DE4105308A1

DE4105308A1 - Asbestfreies reibungsmaterial

Info

Publication number: DE4105308A1
Application number: DE4105308A
Authority: DE
Inventors: Mitsuru Kobayashi; Takeo Nagata
Original assignee: Nisshinbo Industries Inc; Nisshin Spinning Co Ltd
Current assignee: Nisshinbo Holdings Inc
Priority date: 1990-02-23
Filing date: 1991-02-20
Publication date: 1991-09-05
Also published as: GB2241246B; JPH03247628A; KR0162242B1; GB2241246A; JP2838304B2; KR910021461A; GB9103409D0

Description

Die Erfindung betrifft ein asbestfreies Reibungsmaterial zur Verwendung als Bremsklotz, Bremsbelag, Kupplungsbelag usw. für Fahrzeuge, Industriemaschinen, usw. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein asbestfreies Reibungsmaterial mit hoher Leistungsfähigkeit, das gute Festigkeits- und Reibungseigenschaften aufweist und andererseits die Bremstrommel, den Bremsscheibenrotor oder anderes nicht beschädigt.

Viele bislang üblichen Reibungsmaterialien beinhalten Asbest als Hauptkomponente. Allerdings bedingten folgende beiden Gründen die Notwendigkeit von asbestfreien Reibungsmaterialien mit höherer Leistungsfähigkeit verglichen zu asbesthaltigen Reibungsmaterialien. Einerseits wurde festgestellt, daß der unvermeidbare Asbeststaub für den Menschen gesundheitsschädigend ist. Schon von daher ist ein eingeschränkter Gebrauch von Asbest angezeigt. Andererseits besteht aber auch ein Bedürfnis nach einem Reibungsmaterial, das eine höhere Leistungsfähigkeit als asbesthaltiges Reibungsmaterial hat, insbesondere im Anwendungsfall von Fahrzeugen und dergleichen, die ebenfalls eine zunehmende Leistungsfähigkeit aufweisen.

Daher wurden bereits in den vergangenen Jahren mehrere Vorschläge für asbestfreie Reibungsmaterialien gemacht und viele dieser Vorschläge verwenden als Grundkomponente eine organische Faser, wie beispielsweise eine Aramidfaser, oder eine anorganische Faser, wie beispielsweise eine Glasfaser, Kohlefaser, Metallfaser oder ähnliches.

Allerdings zeigten die bisher angewandten konventionellen Reibungsmaterialien, die beispielsweise eine Aramidfaser, Glasfaser, Kohlefaser oder Metallfaser als Hauptverstärkungsfaser beinhalteten, unterschiedliche Probleme.

Diese Probleme werden für den Anwendungsfall beschrieben, in welchem diese Reibungsmaterialien bei Bremsklötzen für Fahrzeuge usw. verwandt wurden. Bei Reibungsmaterialien, in denen Aramidfasern zur Anwendung kamen, erhöhte die kontinuierliche Betätigung der Bremse die Oberflächentemperatur des Reibungsmaterials, was eine thermische Zersetzung der Aramidfaser und eine daraus resultierende Verminderung der Festigkeit und des Reibungskoeffizienten nach sich zog. Bei Reibungsmaterialien, in welchen eine Glasfaser verwandt wurde, trat ein Abreiben der Glasfasern bei hohen Temperaturen auf, was den Reibwert vergrößerte. Reibungsmaterialien, die Metallfasern, wie beispielsweise Stahlfasern, Kupferfasern oder dergleichen verwenden beinhalten ebenso Probleme, obwohl sie exzellente Abriebsfestigkeitseigenschaften, Festigkeiten, usw. aufweisen. Diese Probleme liegen darin, daß bei ansteigender Temperatur der Reibkoeffizient (das heißt ihre Wirkung) anomal ansteigen. Ihr Volumen nimmt zu und ihre Wärmeleitfähigkeit vergrößert sich und entsprechend können sie bei hohen Temperaturen zum Brennen führen. Darüber hinaus bergen Reibungsmaterialien, in denen Glasfasern oder Metallfasern enthalten sind, die Gefahr der Zerstörung oder des Abschleifens der Bremstrommel oder des Bremsscheibenrotors usw. in sich.

Bei Verwendung einer Kohlefaser als Verstärkungsfaser wird inzwischen angenommen, daß wegen des hohen Verstärkungseffekts und der Schmierfähigkeit der Kohlefaser ein Reibungsmaterial erhalten werden kann, das exzellente Eigenschaften bezüglich der Hitzebeständigkeit aufweist und nur wenig zur Beschädigung oder zum Abschleifen der Bremstrommel oder des Bremsscheibenrotors, usw. neigt. Dennoch tritt eine anomale Verminderung bezüglich des Reibungskoeffizienten wegen des hohen Schmiereffekts auf, wenn Kohlefasern in so starkem Umfang zur Anwendung kommen, daß die zuvor genannten Effekte wirklich erhalten werden. Derartige Reibungsmaterialien, in welchen Kohlefasern in großem Umfang enthalten sind, finden in der Praxis nur als C/C-Verbunde in Bremsen für Hochgeschwindigkeitsfahrzeuge, wie beispielsweise Flugzeuge, Rennwagen oder dergleichen Anwendung. Sie wurden als für Automobile und dergleichen nicht anwendbar angesehen, welche ja häufig bei niedrigen Geschwindigkeiten betrieben werden, da sie einen sehr niedrigen Reibkoeffizienten aufweisen und bei niedrigen Geschwindigkeiten eine höhere Abnutzung zu beobachten ist.

