DE3039607A1 - Asbestfreies reibmaterial - Google Patents

Description

• Asbestfreies Reibmaterial
• Die Erfindung betrifft ein Reibmaterial für Bremsen, Kupplungen oder dergleichen, das im wesentlichen aus einem Bindemittel oder Bindemittelgemisch und verstärkendem Material besteht, wobei als verstärkendes Material ein Gemisch aus Aramidfasern, Mineralfasern und Stahl fasern verwendet wird.
• Die heutigen Reibmaterialien für Bremsen und Kupplungen werden bevorzugt unter Verwendung von Asbestfasern als Verstärkungskomponente hergestellt.
• Aufgrund der toxischen, wahrscheinlich sogar cancerogenen Eigenschaften von Asbestfasern und der vorhersehbaren Verknappung des Rohstoffs Asbest, besteht eine Notwendigkeit, diese Fasern gegen andere Stoffe auszutauschen.
• Durch Einsatz anderer verstärkender Materialien wie Mineral-, Keramik-, Glas- oder organischer Fasern gelang es zwar, Asbest in Reibbelägen zu ersetzen, jedoch wurden die physikalischen Eigenschaften der "Asbestbeläge" meist nicht erreicht.
• Andererseits aber wurden die Anforderungen der Industrie an die Reibbeläge in bezug auf thermische und mechanische Festigkeit, Verschleißfestigkeit, Bremsverzögerung und Stabilität der Verzögerung bei steigender Temperatur der Trommel und bei steigender Geschwindigkeit immer höher, d.h. man sucht nach Reibbelägen, die den "Asbestbelägen" qualitativ wesentlich überlegen sind.
• Durch Auswahl bestimmter Fasern gelang es, Reibbeläge zu entwickeln, die in einzelnen Eigenschaften starke Verbesserungen zeigen. So erzielt man z.B. durch den Einsatz von Fasern auf Basis Diabas als Verstärkungsmaterial (Patentanmeldung . . . . .
• der Anmelderin) wesentlich günstigere Werte beim Verschleiß des Belages und der Trommel.
• Gemäß DE-OS 27 27 541 werden in Reibmaterialien als verstärkendes Material Aramidfasern eingesetzt. Man erzielt den "Asbestbelägen" gleichwertige Reibbeläge, die aber einen geringeren Abrieb des Belags und auch der Trommel zeigen. Jedoch sind für erhöhte Ansprüche die Verzögerungswerte besonders bei steigender Geschwindigkeit und steigender Trommeltemperatur nicht ausreichend.
• Bessere Verzögerungswerte erhält man mit Reibbelägen gemäß US-PS 4 130 537, in denen als verstärkendes Material Aramidfasern kombiniert mit Glasfasern eingesetzt werden. Allerdings zeigt sich auch mit diesen Belägen ein Verzögerungsabfall bei hohen Temperaturen. Außerdem sind sowohl Belag- als auch Trommelverschleiß recht hoch.
• Es bestand demnach die Aufgabe der Erfindung, ein asbestfreies Reibmaterial bereitzustellen, aus dem sich Reibbeläge herstellen lassen, die bei geringem Trommel- und Belagverschleiß hohe Verzögerungswerte zeigen, wobei diese Verzögerungswerte sowohl bei verschiedenen Geschwindigkeiten als auch bei unterschiedlichen Trommeltemperaturen oder bei mehreren aufeinanderfolgenden Bremsungen möglichst konstant bleiben.
• Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Reibmaterial bestehend aus 5 - 25 Gew.-% aushärtbarem Bindemittel oder Bindemittelgemisch, 1 - 70 Gew.-% verstärkendem Material sowie anderen Zusatzstoffen, dadurch gekennzeichnet, daß es als verstärkendes Material 2,5 bis 12 Gew.-% Aramidfasern, 6 bis 25 Gew.-% Mineralfasern und 16 - 36 Gew.-% Stahl fasern enthält.
