Leistung vom bekannten Stand der Technik klar unterscheidet.

Das erfindungsgemäße organische Reibungsmaterial enthält Kohlefasern und Stahlfasern als Kern- und Verstärkungsmaterialien sowie ein Phenolharz als Bindematerial. Damit wird erfindungsgemäß asbestfreies organisches Reibungsmaterial geschaffen, das die in jüngster Zeit erhobenen Forderungen nach bestimmten Eigenschaften des verschiedensten Typs zu erfüllen vermag.

Von Kohlefasern wird in der Regel berichtet, daß sie einen niedrigeren Reibungskoeffizienter haben als Asbest oder Glasfasern, andererseits jedoch eine ausgezeichnete Abriebfestigkeit besitzen. Es waren daher gründliche Studien zur Überwindung des relativ niedrigen Reibungskoeffizienten der Kohlefasern und zur Nutzbarmachung der ihnen innewohnenden anderen ausgezeichneten Eigenschaften erforderlich, um zum Erfindungsgegenstand zu gelangen.

Die Kohlefasern werden als zerkleinerte Fasern von 0,2 bis 10 mm Durchschnittslänge und 3 bis 50, vorzugsweise 3 bis 30 Mikron Durchmesser vorzugsweise in einer Menge von mindestens 15 Vol.-°/o verwendet und Mengen von über 50Vol.-°/o erweisen sich als ungünstig wegen der auftretenden Schwierigkeiten beim Verformen. Außerdem ist festzustellen, daß Kohlefasern mit weniger als 0,2 mm Durciischnittslänge eine unbefriedigende Verstärkungswirkung ausüben und bei einer Länge von mehr als 10 mm Schwierigkeiten bei der Verformung hervorrufen.

Als Stahlfasern werden solche aus Stahl oder rostfreiem Stahl mit einem Gehalt von 0,05 bis 1,0%

Kohlenstoff vorzugsweise verwendet. Diese Materialien sind nicht nur in Form von Fasern, sondern auch in Form i'on Wolle verwendbar. So können z.B. zerkleinerte Stahlfasern oder zerkleinerte Stahlwolle eingesetzt werden. Bezüglich der Dimensionen derartiger Stahlfasern ist festzustellen, daß die Durchschnittslänge 0,1 bis 10 mm und der Durchmesserbereich 5 bis 100 Mikron beträgt Es erweist sich als wichtig, daß der Gehalt an Stahlfasern im erfindungsgemäßen Reibungsmaterial mindestens mehr als 7 Vol.-% ausmacht Beträgt andererseits der Gehalt mehr als 20 Vol.-%, so ist das Fertigprodukt so schwer, daß es ^für den praktischen Gebrauch ungeeignet ist trotz seines günstigen Reibungskoeffizienten.

Das erfindungsgemäße Reibungsmaterial zeichnet sich durch einen vorteilhaften Reibungskoeffizienten, eine ausgezeichnete Abriebfestigkeit und gute thermische Stabilität aus und zeigt überraschenderweise auch eine geeignete thermische Leitfähigkeit Ist die thermische Leitfähigkeit des Reibungsmaterials zu hoch, so wird aufgrund der Tatsache, daß die durch die Reibung erzeugte Hitze übermäßig stark auf das Öldruckübertragungssystem weitergeleitet wird, die Bremswirkung verringert, z. B. durch das Phänomen der Gassperre, d. h. einer Unterbrechung des Flüssigkeitsstromes durch Dampfblasenbildung. 1st andererseits die thermische Leitfähigkeit des Reibungsmaterials zu niedrig, so wird aufgrund eines Wärmestaus in der Reibungsmaterialoberfläche das Bremsverhalten des Reibungsmaterials verringert Das erfindungsgemäße Reibungsmaterial mit einem Gehalt an sowohl Kohlefasern als auch stark wärmeleitfähigen Stahlfasern hat fast die gleiche thermische Leitfähigkeit wie die kommerziell weit verbreiteten Reibungsmaterialien mit einem Gehalt an Asbest. Es war nicht zu erwarten, daß die thermische Leitfähigkeit des erfindungsgemäßen Reibungsmaterials niedriger sein würde als derjenige Wert, der von einem Reibungsmaterial mit einem Gehalt an Stahlfasern zu erwarten war.

Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Reibungsmaterials wird eine Masse aus Phenolharz, Kohlefasern, Stahlfasern und Füllstoffen durch Rühren gut vermischt, worauf das Gemisch mit Hilfe eines Formpreßverfahrens zu einem Formkörper verarbeitet wird. Die Kohlefasern und Stahlfasern sind in diesem zusammengesetzten Material in statisch unregelmäßiger Verteilung dreidimensional dispergiert. Das zusammengesetzte Material hat daher einen günstigen Reibungskoeffizienten und eine ausgezeichnete Abriebfestigkeit und thermische Stabilität Da die Kohlefasern die Wärmeleitung zwischen Stahlfasern angemessen unterbrechen, hat das Material außerdem eine geeignete thermische Leitfähigkeit. Wie bereits erwähnt, erweist es sich als notwendig, daß die Summe der Kohlefasermenge und der Stahlfasermenge im zusammengesetzten Material 25 bis 60 Vol.-% beträgt und daß das Verhältnis der genannten Summe zur Phenolmenge größer als 1,8 ist, um eine Textur der Zusammensetzung zu erzielen, die ein ausgezeichnetes Reibungsverhalten aufweist, wobei jedoch dann, wenn das angegebene Verhältnis über 3,5 liegt, die Verarbeitbarkeit zum Fertigprodukt ungünstig beeinflußt und beeinträchtigt ist.

Als Füllstoffe werden die allgemein bekannten, in üblichen Reibungsmaterialien mit einem Gehalt an Asbest üblicherweise verwendeten Substanzen auch erfindungsgemäß eingesetzt. So sind z. B. organische Füllstoffe wie Kaschuharzstaub und Kautschukstaub, anorganische Füllstoffe wie Bariumsulfat, Calciumcarbonat und Aluminiumoxid und Metalle wie Kupfer und Messing verwendbar. Erfindungsgemäß ist der angegebene organische und/oder anorganische Füllstoff in Mengen von 10 bis 50VoI.-°/o, bezogen auf das Reibur.gsmaterial, verwendbar.

Obwohl eine ähnliche Textur der Zusammensetzung, welche der Textur, die für das erfindungsgemäße Material charakteristisch ist, ähnelt, auch unter Verwendung von Glasfasern erzielbar ist, ist das mit Glasfasern

ίο erhaltene Reibungsmaterial dem erfindungsgemäßen, unter Verwendung von Kohlefasern gewonnenen Reibungsmaterial unterlegen. Diese Tatsache zeigt die wichtige Rolle, welche die Kohlefasern aufgrund ihrer ihnen innewohnenden ausgezeichneten Eigenschaften, z.B. in bezug auf Abriebfestigkeit und thermische Leitfähigkeit, spielen. Das bemerkenswert gute Reibungsverhalten des erfindungsgemäßen Reibungsmaterials wird erstmals durch Bildung der angegebenen Textur und Struktur der Zusammensetzung, welche die Kombination aus Kohlefasern und Stahlfasern enthält, erhalten.

Bezüglich der Herstellung des erfindungsgemäßen organischen Reibungsmaterials kann auf die diesbezüglichen üblichen bekannten Verfahren sowie auf ein in der japanischen Patentveröffentlichung 5907/80 beschriebenes Verfahren verwiesen werden, gemäß welchem ein Reibungsmaterial mit einem Gehalt an Kohlefasern, das eine ausgezeichnete Abriebfestigkeit aufweist, nerstellbar ist.

jo Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung näher erläutern.

Beispiele 1 bis 7

Die in der unten angegebenen Tabelle 1 aufgeführten Verbindungen wurden jeweils zur Herstellung eines gleichförmigen Gemisches mit Hilfe eines Henschel-Mischers gut vermengt, und das auf diese Weise erhaltene jeweilige Gemisch wurde durch Erhitzen und Verpressen in Metallformen bei einer Temperatur von 170⁰C und einem Druck von 200 bar (200 kg/cm²) in Formkörper verarbeitet, worauf bei einer Temperatur von 180° C 4 Stunden lang nachgehärtet wurde. Von dem auf diese Weise erhaltenen jeweiligen Material wurden zwei Prüflinge der Ausmaße 25 χ 25 χ 6 mm ausgeschnitten, und unter Verwendung einer bei konstanter Geschwindigkeit arbeitenden Reibungs-Testvorrichtung wurden nach der japanischen Industrie-Standard-Testmethode (JIS) D 4411 die Reibungs- und Abriebscharakteristiken des Prüflings bestimmt, wobei als Bestimmungsmethode die intermittierende Methode gemäß JASO-C-418 diente. Zur Durchführung dieses Tests wurden die folgenden Bedingungen angewandt:

Gleitgeschwindigkeit 8m/s; Oberflächendruck 20 bai (20 kg/cm²); intermittierender Zyklus von 5 s Druckan wendung und 5 s Behandlung ohne Druckeinwirkung, während die Testtemperatur kontinuierlich von Raum temperatur auf 35O⁰C erhöht wird. Bei diesem Test handelt es sich um den sogenannten Fading-Tes (Beobachtung der Temperaturabhängigkeit vom Rei bungskoeffizienten).

