DE3132969A1 - "reibmaterial insbesondere fuer brems- und kupplungsbelaege" - Google Patents
"reibmaterial insbesondere fuer brems- und kupplungsbelaege"Info
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Description
Die Erfindung betrifft ein asbestfreies Reibmaterial. Insbesondere .betrifft die Erfindung ein Reibmaterial, das
Glasfasern enthält, die sich durch niedrige Härte auszeichnen und deshalb, für diesen Zweck besonders geeignet sind.
Die üblichen Reibmaterialien, wie Bremsbeläge und Kupplungsbeläge
,enthalten als einen der wesentlichen Bestandteile Asbest. Asbest hat zahlreiche günstige Eigenschaften
für Reibmaterial. Asbest ist chemisch inert, er ist zerfaserbar, er hat die gewünschte Härte, den gewünschten
Reibungskoeffizient mit Eisenmetall und er ist billig. Aus diesen Gründen ist Asbest eine der wesentlichen Komponenten
von Reibmaterialien für die Industrie und insbesondere für die Kraftfahrzeugindustrie.
Seit kurzem ist bekannt, daß Asbeststaub beim Menschen bösartige
Tumore erzeugen kann. Dementsprechend ist es erwünscht,
asbestfreie Reibmaterialien zu entwickeln.
Aus der US-PS 3 844- 800 sind Reibmaterialien bekannt, die
für Bremsbeläge verwendet werden. Diese Reibmaterialien enthalten 25 bis 80 Volumprozent eines Metallpulvers, z.B.
Kupfer, Eisen, Nickel oder deren Gemische, bis zu 30 Volumprozent Aluminiumoxid, kristallines Siliciumdioxid, Mullit,
Kyanit, Sillimanit, Gordierit, Forsterit oder deren Gemisehe,
bis zu 32 Volumprozent Graphit und 1 bis 50 Volumprozent
Silikatglaspulver. In Tabelle 1A dieser Patentschrift ist ein Hatronkalkglas angegeben, das 72% Kieselsäure, 15%
Natriumoxid, 9% Calciumoxid und geringe Mengen Kaliumoxid und Magnesiumoxid enthält.
35
35
Aus der US-PS 3 967 037 ist ein Reibmaterial bekannt, bei dem Glasfasern in ein ausgehärtetes organisches Bindemittel
eingebettet sind und das ein die Bindung modifizierendes Mittel enthält. Die Glasfasern haben eine verhältnismäßig
kurze Länge und sind statistisch orientiert. Es findet sich kein Hinweis in dieser Patentschrift, daß Glasfasern
niedriger Härte.für Reibmaterialien brauchbar sind.
In der US-PS 4 1JO 537 ist ein asbestfreies Reibmaterial
beschrieben, bei dem Glasfasern als aktiver Reibbestandteil vorliegen. Ferner liegen in diesem Reibmaterial noch bestimmte,
unschmelzbare organische Fasern vor, z.B. Baumwolle, Jute, Hanf, Sisal, Wolle, Viscose seide, Kunstseide oder
Aramidfasern- Das Mengenverhältnis der Glasfasern zu den unschmelzbaren organischen Fasern ist kritisch. Innerhalb
dieses Mengenverhältnisses ist das erhaltene Reibelement
frei von der üblichen charakteristischen'Aggressivität",
d.h. der Eigenschaft, während der Benutzung Geräusche, Vibration und unregelmäßige Reibeffekte hervorzurufen.
Aus der US-PS 4- 118 528 ist eine Reibverkleidung bekannt,
die Glasfasern enthält, die in ein thermisch ausgehärtetes
kautschukartiges Polymerisat eingebettet sind, und das ferner
ein Kunstharz und verschiedene die Reibung modifizierende Mittel enthält. Das kautschukartige Polymerisat ist
ein vulkanisierbarer Carboxylgruppen enthaltener Ifitril-Kautschuk,
das Kunstharz ist ein wasserlösliches, niedermolekulares, einstufiges hitzehärtbares Phenol-Formaldehyd-Kondensat.