• Ein aus diesem Reibmaterial hergestellter Reibbelag zeigt die gewünschten Vorteile gegenüber den herkömmlichen Asbestbelägen. Die Verzögerungswerte lassen sich aber noch gleichmäßiger einstellen, wenn man im Reibmaterial als verstärkendes Material zusätzlich zur Faserkombination noch 5 - 20 Gew.-% Glimmermehl, Kaolin oder Wollastonit verwendet.
• Die aus dem erfindungsgemäßen Reibmaterial hergestellten Reibbeläge eignen sich aufgrund der hohen Verscheißfestigkeit und der hohen und gleichmäßigen Verzögerungswerte im gesamten Belastungsbereich besonders gut zur Herstellung von Kupplungs-und Bremsbelägen für den PkW-, LkW- und den Eisenbahnsektor.
• Ihr Einsatz ist aber auch in jedem technischen Bereich möglich, in dem elastische oder starre Reibbeläge benötigt werden.
• Die Elastizität läßt sich je nach Anforderung durch Variation der verwendeten Bindemittel einstellen. So können als Bindemittel alleine oder in Kombination miteinander die üblicherweise verwendeten härtbaren Polymere eingesetzt werden, wie etwa Phenol-, Epoxid- oder Furanharze und hitze- und chemikalienbeständige Natur- und Synthesekautschuke wie etwa Nitrilkautschuk oder SBR-Kautschuk. Durch verschiedene Kautschuk/Harz-Verhältnisse im Reibmaterial läßt sich die Flexibilität eines Reibbelags nahezu beliebig einstellen.
• Als verstärkendes Material dienen verschiedene Fasern, von denen jede bestimmte Eigenschaften hat. Die Verwendung dieser Fasertypen in Reibbelägen ist bekannt, jedoch zeigten eigene Versuche, daß die Eigenschaften der jeweiligen einzelnen Fasertype nicht ausreichen, um gesteigerte Qualitätsansprüche an Reibbeläge befriedigen zu können. Lediolich bei der erfindungsgemäßen Kombination und bei den erfindungsgemäßen Verhältnissen der 3 verschiedenen Faserarten, gegebenenfalls noch zusammen mit der erfindungsgemäßen Menge an Glimmermehl, Kaolin oder Wollastonit ergeben sich die gewünschten Eigenschaften der Reibbeläge.
• Die aus aromatischen Polyamiden bestehenden Aramidfasern sind thermisch hochstabil. Es werden in den erfindungsgemäßen Materialien bevorzugt Fasern mit einem Zersetzungspunkt von > 4700C eingesetzt. Derartige Fasern sind z.B. unter der Bezeichnung Arenk imHandel. Sie können in Form von Fasermüll vorliegen und werden in einer Menge von 2 - 12 Gew.-°k der Gesamtmischung eingesetzt. Die einzelnen Fasern haben eine Faserlänge von 1 - 60 mm, bevorzugt von 1 - 30 mm.
• Durch Zumischung von 6 - 25 Gew.-°% (bezonen auf die Gesamtmischung) Mineralfasern zu Aramidfasern lassen sich Reibbeläge mit höheren Verzögerungswerten herstellen. Allerdings ist auch hier ein deutlicher Verzögerungsabfall bei steigender Belastung des Reibbelags zu beobachten. Als Mineralfaser lassen sich sowohl Steinwolle oder Schlackenwolle als auch Glasfasern, Keramikfasern oder Fasern auf Basis Diabas in die Reibmaterialien einsetzen.
• Diabas ist ein vulkanisches Gestein, das sich durch besonders hohe Zähigkeit und Festigkeit auszeichnet. Dieses Gestein läßt sich aufschmelzen und aus der Schmelze zu Fasern verspinnen, wobei sich die Länge der Fasern variieren läßt. Zu den erfindungsgemäßen Reibmaterialien lassen sich Fasern mit Längen von 0,1 - 10 mm einsetzen. Vorzugsweise werden jedoch Fasern der Länge von 0,1 - 1 mm verwendet. Entsprechende Fasern sind unter der Bezeichnung Spinrock im Handel. Diese Fasern können ungeordnet, als sogenannter Fasermülle vorliegen.
