DE3731540C2

DE3731540C2 - Reibmaterial

Info

Publication number: DE3731540C2
Application number: DE3731540A
Authority: DE
Inventors: Nobuo Kamioka
Original assignee: Akebono Brake Industry Co Ltd; Akebono Research and Development Centre Ltd
Current assignee: Akebono Brake Industry Co Ltd; Akebono Research and Development Centre Ltd
Priority date: 1986-06-13
Filing date: 1987-09-18
Publication date: 1996-09-26
Anticipated expiration: 2007-09-19
Also published as: FR2621310A1; JPS62295985A; US4747873A; DE3731540A1; GB2209761B; GB2209761A; FR2621310B1; GB8721682D0; JPH0788500B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Reibmaterial, das ein Kohlenstoffaser/Koh lenstoffverbundmaterial mit darin infiltriertem Metall umfaßt, welches als Reibmaterial für Bremsen geeignet ist, dessen Reibverhalten, Verschleißbeständigkeit und mechanische Festigkeit verbessert sind und dennoch mittlere bis hohe Reibungskoeffizienten erreicht.

Das Kohlenstoffaser/Kohlenstoffmaterial (nachfolgend als C/C-Verbundmaterial abgekürzt) ist ein in der Industrie gebräuchliches Material, das man in der Weise herstellt, daß man den wärmeverformten Gegenstand mit Kohlenstoffasern (vom Polyacrylnitril-Typ, Pech-Typ und dergleichen) als Verstärkungsmaterialien und Pech, Phenolharz, Furanharz und dergleichen als Bindemittel durch Brennen carbonisiert oder graphitiert. Bei der Verwendung dieses C/C-Verbundmaterials als Reibmaterial für Bremsen und dergleichen erweist es sich als ausge zeichnet hinsichtlich seiner Wärmebeständigkeit, jedoch besteht bei der Kombination des das C/C-Verbundmaterial umfassenden Reibmaterials mit dem Reibgegenstück eine Einschränkung hinsichtlich befriedigender Reiblei stungen, die je nach Einsatzgebiet verschieden sind. Wenn man außerdem das Reibgegenstück aus dem gleichen Material verwendet, dann tritt die nachteilige Wirkung auf, daß die mechanische Festigkeit ungenügend ist.

Die Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, diese Nach teile bei C/C-Verbundmaterialien zu beseitigen, wobei sich gezeigt hat, daß die Reibleistung drastisch durch Infiltration kleiner Metallmengen in die Poren des C/C-Verbundmaterials verbessert werden kann.

Metall enthaltende Verbundmaterialien auf der Grundlage eines Metall enthaltenden C/C-Verbundmaterials sind bereits bekannt. So ist z. B. in der Japanischen Patent schrift Nr. sho 53-27205 ein Verbundmaterial, das ein ausgezeichnetes Festigkeits- und Schmierverhalten besitzt, beschrieben, das in der Weise erhalten wird, daß man ein Nicht- Eisenmetall oder eine Legierung aus zwei oder mehreren Nicht-Eisenmetallen mit einem Schmelzpunkt von 200 bis 1100°C in Mengen von 10 bis 50 Vol.-% in einen C/C-Ver bundmaterial mit einer Porosität von 10 bis 50 Vol.-% (Gehalt an Kohlenstoffasern: 40 bis 60 Vol.-%) einbringt. Es wird außerdem in der Japanischen Offenlegungsschrift Nr. sho 60-162748 ein Verbundmaterial vorgeschlagen, bei dem ein Metall in die miteinander verbundenen Poren in der Kohlenstoffmatrix des C/C-Verbundmaterials ein gebracht ist. Die letztere Druckschrift vermittelt jedoch keine genauere Beschreibung über die Porosität und den Metallgehalt (im Beispiel beträgt die Menge an Kohlenstoffasern etwa 70 Vol.-%). Da jedoch das Material eine hohe Festigkeit bei Normaltemperatur und eine aus gezeichnete Wärmebeständigkeit besitzt, wird es für den Gebrauch in der Luftfahrt und Raumfahrt und als Brems belag und Konstruktionsmaterial für Motorfahrzeuge und Flugzeuge vorgeschlagen.

