DE69514405T2

DE69514405T2 - Reibungsmaterial

Info

Publication number: DE69514405T2
Application number: DE1995614405
Authority: DE
Inventors: Hidekazu Kubono; Seiji Suzuki; Kazuo Tsugawa
Original assignee: Nisshinbo Industries Inc; Nisshin Spinning Co Ltd
Current assignee: Nisshinbo Holdings Inc
Priority date: 1994-04-28
Filing date: 1995-03-27
Publication date: 2000-08-24
Anticipated expiration: 2015-03-28
Also published as: EP0679818B1; DE69514405D1; EP0679818A2; EP0679818A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Reibungsapparat gemäß der Einleitung des Anspruchs 1. Die Erfindung umfaßt außerdem einen Bremsapparat.
Die Erfindung ist auf Scheiben- und Trommelbremsen und auf Kupplungen in der Automobil- und Flugzeug-Industrie und auf Maschinenwerkzeuge im allgemeinen anwendbar. Es wurde festgestellt, daß durch Wahl bestimmter Kombinationen von Zusatzstoffen zum Reibungsmaterial und zur Aluminiumlegierung ein ausgezeichneter Reibungskoeffizient bei geringen Abriebsraten des Reibungsmaterials und der Aluminiumoberfläche bereitgestellt werden kann.
Aus US-A-4.290.510 ist ein Reibungsapparat bekannt, umfassend einen Rotor oder eine Trommel, die aus einer Aluminiumlegierung mit 65 bis 98 Vol-% Aluminium und einem verstärkenden hartkeramischen Material besteht, und ein Reibungsmaterial in Kontakt mit dem Rotor.
In der Automobil- und Flugzeug-Industrie ist die Reduzierung von Gewicht in hohem Maße erwünscht. Bei Flugzeugen ist die Notwendigkeit der Gewichtsverminderung naheliegend. Eine Gewichtsreduktion bei Automobilen und Lastkraftwagen hat an Wichtigkeit zugenommen, da sowohl der Preis von Benzin und der Steuersatz darauf gestiegen als auch die Umweltvorschriften strenger geworden sind. In der Vergangenheit wurden Bremstrommeln, Bremsrotoren und Schwungräder aus Gußeisen hergestellt. Bremsbacken, Scheibenkissen und Kupplungen wurden mit Zusammensetzungen verkleidet, die Bindemittel, Füllstoffe, Metallflocken und Asbestfasern enthielten. Es wurden verschiedene Kombinationen verwendet, um einen geeigneten Reibungskoeffizienten bei niedrigen Temperaturen unter Minimierung der Abrieb- und Schwundneigungen bei hohen Temperaturen bereitzustellen. Die Verwendung von Asbest hat in vielen Ländern infolge von Umwelt- und Gewerbehygiene-Vorschriften stark abgenommen.
Der Wunsch, die ungefederte Masse und das Gesamtgewicht von Kraftfahrzeugen zu vermindern, läßt annehmen, daß Aluminiumlegierungen ein geeigneter Ersatz für Gußeisen sein könnten. Unglücklicherweise sind Aluminiumlegierungen weicher als Gußeisen, weshalb die bei Verwendung herkömmlicher Reibungsmaterialien auftretenden Abriebsraten inakzeptabel sind.
Aluminiumlegierungen lassen sich durch Zugabe von Partikeln oder Haarkristallen aus keramischen Materialien wie SiC, Al&sub2;O&sub3; oder ZrO&sub2; wirksam härten, doch sind Auskleidungen der herkömmlichen Art, hergestellt aus einem Bindemittel, wie z. B. einem Phenolharz, einem Füllstoff, wie z. B. Graphit, Bariumsulfat, Calciumcarbonat und/oder Metallpulver, und ein anderes fasriges Material als Asbest, d. h. organische Fasern, Glasfasern oder Metallfasern, mit den gehärteten Aluminiumlegierungen inkompatibel. Insbesondere der Reibungskoeffizient ist zu gering und die Rate des Angriffs durch das Reibungsmaterial am Aluminium inakzeptabel. Deshalb scheint ein anderer Ansatz erforderlich zu sein.
Es wurde festgestellt, daß Reibungsmaterialien, die bestimmte harte anorganische Materialien wie Metalloxide, Boride, Carbide und/oder Nitride enthalten, wobei diese Materialien eine Mohs-Härte von 8 oder mehr aufweisen, speziell mit Metalloberflächen aus Aluminiumlegierungen kompatibel sind, die mit bestimmten interstitiellen keramischen Materialien gehärtet sind. Die Wahl der geeigneten Kombination aus keramischem Härtemittel für die Aluminiumlegierung und hartem anorganischen Zusatzstoff zum Reibungsmaterial folgt einem halbempirischen Muster.
Das Reibungsmaterial gemäß dieser Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumlegierung 65-98 Vol-% Aluminium und 0,5 bis 35 Vol.-% eines verstärkenden Hartmaterials enthält, das gewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Si&sub3;N&sub4;, TiN, TiC, Al&sub2;O&sub3;, SiC, ZrO&sub2; und SiO&sub2;, und daß im Reibungsmaterial 0,1 bis 30 Vol.-% eines harten anorganischen Materials enthalten sind, gewählt aus der Gruppe, bestehend aus SiC, Al&sub2;O&sub3;, ZrO&sub2;, B&sub4;C, c-BN und WC.
Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen gezeigt. Die beim Reibungsmaterial gemäß dieser Erfindung verwendeten harten anorganischen Materialien müssen eine Mohs-Härte von 8 oder größer aufweisen. Der einleuchtende Grund für diese Anforderung besteht darin, daß die in den kompatiblen Aluminiumlegierungen verwendeten Härtemittel eine vergleichbare Mohs-Härte besitzen.
Das harte anorganische Material mit einer Mohs-Härte von 8 oder mehr kann ein Metalloxid sein, z. B. ZrO&sub2; oder Al&sub2;O&sub3;, ein Borid, z. B. B&sub4;C, ein Carbid, z. B. SiC oder WC, ein Nitrid, z. B. c-BN, und Gemische davon.
Das harte anorganische Material kann in Form eines Pulvers, von Partikeln oder von Haarkristallen vorliegen. Verschiedene Formen sind allgemein miteinander kompatibel.
Die Größe des harten anorganischen Materials liegt vorzugsweise zwischen 0,2 und 250 um, wenn das Material in Form eines Pulvers oder von Partikeln vorliegt. Kleinere Größen als 0,2 um sind nicht abrasiv genug und können keinen ausreichend hohen Reibungskoeffizienten bereitstellen. Größere Größen als 250 um sind eher zu abrasiv und neigen sogar, noch schlimmer, zum Abhobeln des Aluminiummaterials.
Handelt es sich beim harten anorganischen Material um Haarkristalle oder Fasern, so betragen aus oben beschriebenen Gründen geeignete Durchmesser 0,1 bis 100 um bei Längen von 1 um bis 5 mm.
Die Menge an hartem anorganischem Material im Reibungsmaterial beträgt erwünschterweise etwa 0,1 bis 30 Vol-%, vorzugsweise 0,5 bis 15%. Mengen von unter 0,1% erzielen keine signifikante Verbesserung hinsichtlich des Reibungskoeffizients. Mengen von größer als 30% erzeugen eine Rauhigkeit, die die Verbesserung bei der Härte der Aluminiumlegierung wie nachfolgend beschrieben übertrifft und einen übermäßigen Abrieb der Legierung bewirkt.
Das Härtungs- oder Verstärkungsmaterial für die Aluminiumlegierung wird in einer Menge von 35 Vol-% oder weniger, und bevorzugt von 15 bis 25 Vol-%, verwendet und ist ein keramisches Material in Form von Partikeln, Haarkristallen oder ähnlichem, gewählt aus Si&sub3;N&sub4;, TiN, TiC, Al&sub2;O&sub3;, SiC, ZrO&sub2;, SiO&sub2; und deren Gemischen.
Die Präparation der Aluminiumlegierung, enthaltend das Härtungs- oder Verstärkungsmaterial, geht von einer herkömmlichen Aluminiumlegierung aus, gewählt aus den in den Japanischen Industrienormen beschriebenen Zusammensetzungen und ähnlichen, im Fachbereich wohlbekannten Zusammensetzungen aus. Das Härtungsmaterial in Form von Partikeln, Haarkristallen oder Pulvern kann der schmelzflüssigen Legierung zugegeben oder mittels Verfahrensweisen eingebracht werden, die sich zur Einführung keramischer Partikel in die Oberfläche eines zuvor geformten Rohlings oder teilweise maschinell hergestellten Materials eignen. So können die Partikel beispielsweise unter Verwendung eines Plasmastrahls eingeführt werden, oder sie können aufgetragen werden, gefolgt durch Abtasten der Oberfläche mit einem Laser. Die Partikel werden nicht zu einem Teil einer Flüssiglösung, doch bleiben in der Matrix der Aluminiumlegierung als voneinander getrennte Partikel eingefangen. Die keramischen Materialien sind dieselben, oder weisen ähnliche Eigenschaften auf wie die im Reibungsmaterial verwendeten harten anorganischen Materialien. Die folgende Tabelle veranschaulicht die Materialien und die Beziehungen in Volumenprozent, die die kompatiblen gehärteten Legierungen und Reibungsmaterialien gemäß dieser Erfindung erzeugen. Tabelle 1A Tabelle 1B Tabelle 1C Tabelle 1D Tabelle 1E Tabelle 1F
Das Symbol "H in AR" steht für das harte Verstärkungsmaterial und seinen prozentualen Anteil in einem Aluminium-Rotor. Das Symbol "H in FM" steht für das harte anorganische Material und seinen prozentualen Anteil im Reibungsmaterial.
Die folgenden Beispiele veranschaulichen die Wirkungsfähigkeit der beschriebenen Erfindung. Die Beispiele dienen lediglich der Veranschaulichung und nicht der Beschränkung der Erfindung. Abwandlungen der Erfindung, die für Fachleute des Bereichs ohne weiteres erkennbar sein werden, gehören zum Umfang der Erfindung.