Es verdient hervorgehoben zu werden, daß der in diesem Test angewandte Oberflächendruck von 20 bar (20 kg/cm²) eine weitaus härtere Bedingung darstellt als die üblicherweise vorliegende Druckbedingung von 6 bis 13 bar (6 bis 13 kg/cm²).

Die in diesem Test erhaltenen Ergebnisse, nämlich der Reibungskoeffizient bei der Testtemperatur und der Abrieb verlust durch Reibungsabrieb jedes Prüflings

sind in der unten angegebenen Tabelle 2 aufgeführt In Tabelle 2 betreffen die Beispiele 1 bis 7 erfindungsgemäßes Reibungsmaterial, und aufgeführt sind außerdem die Ergebnisse von Bestimmungen an handelsüblichen Reibungsmaterialien für Scheibenfutter. Wie Tabelle 2 zeigt, ist das erfindungsgemäße Reibungsmaterial in bezug auf Reibungskoeffizient praktisch gleich demjenigen der handelsüblichen Reibungsmaterialien, es ist diesen jedoch in bezug auf Abriebverlust überlegen und weist einen höheren Grad an Abriebfestigkeit als das handelsübliche Reibungsmaterial auf, was eine längere-Lebensdauer im Gebrauch anzeigt

Außerdem trat in den Beispielen 1 bis 7 niemals eine Verminderung des Reibungskoeffizienten bei hohen Temperaturen von 300 oder 350° C auf (sogenanntes »Fading«-Phänomen), was die ausgezeichnete Reibungsstabilität des erfindungsgemäßen Reibungsmaterials erkennen läßt

Die Vergleichsbeispiele 1 und 2 betreffen andererseits Reibungsmaterialien, deren Zusammensetzung derjenigen des erfindungsgemäßen Reibur.jsmaterials nicht entspricht. Obwohl der Abriebverlust der Reibungsmaterialien der Vergleichsbeispiele fast gleich demjenigen des erfindungsgemäßen Reibungsmaterials ist, liegt deren Reibungskoeffizient deutlich niedriger als derjenige des erfindungsgemäßen Reibungsmaterials, und er beträgt nur 0,18 bis 0,25 gegenüber Werten von 0,27 bis 0,35 beim erfindungsgemäßen Reibungsmaterial, was sich bei der Verwendung als Reibungsmaterial ungünstig auswirkt. J0

Tabelle 1

Zusammensetzung der Reibungsmaterialien (Vol-%) Die Vergleichsbeispiele 3 und 4 betreffen Reibungsmaterialien, in denen Asbest bzw. Glasfasern anstelle von Kohlefasern bei sonst gleichen Bedingungen wie in Beispiel 2 verwendet wurden. Wie die Ergebnisse der Tabelle 2 zeigen, ist zwar der Reibungskoeffizient dieser Vergleichsmaterialien fast gleich demjenigen des Reibungsmaterials des Beispiels 2, doch ist deren Abriebverlust so groß, daß diese Vergleichsmaterialien als Reibungsmaterial ungeeignet sind.

In Tabelle 3 sind die mechanischen und thermischen Eigenschaften des Reibungsmaterials des Beispiels 3 und eines handelsüb'ichen Reibungsmaterials auf Asbestbasis aufgeführt Die Ergebnisse zeigen, daß das erfindungsgemäße Reibungsmaterial dem bekannten Reibungsmaterial auf Asbestbasis in bezug auf mechanische Eigenschaften und thermische Leitfähigkeit praktisch gleichwertig ist

Es ist somit festzustellen, daß das erfindungsgemäße Reibungsmaterial im Vergleich zu handelsüblichen Reibungsmaterialien auf der Basis von Asbest ein ausgeprägt verbessertes Verhalten in bezug auf Reibungs- und Abriebeigenschaften zeigt und andererseits fast die gleich vorteilhaften Werte in bezug auf andere Eigenschaften, z. B. mechanische Eigenschaften und thermische Leitfähigkeit, wie handelsübliches Reibungsmaterial auf Asbestbasis, aufweist

Erfindungsgemäß wird somit em ausgezeichnetes asbestfreies Reibungsmaterial geschaffen, das für Gesellschaft und Industrien eine weitreichende Anwendungsmöglichkeit bietet.

