DE60008046T2

DE60008046T2 - Reibungsmaterial

Info

Publication number: DE60008046T2
Application number: DE60008046T
Authority: DE
Inventors: Minoru Osaka-shi TAKENAKA; Hiroshi Tokushima-shi OGAWA; Hiroshi Osaka-shi SHIBUTANI
Original assignee: Otsuka Chemical Co Ltd
Current assignee: Otsuka Chemical Co Ltd
Priority date: 1999-02-19
Filing date: 2000-02-16
Publication date: 2004-12-09
Anticipated expiration: 2020-02-17
Also published as: WO2000049104A1; JP2000240702A; EP1081206A1; DE60008046D1; CN1294621A; CN1129658C; EP1081206A4; EP1081206B1; JP4204132B2; US6355601B1; KR20010042775A; AU2572300A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Reibungsmaterial, welches als Material für Bauelemente von Bremsen geeignet ist, welche in Bremsmechanismen von Automobilen, Flugzeugen, Eisenbahn-Fahrzeugen, industriellen Maschinen etc. verwendet werden, zum Beispiel als Material für Kupplungsbeläge, als Material für Bremsen.
STAND DER TECHNIK
Bislang wurde als Reibungsmaterial in den Bauelementen von Bremsen Reibungsmaterial verwendet, welches durch Dispersion von Asbest in einem organischen oder anorganischem Bindemittel und Formgebung durch die Bindung ausgebildet wurde.
Jedoch weist das Reibungsmaterial dieses Typs unbefriedigende Reibungs- und Verschleißcharakteristika auf, wie Hitzeresistenz, und wirft Umwelt- und Gesundheitsprobleme durch karzinogene Asbeste oder ähnliches auf, weshalb eine große Nachfrage nach der Entwicklung der alternativen Produkte existiert.
Entsprechend der obigen Nachfrage wurde ein Reibungsmaterial vorgeschlagen, welches eine Kalium-Titanat-Faser als Substrat-Faser oder ein Reibungs-Regulierungs-Mittel verwendet. Die Kalium-Titanat-Faser weist kein karzinogenes Charakteristikum auf, zeigt aber eine exzellente Hitzeresistenz und weist eine exzellente Charakteristik auf, welche effektiv ist für die Verhütung des Nachlassens und die Verbesserung in der Thermostabilität einer Reibungscharakteristik.
Jedoch können in der momentanen Situation die Probleme der Verschleiß-Verursachung, Verringerung des Reibungskoeffizienten oder beliebige andere Probleme bei hohen Temperaturen auch durch das Reibungsmaterial, im Ge misch mit der Kalium-Titanat-Faser nicht ausreichend angegangen werden.
Da die Kalium-Titanat-Faser eine faserige Form aufweist und daher sperrig ist und eine geringe Fluidität aufweist, kann es ein Problem aufwerfen, dass sie an der Wand einer Einspeisungspassage während der Herstellung anhaftet und dann diese verstopft.
Außerdem wirft die Kalium-Titanat-Faser, welche in Form eines faserigen Pulvers vorliegt, die Probleme auf, dass sie zur Entwicklung von Pulverstäuben neigt und sich deshalb das Arbeitsumfeld verschlechtert.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist unter Beachtung der oben genannten konventionellen Probleme erdacht worden. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Reibungsmaterial mit exzellenten Reibungs- und Verschleißcharakteristika auch bei einer hohen Temperatur, sowie exzellenter Produktivität und Verarbeitbarkeit zu schaffen.
Das erfindungsgemäße Reibungsmaterial ist dadurch charakterisiert, dass es mit schuppigem Böhmit als Reibungs-Regulierungs-Mittel gemischt ist.
Der schuppige (zum Beispiel laminare oder flache) Böhmit, der in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ist eine Schichtverbindung, enthaltend AlO(OH), wovon eine natürliche Ausbildung als ein Aluminiumhydroxid-Mineral gefunden wurde mit einer schuppigen Form, welches Silicium, Titan, Eisen, Magnesium, Calcium etc. enthält, welches weit verbreitet in Bauxit ist und welches in einer Mineralablagerung von Pyrroferrit oder Kaolinit erzeugt wurde.
