DE3406623A1

DE3406623A1 - Reibkoerper und verfahren zu dessen herstellung

Info

Publication number: DE3406623A1
Application number: DE3406623A
Authority: DE
Inventors: Melvyn Matchborough Redditch Worcestershire Ward
Original assignee: Lucas Industries Ltd
Current assignee: ZF International UK Ltd
Priority date: 1983-02-24
Filing date: 1984-02-23
Publication date: 1984-08-30
Also published as: JPS59197504A; GB8305189D0; US4576872A

Description

D-8000 MÜNCHEN 90 Lucas Industries Schweigerstrasse 2

23.02.1984 telefon: (089)6620ji

TELEGRAMM: PROTECTPATENT

TELEX: 5 24070

Reibkörper und Verfahren zu dessen Herstellung

Die Erfindung betrifft einen Reibkörper für eine Bremse, der bevorzugt hergestellt wird nach dem aus der GB-PS 2 106 823 bekannten Verfahren.

Nachteilig bei Reibkörpern für Bremsen ist es, daß sie die volle Bremskraft nicht erreichen, bis sie in einem ausreichenden Ausmaß abgearbeitet und damit vollständig "eingebettet" sind, d.h. sich die Reibfläche an die Form der Oberfläche des drehenden Bauteils angepaßt hat, gegen welches der Reibkörper beim Bremsen arbeitet. Dieses Problem ist besonders aktuell bei gesinterten Reibkörpern, die relativ hart sind und sich nicht schnell einbetten mit dem Ergebnis, daß die volle Bremskraft erst nach einer gewissen Betriebszeit erreicht wird.

Üblicherweise wird die im allgemeinen unregelmäßige und nicht ebene Fläche des Sinterkörpers plangeschliffen, um den anfänglichen Berührungsbereich mit der Gegenfläche zu vergrößern. Da jedoch die Oberfläche relativ hart und die spezifische Last niedrig ist, so wird bis zur Einbettung des Reibmaterials eine beträchtliche Fahrstrecke von, z.B. 300 km, benötigt. Sind die Reibkörper nicht abgeschliffen, führen OberflächenunregelmSßigkeiten und Unebenheit zu einer hohen spezifischen Belastung (Flächenpressung) in einer kleinen Berührungsfläche, wodurch es

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schleiß am Anfang kommen kann. Aufgrund dieses hohen anfänglichen und örtlich begrenzten Verschleißes kann ein schnelles Härten bei Betrieb schon bald die Verschleißgeschwindigkeit herabsetzen und die Einbettung kann, verglichen mit einer geschliffenen Oberfläche, verzögert werden. Untersuchungen haben gezeigt, daß dies insbesondere der Fall ist mit Reibkörpern, die widerstands-gesin tert. worden sind, da diese Art der Sinterung eine natürliche Innenkrümmung der Oberfläche ergibt. Darüber hinau weisen Fahrer von Motorrädern oft darauf hin, daß den Reibkörpern ein gewisses Gefühl fehlt im Vergleich mit üblichem harzgebundenem Reibmaterial.

Es wird angenommen, daß es theoretisch möglich sein wird die Einbettung zu verbessern, ohne schleifen zu müssen, indem man die dem Reibmaterial eigene Verschleißgeschwin digkeit erhöht, beispielsweise durch Verringerung dessen mechanischer Festigkeit. Eine merkliche Verbesserung der Einbettung macht jedoch die Anwendung unerwünscht dicker Körper notwendig, wenn die normale Lebensdauer dieser beibehalten werden soll.

Aus der japanischen Offenlegungsschrift 56-94037 ist die Oxidation von Körpern aus einer Legierung bekannt, die vorgenommen wird, um die anfängliche Schwierigkeit hinsichtlich des Erreichens der vollen Bremswirksamkeit zu tiberwinden. Muß eine Oxidschicht vorgesehen werden, so bedeutet dies eine weitere Verfahrensstufe mit dem Reibkörper aus einer (Kupfer-!Legierung, wobei auch nachteilig ist, daß sich ein dunkelroter Oxidüberzug bildet, dt nicht gut aussieht, sich schmutzig anfühlt bei der Handhabung und zur Ausbildung von Rost (Zunder) führt. In obiger japanischer Offenlegungsschrift ist auch erwähnt, daß diese Probleme vermieden werden können, indem ein Teil der Oxidschicht abgearbeitet wird, so daß in der

-I . lA-58

Oberfläche des Reibkörpers ein oxidraodifiziertes Metall vorliegt« t»azu ist aber eine weitere zusätzliche Verfahrensstufe erforderlich gleichbedeutend mit zusätzlichen Kosten.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Reibkörper und ein Verfahren zu dessen Herstellung derart weiterzubilden, daß der Reibkörper sich schneller einbettet als üblicherweise geschliffene Sinterkörper und jegliche Oberflächenbearbeitung nach dem Sintern vermieden wird.

Der erfindungsgemäße Reibkörper besteht aus einem gesinterten metallischen Reibmaterial-Substrat und einer metallischen Reibmaterial-Auflage, welche

a) die Reibfläche des Körpers ergibt,

b) geringere Verschleißbeständigkeit als das Substrat und

c) Reibeigenschaften hat, die nicht wesentlich schlechter sind als die des Substrats, wobei die Reibauflage nicht gesintert oder nur teilweise gesintert ist und sich im wesentlichen über die gesamte Reibfläche erstreckt.

Die mechanische Festigkeit des sinterbaren Reibmaterials wird direkt beeinflußt durch das Ausmaß des Sinterns dieses Materials; infolgedessen bettet sich das mechanisch weichere Reibmaterial im Betrieb schneller ein.

Reibmaterialien dieser Art, wie sie bei dem erfindungsgemäßen Reibkörper angewandt werden, umfassen

lA-58 07f

1. ein sinterfähiges Metall, wie Kupfer in Pulverform, gegebenenfalls enthaltend ein oder mehrere Legierungselement (e)_f wie Zinn, und

2. Reib-Modifikatoren, wie Schleifmittel, z.B. Tonerde und Glimmer, in Pulverform und Schmiermittel, wie grober und feiner Graphit.

Um die Herstellungskosten der Auflage zu senken, wird diese gebildet, wenn das Substrat gesintert wird. Die Auflage kann ein ungesinterter oder teilweise gesinterte: Teil des gleichen Materials sein, aus dem das gesinterte Substrat besteht.

Die Auflage kann aber auch eine ungesinterte oder teilweise gesinterte Schicht aus einem unterschiedlichen Material sein, welches nicht oder nur viel schwerer als da Material des Substrats unter den herrschenden Sinterbedingungen zu sintern vermag, so daß während des Sinterns des Substrats das die Auflage bildende Material ungesintert oder nur teilweise gesintert verbleibt.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Auflage aus im wesentlichen den gleichen Bestandteilen herzustellen, aus denen das Substrat besteht, jedoch mit zumindest einem der Bestandteile in anderer physikalischer Form, υ damit das Material für die Auflage widerstandsfähiger ge genüber dem Sintern zu machen im Vergleich mit dem Material des Substrats unter den vorgesehenen Sinterbedingur gen. So kann der oder die Reibmodifikator(en) eine gerir gere Korngröße besitzen als das Material des Substrats. Die Auflage soll eine Stärke bis etwa 2 mm, vorzugsweise 0,5 bis 2 mm, haben. Das Substrat kann aus mehreren Sinterschichten aufgebaut sein, wenn dies wünschenswert erscheint.

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Die erfindungsgemäßen Reibkörper werden dadurch hergestellt, daß ein Pulver des metallischen Reibmaterials geformt und der Formling auf Sintertemperatur erhitzt wird, so daß sich ein Reibkörper bildet aus einem gesinterten Substrat eines metallischen Reibmaterials und einer Auflage aus ungesintertem oder nur teilweise gesintertem Reibmaterial, welche die Reibfläche des Reibkörpers ergibt, einen geringeren Verschleißwiderstand als das Substrat aufweist und Reibeigenschaften hat, die nicht wesentlich schlechter sind als die des Substrat.

Für das Formen und Erhitzen kann zumindest eine Schicht eines sinterbaren Pulvers aus metallischem Reibmaterial in eine Form gebracht und das Material in der Form unter Druck zu dem gesinterten Substrat und der Auflage gesintert werden.

Das Sintern erfolgt bevorzugt durch Widerstands-Sintern. Abhängig von dem ausgewählten Material findet das Widerstands-Sintern mit einer Metallelektrode in direktem Kontakt mit dem Material oder mit einer sogenannten "Unterelektrode" statt, die aus einem elektrisch leitenden Material mit geringerer Wärmeleitfähigkeit und elektrischer Leitfähigkeit als die Metallelektrode besteht. Die Unterelektrode ist üblicherweise aus Graphit.

