DE69211293T2 - Reibwerkstoff und Verfahren zur desen Herstellung - Google Patents
Reibwerkstoff und Verfahren zur desen HerstellungInfo
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Description
- Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Reibungsmaterialien bzw. -werkstoffen. Insbesondere betrifft sie ein Verfahren zur Herstellung von Hochleistungsreibungswerkstoffen deutlich verbesserter Reibungseigenschaften, Abnutzungsbeständigkeit, Wärmebeständigkeit und Antifading- bzw. Antischwundqualität mit besonderer Eignung zur Verwendung in Bremsen und Kupplungen.
- Reibungswerkstoffe zur Verwendung in Bremsen, Kupplungen u.dgl. werden üblicherweise durch Verbinden eines Reibungsmodifizierungsmittels, eines Füllstoffs und eines Verstärkungsmittels mit einem wärmehärtbaren Harz, z.B. einem Phenolharz, und Ausformen der Mischung hergestellt.
- Reibungswerkstoffe, insbesondere solche zur Verwendung in Bremsen, müssen ein extrem hohes Leistungsvermögen bezüglich Reibungseigenschaften, Abnutzungsbeständigkeit, Wärmebeständigkeit und Antifadingqualität aufweisen. Der Hauptteil ihres Leistungsvermögens wird durch das Leistungsvermögen des Harzbindemittels bestimmt. Bei üblichen Reibungswerkstoffen mit Phenolharzen oder sonstigen wärmehärtbaren Harzen als Bindemittel ist es unmöglich, die aus einem Abbau der Bindemittel im Laufe der Zeit und ihrer geringen Wärmebeständigkeit herrührenden Probleme, d.h. Änderung in den Reibungseigenschaften, Abnutzung, Wärmebruch und sog. Fading bzw. Schwund, vollständig zu beseitigen. Unter diesen Umständen wurden Untersuchungen durchgeführt, andere wärmehärtbare Harze, beispielsweise Furanharze und modifizierte Phenolharze, als Bindemittel zu verwenden. Bislang konnten jedoch noch keine Reibungswerkstoffe bereitgestellt werden, die den bekannten einschlagigen Werkstoffen in ihrer Leistung weit überlegen sind.
- Aus der JP-A-2044019 ist ein kohlefaserverstärkter Kohleverbundwerkstof zur Verwendung als Reibungswerkstoff bekannt. Bei dem aao beschriebenen Verfahren wird ein eine spezielle Menge an freiem Kohlenstoff enthaltendes Pech wärmebehandelt, um eine spezielle Menge an chinolinunlöslicher Mesophase, die dann in dem flüssigen Pech als festes Teilchen enthalten ist, zu erzeugen.
- Eine andere Klasse von Reibungswerkstoffen, die Gegenstand umfangreicher Untersuchungen gewesen sind, umfaßt die Verwendung von Sintermetallen oder Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen. Hierbei handelt es sich um andere als die wärmehärtbare Harze als Bindemittel verwendenden Reibungswerkstoffe. Sintermetalle sind jedoch aufgrund ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit mit schwerwiegenden Problemen, z.B. einer "Dampfblasenbildung" behaftet. Darüber hinaus kommt es bei hoher Belastung zu einem Schmelzen der Reibungsoberfläche Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe kranken daran, daß sie wegen der ihnen innewohnenden Gleitqualität nicht nur instabile Reibungseigenschaften und einen geringen Reibungswiderstand bei niedriger bis mittlerer Geschwindigkeit aufweisen, sondern sich auch rasch abnutzen. Beiden Arten von Reibungswerkstoffen ist der Nachteil gemeinsam, daß ihre Herstellungsrate so gering ist, daß sie sehr teuer sind. Demzufolge kommen Reibungswerkstoffe aus Sintermetallen oder Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen nur in sehr geringem Umfang zum Einsatz.