Ebenso ist es möglich, als schuppigen Böhmit der vorliegenden Erfindung vorzugsweise ein künstliches Material in der Form von Böhmit, wie Barium-enthaltendes Aluminiumoxid, Strontium-enthaltendes Aluminiumoxid, Magnesium-enthaltendes Aluminiumoxid, Calcium-enthaltendes A luminiumoxid, Magnesium-Calcium-enthaltendes Aluminiumoxid, Barium-hexaaluminat, Strontium-hexaaluminat, Magnesium-hexaaluminat, Calcium-hexaaluminat oder Magnesium-Calcium-hexaaluminat anzuwenden, welche durch hydrothermale Reaktion von Aluminiumhydroxid, Wasser und einer Erdalkali-Verbindung (Hydroxide, Essigsäurelösungen) unter einem Druck von 10 bis 100 atm und bei einer Reaktionstemperatur von 150 bis 300°C und dann optioneller Hitzebehandlung des Endstoffes bei einer Temperatur von 150 bis 1400°C synthetisiert wurden.
Jeder dieser schuppigen Böhmiten hat die unten beschriebenen Charakteristika:

(1) Er gehört zu einem orthorhombischen System in der kristallographischen Struktur und ist eine Interkallations-Verbindung mit einer Schichtstruktur.
(2) Er liegt typischerweise in der Form der hexagonalen Platte/Scheibe oder rhomboid mit Hauptachse von 0,1 bis 10 μm und einer Nebenachse (Dicke) von etwa 0,01 bis 0,3 μm vor.
(3) Er hat einen Mohs-Härte-Wert (alter Mohs-Härte-Wert) von 3,5 bis 4,0 und weist bei Verwendung in dem Reibungsmaterial eine niedrige Aggressivität gegenüber einem gegenüberliegenden Material auf.
(4) Er hat eine niedrige Reaktivität zu Wasser und ist wenig löslich in Säuren, Alkali.

Die oben beschriebene Charakteristik, die jeder schuppige Böhmit aufweist, ist sehr vorteilhaft bei einem Rohmaterial des Reibungsmaterials.
Das Reibungsmaterial, welches stabil die obige Struktur aufweist, weist einen exzellenten Reibungskoeffizienten und Abnutzungsresistenz über einen weiten Temperaturbereich von einer niedrigen Temperatur zu einer hohen Temperatur auf. Daher erreicht das Reibungsmaterial bei Verwendung als ein Material für Bauelemente von Brem sen, die in Automobilen, Eisenbahn-Fahrzeugen, Flugzeugen, verschiedenen industriellen Maschinen etc., z. B. als ein Material für Kupplungsbeläge und ein Material für Bremsen, wie ein Bremsbelag und ein Scheibenbelag verwendet werden, verbesserte und stabilisierte Bremsfunktion und erzielt ebenso einen Effekt in der Verbesserung der Nutzzeit. Die Menge an schuppigem Böhmit, die in das Reibungsmaterial der vorliegenden Erfindung gemischt wird, kann im Bereich von 3 bis 50 Gewichtsprozenten sein. Das Reibungsmaterial, welches den schuppigen Böhmit in nicht weniger als 3 Gewichtsprozent aufweist, kann ausreichendes Auftreten eines verbesserten Effektes auf das Reibungscharakteristikum liefern. Es gibt keine Vorteile bei der Beimischung des schuppigen Böhmits in mehr als 50 Gewichtsprozent.
Der schuppige Böhmit im erfindungsgemäßen Reibungsmaterial kann ein Erdalkalimetall enthaltendes Aluminiumoxid oder ein Erdalkalimetall-hexaaluminat sein.
Als ein Beispiel des erfindungsgemäßen Reibungsmaterials kann ein Reibungsmaterial, ausgebildet aus der Substratfaser, dem Reibungs-Regulierungs-Mittel und dem Bindemittel angeführt werden. Als ein Beispiel des Mischungsverhältnisses jedes Bestandteils in dem Reibungsmaterial können 1 bis 60 Gewichtsteile der Substratfaser, 20 bis 80 Gewichtsteile des Reibungs-Regulierungs-Mittels, welches den schuppigen Böhmit umfasst, 10 bis 40 Gewichtsteile des Bindemittels und 0 bis 60 Gewichtsteile der anderen Bestandteile angeführt werden.
Als ein Beispiel für die Substratfaser kann eine Harzfaser, wie z. B. eine Alamidofaser, eine metallische Faser wie z. B. eine Stahlfaser und eine Messingfaser, eine Kohlenstofffaser, eine Glasfaser, eine keramische Faser, eine Gesteinsfaser oder eine Holzfaser angeführt werden. Diese Substratfasern können einer Oberflächenbehandlung durch ein Aminosilan, Epoxysilan, Vinylsilan oder andere Kopplungsmittel aus der Silanserie, ein Kopp lungsmittel aus der Titanatserie, Phosphorhaltige Ester oder dergleichen unterzogen werden, um so die Dispergierbarkeit und die Haftfähigkeit zu dem Bindemittel zu verbessern.