Um die erforderliche Struktur in dem Reibkörper beim Widerstands-Sintern zu erreichen, können verschiedene Methoden angewandt werden, um zu gewährleisten, daß die Auflage nicht gesintert oder nur teilweise gesintert verbleibt:

1. Widerstands-Sintern mit einer Unterelektrode, wobei das Material der Auflage unsinterbar oder nur wenig sin-

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terbar ist unter den zum Sintern des Materials für das Substrat erforderlichen Sinterbedingungen.

2. Widerstands-Sintern ohne Unterelektrode, so daß die mit dem Material in der Form in Berührung stehende Metallelektrode zu einem Abschreckeffekt führt und damit ein Teil des Materials in Berührung mit der Elektrode in ungesintertem Zustand oder nur teilweise gesintertem Zustand verbleibt, während der Rest des Materials vollstän dig durchsintert.

3. Widerstands-Sintern ohne Unterelektrode mit einem Material für die Auflage derart, daß sie unter den zum Sintern des Substrats erforderlichen Sinterbedingungen nicht oder nur teilweise sintert.

Es ist aber auch möglich, die erfindungsgemäßen Reibkörper dadurch herzustellen, daß in einem Ofen eine Vorforn gesintert wird, welche ein Auflage-Material aufweist, welches unter den Sinterbedingungen für das Substrat nicht oder nur teilweise sinterfähig ist.

Erfindungsgemäß wird die dritte Methode bevorzugt.

Inwieweit ein vollständiges, teilweises oder gar kein Sintern stattgefunden hat, läßt sich üblicherweise unte: dem Mikroskop feststellen. In einem nicht gesinterten m tallischen Reibmaterial besteht zwischen den Metallteil chen keine oder nur minimale Berührung. Die Teilchen si weitgehend durch nichtmetallische Bestandteile (Reibmod fikatoren) voneinander getrennt. Enthält das Material L gierungskomponenten, so stellt man in dem ungesinterten Material nur eine minimale Legierungsbildung fest.

J k U b b Z J

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Bei dem teilweise gesinterten Material ist eine weitgehende Berührung der Teilchen untereinander und ein beträchtliches Ausmaß an Legierungsbildung - wenn eine Legierungskomponente vorliegt - zu beobachten. Auch werden, bereits zusammengesinterte Teilchen beobachtet.

Bei einem vollständig gesinterten Material sind die ursprünglichen Metallteilchen kaum noch unterscheidbar, die nichtmetallischen Bestandteile sind in einer metallischen Grundmasse dispergiert und im Falle der Anwesenheit eines Legierungselements hat Legierungsbildung in großem Umfang stattge funden.

Abgesehen von der mikroskopischen Untersuchung ist zur Feststellung des Sintergrades auch die Dichte des Materials heranzuziehen. Die Bestimmung der End-Dichte und Vergleich dieser mit der Anfangs-Dichte des Materials, um die Verdichtung als Prozent Δρ% beim Widerstands-Sintern auszudrücken, ergibt Anhaltspunkte über das Sinterausmaß, welches stattgefunden hat nach folgender Beziehung:

Verdichtung _Δρ% - P^E*^d ~ pAnfang _{m 1QQ}

ρAnfang

pEnd = Dichte des Materials nach Pressen und Erhitzen, DAnfang = Dichte des Materials nach dem Pressen, jedoch vor dem Erhitzen.

Die Erfindung wird an beiliegenden Figuren weiter erläutert. Es zeigt darin:
Fig.l einen Querschnitt durch eine Vorrichtung zur Herstellung der erfindungsgemäßen Reibkörper nach dem Widerstands-Sinterverfahren unter

Druck in einer Form,
Fig.2 eine Draufsicht auf den eine obere Elektrode bildenden Teil der Vorrichtung nach Fig.l,

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Fig.3 eine Draufsicht auf den eine untere Elektrode bildenden Teil der Vorrichtung nach Fig.l,

und 5 eine Draufsicht bzw. einen Schnitt einer anderen Ausführungsform der oberen Elektrode für die Vorrichtung nach Fig.l,

und 7 eine Draufsicht bzw. einen Schnitt einer weite ren Ausführungsform der unteren Elektrode für die Vorrichtung nach Fig.l,

Fig.8 ein Diagramm über die Versuchsergebnisse aus Beispiel 5,

bis 11 skizzenhafte Ansichten von ungesintertem, teil weise gesintertem und vollständig gesintertem metallischem Reibmaterial unter dem Mikroskop.

Die Vorrichtung nach den Fig.l bis 3 umfaßt eine Form U aus heißgepreßtem Siliciumnitrid oder vorzugsweise im Ofen gesintertem Keramikmaterial, enthaltend zumindest 90 % Siliciumaluminiumoxynitrid der allgemeinen Formel

Si. Al N₀ O 6-z ζ 8-z ζ

(z= 0 bis 5). Die Form 11 wird üblicherweise in Teillen hergestellt, die durch Kegelpassung in einem äußere Wassermantel 12 festgehalten werden. Sie begrenzt einen im allgemeinen rechteckigen Formhohlraum 13 entsprechenc der Form des herzustellenden Reibkörpers.

An einem Ende, welches in der Praxis die Form oben begrenzt, ist ein flacher und glatter überzug an der Form 11 vorgesehen, so daß die Rückenplatte 9 mit Übergröße den Formhohlraum 13 abzudichten vermag. Die Form 11 ist mit Hilfe von (nicht gezeigten) Federn oder Luftzylinde in Schwebe gehalten derart, daß, wenn eine Charge von

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Reibmaterial 14 im Formhohlraum 13 ist, eine Kraft auf die Ruckenplatte 9 einwirken kann durch die erste Elektrode 15 und die Rückenplatte, die gegen eine zweite Elektrode 16 im Formhohlraum zu preßt. Das Reibungsmaterialpulver 14 wird so gegen die Rückenplatte 9 gepreßt und bei Stromdurchgang zwischen den Elektroden 15, 16 zu dem angestrebten Reibkörper gesintert und der Reibkörper an die Rückenplatte.9 gebunden.

Die in den Fig.l und 2 gezeigte erste Elektrode 15 kann aus einer Kupfer-Wolfram-Legierung (MATTHEY 10W3) bestehen, welche einen Widerstand von 5 μΟίιπι.σιη hat. Ein Arbeitsteil 17 der Elektrode 15 hat eine freie Endfläche mit einer zentrischen kreisrunden Vertiefung 18 (Durchmesser 28 mm) mit einem festsitzenden Graphxtexnsatz 21 (FORDATH EC3), dessen Widerstand 1680 uOhm.cm beträgt. Die Elektrode 15 hat eine innere Ringnut 22, die teilweise begrenzt ist durch einen gering vertieften Teil um den Umfang der Vertiefung 18 und teilweise durch einen vertieften Teil um den Umfang des Einsatzes 21. Die Nut 22 hat eine Breite von 3 mm, eine Tiefe von 1 mm und einen inneren Durchmesser von 24 mm. Die freie Fläche des Arbeitsteils 17 hat auch eine äußere Ringnut 19 mit einer Breite von 3 mm, einer Tiefe von 0,5 mm und einem Innendurchmesser von 40 mm. Die Nuten 19 und 20 sind an über dem Durchmesser gegenüberliegenden Stellen mit der Längsachse der freien Fläche des Arbeitsteils 17 über ein Paar von Teilkreis-Schlitzen 27 mit 10 mm Durchmesser und 0,5 mm Tiefe verbunden.

Abgesehen von den Nuten 19 und 22 sowie den Schlitzen ist die freie Fläche des Arbeitsteils 17 plan und glatt bearbeitet. Der Einsatz 21 endet kurz vor der freien Fläche des Arbeitsteils 17 in einem Abstand von etwa 0,1 mm (nicht gezeigt).

- ή3> lÄ-58 O

Das Verhältnis des Widerstands des Einsatzes 21 zu dem Widerstand der entsprechenden Länge des restlichen Elektrodenteils war in der Größenordnung von 800:1.

Wie aus den Fig.l und 3 hervorgeht, umfaßt die zweite Elektrode 16 ein Arbeitsteil 23, das in der hier gezeigten Ausführungsform eine Kupfer-Wolfram-Legierung (Johnson Matthey 10W3) ist. Die freie Fläche, das ist die, welche dem Reibmaterial zugekehrt ist, des Arbeitsteils 23 ist plan und glatt mit Ausnahme einer zentrisch angeordneten kreisförmigen Vertiefung 24, die in der gezeigten Ausführungsform eine Tiefe von 3,5 mm und einen Durchmesser von 24 mm hat. Festsitzend in der Vertiefung 24 und diesen vollständig ausfüllend befindet sich ein Graphiteinsetz 25, welcher bei der gezeigten Ausführungs form aus dem gleichen Material wie der Einsatz 21 besteht. Bei dieser Ausgestaltung beträgt das Verhältnis des Widerstands des Einsatzes 25 zu dem Widerstand der gleichen Länge des restlichen Elektrodenteils 23 in der Größenordnung von 1000:1. Der Arbeitsteil 23 ist im allgemeinen ebenso rechteckig im Querschnitt wie der herzustellende Reibkörper und nach innen abgestuft um etwa 0,1 mm in geringem Abstand (hier 3 mm) von der freien Fläche, um ein Anschweißen der Elektrode 16 an der Form 11 zu vermeiden, wenn ein Ausflammen entsprechend dem üblichen Widerstands-Sinterverfahren nicht möglich ist.