Die Glasfasern werden mit dem kautschukartigen Polymerisat, dem Kunstharz und Ruß vor dem Aufbringen der
wärmehärtbaren Masse imprägniert. In dieser Patentschrift finden sich keine näheren Angaben über die Zusammensetzung
des verwendeten Glases. .
Aus der US-PS 3 7^3 069 ist eine Reiboberfläche bekannt,
die kontinuierliche Bündel von Endlos-Glasfasern enthält,
die in einen thermisch gehärteten Kleber eingebettet sind.
In der Japanischen Patentveröffentlichung Nr. 87 54-9/76 ist
ein Reibmaterial beschrieben, das durch Vermischen von Glasfasern
einer Länge von 1 bis 6 mm mit Synthese-Kautschuk,
Reibungsverbesserern auf der Basis von Kunstharzen und Füllstoffen
hergestellt, sodann verformt und erhitzt wird.
Keine der vorstehend abgehandelten Druckschriften enthält nähere Ausführungen über die Art der verwendbaren Glassorten
Deshalb muß angenommen werden, daß die beschriebenen Glasfasern sich von den bekannten Glasfasern ableiten, d.h. aus
Gläsern, die beispielsweise 55% Kieselsäure, 10% Borsäure,
14% Aluminiumoxid, 17% Kalk und 4% Magnesiumoxid enthalten.
Ί5 Derartige Gläser haben eine Mohs-Härte oberhalb 6.
Der Erfindung liegt.die Aufgabe zugrunde, ein asbestfreies
Reibmaterial zu entwickeln, das in Kombination (a) Glasfasern mit einer Mohs-Härte von weniger als etwa 5>
(b) ein Bindemittel und (c) ein die Reibung modifizierendes Material
enthält. Das erfindungsgemäße Reibmaterial ist beispielsweise
in Form von Brems- und Kupplungobelägen gekennzeichnet durch
ungewöhnlich störungsfreien, ruhigen, vibrationslosen Betrieb, während gleichzeitig sein Abrieb und seine Reibeigenschaften
befriedigend sind.
Übliche Glasfasern, wie Ε-Glas, S-Glas und G-Glas werden aus
harten, hochschmelzenden Gläsern hergestellt. Diese Gläser haben eine Mohs-Härte von mindestens 6. Das Glas wird so eingestellt,
daß es hohe Zugfestigkeit und gute elektrische Eigenschaften aufweist.
Glasfasern der verschiedensten Zusammensetzung sind erhält-■
lieh zur Verwendung in den Reibmaterialien der Erfindung. Es ist lediglich erforderlich, daß das Glas die erforderliche
Härte hat und natürlich faser- bzw. fadenbildend sein muß.
Typische Gläser, welche diese Bedingungen erfüllen, sind nachstehend angegeben:
Glas | SiO2 | PbO | CaO | Na | 2° | κ2ο |
Nr. | 34 | 59 | 1 | ,5 | 3,5 | |
Nr. | 67 | 15 | 1 | 9 | VJl | 7,1 |
Nr. | 65 | 20 | ||||
.1 | ||||||
.2 | ||||||
.3 |
Al2O, B2O, MgO
5 10
Die Härte dieser Gläser ist nachstehend durch die Mohs-Härte
sowie auch die Vickers-Härte angegeben. Die Vickers-Härte ist besprochen in "Vickers Hardness of Glass", Yamane et al.,
Journal of Non-Crystalline Solids, Bd. 15 (1974), S. 153-164.
Glas | 1 | Mohs-Harte | Vickers-Härte |
Nr. | 2 | 4 | 400 kg/mm |
Nr. | 3 | 4,5 | 450 kg/mm2 |
Nr. | 440 kg/mm2 |
Siliciumdioxid ist der Hauptbestandteil aller technisch bedeutsamen
Gläser, da es dem Glas Festigkeit verleiht.
Gleichzeitig verleiht es dem Glas auch Härte. Für die Glasfasern der Erfindung ist Jedoch ein Glas niedriger Härte erwünscht
.