- Um nun den bekannten Schwierigkeiten zu begegnen, haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung einen Reibungswerkstoff mit Mesophasepech als Bindemittel untersucht und dabei einen Reibungswerkstoff sehr hohen Leistungsvermögens mit der Fähigkeit der Gewährleistung konstanter Reibungsleistung selbst unter Bedingungen hoher Belastung entwickelt (japanische Patentveröffentlichung Nr. 219924/1988). Zur Herstellung dieses Reibungswerkstoffs muß jedoch eine Warmformgebung unter hohen Temperaturbedingungen (400 - 650ºC) durchgeführt werden. Somit benötigt man eine teure Presse, was ein Hindernis für die Verwirklichung einer industriellen Produktion darstellt.
- Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben folglich umfangreiche Untersuchungen durchgeführt, um ein industriell vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung von Hochleistungsreibungswerkstoffen zu entwickeln. Hierbei haben sie gefunden, daß bei Verwendung eines Pechs mit Schwefel und/oder einer aromatischen Nitroverbindung in Mesophasepech niedrigen Erweichungspunkts als Bindemittel der Formvorgang auch unter Niedrigtemperaturbedingungen durchgeführt werden kann und dabei ein Reibungswerkstoff sehr guter Leistung erhältlich ist. Die vorliegende Erfindung beruht auf dieser Erkenntnis.
- Gegenstand einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Reibungswerkstoff, umfassend eine oder mehrere Faserart(en), ausgewählt aus Metallfasern, organischen Fasern und anorganischen Fasern, als Verstärkung, die mit einer Pechmischung aus 70 - 99% Mesophasepech und 30 - 1% Schwefel, einer aromatischen Nitroverbindung oder einer Kombination aus Schwefel und einer aromatischen Nitroverbindung gebunden sind, wobei der Gehalt an optisch anisotroper Phase in dem Mesophasepech mindestens 80% beträgt und das Mesophasepech einen Erweichungspunkt von nicht mehr als 270 ºC aufweist.
- Gegenstand einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung des obigen Reibungswerkstoffs durch Verbinden einer oder mehrerer Faserart(en), ausgewählt aus Metallfasern, organischen Fasern und anorganischen Fasern, mit einer Pechmischung aus 70 - 99% Mesophasepech und 30 - 1% Schwefel, einer aromatischen Nitroverbindung oder einer Kombination aus Schwefel und einer aromatischen Nitroverbindung, wobei der Gehalt an optisch anisotroper Phase in dem Mesophasepech mindestens 80% beträgt und das Mesophasepech einen Erweichungspunkt von nicht mehr als 270 ºC aufweist.
- Fig. 1 ist eine graphische Darstellung der Ergebnisse des in Beispielen 1 und 2 und in Vergleichsbeispielen 1 und 2 durchgeführten Bremsdynamotests.
- Im folgenden wird die vorliegende Erfindung in ihren Einzelheiten beschrieben.
- Der Ausdruck "optisch anisotrope Phase" bedeutet hier und im folgenden, daß ein Teil eines Prüflings (Pechmasse, die nahe Umgebungstemperatur verfestigt und auf einer Querschnittsfläche poliert worden war) bei der Untersuchung mit einem reflektierenden optischen Mikroskop unter gekreuzten Nicols beobachtbar leuchtet, wenn der Prüfling oder die gekreuzten Nicols gedreht wird (werden) (d.h. optisch anisotrop). Der Ausdruck der Gehalt an optisch anisotroper Phase" bedeutet die prozentuale Fläche dieser optisch anisotropen Phase bei einer mikroskopischen Untersuchung. Der Ausdruck "Mesophasepech" bedeutet ein Pech, das diese optisch anisotrope Phase enthält. Der Ausdruck "Erweichungspunkt" bedeutet die Fest/Flüssigübergangstemperatur bei Bestimmung (für das jeweilige Pech) mit einem Kohka-Fließtester.