Die beiden vorgenannten Erfindungen unterscheiden sich gänzlich hinsichtlich der Aufgabenstellung und der Reibleistung von der vorliegenden Erfindung. So betrifft die in der Japanischen Patentschrift Nr. sho 53-27205 beschriebene Erfindung ein Gleitmaterial, dessen Verwen dung auf einem anderen Gebiet liegt als die in der vorliegenden Erfindung beschriebenen Reibmaterialien für Bremsen und dergleichen.

Umfangreiche Untersuchungen über die Reibleistung der oben beschriebenen, mit Metall infiltrierten C/C- Verbundmaterialien haben ergeben, daß man eine bemer kenswerte Verbesserung hinsichtlich der Leistung inner halb eines festgesetzten Infiltrationsbereiches, der niedriger als die Menge des in der Japanischen Patent schrift Nr. sho 53-27205 beschriebenen infiltrierten Metalls ist, erreichen kann.

Das wesentliche Merkmal bei dem erfindungsgemäßen Reibmaterial liegt daher darin, daß die Porosität des Verbundmaterials, das ein mit Kohlenstoffasern ver stärktes Kohlenstoffmaterial umfaßt, auf 5 bis 15 Vol.-% eingestellt wird, indem die Maßnahmen der Imprägnierung mit dem Harz, des Brennens und der Wärmebehandlung wiederholt werden, wonach ein Metall oder eine Legierung mit einem Schmelzpunkt von 125 bis 1100°C in Mengen von 3 bis 10 Vol.-% in die Poren infiltriert wird. Durch diese Behandlung erreichen der Reibungskoeffizient µ und die Gesamtmenge an Verschleiß A des Reibmaterials Werte von nicht weniger als 0,3, bzw. nicht mehr als 0,20 mm, wobei sich die Festigkeit ebenfalls erhöht. Zur gleichen Zeit kann die bemerkenswerte Wirkung erreicht werden, daß die Schwankung des Reibungskoeffi zienten, die durch die Veränderungen der Reibungstempera tur, der Reibungsgeschwindigkeit und des Reibungsdruckes verursacht wird, klein gehalten wird.

Die Erfindung sei im folgenden näher unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 und Fig. 2 qualitative Diagramme, worin die Beziehungen zwischen der Dicke der geschmolzenen Metallschicht und dem Schmelzpunkt des infiltrierten Metalls, bzw. der Reibungskoeffizient µ und die Gesamtmenge an Verschleiß A gezeigt sind, und

Fig. 3, 4, 5 und 6 Kurven, die die Werte des Reibungs koeffizienten µ und die Schwankungen der infiltrierten Reibmaterialien aus Beispiel 1, Vergleichsbeispiel 1, Beispiel 9, bzw. Vergleichsbei spiel 2 unter den jeweiligen Meßbedin gungen (vier Arten von möglichen Kombinationen zwischen Reibungsdruck F und Reibungsgeschwindigkeit V) verdeutlichen.

Das C/C-Verbundmaterial, das das Substrat des erfin dungsgemäßen Verbundmaterials darstellt, kann nach bekannten Verfahren hergestellt werden. Man brennt daher den Gegenstand, der mit einem Harzbindemittel zu einer Kohlenstoffaserstruktur imprägniert und wärmever formt ist, indem man bei einer Temperatur von etwa 800°C in einer nichtoxidativen Atmosphäre unter Durch kohlung erhitzt. Da es jedoch erfindungsgemäß notwendig ist, die Porosität des C/C-Verbundmaterials auf 5 bis 15 Vol.-% einzustellen, werden die vorgenannte Kohlen stoffaserstruktur verdichtet und die Harzimprägnierung, das Brennen und die Wärmebehandlung wiederholt, wodurch man die gewünschte Porosität erreicht. Gegen Ende des Brennens kann man durch Erhöhen der Temperatur auf eine Temperatur oberhalb 2000°C eine Graphitierung bewirken.

Man läßt nun die Metallschmelze in die porösen Bereiche des in dieser Weise erhaltenen C/C-Verbundwerkstoffs eindringen. Man infiltriert das Metall unter den jeweils angelegten Drücken in die Poren, wobei dieses nur auf die kontinuierlichen Poren beschränkt ist und das Metall nicht in die unabhängigen Poren (unabhängig geschlossene Poren) eindringt. Da außerdem die Benetzbar keit der Metallschmelze gegenüber dem Kohlenstoff gering ist, beträgt die obere Grenze des infiltrierten Metalls in den Experimenten etwa 70% des Gesamtvolumens der Poren.