Phenolharz¹)

Kohlefaser²)

B Asbest

Glasfaser

C D³)

Stahlfaser

B+C

(B+O/A

Beispiele

1	25
2	25
3	20
4	15
5	25
6	25
7	15
Vcrgleichs-
bcispiele
1	30
2	15
3	25
4	25

35
40
40
30
50
45
20

40

15	25**)	50	2.0
15	20**)	55	2.2
15	25**)	55	2.75
15	40**)	45	3.0
10	15*)	60	2.4
10	20**)	55	2.2
20	45**)	40	2.67
15	25**)	45	1.5
15	25**)	60	4.0
15	20**)	55	2.2
15	20**)	55	2.2

Bemerkungen:

') Phenolharz modifiziert mit Kaschuharz (CASHEW CO., LTD.).

²) Kohlefasern aus Pech mit 0,7 mm Durchschnittslänge (KUREHA CHEMICAL INDUSTRY CO., LD.).

³) Anorganischer und/oder organischer Füllstoff. *) Bariumsulfat.

**) Gehalt an mindestens 60% Bariumsulfat.

Tabelle 2	Reibungskoeffizient	150	bei Temperatur von	250	(0⁰C)	350	Abriebverlust	Abrieblänge (mrn)
Reibungseigenschaften	100		200		300		Abriebgewicht (g)
Proben		0.30		0.31		0.31		7X10"²
	0.31	0.30	0.32	0.30	0.32	0.30	0.24	8X10 ²
Beispiele	0.31	0.29	0.31	0.30	0.31	0.32	0.25	7 XlO"²
1	0.29	0.34	0.31	0.34	0.32	0.35	0.22	11 XlO"²
2	0.31	0.27	0.34	0.28	0.35	0.29	0.39	16 XlO"²
3	0.27	0.28	0.28	0.29	0.27	0.30	0.35	8X10"²
4	0.27	0.34	0.29	0.33	0.30	0.33	0.34	21 XlO"²
5	0.33		0.34		0.32		0.54
6		0.19		0.19		0.21		15X10"²
7	0.18	0.24	0.20	0.21	0.21	0.19	0.37	16X10 ²
Vergleichsbeispiele	0.25	0.29	0.22	0.30	0.19	0.28	0.35	79X10 ²
1	0.29	0.33	0.28	0.34	0.29	0.36	2.54	114X10 ²
2	0.31	0.33	0.34	0.34	0.35	0.30	3.73	35X10 ²
3	0.32		0.32		0.32		0.91
4
Handelsübliches Reibungsmaterial auf Asbestbasis

Tabelle 3

Mechanische Eigenschaften und thermische Leitfähigkeit

Probe	Scheinbare Dichte (g/ml)	Rockwell- Härte (H_RL)	Biege festigkeit (kg/mm²)	Biegemodul (kg/mm²)	Schlag festigkeit Izod*)	Thermische Leitfähigkeit (cal/cm · s.°C
Beispiel 3 Handelsübliches Reibungsmaterial auf Asbestbasis	2,46 2 bis 2,5	80,1 60 bis 80	5,95 2 bis 5	900 450 bis 900	4,7 4 bis 5	1,85XlO"³ (1,3 bis 2,5) XlO"³

*) Schlagfestigkeit nach Izod: ohne Einkerbung, ausgedrückt in kg-cm/cm².

230215/620

Claims

Patentansprüche:

1. Organisches Reibungsmaterial,
zeichnet durch ejien Gehalt an

gekenn-

a) 10 bis 30Vol.-% eines Phenol/Formaldehyd-Harzes,

b) 15 bis 50 Vol.-°/o zerkleinerten Kohlefasern mit einer durchschnittlichen Länge von 0,2 bis 10 mm und einem durchschnittlichen Durchmesser von 3 bis 50 μ,

c) 7 bis 20 Vol.-% Stahlfasern und

d) 10 bis 15Vol.-°/o anorganischen und/oder organischen Füllstoffen, wobei die Summe des Volumens der Kohlefasern und der Stahlfasern 25 bis 50Vol.-% und das Verhältnis dieser Summe zu dem Volumen des Phenol/Formaldehyd-Harzes 1,8 bis 3,5 beträgt