Als Reibungs-Regulierungs-Mittel ist es möglich, ein unterschiedliches Reibungs-Regulierungs-Mittel in Verbindung mit dem schuppigen Böhmit zu verwenden, so weit wie eine solche Addition des unterschiedlichen Mittels nicht den erfindungsgemäßen Effekt verschlechtert.
Als ein Beispiel können vulkanisierte oder unvulkanisierte, natürliche oder synthetische Kautschuk-Krümel, Cashew-Harz-Krümel, organischer Staub, wie z. B. Harz-Staub und Kautschuk-Staub, anorganisches Pulver, wie z. B. Ruß, Graphitpulver, Molybdändisulfid, Bariumsulfid, Kaliumcarbonat, Ton, Glimmer, Talk, Kieselgur, Antigorit, Sepiolit, Montmorillonit, Zeolith, Natriumtrititanat, Natriumpentatitanat, Kaliumhexatitanat, Kaliumoctatitanat, Metallpulver aus Kupfer, Aluminium, Zink, Eisen, Oxidpulver wie z. B. Aluminiumoxid, Kieselgel, Chromoxid, Titanoxid und Eisenoxid angeführt werden. Für die Natriumtitanate und Kaliumtitanate (besonders Kaliumhexatitanat und Kaliumoctatitanat), werden vorzugsweise jene in sowohl granularer Form als auch Scheiben-Form zusammen in dem Reibungsmaterial verwendet. Vorzugsweise weisen jene in der granularen Form einen mittleren Korndurchmesser von 3 bis 10 μm und jene in der Scheiben-Form eine mittlere Dicke von 0,05 bis 1 μm und ein mittleres Seitenverhältnis/Streckungsverhältnis (aspect ratio) von 3 zu 1000 auf.
Bei Verwendung von Natriumtitanat oder Kaliumtitanat in Verbindung mit dem schuppigen Böhmit ist das Gewichtsverhältnis des schuppigen Böhmit zum Natriumtitanat oder Kaliumtitanat vorzugsweise in der Größenordnung von 1:9 bis 8:2.
Durch eine solche Kombination kann das Reibungsmaterial, welches hohe Reibungs- und Verschleißcharakteristika aufweist, geschaffen werden.
Als ein Beispiel für das Bindemittel kann ein organisches Bindemittel eines hitze-vernetzbaren Harzes wie z. B. Phenolharz, Formaldehydharz, Melaminharz, Epoxyharz, Acrylharz, aromatisches Polyesterharz oder Harnstoffharz, ein Elastomer wie z. B. Naturkautschuk, Nitrilkautschuk, Butadienkautschuk, Styrol-Butadienkautschuk, Chloroprenkautschuk, Polysobutylenkautschuk, Arcylkautschuk, hochmolekularer (high) Styrolkautschuk oder Styrol-Propylen-Dien-Copolymer, ein thermoplastisches Harz wie z. B. Polyamidharz, Polyphenylen-Sulfid-Harz, Polyetherharz, Polyimidharz, Polyether-Ether-Ketonharz oder thermoplastisches Flüssigkristall-Polyester-Harz, oder ein anorganisches Bindemittel aus der Gruppe von Aluminiumoxid-Sol, Kieselgel-Sol oder Silikonharz angeführt werden.
Zusätzlich zu den oben genannten Bestandteilen ist es möglich, das erfindungsgemäße Reibungsmaterial gegebenenfalls mit einem Bestandteil wie z. B. einem Rostschutzmittel, einem Schmierstoff-Mittel oder einem abriebfesten Mittel zu mischen.
Das Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Reibungsmaterials ist nicht auf ein bestimmtes limitiert. Vielmehr kann es angemessen entsprechend einem Verfahren zur Herstellung eines konventionell bekannten Reibungsmaterials hergestellt werden.
Als Beispiel für das Verfahren kann das Verfahren, welches das Dispergieren der Substratfaser im Bindemittel, Kombination des Reibungs-Regulierungs-Mittels mit den anderen Bestandteilen, die entsprechend dem Erfordernis beigemischt werden, Zusammenmischen, Bereiten der Zusammensetzung des Reibungsmaterials, dann Guss der Zusammensetzung in eine Gussform, dann Formen durch Bindung, welche durch Anwendung von Hitze unter Druck bewirkt wurde, umfasst, angeführt werden.