Wie in Fig.l gezeigt, umfaßt die Vorrichtung eine Unterelektrode 26 innerhalb des Formhohlraums 13 auf der freien Fläche des zweiten Elektroden-Arbeitsteils 23, j< doch von diesem getrennt geformt. Die Unterelektrode 26 entspricht der Form des Formhohlraums und ist in der da] gestellten Ausgestaltung ein 4 mm dicker Block aus Graphit (Fordath EC3).

-γ-

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Der Widerstand der Unterelektrode 26 ist nicht kritisch. Von der Praxis her bevorzugt man Widerstandötoerte im Bereich von 5 bis 50 uOhm. Im folgenden werden die Widerstandswerte für zwei Graphite angegeben.

	Dicke mm	Widerstand μΟηπι
EC 3	4	36
	2,8	25
EC 6	4	23
	3	17

Die Unterelektrode kann innerhalb der zu sinternden Charge einen Temperaturgradienten hervorrufen, so daß die Temperatur an der Unterelektrode hoch ist und gegen die erste Elektrode zu abnimmt. Es wurde festgestellt, daß die auf diese Weise hervorgerufenen Unterschiede in dem Mikrogefüge die Reibeigenschaften des gesinterten Materials nicht nachteilig beeinflussen.

Die Erfindung wird an folgenden Beispielen weiter erläutert. Die Beispiele 1 bis 7 beziehen sich auf die Erfindung und sind mit dem Vergleichsbeispiel 1 zu vergleichen. Alle Untersuchungen wurden mit einem Skalendynamometer durchgeführt. Bei Vergleichsbeispiel 1 und Beispiele 1 bis 6 waren der Bereich der Reibfläche etwa 374 mm² und bei Beispiel 7 etwa 248 mm². Diese Bereiche sind sehr viel kleiner als die Gesamtgröße des Reibkörpers, dessen Fläche nach dem Beispiel 1840 mm² beträgt. Probleme mit dem Einbetten und dem Verschleiß werden im allgemeinen schwerer mit zunehmender Größe der Verschleiß-Fläche. Es kann daher angenommen werden, daß geringe Verbesserungen, die sich an Dynamometerproben zeigen, wesentlich signifikanter sind an Bauteilen der Originalgröße.

12/-

- 12/- /}&' 1A-58 O

Der Verschleiß von gesintertem Reibmaterial ist ein außerordentlich komplexes Phänomen und die tatsächliche Verschleißgeschwindigkeit variiert wahrscheinlich mit de] Art der Änderungen in der Oberfläche bei der Anwendung oder im Betrieb. Daher wurde das relative Einbett-Verhalten angegeben und nicht versucht, die Verschleißraten als solche zu bestimmen, und zwar maximaler Verschleiß in dei Materialstärke bei einem bestimmten Stand der Prüfung. Die Bestimmung des maximalen Verschleißes in dieser Weis« gibt einen besseren Anhaltspunkt, wie sich ein Reibkörpe: mit einer unregelmäßigen Fläche einbettet, als durch Bestimmung der Verschleißrate als solche. In dem relevante] Teil der Prüfung werden die Proben zuerst 100 (bedding) Stops bei konstanter Belastung unterworfen und anschließend unterschiedlichen Belastungen unterzogen. An diesen Stufen wurde der Verschleiß bestimmt. Die Reibungskoeffi zienten, die in den Beispielen angegeben sind, geben die stabile Höhe an, die man beim Einbetten erreicht, im all gemeinen nach 20 Stops.

Das Ausmaß des anfänglich schnellen Verschleißes ist u.a durch die Dicke der Auflage und einem Härten der Auflage durch die im Betrieb entwickelte Wärme begrenzt. In der Praxis wird die Stärke der Auflage im Hinblick auf die Anforderungen bei der bestimmten Anwendung ausgewählt. I den Beispielen waren die erreichten Auflagestärken im allgemeinen ausreichend, um sicherzustellen, daß geeigne tes Material während langer Prüfzeiten auf der Fläche ge halten wird. In den in den Beispielen angewandten Materialien war kein scharfer gleichmäßiger übergang zwische der Auflage und dem Substrat, sondern eher eine unregelmäßige Ubergangszone festzustellen. Durch Sicherstellunc daß die Auflage und das Substrat einen ähnlichen Reibungskoeffizienten besitzen, ergibt siqh keine unerwünschte Änderung in der Leistung für den Anwender, da

- ι/- Λ.

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der Verschleiß des Reibkörpers von der Auflage über die Ubergangszone bis zum Substrat fortschreitet«

Bei den Beispielen 8 bis 10 und den Vergleichsbeispielen 2 und 3 wurde der maximale Verschleiß nach einer kurzen Prüfung in einem Motorrad an einem Reibkörper der Originalgröße ermittelt.

WShrend dieser Prüfung im Motorrad wurden 10 Bremsungen bei rund 110 bis 50 km (70 bis 30 mph) durchgeführt.

In den folgenden Beispielen wurden pulverförmige metallische Reibmaterialien folgender Zusammensetzung angewandt:

	MB14	MB42	Vol.-'	i	1)	I	1)	Cu	MB34	m.tiefem Fp -	48,9	h	D	ϊ	D
	Gew.-%	Gew.-%	48,9					Sn	Gew.-% ^	MB15	7,8				3)
Cu	70,0	69,0	7,8				4)	Pb	69,0	Gew.-% T	1,6		4)
Sn	9,1	9,0	1,6				C	9,0	69,0	23,1
Pb	3,0	8,7	23,1			SiO₂	2,9	9,0	2,4
C	8,5	1,0	2,4			Al₂O₃	8,4	2,9	16,2
SiO₂	1,0	10,0	16,2		1,0	8,4	58,3
Si₃N₄	8,3	Gesamtmetall	- 58,3	9,7	1,0 9,7	9,4
Gesamtmetall	Metall m.tiefem Fp	- 9,4	Gesamtmetall	Gesamtmetall -
Metall m.tiefem Fp			Metall	Metall :
	Vol. H		m.tiefem Fp -	48,9
	49,1			7,8
Cu	7,8	Cu		1,6
Sn	24,0	Sn	23,1
C	2,4	Pb	2,4 16,2
SiO₂	16,7	C	58,3
Al₂O₃	- 56,9	SiO2 Al₂O₃	9,4
- 7,8

	-	14.	D	1)	*<- /IV·*	MB48	m.tiefem	m. tiefem	m.tiefem	1A-58 07*
MB52						Gew.-%	MB35	MB53
Gew.-%	Vol.-%			4)		43,2	Gew.-%	Gew.-%	VoI.-
Cu 78,1	56,7				Cu	33,9	36,6	71,0	30,(
Pb 2,8	1,6				Fe	2,9	3,0	4,0	26/
C 8,2	23,1	1)		Pb	8,6	22,6	5,0	l,i
Al₉O. 10,9	18,6	3)	%	C	11,4	16,0	7,0	23,
				Al₂O₃	Gesamtmetall	4,6	5,0	18,
Gesamtmetall	- 58,3				Metall	17,1	8,0	- 58,
Metall m.tiefem Fp	- 1,6					Gesamtmetall	Fp-I,
MBl2(a)				Gesamtmetall	Metall
Gew.-%	Vol.-%	I	Cu	Metall	Vol.
Cu 44,0	26.0		Cr		20,
Sn 2,1	1,5		Fe		2,
Ni 25,6	15,4		C	Cu	14,
TiO₂ 1,0	1,3		Mica	Sn	23,
C 15,0	34,8	Al₂O₃	Fe	8,
SiO₂ 1,1	2,2		C	22,
Si,N. 11,0	18,4	Mica
Gesamtmetall	- 51,2	Al₂O₃	- 36,
Metall m.tiefem Fp	- 1,5	Fp-O
MB41
Gew.-%	Vol.-'	Vol.
Cu 59,2	40,1	49,
Sn 6,0	5,0	3,
Fe 13,0	10,0	4
C 7,6	19,9	18
Mica 4,7	10,1	11
Al„O_ 9,4	14,9	13
Gesamtmetall	- 55,1	- 56
Metall m.tiefem Fp	- 5,0	Fp - 3

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	MB58	Vol.-i	h	2)
	Gew.-%	49,1
Cu	69,0	7,8		4)
Sn	9,0	24,0
C	8,7	2,4
SiO₂	1,0	16,7
Al₂O₃	10,0	- 56,9
Gesamtmetall

Metall mit tiefem Fp - 7,8

1) = grob, 500 um, synthetisch - "Lonza KS 150/600"

2) = fein, natürlich - "Woodstock AF 95/97"

3) = grob, gebrannt

4) = fein,"reaktiv

5) = Stahlfasern

Vergleichsbeispiel 1

Eine Rückenplatte 9 aus Weichstahl mit einer Stärke von 4,5 mm wurde zuerst entfettet und dann trocken abgestrahlt, anschließend durch Eintauchen in Wasser abgewaschen und schließlich mit einer 5%igen Salzsäure 1 bis 2 Minuten gereinigt und dann noch einmal in Wasser getaucht. Auf der Platte wurde elektrochemisch Nickel bei 85⁰C in 2 bis 3 Minuten aus einem entsprechenden Elektrolyt (IMASA 4181) abgeschieden. Anschließend wurde die Platte etwa 1 Minute mit Wasser abgewaschen und getrocknet. Wenn nötig, wurde die Platte vor der weiteren Behandlung gelagert, und zwar in einem geschlossenen Raum enthaltend ein Trocknungsmittel.