Die erfindungsgemäß verwendeten Glasfasern, müssen sich durch
eine niedrige Härte auszeichnen, damit sie in einem •Reibmaterial
geeignet sind. Besonders bevorzugt ist ein Eeibmaterial, das ein bleifreies Glas niedriger Härte enthält und
das etwa 55 bis etwa 75% Siliciumdioxid, etwa 15 bis etwa
30% Kaliumoxid und etwa 2 bis etwa 10% Magnesiumoxid enthält. Dieses Glas hat vier wesentliche Eigenschaften, es ist bleifrei,
es ist faden- bzw. faserbildend, es hat eine niedrige Härte und es ist gegenüber Feuchtigkeit stabil. Infolge
dieser Eigenschaften ist dieses Glas ein idealer Ersatz für
Asbest in Eeibmaterial. ' .
L -I
Das Glas enthält Siliciumdioxid als Hauptbestandteil. Seine
Konzentration ist im unteren Bereich beschränkt durch die Forderung nach Festigkeit und im oberen Bereich durch die
Forderung nach niedriger Härte, Bei einem Siliciumdioxidgehalt von weniger als 45% hat das Glas geringe Festigkeit,
. während bei einem Siliciumdioxidgehalt oberhalb 75% die Härte sehr stark zunimmt. Bei einem zu hohen Siliciumdioxidgehalt
ist der Schmelzpunkt des Glases sehr hoch, wodurch das Schmelzen und die Verarbeitung erschwert sind.
Übliche Natrongläser enthalten erhebliche Mengen an Natriumoxid, die dem Glas einen niedrigeren Schmelzpunkt verleihen,
jedoch auch die chemische Beständigkeit vermindern, z.B. die Löslichkeit in Wasser erhöhen. Anstelle von Natriumoxid
können die bleifreien Gläser Kaliumoxid enthalten, wodurch das Glas weicher wird. Die Kaliumoxidkonzentration soll im
Bereich von etwa 15 bis etwa 30% liegen. Größere Mengen
sind unerwünscht, weil das Glas eine größere Härte zeigt. Kaliumoxid verleiht dem Glas eine verminderte Härte bis zu
einer Konzentration von etwa 30%, während bei höheren Konzentrationen die entgegengesetzte Wirkung beobachtet wird.
In zahlreichen Fällen können die vorstehend genannten Glaser
noch bis zu etwa 25% Boroxid enthalten, das dem Glas ebenfalls erhöhte chemische Beständigkeit und verminderte
Härte verleiht. Die Gläser können auch Zinkoxid in Konzentrationen bis zu etwa "10% enthalten.
Die erfindungsgemaß verwendbaren Gläser umfassen auch Bleiglaser
mit einer Mohs-Härte von weniger als etwa 5· Derartige Gläser können bis zu etwa 70% Blei (PbO) enthalten.
Die Herstellung der Glasfasern kann entweder nach dem Blasverfahren oder Ziehverfahren erfolgen. Das Verfahren ist
jedoch für die erfindungsgemäß verwendbaren Glasfasern nicht kritisch. Es können sämtliche bekannten Verfahren zur
L- -I
Herstellung von Glasfasern angewendet werden. Beim Blasverfahren können Fasern bis zu etwa 30 cm Länge erhalten werden.
Wie bereits angegeben, sind die zur Herstellung der Glasfasern geeigneten Gläser gekennzeichnet durch eine verhältnismäßig
niedrige Härte. Der Ausdruck "Härte" bezieht sich auf die Eigenschaft der Glasoberfläche, mittels eines Dia- ■
mants und einer Belastung von 100 g eingeritzt zu werden.
10. Ein lOOprozentiges Siliciumdioxidglas hat eine "Vickers-Härte
ρ
von 710 kg/mm . Die erfindungsgemäß verwendeten Gläser ha-
von 710 kg/mm . Die erfindungsgemäß verwendeten Gläser ha-
ben Werte unterhalb etwa 550 kg/mm .
Der Erweichungspunkt der erfindungsgemäß verwendeten Gläser
liegt im Bereich von etwa 4-50 bis etwa 6250C Die höchste
Temperatur, bei der ein Glas verwendet werden kann, ohne einer Deformation seiner Oberfläche zu unterliegen, liegt
gewöhnlich 75°C unterhalb des Erweichungspunktes. Dies'ist
ein wichtiger Faktor bei der Festsetzung des unteren Wertes. des Erweichungspunktes. Der obere Wert hängt im wesentlichen
von der Leichtigkeit der Herstellung des Glases ab. Ein niedrigschmelzendes
Glas ist leichter herzustellen als ein hochschmelzendes Glas, da weniger Wärme zugeführt werden muß.