Als ein anderes Beispiel des Verfahrens kann das Verfahren, das Schmelzen und Kneten des Bindemittels mit einem biaxialen Extruder, Vereinigung mit der Substratfaser, dem Reibungs-Regulierungs-Mittel und den anderen Bestandteilen, die entsprechend dem Erfordernis beigemischt werden, welche aus einem Seitentrichter eingespeist werden, Zusammenmischen, Extrusion und dann Bearbeiten in eine gewünschte Form umfasst, angeführt werden.
Als ein weiteres Beispiel kann das Verfahren, welches Dispersion der Reibungsmaterial-Zusammensetzung in Wasser und Platzieren auf ein Draht-Gewebe und Entwässern durch den Festhalt darauf zur Ausbildung einer blattförmigen Zusammensetzung, Ausformen durch den Bindungseffekt, bewirkt durch Anwendung von Hitze unter Druck mit einer Pressmaschine, und geeignetes Schneiden und Polieren des resultierenden Reibungsmaterials in eine gewünschte Form umfasst, angeführt werden.
Bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Reibungsmaterials weist der Böhmit als das Reibungs-Regulierungs-Mittel eine schuppige Form auf, wodurch die Fluidität im Vergleich mit dem Material, welches Kalium-Titanat-Faser verwendet, welche eine faserige Form aufweist, verbessert wird und infolgedessen die Möglichkeit der Adhäsion an die Wand der Einspeisungspassage, welche das Verstopfen der Passage während der Herstellung verursachen kann, umgangen wird.
Ferner weist das Reibungs-Regulierungs-Mittel eine schuppige Form auf, so dass nur eine geringe Möglichkeit der Generierung von Stäuben wie bei dem Faserpulver des Kalium-Titanat vorhanden ist, wodurch das Arbeitsumfeld verbessert wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Graph der gemessenen Resultate, welcher die Beziehung zwischen der Verschleißgeschwindigkeit des Reibungsmaterials und der Scheibentemperatur zeigt.
2 ist ein Graph der gemessenen Resultate, welcher die Beziehung zwischen dem Reibungskoeffizienten und der Scheibentemperatur zeigt.
BESTE ERFINDUNGSGEMÄSSE AUSFÜHRUNGSFORM
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden mit der Anführung eines Ausführungsbeispiels, eines Vergleich-Beispiels und eines Test-Beispiels weiter beschrieben.
Referenz-Beispiel
Ein hochreines Aluminiumhydroxid (Al(OH)₃ (Reinheit >99%) und Strontiumhydroxid (Sr(OH)₂) wurden in Wasser zur Ausbildung einer Aufschlämmung dispergiert, welche dann unter einem Druck von 10 bis 15 atm und einer Reaktionstemperatur von 150 bis 200°C für acht Stunden unter Verwendung einer Hydrothermal-Synthese-Maschine reagieren gelassen und filtriert und getrocknet wurde.
Als Ergebnis wurde der schuppige Böhmit (Strontiumenthaltendes Aluminiumoxid) mit einer Hauptachse von 0,8 bis 1,0 μm und einer Nebenachse von 0,08 bis 1 μm erhalten.
Ausführungsbeispiel
15 Gewichtsteile der Kalium-Titanat-Faser (erhältlich von Otsuka Kagaku K.K., unter dem Markennamen „TIS-MO-D"), 4 Gewichtsteile Alamidofaser (erhältlich von Toray Industries, Inc., unter dem Markennamen „Kevlar Pulp", mit einer Länge von 3 mm), 9 Gewichtsteile eines Bindemittels (Phenolharz), 9 Gewichtsteile eines organischen Additivmittels (Cashewstaub oder ähnliches), 30 Gewichtsteile des schuppigen Böhmits (der im Referenz-Beispiel beschrieben wurde) und 33 Gewichtsteile der anderen Bestandteile (Schmiermittel wie Graphit, Metallpul ver, Oxidpulver) wurden ausreichend zusammengemischt und in eine Gussform gefüllt, geformt durch die Bindung (Andruckkraft 150 kgf/cm², bei einer Temperatur von 170°C für fünf Minuten), dann aus der Gussform gelöst und einer Hitzebehandlung (gehalten bei 180°C für drei Stunden) unterzogen. Dann wurde das Resultat einer Polier-Behandlung unterzogen und dadurch wurde ein Test-Muster (A) erhalten.