Man verwendet erfindungsgemäß für die Infiltration im Hinblick auf die Wirkungsweise und die Eigenschaften des Produktes ein Metall oder eine Legierung mit einem Schmelzpunkt von 125 bis 1100°C. Zu diesen Metallen oder Legierungen zählen z. B. Cu, Zn, Sn, Pb, Sb, Bi, Cu-Sn und Cu-Zn. Bei dem erfindungsgemäßen Reibmaterial besteht eine wichtige Voraussetzung für das Metall, das infiltriert wird, darin, daß dieses nicht bei hohen Temperaturen während der Reibung mit dem Reibgegenstück mit dem Kohlenstoff der Matrix und mit den Kohlenstoffasern der Verstärkungsfasern reagiert. Die Verwendung von harten und spröden Substanzen, wie intermetallische Verbindungen und dergleichen, ist insbesondere nicht bevorzugt, da dadurch die Reibungs eigenschaften destabilisiert werden und die weicheren Bereiche dazu neigen, selektiv verschlissen zu werden. Aluminium und seine Legierungen sind daher erfindungsgemäß ungeeignet, und Eisen und Eisenlegierungen sind aufgrund des Vorkommens dieser Probleme mit Ausnahme des Schmelz punktes ebenfalls ausgeschlossen.

Die Menge des infiltrierten Metalls oder der infiltrier ten Legierung beträgt erfindungsgemäß 3 bis 10 Vol.-%, vorzugsweise 4 bis 8 Vol.-%. Wenn die Menge des infil trierten Metalls oberhalb von 10 Vol.-% liegt, so wird zwar die Verschleißbeständigkeit besser, jedoch bewegt sich der Reibungskoeffizient µ auf einen Wert bis zu 0,3. Wenn die Menge des Metalls unterhalb von 3 Vol.-% liegt, so erhöht sich der Wert für µ umgekehrt, wobei sich jedoch zur gleichen Zeit die Gesamtmenge an Ver schleiß A erhöht und sich weiterhin die Festigkeit des Reibmaterials erniedrigt. In Tabelle 1 sind die physi kalischen Eigenschaften eines C/C-Verbundmaterials, das mit Cu-14Sn in Mengen von 5 bis 9 Vol.-% infiltriert ist, im Vergleich mit jenen eines nichtinfiltrierten C/C-Verbundmaterials gezeigt. Man kann hierbei beträcht liche Verbesserungen bei den Werten für die Biegefestig keit und Schlagfestigkeit erkennen.

Tabelle 1

Der Grund, warum die Reibleistung des erfindungsgemäßen Reibmaterials, das das mit Metall infiltrierte C/C-Verbundma terial enthält, in bedeutsamer Weise verbessert ist, ist aus folgender Betrachtungsweise zu sehen:

Ein Teil des infiltrierten Metalls schmilzt nämlich durch die Reibungswärme, die während der Reibung erzeugt wird und bedeckt die Oberfläche des Reibmaterials. Die Scherfestigkeit (viskose Beständigkeit) dieser ge schmolzenen Metallschicht scheint zu der Erhöhung des Reibungskoeffizienten µ und zu der Erniedrigung der Gesamtmenge an Verschleiß A beizutragen. Die qualitati ven Beziehungen zwischen der Dicke der geschmolzenen Metallschicht und µ und A sind in Fig. 1 gezeigt, worin µ und A mit dem Anstieg der Dicke der geschmolzenen Schicht kleiner werden und, wenn die Schicht eine ge wisse Dicke t erreicht, dann erreichen µ und A eine Stufe, wo sie annähernd konstante Werte aufweisen. In dem Bereich, wo die Dicke Werte oberhalb t einnimmt, erreicht das geschmolzene Metall einen Zustand, der nahe an die Flüssigkeitsschmierung herankommt, so daß die direkte Berührung des Reibmaterials mit dem Reib gegenstück jeweils durch diese Schicht behindert ist. Falls der Schmelzpunkt des zu infiltrierenden Metalls, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist, niedrig ist, so sind die Werte für µ und A ebenfalls niedrig, da die geschmol zene Metallschicht dazu tendiert, sich zu bilden und, im Fall, daß sich der Schmelzpunkt erhöht, erhöhen sich auch die Werte für µ und A.

Die Erfindung wird nachfolgend durch die Beispiele näher erläutert.