Es wurden bereits auch Reibungsmaterialien unter Verwendung anderer Materialien als der zuvor aufgeführten vorgeschlagen. Die meisten von diesen zeigen allerdings eine nicht hinreichende Abriebsbeständigkeit bei hohen Temperaturen von 400°C oder mehr als Hochtemperatureigenschaft auf oder sind in ihrem Reibverhalten instabil.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die zuvor genannten Nachteile von konventionellen asbestfreien Reibungsmaterialien zu beseitigen und ein asbestfreies Reibungsmaterial an die Hand zu geben, welches hervorragende Abriebseigenschaften und gleichmäßige Reibungseigenschaften nicht nur bei üblichen Temperaturen sondern auch bei Hochtemperaturen von 400°C oder mehr aufweist, wobei es gleichzeitig nicht dazu neigt, eine Bremstrommel oder einen Bremsscheibenrotor und dergleichen zu beschädigen und wobei es gleichzeitig eine hohe Festigkeit aufweist.

Zur Lösung dieser Aufgabe gibt die Erfindung ein asbestfreies Reibungsmaterial an die Hand, welches aus folgenden Bestandteilen zusammengesetzt ist: Verstärkungsfasern, die nicht aus Asbest bestehen, einem Binder, wie beispielsweise einem Phenolharz oder desgleichen und einem reibungssteuerndes Mittel, wie beispielsweise Bariumsulfat oder dergleichen, wobei zumindest ein Teil der Verstärkungsfasern spezielle Kohlefasern auf Polyacrylnitrilbasis sind.

Im folgenden wird die Erfindung im Detail beschrieben.

In der vorliegenden Erfindung sind als asbestfreie Verstärkungsfasern beispielsweise organische Fasern (z. B. Aramidfasern, Acrylfasern, Phenolfasern, Polyvinylalkoholfasern, Cellulosefasern), anorganische Fasern (z. B. Glasfasern, Keramikfasern, Kohlefasern) und Metallfasern (z. B. Stahlfasern, Kupferfasern, Bronzefasern) oder Mischungen von diesen verwendet. Diese Fasern entsprechen denjenigen, die in konventionellen Fasermaterialien angewandt werden.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Verstärkungsfaser eine spezielle Kohlefasern auf Polyacrylnitrilbasis (im folgenden als PAN-Basis bezeichnet) besteht.

Die spezielle Kohlefaser auf PAN-Basis, die in der Erfindung verwendet wird, betrifft Fasern, die durch Spinnen von PAN hergestellt werden, wonach die hergestellte PAN-Faser einer Vorbehandlung (Brennen bei 200 bis 300°C in Luft) ausgesetzt werden, um eine flammenhemmende oxidierte PAN-Faser zu erhalten, und wonach die Fasern in einem Inertgas bei 800°C bis 1000°C derart carbonisiert werden, daß die resultierende Kohlefaser ein spezifisches Gewicht von 1,6 bis 1,74 aufweist.

In der Kohlefaser auf PAN-Basis zeigt das spezifische Gewicht den Carbonisierungsgrad der Faser an. In der vorliegenden Erfindung ist die Kohlefaser auf PAN-Basis vorzugsweise zu einem Anteil von 0,5 bis 70 Volumenprozent bezogen auf das gesamte Reibungsmaterial enthalten.

Übliche Kohlefasern auf PAN-Basis werden durch Carbonisierung der zuvor genannten oxidierten PAN-Fasern bei hohen Temperaturen von 1000 bis 1500°C hergestellt und haben ein spezifisches Gewicht von 1,75 bis 1,80.

Als Binder werden beispielsweise wärmehärtende Harze, wie z. B. Phenolharz oder dergleichen verwendet. Als reibungssteuerndes Mittel wird z. B. Akajoubaumstaub, Bariumsulfat, Calciumcarbonat und dergleichen verwendet. Diese sind bereits vielfach verwandte konventionelle Reibungsmaterialien.