Beispiele 1-10 und Vergleichsbeispiel 1

Die Reibungsmaterialien der Beispiele 1-10 und des Vergleichsbeispiels 1 wurden unter den folgenden Bedingungen hergestellt.
Vorformung:
Raumtemperatur, Oberflächendruck = 400 kg/cm²
Heißpressung:
Temp. = 150ºC, Druck = 400 kg/cm², 10 Minuten
Wärmebehandlung: 180ºC · 5 Stunden
Die erhaltenen Reibungsmaterialien wurden einem Reibungstest unter Verwendung eines Dynamometers im Normalmaßstab unter den folgenden Bedingungen unterzogen:
Testverfahren: JASO C427-83 I = 5 kgms²
Rotormaterial: Matrix = Aluminiumlegierung nach JIS AC8B
Verstärkungsmittel für Rotor:
Beispiele 1-5
SiC-Partikel von 10 um, verwendet in einer Menge von 25 Vol-%
Beispiele 6-10
SiC-Partikel von 30 um, verwendet in einer Menge von 30 Vol-%
Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt. Tabelle 1
In Tabelle 1 weist ein Minus-Wert darauf hin, daß beim Angriff der entgegengesetzten Fläche durch Abrieb ein Pulver erzeugt wird, das an der entgegengesetzten Fläche haften bleibt.
Wie aus Tabelle 1 ersichtlich, zeigen die Reibungsmaterialien der vorliegenden Erfindung, die jeweils ein hartes anorganisches Material enthalten, ausgezeichnete Reibungskoeffizienten und eine ausgezeichnete Abriebsfestigkeit in einem breiten Temperaturbereich und sind hinsichtlich des Fehlens von Angriff der entgegengesetzten Fläche hervorragend. Im Gegensatz dazu ist das Reibungsmaterial des Vergleichsbeispiels 1 hinsichtlich des Reibungskoeffizienten und der Abriebsfestigkeit minderwertig und wurde durch die entgegengesetzte Fläche abgerieben.
Über die oben beschriebenen Materialien hinaus ist klar, daß Reibungskontrollmittel, einschließlich MoS&sub2;, Sb&sub2;S&sub3;, Sb&sub2;O&sub3;, Gummipulver, Graphit, pulverisierte Nußschalen und andere, den Fachleuten des Bereichs bekannte Zusatzstoffe, verwendet werden können, um den für die bestimmte Anwendung erforderlichen Reibungskoeffizienten zu erhalten. Es ist genauso klar, daß mechanische Systeme, die nicht mit der Transportindustrie verwandt sind, sich ebenfalls zur Kombination von spezifiziertem Reibungsmaterial mit gehärteter Aluminiumlegierung in ihren Anwendungen eignen können.