- Erfindungsgemäß verwendbare aromatische Nitroverbindungen sind (ohne darauf beschränkt zu sein) beispielsweise Nitrobenzol, Dinitrobenzol, Dinitrotoluol, Dinitrocresol, Nitronaphthalin, Dinitronaphthalin, Nitroanthracen und Dinitroanthracen. Solche aromatische Nitroverbindungen können entweder alleine oder in Mischung verwendet werden. Gewünsch tenfalls können sie Isomere enthalten. Aus Gründen der Verfügbarkeit (im Handel) und einer einfachen Handhabung läßt sich in vorteilhafter Weise Dinitronaphthalin verwenden.
- Erfindungsgemäß wird ein Pech aus 70 - 99% Mesophasepech und 30 - 1% Schwefel und/oder einer aromatischen Nitroverbindung als Bindemittel für Reibungswerkstoffe verwendet. Der Gehalt an der zuvor definierten anisotropen Phase in dem Mesophasepech beträgt mindestens 80%. Das Mesophasepech besitzt einen Erweichungspunkt von nicht mehr als 270ºC. Wenn der Gehalt an Schwefel und/oder einer aromatischen Nitroverbindung in dem erfindungsgemäß zu verwendenden Pech weniger als 1% beträgt, erreicht man keine akzeptable Imprägnierung bei niedriger Temperatur. Wenn ihr Gehalt 30% übersteigt, verbleiben sie im Formling nichtumgesetzt. In beiden Fällen besitzt der erhaltene Reibungswerkstoff eine geringere Festigkeit. Dies gilt auch für den Fall der Verwendung eines Mesophasepechs eines Erweichungspunkts über 270ºC. Man erreicht auch hier keine akzeptable Impragnierung bei niedriger Temperatur und erhält lediglich einen schlechten Formling.
- Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird bei der Herstellung eines Reibungswerkstoffs die zuvor beschriebene Pechmischung als Bindemittel verwendet. Der erhaltene Reibungswerkstoff enthält eine Verstärkung, z.B. eine Metallfaser, eine organische Faser oder eine anorganische Faser. Beispiele für Metallfasern sind Stahlfasern und Kupferfasern. Beispiele für organische Fasern sind Aramidfasern und Aramidpulpefasern. Beispiele für anorganische Fasern sind Glasfasern, Al&sub2;O&sub3;- SiO&sub2;-Fasern, Kaliumtitanatfasern und Steinwolle.
- Die Verstärkung wird vorzugsweise in Kombination mit weite ren Zusätzen, z.B. Reibungsmodifizierungsmitteln und Füllstoffen, verwendet. Die Ausdrücke "Reibungsmodifizierungsmittel" und "Füllstoffe" bezeichnen metallische, anorganische oder organische Pulver und kurze Fasern, insbesondere Kupferpulver, Eisenpulver, Zinkpulver, BaSO&sub4;, Sb&sub2;O&sub3;, Fe&sub3;O&sub4;, ZrSiO&sub4; und dergleichen. Andere Pulver und kurze Fasern können ohne weitere Beschränkungen für Spezialzwecke verwendet werden.
- Die Menge, in der das Bindemittel erfindungsgemäß einzusetzen ist, ist nicht auf einen speziellen Wert beschränkt, im Falle einer extremen Über- oder Unterdosierung sinkt jedoch die Festigkeit des erhaltenen Reibungswerkstoffs. Folglich wird das Bindemittel vorzugsweise in einer Menge von 3 - 40% verwendet. Die Bestandteile können wie bei der Herstellung üblicher Reibungswerkstoffe in beliebiger Weise entweder naß oder trocken miteinander gemischt werden.
- Zur Herstellung von Reibungswerkstoffen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kann man sich wie bei der Ausformung üblicher Reibungswerkstoffe einer Warmpressung oder sonstiger Warmformgebungsverfahren bedienen.