5 g des Materials MB 12a wurden am Boden des Formhohlraums 13 mit einer Querschnittsfläche von 1840 mm² ober-

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halb der ünterelektrode 26 gleichmäßig verteilt. Dann wurde der Forrahohlraum mit dem Material MBl4 gefüllt. Der Formhohlraum wurde nun mit der nickelbeschichteten Rückenplatte abgedeckt und die erste Elektrode 15 gegen die Rückenplatte mit einem Druck von 5520 kPa gepreßt, so daß es zu einer Verdichtung des Reibmaterials zwischen Rückenplatte 9, Elektrode 16 und Unterelektrode 26 kam. Gleichzeitig wurde ein Strom in der Stromstärke von 27.10 A aus einem Dreiphasengleichstrom von 300 kVA zum Sintern des Reibmaterials durchgeleitet. Strom und Druck wurden 8,8 s aufrechterhalten; während dieser Zeit stieg die Stromstärke auf einen Maximalwert von 34.10 A. Dann wurde der Strom unterbrochen und unter Druck die Anordnung abgekühlt. Der erhaltene Reibkörper war an die Platte 9 gebunden, hatte eine Stärke von 5,2 mm und eine Gesamtdichte von 4,9 g/cm³.

Der erhaltene Reibkörper hatte in der Reibfläche ein Material, welches aus dem Pulver am Boden des Formhohlraum! stammte. Das Material der Auflage anliegend an dem Substrat hatte unterschiedliche Zusammensetzung.

Die Ergebnisse sind in der Tabelle 1 zusammengefaßt.

Beispiel 1

Es wurde eine Vorrichtung entsprechend Fig.l bis 3, jedoch ohne Unterelektrode 26, angewandt. An deren Stelle war das Arbeitsteil 23 der zweiten Elektrode 16 mit feinem Graphitpulver bestreut, um ein Ankleben des Material zu verhindern. Der Formhohlraum 13 wurde nun eingestrichen in einer Tiefe von 4 mm mit dem Material MB41 und dann aufgefüllt auf 13 mm mit dem Material MB52, welches das Substrat ergeben sollte.

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Das Sintern der beiden Materialien erfolgt in insgesamt 7 s. In diesem Fall wurde jedoch zuerst ein Preßdruck von 5520 kPa Während 5 s und dann während der restlichen 2 s des Sinterns von 15180 kPa zur Einwirkung gebracht. Während des Sinterns floß ein Strom mit einer Stärke von 30.10³ bis 39.10³A.

Das Substrat war auf der rechteckigen Weichstahl-Rückplatte entsprechend Vergleichsbeispiel 1 gebunden und hatte folgende Dimension: 64.44.2,5 mm.

Die Ergebnisse sind in der Tabelle 1 zusammengefaßt.

Beispiel 2

Das Beispiel 1 wurde dahingehend abgewandelt, daß für das Substrat das Material MB34 angewandt wurde.

Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 zusammengefaßt.

Beispiel 3

Das Beispiel 1 wurde dahingehend abgewandelt, daß als Substrat das Material MB34 und als Auflage das Material MB53 verwendet wurde.

Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 zusammengefaßt.

In den Beispielen 1 bis 3 war das Substrat einwandfrei gesintert; ohne Unterelektrode 26 wurde jedoch festgestellt, daß die mit der zweiten Elektrode 16 in Berührung stehende Fläche des Reibkörpers im wesentlichen ungesintert geblieben war. Dies wurde erreicht durch den Kühleffekt der Elektrode, die kurzen Sinterzeiten und die Zusammensetzung des Materials der Auflage. Dieser Effekt

1A-58 O

ist besonders ausgeprägt bei dem Material MB53. Die meisten Materialien für die Auflage sind so zusammengesetzt um ein schnelles anfängliches Einbetten des Reibkörpers bei Betrieb zu erreichen, während die Reibeigenschaften ähnlich denen des Substrats sind, und gleichzeitig die zweite Elektrode l6 von einer Beschädigung durch Verlöte mit dem Werkstück geschützt ist. Während bei diesem Beispiel der Arbeitsteil mit feinem Graphit bestreut war, u ein Ankleben zu verhindern, wurde festgestellt, daß ein Hartlöten des Materials auf die zweite Elektrode ohne Be deutung war, wenn eine feste und im wesentlichen oxidische Schicht sich auf dem Arbeitsteil der Elektrode gebildet hat.

Beispiel 4

Es wurde die Vorrichtung nach Fig.l bis 3 angewandt, jedoch in diesem Fall Elektroden 115 und 116 entsprechend den Fig.4 und 5 bzw. 6 und 7 angewandt.

Nach Fig.4 und 5 hat die erste Elektrode 115 einen Arbeitsteil 117, dessen Umfang 118 so zurückgesetzt ist, daß ein Steg 119 gebildet wird, der eine Außenkante eng entsprechend der des Formhohlraums 13 hat, um auf diese Weise unterschiedliche Wärmeverluste an die Rückenplatte 9 gering zu halten, welche zugegebenermaßen unterschiedliche Formen besitzen kann, abhängig von der gesamten Bremse, in welche sie eingebaut werden soll. Bei dieser Ausführungsform überlappt der Steg 119 den Formhohlraum um 3 mm. Die Außenkante des Formhohlraums ist in Fig.4 als unterbrochene Linie 13 gezeigt. Der Steg 119 hat eir Breite von 5 mm und eine Höhe von 0,5 mm. Der innere Umfang des Stegs 119 wird begrenzt durch eine äußere Nut 120 mit einer Breite von 3 mm und einer Tiefe von 0,5 mn Die Nut 120 ist so eingearbeitet, daß sie parallel mit

- Αλ<

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dem Steg 119 ist. Die freie Fläche des Teils 117 weist zentrisch eine Ausnehmung 121 mit einem Durchmesser von 29 mm und einer Tiefe von 2,8 mm auf. Wie aus Fig.4 hervorgeht, geht die zentrische Vertiefung 121 an zwei beidseitig parallelen Seitenkanten Letzterer in die Außennut 120 über. In der zentrischen Vertiefung 121 ist eine Scheibe 122 aus Siliciumnitrid mit einem Durchmesser von 29 mm und einer Stärke von 2,8 mm eingesetzt, mit Ausnahme des Umfangs, wo sie so vertieft ist, daß eine innere Ringnut 123 zwischen ihr und der Wand der Vertiefung 121 entsteht, welche einen Außendurchmesser von 29 mm, einen Innendurchmesser von 23 mm und eine Tiefe von 0,5 mm besitzt. Eine solche Konstruktion begrenzt zwei innere Stege 124 an den gegenüberliegenden Seiten der Scheibe 122, angeordnet zwischen zueinandergekehrten Teilen der Nuten 120 und 123. Die Flächen der Stege 119 und 124 sind glatt und plan bearbeitet.

Aus Fig.6 und 7 geht hervor, daß die zweite Elektrode 116 plan ohne Vertiefung ist und ein Teil 125 aus einer 90 % Wolfram neben Eisen, Nickel und Molybdän enthaltender Legierung (Johnson Matthey M4000) vorgesehen ist, welche einen Widerstand von 13 uOhm.cm besitzt. Der Rest des Teils 125a der zweiten Elektrode besteht aus einer Kupfer/Wolfram-Legierung (Johnson Matthey 10W3) mit einem Widerstand von 5 μΟΙιΐη.αη.

Bei dieser Ausführungsform wird die zweite Elektrode 116 ohne einer Unterelektrode 26 angewandt. Die Anordnung der ersten Elektrode 115 ist derart, daß die beiden inneren Stege 124 dem gewünschten Strompfad durch das zu sinternde Material entsprechen sollen.

