DE3220894C2

DE3220894C2 - Organisches Reibungsmaterial

Info

Publication number: DE3220894C2
Application number: DE3220894A
Authority: DE
Inventors: Shigetoshi Ajima; Hiroto Kokubunji Tokyo Fujimaki; Kazuhiro Iwaki Fukushima Watanabe
Original assignee: Kureha Corp
Current assignee: Kureha Corp
Priority date: 1981-06-10
Filing date: 1982-06-03
Publication date: 1983-12-22
Also published as: CA1174779A; FR2507612A1; JPS5918429B2; GB2100275A; FR2507612B1; DE3220894A1; US4451590A; US4386168A; JPS57205474A; GB2100275B

Abstract

Es wird ein organisches Reibungsmaterial beschrieben, das durch 5 bis 25 Vol.% metallische Faser, 3 bis 40 Vol.% aktivierte Kohle, 3 bis 15 Vol.% Kohlefaser, 7 bis 47 Vol.% organische oder anorganische Füllmaterialien und 10 bis 30 Vol.% Phenolharz gekennzeichnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein organisches Reibungsmatcrial mit einem Harz als Bindematerial zur Verwendung in Bremsbacken und Kupplungsplatten von Motorfahr- JO /eugcn sowie Bremsbacken bzw. Bremsschuhen bei Eisenbahnen.

Bisher war das führende organische Reibungsnuucrial das sogenannte auf Asbest basierende organische Reibungsmaierial bestehend aus Chrysolith-Asbest (im folgenden einfach als Asbest bezeichnet) als verstärkendes Basismaterial und Phenolharz als Bindematerial unter Zusatz von verschiedenen Agenzien zur Rcibungsregulierung.

Obwohl Asbest verschiedene ausgezeichnete spezifi- *o sehe Eigenschaften aufweist, ist jedoch in letzter Zeit auf die Schädlichkeit von Asbeststaub für den menschlichen Körper hingewiesen worden und die Verwendung von Asbest unter Umweltschutz-Gesichtspunkten beschränkt worden. ⁴S

Andererseits sind die Anforderungen an Bremsmaterialien aufgrund der Tatsache, daß Transportmittel wie Motorfahrzeuge und elektrisch angetriebene Fahrzeuge mit immer größerer Geschwindigkeit betrieben werden, stärker angestiegen als auf anderen Gebieten. Es ist insbesondere erforderlich, daß die Bremseffektivität ausgezeichnet und selbst unter scharfen Bedingungen unter Sicherheitsgesichispunkten stabil ist. Darüber hinaus sollen Brennmaterialien unter Wartungsgesichtspunkten eine größere Lebensdauer besitzen. Zur Erfüllung dieser Forderungen sind verschiedene Materialien vorgeschlagen worden.

Es wurden beispielsweise eine Reihe der sogenannten semimetallischen Reibungsrnaterialien, die ein Metall als Basismaterial und ein Phenolharz als Bindematerial enthalten, entwickelt (US-PS 34 34 998 und US-PS 38 35 118). Diese scmimctallischcn Reibungsmatcrialicn enthalten Metall oder Metalloxid als Basismaterial und Phenolhar/ als Bindematerial, wobei im allgemeinen durchgehend Graphit als die Reibung regulierendes *5 Material verwendet wird. Aufgrund seiner Schmiereigcnschaftcn verringert Graphit zwar den Reibungskoeffizienten etwas, es heißt jedoch, daß Graphit dazu dient, die Bremsgcrausehe zu verringern und die Abriebfestigkeit zu verbessern.

Demgegenüber ist in der GB-PS 13 87 232 das Problem des geringen Reibungskoeffizienten von Graphit dadurch gelöst worden, daß Graphit durch Kohle ersetzt wird, die nicht in der Graphitform vorliegt.

Auf derGrundlage von Untersuchungen der Funktion von Kohle oder Graphit in derartigen semimetallischen Reibungsmaterialien hat die Anmelderin die Wirksamkeit von dem Reibungsmaterial zugesetzten Kohlefasern gefunden (US-PS 42 78 584). In Fortführung dieser Untersuchungen wurde nunmehr erfindungsgemäß die Wirksamkeit von gleichzeitig vorliegenden Kohlefasern und aktivierter Kohle im Reibungsmaterial gefunden.

Dementsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Reibungsmatcrial ohne Verr. jndung von Asbest vorzuschlagen. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Reibungsmaterial mit einem stabilen Reibungskoeffizienten, ausgezeichneten Antiabklingeigenschaften (Abklingeigenschaft bezieht sich auf das Phänomen der Verringerung des Reibungskoeffizienten aufgrund der beim Bremsen entwickelten Wärme) und ausgezeichneter Abriebbeständigkeit zu liefern.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Reibungsmaterial der in den Patentansprüchen gekennzeichneten Art vorgeschlagen.

Das erfindungsgemäße Reibungsma'.erial enthält 5 bis 25 Vol.-% metallische Fasern. 3 bis 40 Vol. % Teilchen von aktivierter Kohle, 3 bis 15 Vol.-% Kohlefasern. 7 bis 47 Vol.-% eines organischen und/oder anorganischen Füllmaterial und 10 bis 30 Vol.-% Phenolharz, bezogen auf das Gesamtvolumen der Bestandteile.

Die Teilchen aus aktivierter Kohle sind Teilchen aus aktivierter Kohle mit einer spezifischen Oberfläche von mehr als 200 m-Vg und einer großen Anzahl von Mikroporen. Gewöhnlich werden sie im Laufe ihrer Herstellung einer Hitzebehandlung bei einer Temperatur von 700 bis 1000⁰C unterworfen. Die spezifische Oberfläche beträgt vorzugsweise 500 bis 2000 m-7g.

Der durchschnittliche Durchmesser der Teilchen aus aktivierter Kohle beträgt gewöhnlich 50 bis 1000 um und vorzugsweise 150 bis 500 μπι. Der Gehalt der Teilchen aus aktivierter Kohle im Reibungsmatcrial beträgt geeigneterweisc 3 bis 40 Vol.-%. Im Fall von mehr als 40 VoI.-% ist die Herstellung des Reibungsmaterials schwierig. Andererseits beträgt die geringste Menge, die für die Erzielung der spezifischen Eigenschaften der aktivierten Kohle erforderlich ist, 3 Vol.-%.

Das in Faserform vorliegende Metall ist eine wollige Faser (Mctallwolle), die durch Schneiden von Stahl. Edelstahl, Messing und ähnlichem hergestellt wird, oder eine Faser, die durch Schmelzextrudieren eines dieser Metalle mit einer Länge von 0,1 bis 10 mm und einem Durchmesser von 5 bis 1000 μπι hergestellt wird. Es ist wichtig, daß der Gehalt an faserförmigem Metall mindestens 5 Vol.-% beträgt. Andererseits ist es bei einem Gehalt von mehr als 25 Vol.-% schwierig, das Reibungsmatenal herzustellen. Außerdem ist das dann erhaltene Reibungsmaterial praktisch ungeeignet, weil cszu schwer ist.

Die Kohlefaser ist nicht durch ihren Vorläufer beschränkt und es werden gewöhnlich Fasern mit einem Durchmesser von 5 bis 50 μπι und einer Länge von mehr als 0,1 mm in der bevorzugten Menge von 3 bis 15 Vol.-°/o verwendet. Die Kohlefaser ist ein Kohlcmaterial, das sich besonders zur Verbesserung der Abricbbc-

siandigkeit und der mechanischen Eigenschaften des Produkts im Falle des gemeinsamen Vorliegens mit den Teilchen aus aktivierter Kohle eignet.

Ars organisches oder anorganisches Füllmaterial können bekannte Substanzen wie z. B. eine organische Substanz wie Akajoustaub (Cashewstaub) und Gummrstaub oder eine anorganische Substanz wie Graphit, Bariumsulfat, Calciumcarbonat. Metall und ähnliche verwendet werden. Für das Füllmaterial sind ebenfalls faserige Substanzen bevorzugt, beispielsweise Fasern aus aromatischen Amidderivalen, die eine ausgezeichnete thermische Beständigkeit besitzen und für die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des Reibungsmaierials besonders bevorzugt sind.