- Die erfindungsgemäß als Bindemittel zu verwendende Teermischung erweicht bei einer Temperatur, die 5 - 80ºC unter dem Erweichungspunkt des einen Bestandteil des Pechs bildenden Mesophasepechs liegt. In einem typischen Fall besitzt die Pechmischung eine akzeptable Fließfähigkeit und Imprägnierfähigkeit selbst bei niedrigen Temperaturen von 200 ºC und darunter. Da der Schwefel oder die aromatische Nitroverbindung, der bzw. die den zuzumischenden Bestandteil bildet, mit diesem Mesophasepech reaktionsfähig ist und bei Temperaturen über etwa 180ºC eine heftige Reakion erfährt, kommt es nach einer bei 240ºC und darüber durchgeführten Wärmebehandlung zu einer Umwandlung in ein praktisch dichtes kohlenstoffartiges Material hoher Wärmestabilität.
- Darüber hinaus erfährt das aus der Pechmischung gebildete kohlenstoffartige Material lediglich einen begrenzten Gewichtsverlust und wirkt dabei als sehr stabiles Bindemittel in einem Temperaturbereich von Umgebungstemperatur bis zu etwa 1000ºC. Folglich kann aus diesem kohlenstoffartigen Material selbst bei niedrigen Temperaturen von etwa 180 - 400ºC ein Reibungswerkstoff geformt werden.
- Der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltene Reibungswerkstoff wird bei relativ niedrigen Temperaturen ausgeformt und erfährt dabei bei hoher Festigkeit in einem Temperaturbereich von Umgebungstemperatur bis zu etwa 1000ºC lediglich einen begrenzten Gewichtsverlust. Hinzu kommt noch, daß er ein extrem hohes Leistungsvermögen bezüglich Reibungseigenschaften, Abnutzungsbeständigkeit, Wärmebeständigkeit und Antifadingqualität aufweist. Der in der geschilderten Weise ausgeformte Reibungswerkstoff kann gegebenenfalls vor Gebrauch einer Wärmebehandlung bei 1000ºC und darunter in einer Inertgasatmosphäre, wie gasförmigem Stickstoff, unterworfen werden.
- Die folgenden, nicht beschränkenden Beispiele sollen die Erfindung näher veranschaulichen.
- Stahlfasern (45 Teile), BaSO&sub4; (10 Teile), Sb&sub2;O&sub3; (3 Teile), ZrSiO&sub4; (10 Teile), ein Graphitpulver (30 Teile), ein Zn-Pulver (2 Teile) und ein Mesophasepech (9 Teile), das einen Erweichungspunkt von 245ºC aufwies und dessen Gehalt an optisch anisotroper Phase 100% betrug, wurden mit einem Mischer 5 min lang trocken gemischt. Die Mischung wurde vorgeformt, in eine Form gelegt und bei 600ºC heißgeformt, um einen Bremsklotz herzustellen.
- Die Reibungseigenschaften des Bremsklotzes wurden mit einem Bremsdynamometer bestimmt. Das Ergebnis ist durch Kurve c in Fig. 1 dargestellt. Nach Beendigung des Tests zeigte der Bremsklotz eine Gesamtabnutzung von 0,35 mm. Das Testergebnis zeigt, daß der Bremsklotz des Vergleichsbeispiels 1 ein extrem hohes Leistungsvermögen bezüglich Reibungseigenschaften, Abnutzungsbeständigkeit, Wärmebeständigkeit und Antifadingqualität zeigte, zur Herstellung des Bremsklotzes war jedoch eine Warmformgebung bei 600ºC erforderlich.