Für die Messungen des Reibungskoeffizienten µ und der Gesamtmenge an Verschleiß A in den Beispielen wird außerdem ein Bremsendynamometer für Automobile ver wendet, wobei man µ bestimmt, indem man den Druck F auf 490.5 und 981 N (50 und 100 kgf) und die Geschwindig keit V auf 50 und 100 km/h einstellt und diese Bedin gungen miteinander kombiniert. Man ermittelt weiterhin die Verminderungen der Dicken der Teststücke als A (mm), nachdem man jedes 100 Mal und insgesamt 400 Mal bei jeder Bedingung abgerieben hat.

Beispiel 1

Unter Verwendung eines C/C-Verbundmaterials als Sub strat, dessen Porosität man auf 10 Vol.-% eingestellt hat, infiltriert man darin eine Cu-14Sn-Legierung, bis die Metallmenge einen Wert von 6 Vol.-% erreicht hat. Man erhält die in Fig. 3 gezeigten Ergebnisse (ge strichelte Linie), wenn man die Reibung zwischen eini gen Materialien durchführt, um so den Reibungskoeffi zienten unter Verwendung dieses metallhaltigen Verbund materials zu bestimmen. Im gleichen Diagramm ist eben falls zum Vergleich (durchgezogene Linie) µ eines nichtinfiltrierten C/C-Verbundmaterials gezeigt. Man kann daraus erkennen, daß µ durch die Infiltration von Cu-Sn auffallend bei entsprechenden Werten von F und V erhöht ist. In diesem Fall nimmt µ ab, wenn die Reibungs bedingungen schwieriger werden, wobei jedoch die Größe der Schwankung von µ relativ gering ist und einen guten Wert bei µ = 0,49 bei 490 N (50 kgf) für F/ 50 km/h für V und µ = 0,38 bei 981 N (100 kgf) für F/ 100 km/h für V einnimmt. Die Gesamtmenge an Verschleiß A beträgt außerdem im Fall der Metallinfiltration 0,14 mm, was im Gegensatz zu 0,60 mm im Falle der Nichtinfiltration ein bemerkenswert überlegener Wert ist.

Vergleichsbeispiel 1

Man führt das gleiche Verfahren wie im Beispiel 1 durch und erhält ein Metall enthaltendes Verbundmaterial mit 20 Vol.-% infiltriertem Cu-14Sn, jedoch mit dem Unter schied, daß man ein C/C-Verbundmaterial mit einer Porosität von etwa 30 Vol.-% verwendet, das man dadurch erhält, indem man das Volumenverhältnis der Kohlenstoffa sern auf 50% einstellt und ohne Harz wieder imprägniert. Die Ergebnisse der Bestimmung von µ sind ähnlich denen von Beispiel 1 und in Fig. 4 (gestrichelte Linie) gezeigt. Wenn man die Werte von µ eines nichtinfiltrier ten Verbundmaterials (durchgezogene Linie), welche im gleichen Diagramm gezeigt sind, so nimmt µ einen hohen Wert von 0,49 unter relativ milden Bedingungen von 490 N (50 kgf) für F/ 50 km/h für V ein, jedoch fallen alle Werte für µ unter anderen Bedingungen unterhalb 0,3 ab. So erreicht µ bei einer Kombination von 981 N (100 kgf) für F, 100 km/h für V einen Wert von 0,22, der niedriger ist als jener im Falle der Nichtilfiltration, wobei die Größe der Schwankung ebenfalls sehr groß ist. A des obigen Metall enthaltenden Verbundmaterials beträgt außerdem 0,28 mm, was im Gegensatz zu dem Verbundmate rial mit 6 Vol.-%iger Infiltration von Beispiel 1 ein geringerer Wert ist.

Beispiele 2 bis 8

Man infiltriert unter Verwendung von C/C-Verbundmate rialien mit Porositäten von 8, 10 und 15 Vol.-% die entsprechenden Metalle oder Legierungen von Zn, Pb, Sb, Pb-55Bi, Cu-14Sn und Cu in Mengen von 3, 6, 10 bzw. 20 Vol.-%. Die Werte von µ (wobei die µs unter den beiden extremen Bedingungen von 490 N (50 kgf) für F/ 50 km/h für V und 981 N (100 kgf) für F/ 100 km/h für V als Größe der Schwankung verzeichnet sind) und jene von A von diesen metallhaltigen Verbundmaterialien sind in Tabelle 2 aufgezeigt.