• Als Metallkomponente in erfindungsgemäßen Reibbelägen eignet sich nur die Stahlfaser , die als Stahlwolle oder Fasermüll eingesetzt wird.
• Durch die Zugabe von 16 - 36 Gew.-% (bezogen auf die Gesamtmischung) Stahlwolle zur Reibmaterialmischung werden der Belagverschleiß des entsprechenden Reibbelags und auch der Trommelverschleiß deutlich verringert. Außerdem wird die Belastbarkeit des Reibbelags wesentlich verbessert, d.h.
• der Reibbelag hat nahezu im gesamten Belastungsbereich gute und gleichmäßige Verzögerungseigenschaften. Lediglich bei extrem hohen Temperaturen zeigt sich ein Verzögerungsabfall. Dieser Verzögerungsabfall läßt sich durch weitere Zugabe t - 20 Gew.-% (bezogen auf die Gesamtmischung) eines feinpulverisierten Verstärkerfüllstoffes wie Gl immermehl, Kaolin oder Wollastonit zur Reibmaterialmischung weitgehend beheben. Oberraschenderweise werden dadurch auch die übrigen Eigenschaften des entsprechenden Reibelags leicht verbessert.
• Außer diesen Hauptkomponenten können wahlweise andere an sich bekannte Füll-, Gleit- und Reibstoffe sowie Härtungsmittel oder -beschleuniger für die Bindemittel mit in die Mischung eingearbeitet werden.
• Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Reibmaterials empfiehlt es sich, den gesamten Faserverband vor dem Vermischen mit dem Bindemittel in einem Mischer, Kneter oder Zerhacker zu öffnen.
• Um die Benetzbarkeit der Fasern mit dem Bindemittet zu erhöhen und somit auch den Verbund zu verbessern, können die Fasern vor ihrer Verwendung mit einem Imprägniermittel getränkt werden. Als Imprägniermittel können Silane, Nitril-und/oder SBR-Kautschuk, Phenolharze vom Novolak- oder Resol-Typ, Melaminharze oder Furanharze verwendet werden. Die Imprägnierung kann in der Weise erfolgen, daß die Fasern in einer Lösung des Imprägniermittels getränkt und anschließend getrocknet werden, oder daß man in einem Mischer oder Kneter aus Fasern und Imprägniermittel ein entsprechendes Masterbatch herstellt, wie dies in der Kautschukindustrie üblich ist.
• Der Aufbau der Reibmaterialien sowie die Eigenschaften daraus hergestellter Reibbeläge werden in den folgenden Beispielen erläutert. In diesen Beispielen werden die Vorteile der erfindungsgemäßen Reibmaterialien anhand von vier Rezepturen aufgezeigt, wobei die Rezepturen 1 und 2 nur Aramidfasern bzw.
• eine Kombination Aramidfaser/Mineralfaser als verstärkendes Material enthalten. Sie dienen gewissermassen als Vergleichsrezepturen. Die Mischungen 3 und 4 enthalten die erfindungsgemäßen Kombinationen Aramid-/Mineral-/Stahlfaser ohne und mit Zusatz von Glimmermehl.