- Stahlfasern (45 Teile), BaSC&sub4; (10 Teile), Sb&sub2;O&sub3; (3 Teile), ZrSiO&sub4; (10 Teile), ein Graphitpulver (30 Teile), ein Zn-Pulver (2 Teile) und eine Pechmischung (9 Teile) aus 20% Schwefel und 80% Mesophasepech eines Erweichungspunkts von 203ºC und eines Gehalts an optisch anisotroper Phase von 99% wurden 5 min lang mit einem Mischer trocken gemischt. Die Mischung wurde vorgeformt, in eine Form gelegt und bei 250ºC warmgeformt. Nach dem Entformen wurde der Formling zur Herstellung eines Bremsklotzes in einer Stickstoffatmosphäre bei 600ºC einer Wärme(nach)behandlung unterworfen.
- Der Bremsklotz wurde wie in Vergleichsbeispiel 1 einem Dynamotest unterworfen. Das Ergebnis ist durch Kurve a in Fig. 1 dargestellt. Nach Beendigung des Tests zeigte der Bremsklotz eine Gesamtabnutzung von 0,46 mm. Das Testergebnis zeigt, daß der Bremsklotz des Beispiels 1 trotz Ausformung bei niedriger Temperatur ein hohes Leistungsvermögen ähnlich demjenigen des Bremsklotzes des Vergleichsbeispiels 1 bezüglich Reibungseigenschaften, Abnutzungsbeständigkeit, Wärmebeständigkeit und Antifadingqualität zeigte.
- Stahlfasern (45 Teile), BaSO&sub4; (10 Teile), Sb&sub2;O&sub3; (3 Teile), ZrSiO&sub4; (10 Teile), ein Graphitpulver (30 Teile), ein Zn-Pulver (2 Teile) und eine Teermischung (9 Teile) aus 15% Dinitronaphthalin und 85% Mesophasepech eines Erweichungspunkts von 232ºC und eines Gehalt an optisch anisotroper Phase von 100% wurden 5 min lang mit einem Mischer trocken gemischt. Die Mischung wurde in eine Form gefüllt, bei 300ºC heißgeformt, aus der Form entnommen und zur Herstellung eines Bremsklotzes in einer Stickstoffatmosphäre bei 600ºC einer Wärme(nach)behandlung unterworfen.
- Der Bremsklotz wurde entsprechend Vergleichsbeispiel 1 einem Dynamotest unterworfen. Das Ergebnis ist durch Kurve b in Fig. 1 dargestellt. Nach Beendigung des Tests zeigte der Bremsklotz eine Gesamtabnutzung von 0,44 mm. Das Testergebnis zeigt, daß der Bremsklotz des Beispiels 2 trotz Ausformung bei niedriger Temperatur ein ebenso hohes Leistungsvermögen bezüglich Reibungseigenschaften, Abnutzungsbeständigkeit, Wärmebeständigkeit und Antifadingqualität aufwies wie der Bremsklotz des Vergleichsbeispiels 1.
- Stahlfasern (45 Teile), BaSO&sub4; (10 Teile), Sb&sub2;O&sub3; (3 Teile), ZrSiO&sub4; (10 Teile), ein Graphitpulver (30 Teile), ein Zn-Pulver (2 Teile) und ein Novolakphenolharz (9 Teile) mit 10% Hexamin wurden mit einem Mischer 5 min lang trocken gemischt und vorgeformt. Die erhaltene Vorform wurde in einer auf 150ºC vorgewärmten Form heißgeformt. Danach wurde zur Herstellung eines Bremsklotzes bei 230ºC nachgehärtet.
- Der Bremsklotz wurde entsprechend Vergleichsbeispiel 1 einem Dynamotest unterworfen. Das Ergebnis ist durch Kurve d in Fig. 1 dargestellt. Daraus ist zu entnehmen, daß der Bremsklotz des Vergleichsbeispiels 2 eine geringe Wärmebeständigkeit aufwies und einen erheblichen Schwund bzw. sog. Fading (deutlicher Abfall des Reibungskoeffizienten) zeigte. Nach Beendigung des Tests zeigte der Bremsklotz eine Gesamtabnutzung von 0,68 mm. Dies belegt, daß er auch eine schlechte Abnutzungsbeständigkeit besaß.
- Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich Reibungswerkstoffe gleichbleibender Reibungseigenschaften über einen breiten Temperaturbereich auf wirtschaftlich vorteilhafte Weise unter Bedingungen niedriger Formgebungstemperatur herstellen.
Claims (15)
1. Reibungswerkstoff, umfassend eine oder mehrere
Faserart(en), ausgewählt aus Metallfasern, organischen
Fasern und anorganischen Fasern, als Verstärkung, die
mit einer Pechmischung aus 70 - 99% Mesophasepech und
30 - 1% Schwefel, einer aromatischen Nitroverbindung
oder einer Kombination aus Schwefel und einer
aromatischen Nitroverbindung gebunden ist (sind), wobei der
Gehalt an optisch anisotroper Phase in dem
Mesophasepech mindestens 80% beträgt und das Mesophasepech einen
Erweichungspunkt von nicht mehr als 270 ºC aufweist.
2. Reibungswerkstoff nach Anspruch 1, wobei die
aromatische Nitroverbindung aus Nitrobenzol, Dienitrobenzol,
Dinitrotoluol, Dinitrocresol, Nitronaphthal in,
Dinitronaphthalin, Nitroanthracen, Dinitroanthracen und
Mischungen derselben ausgewählt ist.
3. Reibungswerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, wobei die
Metalifaser aus einer Stahlfaser oder Kupferfaser
besteht.
4. Reibungswerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, wobei die
organische Faser aus einer Aramidfaser oder
Aramidpulpefaser besteht.
5. Reibungswerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, wobei die
anorganische Faser aus einer Glasfaser, Al&sub2;O&sub3;-SiO&sub2;-Faser,
Kaliumtitanatfaser oder Steinwolle besteht.
6. Reibungswerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 5, der
zusätzlich ein Reibungsmodifizierungsmittel und einen
Füllstoff enthält.
7. Reibungswerkstoff nach Anspruch 6, wobei das
Reibungsmodifizierungsmittel und der Füllstoff jeweils aus
einem (einer) metallischen, anorganischen oder
organischen Pulver oder kurzen Faser bestehen.
8. Reibungswerkstoff nach Anspruch 6, wobei das
Reibungsmodifizierungsmittel und der Füllstoff jeweils aus
Kupferpulver, Eisenpulver, zinkpulver, BASC&sub4;, Sb&sub2;O&sub3;, Fe&sub3;O&sub4;
und ZrSiO&sub4; ausgewählt sind.
9. Reibungswerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
wobei das Bindemittel in einer Menge von 3 - 40% auf der
Basis des Gewichts des Reibungswerkstoffs verwendet
wird.
10. Verfahren zur Herstellung des Reibungswerkstoffs nach
einem der Ansprüche 1 bis 9 durch Binden einer oder
mehrerer Faserart(en), ausgewählt aus Metallfasern,
organischen Fasern und anorganischen Fasern, mit einer
Pechmischung aus 70 - 99% Mesophasepech und 30 - 1%
Schwefel, einer aromatischen Nitroverbindung oder einer
Kombination aus Schwefel und einer aromatischen
Nitroverbindung, wobei der Gehalt an optisch anisotroper
Phase in dem Mesophasepech mindestens 80% beträgt und
das Mesophasepech einen Erweichungspunkt von nicht
höher als 270ºC aufweist.
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Reibungswerkstoff
durch Heißformen hergestellt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Heißformen aus
einem Heißpressen besteht.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei die
Formgebungstemperatur 180 - 400ºC beträgt.
14. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei der
Reibungswerkstoff nach dem Ausformen in einer inerten
Atmosphäre bei einer Temperatur von 1000ºC und darunter
wärmebehandelt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die inerte Atmosphäre
aus einer Stickstoffatmosphäre besteht.
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