Der Formhohlraum dieser Vorrichtung wurde nun eingestrichen in einer Höhe von 3 mm mit einem Material MB53 und

O 1UOÜ £.

iA-58 ο

dann aufgefüllt auf 13 nun mit einem Material MB34, welches als Substratmaterial diente.

Der Sintervorgang benötigte insgesamt 8,5 s. In der ersten Stufe war der Druck 5520 kPa während 6,5 s und in der zweiten Stufe 11040 kPa während der restlichen 2 s. Während des Sinterns betrug die Stromstärke 32.10 bis 45.10³A.

Der erhaltene Reibkörper hatte eine Auflage obiger Zusan mensetzung, die in einer Stärke von 3 mm in dem Formhoh] raum gefüllt und nicht gesintert war.

Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 zusammengefaßt·

Beispiel 5

Beispiel 4 wurde dahingehend abgewandelt, daß kein anderes Material für die Auflage angewandt wurde, sondern diesmal 44,5 g des Materials MB48. Das Sintern geschah : einer ersten Stufe während 7,5 s unter einem Druck von 5520 kPa und einer zweiten Stufe von 1,5 s unter 13800 kPa, also insgesamt 9 s bei einer Stromstärke von 30.10 bis 38.10 A. Das Material war vollständig durchgt sintert, außer einer dünnen nicht oder teilweise gesinterten Auflage mit einer Stärke von etwa 0,5 mm an der Fläche des Reibkörpers, der der zweiten Elektrode 116 zi gekehrt war.

Der Verschleiß in Dickenrichtung ergab sich bei den Untersuchungen mit 0,26 mm bei einem typischen Reibungsko effizienten von 0,35 während des Einbettens. Der Gesamt verschleiß erwies sich als vorteilhaft im Hinblick auf die scheinbare Stärke der ungesinterten Auflage, wie si aus Härtemessungen ergab. Dazu wurde die Oberflächenhär

- 2)/- ÜV. lA-58

nach Rockwell H ermittelt nach sorgfältigem Abschleifen von bestimmten Bruchteilen der Dicke des Reibkörpers. Die nicht gesinterte Fläche ist charakterisiert durch eine nicht feststellbar geringe Härte und die Ubergangszone durch allmählich steigende Härte. Die Ergebnisse sind in dem Diagramm der Fig.8 zusammengefaßt; siehe auch Tabelle 1.

Beispiel 6

Beispiel 5 wurde dahingehend abgewandelt, daß 45,8 g der Masse MB52 in einer ersten Stufe während 8,5 s unter einem Druck von 6900 kPa und einer zweiten Stufe von 2 s unter einem Druck von 16560 kPa, also insgesamt 10,5 s

3 3 bei einer Stromstärke von 38.10 bis 45.10 A gesintert wurden. Die der zweiten Elektrode 116 zugekehrte Fläche hatte eine dünne ungesinterte oder teilweise gesinterte Auflage mit einer Stärke von weniger als 0,5 mm.

Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 zusammengefaßt.

Aufgrund der im allgemeinen geringen Härte war es nicht möglich, die Dicke der Auflage wie im Beispiel 5 festzustellen, jedoch scheint der Gesamtverschleiß den dünneren Regionen der Auflage zu entsprechen. Eine nennenswerte Änderung des Reibungskoeffizienten bei fortschreitendem Prüfbetrieb wurde nicht festgestellt, gleichbedeutend damit, daß die Reibungseigenschaften des ungesinterten und gesinterten Material ähnlich waren.

Bei den obigen Beispielen war der Reibkörper gleichzeitig geformt und an die Platte 9 fixiert worden. Es ist jedoch auch möglich, den Reibkörper zu sintern und ihn in einer

2 j£ lA-58 O¹

getrennten Verfahrensstufe auf der Platte 9 zu befestigen.

Man kann natürlich auch nach der Erfindung den Reibkörpe in einem Ofen sintern.

Beispiel 7

In einer zylindrischen Form wurden Preßlinge mit 17,8 min Durchmesser, Höhe etwa 5 mm und einer Preßkraft von 0,12 MN hergestellt und in dem als Standardversuch bezeichneten Versuch 6 g des Materials MB34 angewandt. Bei einem anderen Versuch wurden 5,5 g MB34 für das Substrat und 0,5 g Material 41 gleichmäßig verteilt auf dem Preßling als Auflage eingesetzt.

Die Prüfkörper wurden in eine Kammer aus kupferplattiertem Weichstahlblech von etwa 2,5 mm Stärke eingesetzt. Bei dem zweiten Versuch wurde das Substrat gegen die Kar itier angeordnet, so daß die 0,5 g des anderen Materials eine dünne Auflage mit freier Fläche bildeten.

Die Preßlinge wurden auf konstanten Todgewicht-Druck voi 0,15 MPa gebracht und in einem Ofen 1 Stunde bei 750⁰C : einer Atmosphäre aus 90% Stickstoff und 10% Wasserstoff gesintert.

Die Sinterkörper hatten eine relative Dichte von 81% un< waren an der Kammer ausreichend gebunden. Metallographi sehe Untersuchungen zeigten, daß das Substrat-Material wesentlichen gesintert und das Auflage-Material nur tei weise gesintert war. In dem Substrat hatte sich das Zin vollständig in Kupfer gelöst.

lA-58 Beispiel 8

In der Vorrichtung nach Fig.l bis 3 ohne Unterelektrode 26, jedoch mit einer ersten Elektrode 115 entsprechend Fig.4 und 5 wurden 15 g des Materials MB53 direkt auf die zweite Elektrode 16 im Formhohlraum eingebracht und die-, ser dann mit 40 g des Materials MB42 aufgefüllt. Nun würde die Rückenplatte 9 auf den Formhohlraum gelegt und über die erste Elektrode ein Druck von 8,19 MPa zur Einwirkung gebracht. Widerstandssintern erfolgte in 8,6 s bei folgendem Programm:

1. Aufheizen in 1,8 s mit Stromstärke bis 26.10 A.

2. In der Form abkühlen in 0,2 s.

3. Aufheizen in 4,5 s bei Stromstärke bis zu 46.10 A.

4. Abkühlen in der Form in 0,2 s.

5. Aufheizen in 1,9 s bei einer Stromstärke bis zu 49.10³A.

Während dieses Prozesses sank der Widerstand des Körpers von etwa 1,7.10" auf 12.10~ Ohm. Die relative Dichte des fertigen Körpers betrug 82,4 % und die Dicke des gesinterten Materials 5,9 mm. Die metallographischen Untersuchungen zeigten, daß die Auflage in einer Stärke von etwa 2 mm im wesentlichen nicht gesintert war. Die Zusammensetzung des Materials in Verbindung mit dem Abschreckeffekt der unteren Elektrode führte zu dem so geringen Ausmaß der Sinterung im Bereich der Auflage.

Beispiel 9

In der Vorrichtung entsprechend Beispiel 8 wurde in den Formhohlraum zuerst 17 g des Materials MB58 für die Auflage und dann 34 g des Materials MB42 eingebracht.

lA-58 O

Sinterbedingungen:
Druck 8,19 MPa
Zeit 8,1 s

1. Aufheizen 1,8 s bis auf eine Stromstärke von 25.10 A. 3. Aufheizen in 4 s bis auf eine Stromstärke von 43*10 A

Sinterprogramm:

1. Aufheizen 1,1

2. Abkühlen in der Form in 0,2 s.

3. Aufheizen in 4 s bis auf eine !

4. Abkühlen in der Form in 0,2 s.

5. Aufheizen in 1,9 s bei Stromstärke bis zu 48.10 A.

_3
Anfangs-Widerstand 1,13.10 Ohm

End-Widerstand 14.10~ Ohm.

Die relative Dichte des Reibmaterials betrug 79,1 % und die Dicke 5,58 mm.

Die metallographische Untersuchung zeigte, daß die AufIc ge von 1 bis 2 mm Stärke im wesentlichen nicht gesinteri war in Bereichen, die der zweiten Elektrode anlagen. Dai Sinterausmaß stieg undeutlich bis zu einer Grenzfläche zwischen Auflage und Substrat an.

Vergleichsbeispiel 2

Entsprechend GB-PS 2 106 823 wurde ein Reibkörper herge stellt und dessen Verhalten ohne. Einbettschicht und ohn Abschleifen der Oberfläche bestimmt. Die Leistungsfähig keit entspricht der, die von den Substraten aus Vergleichsbeispiel 3 und aus den Beispielen 8, 9 und 10 zu erwarten war.

In der Vorrichtung entsprechend Beispiel 8, jedoch mit Unterelektrode 26 aus Graphit (Fojrdath EC6) mit einer Dicke von 4 mm und einem Widerstand von 23.10 Ohm, wu

lA-58

de der Formhohlraum mit 57 g Material MB4 2 auf der Unterelektröde 26 gefüllt. Es wurde kein spezielles Material für die Auflage angewandt.