Das emndungsgemäße semimetallische Reibungsmaterial besitzt einen stabilen Reibungskoeffizienten, ausgezeichnete Antiabklingeigenschaften und eine ausgezeichnete Abriebbeständigkeit, was auf der Verwendung von Teilchen aus aktivierter Kohle mit großer spezifischen Oberfläche und Kohlefasern als Reibungsmodifizicrungsmittel beruht. An dieser Stelle sei erwähnt, daß darauf hingewiesen worden ist, daß die beim Bremsen erzeugte Reibungswärme aufgrund der hohen thermischen Leitfähigkeit der herkömmlichen semimetallischen Reibungsmaierialien leicht zu dem Bremsflüssigkeitssystem weitergeleitcc wird und die Bremsflüssigkeit überhitzt, was häufig eine Dampfsperre bewirkt. Es wurde jedoch gefunden, daß die thermische Leitfähigkeil des erfindungsgemäßen Reibungsmaterials im selben Ausmaß wie bei herkömmlichen Asbcstreibungsnijterialien verringert wird, indem das Material mit Teilchen au;· akiivuvtcr Kohle und Kohlcfascrn gefüllt wird. Die .0 in überraschender Weise auf vernünftige Werte reduzier; thermische Lciifähigkeit ist eine sehr bedeutsame Eigenschaft des organischen Reibungsmaterial im Betrieb.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert.

Beispiel 1 und 2 sowie Vergleichsbeispiel I und 2

Die in Tabelle I angegebenen Materialien wurden irr

Tabelle 1

Zusammensetzung des Reibungsmaterials

21)

40 einem Henschel-Mischer zu einer gleichförmig dispergierten Mischung miteinander vermischt. Die so erhaltene Mischung wurde bei 170°C unter einem Druck von 200 kg/cm³ in einer Metallform formgepreßt. Die so erhaltenen Materialien wurden Zdr Herstellung von Reibungsmaterial 4 Stunden lang einer Härtungsbehandlung bei 180⁰C unterworfen.

Aus jedem der so erhaltenen Reibungsmateria-ien wurden zwei Probestücke von 25 χ 25 χ 6 (Dicke) mm ausgeschnitten und in einem Reibungstestgerät mit konstanter Geschwindigkeit gemäß Japanese Industrial Standards (JIS) D-4411 nach einem intermittierenden Verfahren gemäß Japanese Automobile Standards Organization (JASO) C-418 bei einer Gleitgeschwindigkeit von 10 m/sec, einem Druck auf der Oberfläche von 20 kg/cm², einem intermittierenden Zyklus von 5 Sekunden mit Druck und 5 Sekunden ohne D-Tjck geprüft. Beim sogenannten Abklingtest wurde die Temperatur der Gegenfläche kontinuierlich von Raumtemperatur auf bis 350° C erhöht.

Die Untersuchungsbedingungen mit einer Gleitgeschwindigkeit von 10 m/sec und einem Druck auf der Oberfläche von 20 kg/cm- sind im Vergleich zu üblichen Bedingungen von 5 bis 8 m/sec und 13 kg/cm² sehr scharf.

Andererseits wurde ei^ isothermer Abnutziingstest gemäß dem Verfahren in Japanese Automobile Standards Organization (JASO) C-418 bei einer Gleitgeschwindigkeit von 5 m/sec. einem Druck auf der Oberfläche von 20 kg/cm² (2 MN/m²), einem intermittierenden Zyklus von 3,5 Sekunden mit Druck und 5 Sekunden ohne Druck und einer Temperatur des Gegenteils von 100 und 200⁰C durchgeführt, wobei die Reibungszahl 100 betrug.

Die Abnutzungsrate wurde aus der Abnutzungslänge und dem durchschnittlichen Reibungskoeffizienten berechnet.

Der minimale Wert für den Reibungskoeffizienten (nm„„„) und die Abnutzungsrate bei den isothermen Abnutzungstests bei 100 und 200'C sind zusammen mit den Testergebnissen eines im Handel erhältlichen Reibungsmaterials in Tabelle 2 wiedergegeben.

Klassifizierung	Zusammensetzung (Einheit: Vol.-'/·)	Stahlwolle	aktivierte Kohle·)	Kohle faser")	anorganischer Füller·*·)	organischer Füller····)
	Phenol harz	15	20	9	21	15
Beispiel 1	2Ü	25	5*****)	5	30	15
Beispiel 2	20	25	5	0	35	15
Vergleichs beispiel I	20	25	0	5	35	15
Vergleichs beispiel 2	20

Spezifische Oberfläche: 160OmVg. Durchschnittlicher Durchmesser: 400 um. Durchschnittlicher Durchmesser: 18 μπι Durchschnittliche Länge: 0,7 mm

Zusammengesetzt aus mindestens 50 Vol.-% Graphit. Akajoustaub

) Hergestellt durch Pulverisieren der aktivierten Kohle und Sieben des pulverisierten Pulvers durch Siebe ASTM Standards No. 40 jnd No. 200 dichte Maschenweiten 74 bis 420 am).