Dfjr Erweichungspunkt wird mittels eines Orton Recording Di-Iitometers
unter Verwendung einer 50,8 mm langen Probe und einer Aufheizgeschwindigkeit von 4°C/Minute bestimmt. Der
Erweichungspunkt ist die Temperatur, bei der das Glas genügend weich wird, so daß eine Schubstange, die mit dem
Anker eines LVDT-Kraftüberträgers* verbunden, ist, in die
Probe eindringt. Haltbarkeit ist ebenfalls ein Faktor, d. h.
die Eigenschaft des Glases, der Auflösung in Wasser Widerstand
zu leisten. Dies wird entweder bestimmt durch Messung der Zunahme des pH-Wertes einer Aufschlämmung von Glaspulver
gleichmäßiger Korngröße in Wasser oder durch Messung des
Gewichtsverlustes einer Glasprobe nach dem Eintauchen in Wasser für eine bestimmte Zeit. Die Haltbarkeit der erfindungsgemäß
verwendeten
linear variabler Stelltransformator mit einem innerhalb
einer Spule befindlichen Anker
Gläser ist gleich oder besser als die der üblichen Natronkalkgläser.
Die erfindungsgemäß verwendeten Gläser können in einem Elektroofen
in einem Platin-Schmelztiegel bei Temperaturen bis zu etwa 14-500C hergestellt werden. Eine Schmelzdauer von
24- Stunden ist befriedigend. Als Ausgangsmaterialien können
Oxide oder Carbonate der entsprechenden Elemente üblicher Reinheit verwendet werden.
10 ·
Als Bindemittel kommen, vernetzbare Kunstharze in Frage..
Beispiele für derartige Kunstharze sind Phenolharze. Der Ausdruck "Phenolharz" bedeutet hitzehärtbare Harze, wie sie
durch Kondensation eines Phenols mit einem Aldehyd anfallen.
Als Phenole kommen solche Verbindungen in Frage,- die der
elektrophilen aromatischen Substitution zugänglich sind. Spezielle Beispiele sind Phenol, Resorcin, Brenzcatechin
und p-Aminophenol. Spezielle Beispiele für verwendbare Aldehyde sind Formaldehyd, Acetaldehyd und Butyraldehyd. Er-
findungsgemäß können sowohl Resol- als auch Novolak -Phenolharze
verwendet werden.
Zusätzlich kann das Bindemittel ein Elastomer auf der
Basis eines natürlichen oder synthetischen kautschukartigen enthalten
Polymerisats/. Als synthetisches kautschukartiges Polymerisat
wird in der Regel ein Nitril-Kautschuk verwendet, d.h. ein Butadien-Acrylnitril-Copolymerisat. Im allgemeinen beträgt
der Acrylnitrilgehalt im Copolymerisat etwa 20 bis etwa 50%. Das Copolymerisat kann auch geringe Mengen anderer
Grundbausteine, z.B. Acrylsäure, Methacrylsäure oder Itaconsäure enthalten. Nitril-Kautschuke sind in Vanderbilt Rubber
Handbook, 1968, S. 99-118 (Nitrile Elastomers) beschrieben.
Es können natürlich auch andere Elastomere verwendet werden, einschließlich Naturkautschuk, d.h. Polyisopren. Ferner können
verschiedene Synthese-Kautschuke verwendet werden, wie
L -I
sie bei der Polymerisation und Copolymerisation von Butadien, Isopren, Chloropren, Cyclopentadien und Dicyclopentadien anfallen.
Besonders bevorzugt ist ein SBR-Kautschuk, d.h. ein
Copolymerisat aus Styrol und Butadien.