Sinterbedingungen:
Druck 6,83 MPa
Zeit 9 s

Stromanstieg auf 28.10 A nach 2 s, dann Erhöhen auf maximal 34.10 A in 6,8 s
Anfangs-Widerstand 1,45.10 Ohm
End-Widerstand 28.10 Ohm
relative Dichte 86,3 %
Stärke 5,7 mm

Die metallographische Prüfung ergab, daß eine weitgehende Sinterung stattgefunden hat, wobei die Korngrenzen der einzelnen Teilchen nicht mehr vorhanden oder nicht mehr auflösbar waren.

Vergleichsbeispiel 3

Entsprechend Vergleichsbeispiel 2 wurden in den Formhohlraum 4 g Material MB35 für die Auflage und dann 50 g Material MB42 gefüllt.

Sinterbedingungen:

Druck 6,8 MPa

Zeit 8,6 s

Stromanstieg nach 2 s auf 25.10 A und weitere Steigerung in 6,5 s auf maximal 34.10 A.

3
Anfangs-Widerstand 2,09.10 Ohm.

End-Widerstand 30.10*" Ohm.

Der erhaltene Körper hatte eine relative Dichte von 83 % und eine Stärke von 5,76 mm.

lA-58 O'

Metallographische Untersuchungen zeigten eine weitgehende Sinterung trotz des relativ geringen Metallgehalts. Der hohe Anteil an VJiderstandsmaterial (Graphit und Eisen) führten möglicherweise zu einer hohen örtlichen Temperatur in dem Auflagematerial, was zu einer weitgehenden Verdichtung ( Δρ ) und damit die Berührung von Metallteilchen ermöglichte. Die Auflage hatte eine Stärke von etwa 0,5 mm.

Beispiel 10

Entsprechend Vergleichsbeispiel 2 wurde der Formhohlraum mit 8 g Material MB53 für die Auflage und dann 48 g Material MB42 für das Substrat gefüllt.

Sinterbedingungen:

Druck 6,83 mPa

Zeit 8,6 s

Stromanstieg in 2 s bis 26.10 A und weiter in 6,5 s bis maximal 32.10 A.

Anfangs-Widerstand 1,9.1θ" Ohm

End-Widerstand 30.10~⁶ Ohm.

Der Körper hatte eine relative Dichte von 84 % und eine Stärke von 5,8 mm.

Metallographische Untersuchungen zeigten, daß die Auflag« eine Stärke von etwa 0,5 mm hatte und teilweise gesinterist ähnlich Beispiel 8. Dies ist dem extrem stabilen Heizeffekt des Substrats durch lokalisiertes Aufheizen ii der Auflage zuzuschreiben. Trotz dieses Unterschieds kan: aus Tabelle 1 entnommen werden, daß die Reibeigenschafte: der Reibkörper aus den Beispielen 8 und 10 gleich waren.

- 27/- 30' lA-58

Tabelle 1

Vergleich Beispiel	Δρ% Substrat	Auflage	Verschleiß μΐη Substrat Auflage	0,17	Reibung Substrat	μ max Auflage
Cl	51	107	0,1	0,67	0,48	0,40
1	71	26	0,12	0,27	0,5	0,40
2	61	22	0,08	0,52	0,48	0,41
3	61	44	0,21	0,40	0,48	0,45
4	58	29	0,21	0,26	0,48	0,45
5	39	35	< 0,26	0,16	0,35	0,35
6	35	15	< 0,16	0,11	0,50	0,50
7	-	-	0,08	0,088	0,45	0,6
8	51	10	*0,033	0,058	0,5	0,6
9	30	18	*0,033	0,033	0,5	0,55
C2	54	54	0,033	0,035	0,5	-
C3	47	48	*0,033	0,055	0,5	0,48
10	53	50	*0,033	0,5	0,6

Bei Vergleichsbeispiel 1 und den Beispielen 1 bis 4 wurde, der Verschleiß des Substrats durch Abschleifen der Auflage ermittelt.

* Verschleiß des Substrats an nicht abgeschliffener Probe C2.

Bei den Beispielen 8 bis 10 und Vergleichsbeispielen 2 und 3 ist auf folgendes hinzuweisen:

Beispiel 8: >50 % der Fläche des Körpers waren durch Berührung mit der Bremsscheibe gehärtet, etwa 10 % standen nicht in Berührung mit der Scheibe und der Rest wurde nach Berührung abgefangen. Der Reibkörper zeigte subjektiv für den Fahrer vom ersten Stop an ein gutes "Gefühl".

- 2ψ - 4"' lA-58 O'

Beispiel 9: Etwa 40 % der Fläche des Körpers waren in Berührung mit der Scheibe gehärtet. Der Körper zeigte subjektiv für den Fahrer vom ersten Stop an ein gutes Gefühl.

Vergleichsbeispiel 2 - Nicht mehr als 20 % der Fläche be rührten die Scheibe. Nach Ansicht des Fahrers hatte der Reibkörper ein hartes Gefühl und verhielt sich nur mäßig bei anfänglichen Stops.

Vergleichsbeispiel 3 - Etwa 15 % der Fläche des Reibkörpers berührten die Scheibe. Nach Ansicht des Fahrers hat te der Reibkörper ganz allgemein ein sehr mäßiges Gefül.

Beispiel 10 - 25 bis 30 % der Fläche des Reibkörpers berührten die Scheibe. Nach Ansicht des Fahrers zeigte der Reibkörper ein insgesamt gutes Gefühl.

In obigen Beispielen waren die Verdichtung in % ( Δρ ) entsprechend der oben angegebenen Weise berechnet worder

Die Anfangsdichte (p«) des zum Widerstandssintern vorgesehenen Materials ist dessen Dichte unter dem Druck, dei zu Beginn des Sinterns herrscht. Im allgemeinen ist es jedoch nicht möglich, auf übliche Weise eine solche Diel te zu bestimmen, weil diese Anfangsdichte zu gering ist und das Material eine sehr geringe Grünfestigkeit besitzt. Demzufolge wurde die Anfangsdichte bei dem entsprechenden Druck aus der Kompressibilitätskurve für dai Material ermittelt, worin die Dichte gegen den angelegt« Druck in einem Diagramm eingetragen ist. Bei der Erstellung der Kompressibilitätskurve für ein feinteiliges Material werden 10 g in eine Siliciumnitrid-Form mit krei rundem Querschnitt (25 mm Durchmesser) auf einen untere: Stempel gefüllt, die Form mit einem oberen Stempel ge-

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schlossen und stufenweise Druck erhöht und die auf der Zelle lastende Kraft ermittelt. Der Druck wird stufenweise gesteigert und bei jeder Stufe wird die Strecke, über die sich der Stempel bewegt hat, über die Verschiebung des Transduktors festgestellt. Die so erhaltenen Werte dienen zur Erstellung der Kompressibilitätskurve für dieses Material. Wenn zwei unterschiedliche Materialien widerstandsgesintert werden, ist durch axiale Einwirkung der Kraft auf beide Materialien die Anfangsdichte von jedem Material möglicherweise unterschiedlich gegenüber den entsprechenden Kompressibilitätskurven.

Die Enddichte für Substrat und Auflage errechnet sich durch Auswiegen einer Probe des Sinterkörpers aus Substrat und Auflage. Die Probe wird dann in eine l%ige benzolische Lösung eines hydrophoben Silicons getaucht und damit vollgesogen. Nach Verdampfen des Lösungsmittels bleibt eine dünne Schicht des hydrophoben Materials auf der Probe, um eine Absorption von Wasser zu verhindern. Die Probe wird in Wasser gewogen, um das Gesamtvolumen zu ermitteln. Die weichere Auflage wird dann durch Abstrahlen entfernt, die Probe neuerlich gewogen und ergibt so das Gewicht des Substrats. Nach neuerlichem Einsaugen der Lösung des hydrophoben Silicons wurde die Substratprobe wieder in Wasser gewogen und deren Volumen bestimmt. Daraus läßt sich die Enddichte des Substrats und die Enddichte der Auflage berechnen.

Die anhaftende Menge an hydrophobem Silicon ist so gering, daß sie bei diesen Berechnungen außer Betracht gelassen werden kann.