Wie aus Tabelle 2 zu erkennen ist, weisen alle in den Beispielen 2 bis 8 infiltrierten Metalle gute Reibungs leistungen bei Infiltrationsmengen von 3 bis 10 Vol.-% auf und es kann eine bemerkenswerte Verbesserungswir kung im Vergleich mit C/C-Verbundmaterialien ohne in filtriertes Metall oder Legierung (siehe Beispiel 1 oder Vergleichsbeispiel 1) erkannt werden. Mit einer 10 Vol.-%igen Infiltration fallen jedoch die unteren Grenzwerte von µ unterhalb der von der Erfindung in allen Fällen angestrebten Grenze von 0,3 und bei einer 3 Vol.-%igen Infiltration übertrifft A den Grenzwert von 0,20 mm. Um daher die Erfindung in der Praxis sicherer durchzuführen, ist es wünschenswert, diese Grenzmengen zu vermeiden.

Beispiel 9

In diesem Beispiel wird ein Beispiel eines Reibleistungs test gezeigt, wobei (eine Probe) mit einer Legierung mit niedrigem Schmelzpunkt infiltriert wird. Man ersetzt das Infiltrationsmaterial von Beispiel 1 durch Pb-55Bi (Schmelzpunkt: 125°C) und führt die Infiltration in ähnlicher Weise mit 6 Vol.-% durch, wobei man die in Fig. 5 gezeigten Ergebnisse erhält. Die Gesamtmenge an Verschleiß des mit Pb-55Bi infiltrierten C/C-Verbundmate rials und die des nichtfiltrierten C/C-Verbundmaterials betragen außerdem 0,11 mm bzw. 0,60 mm.

Vergleichsbeispiel 2

Die Ergebnisse, die man erhält, indem man das Infiltra tionsmaterial durch eine Pb-55Bi-Legierung im Vergleichs beispiel 1 ersetzt zu mit 20 Vol.-% in gleicher Weise infiltriert, sind in Fig. 6 gezeigt. Die Gesamtmenge an Verschleiß des mit Pb-55Bi infiltrierten C/C-Verbund materials beträgt 0,03 mm und jene des nichtinfiltrier ten C/C-Verbundmaterials 0,60 mm.

Wie man aus den vorangegangenen Ausführungen unschwer erkennen kann, werden die Reibeigenschaften des C/C-Ver bundmaterials in bedeutsamer Weise durch die Infiltration einer geringen Menge von Metall oder einer Legierung mit niedrigem Schmelzpunkt verbessert. Daher bieten sich breite Verwendungsmöglichkeiten als Reibmaterial für Bremsen und dergleichen, so daß die industrielle Bedeutsamkeit von außerordentlich hohem Wert ist.

Claims

1. Reibmaterial, umfassend ein metallhaltiges Verbundmaterial aus ei nem mit Kohlenstoffasern verstärkten Kohlenstoffmaterial, dadurch ge kennzeichnet, daß die Porosität des Verbundmaterials auf 5 bis 15 Vol.-% eingestellt ist und daß in dessen Porenbereiche 3 bis 10 Vol.-% eines Me talls oder einer Legierung mit einem Schmelzpunkt von 125 bis 1100°C in filtriert sind.

2. Reibmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Infiltrationsmenge des Metalls oder der Legierung 4 bis 8 Vol.-% beträgt.

3. Reibmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Infiltrationsmetall ein Metall oder eine Legierung aus der Kupfer, Zink, Zinn, Blei, Antimon, Bismut, Kupfer-Zinn und Kupfer-Zink umfassenden Gruppe gewählt ist.

4. Reibmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Porosität des C/C-Verbundmaterials 10 Vol.-% beträgt und eine Cu-14Sn- Legierung in einer Menge von 6 Vol.-% in die Porenbereiche infiltriert ist.

5. Reibmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Porosität des C/C-Verbundmaterials 10 Vol.-% beträgt und eine Pb-55Bi- Legierung in einer Menge von 6 Vol.-% in die Porenbereiche infiltriert ist.

6. Reibmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Porosität des C/C-Verbundmaterials 8, 10 oder 15 Vol.-% und die Infiltra tionsmenge des Metalls oder der Legierung 3, 6 oder 10 Vol.-% betragen.