Das vernetzbare polymere Bindemittel wird in einer Menge von
etwa 15 bis etwa 30 Teilen, bezogen auf das Gesamtgewicht
des Reibmaterials, eingesetzt. Die Gesamtmenge an Kunst-.Stoffmaterial,
einschließlich die Reibung modifizierendem Mittel, beträgt gewöhnlich etwa'20 bis etwa 60 Teile.
Als die Reibung modifizierendes Mittel kann jedes beliebige Mittel organischer oder anorganischer Natur verwendet werden.
Typische organische Mittel sind ausgehärtete, vernetzte Phenol-Aldehyd-Kondensate, bei denen das Phenol ein Alkenylphenol
ist, das sich von iTierennußschalenflüssigkeit
(CWSL) ableitet. Es kommen auch andere ähnliche Harze in
Frage. Als anorganische Substanzen kommen z.B. Bariumsulfat, Eisenoxid, Metallteilchen, Kupferoxid, Antimonsulfid, Bleisulfid,
Zinksulfid, Zinkoxid, Uatriumfluorid, Koks, Graphit oder Molybdän in Frage. Im allgemeinen werden Gemische dieser
Modifiziermittel verwendet. Sie bewirken eine befriedigende Stabilisierung des Reibkoeffizienten über einen weiten
Temperaturbereich.
-
Das Modifiziermittel wird in einer Menge von etwa 10 bis.
etwa 70 Teilen verwendet.
Die asbestfreien Reibmaterialien der Erfindung können auch untergeordnete Mengen an einem polymeren aromatischen Polyamid
anstelle eines Teils der Glasfasern enthalten. Hierdurch wird der Abrieb vermindert.
Das Reibmaterial der Erfindung wird hergestellt aus Glasfasern
kurzer Länge, d.h. einer Länge von etwa 2,54· bis etwa
152 mm, vorzugsweise einer Länge von etwa 5 bis 25,4- mm.
Alternativ können auch Glasfaden verwendet
werden, die statistisch zu einem "Torus" aufgewickelt sind, um gute Berstfestigkeit zu liefern. Derartige
Gebilde sind in der US-PS 4 118 528 beschrieben. Sie werden mit einer RFL-Masse beschichtet. Der Ausdruck "HFL" bedeutet
den getrockneten Rückstand einer BeSchichtungsmasse, der einen Naturkautschuk und/oder einen Synthesekautschuk mit
Kohlenwasserstoffkette sowie ein Phenolharz enthält. Die BeSchichtungsmasse enthält das Elastomer in Latexform und
das'Phenolharz in wäßriger Lösung. Typische Verfahren und
Bestandteile zur Herstellung von SFL-beschichteten Glasfasern sind beschrieben in den US-PSen 2 69I 614, 2 822 311,
3 973 071 und 3 925 286.
Etwa 12,7 mm lange Glasfasern der vorstehend angegebenen
Glas zusammensetzung Nr. 1, 2 und 3 sowie aus einem Glas einer Mohs-Härte 6, das in der nachstehenden Tabelle I als
Glas Nr. 4 bezeichnet ist, werden mit den nachstehend aufgeführten Bestandteilen zur Herstellung von Reibmaterialien
20 vermischt.
Tabelle I
Acrylnitril-Butadien-Copoly-25 merisat (SBR-Kautschuk) Phenolharz J
2)
Nierennußschalengranulat ' Reibungsmodifiziermittel
12,7 mm Glasfasern
30 12,7 mm Fasern aus aromatischem
Polyamid 6,8 -
Kautschuk-Lösungsmittel - 20 ml
Methyläthy!keton 50 ml
Anm. : 1) Ein durch Umnetzunp; von Phc-mol mit Formaldehyd in
Gegenwart eines eaui'en Katalysators hergestelltes
Kondensat, bis ein reversibles schmelzbares therrao-
L J
Gewichtstexle | Material B |
Material A | 15,7 |
16,5 | 8,2 |
8,6 | 14,6 |
15,3 | 31 ,1 |
32,5 | 30,4 |
20,4 |
plastisches Produkt erhalten wird, das sodann mit
Hexamethylentetramin vermischt wird. 2) Reaktionsprodukt von Nierennußschalenflüssigkeit
(einem Alkenylphenol) und Formaldehyd.