Wahrend ein Vergleich der Dichte und der Verdichtungswerte für Substrat und Auflage einen Hinweis ergibt, ob oder

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ob nicht eine vollständige Sinterung der Auflage stattge· funden hat, läßt sich das Ausmaß der Sinterung qualitati/ durch Untersuchung der Probe unter einem Mikroskop abschätzen. In Fig.9 ist eine ungesinterte Probe gezeigt
mit einzelnen Metallteilchen 200, z.B. Kupfer, wobei minimale Legierungsbildung stattgefunden hat, wenn ein Legierungselement anwesend war. Zwischen den Teilchen 200 ist kein oder nur ein minimaler Kontakt zu sehen. Nichtmetallische Bestandteile trennen die Metallteilchen 200, Dies sind Schleifkorn 210, wie Tonerde, grober Graphit
220, feinflockiger oder blättriger Glimmer oder feiner
Graphit 230. In Fig.10 ist die Probe nun teilweise gesintert, die Metallteilchen 200 sind in einem größeren
Ausmaß miteinander verbunden bei 201 und es tritt bereit eine gewisse Sinterung 202 ein. Sind Legierungselemente vorhanden, so kommt es bereits zu einer nennenswerten
Legierungsbildung. In Fig.11 ist nun ein vollständig
gesintertes Gefüge gezeigt; die ursprünglichen Metallteilchen sind nicht mehr erkennbar und eine metallische Grundmasse 240 hat sich gebildet (Legierungsbildung ist nicht gezeigt).

Die metallische Grundmasse bindet die Teilchen 210, 220 und 230 zu einem zusammenhängenden Körper und liefert da mit die Basis für die Reibung (adhesive). Schmiermittel und Schleifmittel beeinflussen das Reibverhalten im Hinblick auf die Arbeitsbedingungen wie Geschwindigkeit und Temperatur. Sie unterstützen auch die Aufrechterhaltung des angestrebten Oberflächenverschleißes und die Oberfle chen-Morphologie der Reibscheibe. Zusätzlich zu dem Reit verhalten haben die verschiedenen Bestandteile, noch eine Einfluß auf das Verhalten beim Sintern. Die Mengen an Me tallen und Nichtmetallen und deren Morphologie bestimmer ob die Metallteilchen zu einer Grundmasse zusammensintei während des üblichen Sintervorgangs in einem Ofen.

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Es ist nicht möglich, daß das Auflage-Material wenig sintert» ohne das Herstellungsverfahren und die erforderliche Reibleistung zu berücksichtigen. Es gibt jedoch allgemeine Grundregeln, denen gefolgt werden kann, um ein Sintern der Auflage zu vermeiden bzw. gering zu halten.

a) Anwendung einer relativ großen Menge an nicht sinterfähigen Zusätzen (nichtmetallisch), wie Graphit und Schleifmittel, entsprechend MB12(a) und MB35. In beiden Materialien wird der hohe Schmiermittelgehalt (viel Graphit) im Verhältnis zu dem geringen Metallgehalt kompensiert durch einen hohen Schleifmittelgehalt, um die Reibleistung aufrechtzuerhalten. In MB35 ist das Verhältnis Fe/Cu relativ hoch. Eisen ergibt erwartungsgemäß mehr Reibung als Kupfer gegen eine Gegenfläche aus Eisen. Dieses könnte also auch die Schmierwirkung kompensieren.

b) Die Morphologie der nichtmetallischen Teilchen kann zur Beeinflussung der Sinterung herangezogen werden. Blättchenförmige Teilchen beeinträchtigen die Berührung metallischer Teilchen, so daß sich durch Zugabe von blättchenförmigen weichen Schleifmitteln, wie Glimmer, eine gewisse Einstellmöglichkeit ergibt (MB35, 41 und 53). Änderung der Teilchengröße kann auch hilfreich sein. Verringert man beispielsweise die Korngröße des Graphits, so steigt die Möglichkeit, daß Graphitteilchen die gegenseitige Berührung von Metallteilchen verhindern (MB35, 53 und 58). Das Ergebnis dieser einfachen Änderung zeigt sich im Beispiel 9, worin eine Änderung der Graphitmorphologie (MB42 und 58) den Verdichtungsgrad Δρ von 30 auf 18 % senkt.

iA-58 ο¹

c) Verringerung des Metallanteils und Verringerung von Legierungen bzw. Legierungselementen mit niederem Schmelzpunkt. Werden Metalle mit niederen Schmelzpunkten, wie Zinn, Zink, Aluminium und eine Zinn/ Blei-Legierung, angewandt, so kommt es zu einer flüssigen Phase, die das Sintern sehr beschleunigt. Der Einfluß dieser flüssigen Phase kann vermieden werden, indem man einfach die entsprechenden Anteile, wie in den Massen MB12a, 35, 41 und 53, nieder hält oder den Anteil bzw. die Dispersion einer nich benetzbaren Phase, wie Graphit, erhöht (MB58). Die Verringerung des Gesamt-Metallgehalts (MB35) ist weitgehend abhängig von den geforderten Reibeigenschaften. Metallanteil kann kompensiert werden durc Ersetzen mit einem Material, welches selbst eine höhere Reibung besitzt, wie Erhöhung des Verhältnis ses Eisen zu Kupfer in MB35.

In den Beispielen wurden drei Widerstandssinterverfahren angewandt:

a) die Auflage wird mit einer eigenen Masse mit Hilfe einer Unterelektrode gebildet;

b) wie a), jedoch ohne Unterelektrode;

c) das Material für Auflage und Substrat ist das gleiche und es wird ohne Unterelektrode gearbeitet.

a) Da die Unterelektrode ein stabiles Heizelement während des Sintervorgangs darstellt, richten sich die Anforderungen an die Zusammensetzung des Materials\ in der Hauptsache auf die Verschleiß- und Reibeigei schäften. Änderungen zur Unterdrückung des Sinterm führen jedoch zumindest zu Anfang zu einer Widerstandserhöhung des Materials für die Auflage, und die Stärke wird begrenzt durch den GesamtwiderstanJ

1A-58

des Werkstücks, d.h. Rückenplatte, Pulvercharge und Unterelektrode.

Da die Anwesenheit der Unterelektrode eine hohe Temperatur an der Reibfläche des Reibkörpers gewährleistet, werden hier strengere Anforderungen an die Zusammensetzung der Masse für die Auflage gestellt, um ein vollständiges Sintern zu verhindern. Vergleichsbeispiel 1 und 2 zeigen die sehr hohen Werte von Δρ . Die Auflage nach Beispiel 10 hat ein etwa äquivalent dem des Materials für das Substrat, jedoch ist nach Beispiel 8 das Auflagematerial MB53 in der Lage, einen niederen Wert für Δρ zu ergeben, wenn keine Unterelektrode vorhanden ist (10 %).

b) Ohne Unterelektrode läßt sich der Abkühleffekt der unteren Elektrode zur Verhinderung des Sinterns heranziehen, was zu einer gewissen Erleichterung der Probleme mit der Zusammensetzung des Materials führt. Die Auflage muß jedoch die Rolle der Unterelektrode als Heizelement und zur Verhinderung des Anlötens an die erste Elektrode übernehmen.

Das Anlöten wird verhindert durch einen minimalen Gehalt an flüssiger Phase, insbesondere von Lötmetallen, wie Zinn, Zink, Aluminium oder durch Verhinderung der Benetzung, indem beispielsweise feiner Graphit (MB53 und MB58) angewandt wird. Das Material MB41 mit mittlerem Anteil an flüssiger Phase und grobem Graphit neigt zu einem Anlöten. Die Widerstandseigenschaften des Materials für die Auflage hängen von dessen Zusammensetzung ab, jedoch ist es nicht möglich, den relativ stabilen Widerstand der Unterelektrode einzuhalten. Selbst ein geringes Ausmaß an Sintern führt zu einer merklichen Verringe-

κ* * r* η

lA-58 O

rung des Widerstands und normalerweise beginnt man mit einer Schicht von Auflagematerial, welche eine Stärke und einen Widerstand ergibt, so daß der Widerstand höher ist als der einer Unterelektrode, je doch während des Sinterns sehr langsam abnimmt. Die se Widerstandsverringerung und damit Heizeffekt kan durch Erhöhung der Stromstärke kompensiert werden. Jedoch sind hohe Stromstärken schwierig zu regeln und können örtlich zu Kurzschlüssen führen. Ein Material für die Auflage mit ungebührlich hohem Wider stand infolge der Schichtstärke oder eines hohen Eigenwiderstands kann den durchfließenden Gesamtstrom begrenzen oder zu einem örtlichen Zusammenbre chen oder Kurzschluß führen. Die tatsächlichen Anforderungen an den Widerstand hängen von den elektrischen Eigenschaften des durch Widerstandsbeheizung zu sinternden Pulvergemischs ab, jedoch lassen sich in Tabelle 2 einige typische Werte zusammenstellen. Ohne Unterelektrode sind höhere Stromstärken erforderlich.