• Beispiele A. Rezepturen 1 2 3 4 Bestandteile (Gew.-) * Aramidfaser 10,00 3,50 3,50 3,50 Mineralfaser - 6,50 6,50 6,50 Stahlwolle - - 28,00 24,00 Glimmermehl - - - 13,00 Eisen(III)-oxid 13,50 13,50 5,00 4,00 Magnesiumoxid 13,00 13,50 7,00 7,00 Talkum 9,00 9,00 8,00 2,00 Calciumhydroxid 10,00 10,00 6,00 6,00 Thomasphosphat 14,00 14,00 7,00 5,00 Cashewnußölstaub 5,00 5,00 5,00 5,00 Weichmacher (Kohlenwasserst.) 1,00 1,00 1,00 1,00 Nitrilkautschuk 13,00 13,00 13,00 13,00 Schwefel 0,90 0,90 0,90 0,90 Zinkoxid 0,70 0,70 0,70 0,70 Vulkanisationsbeschleuniger 0,40 0,40 0,40 0,40 Graphit 3,00 3,00 1,50 1,50 Flammruß 1,00 1,00 1,00 1,00 Phenolharz 5,50 5,50 5,50 5,50 B. Herstellung der Reibbeläge Die Bestandteile werden in einem Kneter innig vermengt, die erhaltene Mischung granuliert, in eine Preßform gefüllt und bei 1800C und einem Druck von ca. 25N/mm2 je nach Stärke des herzustellenden Reibbelags mit unterschiedlichen Zeiten gepreßt. Dabei beträgt die Verweilzeit der Mischung in der Form ca. 0,5 min pro Millimeter Belagstärke. Die so erhaltenen Reibbelagrohlinge werden durch Schleifen oder Fräsen auf die gewünschten Maße gebracht und danach für 3 bis 12 Stunden je nach Reibbelagstärke in einen Umiuftofen bei 1500C bis 2000C nachgehärtet.
• * Aramidfaser mit einem Zersetzungspunkt > 4700C C. Eigenschaften der Reibbeläge 1 bis 4 Die Reibbeläge werden als Scheiben- oder Trommelbremsbeläge auf einem Schwungmassenprüfstand auf ihr Rei.bvrhaten und auf ihren Verschleiß hin untersucht.
• Gemeinsam ist den Reibbelägen l bis 4, daß sie z.B. für Trommelbremsbeläge vor der Ausprüfung einem Prüfstandseinlauf bei max. 1000C Trommeltemperatur so lange unterzogen werden, bis die Beläge mindestens ein Tragbild von 80 % der Belagoberfläche erreicht haben.
• Nach diesem Einlauf werden die Beläge und die Trommel bzw.
• die Scheibe gemessen und gewogen.
• Das Prüfprogramm für die Beläge 1 bis 4 läuft z.B. für den Anwendungsfall Trommelbremsbeläge folgendermaßen ab: 1) Verzögerung Em/sec2 als Funktion des hydraulischen Drucks p.
• (Ausgangsgeschwindigkeit 80 km/h; Trommeltemperatur zu Beginn jeder Bremsung 600C) Rezeptur p Ebar1 1 2 3 4 20 1,4 1,5 1,7 40 2,6 2,9 3,2 3,3 60 3,8 4,2 4,5 4,7 80 5,1 5,5 5,9 6,1 2) Verzögerung Tm/sec23 (wie unter 1) als Funktion des hydraulischen Drucks (Trommeltemperatur zu Beginn jeder Bremsung 2400C) p bar 1 R e z2e p t u r 3 4 20 1,2 1,3 1,4 1,7 40 2,2 2,4 2,7 3,2 60 3,3 3,6 3,6 4,5 80 4,6 4,8 5,1 6,0 3) Verzögerung Em/sec2Jals Funktion der Geschwindigkeit V (Bei einem konstanten hydraulischen Druck von 60 bar; Trommeltemperatur zu Beginn jeder Bremsung 600C) Rezeptur VEkinIh) 1 2 3 4 40 4,1 4,6 5,0 5,2 60 3,9 4,4 4,8 5,0 80 3,8 4,2 4,8 5,1 100 3,8 4,0 4,7 4,9 120 3,6 3,8 4,6 4,9 140 3,4 3,7 4,4 4,7 4) Verzögerung [m/sec2J bei 12 aufeinanderfolgenden Stops.
• (Die Stops erfolgen jeweils aus 80 km/h mit 40 bar hydraulischem Druck im Abstand von jeweils 25 sec).