5
Die Bestandteile der/Reibmaterialien werden miteinander vermischt.
Das Lösungsmittel wird verdampft. Sodann wird die Masse 20 Minuten bei etwa 176°C unter Druck zu Prüfkörpern
mit den Abmessungen 28,5 x 6,3 mm verpreßt. Die Prüfkörper
werden 4- Stunden bei 205°C ausgehärtet und sodann an einer Chase-Maschine (vgl. SAE Report 67O5IO, Mai 1967) untersucht.
Zur Simulierung der Bedingungen, wie sie bei einer Kupplung herrschen, wird ein kontinuierlicher 90 Minuten lang dauern- der
Chase-Test bei einer Reibkraft von 2,3 kg durchgeführt.
Die Temperatur wird 30 Minuten auf 315°O erhöht, danach wird
innerhalb 30 Minuten auf 43°G abgekühlt. Die gesamte Versuchsdauer beträgt 90 Minuten. Die Werte sind in Tabelle XL zusammengefaßt.
L . ■ J
ω
cn
cn
ω
ο
ο
cn
Glas ^
IA
IB
2A
2B
3A .
3B
4A
4B
durchschnitt liche Reibung-
0,556 0.540 0.546 0.457 0.492 0.423 0.647 0.685
Abrieb,
mmJ -
0,086 0,088
0,117 0,086
0,127 0,076 0,112 0,068
Reibungskoeffizient h_ai .nach- 90 268"°C Min/ |
0.35 | Vibration .kalt? · heiß |
keine |
_ | 0.30 | leicht | ke ine |
0.45 | 0.32 | mäßig | keine |
0.55 | 0.32 | mäßig | keine |
0.50 | 0.25 | mäßig | mäßig |
0.40 | 0.30 | stark | keine |
0.50 | 0.30 | keine | stark |
0.30 | 0.24 | stark | stark |
0.40 | stark |
VM
CO NO CO CD CO J
20
25
30
35
Es ist ersichtlich, daß die Prüfkörper Nr. 1 bis 3, die Glasfasern
verhältnismäßig niedriger Härte, d.h. einer Mohs-Härte
unterhalb etwa 5 aufweisen, geringere Vibration zeigen als
die Probe Nr. 4-, die Glasfasern verhältnismäßig hoher Härte,
d.h. einer Mohs-Härte von 6, enthält. Außerdem sind die Reibung
und die Abriebseigenschaften der Prüfkörper mit den Glasfasern aus weicherem Glas befriedigend.
Sämtliche Teile und Prozentangabeη beziehen sich auf das
Gewicht, sofern nichts anderes angegeben ist.
L · J
Claims (10)
1. Reibraaterial, enthaltend in Kombination
(a) ein faseriges Glas mit einer Mohs-Härte von weniger
als etwa 5, 20 (b) ein Bindemittel und
(c) ein die Reibung modifizierendes Material, wobei das
Reibmaterial asbestfrei ist.
2. Reibmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das faserige Glas aus bleifreiem Glas besteht.
3. Reibmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Bindemittel ein Phenolharz ist.
4-, Reibmaterial nach Anspruch 2, enthaltend in Kombination
(a) ein faseriges, bleifreies Glas aus etwa 4-5 bis etwa
75% Siliciumdioxid, etwa I5 bis etwa 30% Kaliumoxid
und etwa 2 bis etwa 10% Magnesiumoxid,
(b) ein Bindemittel und
35 (c) ein die Reibung modifizierendes Material.
L J
5- Reibmaterial nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel ein Phenolharz ist.
6. Reibmaterial nach Anspruch 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß das faserige, bleifreie Glas zusätzlich bis zu
etwa 25% Boroxid enthält. ■
7. Reibmaterial· nach Anspruch 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß das faserige, bleifreie Glas zusätzlich bis zu
10 etwa 10% Zinkoxid enthält.
8. Reibmaterial nach Anspruch 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß das bleifreie Glas eine Dichte unterhalb etwa
30 hat.
9- Reibmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
das das faserige Glas Blei enthält.
10. Reibmaterial nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das faserige Glas bis zu etwa. 70% Blei enthält.
L J
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