Tabelle 2

μ,Ω Anfang	Bei spiel	Substrat	Auflage	Unter elektrode	23	μΩ Ende	ohne Unter elektrode	max. Strom stärke DA
8	640	1140	-	23	gesamt	- "	49
9	540	630	-	23	12	-	48
C2	1170	-	14	5	34
C3	1030	1035	28	7	35
10	980	900	30	7	32
30

- 28> lA-58

c) Bei gleicher Zusanunensetzung für Substrat und Auflage ist der Abschreckeffekt der ersten Elektrode weitgehend verantwortlich für die Erhaltung einer nicht gesinterten oder teilweise gesinterten Auflage. Die Stärke dieser ist natürlich schwer einzustellen und dürfte auch innerhalb eines Reibkörpers im Schnitt parallel zu der Fläche variieren, obwohl dies nicht notwendigerweise nachteilig sein wird. Es ist nicht möglich, eine solche Zusammensetzung des Materials zu machen, daß das Sintern vollständig verhindert wird, da ja das Substrat gesintert sein muß und daher der Anteil an Nichtmetall eingestellt sein muß, d.h. feiner Graphit ist unerwünscht, und die Metallgrundmasse soll normale Mengenverhältnisse besitzen, vgl. MB52 und 48 mit MB14, 34, 42 und 15. Um während des Sinterns in gewissem Umfang eine Widerstandserhitzung zu erreichen und ein Anlöten an der ersten Elektrode zu vermeiden, sollte der Anteil an nieder schmelzenden Metallen gering sein (MB52, 48). Da der Widerstand sehr schnell während des Sinterns abnimmt, sind die Anforderungen an die Stromstärke allgemein höher als bei Verwendung einer Unterelektrode, wie aus den Beispielen 5 und 6 hervorgeht.

Während eines Kurzversuchs mit Motorrad zur Bestimmung des Einbettens ergaben sich sehr geringe Verschleißraten. Wie jedoch aus Tabelle 1 hervorgeht, besteht eine enge Beziehung zwischen dem Sinterausmaß Δρ und dem gesamten Verschleiß. Ein vollständiger inniger Kontakt zwischen Reibkörper und Scheibe wird bei keinem Beispiel erreicht. Hinsichtlich der Gesamtleistungsfähigkeit zeigen jedoch die Beispiele 8, 9 und 10 gute Eigenschaften für die Erstanwendung in einer Bremse, insbesondere gute Reibung. Diese Beispiele werden als solche mit einem so guten "Ge-

- 3$· lA-58 O

fühl" wie mit einem harzgebundenen üblichen Material bezeichnet, so daß sie als Ersatz für gutes Eingreifen, je doch weicheres, dienen können.

Es war zu erwarten, daß mit einer besonders dicken (etwa 2 mm) Auflage geringer Festigkeit, wie im Beispiel 8, di Verschleißrate unzulässig hoch wird, bis die Auflage abgetragen ist. Im Prüfmotorrad zeigte sich jedoch, daß un ter Bedingungen der Praxis das Einbetten charakterisiert ist durch die Ausbildung einer entsprechenden Verschleiß fläche mit nicht unbedingt 100%iger Berührung. Diese Ent wicklung verhindert einen katastrophalen Verschleiß. Es besteht eine gute Korrelation zwischen der schnellen Aus bildung guter Leistungsfähigkeit und dem Verschleiß und damit dem Sinterausmaß. Materialien mit einem hohen Anfangsverschleiß durch geringen Sintergrad werden wohl schneller eine akzeptable Leistungsfähigkeit hinsichtlic Reibung zu entwickeln vermögen.

Die Vergleichsbeispiele 1 und 3 zeigen im wesentlichen ähnliche Eigenschaften. Sie wurden bis zu einem höheren Sintergrad als er für übliche Substrate zur Anwendung ge langt, geführt; die Verschleißraten sind gleich oder nui geringfügig höher als bei den Substraten und bei dem Motorradtest vom Vergleichsbeispiel 3 zeigt sich ein schlechtes Einbettverhalten. In beiden Fällen wurde eine Unterelektrode angewandt und damit längere Zeit die Obei fläche einer höheren Temperatur ausgesetzt, was das Sintern begünstigt. Beispiel 10 wurde jedoch auch mit einea Unterelektrode durchgeführt, jedoch kam es nicht zu ein« höheren Sintergrad als das Substrat und zu einem akzeptablen Einbettverhalten. Dieses Auflagematerial MB53 eni hielt mehr Metall und Metalle mit niederem Schmelzpunkt als das Material für die Auflage nach den Vergleichsbei· spielen 3 und 5 (MB12a und MB35). Es sollte daher zu

- Vr- m lA-58

einem ähnlichen Sintergrad kommen. MB35 und MB12a haben jedoch eiheii hohen Anteil an Eisen oder Nickfei gegenüber dem Kupfergehalt (MB41). Eisen und Nickel haben beträchtlich höhere Widerstandswerte als Kupfer.

Cu l,7.10~⁸ Ohm.m
Ni 59.10"⁸ Ohm.m
Fe 10.10 Ohm.m.

Sie haben auch sehr hohe Anteile an Graphit gegenüber den anderen Materialien für die Auflage. Diese großen Mengen an Bestandteilen mit hohem Widerstand führen möglicherweise zu einem stabilen Widerstand während des Sinterns und damit zu einer Wärmeentwicklung innerhalb der Auflage, deren Folge ein Sintern ist.

Die Beispiele 8 und 10 unterscheiden sich nur, daß im Beispiel 8 keine Unterelektrode zur Anwendung gelangte. Der Heizeffekt der Unterelektrode zeigt sich deutlich in dem höheren Sintergrad Δρ der Auflage aus Beispiel 10/ wie sich aus der metallographischen Untersuchung ergab. Die Leistungsfähigkeit hinsichtlich Reiben, ausgedrückt in μ und "Gefühl", war gleich.

Im Beispiel 7 mit Ofen-Sinterung lassen die relativen Verschleißwerte (Tabelle 1) vermuten, daß der Verschleiß der Auflage nur geringfügig höher war als der des Substrates. Metallographische Untersuchungen ergaben jedoch, daß in der Auflage nur ein teilweises Sintern im Gegensatz zum Substrat stattgefunden hat. Die Auflage zeigte einen Reibungskoeffizienten über dem des Substrats und erfüllte damit die Anforderungen hinsichtlich Leistungsfähigkeit, wie sie oben diskutiert worden sind.

1A-58 0'

In den Beispielen 1 bis 10 nach der Erfindung erstreckte sich die ungesinterte oder teilweise gesinterte Auflage
über die gesamte Reibfläche des Reibkörpers, d.h. die
Fläche des Körpers, die mit der Bremsscheibe während des Betriebs in Kontakt kommt.

Claims

Lucas Industries Schweigerstrasse 2 23. Februar 1984 telefon: (089)662051 TELEGRAMM! PROTECTPATENT TELEX: 524070 Patentansprüche :

1.J Reibkörper aus einem gesinterten metallischen Substrat aus Reibmaterial und einer Auflage aus metallische Reibmaterial,

dadurch gekennzeichnet , daß die Auflage die Reibfläche des Körpers bildet, eine geringere Verschleißfestigkeit als das Substrat besitzt und Reibeigenschaften aufweist, die nicht wesentlich unter denen des Substrats liegen, wobei die Auflage über i wesentlichen der gesamten Reibfläche nicht gesintert ode nur teilweise gesintert ist.

2. Reibkörper nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet , daß die Auflage aus einem nicht gesinterten oder teilwei se gesinterten Material besteht, welches gleich ist dem Material des gesinterten Substrats.

3. Reibkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflage aus einem unterschiedlichen Material besteht, welches unter den Sinterbedingungen für das Substrat nicht oder weniger sinterbar ist.

4. Reibkörper nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Auflage eine Stärke bis zu 2 mm hat.

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5. Reibkörper nach Anspruch 4, daduröh gekennzeichnet , daß die Auflage eine Stärke von 0,5 bis 2 mm hat.

6. Verfahren zur Herstellung eines Reibkörpers nach Anspruch 1 bis 5 durch Formen eines pulverförmigen metallischen Reibmaterials und Erhitzen auf Sintertemperatur, dadurch gekennzeichnet, daß man das Sintern so vornimmt, daß eine die Reibfläche bildende Auflage ungesintert oder nur wenig gesintert verbleibt, oder man die Zusammensetzung eines Materials für eine Auflage so wählt, daß es unter den Sinterbedingungen für das Substrat nicht oder nur wenig sinterbar ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß man das Erhitzen und Sintern unter Druck in einer Form vornimmt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß man das Sintern durch Widerstandssintern vornimmt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß man in direktem Kontakt mit dem Material der Auflage eine Metallelektrode vorsieht.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode sich vollständig über das Material der Auflage erstreckt oder in ihrer Fläche einen Einsatz mit höherem Widerstand aufweist.

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11. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,

daß man eine Unterelektrode und eine Metallelektrode anwendet, wobei die Unterelektrode eine geringere Wärmeleitfähigkeit als die Metallelektrode besitzt und mit dei Material für die Auflage in Berührung steht, und man für Auflage und Substrat unterschiedliche Materialien verwen det.

12. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet ,

daß man die Materialien für Substrat und Auflage vorform und den Formling in einem Ofen sintert.