• Rezeptur Anzahl der 1 2 3 4 Stops 1 2,6 2,8 3,1 3,0 2 2,7 2,9 3,0 3,2 3 2,8 3,0 3,2 3,3 4 2,8 3,0 3,2 3,4 5 2,8 2,9 3,2 3,4 6 2,7 2,9 3,2 3,4 7 2,7 2,8 3,0 3,3 8 2,6 2,7 3,1 3,3 9 2,5 2,7 2,9 3,1 10 2,4 2,5 2,8 3,0 11 2,3 2,4 2,7 3,0 12 2,3 2,4 2,7 2,9 5) Verzögerung Cm/sec2) (wie unter 1) als Funktion des hydraulischen Druckes im Anschluß an 4) Rezeptur P [bar] 1 2 3 4 20 1,4 1,5 1,7 1,7 40 2,5 2,8 3,1 2,4 60 3,6 4,0 4,4 4,9 80 4,9 5,2 5,9 6,3 6) Verzögerung[m/sec²] als Funktion der Temperatur (Ausgangsgeschwindigkeit jeweils 30 kmh; Druck 20 bar) Rezeptur TC 1 2 3 4 20 1,4 1,5 1,7 1,8 40 1,4 1,6 1,8 2,0 60 1,4 1,7 1,9 2,2 80 1,6 1,8 2,1 2,2 100 1,6 1,8 2,1 2,3 140 1,5 1,8 2,1 2,2 180 1,5 1,7 2,0 2,2 220 1,3 1,6 1,9 2,2 260 1,2 1,5 1,8 2,1 300 1,0 1,3 1,7 2,0 Nach Ablauf dieses Programmes werden die Bremsbeläge und die Bremstrommel gemessen und gewogen.
• Danach wird das gleiche Programm noch einmal wiederholt und der Verschleiß als arithmetisches Mittel aus beiden Programmen bestimmt.
• Rezeptur 1 2 3 4 Belagverschleiß[g] 0,97 1,13 0,43 0,39 Trommelverschleiß 0,1 1,4 0,2 0,2 r9u

Claims (10)

1. PatentansprUche 1. Reibmaterial bestehend aus 5 - 25 Gew.-% aushärtbarem Bindemittel oder Bindemittelgemisch, 1 - 70 Gew.-verstärkendem Material sowie anderen Zusatzstoffen, da du r c h gek e n n z e i c h n e t, daß es als verstärkendes Material 2,5 bis 12 Gew.-% Aramidfasern, 6 bis 25 Gew.-% Mineralfasern und 16 - 36 Gew.-% Stahlfasern enthält.
2. 2. Reibmaterial nach Anspruch 1, da du r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß es als verstärkendes Material zusätzlich 5 - 20 Gew.-SGlimmermehl, Kaolin oder Wollastonit enthält.
3. 3. Reibmaterial nach Anspruch 1 und 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Aramidfaser einen Zersetzungsnunkt von mehr als 4700C hat.
4. 4. Reibmaterial nach Anspruch 1 bis 3, d a d u r c h g e -k e n n z ei c h ne t, daß als Mineralfasern Steinwolle, Schlackenwolle, Diabasfasern, Keramikfasern und Glasfasern oder Kombinationen aus diesen eingesetzt werden.
5. 5. Reibmaterial nach Anspruch 1 und 4, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h ne t, daß die Faserlänge der Mineralfasern 0,1 mm bis 10 mm, bevorzugt 0,1 mm bis 1 mm beträgt.
6. 6. Reibmaterial nach Anspruch 1 bis 5,d a d u r c h 9 e -k e n n z ei c h ne t, daß der Faserverbond in Form von Fasermüll gebettet ist.
7. 7. Reibmaterial nach Anspruch 1 bis 6, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß sowohl der Aramidfaserals auch der Mineralfaser- und der Stahlfaserverbund vor dem eingentlichen Einmischen in das Reibmaterial in einem Mischer oder dergleichen geöffnet werden.
8. 8. Reibmaterial nach Anspruch 1 bis 7, da du r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß die Fasern mit einem Imprägniermittel behandelt werden.
9. 9. Reibmaterial nach Anspruch 1 bis 8, d a d u r c h 9 e -k e n n z e i c h n e t, daß als Imprägniermittel Silane, Epoxide, Nitril- und SBR-Kautschuk, Phenolharze oder Furanharze verwendet werden.
10. 10. Verwendung des Reibmaterials nach Anspruch 1 - 9 zur Herstellung von Reibbelägen für Bremsen oder Kupplungen.