Das asbestfreie Reibungsmaterial gemäß der Erfindung umfaßt, wie bereits zuvor beschrieben, spezielle Kohlefasern auf PAN-Basis als Teil der Verstärkungsfasern. Diese Kohlefasern auf PAN-Basis vermindern den Reibungskoeffizienten des Reibungsmateriales nicht wesentlich, wenn sie als Verstärkungsfasern in einem Reibungsmaterial verwendet werden, wie das vergleichsweise mit üblichen Kohlefasern auf PAN-Basis mit höherem spezifischem Gewicht der Fall wäre. Dementsprechend können die speziellen Kohlefasern auf PAN-Basis zu einem großen Anteil verwendet werden und diese können hervorragende Ergebnisse (z. B. Verstärkungseffekte) aufweisen. Das resultierende Reibungsmaterial kann aber zumindest Eigenschaften aufweisen, die gleich den asbesthaltigen Reibungsmaterialien oder den bislang bekannten asbestfreien Reibungsmaterialien sind.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen weiter erläutert. Thermex (Warenbezeichnung der Firma Tohorayon Co., Ltd. - eine spezielle Kohlefaser auf PAN-Basis mit einem spezifischen Gewicht von 1,65) wurde mit anderen Komponenten entsprechend der Verhältnisse gemäß Tabelle 1 mit einem Mischer gleichförmig gemischt. Die resultierende Mischung wurde bei einer Temperatur von 150°C und einem Druck von 300 kg/cm² einer Druckformung in einer Form für die Zeit von 9 Minuten ausgesetzt, um ein Reibungsmaterial gemäß der Beispiele A bis F zu erhalten. Es sei hier angemerkt, daß die Zahlenangaben in Tabelle 1 in Volumenprozent wiedergegeben sind.

Dasselbe Verfahren, wie zuvor beschrieben, wurde mit der Ausnahme durchgeführt, daß die spezielle Kohlefaser auf PAN-Basis, welche in jedem der Beispiele A bis F verwendet wurde, durch eine übliche Kohlefaser auf PAN-Basis mit einem spezifischen Gewicht von 1,79 ersetzt wurde, so daß Reibungsmaterialien der Vergleichsbeispiele a bis f gemäß Tabelle 2 erhalten wurden.

Des weiteren wurde dasselbe Verfahren, wie zuvor beschrieben, mit der Ausnahme durchgeführt, daß die spezielle Kohlefaser auf PAN-Basis oder die übliche Kohlefaser auf PAN-Basis, die Aramidfaser und die Bronzefaser, welche in den Beispielen A bis D und den Vergleichsbeispielen a bis d verwendet wurden, durch Asbest, dieselbe Aramidfaser, dieselbe Kupferfaser oder dieselbe Aramidfaser und dieselbe Bronzefaser ersetzt wurden, um die Reibungsmaterialien der Vergleichsbeispiele g bis j gemäß Tabelle 3 zu erhalten.

Tabelle 1

Tabelle 2

Tabelle 3

Die Reibungsmaterialien der Beispiele A bis F gemäß der vorliegenden Erfindung und die Reibungsmaterialien der Vergleichsbeispiele a bis j wurden einem Reibungstest gemäß JASO C406 "Brems vorrichtungsdynamometertestverfahren - Personenwagen" unterzogen. Des weiteren wurde von jedem Bremsmaterial eine Probe nach dem zuvor genannten Test herausgeschnitten und einem Schertest unterworfen, wie er durch JASO C444-78 "physikalische Eigenschaften des Bremsmaterialtestverfahrens" beschrieben ist.

In den Tabellen 4 bis 6 sind die Ergebnisse der zuvor genannten Tests aufgeführt, das heißt (a) die Reibungskoeffizienten in dem Verschleißtest, für den Fall, daß jedes gezeigte Reibungsmaterial Oberflächentemperaturen von 100°C, 200°C, 300°C, 400°C und 450°C aufweist, (b) der Abriebsbetrag jedes Reibungsmaterials nach diesem Test, (c) der Zustand der Bremstrommel oder des Bremsscheibenrotors und dergleichen nach diesem Test und (d) die Scherfestigkeit die des Reibungsmaterials nach diesem Test.

Unter Verwendung von drei anderen speziellen Kohlefasern auf PAN-Basis mit spezifischen Gewichten von 1,68, 1,70 und 1,72 wurden Reibungsmaterialien in gleicher Weise, wie zuvor beschrieben, hergestellt. Diese wurden denselben Tests unterworfen. Die Ergebnisse entsprachen denjenigen gemäß der Tabellen 4 bis 6.

Wie zuvor beschrieben kann das asbestfreie Reibungsmaterial der vorliegenden Erfindung vorteilhaft als Bremsklotz, Bremsbelag, Kupplungsbelag und dergleichen für Fahrzeuge, Industriemaschinen und dergleichen verwendet werden.

Tabelle 4

Tabelle 5

Tabelle 6

Claims

1. Asbestfreies Reibungsmaterial bestehend aus Verstärkungsfasern, die nicht aus Asbest bestehen, einem Bindemittel, wie beispielsweise Phenolharz oder dergleichen, und einer die Reibung steuernden Komponente, wie beispielsweise Bariumsulfat oder dergleichen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Verstärkungsfasern aus speziellen Kohlefasern auf Polyacrylnitrilbasis bestehen.

2. Asbestfreies Reibungsmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlefasern aus Polyacrylnitrilbasis ein spezifisches Gewicht von 1,60 bis 1,74 aufweisen.

3. Asbestfreies Reibungsmaterial nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der speziellen Kohlefasern auf Polyacrylnitrilbasis 0,5 bis 70 Volumenprozent bezogen auf das gesamte Reibungsmaterial ist.