Das organische Additivmittel, Schmiermittel, Metallpulver, Oxidpulver, die verwendet wurden, waren solche, die üblicherweise zu dem Reibungsmaterial zugegeben werden.
Vergleichs-Beispiel
16 Gewichtsteile der Kalium-Titanat-Faser, 3 Gewichtsteile Alamidofaser (erhältlich von Toray Industries, Inc., unter dem Markennamen „Kevlar Pulp", mit einer Länge von 3 mm), 10 Gewichtsteile eines Bindemittels (Phenolharz), 9 Gewichtsteile eine organischen Additivmittels (Cashewstaub oder ähnliches) und 63 Gewichtsteile der anderen Bestandteile (Schmiermittel wie Graphit, Metallpulver, Oxidpulver) wurden ausreichend zusammengemischt und in eine Gussform gefüllt und den selben Behandlungen wie denen im Ausführungsbeispiel unterzogen. Dadurch wurde ein Test-Muster (B) erhalten.
Reibungs- und Verschleiß-Test
Teststücke wurden jeweils von dem Test-Muster (A) und dem Test-Muster (B) abgeschnitten und einem Konstantgeschwindigkeits-Reibungs- und Abnutzungs-Test (Scheiben-Reibungs-Fläche: FC25 graues Eisen, Anpressdruck 10 kgf/cm², Reibungsgeschwindigkeit: 7 m/sec.) entsprechend zu JIS D4411 (Bremsbeläge für Automobile) zur Messung der Verschleißgeschwindigkeit(cm³/kg · m) und des Reibungskoeffizienten (μ) unterzogen. Die gemessenen Resultate sind jeweils in 1 (Verschleißgeschwindigkeit) und 2 (Reibungskoeffizient) gezeigt.
Wie aus den Testresultaten ersichtlich, weist das Reibungsmaterial, gemischt mit dem schuppigen Böhmit (hergestellt aus Test-Muster (A)) eine bemerkenswert geringe Variation im Reibungskoeffizienten, sogar im Temperaturbereich über 350°C im Vergleich zu dem Reibungsmaterial ohne den Böhmit (hergestellt aus Test-Muster (B)) auf, und weist verbesserte Reibungs- und Verschleißcharakteristika mit einem relativ niedrigen Grad an Verschlechterung in der Reibungs-Resistenz auf.
Wie oben beschrieben, weist das Reibungsmaterial der vorliegenden Erfindung dauerhaft einen exzellenten Reibungskoeffizienten und Verschleißfestigkeit über einen weiten Temperaturbereich von einer niedrigen Temperatur zu einer hohen Temperatur auf. Deshalb erreicht das Reibungsmaterial bei Verwendung als Material für Bauelemente von Bremsen, verwendet in Automobilen, Eisenbahnfahrzeugen, Flugzeugen, verschiedenen industriellen Maschinen etc., z. B. als ein Material für Kupplungsbeläge und als ein Material für Bremsen, wie ein Bremsbelag und ein Scheibenbelag, verbesserte und stabilisierte Bremsfunktion und erzielt ebenso einen Effekt zur Verbesserung der Nutzungsdauer. Der Böhmit als das Reibungs-Regulierungs-Mittel, welcher eine schuppige Form aufweist, kann das Verstopfen der Einspeisungspassage während der Herstellung verhindern, die Möglichkeit der Generierung von Stäuben erniedrigen und weist daher exzellente Produktivität und Verarbeitbarkeit auf.
• Test-Muster A (erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel)
o Test-Muster B (Vergleichs-Beispiel)
Verschleißgeschwindigkeit (x 10^–7kg · m)
Scheibentemperatur (°C)
• Test-Muster A (erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel)
o Test-Muster B (Vergleichs-Beispiel)
Reibungskoeffizient (μ)
Scheibentemperatur (°C)

Claims

Reibungsmaterial, dadurch gekennzeichnet dass das Reibungsmaterial mit schuppigem (scaly) Böhmit gemischt ist, welcher zum orthorhombischen System der kristallographischen Strukturen gehört.
Reibungsmaterial nach Anspruch 1, wobei das Reibungsmaterial mit 3 bis 50 Gewichtsprozent des schuppigen Böhmit gemischt ist.
Reibungsmaterial nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der schuppige Böhmit ein Erdalkalimetall enthaltendes Aluminiumoxid oder ein Erdalkalimetall-hexaaluminat ist.