Claims

1. Reibungsapparat, umfassend

(1) einen Rotor oder eine Trommel, umfassend eine Aluminiumlegierung mit 65 bis 98 Vol.-% Aluminium und mindestens einem verstärkenden hartkeramischen Material, und (2) ein Reibungsmaterial in Kontakt mit dem Rotor oder der Trommel,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Aluminiumlegierung 0,5 bis 35 Vol.-% des hartkeramischen Materials enthält, das gewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Si&sub3;N&sub4;, TiN, TiC, Al&sub2;O&sub3;, SiC, ZrO&sub2; und SiO&sub2;, und im Reibungsmaterial 0,1 bis 30 Vol.-% des harten anorganischen Materials enthält, gewählt aus der Gruppe, bestehend aus SiC, Al&sub2;O&sub3;, ZrO&sub2;, B&sub4;C, c-BN und WC.

2. Reibungsapparat nach Anspruch 1, wobei das im Reibungsmaterial enthaltene harte anorganische Material die Form eines Pulvers, Partikels oder Haarkristalls aufweist.

3. Reibungsapparat nach Anspruch 1, wobei das im Reibungsmaterial enthaltene harte anorganische Material eine Mohs-Härte von mindestens 8 aufweist.

4. Reibungsapparat nach Anspruch 1, wobei das im Reibungsmaterial enthaltene harte anorganische Material SiC ist.

5. Reibungsapparat nach Anspruch 1, wobei das im Reibungsmaterial enthaltene harte anorganische Material Al&sub2;O&sub3; ist.

6. Reibungsapparat nach Anspruch 1, wobei das im Reibungsmaterial enthaltene harte anorganische Material in einer Menge von 0,5 bis 15 Vol.-% vorhanden ist.

7. Bremsapparat, umfassend einen Rotor oder eine Trommel, bestehend aus einer Aluminiumlegierung mit 65-98 Vol.-% Aluminium und mindestens einem verstärkenden hartkeramischen Material, und einen Ständer zur Reibungskupplung mit dem Rotor, welcher Ständer eine Außenfläche mit einem Reibungsmaterial darauf aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumlegierung mit zwischen 0,5 Vol.-% und 35 Vol.-% eines Materials gehärtet ist, gewählt aus der Gruppe, bestehend aus Si&sub3;N&sub4;, TiN, TiC, Al&sub2;O&sub3;, SiC, ZrO&sub2; und SiO&sub2; und deren Kombinationen, und das Reibungsmaterial 0,5 Vol.-% bis 15 Vol.-% an Härtungsmittel enthält, gewählt aus der Gruppe, bestehend aus SiC, Al&sub2;O&sub3;, ZrO&sub2;, B&sub4;C, c-BN und WC, wobei jede Beziehung zwischen der Identität und der Menge in Form von Volumenprozent eines Härtungsmittels im Rotor, H in Ar, und der Identität und der Menge in Form von Volumenprozent eines Härtungsmittels in Reibungsmaterial, H in FM, in Tabellen 1A, 1B, 1C, 1D, 1E und 1F wie folgt definiert ist:

TABELLE 1A

TABELLE 1B

TABELLE 1C

TABELLE 1D

TABELLE 1E

TABELLE 1F

8. Bremsapparat nach Anspruch 7, wobei die Aluminiumlegierung mit 15 bis 25 Vol.-% SiC gehärtet ist und das Reibungsmaterial ein Hartmaterial enthält, gewählt aus der Gruppe, bestehend aus SiC-Partikeln, Al&sub2;O&sub3; und SiC- Haarkristallen.