Tabelle 2

Ergebnisse des Abklingtests

Proben ^hergestellt gemäß)	0,31 0,32	Abnutzungsrate (10~⁷cm³/kg-m)	200⁰C
	0,32 0,29	100⁰C	0,83 0,95
Beispiel 1 Beispiel 2	0,29	0,95 0,93	1,20 1,01
Vergleichsbeispiel 1 Vergleichsbeispiel 2	0,30	1,15 0,98	3,40
Kommerzielles Reibungsmaterial auf Asbest basierend	2,06	1,32
Semi-metallisch	1,43

Wie sich deutlich aus Tabelle 2 ergibt, zeigt das erfindungsgemäße Reibungsmaterini einen geringeren Wen für die Abnutzungsrate und einen etwas höheren Wert für um,,,,,, gegenüber dem Vergleichsbcispiel und den handelsüblichen Reibungsmaterialien. Das erfindungsgemäße Reibungsmaterial ist also überlegen hinsichtlich der Antiabklingeigenschaften und der Abriebbeständigkeit gegenüber den Vergleichsreibungsmaterialien.

Anschließend wurden die thermische Leitfähigkeit und die mechanischen Eigenschaften dieser Proben bestimmt.

Die thermische Leitfähigkeit wurde mit einer Vorrichtung zur Bestimmung der thermischen Leitfähigkeit vom Shibayama-Typ Modell SS-TC-18b im stationären Zustand gemessen.

Als mechanische Eigenschaft wurde die Biegefestigkeit gemäß ASTM-D-790 bestimmt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 wiedergegeben.

Tabelle 3

Physikalische Eigenschaften des Reibungsmaterials

Proben
(erhalten gemäß)

Schüttgewicht Biegefestigkeit

(g/cm³)

(kg/cm²) ((MPa)) Thermische Leitfähigkeit
(kcal/m/Std. ^c C) ((W/m° C))

Beispiel 1 2,21

Beispiel 2 2,35

Vergleichsbeispiel 1 2,43

Vergleichsbeispiel 2 2.36

Kommerzielles 2,20

Reibungsmaterial

auf Asbest

basierend

Semi-metallisch 3,53

405	(40,5)	0,42
410	(41,0)	0,85
350	(35,0)	0,93
410	(41,0)	0,91
-		0,45

5,11

(0,49)
(0,99)

(1,08)
(1,06)

(0,52)

(5,94)

Wie sich aus Tabelle 3 deutlich ergibt, kann erfindungsgemäß ein Reibungsmatcrial mit einer thermischen Leitfähigkeit, die mit derjenigen eines handelsüblichen Reibungsmaierials auf Asbestbasis vergleichbar ist. erhalten werJen.

Demgegenüber zeigt ein handelsübliches semi-meiallisches Reibungsmaterial eine sehr hohe thermische Leitfähigkeit, die es erforderlich macht, in der Praxis eine thermische Isolierung zu verwenden.

Zusammenfassend zeigen die obigen Ausführungen, daß das erfindungsgemäße Reibungsmaterial eine ausgezeichnete Abnutzungsbestzndigkeit und ausgezeichnete Reibungscigenschaften besitzt und darüber hinaus hinsichtlich thermischer Leitfähigkeit und mechanischer Festigkeit ebenfalls ausgezeichnete Eigenschaften aufweist.

Claims

Patentansprüche:

!. Organisches Reibungsmaterial, gekennzeichnet durch 5 bis 25 Vol-% Metallfaser. 3 bis 40 Vol-% aktivierte Kohle, 3 bis 15 Vol-% Kohlefaser. 7 bis 47 Vol-% organisches und/oder anorganisches Füllmaterial und IO bis 30 Vol-% Phenolharz.
2. Organisches Reibungsmatenal nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfaser eine Stahlfaser oder eine Edelstahlfaser ist.
3. Organisches Reibungsniaterial nach den Ansprüchen 1 bis 2. dadurch gekennzeichnet, daß die aktivierte Kohle eine spezifische Oberfläche von mehr als 200 m-'/g besitzt.
4. Organisches Reibungsmaterial nach den Ansprüchen I bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß die aktivierte Kohle eine spezifische Oberflüche von 500 bis 2000 nrVg und einen Teilchendurchmesser von 50 bis 1000 μηι besitzt.
5. Organisches Reibungsmatenal nach den Ansprüchen I bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlefaser eine durchschnittliche Länge von mehr als 0,1 mm und einen durchschnittlichen Durchmesser von 5 bis 50 μπι besitzt.